Brevet FR2662222A1 — publié le 19911122

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE GARNITURE DE FREIN A PLOTS GAINES NON JOINTIFS, 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 ou tôle 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 comportant une enveloppe cylindrique de produit métallique fritté moins fragile, destiné à protéger le produit de friction en évitant ses ébréchures La fixation des plots à la semelle métallique est individuelle, par exemple par une soudure reliant le pied du plot au support ou semelle ou à l'aide d'une embase métallique intermédiaire Dans le cas o les plots sont cylindriques circulaires, ils sont parfois irréguliers en diamètre et en hauteur par suite notamment du procédé de fabrication individuelle de chaque plot. La demanderesse a cherche à mettre au point un procédé de fabrication plus simple et plus économique, évitant les inconvénients précédents et améliorant si possible la qualité de la fixation des plots sur la semelle. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention a pour premier objet un procédé de fabrication d'une garniture de frein dans lequel on fixe plusieurs plots en produits de friction frittés, gainés chacun par une ceinture annulaire métallique frittée, sur un support métallique, lesdits plots gainés étant non jointifs Selon l'invention, il comprend les étapes suivantes: (a) on prépare une face d'accrochage dudit support métallique au moyen des opérations successives suivantes on dégraisse et/ou on sable une face de ladite semelle, et on la revêt d'une suspension de poudre de soudobrasure dans un liquide organique; on élimine toute trace de carbone de ce revêtement, par oxydation à chaud dudit revêtement; on réduit les oxydes alors formés en traitant thermiquement le support ainsi revêtu en atmosphère réductrice, la face revêtue devenant alors ladite face d'accrochage; (b) on moule d'une part des poudres de produits de friction et on les compacte sous forme de plots ébauches, et on moule d'autre part des poudres métalliques et on les compacte sous forme de ceintures annulaires ébauches de diamètre intérieur égal à 1,005 fois à 1,050 fois le diamètre extérieur desdits plots ébauches; (c) on dispose lesdites ceintures annulaires ébauches autour desdits plots ébauches et on les fritte, obtenant des plots ébauches gainés (d) on dispose ou on a disposé lesdits plots ébauches gainés sur ladite face d'accrochage dudit support métallique, et on les soude par brasure-diffusion à ce support par traitement thermique (e) on forge simultanément, à plus de 4000 C, lesdits plots ébauches gainés en réduisant leurs hauteurs d'au moins 15 %, obtenant ainsi ladite garniture de frein. Le procédé de revêtement de soudobrasure de la face du support métallique a un très grand intérêt non seulement parce qu'il servira à souder les plots au support mais aussi parce que il créé une surface d'accrochage permettant de manipuler les ébauches de plots posées sur cette surface sans qu'elles glissent même pour des inclinaisons dépassant 100 Les plots fabriqués, ici des plots gainés, ont typiquement un rapport hauteur/diamètre inférieur à 2 Ainsi, et selon l'organisation de la fabrication, on disposera les plots ébauches sur le support au plus tard en (d) pour le soudage, ou bien en (c) pour le frittage et le soudage simultanément, ou mieux encore au départ en (b) pour le moulage et le compactage des poudres de friction directement sur le support permettent alors un accrochage amélioré, grâce au travail de compression sur sa surface. Les conditions préférentielles des traitements thermiques d'élimination du carbone et de réduction de ce procédé de revêtement de soudo-brasure donnant en même temps une surface d'accrochage sont les suivantes: l'élimination de carbone est typiquement faite entre 300 et 5500 C, et la réduction, sous atmosphère réductrice par exemple (N 2 + H 2), est typiquement faite entre 600 et 10000 C, entraînant une liaison par diffusion des grains de poudre de soudobrasure au support métallique. La face du support ainsi traitée a une bonne adhérence et est prête au soudage à ce support des grains des poudres de produits de friction des plots et des poudres métalliques de leurs ceintures annulaires, selon l'étape (d). Le procédé de l'invention permet ainsi dans toutes ses variantes d'obtenir une soudure continue de chaque plot gainé avec le support métallique. Alors que dans la fabrication de ce type de garniture de frein, un positionnement de chaque plot gainé par déformation sous compression du plot ébauche dans un creux ou trou du support non traitée ne permet pas d'assurer un bon accrochage sur ce support, la situation est totalement modifiée par le revêtement de soudo-brasure de l'invention Dans le cas de l'invention, un téton par exemple tronconique avec creux correspondant de la face d'accrochage de la semelle améliore encore l'adhérence du plot ébauche au support métallique Un tel téton a typiquement au niveau de la face d'extrémité inférieure ou pied du plot gainé un rayon égal à 5 à 30 % du rayon du plot gainé Chaque creux du support, de préférence débouchant, étant traité à la soudobrasure, l'encastrement du téton produit le positionnement et l'accrochage dans ce creux même si le plot ébauche a été moulé et compacté en dehors du support L'effet d'accrochage dans le creux du support, est particulièrement important lorsque le compactage du plot ébauche est effectué directement sur la face d'accrochage du support, on a constaté que alors les ébauches de plots ne glissaient pas par rapport au support pour des inclinaisons de ce support dépassant 200. Pour améliorer la résistance de la liaison soudée des plots ébauches gainés et du support, liaison obtenue par le traitement thermique de l'étape (d), il est recommandé d'ajouter à l'interface plots/support ou pied une sous-couche de poudre de bronze introduite au moulage des poudres formant le plot et de préférence aussi au moulage des poudres formant la ceinture annulaire (opération (b)). Cette sous-couche de poudre de bronze a de préférence une épaisseur comprise entre 0,2 et 2 mm, un supplément d'épaisseur n'entraînant pas d'amélioration sensible de la résistance de ladite liaison soudée et diminuant la hauteur des produits de friction L'épaisseur de cette souscouche devient, après les compressions successives de l'ébauche de plot gainé, typiquement 0,1 à 1,3 mm. La demanderesse a constaté que la fabrication d'un plot gainé avec application de la ceinture ébauche sur le plot ébauche conduisait à des problèmes d'éclatement de la ceinture, par suite du gonflement différentiel du plot et de sa ceinture au frittage De façon nouvelle, on réalise séparément les ceintures annulaires ébauches et on choisit le diamètre intérieur de chaque ceinture annulaire ou bague ébauche de façon que le diamètre du plot après frittage soit compris entre le diamètre intérieur de la bague et ce diamètre augmenté de environ 1 %, obtenant ainsi une bonne liaison entre plot et ceinture sans risque d'éclatement et sans gonflement apparent du plot gainé Le produit métallique des ceintures gonfle pas ou peu, et le principe précédent se traduit par la règle pratique selon laquelle le diamètre intérieur des ceintures annulaires ébauches fabriquées séparément doit être égal à 1,005 fois à 1, 05 fois, et le plus souvent 1,005 fois à 1,025 fois, le diamètre extérieur des plots ébauches, le choix du jeu exact tenant compte de la nature des matériaux en présence. Il peut être préféré de faire un premier frittage des ceintures annulaires ébauches, pour améliorer leur cohésion et obtenir des plots gainés d'une régularité dimensionnelle encore améliorée. Dans le cas o les poudres de produits de friction et les poudres métalliques contiennent du bronze, lesdites poudres de produits de friction contenant des poudres de graphite et de produits abrasifs et des fondants tels que du plomb ou du verre liés par du bronze, et lesdites poudres métalliques contenant du bronze, de la fonte et 0,4 à 10 % de graphite, on effectue le ou les traitements thermiques de frittage sous atmosphère réductrice et typiquement entre 700 et 9000 C, et le traitement de soudage de l'étape (d) typiquement entre 750 et 1000 C Lorsque dans l'étape (b) on moule et on compacte les plots ébauches directement sur la face d'accrochage du support métallique, les ceintures annulaires ébauches sont disposées en (c) autour desdits plots ébauches et reposent alors par leur extrémité inférieure sur ledit support, et on effectue en même temps le frittage et le soudage de ces plots ébauches munis de leurs ceintures au moyen d'un traitement thermique de 10 à 40 min entre 750 et 1000 C sous atmosphère réductrice. Dans le cas o les poudres de produits de friction et les poudres métalliques contiennent du fer, lesdites poudres de produits de friction contenant des poudres de graphite et de produits abrasifs et des fondants tels que du plomb ou du verre liés par du fer, et lesdites poudres métalliques contenant du fer, de la fonte et 0,4 à 10 % de graphite, on effectue le ou les traitements thermiques de frittage sous atmosphère réductrice et typiquement entre 850 et 11000 C, et le traitement de soudage de l'étape (d) typiquement entre 900 et 11500 C Lorsque les plots ébauches sont moulés et compactés directement sur la face d'accrochage du support métallique, on préfère comme précédemment effectuer en même temps le frittage et le soudage desdits plots ébauches munis de leurs ceintures annulaires ébauches, par un traitement thermique entre 900 et 11500 C sous atmosphère réductrice. Le forgeage à chaud de l'étape (e) augmente la compacité des pots ébauches gainés par déformation et imbrication de leurs grains La hauteur des plots ébauches gainés est réduite d'au moins 15 %, de préférence de 25 à % La résistance en service ou durée de vie des plots est augmentée Le forgeage à chaud est effectué entre 400 et 950 C dans le cas des plots à base de bronze, entre 600 et 10500 C dans le cas des plots à base de fer. Le forgeage est effectué avec un jeu réduit des outillages par rapport aux plots gainés grâce à la régularité de leur diamètre après frittage, régularité maintenue après soudage. Une amélioration considérable de la liaison entre les grains frittés et forgés est encore possible, et très recommandée, grâce à un traitement de compression isostatique, dans lequel la garniture traitée est plongée dans un lit fluide de particules réfractaires lui-même placé dans un conteneur étanche déformable à chaud fermé sous vide, ce conteneur étant soumis à une pression d'au moins 5 M Pa et à une température d'au moins 6500 C. Dans le cas des "base bronze", ces conditions de pression et de température sont de préférence comprises entre 5 et 25 M Pa et entre 700 et 950 C Dans le cas des "base fer", on utilise des températures plus élevées, 850 à 10500 C, avec des pressions semblables. Le traitement de compression isostatique, qui augmente encore la compacité et généralise les liaisons métallurgiques entre grains, multiplie la durée de vie des garnitures de freins de l'invention par 1,2 à 3. L'invention a encore comme objet la garniture de frein obtenue Cette garniture comprend comme il est connu plusieurs plots en produits de friction gainés chacun par une ceinture annulaire métallique frittée habituellement moins fragile, ces plots gainés étant non jointifs et fixés par leurs pieds ou extrémités inférieures respectives à un support métallique Selon l'invention, chaque plot gainé est lié à ce support par la surface de son pied selon une liaison métallique continue, à la différence des plots de l'art antérieur fixés par soudure formant un bourrelet ou par un moyen de fixation du type rivet Les plots de l'invention se reconnaissent en outre par leur régularité géométrique et plus particulièrement par la régularité de leur fût Ils comportent souvent à leur pied une sous-couche inférieure de bronze fritté d'épaisseur 0,1 à 1,3 mm, ayant une excellente liaison aussi bien avec le support métallique qu'avec la portion de plot gainé qui le surmonte et la prolonge. Une garniture de frein selon l'invention se distingue encore de préférence par la présence, à la base de chacun de ses plots gainés, d'un téton encastré dans un creux du support, la liaison métallique de la base annulaire plane du plot gainé avec ledit support se poursuivant au moins sur toute la surface latérale du téton et du creux Cette continuation de la liaison est obtenue en particulier lorsque le creux, par exemple tronconique, est emboîté par un téton de même angle de cône, ou lorsque le plot ébauche a été compacté directement sur le support métallique. AVANTAGES DE L'INVENTION La disposition des plots gainés sur le support métallique de la garniture de frein peut être fixée avec précision dès le moulage et le compactage des plots ou au plus tard avant le soudage de ces plots au support par traitement thermique La surface d'accrochage du support métallique permet les transports du support chargés des plots ébauches, ceinturés ou non de leur ébauche de gaine, d'un poste de travail à un autre ou dans un four sans que les plots ébauches glissent; Les plots gainés obtenus, typiquement cylindriques circulaires, ont une géométrie régulière et une excellente santé, sans gonflement local et sans fissure Le forgeage en série est facilité La fabrication de la garniture de frein est grandement facilitée, particulièrement dans le cas o on moule et compacte les plots ébauches directement sur le support métallique, et dans tous les cas par l'absence de glissement des ébauches sur le support pendant les transports ou manipulations; il n'y a pas besoin d'outillage de maintien des plots sur la semelle pour le soudage; Il n'y a plus besoin de soudure de fixation du plot gainé, ni d'une autre opération de fixation, le traitement thermique de soudage ne mettant en oeuvre que la soudobrasure initialement déposée sur la semelle métallique; La durée de vie en service de la garniture de frein est de préférence augmentée, typiquement de 30 à 100 %, par l'ajout d'un traitement de compression isostatique à chaud. EXEMPLES La figure 1 représente une garniture de frein selon l'invention, en coupe axiale de plusieurs plots gainés. La figure 2 représente le moulage et le compactage de plots ébauches sur un support métallique, en coupe axiale. La figure 3 représente un autre plot ébauche disposé sur un autre support métallique et entouré par une ceinture annulaire ébauche, avant frittage et soudage, en coupe axiale. La figure 4 représente le même plot après forgeage à chaud, également en coupe axiale. Les figures 5 a à 5 c schématisent l'effet des traitements successifs sur les liaisons métallurgiques entre les grains de poudre. La figure 6 représente des garnitures de freins selon l'invention dans un conteneur de compression isostatique à chaud, en coupe partielle. La figure 1 représente une coupe d'une garniture de frein ferroviaire 1 à 9 plots gainés 2, appelée habituellement "demi-garniture" car le système de freinage comporte deux garnitures symétriques Le support 3 est en acier, la liaison 16 entre les plots gainés 2 et ce support 3 est métallique, sans oxydes, et continue. Le pourtour des plots 2 est parfaitement régulier, mais l'examen en coupe axiale montre que les ceintures métalliques annulaires 4 gainent chacune un plot 5 en produits de friction gonflé à mi-hauteur d'environ 1,5 % sur le diamètre Les ceintures 4 n'ont pas été endommagées grâce à leur jeu préalable de 1 % par rapport au diamètre des ébauches des plots 5 non encore frittés. Sur la figure 2, on voit le moulage ou mise en forme et le compactage de plots ébauches 12 centrés chacun sur un creux 6 de la semelle métallique , au moyen d'un outillage 7 comprenant des cavités cylindriques de moulage 70, d'un poinçon inférieur 8 de compression de la poudre, et d'un poinçon supérieur 80 qui maintient l'outillage 7 et la semelle ou support 30 lorsque ledit poinçon de compression 8 remonte On a fini cette opération en introduisant une couche 14 d'épaisseur 1 mm de poudre de bronze dans les cavités de moulage 70, cette poudre 14 assurant l'obtention d'une liaison soudée très résistante par le traitement thermique de soudage La face 10 du support 30 tournée vers la poudre 9 avait été revêtue de soudobrasure selon l'invention, elle est ainsi devenue une face d'accrochage 10, et le compactage des plots ébauches 12 directement sur cette face 10 ainsi que l'obtention de tétons 13 dépassant du pied 130 de chaque plot 12 améliorent encore fortement l'effet d'accrochage desdits plots 12 sur le support 30. La figure 3 montre un plot ébauche 120 de diamètre 31 mm placé sur un support métallique 3 et entouré d'une ceinture métallique ébauche 15 de diamètre intérieur 31,5 mm montée et compactée à part à partir de poudres métalliques 150 Ces ébauches comportent l'une et l'autre une sous-couche 14 de poudre de bronze L'ensemble 120 et 15 et 3 est prêt pour le frittage et le soudage. On a représenté sur la figure 4 cet ensemble ( 120, 15, 3), dont le plot et la ceinture 15 sont à base de bronze, après: un traitement thermique de frittage et soudage, en une opération, de 20 min à 9200 C sous atmosphère réductrice, et après un forgeage à 7500 C avec réduction de la hauteur du plot gainé ébauche 120 et 15 de 28 % Le plot gainé obtenu 120 et 15 a une liaison métallique 16 continue avec le support 3, grâce au revêtement de soudobrasure de ce support 3 (tel que 11 sur la figure 2) et avec le renforcement lié à la sous-couche de bronze 15. Les figures 5 a à 5 c expliquent l'intérêt du forgeage à chaud et celui de la compression isostatique à chaud Les grains de poudre compactés et frittés (figure 5 a) ont des liaisons métallurgiques limitées à leurs points de contact 17, le compactage initial à froid n'ayant pas déformé les grains Sur la figure 5 b, après forgeage à chaud, on voit qu'il y a eu densification avec déformation des grains 18 et des imbrications entre grains; la compacité et la résistance sont globalement améliorées, mais les liaisons métallurgiques 17 ne sont habituellement pas développées Sur la figure 5 c, après compression isostatique à chaud, les grains ont été déformés et appliqués les uns contre les autres selon des surfaces importantes, permettant le développement de liaisons métallurgiques 19 du type "généralisées" On comprend qu'il y ait une forte augmentation de la résistance et de la durée de vie en service des garnitures de freins traitées en compression isostatique selon l'invention. La figure 6 montre des garnitures de freins 1 noyées dans un lit de fines particules réfractaires 20 placées dans un conteneur étanche 21 en acier fermé sous vide Les garnitures 1 sont à base de fer, et on les traite ici en compression isostatique en soumettant le conteneur 21 ainsi rempli à une pression de 10 M Pa et une température de 10200 C Après refroidissement et extraction des ébauches, on obtient pour les plots gainés 2 de ces garnitures 1 la modification de la figure 5 c, et une amélioration surprenante de la résistance en service. APPLICATION La garniture de frein de l'invention est typiquement utilisée pour le freinage de véhicules ferroviaires ou automobiles, freinage agissant sur disques, flasques ou bandage de leurs roues, et pour le freinage d'avions ou hélicoptères et de machines industrielles. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'une garniture de frein ( 1; 120 et 15 et 3) dans lequel on fixe plusieurs plots ( 2; 120 et 15) en produits de friction frittés, gainés chacun par une ceinture annulaire métallique frittée ( 4; 15), sur une semelle métallique rigide ( 3,30), lesdits plots gainés ( 2; 120 et 15) étant non jointifs, caractérisé par les étapes suivantes: (a) on prépare une face d'accrochage ( 10) dudit support métallique ( 30) au moyen des opérations successives suivantes: on dégraisse et/ou on sable une face ( 10) dudit support ( 30), et on la revêt d'une suspension ( 11) de poudre de soudobrasure dans un liquide organique; -' on élimine toute trace de carbone de ce revêtement ( 11), par oxydation à chaud dudit revêtement; on réduit les oxydes alors formés en traitant thermiquement le support ainsi revêtu en atmosphère réductrice, la face revêtue ( 10) devenant alors ladite face d'accrochage ( 10); (b) on moule d'une part des poudres de produits de friction ( 9) et on les compacte sous forme de plots ébauches ( 12; 120), et on moule d'autre part des poudres métalliques ( 150) et on les compacte sous forme de ceintures annulaires ébauches ( 15) de diamètre intérieur égal à 1,005 fois à 1,05 fois le diamètre extérieur desdits plots ébauches ( 9); (c) on dispose lesdites ceintures annulaires ébauches ( 15) autour desdits plots ébauches ( 120) et on les fritte, obtenant des plots ébauches gainés ( 120 et 15); (d) on dispose ou on a disposé lesdits plots ébauches gainés ( 120 et ) sur ladite face d'accrochage ( 10) dudit support métallique ( 3), et on les soude à ce support ( 3) par traitement thermique (e) on forge à plus de 4000 C lesdits plots ébauches gainés ( 120 et ) en réduisant leurs hauteurs d'au moins 15 %, obtenant ainsi ladite garniture de frein ( 1; 120,15,3). 2 Procédé selon la revendication 1, dans lequel selon l'étape (b) on moule et on compacte lesdits plots ébauches ( 12) directement sur la face d'accrochage ( 10) dudit support métallique ( 30), le positionnement desdits plots sur ledit support ( 30) n'étant pas modifié pour les opérations suivantes. 3 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel on utilise un dit support métallique ( 30) portant sur sa face d'accrochage ( 10) des creux ( 6) de positionnement des plots gainés ( 2), et dans lequel on prépare selon l'étape (b) chaque plot ébauche ( 12) avec un téton ( 13) dépassant de son pied ( 130), et s'encastrant dans undit creux ( 6) de positionnement. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel selon l'étape (b) on introduit au moulage une sous-couche ( 14) de poudre de bronze d'épaisseur moyenne 0,2 à 2 mm, pour lesdits plots ébauches ( 12; 120) et pour lesdites ceintures annulaires ébauches ( 15). Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel on effectue un frittage desdites ceintures annulaires ébauches ( 15) après leur compactage selon l'étape (b). 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel on effectue après le forgeage à chaud (e) une compression isostatique à chaud de ladite garniture de frein ( 1), ladite garniture ( 1) étant plongée dans un lit de particules réfractaires ( 20) placées dans un conteneur étanche déformable à chaud ( 21) fermé sous vide, et ledit conteneur ( 21) étant soumis à une pression d'au moins 5 M Pa et à une température d'au moins 6500 C. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans le cas o les dites poudres de produits de friction ( 9) et lesdites poudres métalliques ( 150) contiennent du bronze, lesdites poudres de produits de friction contenant des poudres de graphite et de produits abrasifs et des fondants tels que du plomb ou du verre liés par du bronze, et lesdites poudres métalliques contenant du bronze, de la fonte et 0,4 à % de graphite. 8 Procédé selon la revendication 7 dépendante de la revendication 2, dans lequel on effectue en même temps le frittage et le soudage desdits plots ébauches ( 120) munis de leurs ceintures annulaires ébauches ( 15), par un traitement thermique de 10 à 40 min entre 750 et 1000 C sous atmosphère réductrice. 9 Procédé selon l'une quelconque des revendications'l ou 2, dans le cas o lesdites poudres de produits de friction ( 9)-'et lesdites poudres métalliques ( 150) contiennent du fer, lesdites poudres de produits de friction contenant des poudres de graphite et de produits abrasifs et des fondants tels que du plomb ou du verre liés par du fer, et lesdites poudres métalliques contenant du fer, de la fonte et 0,4 à % de graphite. Procédé selon la revendication 9 dépendante de la revendication 2, dans lequel on effectue en même temps le frittage et le soudage desdits plots ébauches munis de leurs ceintures annulaires ébauches ( 2), par un traitement thermique entre 900 et 11500 C sous atmosphère réductrice. 11 Procédé selon la revendication 6, dans lequel on effectue ladite compression isostatique à chaud entre 5 et 25 M Pa et à température comprise entre 700 et 9500 C dans le cas o les plots gainés ( 2) de ladite garniture ( 1) sont à base de bronze, à température comprise entre 850 et 10500 C dans le cas o les plots gainés ( 2) sont à base de fer. 12 Garniture de frein ( 1; 120,15,3) obtenable par le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 11, comprenant plusieurs plots ( 5; ) en produits de friction frittés gainés chacun par une ceinture annulaire métallique frittée ( 15), lesdits plots gainés ( 2; 120 et 15) étant non jointifs et fixés par leurs pieds ( 130) à un support métallique rigide ( 3; 30), caractérisée en ce que chaque dit plot gainé ( 2; 120 et 15) est lié par la surface de son pied ( 130) selon une liaison métallique continue ( 16). 13 Garniture de frein ( 1; 120 et 15 et 3) selon la revendication 11, dont lesdits plots gainés ( 2; 120 et 15) comportent à leur base une couche de bronze fritté ( 14) d'épaisseur 0,1 à 1,3 mm. 14 Garniture de frein selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13, chaque dit plot gainé comprenant à sa base un téton ( 13) encastré dans un creux ( 6) dudit support métallique ( 30), ladite liaison métallique ( 16) se poursuivant dans cet encastrement ( 13 et 6).