Brevet FR2528358A1 — publié le 19831216

t 2528358 L'invention concerne un matériau composite stratifié comportant une couche porteuse métallique et une couche de glissement ou de frottement, qui contient des fibres cour- tes de carbone comme fibres de renforcement dans une gan- gue formée de matière synthétique, éventuellement en même temps que des additifs améliorant les propriétés de frot- tement ou de glissement L'invention a, en outre, pour objet un procédé de fabrication d'un tel matériau composite stratifié. v 10 On connaît par le DE-C-30 16 041 une matière orga- nique de frottement avec laquelle on pourrait former la couche fonctionnelle d'un matériau composite stratifié de l'espèce indiquée cidessus D'après ledit brevet, il faut qu'à la gangue de résine phénol/formaldéhyde formant une couche de frottement soient mélangés 15 à 50 % en volume de fibres de carbone fragmentées ayant une longueur moyenne de 0,2 à 10 mm et un diamètre moyen de 3 à 50 Jm, 7 à 20 % en volume de fibres d'acier et 10 à 15 % en volume de charges Des couches de frottement, qui sont formées d'une telle matière de frottement présentent sous une charge dynamique une endurance complètement insuffisante, ce qui semble pouvoir être attribué à la nature de la gangue de résine ainsi qu'à l'introduction de fibres d'acier dans la gangue de résine. Par le DE-A 29 35 205, on connaît un matériau com- posite stratifié et un procédé pour sa fabrication, des fibres courtes, entre autres aussi des fibres courtes de carbone, étant incluses, en même temps que des fibres sans fin de matière synthétique, dans la gangue de matière syn- thétique de la couche fonctionnelle présentant de bonnes propriétés de glissement Le mode de fabrication d'un tel matériau composite stratifié, tel qu'il est décrit dans le DE-A 29 35 205, est compliqué et coûteux, entre autres parce que l'introduction ordonnée de faisceaux de fibres juxtaposés jusqu'à la racle d'étalement en passant par un dispositif d'introduction conduit sans cesse à des difficul- 2 2528358 tés notables En outre, le matériau stratifié connu par le DE-A 29 35 205 a présenté, pour la fabrication de pièces finies telles que des coquilles de palier et des douilles de palier, des inconvénients notables, en particulier de très grandes variations du point de vue qualitatif Lorsqu'on divise longitudinalement des bandes de matériau composite stratifié selon le DE-A 29 35 205, les fibres sans fin subissent des ruptures par cisaillement Lorsqu'on découpe des disques dans des bandes de ce genre, les fibres sans fin se brisent également dans certains cas de façon tel- lement incontrôlée qu'elles dépassent la surface de di- vision des douilles ou des coquilles de palier. Par suite, le but de l'invention est de fournir un matériau composite stratifié amélioré, qui ne présente pas les inconvénients mentionnés des matériaux composites stratifiés connus, qui supporte une grande charge, en particulier une grande contrainte thermique, et qui présente une grande endurance, en particulier aussi vis-à-vis de la charge pulsée hydraulique, en même temps qu'une grande résistance à l'usure et une grande solidité de liaison entre la couche fonctionnelle et la couche porteuse Il faut aussi qu'un tel matériau composite stratifié puisse être fabriqué de façon particulièrement simple. Ce problème est résolu, selon l'invention, par un matériau composite stratifié de l'espèce indiquée plus haut, dans lequel les fibres courtes de carbone sont le seul renforcement fibreux de la couche de frottement ou de glissement, la gangue est formée d'une matière synthétique thermoplastique ou d'un mélange de deux ou plusieurs matières synthétiques thermoplastiques prises dans le groupe des éthers polyaryliques, des polyarylcétones, des sulfures de polyaryle, des polarylsulfones et des oxydes de polyaryle et est liée à la surface dépolie de la couche porteuse métal- lique et les additifs éventuellement présents, servant à améliorer les propriétés de frottement ou de glissement, sont des particules de solide de grosseur égale ou in- férieure à 40 um. 3 2528358 La couche fonctionnelle comportant une gange d'une ou plusieurs matières synthétiques thermo-plastiques de ce genre avec fibres courtes de carbone et particules de solides incluses peut être appliquée à l'état fondu sur la surface dépolie de la couche porteuse, se lier de façon particulièrement ferme à la surface de la couche porteuse et constituer une couche pratiquement exempte de pores- L'inclusion des fibres courtes est particulièrement uniforme et se distingue par un bon enrobage des fibres courtes dans la gangue de matière synthétique. Les fibres courtes de carbone peuvent être, de préfé- rence, des fibres de graphite, c'est-à-dire des fibres de carbone qui ont été soumises à un traitement thermique mécanique combiné supplémentaire pour acquérir un module d'élasticité notablement accru Selon le mode de mise en oeuvre du matériau composite stratifié ou des pièces, qui en sont fabriquées, on peut prévoir des fibres de graphite ayant un module d'élasticité spécialement élevé ou des fibres de graphite ayant une grande extensibilité et une grande résistance à la traction. Dans le cadre de l'invention, il est apparu indiqué d'avoir recours à une proportion de fibres courtes de carbone comprise entre 20 et 45 % en poids Avantageusement, les fibres courtes de carbone ont une longueur ne dépassant pas 1 mm et un diamètre ne dépassant pas 0,1 mm Des fibres courtes de carbone ayant une longueur de 0,04 à 0,2 mm et un diamètre de 0,005 à 0,03 mm sont particulièrement préférables. L'épaisseur de la couche de frottement ou de glissement du matériau composite stratifié selon l'invention doit, de préférence, être de 0,10 mm au maximum. Il est apparu qu'en association avec les fibres courtes de carbone, une polyéther-éthercétone était parti- culièrement avantageuse comme matière synthétique thermoplas- tique formant la gangue. 25283-58 A la différence du matériau composite stratiúié connu par le DE-A 29 35 205, il est appa:u de façon surprenante, dans l'invention, que les fibres courtes de carbone ou de graphite diminuent le coefficient de frottement du matériau composite au point que des additifs améliorant les propriétés de glissement ne sort plus absolument nécessa-Z-as Toute- fois, il est encore parfaitement possible et avantageux de prévoir de tels add s, par exemple en tant que orifiants solides comme PTFE, Mo 52 On peut aussi prévozr, conume additifs pour l'amélioration des propriétés de frottement ou de glissement, de la poudre de verre et/olu du mica, de préférence du mica synthétique. Une couche porteuse du matériau composite str;t ±é selon l'invention peut etre fcrmée volonté des matières l: métalliques les plus d-verses par exemple d'acier, d'un matériau de cuivre par exemnle C Sr 8 d'un matériau dealu- minium, par exemple Al Zn 5 Si Cu Pb ou d'un matériau plaqué de façon correspondante, comme acier/Al ou acier/bronze. Une couche porteuse particulièrement avantageuse est formée d'acier et est munie, sur la surface portant la couche de frottement ou de glissement, d'un squelette fritté poreux formé de bronze nodulaire. Le matériau composite stratifié selon l'invention peut etre-fabriqué par un procédé particulièrement simple et plus précisément selon le principe suivant: sur une surface préalablement dépolie et nettoyée de la couche porteuse métallique, on applique un mélange de particules de matière synthétique formant la gangue et de fibres courtes et éventuellement de particules d'additifs améliorant les propriétés de frottement ou de glissement et on réunit le tout par fusion en donnant à la gangue de matière synthé- tique la forme d'une couche de frottement ou de glissement. Le procédé selon l'invention est caractérisé par le fait que sur la surface d'une bande métallique formant la couche porteuse, dépolie à une profondeur minimale de rugosité-de uim, on dissémine continuellement un mélange de particules d'une grosseur de 100,um au maximum, formées de matière synthétique thermoplastique ou d'un mélange de celles-ci, formant la gangue et prises dans le groupe des éthers - polyaryliques, des polyarylcétones, des sulfures de polyary- le, des polyarylsulfones et des oxydes de polyaryle, en même temps que des fibres courtes de carbone d'une longueur maximale de 1 mm et éventuellement des additifs améliorant les propriétés de frottement ou de glissement, qu'au moyen d'une barre de dispersion ou d'une racle, on étale le tout en une couche uniforme ayant une épaisseur déterminée au préalable, conformément à l'épaisseur finale désirée de la couche de frottement ou de glissement et qu'ensuite, on applique cette couche par fusion sur la surface dépolie de la bande métallique. L'application par fusion de la couche de frottement ou de glissement peut s'effectuer immédiatement après la dissémination, au moyen de la barre de dispersion ou de la racle que l'on maintient à cet effet à une température supérieure de 50 à 70 K à la température de fusion de la matière synthétique thermoplastique formant la gangue Par suite, la barre de dispersion ou la racle assure non seule- ment l'obtention du degré de dissémination exigé pour obtenir une épaisseur finale désirée, mais aussi, déjà, l'application par fusion de la matière synthétique et l'alignement des fibres courtes dans la direction de mouvement de la bande. A la suite de l'application par fusion de la couche de frottement ou de glissement, on peut avantageusement chas- ser l'air contenu inévitablement dans la couche de frottement ou de glissement par suite de la dissémination, en chauffant la bande de matériau composite stratifié formée, dans un four continu, par le côté de la bande métallique et en la maintenant à une température supérieure de 50 à 70 K au point de fusion de la matière synthétique thermoplastique formant la gangue, jusqu'à ce que la couche soit exempte de pores Le chauffage de la bande de matériau composite 6 2528358 stratifié formé dans le four continu doit de préférence s'effectuer par chauffage par le bas ou par induction, de manière à obtenir une solidité de liaison particulièrement bonne entre la couche de frottement ou de glissement et la couche porteuse. Pour éviter des criques de retrait, il est à recom- mander de refroidir lentement la bande de matériau com- posite stratifié après sa sortie du four continu, en faisant agir de l'air chaud sur la couche de frottement ou de glissement. Le dépolissage de la surface à revêtir de la bande métallique formant la couche porteuse peut s'effectuer de n'importe quelle façon classique, par exemple par mou- lage, brossage ou projection d'abrasif, par exemple de grenaille d'acier ou de corindon Une surface ainsi dépolie mécaniquement doit, de préférence, être nettoyée et dé- graissée, avant le revêtement, au moyen de détergents à froid alcalins ou organiques, par exemple de perchloré- thylène ou de trichloréthylène Une autre possibilité -20 préférentielle de dépolissage de la surface à revêtir de la bande métallique formant la couche porteuse consiste à appliquer par frittage une base rugueuse, par exemple un squelette fritté poreux formé de bronze nodulaire. Un exemple d'exécution du matériau composite stra- tifié selon l'invention et son procédé de fabrication sont expliqués plus précisément ci-après à propos des dessins, dans lesquels: la figure 1 montre un schéma du procédé; la figure 2 est une vue en coupe du matériau compo- site stratifié selon l'invention dans la direction longi- tudinale, c'est-à-dire dans la direction de revêtement, avec un grossissement de 100:1, et la figure 3 est une vue en coupe du matériau com- posite stratifié selon l'invention, transversalement à la direction de revêtement, avec un grossissement de 100:1. 7 2528358 On fait passer au moyen de rouleaux de guidage une bande 11 de matériau porteur métallique, par exemple une bande d'acier cuivrée d'un côté et sur laquelle est appli- quée une base rugueuse formée de bronze nodulaire-fritté en un squelette fritté poreux, sous une trémie à poudre 13, depuis laquelle on dissémine un mélange pulvérulent de polyéther-éthercétone d'une grosseur de particules de um au maximum, et de fibres courtes de graphite d'une longueur inférieure à 1,0 mm et d'un diamètre de 0,005 à 0,03 mm, éventuellement on lisse légèrement, par exemple à l'aide de polyimides et/ou de composés polyacryliques. Pour préparer le mélange pulvérulent, on broie à la gros- seur de particules indiquée la matière synthétique thermo- plastique formant la gangue, de préférence une polyéther- éthercétone, avec addition d'azote liquide A la poudre de matière synthétique ainsi obtenue, on mélange les fibres courtes de carbone et éventuellement les particules de solide améliorant les propriétés de frottement ou de glis- sement, avant d'amener ce mélange pulvérulent à la trémie à poudre 13. Immédiatement à la suite de la trémie à poudre 13, la bande métallique porteuse 11 court sous une racle chauffée 14, qui est maintenue à une température supérieure de 50 à 70 K au point de fusion de la matière synthétique, qui forme la gangue, c'est-à-dire dans le cas présent de la polyéther-éthercétone La racle assure tout d'abord une distribution uniforme du mélange pulvérulent sur toute la largeur de la bande de matière porteuse 11, avec un degré de dissémination uniforme qui correspond à l'obtention de l'épaisseur finale désirée de la couche de frottement ou de glissement En même temps, la racle chauffée fait fondre la matière synthétique thermoplastique formant la gangue et les fibres courtes de carbone s'alignent dans la direc- tion de mouvement de la bande de couche porteuse 11 La bande de matériau composite stratifiée 15, ainsi préparée, arrive à un four de frittage 16 dans lequel on la chauffe, $ % 2528358 par le bas ou de préférence par induction, à une tempéra- ture supérieure de 50 à 70 K au point de fusion de la matière synth 6 tique-thermoplastique, c'est-à-dire de la polyéther-6thercétone et on la maintient à cette tempéra- ture Pendant ce chauffage au four de frittage ou au four continu 16 éventuellement avec application d'une dépres- sion ou d'un vide l'air inévitablement introduit lors de la dissémination du miélange pulvérulent est chassé jusqu'à ce que la o-uche de frottement ou de glissement formée soit pratiquement exempte de pores Une fois que la bande de matériau compos Xte stratifié fini 17 a quitté le four continu ou four de frittage dû, on la fait passera en balayant la couche de frottement ou de glissement for- mée par des jets d'air chaud 18, entre des rouleaux de guidage 19 et on l'enroule en une bobine 20. Selon une variante de ce-procédé de fabrication, on peut aussi partir d'une autre bande de matériau porteur, par exemple d'une bande de matériau de cuivre, d'une bande de matériau d'aluminium ou de'bandes de matériau plaquées. Le dépolissage de la bande de matériau porteur peut s'ef- fectuer mécaniquement par projection d'abrasif (grenaille d'acier ou corindon), brossage ou meulage au moyen de bandes abrasives Mais en tout cas, il faut obtenir une profondeur minimale de rugosité de 20 pm Immédiatement avant le revêtement proprement dit, il faut alors prévoir aussi-un processus de nettoyage avec des détergents a froid, organiques ou alcalins Les coupes du matériau composite stratifié 17, repré- sentées par les figures 2 et 3, montrent la couche porteuse- d'acier 21, qui est cuivrée en couche mince 24 sur sa surface 23 portant la couche de frottement ou de glissement 22 Sur la mince couche de cuivrage 24 est frittée une bande rugueuse 25 en bronde nodulaire, en tant que squelette fritté'poreux Par-dessus cette base rugueuse 25 est ap- pliquée, par fusion, la couche de frottement ou de glis- sement proprement dite, qui présente une gangue 26 de 9 2528358 polyéther-éthercétone Cette gangue 26 est introduite par fusion dans les cavités du squelette de frittage 25 Dans la gangue 26 sont incluses des fibres courtes de graphite 27 La figure 2 montre en coupe longitudinale ces fibres courtes de graphite incluses 27, et par conséquent principalement en tant que -structures allongées, tandis que la figure 3 montre les fibres courtes de graphite en coupe et par conséquent sous forme ponctuelle. A part les fibres courtes de graphite, dans la gangue 26 pourraient être inclus, en outre, dans d'autres exemples d'exécution,-des additifs améliorant les propriétés de frottement ou de glissement, par exemple des particules de PTFE, de la poudre de verre ou des particules de mica synthétique, et analogues ' Au lieu des fibres courtes de graphite mentionnées plus haut, des fibres de carbone de différentes sortes peuvent être incluses dans la gangue 26, par exemple-des fibres de carbone fabriquées en partant de rayonne ou de bitume Les fibres courtes de graphite utilisées dans l'exemple ci-dessus sont essentiellement fabriquées en partant de polyacrylonitrile Les fibres de graphite se distinguent des autres fibres de carbone par le fait qu'elles ont été soumises à un processus supplémentaire de graphiti- sation décrit dans la littérature spécialisée, sous l'in- fluence d'une température élevée et d'une charge mécanique et présentent par conséquent un module d'élasticité plus élevé que les autres fibres de carbone Selon la conduite du processus de graphitisation, on peut donner à de telles fibres de graphite un module d'élasticité spé- cialement élevé ou une extensibilité ou une résistance à la traction spécialement élevées Pour les fibres de graphite 27 à inclure dans la gangue 26, on peut alors, selon le cas d'application prévu du matériau composite stratifié, choisir entre ces fibres de graphite spécialement conçues. Avec des douilles d'amortisseur formées du matériau composite stratifié décrit ci-dessus, on a entrepris des 2528358 expériences, qui ont donné des valeurs de charge notable- ment plus favorables et des taux de défaillances notable- rient moindres que des expériences correspondantes sur des douilles d'amortisseur comparables formées de matériau com- posite stratifié connu. Dans des essais sur une installation à impulsions hydrauliques, on a essayé des douilles d'amortisseur formé du matériau stratifié composite décrit ci-dessus et d'autres formées d'un matériau connu comparable, dans les conditions suivantes hl = + 40 mm à 1 Hz h 2 = + 8 mm à 12 Hz Ici, la course h 1 a été superposée à la course h 2 Fonction: triangle Vitesse: hl=,16 m/s h 2 = O 40 mis * 2 / Durée d'essai: 278 heures Alternance de charge-: h = 1 million de courses h 2 = 12 millions de courses Course totale de glissement 320 000 m Charge latérale pendant l mn 690 N pendant 15 S 3 700 N Avec des douilles d'amortisseur formées du matériau composite stratifié décrit ci-dessus les expériences ont donné un taux de défaillance inférieur à 2 % Par contre, des douilles d'amortisseur formées de matériau composite stratifié comportant des fibres sans fin incluses dans la gangue ont montré des fissures par oscillation dans 75 % des cas. il- 2528358 R E V E N D I C A T I O N S- 1 Matériau composite stratifié comportant une couche porteuse métallique et une couche de glissement ou. de frottement, qui contient des fibres courtes de carbone comme fibres de renforcement dans une gangue formée de ma- tière synthétique, éventuellement en même temps que des additifs améliorant les propriétés de frottement ou de glissement, caractérisé en ce que les fibres courtes de carbone ( 27) sont le seul renforcement fibreux de la couche de frottement ou de glissement, en ce que la gangue ( 26) est formée d'une matière synthétique thermoplastique ou d'un mélange de deux ou plusieurs matières synthétiques thermoplastiques prises dans le groupe des éthers polyary- liques, des polyarylcétones, des sulfures de polyaryle, des polyarylsufones et des oxydes de polyaryle, en ce qu'elle est liée à la surface dépolie ( 23) de la couche porteuse métallique ( 21), et en ce que les additifs éven- tuellement présents, servant à améliorer les propriétés de frottement ou de glissement, sont des particules de solide de grosseur égale ou inférieure à 40 um. 2 Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres courtes de carbone ( 27) sont des fibres de graphite. 3 Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la proportion de fibres courtes de carbone ( 27) dans la couche de frottement ou de glisse- ment ( 22) est de 20 à 45 % en poids. 4 Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la longueur des fibres courtes de carbone ( 27) est égale ou inférieure à 1 mm, de préfé- rence de 0,04 à 0,2 mm et que leur diamètre est égal ou inférieur à 0,1 mm, de préférence de 0,005 à 0,03 mm. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la matière synthétique thermo- plastique formant la gangue ( 26) est une polyéther-éthercétone. 1 2 2528358 6 Matériau selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que l'épaisseur maximale de la couche de frottement ou de glissement ( 22) est de 0,10 mm. 7 Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les additifs servant à améliorer les propriétés de frottement ou de glissement contiennent des lubrifiants solides tels que PTFE, Mo 52. 8 Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les additifs servant à amé- liorer les propriétés de frottement ou de glissement contiennent de la poudre de verre et/ou du mica, de prúéfé- rence du mica synthétique. 9 Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une couche porteuse ( 21) formée d'acier, de matériau de cuivre, par exemple Cu Sn 8, de matériau d'aluminium, par exemple Al Zns Si Cu Pb ou de matériau convenablement plaqué tel que acier/AL ou acier/bronze Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une couche porteuse ( 21) formée d'acier et présentant un squelette fritté po- reux ( 25) formé de bronze nodulaire, en tant que base ru- gueuse sur laquelle est appliquée la couche de frottement ou de glissement ( 22). 11 Procédé de fabrication d'un matériau composite stratifié selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel, sur une surface préalablement dépolie et net- toyée de la couche porteuse étallique, on applique un mélange de particules de matière synthétique formant la gangue et de fibres courtes et éventuellement de particules d'additifs améliorant les propri 6 tés de frottement ou de glissement, et on réunit le tout par fusion en-donnant à la- gangue de matière synthétique la forme d'une couche de frottement ou de glissement, procédé caractérisé en ce que sur la surface d'une bande métallique formant la couche porteuse, dépolie à une profondeur minimale de rugosité de 13 2528358 pm, on dissémine continuellement un mélange de particules d'une grosseur de 100 Fa au maximum, formées de matière synthétique thermoplastique ou d'un mélange de deux ou plusieurs matières synthétiques thermoplastiques prises dans le groupe des éthers polyaryliques, des polyarylcé- tones, des sulfures de polyaryle, des polyarylsulfones et des oxydes de polyaryle, en même temps que des fibres courtes de carbone d'une longueur maximale de 1 mm et éventuellement des additifs améliorant les propriétés de frottement et de glissement, en ce qu'au moyen d'une barre de dispersion ou d'une racle, on étale le tout en une couche uniforme ayant une épaisseur déterminée au préalable, conformément à l'épaisseur finale désirée de la couche de frottement ou de glissement, et ence qu'ensuite, on applique cette couche par fusion sur la surface dépolie de la bande métal- lique. 12 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'application par fusion de la couche de forttement ou de glissement s'effectue immédiatement après la dis- sémination, au moyen de la barre de dispersion ou de la racle que l'on maintient à cet effet à une température supérieure de 50 à 70 K au point de fusion de la matière synthétique thermoplastique formant la gangue. 13 Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 et 12, caractérisé en ce qu'à la suite de l'application par fusion de la couche de frottement ou de glissement, on chasse l'air contenu dans la couche de frottement ou de glissement, en chauffant la bande de matériau composite stratifié formée, dans un four continu, par le côté de la bande métallique, et en la maintenant à une température supérieure de 50 à 70 K au point de fusion de la matière synthétique thermoplastique formant la gangue, jusqu'à ce que la couche soit exempte de pores. 14 Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que dans le four continu, on chauffe la bande de matériau composite stratifié par le bas ou par induction. 14 2528358 Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 et 14, caractérisé en ce que l'on refroidît lentement Ja bande de matériau composite stratifié après sa sortie du four continu, en faisant agir de l'air chaud sur la couche de frottement ou-de glissement. 16 Procédé selon l'une quelconque des revendications il à 15, caractérisé en ce que l'on effectue le dépoiis- sage de la surface à revêtir de la bande métallique par meulage, brossage ou projection d'abrasif, par exemple de grenaille d'acier ou de corindon. 17 Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'avant le revêtement, on nettoie et on dégraisse. la surface dépolie mécaniquement de la bande métallique au moyen de détergents à froid alcalins ou organiques, par exemple de perchloréthylène ou de trichloréthylène. 18 Procédé selon l'une quelconque des revendications il à 15, caractérisé en ce que l'on effectue le dépolissage de la surface à revêtir de-la bande métallique en appliquant par frittage une base rugueuse, par exemple un squelette fritté poreux formé de bronze nodulaire.