Brevet FR2532022A1 — publié le 19840224

La présente invention concerne des matériaux de friction pour freins, qui conviennent au service ferroviaire. Au cours des années, plusieurs types différents de compositions pour sabots de freins de véhicules ferroviaires, ont été décrits. Ces compositions ont été normalement formées d'une matrice de caoutchouc et/ou de résine fortement armée de fibre d'amiante et contenant du plomb sous la forme de plomb élémentaire et/ou d'oxydes de plomb et des agents modificateurs de friction tels que du chromite de fer, du carbure de silicium, etc., comme composants essentiels.Des compositions représentatives ont été décrites dans les brevets des Etats-Unis dAmérique N0 2 686 140, NO 2 861 964, NO 3 152 099, NO 3 390 113r NO 3 832 325, NO 3 959 194 et N0 4 178 278. Beaucoup des matières décrites dans les brevets précitées ont remporté un très-grand succès commercial comme compositions pour sabots de freins de véhicules ferroviaires, sous la marque commerciale COBRA. Toutefois, des questions dtenvironnement et d'hygiène ont amené les acheteurs et, par conséquent, les fabricants à rechercher des compositions de matières de friction qui ne contiennent pas de fibre d'amiante, ni de plomb métallique ou de ses composés. Une composition contenant peu ou ne contenant pas de plomb a été révélée récemment. Cette composition s'est montrée très avantageuse pour réduire l'usure des roues, notamment lorsqu'on utilise des roues en acier assez doux (voir le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3 959 194 précité).Des efforts visant à éliminer la fibre d'amiante des compositions de sabots de freins ont été hérissés de difficultés majeures, principalement parce que la fibre dbamiante communiquait aux compositions un ensemble remarquable de propriétés de renforcement et de propriétés thermiques. En service, des sabots de freins subissent des contraintes physiques importantes et sont également exposés à des élévations notables de température, atteignant souvent des températures de pointe de plus de 4270C. Antérieurement, des matières fibreuses autres que l'amiante, telles que certaines fibres organiques, des fibres d'acier et des associations de fibre d'acier et de grenaille métallique, ont été trouvées aptes à résister convenablement aux forces thermiques et physiques impliquées dans le service ferroviaire. Le service AAR (Association of American Railroads) classique pour wagons à marchandises classiques constitue la grande majorité des cas d'utilisation de matières de friction et, en conséquence, de nombreuses compositions antérieures ont été orientées sur un tel but d'utilisation. En conséquence, on a cherché à obtenir une composition de matière de friction de base pour sabots de freins moulés qui soit dépourvue d'amiante et qui puisse être utilisée avantageusement en service AAR, qui satisfasse aux conditions du service et qui soit peu coûteuse à fabriquer. La présente invention a trait à une matière de friction moulée sans armature de fibre, apte à être utilisée sur des véhicules ferroviaires, qui comprend, en volume, les composants suivants liant du type résine phénolique : 2-15 % composant carboné : 30-60 % composant organique : 15-30 % composant inorganique : 5-35 % modificateurs de friction : 1-15 % additifs : 1-7 % Dans les formes de réalisation préconisées, la composition peut aussi contenir 5 à 10 % en volume de modificateurs de friction et 5 à 10 % en volume de résine phénolique (liant) ; 30 à 50 % en volume du composant carboné, 15 à 25 % en volume du composant inorganique et 20 à 25 % en volume du composant organique. Dans la pratique, le produit de l'invention est utilisé dans divers types de services ferroviaires qui sont rangés en catégories d'après la pression de contact qui est appliquée transversalement à la face du sabot de frein au cours d'un freinage normal. En service, les pressions réelles dépendent du type de matériels ferroviaires sur lequel le frein est utilisé, de ce que le freinage que l'on considère va d'un freinage léger à un freinage d'urgence, et de facteurs similaires. Toutefois, les distinctions sont évidentes et l'homme de l'art les comprendra sans diffi cul té. En outre, le service AMR et le service à forte sollicitation utilisent communément des freins agissant sur la bande de roues lement :en contraste avec des freins à disque. Il ressort nettement de ce qui précède que toute composition particulière choisie en vue d'un usage AAR doit avoir de bonnes propriétés thermiques de mêsne qu'elle doit etre soumise à une évaluation de l'effet que la matière produira en service sur la roue métallique. Ces facteurs ainsi que d'autres s-'.allient pour faire, du choix des composants, plus un art qu'une science précise. De petites variations dans la proportion de l'un des composants par rapport à un autre peuvent engendrer des diffe- rences considérables dans la performance finale du sabot de frein.Par exemple, certaines associations de matières, tout en ayant de bonnes caractéristiques de friction en service, peuvent se montrer trop dures sur la roue métalli- que de véhicule ferroviaire pour donner satisfaction lors d'un usage à long terme. Compte tenu de ces nombreuses considérations ainsi que d'autres, la composition de la présente invention a présenté de façon surprenante les caractéristiques qu'une matière de friction moulée pour sabot de frein doit avoir pour être un substitut satisfaisant de matières renforcées par des fibres d'amiante ou d'autres fibres, en service ferroviaire. Le premier composant le plus vaste de la composition de l'invention est un composant organique qui consiste en un caoutchouc lié par une résine phénolique. Le liant et la matrice de caoutchouc sont les véhicules dans lesquels les autres composants sont noyés. Le composant organique peut contenir des mélanges de caoutchouc naturel ou synthétique avec des matières élastomériques ou une résine phénolique qui peut être vulcanisée ou autrement réticulée pour former une matrice dure pour les composants restants. Parmi les caoutchoucs appréciés, on mentionne les caoutchoucs butyle, les caoutchoucs styrènebutadiène ou les caoutchoucs nitrile. Plusieurs variétés des divers caoutchoucs naturels ou synthétiques et des résines phénoliques sont faciles à obtenir et sont décrites en détail dans la littérature. De nombreux caoutchoucs sont décrits dans l'ouvrage intitulé Vanderbilt Rubber Handbook publié par la R. T. Vanderbilt Company en 1968.Des résines phénoliques utilisables d'une façon générale dans la présente invention sont décrites dans l'ouvrage intitulé Modern Plastics Encyclopedia, volume 4, NO 10 (19701971). Des résines de coques de noix de cajou sont appréciées, principalement à cause de leurs excellentes propriétés de liaison et de résistance à la chaleur. Ces résines et leur procédé de préparation sont commentés dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N0 2 686 140 et NO 2 861 964. Le composant organique peut, dans certaines formes de réalisation, etre entièrement composé de caoutchouc, bien que le composant organique soit très avantageusement formé d'un mélange de caoutchoucs et de résine phénolique. Les proportions des composants indiquées dans le présent mémoire ont été diversement mesurées par des pourcentages en volume plutôt que par le pourcentage en poids plus courant, sauf spécification contraire. Il en est ainsi parce que le pourcentage en volume reflète les propriétés physiques d'une forme et de dimensions données du sabot frein malgré des variations de la composition chimique réelle du sabot, attendu que lors du freinage, la quantité de chaque matière qui est exposée au niveau de la surface de freinage en contact avec la surface de roulement de la roue constitue un facteur important. Cela simplifie également la description de la matière de la présente invention, en évitant la nécessité de recalculer les composants pour compenser les variations de densité des matières choisies, par exemple le composant organique. Le second composant de la composition, qui est l'un des composants clé de toute composition de friction pour sabots de freins, comprend les agents modificateurs de friction décrits de façon plus détaillée dans ce qui suit. Un autre composant de la composition de l'invention comprend des charges inorganiques. Il peut s'agir d'une grande variété de matières inorganiques granulées qui n'affectent pas notablement les propriétés de friction de la composition, mais qui sont plutôt utilisées pour charger la composition et pour réduire la nécessité d'utiliser une plus grande quantité du composant-organique coûteux. En outre, ces matières procurent également à un certain degré des propriétés thermiques du fait quelles servent à dissiper la chaleur. Des exemples de matières que l'on peut utiliser comprennent l'alumine, les barytes, la silice, les oxydes de fer, la craie, le talc, la diatomite, des argiles, etc. de même que des mélanges de ces diverses matières. Les grosseurs des particules se situent normalement dans la plage de 4 à 75 micromètres.Les charges inorganiques sont normalement présentes en proportion de 5 à 35 % en volume, de préférence de 15 à 25 o- en volume de la composition. Dans la présente invention, il importe que la charge inorganique ne contienne pas de fibre d'amiante ni de plomb métallique ou de composés de plomb. Le troisibme composant de la composition de l'invention est un composant carboné qui est formé de particules de carbone sous l'une quelconque de diverses formes, telles que noir de carbone, farine de carbone, graphite ou anthracite broyé. On peut utiliser une matière unique telle que le noix de carbone ou des mélanges de diverses matières contenant du carbone. Ce composant est normalement présent en proportion de 30 à 60 % en volume, de préférence 30 à 50 % en volume. Normalement, le diamètre des particules de carbone se situe dans la plage de 0,02 à 150 micromètres.Ces matières ont été et sont incorporées dans les matériaux de friction pour plusieurs raisons comprenant la couleur, l'aptitude à résister à la dégradation par la lumière ultraviolette des matières polymérisées, le renforcement du caoutchouc vulcanisé, etc. Les dernières matières nécessaires dans la présente invention sont des 11additifs11 utilisés pour vul caniser, réticuler ou modifier d'une autre façon les caoutchoucs et les résines contenus dans le composant organique. Naturellement, ces matières varient en fonction de la nature du composant organique particulier utilisé et des propriétés physiques finales recherchées, mais il s'agit généralement de matières telles que le soufre, l'oxyde de zinc, les thiazoles, les sulfénamides, les dithiocarbamates, les peroxydes, les anti-oxydants, les agents retardateurs et autres adjuvants. Une grande variété de ces matières sont décrites dans la littérature des brevets et dans l'ouvrage précité intitulé Vanderbilt Rubber Handbook. Les additifs sont présents en proportion d'environ 1 à 7 % en volume, de préférence de 2 à 4 % en volume. La composition peut contenir en conséquence, dans les catégories décrites : une résine de coques de noix de cajou et des modificateurs de friction tels que les matières inorganiques qui affectent notablement les propriétés de friction du matériau. Aux fins de la présente invention, on considère que deitels modificateurs de friction sont ordinairement des substances minérales ou des céramiques ayant des duretés Mohs de plus de 5. Des exemples représentatifs de ces matières sont le carbure de silicium, la zircone, le grenat, le chromite de fer et des matières similaires. Les modificateurs de friction se présentent sous la forme de granules dont les particules ont des diamètres de 0,05 à 200 micromètres environ. Les modificateurs de friction sont présents en proportion allant jusqu'à 15 % en volume, de préférence de 5 à 10 % en volume, de la composition. Bien que les modificateurs de friction utilisés dans le présent mémoire se soient montrés utiles en quantités variables dans d'autres compositions pour sabots de freins comprenant des compositions de friction renforcées à l'amiante et des compositions contenant des fibres d'acier seules ou en association avec des particules métalliques ou de la "grenaille", l'utilisation individuelle en les quantités indiquées dans une composition pour sabots de freins sans fibre de renforcement est quelque peu surprenante. Les descriptions des exemples donnés ci-après montreront avec évidence à l'homme de l'art la meilleure façon de mélanger et de formuler autrement les compositions de la présente invention.D'autres descriptions de divers types d'appareillages de traitement comprenant des mélangeurs et des moules sont données dans Stern, Rubber : Natural and Synthetic (2ème édition, 1967) et Rubber World, Machinery and Equipment for Rubber and Plastics (2ème édition, 1963) et dans la littérature des brevets. La composition pour frein moulé suivante est une forme de réalisation appréciée de l'invention, les proportions de tous les composants énumérés étant exprimées en pourcentages en poids et en volume Exemple % en poids % en volume Caoutchouc en miettes avec 10 % de talc 12,74 23,36 Soufre de manufacture de 0,51 0,45 caoutchouc Accélérateur pour caoutchouc TMTD 0,25 0,33 Accélérateur pour caoutchouc MBT 0,25 0,31 Anti-oxydant 0,13 0,22 Acide stéarique 0,13 0,28 Oxyde de zinc 0,64 0,21 Poudre de noir de carbone 9,17 9,33 Farine de carbone 10,19 9,33 Chromite de fer 14,01 5,81 Oxyde de fer rouge 9,94 3,83 Micrograins de carbure de silicium 0,64 0,36 Charge de base carbonée 7,39 9,21 Argile dure de manufacture de caoutchouc 18,85 13,39 Caoutchouc dur en poudre 6,37 8,58 Caoutchouc minéral 3,18 5,61 Résine liquide de noix de cajou 5,10 9,48 Hexaméthylènetétramine 0,51 0,91 Total 100,00 100,00 Certaines modifications de la composition cidessus peuvent être effectuées sans réduire l'ensemble des avantages de la matière de friction moulée de la présente invention. Par exemple, l'anti-oxydant peut être totalement éliminé de meme que l'acide stéarique lorsqu'ils ne sont pas nécessaires dans l'opération de moulage. Des modificabtions de ce genre sont couramment apportées dans de telles formulations et on peut y procéder dans la pratique sans porter préjudice aux avantages offerts par la composition globale. La contribution importante décrite dans le présent mémoire réside dans le fait qu'une composition de friction dont il est question peut être satisfaisante pour le service AAR sans nécessiter la présence de fibre de renforcement d'un type quelconque dans une matière constituant la surface portante d'un sabot de frein qui satisfait aux essais d'aptitude et aux autres exigences en vue du service AAR. Les quantités d'agents modificateurs de friction, d'additifs et d'adjuvants et autres substances auxiliaires peuvent être ajustées par l'homme de l'art pour obtenir les résultats désirés. REVENDICATION S 1. Composition de matière de friction sans fibres, apte à être utilisée comme sabots de freins pour le service ferroviaire, caractérisée en ce qu'elle contient, en volume résine phénolique (liant) : 1-15 % composant carboné : 30-60 % composant organique . 15-30 % composant inorganique : 5-35 % modificateurs de friction : 1-15 % le reste des autres additifs représentant 1-7 %. 2. Composition de matière de friction suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le composant résine phénolique constitue 5 à 10 - en volume de la composition. 3. Composition de matière de friction suivant la revendication 2, caractérisée en ce que le composant carboné constitue 30 à 50 % en volume de la composition. 4. Composition de matière de friction suivant la revendication 3, caractérisée en ce que le composant inorganique constitue 15 à 25 % en volume de la composition. 5. Composition de matière de friction suivant la revendication 4, caractérisée en ce que le modificateur de friction constitue 5 à 10 % en volume de la composition. 6. Composition de matière de friction suivant la revendication 5, caractérisée.en ce que le composant organique constitue 20 à 25 % en volume de la composition. 7. Composition de matière de friction apte à être utilisée comme sabots de freins moulés pour le service ferroviaire, caractérisée en ce qu'elle est essentiellement formée des constituants suivants caoutchouc en miettes avec 10 % de talc : 23,36 % soufre de manufacture de caoutchouc : 0,45 % accelérateur pour caoutchouc TMTD : 0,33 % accélérateur pour caoutchouc MBT : 0,31 % anti-oxydant : 0,22 % acide stéarique : 0,28 % ; oxyde de zinc : 0,21 % , noir de carbone en poudre : 9,33 % ; farine de carbone : 9,33 % chromite de fer : 5,81 % oxyde de fer rouge : 3,83 % micrograins de carbure de silicium : 0,36 % charge de base carbonée : 9,21 % ; argile dure de iranufacture de caoutchouc : 13,39 % ; ; caoutchouc dur en poudre : 8,58 % caoutchouc minéral : 5,61 % résine liquide de noix de cajou : 8,48 % ; et hexaméthylènetétramine : 0,91 %.