Brevet FR2662221A1 — publié le 19911122

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE GARNITURE DE FREIN A PLUSIEURS PLOTS ET GARNITURE OBTENUE L'invention concerne un procédé de fabrication d'une garniture de frein à base de bronze ou de fer, comprenant plusieurs plots fixés sur un support métallique Elle concerne aussi la garniture obtenue. Les garnitures connues par les livraisons de la demanderesse comprennent des plots distincts fixés sur leur support métallique Chaque plot comporte une enveloppe cylindrique de produit métallique fritté moins fragile, destiné à protéger le produit de friction en évitant ses ébréchures. Les opérations de fabrication étant multiples, la fabrication plot par plot est compliquée et onéreuse La fixation unitaire des plots est un inconvénient pour la maîtrise de la rigidité d'ensemible de la garniture. La demanderesse a cherché à mettre au point un procédé de fabrication plus simple et donnant une meilleure résistance en service des garnitures de freins obtenues. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention a pour premier objet un procédé de fabrication d'une garniture de freins dans lequel, comme il est connu, on fixe plusieurs plots en produits de friction frittés gainés chacun latéralement par un cordon fritté métallique moins fragile sur un support métallique généralement en tôle Selon l'invention, on procède aux étapes suivantes (a) on revêt une face dudit support métallique d'une suspension de soudobrasure qu'on oxyde puis qu'on réduit, obtenant ainsi une surface d'accrochage; (b) on met en forme par compression un ensemble de poudres de produits de friction bordé et divisé en plusieurs portions ébauches desdits plots par des cordons de poudres métalliques ébauches desdits cordons frittés moins fragiles; (c) on applique ledit ensemble de poudres comprimées sur ladite surface d'accrochage dudit support métallique, obtenant ainsi un assemblage; (d) on lie les grains de poudres dudit ensemble entre eux et on les soude audit support métallique, par un traitement thermique dudit assemblage sous atmosphère réductrice; (e) on forge à plus de 4000 C la pièce frittée et soudée obtenue, en réduisant la hauteur dudit ensemble d'au moins 15 % (f) on effectue un rainurage desdits cordons partageant ledit ensemble en plots frittés distincts gainés latéralement sur tout leur pourtour par lesdits cordons, ledit rainurage laissant une garde d'au moins 0,5 mm par rapport audit support métallique pour régler la rigidité de la garniture de frein obtenue. La combinaison des opérations (b) et (c) permet-'une simplification surprenante des opérations (d) et (e), la compression des poudres des plots étant faite en une seule fois et l'adhérence de la masse comprimée au support métallique traité permettant sa manipulation sans risque de glissement jusqu'aux moyens de traitement thermique réalisant le frittage des grains et leur soudage définitif au support Le forgeage à chaud, produisant une densification des futurs plots, se fait ensuite en une seule opération, et le rainurage exécuté dans les cordons de poudres métalliques partageant l'ensemble des produits de friction laisse une garde de plus de 0,5 mm au-dessus du support métallique, et typiquement comprise entre 0,5 et 8 mm, de sorte que les plots ont une base commune dont l'épaisseur choisie conditionne la rigidité de la garniture de frein et de ses plots. Le traitement de revêtement de soudobrasure de la face du support métallique est particulièrement important pour la tenue de l'ensemble de poudres dans les opérations de compression et thermiques: après des opérations classiques de dégraissage et/ou de sablage d'une face de ce support habituellement en acier, on le revêt, par exemple par pulvérisation au pistolet, d'une poudre de soudobrasure en suspension dans un liant organique tel que le collodion et dans un solvant organique tel que l'acétone puis on oxyde complètement ces liants, typiquement entre 3000 et 5500 C, pour éliminer les traces de carbone ou suie qui gêneraient le frittage et la soudure; puis on réduit les oxydes par traitement sous atmosphère réductrice entre 600 et 1000 C, typiquement 750 à 9500 C, obtenant alors une liaison par diffusion des grains de poudre de soudobrasure à la semelle métallique. La face ainsi traitée a une bonne adhérence et est prête au soudage aux grains des poudres de produits de friction et des poudres métalliques des cordons. Cette bonne adhérence entraîne de la souplesse dans l'exécution des étapes (c) et (d): - on peut faire la mise en forme des poudres dans un moule séparé du support, les produits de friction étant cloisonnés par les produits métalliques des cordons grâce à des moyens de chargement compartimentés; on peut alors faire la compression à part ou sur la tôle support La compression sur la tôle support traitée est préférée, elle donne un accrochage meilleur, permettant de supporter sans glissement de l'ensemble comprimé des inclinaisons de la tôle de plus de 150; il est de beaucoup préféré de faire la mise en forme par compression des poudres directement sur la tôle support Il est alors particulièrement intéressant d'ajouter à l'interface garniture-support une sous-couche de poudre de bronze donnant une épaisseur de 0,1 à 2 mm en fin de fabrication, soit typiquement à la mise en forme de 0,2 à 3 mm d'épaisseur, ce qui permettra d'améliorer la liaison soudée entre semelle et plots. Le traitement thermique de frittage-soudage puis le forgeage à chaud sont effectués ensuite sur l'ensemble de poudres de produits de friction et de poudres métalliques ébauches des cordons de gainage moins fragiles des futurs plots, ils dépendent principalement de la nature de ces produits, base bronze ou bien base fer. Dans le cas o les poudres de produit de friction contiennent des poudres de graphite et de produits abrasifs et des fondants tels que du plomb ou du verre, liés par du bronze, lesdites poudres métalliques ébauches des cordons moins fragiles contenant du bronze, de la fonte et 0,4 à 10 % de graphite, on effectue le traitement thermique de frittage et de soudage de l'étape (d) entre 750 et 10000 C pendant 15 à 40 min, et le forgeage à chaud de l'étape (e) à une température comprise entre 400 et 9500 C. Dans le cas o les poudres de produit de friction contiennent des poudres de graphite et de produits abrasifs et des fondants tels que du plomb et du verre, liés par du fer, lesdites poudres métalliques ébauches des cordons moins fragiles contenant du fer, de la fontè et 0,4 à 10 % de graphite, on effectue le traitement thermique de frittage et de soudage de l'étape (d) entre 850 et 11300 C, et le forgeage à chaud de l'étape (e) à une température comprise entre 600 et 1050 C. Une amélioration considérable de la liaison entre les grains frittés et forgés est encore possible grâce à un traitement de compression isostatique effectué à au moins 7500 C après le forgeage à chaud Ce traitement multiplie la durée de vie des garnitures de freins de l'invention par 1,2 à 3 Sa réalisation pratique sera commentée dans les exemples. L'invention a encore pour objet la garniture de frein correspondante, caractérisée en ce que ses plots de friction gainés par un cordon métallique moins fragile sont séparés par des intervalles laissant chacun une garde en surépaisseur d'au moins 0,5 mm par rapport à la semelle métallique. Cette garniture a de préférence juste au-dessus de ladite semelle une sous-couche de bronze de faible épaisseur 0,1 à 2 mm, améliorant la solidité de la liaison soudée entre semelle et plots. AVANTAGES DE L'INVENTION La fabrication est fortement simplifiée, par la réalisation monobloc de la masse frittée, et par le convoyage et présentation de l'ébauche de garniture de frein en un seul assemblage au traitement thermique de frittage et de soudage. La rigidité, qui conditionne la performance en service, est réglée par le choix de la profondeur des rainures entre plots. La durée de vie en service est en outre augmentée, typiquement de 30 à %, par l'ajout d'un traitement de compression isostatique à chaud. EXEMPLES La figure 1 représente une garniture de frein de l'art antérieur, en élévation. La figure 1 bis représente la même garniture en plan. La figure 2 représente un dispositif et une opération de moulage et de compression d'un ensemble de poudres selon l'invention directement sur un support métallique, en coupe longitudinale d'un alignement d'ébauches de plots. La figure 3 représente la pièce ébauche obtenue inclinée, en élévation. La figure 4 représente un dispositif et une opération de forgeage à chaud de la pièce ébauche traitée thermiquement, les outillages étant seul coupés longitudinalement. Les figures 5 a à 5 d schématisent l'effet des traitements successifs sur les liaisons entre les grains de poudres. La figure 6 représente des pièces dans un conteneur de compression isostatique, en coupe partielle. La figure 7 représente un exemple de garniture de frein selon l'invention. 1) La garniture 1 de l'art antérieur représentée sur les figures 1 et 1 bis comporte 6 plots 2 sensiblement quadrangulaires fixés par brasage 3 au support métallique 4, les intervalles 5 entre ces plots 2 résultant alors de leurs positionnements et fixations individuels Le support 4 est lui-même fixé sur une pièce 6 de montage dans un dispositif de freinage. 2) Le dispositif de la figure 2 comprend une cavité 7 de mise en forme ou moulage d'un ensemble de poudres qui comprend, en dénomination abrégée, des "poudres de friction" 8 et des portions de "poudres de cordon" 9 et entourant et divisant ces poudres de friction 8 en portions 80 Les portions de poudres intermédiaires 90 sont 2 à 3 fois plus larges que les portions externes 9, leur rainurage axial, par exemple par fraise-scie, en fin de fabrication laissera ainsi subsister un cordon. Cet ensemble de poudres 8, 9 et 90 est surmonté d'une sous-couche 10 de poudre de bronze d'épaisseur correspondant à une épaisseur finale de 0,5 mm, directement en contact avec la face revêtue de soudobrasure 11 d'un support métallique 12. La cavité 7 est délimitée par une matrice 13 et son bas est fermé par un poinçon inférieur 14 Le remplissage des poudres 8, 9, 10 a d'abord* été effectué au moyen d'un sabot compartimenté, puis on a coiffé la cavité 7 du support 12 venant se placer dans un logement 15, puis d'un poinçon supérieur 16 qui maintient le support ou tôle 12, qui contient éventuellement des trous d'ancrage 120, et la matrice 13 lorsque le poinçon inférieur 14 remonte pour comprimer les poudres contre le support 12 et ses éventuels trous d'ancrage 120. Cette compression à froid produit à la fois le compactage des poudres et un bon accrochage sur la semelle ou support 12, permettant l'acheminement sans risque vers le traitement thermique de frittage et de soudage. 3) Sur la figure 3, on a figuré une ébauche 17 ainsi moulée et comprimée inclinée, cette inclinaison étant appréciée par l'angle 18 de sa semelle 12 avec l'horizontale On a pu dans ce cas incliner l'ébauche à sans déceler de glissement de l'ensemble de poudres comprimées 19 par rapport à son support 12 Ceci montre l'effet pratique du bon accrochage procuré par la face revêtue 11 de ce support 12, et indique une bonne aptitude vis-à-vis de la fabrication industrielle de telles garnitures. 4) Sur la figure 4, on a représenté le forgeage à 8000 C d'une ébauche 17 déjà frittée et soudée, dont les poudres de friction et de cordon sont à base de bronze Par le forgeage du mélange fritté 170 au moyen d'un poinçon mobile 20, on réduit la hauteur de l'ensemble de poudres de % à 35 %, ici de 25 %, pour densifier le mélange 170 Comme on va le voir, la compacité s'améliore et les grains s'imbriquent (figure 5 c), donnant une meilleure résistance en service. ) On a représenté 4 stades de la fabrication sur les figures 5 a à 5 d figure 5 a: grains de poudre après mise en forme ("moulage") figure 5 b: après frittage, liaisons métallurgiques 20 aux points de contact des grains; figure 5 c: après forgeage à chaud, densification avec déformation des grains et des imbrications; figure 5 d: après compression isostatique à chaud, cohésions et liaisons métallurgiques généralisées 21 Forte augmentation de la résistance mécanique et de la durée de vie en service. 6) Réalisation pratique de la compression isostatique à chaud Les ébauches forgées 17 sont noyées dans un lit de particules réfractaires 22 placées dans un conteneur étanche déformable à chaud 28 fermé sous vide Le conteneur 28 est ici en acier et, ainsi rempli, purgé d'air et fermé étanche, il est traité sous pression typique comprise entre 5 et 25 M Pa et à température typique de 700 à 9400 C dans le cas des "base bronze", de 8500 à 10500 C dans le cas des "base fer", pendant au moins 10 minutes Après refroidissement et extraction des ébauches 17, on obtient pour leur mélange fritté et forgé 170 maintenant comprimé isostatiquement des liaisons métallurgiques du type 21 (fig 5 d), l'amélioration correspondante de la résistance en service est surprenante. 7) Garniture de frein obtenue La garniture représentée 23 s'appliquera par les faces d'extrémité 24 de ses plots tels que 25 sur un disque de roue mobile d'un véhicule ferroviaire à freiner Chaque plot 25 comprend sur tout son pourtour un cordon métallique 9,90 moins fragile gainant et protégeant son produit de friction 80. Les plots 25 sont solidaires entre eux par leur base 26 surmontant le support métallique 12 de 3 mm à l'endroit des intervalles ou rainures 27 Cette base 26 comporte une sous-couche 10 de bronze fritté d'épaisseur 0, 5 mm située directement au-dessus de la tôle rigide 12 et assurant une soudure continue particulièrement résistante de la masse frittée 26 et 25 et de cette tôle 12. Applications industrielles La garniture de frein de l'invention est utilisée pour le freinage de grande sécurité de véhicules ferroviaires ou automobiles, freinage agissant sur disques, flasques ou bandages de leurs roues Elle est également utilisée pour les avions ou hélicoptères, et les machines industrielles. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'une garniture de frein ( 23) dans lequel on fixe plusieurs plots ( 25) en produits de friction frittés gainés chacun latéralement par un cordon fritté métallique moins fragile ( 9,90) sur un support métallique ( 12), caractérisé par les étapes suivantes: (a) on revêt une face ( 11) dudit support métallique ( 12) d'une suspension de soudobrasure qu'on oxyde puis qu'on réduit, obtenant ainsi une surface d'accrochage ( 11); (b) on met en forme un ensemble de poudres ( 8, 9 et 90) de produits de friction ( 8) bordé et divisé en plusieurs portions ébauches ( 80) desdits plots ( 25) par des cordons de poudres métalliques ( 9, et ) ébauches desdits cordons frittés moins fraglies ( 9, et 90); (c) on comprime ledit ensemble de poudres ( 8, 9 et 90) et on l'applique sur ladite surface d'accrochage ( 11) dudit support métallique ( 12), obtenant ainsi un assemblage ( 8, 9 et 90, et 12); (d) on lie les grains de poudres dudit ensemble ( 8, 9 et 90) entre eux et on les soude audit support métallique ( 12), par un traitement thermique dudit assemblage ( 8, 9 et 90, et 12) sous atmosphère réductrice; (e) on forge à plus de 400 C la pièce frittée et soudée obtenue ( 17), en réduisant la hauteur de son ensemble de poudres frittées ( 170) d'au moins 15 %; (f) on effectue un rainurage desdits cordons ( 90) partageant ledit ensemble ( 170) en plots frittés distincts ( 25) gainés latéralement par lesdits cordons ( 9 et 90), ledit rainurage ( 27) laissant une garde ( 26) d'au moins 0,5 mm par rapport audit support métallique ( 12) pour régler la rigidité de la garniture de frein obtenue ( 23). 2 Procédé selon la revendication 1, dans lequel on exécute l'étape (a) comme suit: on dégraisse et/ou on sable ladite face ( 11) du support métallique ( 12) et on la revêt d'une poudre de soudobrasure en suspension dans un liant et un solvant organiques; on effectue une oxydation complète desdits produits organiques, éliminant toute trace de carbone on réduit les oxydes et on lie les grains de soudobrasure au support ( 12) par traitement entre 7500 et 9500 C sous atmosphère réductrice. 3 Procédé selon la revendication 1, dans lequel, selon les étapes (b) et (c), on met en forme et on comprime ledit ensemble de poudres ( 8, 9 et ) directement sur ledit support métallique ( 12), obtenant ainsi un accrochage amélioré. 4 Procédé selon la revendication 1, dans lequel selon les étapes (b) et (c) on met en forme ledit ensemble de poudres ( 8, 9 et 90) directement sur ladite surface d'accrochage ( 11) dudit support métallique ( 12) en mettant d'abord une sous-couche de poudre de bronze ( 10) correspondant à une épaisseur en fin de fabrication de 0,1 à 2 mm, puis on comprime ledit ensemble ( 8, 9 et 90 et 10) sur ledit support métallique ( 12). Procédé selon la revendication 1, dans le cas o lesdites poudres de produits de friction ( 8) contiennent des poudres de graphite et de produits abrasifs et des fondants tels que du plomb ou du verre, liés par du bronze, lesdites poudres métalliques ébauches des cordons moins fragiles ( 9 et 90) contenant du bronze, de la fonte et 0,4 à 10 % de graphite. 6 Procédé selon la revendication 1, dans le cas o lesdites poudres de produits de friction ( 8) contiennent des poudres de graphite et de produits abrasifs et des fondants tels que du plomb et du verre, liés par du fer, lesdites poudres métalliques ébauches des cordons moins fragiles ( 9 et 90) contenant du fer, de la fonte et 0,4 à 10 % de graphite. 7 Procédé selon la revendication 5, dans lequel on effectue le traitement thermique de frittage et de soudage de l'étape (d) entre 7500 et 10000 C pendant 15 à 40 min, et le forgeage à chaud de l'étape (e) à une température comprise entre 400 et 950 C. 8 Procédé selon la revendication 6, dans lequel on effectue le traitement thermique de frittage et de soudage de l'étape (d) entre 850 et 11300 C, et le forgeage à chaud de l'étape (e) à une température comprise entre 600 et 1050 C. 9 Procédé selon la revendication 1, dans lequel on effectue après le forgeage à chaud (e) une compression isostatique à au moins 7500 C, sous lit de particules réfractaires ( 22) dans un conteneur étanche ( 28) fermé sous vide et déformable à chaud, par compression de ce conteneur ( 28) *' Garniture de frein ( 23) comprenant plusieurs plots de friction ( 25) gainés latéralement chacun par un cordon fritté métallique ( 9 et 90) moins fragile et fixé sur un support métallique ( 12), obtenable par le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que lesdits plots ( 25) sont séparés par des intervalles ( 27) laissant chacun une garde ( 26) de produits frittés métalliques en surépaisseur d'au moins 0,5 mm par rapport audit support métallique ( 12). 11 Garniture selon la revendication 10, dans laquelle lesdits plots ( 25) et lesdites gardes ( 26) comportent à leur base une couche ( 10) de bronze fritté d'épaisseur 0,1 à 2 mm.