Brevet FR2671382A1 — publié le 19920710

La présente invention a pour objet une garniture mécanique d'étanchéité pour arbre tournant de pompe à eau pour automobile, comprenant une bague et une contrebague en mouvement relatif de rotation et frottant l'une contre l'autre. On connaît déjà de telles garnitures d'étanchéité dans lesquelles la bague est en carbone et la contre-bague en matériau de nature différente, par exemple de l'acier inoxydable, de la fonte perlitique, de l'alumine, du carbure de silicium massif, ou du métal revêtu. Toutefois, chacun de ces matériaux connus présente des inconvénients. L'acier inoxydable ou la fonte perlitique entraînent une usure importante du fait de l'élévation de température qui se produit à cause du frottement, la température de fusion étant trop faible. Ceci limite la durée de vie du dispositif et lui confère une étanchéité médiocre. Les céramiques à base d'alumine généralement utilisées dans cette application souffrent d'une dureté insuffisante, lorsque leur teneur en alumine est faible, et d'une mauvaise tenue aux chocs thermiques qui provoque la rupture du matériau, lorsque cette teneur est élevée. Le carbure de silicium peut présenter dans certains cas un coefficient de frottement trop élevé et souffre également d'une ténacité insuffisante.Les métaux revêtus sont de fabrication délicate, à cause des problèmes liés à l'accrochage, sur le métal, de la couche superficielle de revêtement, qui présente par ailleurs souvent une épaisseur insuffisante. De plus, la différence des coefficients de dilatation entre le métal et le dépôt entraîne une fissuration et par suite une mauvaise étanchéité. La présente invention vise à pallier les inconvénients précédents. A cet effet, elle a pour objet une garniture d'étanchéité du type défini ci-dessus, caractérisée par le fait qu'au moins un des éléments parmi la bague et la contre-bague est réalisé dans un matériau comprenant du carbure de tungstène lié par un liant à base de cobalt et/ou de fer et/ou de nickel et/ou de molybdène ou leurs alliages, le liant constituant au plus 35 % en poids du produit, avec une phase dispersée comprenant du carbone et/ou des pores. La garniture d'étanchéité de l'invention est particulièrement performante, notamment en ce qui concerne l'usure de la bague et de la contre-bague, usure particulièrement faible, ce qui confère à la garniture une durée de vie longue et une excellente étanchéité. La garniture est également remarquable par la bonne aptitude au frottement de la bague et de la contre-bague. Avantageusement, ledit matériau comprend en outre au moins l'un des carbures et/ou carbonitures des métaux suivants : titane, niobium, tantale, vanadium, chrome, molybdène. Avantageusement encore, la teneur volumique de la phase dispersée est inférieure à 15 t. Dans ce cas la dureté de l'élément réalisé en carbure de tungstène reste particulièrement élevée et supérieure à 1000 VICKERS HV1. Dans la forme de réalisation préférée, le carbure de tungstène présente la composition suivante, dans les marges de tolérance habituelles en métallurgie des poudres - Carbure de tungstène : 80 % en poids - Autres carbures ou carbonitures : 9 % en poids - Liant Cobalt + Nickel + Fer + Phase dispersée 11 % en poids la phase dispersée représentant 4,5 % du volume total. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante de la forme de réalisation préférée de la garniture d'étanchéité. Une garniture mécanique d'étanchéité destinée à un arbre tournant de pompe à eau pour automobile comprend, de façon connue et non représentée dans un souci de simplicité, une bague et une contre-bague en mouvement relatif de rotation et frottant l'une contre l'autre. Ici la bague est réalisée de façon connue en carbone. La contre-bague est réalisée dans du matériau comprenant du carbure de tungstène lié par un liant à base de cobalt, de nickel et de fer. Le matériau comprend, en poids, 80 % de carbure de tungstène, 9 % d'un mélange de carbure de tantale, de carbure de titane, et de carbure de niobium et 11 % de liant cobalt + nickel + fer, et il est associé à une phase dispersée de carbone et de pores de 4,5 % en volume. Les pores sont obtenus à l'aide d'agents porogènes, comme du carbonate d'ammonium ou de l'oxalate d'ammonium, qui sont ajoutés aux produits de départ pour que le produit final présente des pores, de diamètre 2 à 200 microns. Lorsque la bague est en carbone, comme c'est le cas ici, l'expérience montre que les pores se chargent rapidement de carbone migrant de la bague vers la contre-bague. Des essais ont permis de faire des simulations du comportement de la garniture d'étanchéité qui vient d'être décrite, comparativement à une garniture d'étanchéité dans laquelle la contre-bague est réalisée dans un carbure de tungstène à 6 % de liant, mais ne comportant pas de phase dispersée. Les résultats obtenus après un temps de fonctionnement relativement long sur banc d'endurance révèlent, pour la garniture dont la contre-bague est réalisée avec le carbure de tungstène ne comportant pas de phase dispersée, des sillons profonds sur la contre-bague et des arrachements sur la bague en carbone. Par contre, les résultats obtenus après le même temps de fonctionnement avec les garnitures conformes à l'invention sont nettement meilleurs. Ils révèlent une absence totale d'usure de la contre-bague en carbure de tungstène et une légère usure de la bague en carbone. Ces très bons résultats sont à attribuer aux très bonnes caractéristiques mécaniques et superficielles du carbure de tungstène avec une phase dispersée, et notamment son excellente aptitude au frottement et sa bonne conductivité thermique. L'élaboration du matériau à base de carbure de tungstène utilisé dans la garniture de l'invention se fait par les techniques connues de la métallurgie des poudres comprenant la réalisation d'un mélange du carbure de tungstène avec les composants du liant avec, le cas échéant, un broyage simultané, suivi d'une compression et d'un frittage, le ou les constituants de la phase dispersée étant ajoutés soit avant le mélange, soit avant la compression. La proportion du carbure de tungstène peut également être comprise entre 60 et 85 % en poids, celle des autres carbures ou carbonitures de titane, niobum, tantale, vanadium, chrome et molybdène étant comprise entre 5 et 20 %. Le liant peut également être à base de cobalt et/ou de fer et/ou de nickel et/ou de molybdène ou leurs alliages, éventuellement substitués par du chrome et/ou du vanadium. Le liant doit constituer de préférence au moins environ 6 % et au plus environ 35 % du poids de produit. Au delà de cette valeur de 35 %, il apparaît des difficultés pour donner des caractéristiques dimensionnelles précises aux pièces fabriquées. Le carbone de la phase dispersée est du carbone amorphe, comme le noir de fumée ou d'acétylène, ou du graphite. Lorsque la teneur volumique de la phase dispersée, y compris le cas échéant les pores, est supérieure à 15 %, il apparaît dans le matériau le phénomène connu de l'homme du métier sous le nom de "percolation" et qui correspond au fait que ses différents domaines se rejoignent, ce qui entraîne des difficultés lors du frittage. De plus, la dureté s'avère insuffisante. Dans l'exemple selon l'invention qui vient d'être décrit, la bague est en carbone et la contre-bague en matériau à base de carbure de tungstène. La bague pourrait évidemment être en matériau à base de carbure de tungstène et la contre-bague en carbone, ou encore la bague et la contre-bague pourraient être toutes les deux en matériau à base de carbure de tungstène. REVENDICATIONS 1.- Garniture mécanique d'étanchéité pour arbre tournant de pompe à eau pour automobile, comprenant une bague et une contre-bague en mouvement relatif de rotation et frottant l'une contre l'autre, garniture caractérisée par le fait qu'au moins un des éléments parmi la bague et la contre-bague est réalisé dans un matériau comprenant du carbure de tungstène lie par un liant à base de cobalt et/ou de fer et/ou de nickel et/ou de molybdène ou leurs alliages, le liant constituant au plus 35 % en poids du produit, avec une phase dispersée comprenant du carbone et/ou des pores. 2 - Garniture mécanique selon la revendication 1, dans lequel ledit matériau comprend en outre au moins l'un des carbures et/ou carbonitures des métaux suivants titane, niobium, tantale, vanadium, chrome, molybdène. 3.- Garniture mécanique selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle la teneur volumique de la phase dispersée est inférieure à 15 %. 4.- Garniture mécanique selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle le carbure de tungstène présente la composition suivante - Carbure de tungstène : 80 % en poids - Autres carbures ou carbonitures : 9 % en poids - Liant Cobalt + Nickel + Fer + Phase dispersée: 11 % en poids la phase dispersée représentant 4,5 % du volume total.