Brevet FR2655292A1 — publié le 19910607

La présente invention se rapporte à un matériau stratifié pour éléments de glissement, revêtant la forme d'un matériau composite à deux ou trois couches, comprenant une couche métallique de glissement de préférence en un alliage d'aluminium, et une couche d'adaptation déposée sur la surfa- ce supérieure libre de ladite couche de glissement L'inven- tion concerne, par ailleurs, un procédé de fabrication d'un tel matériau stratifié. D'après les demandes de brevet DE-A-22 06 400 et DE-A-27 07 041, l'on connait respectivement des paliers compo- sites de glissement ou des matériaux stratifiés destinés à des éléments de glissement, et dans lesquels des combinaisons de polymères, renfermant respectivement des adjuvants atténua- teurs de frottement ou améliorant les propriétés de roulement, sont déposées sur la couche de glissement ou matérialisent cette dernière Il est également connu de déposer des lubri- fiants solides, en vue de la formation directe d'un film de lubrification, au moyen de poudres ou de pâtes appropriées. Néanmoins, la mise en oeuvre de ces mesures connues n'a permis d'obtenir des valeurs de service optimales d'éléments de glis- sement que lorsque la surface du matériau, destinée à être mu- nie de la couche d'adaptation, avait fait l'objet de procédés correspondants de traitement superficiel préalable, ou bien grâce à des opérations mécaniques auxiliaires comme, par exem- ple, un brossage, un sablage ou un façonnage-d'aspérités, avec possibilité additionnelle de former un squelette fritté ou de ménager des striures, des creusures ou des perforations. L'invention a pour objet de fournir un matériau stratifié du type cité en introduction, amélioré de telle sor- te que les éléments de glissement formés d'un tel matériau stratifié subissent une contrainte uniforme sur la couche de glissement sous-jacente à la couche d'adaptation, la fabrica- tion de ce matériau stratifié amélioré devant pouvoir être ob- tenue avec le moins de complexité possible. Conformément à l'invention, cet objet est atteint par le fait que la couche d'adaptation déposée sur la couche de glissement est un mince revêtement du type film, en un ver- nis de glissement renfermant des substances de charge amélio- rant les propriétés de glissement ou de frottement, ledit re- vêtement présentant une épaisseur de base jeure partie de sa surface, ainsi que des régions d'épaisseur supérieure, réparties irrégulièrement et localement à la ma- nière de taches. Suite à la présence de ces régions d'épaisseur su- périeure, qui sont réparties en formant des taches foncées sur la surface de glissement de l'élément de glissement, à la ma- nière d'une fourrure de léopard, il en résulte tout d'abord une rugosité superficielle artificielle qui, au stade de la mise en route initiale du système tribologique renfermant l'élément de glissement considéré, se prête à une meilleure rétention de lubrifiant, en particulier de lubrifiant fluide. La réduction des régions épaissies du revêtement formant la couche d'adaptation a pour effet de mettre à nu les substan- ces de charge qui sont accumulées dans ledit revêtement, et améliorent les propriétés de glissement De la sorte, la ré- duction des régions épaissies permet d'obtenir une améliora- tion croissante des propriétés de glissement de la couche d'adaptation Outre les avantages fonctionnels qu'il confère, le dépôt de la couche d'adaptation conforme à l'invention est également propice du point de vue pécuniaire, car aucune dé- pense particulière n'est occasionnée, d'une part, par les ma- tériaux utilisés dans ladite couche ni, d'autre part, par le mode de dépôt. Dans une forme de réalisation préférentielle de l'invention, le mince revêtement du type film en un vernis de glissement présente une épaisseur de base comprise entre 2,5 pim et 6 pm, de préférence entre 3 pm et 5 pm, cependant que les régions épaissies présentent une épaisseur avoisinant 10 pim. En outre, dans le cadre de l'invention, les substances de charge améliorant les propriétés de glissement se présentent, de préférence, sous la forme de fines particules d'une épais- seur gions épaissies du revêtement en vernis de glissement. Le vernis de glissement peut consister en un poly- mère soluble, par exemple une résine époxyde, renfermant une charge de lubrifiant solide pulvérulent, en particulier du PTFE et/ou du graphite fluoré et/ou du bisulfure de molybdène-. Le revêtement en vernis de glissement peut alors, de préféren- ce, être cuit en profondeur dans la surface supérieure libre de la couche de glissement. Un mode opératoire particulièrement avantageux, pour fabriquer le matériau stratifié conforme à l'invention, pré- voit qu'un matériau composite stratifié, destiné à des élé- ments de glissement ou de frottement et muni d'une couche mé- tallique de glissement, soit dégraissé sur la surface supe- rieure libre de ladite couche de glissement, mais demeure pour le reste non traité en étant, dans cette condition, muni d'un mince revêtement du type film constitué d'une dispersion, dans une solution de polymère, de substances de charge améliorant les propriétés de glissement, mode opératoire dans lequel des régions épaissies du type taches sont préalablement formées, dans le revêtement, respectivement lors du séchage ou de la pré-réticulation du polymère, et le film non homogène ainsi formé est cuit en profondeur dans la surface supérieure de la couche métallique de glissement, à des températures comprises entre 1000 C et 250 'C, avec formation définitive de régions épaissies irrégulièrement réparties sur toute la surface, à la manière de taches Grâce au dépôt d'une dispersion compre- nant une solution de polymère et des particules de substances de charge, il est tout d'abord possible d'obtenir une épais- seur de couche uniforme Suite à la réduction d'épaisseur se produisant au fur et à mesure de la progression de la pré- réticulation ou de la libération du solvant, respectivement de la volatilisation de ce dernier, et suite à la tension su- perficielle de la matrice en polymère, qui s'opère alors dans une mesure croissante, les particules solides intégrées dans la dispersion sont de préférence rassemblées en des régions du type taches, ce qui donne naissance, à cet endroit, aux régions épaissies souhaitées Cet effet peut être obtenu, de la manière la plus sûre et la plus intense, lorsque l'épais- seur du revêtement présentant la dispersion à base de vernis de glissement est réglée sur une valeur sensiblement égale, de préférence jusqu'à environ 50 % supérieure à l'épaisseur maximale des particules dispersées, et lorsqu'il est procédé, aussitôt après le revêtement, à une réduction d'épaisseur de la matrice en vernis moyennant une solidification partielle. Ce réglage de l'épaisseur du revêtement permet d'obtenir que les particules de substances de charge renfermées par la dis- persion soient localement regroupées, à la manière de taches, simultanément à la réduction d'épaisseur de la matrice en ver- nis, le déclenchement immédiat de la réduction d'épaisseur, après le revêtement, ayant alors à coup sûr pour effet que les particules de charge dispersées soient rassemblées dans les régions épaissies en forme de taches, avant qu'elles puissent s'ancrer dans la zone dans laquelle elles pénètrent initiale- ment au cours de l'opération de revêtement. La réduction d'épaisseur de la matrice en vernis peut, de préférence, avoir lieu en provoquant, aussitôt après le revêtement, une pré-réticulation de ladite matrice en ver- nis sous l'action d'une température accrue, et durant une pé- riode bien définie. Le dépôt du revêtement en vernis de glissement peut avoir lieu selon des modes opératoires simples Par exemple, le vernis de glissement peut être pulvérisé ou injecté sur la surface supérieure de la couche métallique de glissement, en formant le film non homogène Il est également envisageable d'enduire la surface supérieure de la couche métallique de glissement à l'aide du revêtement en vernis de glissement La dispersion, devant être employée en tant que vernis de glis- sement, peut être formée par adjonction à une base de vernis en un polymère soluble, par exemple une résine époxyde, de fines particules de PTFE et/ou de graphite fluoré et/ou de Mo 52. L'invention va à présent être décrite plus en dé- tail à titre d'exemple nullement limitatif, en regard des des- sins annexés sur lesquels la figure 1 est une coupe fragmentaire, à échelle agrandie, d'un matériau stratifié conforme à l'invention; la figure 2 est une vue en plan du matériau strati- fié de la figure 1, selon la flèche 2, à échelle encore plus fortement agrandie; la figure 3 est une coupé du matériau stratifié con- forme à l'invention, selon la ligne 3-3 de la figure 2; et les figures 4 a à 4 d représentent, schématiquement, le déroulement de la fabrication du matériau stratifié confor- me à l'invention. La figure 1 illustre un matériau stratifié 10 revê- tant la forme d'un matériau composite à deux couches, pour la fabrication de coussinets de bielles d'un moteur Diesel Le matériau stratifié 10 renferme une couche substrat 11 en acier, sur laquelle est déposée une couche de glissement 12 en un al- liage d'aluminium du type Al Zn 5 Si 2 Cu Pb Cette couche de glis- sement 12 porte, sur sa surface supérieure, une couche d'adap- tation 13 qui sera expliquée plus en détail ci-après. Comme le montrent les figures 2 et 3, la couche d'adaptation 13 est formée d'un mince revêtement 14 du type film en un vernis de glissement, qui renferme, dans une matri- ce 16 en vernis, des particules 15 de substances de charge améliorant les propriétés de glissement Le revêtement 14 en vernis de glissement présente, sur la majeure partie de sa surface, une épaisseur de base 17 qui fluctue entre 3 pm et pm dans l'exemple illustré Des régions localisées 18, ir- régulièrement réparties à la manière de taches et saillant au- delà de ladite surface présentant l'épaisseur de base 17, pos- sèdent une épaisseur supérieure 19 atteignant jusqu'à environ 10 lim Comme le révèle la figure 3, les fines particules 15 de substances de charge peuvent présenter une épaisseur avoi- sinant jusqu'à 10 pm, des particules d'une épaisseur notable- ment moindre étant également présentes Comme le montre la fi- gure 3, les particules 15 sont de préférence noyées dans les régions épaissies 18 du revêtement 14 Dans l'exemple illus- tré, ledit revêtement 14 est cuit en profondeur dans la sur- face supérieure libre de la couche de glissement 12 Dans l'exemple représenté, il consiste en un polymère soluble, par exemple une résine époxyde, et renferme des particules 15 de substances de charge en PTFE et/ou en graphite fluoré et/ou en bisulfure de molybdène. Les figures 4 a à 4 d représentent, schématiquement, un mode de fabrication possible d'un revêtement 14 en vernis de glissement, sur la couche de glissement 12 d'un matériau stratifié destiné à des éléments de glissement Comme le ré- vèle la figure 4 a, une dispersion préalablement élaborée, comprenant un polymère dissous et des particules de substan- ces de charge, est pulvérisée, au moyen d'un dispositif de pulvérisation 20, sur la surface supérieure libre de la cou- che de glissement 12 d'un matériau stratifié L'épaisseur de la couche de dispersion 21 déposée par pulvérisation peut être réglée sur une valeur comprise entre 10 lim et 15 pm, de sorte que les particules 15 de substances de charge les plus grosses sont, elles aussi, encore intégralement incorporées dans la solution de polymère Suite à la tension superficiel- le de la solution de polymère, par exemple une solution de résine époxyde, il en résulte une surface supérieure libre sensiblement lisse de la couche de dispersion 21 Aussitôt après avoir été déposée par injection ou par pulvérisation sur la couche de glissement 12, la couche de dispersion est chauffée jusqu'à environ 1000 C Sur la figure 4 b, cela est évoqué par un diffuseur thermique 22 Il s'amorce ainsi, dans la matrice en vernis, une pré-réticulation se matérialisant par une rétraction de ladite matrice De ce fait, les parti- cules 15 les plus grosses apparaissent à la surface supérieu- re libre de la couche de dispersion 21 La tension superfi- cielle régnant dans la surface de la matrice en vernis a pour effet de regrouper les particules 15, de sorte qu'elles se rassemblent de préférence en des régions du type taches A cet endroit, l'épaisseur du revêtement est déterminée par les particules 15, ce qui donne préalablement naissance à des ré- gions épaissies 18 en forme de taches Le matériau stratifié pourrait faire l'objet d'un sbckage intermédiaire à l'issue de la pré-réticulation de la matrice en vernis Il est éga- lement envisageable, à ce stade, d'usiner le matériau stra- tifié pour produire des éléments de glissement, par exemple des cuvettes ou des coussinets de paliers de glissement Pour finir, comme illustré sur les figures 4 c et 4 d, le revêtement 14 est cuit en profondeur dans la surface de roulement de la couche de glissement 12 Cette opération peut par exemple s'effectuer à des températures comprises entre 1000 C et 250 'C, dans un four à tunnel 23 La cuisson en profondeur ou le dur- cissement du revêtement 14 s'accompagne d'une rétraction sup- plémentaire de la matrice en vernis, de sorte que la structu- re des régions épaissies 18 apparait de manière définitive et plus accentuée jusqu'à atteindre, pour finir, l'apparence dé- finitive, indiquée sur les figures 2 et 3, du revêtement 14 formant la couche d'adaptation 13. Des essais ont été menés, avec des échantillons de matériau stratifié, sur un banc d'essai de paliers radiaux qui autorise des conditions expérimentales similaires aux con- ditions de travail des coussinets de bielles sur un moteur Diesel Les échantillons de matériau stratifié examinés pré- sentaient une couche de glissement 12 en un alliage d'alumi- nium du type Al Zn 5 Si 2 Cu Pb, sur laquelle un revêtement 14 en un vernis de glissement organique, comprenant une base de ré- sine époxyde et des particules 15 de substances de charge en PTFE, avait été déposé par pulvérisation suivie d'une pré- réticulation et, respectivement, d'une cuisson en profondeur ou d'un durcissement Même après un temps de fonctionnement de 250 heures principalement à pleine charge (c'est-à-dire avec une contrainte de 70 N/mm 2 imposée aux paliers à 4 000 tr/min), la couche de glissement 12, dotée d'un tel revête- ment 14 en tant que couche d'adaptation 13, était lisse et totalement exempte de détériorations sur les surfaces de glissement Un échantillon de matériau stratifié d'un même type, sans revêtement en vernis de glissement sur les surfa- ces de glissement, accusait des fissures et des fractures ma- térielles pour une contrainte de 60 N/mm 2 sur la même période de fonctionnement Les résultats de ces essais attestent que les coussinets de glissement composites, munis d'un revête- ment 14 en vernis de glissement, présentent des propriétés de glissement améliorées, une plus grande aptitude à supporter des charges et une usure moindre. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au matériau et au procédé décrits et représen- tés, sans sortir du cadre de l'invention. -R E V E N D I C A T I O N S- 1 Matériau stratifié pour éléments de glissement, revêtant la forme d'un matériau composite à deux ou trois cou- ches, comprenant une couche métallique de glissement de pré- férence en un alliage d'aluminium, et une couche d'adaptation déposée sur la surface supérieure libre de ladite couche de glissement, matériau caractérisé par le fait que la couche d'adaptation ( 13) déposée sur la couche de glissement ( 12) est un mince revêtement ( 14) du type film, en un vernis de glissement renfermant des substances de charge améliorant les propriétés de glissement ou de frottement, ledit revêtement présentant une épaisseur de base ( 17), 10 lim sur la majeure partie de sa surface, ainsi que des régions ( 18) d'épaisseur supérieure ( 19), réparties irrégulièrement et localement à la manière de taches. 2 Matériau stratifié selon la revendication 1, ca- ractérisé par le fait que l'épaisseur de base du mince revête- ment ( 14) du type film en un vernis de glissement est comprise entre 2,5 lim et 6 pm, de préférence entre 3 lim et 5 jim, cepen- dant que les régions épaissies ( 18) présentent une épaisseur ( 19) avoisinant 10 pm. 3 Matériau stratifié selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les substances de charge amélio- rant les propriétés de glissement se présentent sous la forme de fines particules ( 15) d'une épaisseur préférence noyées dans les régions épaissies ( 18) du revête- ment ( 14) en vernis de glissement. 4 Matériau stratifié selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le vernis de glissement consiste en un polymère soluble, par exemple une résine époxyde, renfermant une charge de lubrifiant solide pulvérulent, en particulier du PTFE et éventuellement, ou en variante, du graphite fluoré et éventuellement, ou en varian- te, du bisulfure de molybdène. Matériau stratifié selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le revêtement ( 14) en vernis de glissement est cuit en profondeur dans la surface supérieure libre de la couche de glissement ( 12). 6 Procédé de fabrication d'un matériau stratifié selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, procédé ca- ractérisé par le fait qu'un matériau composite stratifié, pré- vu pour des éléments de glissement et muni d'une couche métal- lique de glissement, est dégraissé-sur la surface supérieure libre de ladite couche de glissement, mais demeure pour le res- te non traité en étant, dans cette condition, muni d'un mince revêtement du type film constitué d'une dispersion, dans une solution de polymère, de substances de charge améliorant les propriétés de glissement, procédé dans lequel des régions épaissies du type taches sont préalablement formées, dans le revêtement, respectivement lors du séchage ou de la pré-réti- culation du polymère, et le film non homogène ainsi formé est cuit en profondeur dans la surface supérieure de la couche mé- tallique de glissement, à des températures comprises entre 1000 C et 250 'C, avec formation définitive de régions épaissies irrégulièrement réparties sur toute la surface, à la manière de taches. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que l'épaisseur du revêtement, présentant la disper- sion à base de vernis de glissement, est réglée sur une valeur jusqu'à environ 50 % supérieure à l'épaisseur des particules dispersées, et une réduction d'épaisseur de la matrice en ver- nis a lieu, aussitôt après le revêtement, avec solidification partielle. 8 Procédé selon la revendication 6 ou 7, caracté- risé par le fait que, aussitôt après le revêtement, une pré- réticulation de la matrice en vernis s'opère sous l'action d'une température accrue, durant une période bien définie. 9 Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé par le fait que le vernis de glissement est pulvérisé sur la sur'ace supérieure de la couche métallique de glissement, en formant le film non homogène. 10 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 6 à 9, caractérisé par le fait que le vernis de glisse- ment est formé par acjonction, à une base de vernis en un po- il lymère soluble, par exemple une résine époxyde, de fines par- ticules de PTFE et éventuellement, ou en variante, de graphite fluoré et éventuellement, ou en variante,de Mo 52.