Brevet FR2555504A2 — publié le 19850531

FR 2555504 A2 19850531 FR 8418362 A 19841129 Le brevet principal a pour objet un matériau com- posite stratifié comportant une couche porteuse métallique et une couche de glissement ou de frottement qui contient des fibres de renforcement dans une gangue formée de matière synthétique, éventuellement en même temps que des additifs améliorant les propriétés de glissement ou de frottement et selon le brevet principal, des fibres courtes de carbone sont prévues comme renforcement fibreux de la couche de glisse- ment ou de frottement, la gangue est formée d'une matière synthétique thermoplastique ou d'un mélange de deux ou plu- sieurs matières synthétiques thermoplastiques prises dans le groupe des éthers polyaryliques, des polyarylcétones, des sulfures de polyaryle, des polyarylsulfones et des oxydes de polyaryle, et elle est liée à la surface dépolie de la couche porteuse métallique, et les additifs éventuellement présents, servant à améliorer les propriétés de frottement ou de glissement, sont des particules de solide de grosseur égale ou inférieure à 40 pm. Ce matériau composite stratifié selon le brevet principal se distingue par une liaison ferme et sûre entre la couche de glissement ou de frottement et la couche porteuse et par une bonne liaison des fibres courtes dans la gangue de matière synthétique. Relativement à cela, il s'agit d'obtenir un déve- loppement et un perfectionnement notables, en particulier en ce qui concerne l'effet de renforcement du renforcement fibreux de la couche de glissement ou de frottement, qui favorise en particulier la possibilité d'utilisation d'élé- ments de glissement ou de frottement fabriqués en partant du matériau composite stratifié dans des conditions diffi- ciles, en particulier à température élevée. Ce problème est résolu selon l'invention par le fait que le renforcement fibreux contient des fibres courtes ayant un module d'élasticité de 50 MPa et davantage et plus précisément aussi des fibres courtes d'un autre matériau que le carbone, au lieu ou en plus des fibres courtes de carbone, la matière fibreuse dont il s'agit présentant de bonnes propriétés de glissement ou de frottement en même temps qu'une grande résistance à la température (point de fusion, ou de ramollissement, ou de décomposition supérieurs 2 2555504 à 300 C) et étant choisie dans le groupe comprenant les matières synthétiques, les verres, la céramique naturelle et artificielle, les métaux et alliages. Dans le cadre de l'invention, on a constaté que l'on peut envisager, pour le renforcement fibreux du maté- riau composite stratifié, non seulement des fibres courtes de carbone, mais des fibres courtes ayant un module d'élas- ticité d'au moins environ 50 MPa, une grande résistance à la température et de bonnes propriétés de glissement ou de frottement. Pour le renforcement fibreux, on peut envisager, par exemple: des fibres de verre ayant un module d'élasti- cité de 75 à 130 MPa, des fibres de graphite ayant un module d'élasticité de 700 à 800 MPa, des filaments métalliques ayant un module d'élasticité de 100 à 450 MPa, des filaments à âme de métal dur ayant un module d'élasticité de 350 à 600 MPa, des fibres de matière synthétique, par exemple de po- lyamide aromatique ("Aramid") ou de polyétrafluoréthylène (PTFE), des fibres céramiques naturelles, des fibres céra- miques artificielles, etc. Pour la formation de la gangue de la couche de glissement ou de frottement, on envisage, par exemple, de préférence: une polyéthersulfone (PES), une polysulfone (PSU), une polyéther-éthercétone (PEEC), le polysulfure de vinylène. Dans un mode d'exécution préférentiel de l'inven- tion, la gangue de la couche de glissement ou de frottement est formée de polyéther-éthercétone (PEEC). Dans un autre mode d'exécution avantageux, la gangue de la couche de glissement ou de frottement peut être formée, par exemple, de polyéthersulfone (PES). Le matériau composite stratifié selon l'invention convient de façon particulièrement avantageuse à la fabrica- tion de paliers lisses semi-cylindriques ou encore cylindri- ques. I1 est apparu que le matériau composite stratifié selon l'invention peut être transformé en paliers lisses semi- cylindriques ou cylindriques par des procédés, dans lesquels on peut éviter les épaississements locaux, jusqu'ici inévi- tables, de la surface de glissement. Par suite, le matériau composite stratifié peut déjà être fabriqué entièrement avec la constitution de couches désirée pour le palier lisse. De ce fait, la fabrication de paliers lisses, en particulier semi-cylindriques, peut être rendue notablement moins cou- teuse. Surtout, on peut se passer du revêtement électroly- tique sur mesure, nécessaire jusqu'ici pour l'application de la couche de glissement sur des paliers à plusieurs cou- ches et qui ne pouvait être exécuté que sur la pièce finie. Ainsi, par exemple, pour la fabrication de paliers lisses semi-cylindriques ou cylindriques, on peut fabriquer un ma- tériau composite stratifié selon l'invention, dans lequel la couche de glissement munie d'une gangue de matière syn- thétique thermoplastique et d'un renforcement fibreux ré- sistant à la température est appliquée directement sur une couche de substrat, de préférence d'acier, formant la co- quille de soutien du palier lisse. Pour la fabrication de paliers lisses semi- cylindriques ou cylindriques répondant à des exigences plus élevées, dans un autre mode d'exécution de l'invention, la couche de glissement munie d'une gangue de matière synthé- tique thermoplastique et d'un renforcement fibreux résistant à la température est appliquée sur une couche intermédiaire de matériau pour paliers présentant au moins des propriétés de fonctionnement avec graissage insuffisant, la couche in- termédiaire étant portée par une couche de substrat, de préférence d'acier, formant la coquille de soutien du palier lisse. Pour la couche intermédiaire, on peut envisager pra- tiquement n'importe quels matériaux métalliques pour palier présentant une résistance suffisante à la température et des propriétés de fonctionnement avec graissage insuffisant, par exemple le bronze au plomb ou des alliages d'aluminium. Un tel alliage d'aluminium pour paliers peut être, par exemple, AlZn5SiCuPbMg. L'épaisseur de la couche de glisse- ment peut être de 10 à 50 um; de préférence, elle est d'environ 20 à 30 pm. Cela est valable aussi bien pour une couche de glissement appliquée directement sur la couche de substrat que pour une couche de glissement appliquée sur une couche intermédiaire. Enfin, un matériau composite stratifié selon 4 2555504 l'invention, prévu pour la fabrication de paliers lisses semicylindriques ou cylindriques, peut aussi présenter une constitution dans laquelle une couche de glissement supplémentaire d'une épaisseur d'environ 5 à 20 pm munie d'une gangue de matière synthétique thermoplastique et d'un renforcement fibreux résistant à la température est appli- quée sur la couche de glissement métallique d'un matériau composite pour paliers lisses à deux ou plusieurs couches. Dans un tel mode d'exécution, la couche de glissement sup- plémentaire avec gangue de matière synthétique thermoplas- tique et renforcement fibreux résistant à la température forme essentiellement une couche de rodage. Dans le cadre de l'invention, il est apparu de façon surprenante que l'on peut munir le matériau composite stratifié d'une couche de glissement ayant une si grande résistance à la température que des paliers lisses fabriqués en partant d'un tel matériau puissent être utilisés même à un endroit o il apparait en service des températures éle- vées. Par suite, il rentre aussi dans le cadre de l'inven- tion d'utiliser le matériau composite stratifié selon l'in- vention pour la fabrication de paliers lisses qui doivent être utilisés dans des moteurs à combustion interne. Des exemples d'exécution de l'invention sont ex- pliqués plus précisément ci-après à propos des dessins, dans lesquels: la figure 1 montre en perspective un palier lisse semi- cylindrique destiné à servir dans les moteurs à combustion interne; la figure 2 est une vue en coupe partielle suivant la ligne 2-2 de la figure 1, grossie environ 100 fois; la figure 3 est une vue en coupe partielle du matériau com- posite stratifié selon l'invention en un autre mode d'exé- cution, en direction longitudinale, c'est-à-dire dans la direction de revêtement, grossie 100'fois; la figure 4 représente un graphique thermogravimétrique de matériaux composites stratifiés selon l'invention dont la gangue de la couche de glissement ou de frottement est formée de PPS, de PES et de PEEC; la figure 5 est une vue en coupe correspondant aux figures 2 et 3, montrant un troisième mode d'exécution du matériau composite stratifié selon l'invention, et la figure 6 est une vue en coupe correspondant aux figures 2, 3 et 5, montrant un quatrième mode d'exécution du maté- riau composite stratifié selon l'invention. Dans l'exemple des figures 1 et 2, il s'agit d'un palier lisse semi-cylindrique 30 fabriqué par laminage du matériau composite stratifié 17. Le matériau composite stra- tifié 17 avec lequel est fabriqué un palier lisse selon les figures 1 et 2 présente une couche porteuse métallique 21, à savoir une couche d'acier, sur laquelle une couche inter- médiaire 32 formée d'AlZn5SiCuPbMg est déposée par dessus une couche 31 d'aluminium pur. Sur la surface dépolie 33 de la couche intermédiaire 32 est fondue la couche de glissement 22 d'environ 20 à 30 >m d'épaisseur, comportant une gangue 26 de polyéthersulfone (PES). Dans la gangue 26 sont enrobées des fibres courtes 27 et des particules 34 de lubrifiant so- lide, par exemple de PTFE, de graphite, de MoS2, etc. Les fibres courtes 27 ont un module d'élasticité d'au moins 50 MPa. Dans l'exemple représenté, il s'agit de fibres de graphite ayant un module d'élasticité de 700 à 800 MPa. Dans un mode d'exécution modifié comme celui qui est représenté par la figure 3, le matériau composite stra- tifié 17 comporte une couche porteuse 21 d'acier qui, sur sa surface 23 portant la couche de glissement 22, porte une mince couche de cuivre 24. Sur la mince couche de cuivre 24 est appliquée par frittage une base rugueuse 25 formée de bronze au plomb sphéroïdal, en tant que squelette fritté poreux. Par dessus cette base rugueuse 25 est fondue la cou- che de glissement proprement dite 22 qui présente une gangue de polyétheréthercétone. La gangue 26 est coulée dans les cavités du squelette fritté 25. Dans la gangue 26 sont enro- bées des fibres courtes 27 qui présentent un module d'élas- ticité d'au moins 50 MPa. On peut envisager pour cela des fibres de graphite, des fibres de verre ou des fibres céra- miques. Comme le montrent les exemples suivants, le maté- riau composite stratifié, dont la couche de glissement ou de frottement présente une gangue de matière synthétique ther- 6 2555504 moplastique, en particulier de polyéthersulfone (PES), de polysulfone (PSU), de polyarylsulfone (PAS) ou de polyéther- éthercétone (PEEC) et un renforcement fibreux formé de fibres résistant à la température ayant un module d'élasticité d'au moins 50 MPa, présente en ce qui concerne le comportement à la température et la résistance à la corrosion des propriétés qui le rendent approprié à la fabrication d'éléments de glis- sement ou de frottement qui fonctionnent à une haute tempéra- ture. En particulier, avec un tel matériau stratifié, on peut fabriquer des paliers lisses pour l'utilisation dans des mo- teurs à combustion interne. Cette résistance aux hautes températures et cette résistance à la corrosion, lorsquela gangue de la couche de glissement est formée de PEEC, PES, PSU, PAS, est démontrée par les exemples suivants: Exemple 1 Dans un mélangeur (Henschel type AM 90 L2), on mélange énergiquement pendant 10 secondes 1 000 g de PEEC, g de fibres courtes de graphite (fibres coupées Sigrafil- P M-102) et 50 g de graphite et apres avoir extrait le mé- lange, on l'amène à un réservoir par une gouttière de distri- bution, en divisant les agglomérations. Depuis le réservoir, on applique le mélange à l'aide d'une racle sur un ruban d'acier portant une couche de bronze poreuse appliquée par frittage (figure 2) et on la fond dans un four continu chauf- fé, à des températures d'entrée de ruban de 360 C. Avec une température de sortie de ruban de 400 C et une vitesse de ruban de 1,2 à 5 m/mn, on réalise l'épaisseur de couche désirée d'environ 30 um et le remplissage du squelette fritté poreux à l'aide d'une cage de laminage à chaud, en respectant une tolérance d'épaisseur de + 2 >m. Exemple 2 On mélange dans un mélangeur à fluides pendant 20 secondes 100 g de PES, 70 g de fibres courtes de graphite (fibres coupées Sigrafil-P M-102) et on transfère dans un réservoir. Depuis celui-ci, on applique le mélange à l'aide d'une racle sur un ruban de matériau composite stratifié acier/AlZn5SiCuPbMg qui passe en dessous (voir figure 2). En même temps, on règle l'épaisseur finale de la couche de glissement désirée, d'environ 30 + 2 um. Dans un four continu 7 Z 2555504 chauffé électriquement, on fond la matière synthétique à une température d'entrée de 400 C. Ensuite, on refroidit le ruban composite à l'eau, à une température d'environ C, par la face inférieure et on l'enroule en une bobine. Pour vérifier la résistance à la corrosion, on introduit chaque fois dans un bécher de 250 ml trois coquil- les de palier de la constitution suivante: - coquille protectrice en acier - couche intermédiaire d'AlZn5SiCuPbMg - couche de glissement formée d'une ganque de matière syn- thétique dans laquelle sont enrobées des fibres de carbone et des particules de graphite (matières synthétiques PEEC, PES, PSU, PAS, PEEC et à titre de comparaison PPS) et on recouvre d'un lubrifiant (Shell Rotella X HD 30). Au moyen d'une plaque chauffante, on maintient le récipient pendant 168 heures à une température de 150 2 C. Après la fin de l'expérience, on dégraisse les éprouvettes au perchloréthy- lène, on les pèse à nouveau et on juge la surface des couches de glissement de matière synthétique à l'aide d'un stéréo- microscope. On ne constate de pertes de poids notable que pour les paliers lisses comportant un gangue de PPS dans la couche de glissement. La figure 4 représente graphiquement les valeurs données par des études thermogravimétriques pour des paliers lisses dont la gangue de la couche de glissement est formée de PES et PEEC, en comparaison de ceux dont la couche de glissement comporte une gangue de PPS. Il apparaît que les paliers lisses à gangue de PES, et en particulier ceux à gangue de PEEC dans la couche de glissement, sont nettement supérieurs à ceux qui présentent une gangue de PPS dans la couche de glissement. Un autre exemple d'exécution du matériau composite stratifié 17 est représenté par la figure 5. Dans cet exem- ple, la couche de glissement 22 est appliquée directement sur la surface 23 de la couche d'acier de soutien 21, dépolie mécaniquement ou chimiquement. La gangue 26 de la couche de glissement 22 est formée, dans cet exemple, de polyéther- éthercétone (PEEC). Dans la gangue 26 sont enrobées des fibres courtes 27 de graphite ayant un module d'élasticité 8 2555504 de 700 à 800 MPa. En outre, des particules de graphite 34a et des particules de PTFE 34b sont enrobées dans la gangue 26. Dans l'exemple de la figure 6, le matériau compo- site stratifié 17 présente une couche de soutien 21, par exemple formée d'acier, par dessus celle-ci une couche intermédiaire 32 d'alliage métallique pour palier présen- tant au moins des propriétés de fonctionnement avec grais- sage insuffisant, par dessus cette couche intermédiaire une couche de glissement 35 formée de matière métallique pour paliers et par dessus cette couche de glissement 35, une deuxième couche de glissement ou couche supérieure 22. La couche intermédiaire 32 peut être formée de n'importe quelle matière pour paliers, par exemple d'alliage d'aluminium comme dans l'exemple de la figure 2 et entre la couche de soutien 21 et la couche intermédiaire peut encore être disposée une couche de liaison qui a été décrite plus précisément à pro- pos de la figure 2. La couche de glissement inférieure 35 peut être formée de n'importe quelle matière pour paliers appropriée, par exemple d'un alliage de suspension aluminium- plomb que l'on a appliqué par projection à chaud sur la couche intermédiaire 32. Sur la surface de cette couche de glissement inférieure 35 est appliquée une couche de glisse- ment supérieure 22 ayant, par exemple, une composition correspondant à l'exemple 2, des fibres courtes de carbone 27 ayant un module d'élasticité de 50 à 200 MPa, en même temps que des particules de graphite 34a pouvant être enro- bées, à la place des fibres de graphite, dans la gangue 26 de PEEC. Des matières synthétiques à envisager pour la for- mation de la gangue 26 sont citées au Tableau 1. T indique g la température de transition vitreuse qui, outre le point de fusion Tm, a une importance notable pour la caractéri- sation des polymères. En particulier, la température de transition vitreuse T a une importance notable pour l'uti- g lisation de paliers lisses à température élevée. Si la température de transition vitreuse est dépassée dans le fonctionnement d'un palier lisse, il peut se détériorer par usure adhésive car la gangue de matière synthétique devient 9 2555504 "pâteuse" et, sous une charge, subit une très forte déforma- tion plastique. Le sulfure de polyphénylène (PPS) indiqué au Tableau 1 aux fins de comparaison, avec sa température de transition vitreuse de 88 C, ne convient donc pas comme ma- tière de gangue si le matériau composite stratifié doit être utilisé à une température supérieure à environ 70 à 80 C. Tableau 1 Matières synthétiques T C T C Degré de cris- g' m' tallinité polyéthersulfone (PES) 230 365 55 polysulfone (PSU) 190 343 - polyarylsulfone (PAS) 288 - - polyéther-éthercétone 143 334 48 (PEEC) pour la comparaison: sulfure de polyphénylène 88 188 60 Tableau 2 Matière fibreuse Module E, Conducti- Chaleur Température MPa vité therspécifi- de fusion mique que (température W J de décomposi- m. K g. K tion) C fibres coupées 50 à 150 15 à 100 0,7 3600 de carbone --- fibres de 30 fibres de 700 à 800 81 à 404 0,8 3500 graphite ' point de su- blimation PTFE 0,23 1,0 327 "Aramid" filaments me- 100 à 450 talliques filaments à âme 350 à 600 de métal dur fibres de verre 75 à 130 0,8 0,7 à 0,8 -- fibres céramiques 0,8 à 1 -- io:0 2555504 -R E V E N D I C A T I ONS- 1. Matériau composite stratifié comportant une couche porteuse métallique et une couche de glissement ou de frottement qui contient des fibres de renforcement dans une gangue formée de matière synthétique, éventuellement en même temps que des additifs améliorant les propriétés de glissement ou de frottement et selon le brevet principal, des fibres courtes de carbone sont prévues comme renforcement fibreux de la couche de glissement ou de frottement, la gangue (26) est formée d'une matière synthétique thermoplastique ou d'un mélange de aeux ou plusieurs matières synthétiques thermoplas- tiques prises dans le groupe des éthers polyaryliques, des polyarylcétones, des sulfures de polyaryle, des polyarylsul- fones et des oxydes de polyaryle, et elle est liée à la sur- face dépolie (23) de la couche porteuse métallique (21), et les additifs éventuellement présents, servant à améliorer les propriétés de frottement ou de glissement, sont des particules de solide de grosseur égale ou inférieure à 40 Pm, matériau caractérisé en ce que le renforcement fibreux contient des fibres courtes (27) ayant un module d'élasticité de 50 MPa et davantage et plus précisément aussi des fibres courtes (27) d'un autre matériau que le carbone, au lieu ou en plus des fibres courtes de carbone, la matière fibreuse dont il s'agit présentant de bonnes propriétés de glissement ou de frottement en même temps qu'une grande résistance à la température (point de fusion, ou de ramollissement, ou de décomposition supérieurs à 300 C) et étant choisie dans le groupe comprenant les ma- tières synthétiques, les verres, la céramique naturelle et artificielle, les métaux et alliages. 2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le renforcement fibreux contient des fibres de verre ayant un module d'élasticité de 75 à 130 MPa. 3. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le renforcement fibreux contient des fibres de gra- phite ayant un module d'élasticité de 700 à 800 MPa. 4. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le renforcement fibreux contient des filaments métal- 11 2555504 liques ayant un module d'élasticité de 100 à 450 MPa. 5. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le renforcement fibreux contient des filaments à âme de métal dur, par exemple de tungstène, ayant un module d'élasticité de 350 à 600 MPa. 6. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le renforcement fibreux contient des fibres de ma- tière synthétique, par exemple de polyamide aromatique ("Aramid") ou de polytétrafluoréthylène. 7. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le renforcement fibreux contient des fibres cérami- ques naturelles, par exemple à base de chrysotile et/ou de crocidolite et/ou d'antrophyllite et/ou de trémolite et/ou d'amosite. 8. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le renforcement fibreux contient des fibres cérami- ques artificielles, par exemple à base de borures et/ou carbures et/ou nitrures et/ou oxydes et/ou siliciures et/ou silicates. 9. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la gangue (26) de la couche de glissement ou de frottement (22) est formée de polyéther- éthercétone. 10. Matériau selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 8, caractérisé en ce que la gangue (26) de la couche de glissement ou de frottement (22) est formée de polyéther- sulfone. 11. Matériau selon l'une quelconque- des revendica- tions 1 à 10, pour la fabrication de paliers lisses semi- cylindriques ou cylindriques, caractérisé en ce que la couche de glissement (22) munie d'une gangue (26) de matière synthé- tique thermoplastique et d'un renforcement fibreux résistant à la température est appliquée directement sur une couche de substrat (21), de préférence d'acier, formant la coquille de soutien du palier lisse. 12. Matériau selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 10, pour la fabrication de paliers lisses semi- 12 2555504 cylindriques ou cylindriques, caractérisé en ce que la couche de glissement (-22) munie d'une gangue (26) de matière synthé- tique thermoplastique et d'un renforcement fibreux est appli- quée sur une couche intermédiaire (32) formée de matériau métallique pour paliers présentant au moins des propriétés de fonctionnement avec graissage insuffisant, la couche inter- médiaire étant portée par une couche de substrat (21), de préférence d'acier, formant la coquille de soutien du palier lisse. 13. Matériau selon la revendication 12, caractérisé en ce que la couche intermédiaire (32) est formée d'alliage d'aluminium pour paliers, par exemple d'AlZn5SiCuPbMg, la gangue (26) de la couche de glissement (22), de polyéther- éthercétone et le renforcement fibreux, de fibres coupées de carbone. 14. Matériau selon l'une quelconque des revendica- tions 11 à 13, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de glissement est d'environ 10 à 50 Fim, de préférence d'envi- ron 20 à 30 pm. 15. Matériau selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 10, pour la fabrication de paliers lisses semi- cylindriques ou cylindriques, caractérisé en ce qu'une couche de glissement supplémentaire d'environ 5 à 20/am d'épaisseur, munie d'une gangue de matière synthétique thermoplastique et d'un renforcement fibreux résistant à la température, est appliquée sur la couche métallique de glissement d'un matériau composite pour paliers lisses à deux ou plusieurs couches. 16. Matériau selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 15, caractérisé en ce que des particules de graphite (34a) sont enrobées dans la gangue (26) de matière synthétique thermoplastique comme additif améliorant les propriétés de glissement. 17. Matériau selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 16, caractérisé en ce que des particules de poly- tétrafluoréthylène (34b) sont enrobées dans la gangue (26) de matière synthétique thermoplastique comme additif améliorant les propriétés de glissement. 13 2555504 18. Application d'un matériau composite stratifié selon l'une des revendications 1 à 17 à la fabrication de pa- liers lisses devant servir dans des moteurs à combustion interne. s