Brevet FR2621310A1 — publié le 19890407

Matériau de friction comprenant un composite de carbone renforcé par des fibres de carbone, et dont les pores du composite contiennent un métal La présente invention concerne un matériau de friction, plus spécialement un matériau de friction compre- nant un composite de fibres de carbone et de carbone et qui est infiltré par un métal, et elle apporte un matériau de friction pour freins dont la caractéristique de frottement, la résistance à l'usure et la résistance mécanique sont amé- liorées, et qui cependant donne un coefficient de frotte- ment d'un ordre modéré à élevé. Le matériau constitué de fibres de carbone et de carbone, qui sera désigné ci-après par l'abréviation compo- site C/C, est un matériau industriel que l'on peut obtenir en carbonisant ou en transformant en graphite par chauffage l'article moulé à chaud qui comprend des fibres de carbone (provenant de polyacrylonitrile, de poix, ou autres) comme matière de renforcement,et comme liant de la poix, une ré- sine phénolique, une résine de furanne etc. Quand on utili- se ce matériau comme matériau de friction pour freins ou autres, le composite C/C se montre excellent en ce qui concerne sa résistance à la chaleur, mais, quand il est as- socié à l'élément opposé du frottement, l'efficacité du frottement est limitée de diverses manières suivant les né- cessités. De plus, si on l'emploie comme élément opposé, sa résistance mécanique est insuffisante. L'invention a pour objectif de remédier à ces in- convénients qui sont liés au composite C/C, et pour cela l'efficacité du frottement a été très amélioré par l'intro- duction d'une petite quantité de métal dans les pores du composite. Les matériaux composites qui comprennent un métal contenu dans le composite C/C sont connus. Par exemple, d'après le brevet japonais 53-27205, on obtient un matériau - 2 - composite très bon par sa résistance et sa lubrification en introduisant dans les pores du composite C/C un métal non ferreux ou un alliage de deux métaux non ferreux ou plus ayant un point de fusion de à 1100 C dans des proportions de 10 à 50% en volume, avec une porosité de 10 à 50% en volume, la teneur en fi- bres de carbone étant de 40 à 60% en volume. En outre, la publication non examinée du brevet. japonais N 60-162748 propose un matériau composite dont les pores de communica- tion de la matrice de carbone du composite C/C sont occupés par un métal, mais on ne trouve aucune indication précise sur la porosité et la teneur en métal (dans l'exemple donné seule est indiquée la proportion des fibres de carbone, qui est d'environ 70% en volume). Cependant, comme ce matériau a une grande résistance mécanique à la température normale et une excellente résistance à la chaleur, son emploi a été suggéré dans les techniques aérospatiales ainsi que comme sabots de freins et autres matériaux pour l'automobile et l'aviation. Les deux inventions ci-dessus sont totalement différentes de la présente invention dans les objectifs et les actions de frottement, et en particulier, l'inven- tion qui est décrite dans le brevet japonais N 53-27205 concerne un matériau de glissement dont l'emploi diffère de celui des matériaux de friction pour freins et autres, qui sont envisagés dans la présente invention. A la suite de ses recherches sur l'efficacité de frottement du composite C/C ci-dessus décrit, infiltré par un métal. le présent inventeur a en effet trouvé que l'on peut obtenir une remarquable amélioration d'efficacité dans un domaine donné d'infiltration inférieur à la quantité de métal qui est indiquée dans le brevet japonais N 53-27205. En ce qui concerne le matériau de friction de cette invention, ses caractéristiques sont que la porosité du composite comprenant la matière carbonée renforcée par des fibres de carbone est réglée entre 5 et 15% en volume 3- par l'imprégnation renouvelée d'une résine et chauffage, et qu'un métal ou un alliage ayant un point de fusion de 125 à 1100 C est introduit dans les pores à raison de 3 à 10% en volume. A la suite de ce traitement, le coefficient de frottement P du matériau de friction n'est pas inférieur à 0,3 et son degré d'usure A ne dépasse pas 0,20 mm, et sa résistance mécanique est accrue, et il y a en même temps un effet remarquable, à savoir que la modification du coef- ficient de frottement par les changements de température, de vitesse et de pression de frottement, reste faible. Les figures 1 et 2 annexées sont des diagrammes qualitatifs qui montrent, pour la figure 1 les relations entre l'épaisseur de la pellicule de métal fondu d'une part, et d'autre part le coefficient de frottement P et le degré total d'usure A, et pour la figure 2 les relations entre le point de fusion du métal d'une part et d'autre part le coefficient de frottement et le degré d'usure. Les figures 3, 4, 5 et 6 sont des graphes montrant les valeurs du coefficient de frottement p et les modifications appor- tées aux matières de friction dans l'exemple 1, l'exemple comparatif 1, l'exemple 9 et l'exemple comparatif 2, res- pectivement, dans les conditions respectives de mesure (il y a quatre sortes de combinaisons entre la pression de frottement F et la vitesse de frottement V). Le composite C/C, qui constitue le substrat du matériau composite de cette invention, peut être obtenu par la méthode connue, à savoir que l'on chauffe aux environs de 800 C dans une atmosphère non oxydante, pour le carboni- ser, l'article imprégné du liant résineux formé en un as- semblage de fibres de carbone, et moulé à chaud. Toutefois, dans la présente invention, comme il est nécessaire de ré- gler la porosité du composite C/C entre 5 et 15% en volume, l'assemblage avec les fibres de carbone est rendu dense et on répète l'imprégnation de résine et le chauffage de ma- nière à obtenir la porosité voulue. Au stade final du -4- chauffage, on peut provoquer la transformation en graphite en élevant la température au-dessus de 2000'C. On force la pénétration du métal fondu dans les pores du composite C/C ainsi obtenu. Sous la pression ap- pliquée, le métal s'infiltre dans les pores, mais seulement dans les pores continus et non dans les pores fermés. De plus, comme le contact entre le métal fondu et le carbone n'est pas bon, la limite supérieure du métal introduit est d'environ 70% du volume total des pores dans les essais. On fait pénétrer dans cette invention un métal ou un alliage ayant un point de fusion de 125 à 1100 C suivant l'opération et les caractéristiques du produit voulu, des exemples de métaux ou alliages étant Cu, Zn, Sn,Pb, Sb, Bi, Cu-Sn, Cu-Zn, et autres. Avec le matériau de friction de l'invention, une condition essentielle est que le métal ne réagisse pas avec le carbone servant de matrice ni avec les fibres de carbone servant de renforcement à la tempéra- ture élevée que produit le frottement avec l'élément opposé. En particulier, la présence de matières dures et cassantes, par exemple de composés intermétalliques ou au- tres, n'est pas souhaitable car les caractéristiques de frottement en sont rendues instables et les parties plus molles ont tendance à s'user sélectivement. A cet égard, l'aluminium et ses alliages sont impropres à la réalisation de l'invention, et le fer et alliages de fer sont également exclus à cause de ces inconvénients, à l'exception du point de fusion. La proportion du métal ou de l'alliage introduit est de 3 à 10% en volume, de préférence de 4 à 8% en volu- me, car si cette proportion dépasse 10% la résistance à l'usure devient sans doute meilleure, mais le coefficient de frottement t est abaissé à 0,3, alors que si la propor- tion de métal est inférieure à 3%, à l'inverse le coeffi- cient s'élève mais en même temps le degré total d'usure A augmente, et en outre la résistance mécanique du matériau - de friction diminue. Le tableau 1 ci-après donne les pro- priétés physiques d'un composite C/C contenant un alliage Cu-14Sn dans des proportions de 5 à 9% en volume comparées à celles du même composite sans ces métaux, tableau qui montre les améliorations remarquables de la résistance à la courbure et de la résistance au choc. Tableau 1 I Propriété | Masse | | Résistan- | Résistan- _ physigue_ volumique Dureté j ce à la I ce au choc Composite C/C j g/cm3 | HRM j courbtre | Charp l L _____ __ I....f. 10 98 x 10 Pa 1o,2s x 10 Pa! LAvec Cu-14Sn 12,20-2,401 63-75 1 25-32] 8-12 LSans métaux _j,60-1, 641 60-7U 12-15 1 4-7 On considère que la raison pour laquelle l'efficacité de frottement du matériau de cette invention comprenant le composite C/C avec infiltration d'un métal est considérablement améliorée est la suivante: une partie du métal fond sous l'action de la chaleur produite par le frottement et recouvre la surface du matériau; la résis- tance au cisaillement (résistance de viscosité) de la pel- licule de métal fondu semble contribuer à l'élévation du coefficient de frottement et à la diminution du degré total d'usure A. Les relations qualitatives entre l'épaisseur de la pellicule de métal et P et A sont indiquées sur la figu- re 1 o l'on voit que/J et A diminuent quand l'épaisseur de la pellicule augmente, et quand la pellicule atteint une certaine épaisseur t, les valeurs dep et de A tendent à devenir à peu près constantes. Si l'épaisseur dépasse la va- leur t le métal fondu prend un état voisin d'un état fluide lubrifiant et le contact direct entre le matériau de fric- tion et l'élément de frottement opposé est empêché par la pellicule. Pour une raison semblable, comme le montre la figure 2, si le point de fusion du métal est bas, les va- -- 6 -- -6- leurs de p et de A sont basses car la pellicule de métal fondu peut se former facilement, et si son point de fusion s'élève,,p et A augmentent également. Les exemples qui suivent illustrent plus en dé- tail la présente invention, dont ils ne limitent aucunement la portée. Pour mesurer le coefficient de frottement p et le degré total d'usure A on utilise dans ces exemples le dynamomètre de frein pour automobiles. Aux pressions F de 490 et 980 N et aux vitessesV de 50 et 100 km/h on détermine la valeur de p dans quatre conditions d'association de ces valeurs, et pour chaque condition on détermine les diminu- tions d'épaisseur des éprouvettes résultant du frottement jusqu'à 100 fois chacune, au total 400 fois, c'est-à-dire les valeurs de A, en mm. Exemple 1 Dans un composite C/C comme substrat, dont la porosité est réglée à 10% en volume, on introduit par in- filtration un alliage Cu-14Sn dans une proportion de 64 en volume. Les résultats d'un essai de frottement entre ce ma- tériau composite contenant l'alliage et certains matériaux pour déterminer le coefficient de frottement p sont donnés à la figure 3 (traits discontinus), qui donne également en traits continus le coefficient p du composite C/C sans l'alliage, à titre comparatif. On peut voir sur cette figu- re que la présence de l'alliage Cu-Sn accroît remarquable- ment la valeur de/j dans les conditions respectives de F et V. Dans ce cas, le coefficientp décroit à mesure que les conditions du frottement deviennent plus fortes, mais le degré de changement est relativement faible et satisfai- sant, la valeur de p étant de 0,49 pour F = 490 N et V = 50 km/h et de 0, 38 pour F = 980 N et V = 100 km/h. De plus, le degré total d'usure A est de 0,14 mm quand le métal est présent, ce qui est très supérieur à la valeur de 0,60 mm quand il n'y a pas de métal. -.7- Exemple-comparatif 1 On opère comme dans l'exemple 1 précédent avec un matériau composite contenant 20% en volume de l'alliage Cu-14Sn, sauf que le composite C/C a une porosité d'environ 30% en volume, composite qui est obtenu avec 50% en volume de fibres de carbone, sans réimprégnation de résine. Comme dans l'exemple 1, les résultats de la détermination du coefficient p sont indiqués sur la figure 4 en traits dis- continus, et à titre comparatif le coefficientp du compo- site C/C sans l'alliage est également donné en traits pleins. Avec l'alliage la valeur de p atteint 0,49 dans des conditions relativement douces (F = 490 N et V = 50 km/h), mais dans d'autres conditions /u s'abaisse au-dessous de 0,3 dans les deux cas. En particulier, avec F = 980 N et V = 100 km/hp est égal à 0,22, ce qui est inférieur à sa valeur en l'absence de l'alliage, et le degré de change- ment est également important. De plus, le degré d'usure A du matériau composite ci-dessus contenant le métal est de 0,28 mm, ce qui est inférieur à celui du matériau composite de l'exemple 1 à 6% en volume de métal. Exemples 2 à 8 Dans des composites C/C de porosité 8, 10 et 15% en volume on introduit par infiltration les métaux ou al- liages respectifs Zn, Pb, Sb, Pb-55Bi, Cu-14Sn et Cu dans les proportions respectives de 3, 6, 10 et 20% en volume. Les valeurs de p (données dans les deux conditions extre- mes de F = 490 N et V = 50 km/h, et de F = 980 N et V = 100 km/h) et les valeurs de A de ces matériaux compo- sites contenant un métal sont indiquées au tableau 2. o % vol. de métal 3 6 10 20 . --_ _ ---- à,--__ ____ 0,1- O 3 -0 29 O 10-O_28-17- - _1 6 Pb-55Bi 1250,40-0;34 0518 0,38-0,30 0,11 0132-0O27 _0310 0,26-0117 0J03 7 Cu-14Sn 7980L53-0z40 0,50 0,49-0,38 0J14 OL43-027 011 0 49-0/22 0 28 8Cu 1083 0/56-0;47 0;62 050-037 028 024 46-0 32 , 050-0,37 0,28 0.46-0324 __ J L 3 22 us - 9 - Il ressort du tableau 2 que tous les métaux qui ont été employés dans les exemples 2 à 8 donnent une bonne efficacité de frottement dans les proportions de 3 à 10% en volume, et l'on peut voir un remarquable effet d'amélio- ration par rapport au composite C/C ne contenant pas le métal ou l'alliage (voir l'exemple 1 ou l'exemple compa- ratif 1). Toutefois, avec la proportion de 10% en volume, les limites inférieures de P tombent au-dessous de la valeur de 0,3 qui est dans tous les cas la valeur consti- tuant l'objectif de cette invention, et avec la proportion de 3% en volume la valeur de A dépasse parfois 0,20 mm, qui est également l'objectif de l'invention. Il est donc sou- haitable d'éviter ces proportions limites pour réaliser d'une manière plus sûre la présente invention. Exemple 9 Cet exemple est un exemple d'essai de frottement avec la présence d'un alliage à bas point de fusion, à savoir l'alliage Pb-55Bi (point de fusion 125 C) en rempla- cement de celui de l'exmple 1, dans la proportion de 6% en volume, les résultats obtenus se trouvant sur la figure 5 o l'on voit que le degré total d'usure du composite C/C contenant l'alliage Pb-55Bi et celui du même composite sans cet alliage sont respectivement de 0,11 mm et de 0,60 mm. Exemple comparatif 2 Les résultats obtenus en remplaçant l'alliage de l'exemple comparatif 1 par l'alliage Pb-55Bi dans la pro- portion de 20% en volume sont donnés sur la figure 6, o l'on voit que le degré total d'usure du composite C/C contenant cet alliage Pb-55Bi est de 0,03 mm et celui du composite sans cet alliage est de 0,60 mm. Il ressort clairement de la description précéden- te que les caractéristiques de frottement du composite C/C sont remarquablement améliorées par l'introduction de la petite quantité du métal ou de l'alliage à bas point de fu- - 10 - sion, ce qui ouvre à un tel composite de larges emplois comme matériau de friction pour freins et autres applica- tions et a une grande importance industrielle. - 11- REVENDICATIONS 1. Un matériau de friction caractérisé en ce que, dans un matériau composite contenant un métal, dans lequel le métal infiltre les pores du composite qui comprend une matière carbonée renforcée par des fibres de carbone, la porosité du composite est réglée entre 5 et 15% en volume et le mé- tal est un métalou un alliage ayant un point de fusion de 125 à 1100 C, qui infiltre lesporesdu composite dans une propor- tion de 3 à 10% en volume. 2. Le matériau de friction de la revendication 1 dans lequel la proportion de métal ou de l'alliage est de 4 à 8% en volume. 3. Le matériau de friction de la revendication 1 dans lequel le métal ou l'alliage est choisi parmi les sui- vants: Cu, Zn, Sn,Pb, Sb, Bi, Cu-Sn, Cu-Zn, et autres. 4. Le matériau de friction de la revendication 1 dont la porosité du composite C/C est de 10% en volume, composite dont les pores contiennent 6% en volume de l'alliage Cu-14Sn. 5. Le matériau de friction de la revendication 1 dont la porosité du composite C/C est de 10% en volume, composite dont les pores contiennent 6% en volume de l'alliage Pb-55Bi. 6. Le matériau de friction de la revendication 1 dont la porosité du composite C/C est de 8, 10, ou 15% en volume, composite dont les pores contiennent 3, 6 ou 10% en volume du métal ou de l'alliage.