Brevet FR2643955A1 — publié le 19900907

Matériau en couches pour éléments de paliers lisses L'invention concerne un matériau en couches pour éléments de paliers lisses, par exemple pour des paliers lisses de butée ou des paliers lisses ordinaires, composé d'une couche d'appui métallique et d'une couche antifriction posée sur celle-ci et constituée par un matériau pour paliers à base d'aluminium qui est un alliage d'aluminium contenant de 1 à 3% en poids de nickel, et de préférence de 1,5 à 2,5% en poids, de 0,5 à 2,5% en poids de manganèse, et de préférence de 1 à 2% en poids, et de 0,02 à 1,5% en poids de cuivre, et de préférence de 0,S à 0,8% en poids, ainsi que de l'aluminium avec les impuretés admissibles habituel- les, des particules dures de nickel et de manganèse ou, respectivement, des particules dures contenant du nickel et/ou du manganèse étant présentes dans le matériau pour paliers avec une dimension des grains inférieure ou égale à gm pour l'essentiel, et ce, à raison de moins de 5 parti- cules dures de dimensions inférieures ou égales à 5 >m, et de préférence d'une au plus, dans le volume d'un cube élémentaire de 0,1 mm d'arête. Un matériau en couches de ce genre que l'on connaît par le brevet DE n' 36 40 328 présente, il est vrai, de remarquables propriétés de matériau pour palier alliées à une capacité de charge dynamique plus élevée pour la couche antifriction fabriquée à partir d'un tel matériau en couches. Il se présente toutefois dans la pratique des conditions de fonctionnement qui sont rendues de plus en plus difficiles par de nouvelles augmentations de puissance des machines qui contiennent les éléments de paliers lisses, et en particulier des machines à combustion interne, ainsi que par des vitesses de rotation plus élevées des arbres qui sont montés en rotation, par une diminution de la masse des parties mobiles et par des tolérances plus serrées entre les parties en glissement qui entraînent un moindre débit d'huile et une diminution de l'épaisseur du film lubrifiant, 264395S de sorte que les paliers lisses fortement chargés fonction- nent plus longtemps sous un régime de frottement mixte. Par la demande de brevet allemand publiée n' W 1271 (publiée le 27 septembre 1951), on connaît des alliages d'aluminium avec des teneurs en cuivre de 0,6 à 10% et des teneurs en plomb de 0,5 à 8%, dans lesquels le plomb peut être remplacé en totalité ou en partie par du bismuth ou par de l'étain. Dans ces alliages connus, il manque la liaison des particules de matière dure à base de nickel et de manganèse dans la base d'aluminium, et donc la coopération avantageuse de telles particules de matière dure avec l'étain ou le plomb dispersé dans la matrice. Le but de l'invention est donc d'améliorer le matériau en couches destiné à des éléments de paliers lisses qui a été cité au début, au-delà de la qualité déjà existante des propriétés de tenue en cas de lubrification insuffisante et de résistance au grippage, de sorte qu'outre une capacité de charge dynamique élevée, on satisfasse aussi aux exigences élevées qui concernent des propriétés de frottement améliorées. En particulier, l'amélioration de ces propriétés doit aussi être obtenue pour des vitesses de rotation plus élevées de l'arbre qui est monté dans le palier. Selon l'invention, ce but est atteint grAce au fait que l'alliage d'aluminium qui constitue le matériau pour paliers est un alliage de dispersion contenant une addition d'étain comprise entre 0,5 et 20% en poids, et de préférence entre 5 et 15% en poids, avec une matrice en alliage aluminium-nickel-manganèse-cuivre, l'étain étant présent sous la forme d'une précipitation dispersée dans cette matrice, cependant que les particules dures sont présentes en une quantité comprise entre 20 et 30% environ, rapportée au poids de l'alliage de la matrice, et qu'elles sont localisées de manière prépondérante sur les Joints de grains de la solution solide aluminium-nickel-manganèse-cuivre dans la matrice, et partiellement aussi dans la zone de liaison entre la matrice et les précipitations d'étain. Grâce à la coopération de phases de métal mou (étain ou plomb) dispersées dans la matrice, de particules dures dispersées dans la matrice et d'addition de cuivre dans la matrice AlNiMn, on obtient de manière particulièrement efficace un fonctionnement sans fatigue des éléments de paliers lisses fabriqués à partir du matériau en couches selon l'invention Jusqu'à des vitesses de rotation comprises entre 6.500 et 7.000 tr/min. On peut admettre que les éléments déterminants de cette coopération sont, d'une part, l'augmentation considé- rable de la résistance mécanique et de la résistance à l'usure de la matrice à base d'aluminium qui est due aux particules dures et à l'addition de cuivre, et, d'autre part, la quantité d'étain ou de plomb dispersée dans la matrice. L'addition d'étain ou de plomb entraîne en outre une nette amélioration des propriétés de glissement de la couche antifriction. Ceci est valable, en particulier, pour l'addition préférée d'étain en une quantité comprise entre 5 et 15% en poids, dans laquelle l'alliage d'aluminium présente le caractère d'un alliage de dispersion aluminium- étain. En outre, les additions de cuivre, de nickel et de manganèse entraînent une meilleure solidification de la solution solide, d'une part grâce à l'apparition de phases ou de types de solutions solides ternaires et quaternaires, respectivement, mais aussi grâce à une meilleure liaison de l'addition d'étain ou de plomb, respectivement, à l'alumi- nium ou, respectivement, de la phase d'étain ou de plomb, respectivement, à la matrice d'aluminium, car le cuivre, en particulier, est soluble aussi bien dans l'aluminium que dans l'étain. C'est en particulier dans le cas de la teneur préférée de l'addition d'étain qui est comprise entre 5 et % en poids, c'est-à-dire dans le cas de la formation d'un alliage de dispersion aluminium-étain, qu'il est particuliè- rement important que le nickel et le manganèse puissent former également avec l'étain des solutions solides et des composés intermétalliques. Grâce à. cela, on crée un alliage de dispersion aluminium-étain qui contient des particules dures très finement dispersées dans la matrice d'aluminium et qui est nettement amélioré grâce à l'affinité du nickel pour l'étain et du manganèse pour l'étain en ce qui concerne la liaison entre la matrice d'aluminium et la phase de zinc. - Comme autre avantage, l'alliage AlNiXnCu pourvu d'une addition d'étain selon l'invention offre la possibili- té de commander Judicieusement le niveau des valeurs qui définissent la résistance mécanique, à volonté et selon les exigences de chaque cas particulier, grâce au choix de températures de traitement thermique ou, respectivement, de cycles de traitement thermique appropriés au cours de son élaboration. Pour autant que l'on puisse s'en rendre compte, cette possibilité de commande repose vraisemblablement sur le contrôle de la sursaturation de la solution solide, ainsi que sur la taille et sur la quantité des précipitations. En plus d'une aptitude au glissement améliorée, l'addition d'étain conduit à des propriétés améliorées pour la tenue du matériau pour paliers en cas d'insuffisance de lubrification, l'addition de cuivre agissant aussi en outre comme un stabilisateur des propriétés visées dans cette coopération fonctionnelle des additions de l'alliage. Selon une variante de l'invention, -l'alliage d'aluminium qui constitue le matériau pour paliers peut comporter, à la place de l'addition d'étain, une addition de plomb de 1% en poids à 10% en poids, et de préférence de 1 à % en poids. L'addition de plomb produit des avantages comparables à ceux qui ont été exposés plus.haut au suJet de l'addition d'étain. On peut donc modifier également le matériau en couches selon l'invention en choisissant une addition de plomb à la place d'une addition d'étain lorsque ceci semble nécessaire ou avantageux dans chaque cas parti- culier. Dans un développement particulièrement avantageux de l'invention, il est prévu une couche de liaison en aluminium pur ou en un alliage d'aluminium exempt de phase de métal mou entre la couche antifriction formée par l'alliage de dispersion d'aluminium et de métal mou et la couche d'appui, qui est en particulier une couche d'appui en acier. Ceci améliore nettement la liaison entre la couche antifriction et la couche d'appui qui est en particulier un contrefort en acier. Un exemple de réalisation de l'invention est décrit dans ce qui suit en regard du dessin o les figures montrent: La figure 1 un diagramme en barres pour la capacité de charge dynamique; La figure 2 un diagramme en barres pour les vitesses de rotation qu'un arbre peut atteindre en fonctionnement non perturbé; La figure 3 une vue en perspective du matériau en couches selon l'invention sous la forme d'une moitié de palier lisse; La figure 4 une vue partielle correspondant à la ligne IV-IV de la figure 3; La figure 5 une vue partielle agrandie correspondant à la ligne V-V de la figure 4; et: La figure 6 une vue prise au microscope électronique à balayage de la portion VI-VI de la figure 5. Dans le diagramme à barres représenté sur la figure 1, il s'agit de la représentation de la capacité de charge dynamique d'un matériau en couches muni d'une couche anti- friction en matériau pour paliers à base d'aluminium, rapportée à 200 heures. La capacité de charge dynamique est ici obtenue à partir de courbes de charges résiduelles d'essais Underwood à 150'C. Les matériaux en couches soumis à la comparaison comportaient un matériau d'appui en acier et une couche antifriction qui était déposée par plaquage d'une tôle laminée en alliage d'aluminium coulé avec interposition d'une feuille en aluminium pur sur la couche d'appui. Les matériaux en couches soumis & la comparaison mur le diagramme en barres de la figure 1 sont les suivants: A: Acier-AlNi2Mnl Al: Acier-AlNi2Mnl avec addition de cuivre (0,5% en poids) B: Acier-Al-AlNi2XnlCuO,5 avec addition d'étain (10% en poids). Comme le montre le diagramme en barres de la figure 1i (partie A), un matériau en couches muni d'une couche d'appui en acier et d'une couche antifriction en AlNi21nl permet d'atteindre une capacité de charge dynamique de 60 N/mm2 environ. Si l'alliage d'aluminium contient en outre une addition de cuivre de 0,5% en poids par exemple, on peut élever la capacité de charge dynamique à des valeurs comprises entre 60 et 70 N/mme, et par exemple à 65 N/mm3 environ (partie A1). CoTme le montre la partie B du diagramme à barres, un alliage d'aluminium AlNiMhln avec une addition de cuivre de 0,5% en poids et une addition d'étain de 10% en poids permet d'obtenir une capacité de charge dynamique à peu près égale à celle d'un alliage d'aluminium AlNi2Mnl avec une addition de cuivre de 0,5% en poids, bien que- soit maintenant présent un alliage de dispersion aluminiumr-étain avec une matrice AlNi2XnlCuO,5 et des parti- cules d'étain dispersées. Toutefois, la force probante du diagramme à barres selon la figure 1 n'est qu'incomplète, car la capacité de charge dynamique est obtenue à partir d'essais Underwood qui correspondent à des conditions de fonctionnement pour le palier d'un arbre tournant à 4.000 tr/min environ. Comme le montre le diagramme à barres de la figure 2, les vitesses de rotation que l'on peut atteindre en fonctionnement non perturbé pour un tourillon ou, respectivement, pour un arbre monté dans le palier, la capacité de charge dynamique restant la méme, dépendent toutefois dans une très large mesure de la composition de l'alliage d'aluminium qui est utilisé comme matériau pour paliers de la couche antifric- tion. La figure 2 montre clairement l'avantage de l'alliage étudié B par rapport aux alliages A et A1. Une couche antifriction en alliage B permet d'obtenir en fonctionnement non perturbé des vitesses de rotation supérieures à 6.500 tr/mn. En outre, l'alliage B présente aussi une amélioration d'autres propriétés des matériaux pour paliers qui ne ressortent pas immédiatement des diagrammes en barres des figures 1 et 2. Il s'agit ici en particulier d'une meilleure résistance au grippage, d'une meilleure résistance à l'usure, de meilleures propriétés de glissement (diminution du frottement) et d'une meilleure tenue en cas d'insuffisan- ce de lubrification. Une couche d'adaptation ou de rodage n'est plus nécessaire ici. Les figures 3 à 6 montrent l'utilisation du matériau en couches pour des coquilles de coussinet de palier, c'est- &-dire pour un palier lisse composé de deux moitiés de palier. Dans la coupe partielle représentée sur la figure 4 d'une coquille de palier lisse 10 représentée en perspective sur la figure 3, il est prévu une couche d'appui métallique 11 réalisée en acier. Une couche antifriction 12 dont l'épaisseur est comprise entre 0,2 mm et 0,5 mm est posée sur cette couche d'appui 11 avec interposition d'une couche de liaison 13. Dans l'exemple représenté, cette dernière se compose d'une feuille d'aluminium pur. Néanmoins, on peut aussi envisager des couches de liaison en alliages d'alumi- nium, mais ceux-ci doivent toutefois être exempts de phase précipitée de métal mou. Dans l'exemple représenté, la couche antifriction 12 est constituée par l'alliage B préci- té, à savoir AlNi2MnlCuO,5 avec une addition d'étain de 10% en poids. La totalité du matériau en couches ou de la coquille de palier lisse 10, respectivement, est entourée d'une couche anticorrosion en étain ou en un alliage étain- plomb qui est de préférence déposée par voie galvanique. Il s'agit ici d'un voile mince 14 qui apparaît à peine sur la surface de la couche antifriction 12, mais qui offre une protection efficace contre la corrosion, en particulier dans la région du corps d'appui 11. Comm- le montre la figure 5, l'alliage AlNi2XnlCuO,5 avec une addition de 10% en poids d'étain forme un alliage de dispersion dans lequel les particules d'étain dispersées 23 apparaissent en sombre dans la matrice cristallisée 20 en AlNi2XnlCuO,5. Sur la photographie au microscope électroni- que à balayage de la figure 6, on voit plus clairement la liaison de ces particules d'étain 23 dans la matrice 20 en AlNi2YnlCu0,5. Sur cette vue, on voit également ici des particules dures 22 sur les cristaux 21 en AlNi2Mn1Cu0,5 de la matrice 20, en particulier aux Joints de grains, cependant que, sur les zones de liaison 24 des cristaux 21 de la matrice avec les particules d'étain précipitées 23, zones qui apparaissent en clair sur la figure 6, on obtient surtout des zones de solution solide avec des teneurs plus élevées en cuivre, en nickel et en manganèse, et que les particules d'étain précipitées peuvent aussi présenter, sur leurs zones voisines de ces zones de liaison 24, des teneurs en nickel, en étain et en cuivre qui peuvent être présentes à la manière de solutions solides ou de composés intermétal- liques. Grâce à l'affinité de l'étain pour le nickel et pour le manganèse, il se produit une liaison améliorée de la phase d'étain avec les zones de liaison 24 des cristaux 21 de la matrice. On peut ainsi obtenir une meilleure liaison entre les cristaux 21 de la matrice et les particules d'étain sur ces zones 24, Le voile 14 en étain ou en alliage étain-plomb que l'on voit sur la figure 4 et qui agit en particulier sur la couche d'appui 11 comme protection contre la corrosion peut agir sur la surface libre de la couche antifriction 12 qui sert de surface de glissement à la manière d'un premier lubrifiant solide lors du rodage, et compenser ici d'éven- tuelles inégalités dans la surface de la couche antifriction 12 en alliage d'aluminium ou en alliage de dispersion à base d'aluminium, respectivement, pour autant que l'étain ne diffuse pas en fait dans la couche antifriction 12. Dans le cadre de l'invention, il est égale- ment possible de prévoir une couche de liaison en aluminium pur ou en un alliage d'aluminium exempt de particules précipitées d'étain ou de plomb entre la couche antifriction formée par l'alliage d'aluminium et la couche d'appui qui est en particulier une couche d'appui en acier. - REVENDICATIONS - 1. Katériau en couches pour éléments de paliers lisses, par exemple pour des paliers lisses de butée ou des paliers lisses ordinaires, composé d'une couche d'appui métallique et d'une couche antifriction posée sur celle-ci et consti- tuée par un matériau pour paliers à base d'aluminium qui est un alliage d'aluminium contenant de 1 à 3% en poids de nickel, et de préférence de 1, 5 à 2,5% en poids, de 0,5 à 2,5% en poids de manganèse, et de préférence de 1 à 2% en poids, et de 0,02 à 1,5% en poids de cuivre, et de préféren- ce de 0,3 à 0,8% en poids, ainsi que les impuretés admissibles habituelles, des particules dures de nickel et de manganèse ou, respectivement, des particules dures contenant du nickel et/ou du manganèse étant présentes dans le matériau pour paliers avec une dimension des grains inférieure ou égale à 5 um pour l'essentiel, et ce, à raison de mains de 5 particules dures de dimensions inférieures ou égales à 5 pm, et de préférence d'une au plus, dans le volume d'un cube élémentaire de 0,1 = d'arête, caractérisé par le fait que l'alliage d'aluminium qui constitue le matériau pour paliers est un alliage de dispersion contenant une addition d'étain comprise entre 0,5 et 20% en poids, et de préférence entre 5 et 15% en poids, avec une matrice (20) en alliage aluminium-nickel-manganèse-cuivre, l'étain étant présent sous la forme d'une précipitation dispersée (23) dans cette matrice (20), cependant que les particules dures sont présentes en une quantité comprise entre 20 et 30% environ, rapportée au poids de l'alliage de la matrice, et qu'elles sont localisées de manière prépondérante sur les Joints de grains de la solution solide aluminium-nickel- manganèse-cuivre (21) dans la matrice (20), et partiellement aussi dans la zone de liaison (24) entre la matrice (20) et les précipitations d'étain (23). 2. Matériau en couches selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que l'alliage d'aluminium qui constitue le matériau pour paliers comporte, à la place de l'addition d'étain, une addition de plomb de 1% en poids à 10% en poids, et de préférence de 1 à 5% en poids, qui est dispersée dans la matrice (20) sous la forme de précipita- tion. 3. Matériau on couches selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il est prévu une couche de liaison (13) en aluminium pur ou en un alliage d'aluminium exempt de phase de métal mou entre la couche antifriction (12) formée par l'alliage de dispersion d'aluminium et de métal mou et la couche d'appui (11) qui est en particulier une couche d'appui en acier. 4. Matériau en couches selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il est prévu une couche de liaison (13) en aluminium pur ou en un alliage d'aluminium exempt de particules précipitées d'étain ou de plomb entre la couche antifriction (12) formée par l'alliage d'aluminium et la couche d'appui (11) qui est en particulier une couche d'appui en acier.