Brevet FR2671387A1 — publié le 19920710

COUPLE DE FRICTION COMPRENANT DEUX PIECES AYANT DES SURFACES DE FRICTION RESPECTIVEMENT EN CERAMIQUE ET EN CARBONE-CARBONE L'invention concerne un couple de freinage dont une surface de freinage est en céramique, l'autre étant de nature différente. Par le document US-A-4 146 654, on connaît des couples de freinage dont les revêtements de friction sont constitués d'un ou plusieurs métaux, carbures ou oxydes de la liste suivante: Co, Mg, Nd, Ti, W, Y, Ni, MoC, Mo2C, BNbC, Nb2C, Ta2C, WC, W2C, V2C, Cr203, Ti02. Ces revêtements sont réalisés par projection plasma. On a expérimenté par ailleurs dans le domaine des avions des couples de freinage CERMET/acier, leurs performances en freinage de détresse avant le décollage sont défectueuses lorsque le couple est usé. Des couples de freinage en composite carbone-carbone sont maintenant employés pour les avions, mais ils s'usent plus vite dans la progression par à-coups sur les aéroports ou "taxiing" qu'à l'atterrissage et doivent être remplacés à une fréquence excessive. La demanderesse a cherché à mettre au point un couple de freinage ou de friction performant à la fois pour les freinages à grande vitesse et pour les freinages en progression par à-coups, c'est-à-dire donnant dans ces diverses conditions et leur alternance un freinage efficace avec une usure modérée. EXPOSE DE L'INVENTION L'objet de l'invention est un couple de friction pour le freinage d'un véhicule comprenant deux pièces en mouvement l'une par rapport à l'autre et s'appliquant l'une contre l'autre par des surfaces de friction lors d'un freinage, une dite pièce ayant une dite surface de friction en céramique, caractérisé en ce que l'autre pièce a une dite surface de friction en composite carbone-carbone. Le fait de choisir des matériaux dissemblables pour le présent couple de friction donne de façon surprenante une usure réduite à faible énergie, cette usure restant modérée aux fortes énergies, et en même temps un freinage efficace lorsque la vitesse et/ou l'énergie varient. On a étudié les qualités de composite carbone-carbone employées dans ce couple de friction, et on en a conclu les choix préférentiels suivants: - pour avoir une usure réduite dans les différentes conditions de freinage, utiliser comme composite de carbone-carbone un substrat aléatoire de fibres de carbone densifié par dépôt chimique de carbone, ces fibres étant de diamètre compris entre 5 et 12 micromètres.Le dépôt chimique précédent est habituellement fait en phase vapeur, et les fibres ont typiquement une longueur allant de 40 à 80 mm; - pour freiner préférentiellement aux vitesses ou énergies faibles (par exemple moins de 100 km/h), utiliser comme composite un substrat aléatoire en mèches de fibres de carbone densifié par dépôt chimique de carbone, ces mèches étant longues de 10 à 40 mm et contenant chacune 6000 à 15000 fibres élémentaires de diamètre 5 à 12 micromètres. On a alors des usures plus fortes aux vitesses ou énergies plus élevées. La céramique, typiquement en revêtement, formant l'autre face du couple de friction contient de préférence au moins 60% en volume d'oxydes, carbures ou nitrures résistant au choc thermique au-dessus de 9000C (températures de surface de certains freinages). Ces composés sont ainsi de préférence des oxydes et/ou carbures et/ou nitrures de Cr ou W et/ou du carbure de fer. Cette céramique contient également de préférence 1 à 40% en volume de particules métalliques, ajoutées pour améliorer la qualité du dépôt, typiquement réalisé par projection plasma d'un ou plusieurs des éléments Cr, Fe, Mo, Ni, Co, W. Alors que des oxydes réfractaires tels que Zr02 et Ti02 n'ont pas une tenue satisfaisante, l'oxyde de chrome (Cr2O3) a un bon comportement comme le prouvent les essais, et il est encore préférable que la céramique de l'int-ention en contienne au moins 60% et mieux au moins 90%. Les composites carbone-carbone étant plus coûteux, il est préférable que la pièce ayant une surface de friction soit par exemple un disque ou plus généralement une pièce entrainée en mouvement lorsque le véhicule se déplace, la pièce ayant une surface de friction en carbone-carbone étant un patin de freinage. Pour la tenue de la couche superficielle en céramique, et surtout pour l'économie de la pièce la portant, il est avantageux que cette pièce soit en fonte. L'épaisseur du revêtement en céramique formant cette couche est de préférence d'au moins 0,02 mm et typiquement compris entre 0,05 et 1 mm. AVANTAGES DE L'INVENTION - Couple de friction donnant à la fois une usure faible à basse énergie de freinage ("taxiing" des avions, freinage par à-coups des trains et des véhicules ou engins industriels), et un bon freinage avec usure modérée aux énergies et/ou vitesses plus fortes et élevées. - Couple de friction économique, particulièrement dans le cas où le volume de carbone-carbone est réduit, la pièce qui en est constituée ou revêtue étant un patin. ESSAIS A) Dispositif d'essai et conditions d'essai Les essais ont été effectués sur un dispositif permettant de simuler des freinages d'arrêt, à énergie allant jusqu'à 1 MJ, et à des pressions allant jusqu a 10 MPa, alors du type "arrêt sous fortes pressions". Chaque couple de freinage se compose d'un disque nu ou revêtu entraîné en rotation et d'un patin appliqué contre le disque par actionnement hydraulique. On mesure au cours du freinage: - la vitesse de rotation du disque, sa vitesse linéaire au niveau du patin en étant déduite; - la pression d'application du patin; - la température des garnitures, mesurées pour le patin; - les temps de freinage. Les essais successifs ont été faits: d'une part sous pression d'application de 0,5 MPa et à des vitesses variées de 1500, 2500, 3000 et 3850 tours/min. correspondant respectivement à des vitesses linéaires de 60 - 100 - 120 et 164 km/h; d'autre part à vitesse constante 2500 tours/minute (100 km/h) en faisant varier la pression d'application de 0,5 à 6 MPa. Il y a eu pour chaque couple de friction 40 essais pour la vitesse la plus faible et 10 à 20 essais pour chacune des autres conditions. On a calculé notamment à partir des paramètres mesurés l'énergie dissipée, égale à l'énergie cinétique de la pièce mobile, et le coefficient de frottement. B) COUPLE DE FRICTION TESTES On a testé (Tableaux 1 à 4): - un couple connu en carbone-carbone, - un couple de comparaison: patin en carbone-carbone/disque en fonte, - deux couples selon l'intention: patin en carbone-carbone qualité "A05" et "AF", marques commerciales de AEROLOR, et disques revêtus de céramique. Le composite "A05" est à base de fibres de carbone de diamètre compris entre 5 et 12 microns, comme décrit plus complètement dans le texte qui précède. Le composite "AF" est à base de mèches de fibres, comme décrit également. Le revêtement céramique des disques employés contenait 95% en volume de Cr2O3 et 5% de Cr libre, son épaisseur était de 0,2 à 0,3 mm. C) RESULTATS Une situation recherchée est d'avoir pour chaque condition envisagée (vitesse, énergie, pression) un frottement important, un échauffement relativement moyen et une usure faible. La température est mesurée dans la patin à 3 mm de la surface frottante. Le couple connu A05/A05 donne un coefficient de frottement constamment relevé, au-dessus de 0,5, une usure forte à basse énergie (à 60 km/h) ou à basse pression. On retrouve la particularité rappelée en préambule: usure forte ou assez forte (selon rôdage) en "taxiing". La comparaison entre le couple A05/fonte et le couple A05/fonte revêtue de Cr203 permet d'observer l'effet du revêtement en céramique: augmentation du frottement et réduction de l'usure principalement à pression de 0,5 MPa et aux différentes énergies testées. Le coefficient de frottement est seulement de 0,16 à la vitesse la plus faible et à faible pression, il remonte à 0,46 et 0,50 avec la vitesse (Tableau 1), alors qu'il reste faible (0,16 à 0,2) lorsque la fonte n'est pas revêtue. Globalement, c'est ce couple qui offre le compromis le plus intéressant: bon freinage aux différentes vitesses ou énergies, pourvu qu'en-dessous de 100 km/h ou 422 kJ la pression soit d'au moins 2 MPa, et usure particulièrement faible pour ces diverses conditions, cette usure croissant lentement avec l'énergie de freinage.A la fin des séries d'essais, on a constaté visuellement une très faible usure du carbone-carbone "A05", et pas de déterioration du revêtement en céramique. Le couple AF/fonte revêtue de céramique donne un frottement plus élevé (coefficient de frottement 0,32) que le couple précédent à 60 km/h et sous 0,5 MPa. Par contre, il conduit à une usure plus importante (Tableaux 3 et 4) et à plus d'échauffement dès que la vitesse ou énergie ou la pression augmentent. Ce couple est particulièrement intéressant aux vitesses ou énergies faibles. On a aussi testé des couples patin en Cermet base bronze/disque A05, ils n'ont pas été repris dans les Tableaux en raison de leurs mauvais résultats: coefficient de frottement diminuant avec la vitesse ou la pression, et fortes usures des deux éléments surtout à énergie faible. Ce couple de friction hétérogène n'est donc pas favorable à l'inverse du couple de l'intention. APPLICATIONS INDUSTRIELLES Systèmes de freinage des véhicules de transport, en particulier des avions et des trains à très grande vitesse. TABLEAU 1 COEFFICIENT DE FROTTEMENT à 0,5 MPa Il km/h I Couple patin/disque 60 100 120 164 AO5/AO5 0,54 0,58 0,65 0,67 I A05/fonte I 0,14 # 0,20 I 0,175 1 0,16 I AO5/fonte 0,16 0,46 0,46 0,50 H (rev.Cr203) R I I I I AF/fonte 0,32 0,45 0,46 0,45 (rev.Cr203) TABLEAU 2 TEMPERATURES ( C) DANS LES PATINS EN CARBONE-CARBONE (Essais du Tableau 1 énergie (kJ) Couple patin/disque 152 422 606 1000 AO5/AO5 180 275 360 475 AO5/fonte 150 208 230 270 # AO5/fonte I 135 I 275 I 280 1 360 # (rev. C2O3) AF/fonte 175 310 350 495 I (rev. Cr203) I # # TABLEAU 3 USURE DU PATIN (10-6 cm /kJ) en fonction de l'énergie, sous 0,5 MPa énergie (kJ) Coupe patin/disque 152 422 606 1000 AO5/AO5 300 50 35 30 AO5/fonte 100 21 22 75 AO5/fonte 15 12 20 33 (rev. Cr203) AF/fonte 9 28 37 50 (rev. Cr203) il # Il H H Il TABLEAU 4 USURE DU PATIN (10-6 cm /kJ) EN FONCTION DE LA PRESSION, à 100 Km/h MPa Couple patin/disque 0,5 1 2 4 6 AO5/AO5 49 36 21 20 20 AO5/fonte 22 5 22 11 56 AO5/fonte 12 22 24 49 43 (rev. Cr203) AF/Fonte 27 47 50 59 79 (rev. Cr203) REVENDICATIONS 1. Couple de friction pour le freinage d'un corps mobile, en particulier un véhicule, comprenant deux pièces en mouvement l'une par rapport à l'autre et s'appliquant l'une contre l'autre par des surfaces de friction lors d'un dit freinage, une dite pièce ayant une dite surface de friction en céramique, caractérisé en ce que l'autre pièce a une dite surface de friction en composite carbone-carbone. 2. Couple de friction selon la revendication 1, dans lequel ledit composite carbone-carbone consiste en un substrat aléatoire de fibres de carbone densifié par dépôt chimique de carbone, lesdites fibres étant de diamètre compris entre 5 et 12 micromètres. 3. Couple de friction selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel ladite céramique contient au moins 60% en volume d'oxydes et/ou de carbures et/ou de nitrures de Cr ou W et/ou de carbure de Fe. 4. Couple de friction selon la revendication 3, dans lequel ladite céramique contient 1 à 40% en volume de particules métalliques d'un ou plusieurs des éléments Cr, Fe, Mo, Ni, Co, W. 5. Couple de friction selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, dans lequel ladite céramique contient au moins 60% en volume d'oxyde de chrome. 6. Couple de friction selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, dans lequel ladite céramique contient au moins 90% en volume d'oxyde de chrome. 7. Couple de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel ladite pièce ayant une surface de friction en céramique est entraînée en mouvement lorsque le véhicule se déplace, et ladite pièce ayant une surface de friction en carbone-carbone est un patin de freinage. 8. Couple de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel ladite pièce ayant une surface de friction en céramique est en fonte. 9. Couple de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel ladite surface de friction en céramique appartient à un revêtement d'épaisseur au moins égale à 0,02 mm de ladite pièce. 1O.Couple de friction selon la revendication 9, dans lequel ledit revêtement à une épaisseur comprise entre 0,05 et 1 mm.