Brevet FR2607204A1 — publié le 19880527

Matériau stratifié pour éléments constitutifs de paliers de glissement, muni d'une couche antifriction en un matériau de portée à base d'aluminium La présente invention se rapporte à un matériau stratifié pour éléments constitutifs de paliers de glisse- ment, par exemple des paliers de glissement respectivement radiaux ou axiaux, comprenant une couche substrat métalli- que et une couche antifriction en un matériau de portée à base d'aluminium, déposée sur cette couche substrat et éventuellement dotee d'une couche rapportée de liaison et d'adaptation, le matériau de portée étant un alliage d'alu- minium quasiment homogène qui renferme dans l'aluminium, avec les impuretés classiques, de 1 % à 3 %, de préférence de 1,5 % à 2,5 % de parts pondérales de nickel, de 0,5 % à 2,5 %, de préférence de 1 % à 2 % de parts pondérales de manganèse et de 0 % à 2 % de parts pondérales de plomb, et qui peut présenter des particules dures de nickel et de manganèse ou, respectivement,des particules dures renfermant du nickel et/ou du manganèse, dont la grosseur de particu- les est substantiellement e 5 pm. Un matériau stratifié de ce type, connu d'après le brevet DE-C-3 519 452, présente certes des propriétés excel- lentes du matériau de portée, conjuguées à une capacité de charge dynamique accrue de la couche antifriction fabriquée à partir d'un tel matériau de portée. Il s'est toutefois - révélé, dans la pratique, que la fabrication ou, respecti- vement, le façonnage de ce matériau stratifié connu soulève certaines difficultés lors de l'usinage superficiel par enlè- vement de copeaux, par exemple à cause de la tendance à l'apparition d'arêtes vives structurelles. L'invention a par conséquent pour objet d'amélio- rer notablement, quant à sa faculté de production et d'usi- nage, le matériau stratifié du genre précité, destiné à des éléments constitutifs de paliers de glissement, tout en améliorant également les propriétés de glissement, en parti- 2 2607204 culier les propriétés de fonctionnement en cas d'urgence du matériau de portée prévu pour constituer la couche anti- friction. Conformément à l'invention, cet objet est atteint par le fait que l'alliage d'aluminium formant le matériau de portée renferme une adjonction de bismuth comprise entre 0,1 % et 2 % en parts pondérales, de préférence entre 0,8 % et 1,4 % en parts pondérales. Grâce à l'invention, les propriétés avantageuses du matériau stratifié connu de ce type, concernant la dura- bilité, la faculté d'adaptation et en particulier la cons- tance thermique de la couche antifriction, demeurent plei- nement conservées. De surcroît, l'invention confère à la couche antifriction une faculté de glissement accrue davan- tage encore, ainsi que des propriétés de fonctionnement en cas d'urgence notablement améliorées. L'invention prodigue cependant, en tout premier lieu, une amélioration considé- rable de l'aptitude à l'usinage par enlèvement de copeaux de l'alliage de portée à base d'aluminium, renfermant du nickel et du manganèse. L'usinage superficiel avec enlève- ment de copeaux produit des copeaux courts, ce qui est une condition fondamentale imposée à des matériaux usinables sur des machines automatiques. De plus, la formation d'arêtes vives structurelles est empêchée. Certes, selon le brevet précité DE-C-3 519 452, il a déjà été envisagé d'améliorer l'aptitude à l'usinage par enlèvement de copeaux, en présence de vitesses de coupe moins grandes, en ajoutant à l'alliage de faibles quantités de plomb. Toutefois, ces adjonctions de plomb n'ont pas sup- primé l'impératif consistant à améliorer davantage encore l'aptitude à l'usinage par enlèvement de copeaux. Comme dans le matériau stratifié connu d'après le brevet précité DE-C-3 519 452, l'on peut - dans la mesure o le matériau de portée formant la couche antifriction n'est pas complètement homogène - tolérer la présence de particu- les dures de nickel et de manganèse ou de particules dures renfermant du nickel et du manganèse, qui présentent pour l'essentiel une grosseur de particules ( 5 pm; dans ce cas, un élément volumique matérialisé par un cube d'une longueur de c6té de 0,1 mm doit renfermer moins de cinq, de préféren- ce au maximum une particule dont la grosseur Dans un perfectionnement particulièrement avanta- geux de l'invention, l'alliage d'aluminium formant le maté- riau de portée peut renfermer, en tant qu'adjonction supplé- mentaire, du cuivre dont les parts pondérales sont comprises entre 0,02 % et 1,5 %, de préférence entre 0,3 % et 0,8 %. Grâce à cette adjonction de cuivre, la solidification du cristal mixte, existant dans le matériau de portée connu à base d'aluminium auquel on a ajouté du nickel et du man- ganèse, est améliorée davantage encore du fait qu'il se forme également des phases ternaires et quaternaires ou, respectivement, des types de cristaux mixtes qui provoquent, par leur dureté, un accroissement des valeurs de solidité de la matrice d'Al. Un autre avantage prodigué par l'alliage AlNiMnBiCu réside dans la possibilité de commander adéqua- tement l'ampleur des valeurs de solidité, au choix et selon les exigences de chaque cas d'application, par un choix de températures ou de cycles de traitement thermique corres- pondantsau cours de son usinage. Cette possibilité de com- mande - dans la mesure o elle est identifiable - se fonde vraisemblablement sur la commande de la sursaturation en cristaux mixtes, ainsi que de l'importance et de la quantité des précipitations. L'adjonction de Cu n'affecte pas néga- tivement les avantages obtenus par l'adjonction de Bi, tels que des améliorations de l'aptitude à l'usinage par enlève- ment de copeaux, une faculté de glissement accrue et de meilleures propriétés de fonctionnement en cas d'urgence. Bien au contraire, il en résulte une stabilisation plus accentuée de ces propriétés. L'invention va à présent être décrite plus en dé- tail à titre d'exemples nullement limitatifs, en regard des dessins annexes sur lesquels: la figure 1 est un diagramme à colonnes relatif à la capacité de charge dynamique; la figure 2 est une vue en perspective du matériau stratifié selon l'invention, revêtant la forme d'une moitié d'un palier de glissement; la figure 3 est une coupe fragmentaire selon la ligne III-III de la figure 2; et la figure 4 est une coupe fragmentaire d'une va- riante de réalisation,-selon la ligne III-III de la figure 2. Le diagramme à colonnes de la figure 1 représente la capacité de charge dynamique d'un matériau stratifié muni d'une couche antifriction à base d'aluminium, pour un temps de référence de 200 heures. Cette capacité de charge dynamique doit alors être déterminée sur la base de courbes de charges résiduelles d'expériences Underwood, à 150 C. Les matériaux stratifiés mis en comparaison comprenaient un matériau substrat en acier et une couche antifriction déposée, sur la couche substrat, par plaquage d'une tôle en un alliage d'aluminium coulé, éventuellement avec inter- position d'une feuille d'aluminium pur. Les matériaux stratifiés, soumis à comparaison sur le diagramme à colonnes de la figure 1, sont les suivants: A: Acier/AlNi2MnlBil, sans couche de liaison ni couche d'adaptation. Ai: Acier/AlNi2MnlBil, avec 0,5 % de parts pondérales de Cu, 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/AlNi2Mn1Bi1/Ni/PbSnlOCu2 (galv.), avec couche de liaison Ni et couche d'adaptation PbSnlOCu2, dépo- sées l'une et l'autre galvaniquement. Dl: Acier/AlNi2Mn1Bi1CuO,5/Ni/PbSn10Cu2 (galv.), avec couche de liaison Ni et couche d'adaptation PbSnlOCu2, déposées l'une et l'autre galvaniquement. E: Acier/AlSn6/Ni/PbSnlOCu2 (galv.), classique, avec cou- che de liaison Ni et couche d'adaptation PbSnlOCu2, déposées l'une et l'autre galvaniquement. F: Acier/AlZn5/Ni/PbSnlOCu2 (galv.), matériau de portée connu à l'Al, de haute solidité, avec couche de liaison Ni et couche d'adaptation PbSnlOCu2, déposées l'une et l'autre galvaniquement. Comme le révèle le diagramme à colonnes, un maté- riau stratifié comprenant une couche substrat en acier, ainsi qu'une couche antifriction en AlNi2MnlBil, permet d'atteindre une capacité de charge dynamique supérieure à 60 N/mm2, avant que des fissures puissent être constatées dans la couche d'aluminium. Une telle couche antifriction en AlNi2MnlBil peut être excellemment usinée par enlèvement de copeaux; elle se distingue par unie faculté de glisse- ment accrue et, vis-à-vis de couches antifriction connues, par des propriétés de fonctionnement en cas d'urgence nota- blement améliorées. Comme le montre le diagramme en A1, une telle couche antifriction peut être améliorée davantage encore, par une adjonction de cuivre représentant 0,5 % en parts pondérales, en se fondant sur le principe qu'une capacité de charge dynamique d'environ 65 N/mm2 est atteinte avant que des fissures puissent être constatées dans la couche d'aluminium. Comme il ressort de la colonne D du diagramme, l'application d'une couche de liaison en nickel et d'une couche d'adaptation en PbSnlOCu2, sur la couche antifric- tion, permet d'accroître encore une capacité de charge dynamique de paliers de glissement jusqu'à la zone dans la- quelle se manifeste normalement une fatigue de la couche de glissement, jusqu'à environ 75 N/mm2, avant que des fis- sures dues à la fatigue puissent être constatées dans la couche d'aluminium. Egalement dans le cas du matériau stra- tifié auquel se rapporte la colonne D du diagramme, il est encore possible d'obtenir un accroissement de la résistance à la fatigue, plus précisément par l'adjonction de 0,5 % en parts pondérales de Cu à l'alliage AlNi2MnlBil. Comme le révèle la colonne D1 du diagramme, l'on peut obtenir, de la sorte, une capacité de charge dynamique du matériau strati- fié atteignant jusqu'à 80 N/mm2, avant que des fissures dues à la fatigue puissent être constatées dans la couche d'alu- minium. Dans ce cas, les matériaux stratifiés correspondant aux colonnes D et Dl du diagramme se singularisent, en plus, par une aptitude à l'usinage par enlèvement de copeaux no- tablement améliorée du matériau de portée formant la couche antifriction, ainsi que par une faculté de glissement accrue et par de meilleures propriétés de fonctionnement en cas d'urgence. De telles propriétés et valeurs améliorées, con- cernant la capacité de charge dynamique, ne peuvent pas être. obtenues avec les matériaux classiques à base d'aluminium destinés à des paliers de glissement et prévus pour une ca- pacité de charge moyenne, comme le révèlent les exemples des colonnes B, C et E pour AlSn6 et'AlSn20, avec ou sans couche d'adaptation. La capacité de charge dynamique de paliers de glissement munis d'une couche antifriction en un alliage de portée AlNi2MnlBil coulé se rapproche déjà de l'ordre de grandeur qui, jusqu'à présent, est connu seule- ment pour des matériaux de portée de haute solidité à base d'aluminium, comme par exemple le matériau reproduit dans la colonne F, doté d'une couche antifriction en alliage AlZn5 coulé. La capacité de charge dynamique de paliers de glis- sement munisd'une couche antifriction en un alliage AlNi2MnlBil coulé, avec adjonction de cuivre représentant entre 0,02 % et 1,5 % en parts pondérales, permet déjà d'atteindre cet ordre de grandeur. Le fonctionnement sans fatigue, en pre- sence d'une couche antifriction en alliage AlNi2MnlBil avec 0,5 % de parts pondérales de cuivre, demeure alors supérieur au fonctionnement sans fatigue d'une couche antifriction en alliage AlZn5 coulé, lorsque la même couche d'adaptation est prévue pour ces deux couches antifriction. Dans ce cas, l'alliage coulé AIZn5 connu ne peut pas être utilisé sans la couche d'adaptation et il présente, concernant d'autres caractéristiques d'un matériau de portée telles que la cons- tance antigrippage, la résistance à l'usure, etc., des pro- priétés considérablement moins favorables que celles cons- tatées pour les alliages de portée à base d'aluminium aux- quels ont été ajoutées de faibles quantités de manganèse, de nickel et de bismuth, ainsi que de cuivre éventuellement. Les figures 2 à 4 illustrent l'application du matériau stratifié à des coquilles de paliers, c'est-à- dire à des paliers de glissement se composant de deux moi- tiés. Dans le cas du palier de glissement représenté sur la figure 3, il est prévu un corps substrat métallique i en acier. Sur ce corps substrat 1, une couche antifric- tion 2 en AlNi2MnlBil, d'une épaisseur comprise entre 0,2 mm et 0,5 mm, est directement appliquée par plaquage au lami- noir. Cette couche antifriction 2 est revêtue par plaquage électrochimique, c'est-à-dire par voie galvanique, d'une mince couche de nickel 3 pouvant présenter une épaisseur de 0,001 mm à 0,002 mm. Une couche d'adaptation 4 en un alliage de portée au métal blanc, ayant pour formule PbSnlOCu2, est déposée par voie galvanique, en une épaisseur de 0, 05 mm à 0,1 mm, sur cette couche de liaison 3 en nickel. Le matériau stratifié est intégralement entouré par une couche protec- trice 5 anticorrosion,en de l'étain ou en un alliage étain- plomb, de préférence déposée galvaniquement. Il s'agit alors d'un mince voile qui est à peine perceptible à la face su- périeure de la couche d'adaptation 4, mais confère, notamment dans la région de la couche substrat 1, une protection efficace contre la corrosion. Dans l'exemple de la figure 4, la couche substrat métallique 1 est ellemême réalisée en tant que matériau stratifié, qui comprend plus précisément une couche 7 en acier et une couche intercalaire 8 à propriétés de fonction- nement en cas d'urgence, consistant par exemple en du bronze au plomb ou en du bronze à l'étain. L'on pourrait également utiliser, par exemple, une couche intercalaire 8 en AlZn5. Sur cette couche intercalaire 8, une mince couche de nickel 9 (de 0,001 mm à 0,002 mm d'épaisseur), faisant office de barrière anti-diffusion, est déposée par pulvérisation catho- dique. L'on dépose sur cette couche de nickel 9, par pulvé- risation cathodique, de préférence par pulvérisation catho- dique de haute puissance en appliquant des champs magnéti- ques, une couche antifriction 6 en un alliage d'aluminium- nickel-manganèse-bismuth-cuivre renfermant 2,5 % de parts pondérales de nickel, 2 % de parts pondérales de manganèse, 1,2 % de parts pondérales de bismuth et 0,5 % de parts pon- dérales de cuivre, la part restante étant formée par de l'aluminium. Bien que cette couche antifriction 6 ne réclame aucun traitement superficiel mécanique, c'est-à-dire qu'une meilleure aptitude à l'usinage par enlèvement de copeaux du matériau de portée n'entre pas en ligne de compte, la cou- che antifriction bénéficie, dans ce cas, de l'accroissement de la faculté de glissement et de l'amélioration des pro- priétés de fonctionnement en cas d'urgence, prodigués par l'adjonction de bismuth. Dans cet exemple, la couche antifriction 6 est à nouveau recouverte d'une couche de liaison 3 mince (d'une épaisseur de 0,001 mm à 0,002 mm) déposée par pulvérisation cathodique, sur laquelle est à son tour déposée, par pulvé- risation cathodique, une couche de rodage ou d'adaptation 4 en alliage de portée au métal blanc, d'une épaisseur d'en- viron 0,02 mm à 0,03 mm. Pour déposer ces couches, l'on peut envisager des procédés de revêtement par pulvérisation cathodique tels que connus, par exemple, d'après l'exposé de Hartmut Frey "Kathodenzerstâuben, Beschichtungsmethode mit Zukunft", VDI-Zeitung 123 (1981), n 12, pages 519 à 525. Au lieu d'avoir recours à des procédés de revêtement par pulvérisation cathodique, la couche antifriction, la couche de liaison et la couche d'adaptation, ainsi que des couches éventuelles formant barrières anti-diffusion, pour- raient également être déposées par métallisation sous vide, ou bien par voie galvanique. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au matériau stratifié décrit et repré- senté, sans sortir du cadre de l'invention. 26072 e - R E V E N D I CATIO NS - 1. Matériau stratifié pour éléments constitutifs de paliers de glissement, par exemple des paliers de glis- sement respectivement radiaux ou axiaux, comprenant une cou- che substrat métallique et une couche antifriction en un matériau de portée à base d'aluminium, déposée sur cette couche substrat et éventuellement dotée d'une couche rappor- tée de liaison et d'adaptation, le matériau de portée étant un alliage d'aluminium quasiment homogène qui renferme dans l'aluminium,avec les impuretés classiques tolérées, de i % à 3 %, de préférence de 1,5 % à 2,5 % de parts pondérales de nickel, de 0,5 % à 2,5 %, de préférence de 1 % à 2 % de parts pondérales de manganèse et de 0 % à 2 % de parts pondérales de plomb, et qui peut présenter des particules dures de nickel et de manganèse ou, respectivement, des par- ticules dures renfermant du nickel et éventuellement, ou en variante,du manganèse, dont la grosseur de particules est substantiellement fait que l'alliage d'aluminium formant le matériau de por- tée renferme une adjonction de bismuth comprise entre 0,1% et 2 %, de préférence entre 0,8 % et 1,4 % en parts pon- dérales. 2. Matériau stratifié selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'alliage d'aluminium formant le matériau de portée renferme, en tant qu'adjonction sup- plémentaire, du cuivre do.nt les parts pondérales sont com- prises entre 0,02 % et 1,5%, de préférence entre 0,3 % et 0,8 %.