Brevet FR2582759A1 — publié le 19861205

L'invention concerne un matériau stratifié pour élément de palier lisse, par exemple palier lisse radial ou axial, qui est formé d'une couche métallique de soutien et d'une couche antifriction appliquée sur la couche de soutien, formée de matériau pour paliers à base d'aluminium, et qui est éventuellement muni d'une couche de liaison et d'une couche d'adaptation appliquées dessus. On utilise largement et avec succès des alliages d'aluminium dans les paliers lisses de bielle et de vilebre- quin des moteurs à combustion interne. Les matériaux pour paliers lisses à utiliser dans des moteurs à combustion inter- ne doivent résister à de grandes charges spécifiques et à des températures élevées. C'est pourquoi, ces dernières années, on s'est donné beaucoup de peine pour créer des alliages pour paliers lisses à base d'aluminium ayant une grande résistance au grippage, une grande résistance à la fatigue et une grande résistance à l'usure. Dans PCT/JP 82/00411, publication allemande DE 32 49 133 T1, on décrit des paliers formés d'un alliage à base d'aluminium et dans des explications abondantes et dé- taillées, on part de cette hypothèse théorique que dans un tel alliage à base d'aluminium, il doit y avoir des particules dures qui doivent être relativement grosses afin que l'alliage pour paliers lisses acquière de bonnes propriétés, en parti- culier en ce qui concerne l'adaptabilité et la résistance au grippage. Dans DE 32 49 133, on décrit en particulier des alliages pour paliers à base d'aluminium en tant que système à plusieurs constituants dans lequel, outre les particules dures présentes, il doit y avoir aussi des particules à bas point de fusion ou molles. Dans l'ensemble, les alliages pour paliers connus par DE 32 49 133 T1 sont des systèmes complexes dont la fabrication est déjà compliquée. L'utilisation de ces alliages pour paliers pour la fabrication de matériau stra- tifié ou d'éléments de palier lisse nécessite une prudence particulière pour éviter des modifications du système à plusieurs constituants. Pendant le fonctionnement d'éléments de palier lisse de ce genre, en particulier à température élevée et sous une grande charge, comme c'est le cas dans 258Z759 les moteurs à combustion interne, des modifications désavan- tageuses du système à plusieurs constituants de ces alliages connus pour paliers à base d'aluminium ne peuvent pas être exclues avec la certitude nécessaire. Relativement à cela, l'invention vise à créer un matériau stratifié pour élément de palier lisse à couche antifriction en alliage pour paliers à base d'aluminium, ayant d'excellentes propriétés en tant que matériau pour paliers, dont la fabrication soit assurée dans des condi- tions économiques favorables en assurant de façon repro- ductible des propriétés désirées pour les matériaux pour paliers, ces propriétés subsistant même dans des conditions de fonctionnement difficiles. Ce problème est résolu par le fait que le matériau pour paliers est un alliage d'aluminium à peu près homogène comprenant 1 à 3 % en poids de nickel, 0,5 à 2,5 % en poids de manganèse, 0 à 2 % en poids de plomb, le reste étant de l'aluminium avec les impuretés usuelles admissibles. Ainsi qu'il est apparu de façon surprenante en corrélation avec l'invention, il faut prévoir seulement, en principe, pour la couche antifriction en alliage pour paliers à base d'aluminium, une combinaison des éléments nickel et manganèse en petites quantités avec l'aluminium, pour remplir pleinement les conditions posées en ce qui concerne la ré- sistance à la fatigue, l'adaptabilité et en particulier la résistance à la température de la couche antifriction. Le matériau stratifié selon l'invention peut être fabriqué de façon économiquement avantageuse avec une reproductibilité complète des propriétés de la couche antifriction et conserve ces propriétés même en service à température élevée et sous la charge dynamique qui se produit sur les éléments de palier lisse dans les moteurs à combustion interne. Les additions de manganèse et de nickel aux limites inférieures indiquées suffisent déjà à obtenir les propriétés désirées de matériau pour paliers. Des teneurs en manganèse et en nickel plus élevées que les limites supérieures indiquées plus haut donnent des séparations d'assez grosses particules de matière dure qui, contrairement aux indications de DE 32 49 133 T1, sont apparues désavantageuses lors d'essais d'usure effec- tués en corrélation avec l'invention. De préférence, on peut prévoir pour le matériau pour paliers à base d'aluminium formant la couche anti- friction des additions d'environ 1,5 à 2,5 % en poids de nickel et 1 à 1, 5 % en poids de manganèse. On peut ajouter de petites quantités de plomb pour obtenir une meilleure usinabilité avec application de moindres vitesses de coupe pour le traitement de la surface. Dans la mesure o dans le matériau stratifié selon l'invention le matériau pour paliers formant la couche anti- friction n'est pas entièrement homogène, on peut, dans le cadre de l'invention, le régler de façon telle que les par- ticules dures de nickel et de manganèse ou les particules dures contenant du nickel et du manganèse qui s'y trouvent présentent essentiellement des grosseurs ne dépassant pas pm et moins de cinq, de préférence au maximum une particule de grosseur égale ou supérieure à 5.m doivent être présentes dans un élément de volume d'un cube de 0,1 mm de longueur d'arête. Pour le matériau stratifié selon l'invention, on peut fabriquer l'alliage pour paliers à base d'aluminium en fondant, selon des procédés de fusion classiques, de l'alu- minium, de préférence pur à 99,0 % ou davantage, et les quantités désirées de nickel, de manganèse et éventuellement de plomb. On peut couler l'alliage fondu et alors, l'écroû- ter ou le fraiser de tous les côtés. Une coulée continue ou un filage à la presse de l'alliage sont possibles aussi. Ensuite, avec l'alliage, après un laminage repéré et un recuit (si nécessaire), on peut fabriquer par un procédé connu une plaque de l'épaisseur désirée. On peut, après traitement préalable, plaquer par laminage cette plaque, sans couche intermédiaire, sur une tôle d'acier préparée. Le matériau de soutien peut se présenter aussi bien sous forme de bande que de ruban. Dans une telle opération de fabrica- tion, on peut fabriquer du matériau stratifié dans lequel la couche antifriction formée du matériau pour paliers à base d'aluminium présente une épaisseur de couche de 0,1 à 1 mm, de préférence de 0,2 à 0,5 mm. Le matériau stratifié selon l'invention peut aussi être fabriqué de façon excellente selon des procédés de revêtement par pulvérisation cathodique ou vaporisation sous vide et il faut prévoir pour la couche antifriction des épaisseurs de 0,05 mm au maximum. Pour un matériau stratifié selon l'invention muni d'une couche antifriction fabriquée par de tels procédés de revêtement, il est à recommander de prévoir un matériau de soutien qui est lui-même un matériau stratifié, par exemple un matériau stratifié acier-aluminium ou un matériau stratifié acier-bronze au plomb, le revêtement par le matériau pour paliers à base d'aluminium devant s'effectuer du côté aluminium ou du côté bronze au plomb. Le matériau stratifié selon la présente invention convient, même sans placage supplémentaire, à la fabrication d'un élément de palier lisse, notamment pour moteurs à com- bustion interne, tandis que pour des éléments classiques de palier lisse à couche antifriction à base d'aluminium, un tel placage supplémentaire est souvent indispensable. Un placage supplémentaire, ou l'application d'une couche d'adaptation, est possible de façon simple et même à recommander dans le cas du matériau stratifié selon l'invention à cause de la quasi-homogénéité du matériau pour paliers à base d'alumi- nium à petites additions de nickel et de manganèse et il est même à recommander lorsqu'on désire une augmentation de la capacité spécifique de charge de l'élément pour paliers lisses. Des exemples d'exécution de l'invention sont ex- pliqués plus précisément ci-après à propos des dessins sur lesquels: la figure 1 montre un diagramme en barres de la capacité de charge dynamique; la figure 2 est une vue en perspective du matériau stratifié selon l'invention sous la forme d'une moitié de palier lisse; la figure 3 est une vue en coupe partielle suivant la ligne III-III de la figure 2, et la figure 4 est une vue en coupe partielle suivant la ligne III-III de la figure 2, en un mode d'exécution modifié. Le diagramme en barres de la figure 1 représente la capacité de charge dynamique d'un matériau stratifié à couche antifriction à base d'aluminium, rapportée à 200 heures. La capacité de charge est déterminée en partant de courbes de charge résiduelle d'essais Underwood à 150 C. Les matériaux stratifiés comparés présentaient un matériau de soutien formé d'acier et une couche antifriction que l'on avait appliquée sur la couche de soutien par placage d'une plaque d'alliage d'aluminium coulé, éventuellement avec interposition d'une couche d'aluminium pur. Les matériaux stratifiés comparés sur le diagramme en barres de la figure 1 sont les suivants: A: acier/AlNi2Mnl selon l'invention, sans couche de liaison ni couche d'adaptation. B: acier/AlSn6, classique, sans couche de liaison ni couche d'adaptation. C: acier/AlSn20, classique, sans couche de liaison ni couche d'adaptation. D: acier/AlNi2Mnl/Ni/PbSnlOCu2 (galv.) selon l'invention, avec couche de liaison de Ni et couche d'adaptation de PbSnlOCu2, toutes deux appliquées galvaniquement. E: acier/AlSn6/Ni/PbSnlOCu2 (galv.), classique avec couche de liaison de Ni et couche d'adaptation de PbSnlOCu2, toutes deux appliquées galvaniquement. F: acier/AlZn5/Ni/PbSnlOCu2 (galv.), alliage d'aluminium pour paliers connu, très résistant, avec couche de liaison de Ni et couche d'adaptation de PbSnlOCu2, toutes deux appliquées galvaniquement. Comme le montre le diagramme en barres, avec un matériau stratifié à couche de soutien en acier et couche antifriction en AlNi2Mnl, on peut atteindre une capacité de charge dynamique de 60 M/mm2 avant qu'on ne puisse constater des fissures dans la couche d'aluminium. Comme on le voit par la partie D du diagramme en barres, on peut, par appli- cation d'une couche de liaison de nickel et d'une couche d'adaptation de PbSnlOCu2 sur la couche antifriction, augmenter encore la charge dynamique des paliers lisses jusque dans le domaine de la fatigue de la couche antifric- tion, qui se produit normalement, jusqu'à environ 75 N/mm2 avant que des fissures de fatigue ne puissent être constatées dans la couche d'aluminium. De telles valeurs ne peuvent pas être atteintes avec les matériaux classiques pour paliers lisses à base d'aluminium prévus pour une capacité de charge moyenne, comme le montrent les exemples B, C et E pour AlSn6 et AlSn20 avec ou sans couche d'adaptation. Ainsi, la capa- 10. cité de charge dynamique de paliers lisses à couche antifric- tion formée d'alliage pour paliers AlNi2Mnl coulé atteint un ordre de grandeur qui n'est connu jusqu'ici que dans le cas de matériaux pour paliers en aluminium de grande résistance, par exemple le matériau pour paliers représenté en F, à couche antifriction formée d'alliage AlZn5 coulé. Toutefois, ce dernier alliage n'est pas utilisable sans couche d'adap- tation et présente, sur d'autres points comme la résistance au grippage, la résistance à l'usure, etc, des propriétés notablement moins avantageuses que celles que l'on a trouvées pour des alliages pour palier à base d'aluminium contenant les petites additions indiquées de manganèse et de nickel. Les figures 2 à 4 montrent l'application du maté- riau stratifié pour des coquilles de palier, c'est-à-dire des paliers lisses composés de deux moitiés. Dans le palier lisse représenté par la figure 3, il est prévu un corps métallique de soutien 1 formé d'acier. Sur ce corps de soutien 1 est appliquée directement, par placage par lami- nage, une couche antifriction 2 d'une épaisseur de 0,2 à 0,5 mm, formée d'AlNi2Mnl. Cette couche antifriction 2 est revêtue, par placage électrochimique, c'est-à-dire par voie galvanique, d'une mince couche de nickel 3 qui peut présenter une épaisseur de 0,001 à 0,002 mm. Par dessus cette couche de liaison 3 formée de nickel est appliquée, par voie galva- nique, une couche d'adaptation 4 formée de métal antifric- tion pour paliers, de composition PbSnlOCu2, avec une épaisseur de 0,05 à 0,1 mm. L'ensemble du matériau stratifié est entouré d'une couche de protection contre la corrosion 5, de préférence appliquée galvaniquement, formée d'étain ou d'alliage étain-plomb. Il s'agit ici d'un voile mince qui n'apparaît guère à la surface de la couche d'adaptation 4, mais qui offre, en particulier dans la région de la couche de soutien 1, une protection efficace contre la corrosion. Dans l'exemple de la figure 4, la couche métalli- que de soutien 1 est elle-même conçue sous forme de matériau stratifié, et plus précisément munie d'une couche d'acier 7 et d'une couche intermédiaire 8 ayant des propriétés de fonctionnement avec graissage insuffisant, par exemple for- mée de bronze au plomb ou de bronze à l'étain. On pourrait aussi utiliser, par exemple, une couche intermédiaire 8 d'AlZn5. Sur cette couche intermédiaire 8 est appliquée une mince couche de nickel 9 (0,001 à 0,002 mm), par pulvérisa- tion cathodique, en tant que barrage contre la diffusion. Par dessus cette couche de nickel 9 est appliquée, par pul- verisation cathodique, de préférence à grande puissance avec utilisation de champs magnétiques, la couche antifriction 6 formée d'alliage aluminium-nickel-manganèse ayant une teneur en nickel de 2,5 % en poids et une teneur en manganèse de 2 % en poids, le reste étant de l'aluminium. Cette couche antifriction 6 est à nouveau recouverte d'une mince couche de liaison 3 (0,001 à 0,002 mm), appliquée par pulvérisation cathodique, sur laquelle est à nouveau appliquée par pulvé- risation cathodique une couche d'adaptation 4 formée d'alliage de métal antifriction pour paliers, d'une épais- seur d'environ 0,02 à 0,03 mm. Pour l'application de ces couches, on peut envisager des procédés de revêtement par pulvérisation cathodique, tels qu'ils sont connus, par exemple, par l'article de Hartmut Frey "Cathodenzerstàuben, Beschichtungsmethode mit Zukunft", VDI-Z 123 (1981) n 12, pages 519 à 525. Au lieu d'utiliser des procédés de pulvérisation cathodique, on pourrait aussi appliquer la couche anti- friction, la couche de liaison et la couche d'adaptation, ainsi que des couches de barrage contre la diffusion à prévoir, par vaporisation sous vide ou par voie galvanique. -R E V E N D I C A T I ONS- 1. Matériau stratifié pour élément de palier lisse, par exemple pour palier lisse radial ou axial, formé d'une couche métallique de soutien et d'une couche antifriction à base d'aluminium appliquée sur celle-ci, et éventuellement muni d'une couche de liaison et d'une couche d'adaptation, matériau caractérisé en ce qu'il est un alliage d'aluminium à peu près homogène, comprenant 1 à 3 %, de préférence 1,5 à 2,5 % en poids de nickel, 0,5 à 2,5 %, de préférence 1 à 2 % en poids de manganèse, 0 à 2 % en poids de plomb, le reste étant de l'aluminium avec les impuretés admissibles usuelles. 2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que les particules dures contenues, formées de nickel et de manganèse ou contenant du nickel et du manganèse, ont essentiellement une grosseur ne dépassant pas 5 pm et que moins de cinq, de préférence au maximum une particule dure ayant une grosseur égale ou supérieure à 5 im sont présentes dans un élément de volume d'un cube de 0,1 mm de longueur d'arête. 3. Matériau selon l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que la couche métallique de soutien est formée d'acier. 4. Matériau selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que la couche antifriction formée de matériau pour paliers à base d'aluminium présente une épaisseur de 0,1 à 1 mm, de préférence de 0,2 à 0,5 mm. 5. Matériau selon l'une quelconque des revendica- tions 3 et 4, caractérisé en ce que la couche antifriction est formée par placage direct par laminage d'une plaque for- mée du matériau pour paliers à base d'aluminium sur la surface d'acier de la couche de soutien. 6. Matériau selon l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que la couche antifriction formée du matériau pour paliers à base d'aluminium est ap- pliquée en une épaisseur ne dépassant pas 0,05 mm, par pulvérisation cathodique ou vaporisation sous vide. 7. Matériau selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche métallique de soutien est formée de deux ou plusieurs couches, et en ce que la couche portant la cou- che antifriction est formée de matière présentant des pro- priétés de fonctionnement avec graissage insuffisant. 8. Matériau selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche métallique de soutien est formée d'un matériau stratifié acier-aluminium ou acier-bronze au plomb, la couche antifriction étant appliquée sur le côté aluminium ou le côté bronze au plomb de ce matériau stratifié.