Brevet FR2668168A1 — publié le 19920424

La présente invention concerne de manière générale des matériaux doués de propriétés de friction qui sont utilisés dans un appareil de transmission de couple comprenant une surface de portée à friction pouvant venir en prise de manière active avec une surface opposée en présence d'un fluide ou d'une huile de transmission La présente invention concerne plus particulièrement un matériau de surface de portée à friction comprenant des particules métalliques sous forme d'un corps poreux ayant des propriétés de friction et une durabilité excellentes, ainsi que le procédé de production de ces matériaux. L'appareil de transmission de couple précité peut consister, par exemple, en assemblages embrayage-frein comprenant un disque de friction et une plaque opposée Le matériau de surface de portée à friction, sous forme d'un disque rainuré ou non rainuré, ou de segments de disque, est fixé à une partie centrale métallique pour produire sur celle-ci une surface de friction ou de transmission de couple La plaque opposée fournit une surface concourante qui vient en prise de manière active avec la surface de friction pour la transmission du couple Plusieurs disques portant un matériau de surface de portée à friction, sur des surfaces opposées, sont habituellement intercalés avec plusieurs plaques opposées pour permettre une transmission de couple par disques multiples qui est régulée par des moyens de fermeture qui régulent la proximité axiale des disques et des plaques adjacents. Le disque et la plaque opposée peuvent s'étendre jusqu'à un réservoir de fluide de transmission, ou bien le fluide peut être délivré au disque sous pression à partir d'un tel réservoir ou à partir d'un réservoir éloigné Le fluide sert à refroidir l'appareil par dissipation de l'énergie calorifique résultant de la transmission du couple, ce qui est désigné sous le nom de fonctionnement en bain d'huile de l'unité Le fluide peut servir également à transmettre le couple par le cisaille- ment de films de fluide entre les disques et les plaques adjacents, ainsi qu'à dissiper la chaleur, ce qui est désigné sous le nom de fonctionnement hydrovisqueux de l'appareil. L'appareil de transmission de couple pour services sévères et les applications concernant la présente invention sont du type rencontré dans les véhicules routiers lourds, tels que les autocars et les camions ainsi que les véhicules tout-terrain et les véhicules de travaux publics Afin de répondre aux impératifs de mise sous contrainte par le couple de ces applications, il a été élaboré des matériaux de surface de portée à friction constitués principalement de graphite dans une matrice métallique pulvérisée comprimée sous de hautes pressions pour former une pièce compacte non frittée, qui est ensuite frittée à de hautes températures et sous de hautes pressions. Un autre type de matériau présentant des propriétés de friction fait intervenir l'utilisation de proportions relativement fortes de matières abrasives ou céramiques avec des proportions minimales de graphite dans une matrice constituée d'un métal en poudre Ces mélanges non comprimés sont répandus sur une partie centrale métallique, puis sont frittés en place pour former une surface de portée et pour la liaison de la surface de portée à la partie centrale métallique Bien que ces types de matériaux de surface de portée à friction présentent un coefficient dynamique de friction relativement élevé, ils sont limités à des applications moins sévères en raison de leurs limitations de vitesses d'absorption de l'énergie. Les caractéristiques de transmission de couple sont déterminées par un certain nombre de facteurs, comprenant le fluide particulier de transmission et le matériau de surface de portée à friction, ainsi que la nature de la surface de la plaque opposée concourante La résilience de la surface de portée à friction constitue un facteur participant dominant pour les caractéristiques de transmission de couple en ce que les surfaces de portée à friction qui sont plus résilientes s'adaptent mieux à la surface de la plaque opposée, ce qui provoque une absorption d'énergie plus -uniforme sur l'étendue de la surface de portée Une surface de portée à friction plus résiliente peut généralement supporter de plus grandes vitesses d'absorption d'énergie en raison de l'absorption plus uniforme de l'énergie sur l'étendue de la surface de portée La vitesse d'absorption d'énergie des surfaces de portée à friction moins résilientes est limitée par ce même facteur Jusqu'à présent, les surfaces de portée à friction, de type métallique, ont présenté de faibles degrés de résilience et, en résultat, leur vitesse d'absorption d'énergie était limitée Les surfaces de portée à friction, du type métallique, produites au moyen de hautes pressions pour former une pièce compacte non frittée présentent une résilience limitée due à la structure dense de la surface de portée à friction obtenue avec ce procédé Les surfaces de portée à friction, du type métallique, produites au moyen du procédé d'étalement présentent une résilience limitée en raison de la présence de la matrice métallique rigide grossière inhérente à ces types de surfaces de portée à friction. Eu égard à ce qui précède, un objectif de la présente invention consiste à proposer un matériau à friction destiné à une utilisation en bain d'huile qui soit durable et qui présente également un haut degré de friction dynamique tout en présentant des caractéristiques excel- lentes d'absorption de l'énergie. Un -autre objectif de la présente invention consiste à proposer une surface de portée à friction du type décrit qui soit aisée à produire et qui possède une structure métallique résiliente. Les objectifs précités sont généralement atteints en produisant tout d'abord une structure inter- médiaire poreuse, dans laquelle les éléments structuraux sont métalliques Cela peut être effectué par formation d'une pièce compacte non frittée d'une fibre et d'une poudre métalliques au moyen d'un liant organique temporaire et d'additifs classiques tels que des particules de carbone et des particules aptes à engendrer une friction La pièce compacte est formée sous des pressions relativement basses, puis est chauffée pour éliminer le liant et pour provoquer un frittage partiel des constituants métalliques les uns avec les autres, ce qui donne une structure poreuse et relativement faible. Puis la structure intermédiaire poreuse est chauffée et mise en contact avec des émanations de la vapeur d'un métal ayant un point de fusion inférieur à celui de la structure intermédiaire, la vapeur de métal étant capable de mouiller, ou de former un alliage avec, les métaux présents dans la structure intermédiaire Par refroidissement, l'alliage sert à accroître notablement la résistance et l'intégrité de la structure, et la structure finale est cependant poreuse, résiliente et thermo- conductrice. Le matériau présentant des propriétés de friction de la présente invention est plus résilient que les matériaux de l'art antérieur, qui sont frittés dans une opération en une étape à de hautes températures et sous de hautes pressions pour produire une structure dense et compacte La résilience du matériau de la présente invention permet à ce matériau de mieux épouser la surface d'une plaque d'accouplement En outre, la résilience, la porosité et la conductibilité de la chaleur du matériau contribuent toutes à une capacité accrue d'absorption de l'énergie sans interférence avec un haut degré de friction dynamique. La présente invention a pour objet la formation d'une structure métallique intermédiaire poreuse, puis la mise en contact avec des émanations d'une vapeur métallique de la manière décrite ci-après. Afin de préparer le produit intermédiaire, une pièce compacte non frittée est tout d'abord préparée La pièce compacte non frittée est produite à partir d'un mélange uniforme d'une poudre métallique et d'une fibre, de carbone ou de particules facultatives présentant des propriétés de friction, ainsi que d'un liant temporaire en une quantité suffisante pour le maintien de l'intégrité du mélange par application de pressions inférieures à 70 M Pa. A l'exclusion du poids du liant de la pièce non frittée, qui est éliminé ultérieurement, le mélange sec comprend environ 30 à environ 80 % de poudre métallique, de fibres métalliques et de leurs mélanges, environ 5 à environ 40 % de carbone et o à environ 30 % de particules modificatrices de friction Les métaux préférés sont le cuivre et le bronze, bien que d'autres métaux, tels que l'aluminium, le nickel, le chrome et des matériaux ferreux tels que l'acier inoxydable, l'acier au carbone, etc, puissent être utilisés De préférence, les poudres et fibres métalliques utilisées sont relativement fines, ce qui permet la préparation d'un mélange uniforme, un meilleur remplissage d'une cavité et une meilleure liaison par points Les matières métalliques utilisées permettent d'obtenir la structure du produit intermédiaire poreux et constituent également la base de la structure du produit final Les fibres et les poudres métalliques sont désignées dans la présente invention sous le nom de "particules métalliques". Le carbone utilisé peut être de différents types et peut être fourni sous des formes cristallines, telles que le graphite, et sous ses formes amorphes, telles que le noir de carbone, le coke de pétrole, le noir de lampe, le charbon, etc Le but de l'incorporation du carbone ou d'une matière équivalente est une lubrification pour éviter que le matériau présentant des propriétés de friction ne présente un grippage contre la plaque de friction dans des conditions extrêmes, c'est-à-dire à de hautes températures et sous de hautes pressions. Des particules modificatrices de friction, notamment des particules abrasives, peuvent être incor- porées facultativement au mélange à des teneurs allant jusqu'à environ 30 t en poids Les particules abrasives comprennent la silice, l'alumine, la pierre ponce et d'autres matières bien connues dans le domaine des matériaux présentant des propriétés de friction Ces matières peuvent être ajoutées pour modifier les carac- téristiques finales de friction du matériau présentant des propriétés de friction et, dans de nombreuses applications, une quantité inférieure à 10 % est suffisante. Le liant de la pièce compacte non frittée qui est utilisé est sous forme d'une poudre anhydre, de préférence une matière organique, qui peut être éliminée ultérieurement de la structure par chauffage ou oxydation. Des matières convenables comprennent des matières à base de cellulose telles que la microcellulose, l'amidon, etc. Habituellement, une quantité de liant, de l'ordre d'environ à environ 25 %, sur la base du poids total de l'ensemble des autres matières anhydres, est suffisante pour maintenir temporairement la cohésion du mélange. Le mélange sec est placé dans une cavité de moule et est comprimé à froid sous des pressions relative- ment basses, de l'ordre d'environ 28 à environ 70 M Pa, comparativement à une pression de 210 à 280 M Pa habituel- lement utilisée en métallurgie des poudres Les pièces compactes non frittées résultantes possèdent une résistance35 mécanique suffisante pour permettre leur manipulation et leur traitement ultérieur. Puis les pièces compactes non frittées sont chauffées dans un milieu oxydant afin de brûler ou d'éliminer d'une autre manière le liant de la pièce compacte non frittée, tout en laissant les autres consti- tuants intacts dans la structure L'atmosphère présente dans le four est ensuite remplacée par une atmosphère réductrice et le chauffage est poursuivi pendant un temps suffisant pour la réduction de pratiquement la totalité des oxydes métalliques qui peuvent s'être formés au cours de la combustion Par exemple, l'étape de chauffage peut être mise en oeuvre sous la pression atmosphérique ambiante à des températures de l'ordre d'environ 815 'C à environ 925 C pour des matériaux à base de cuivre. Le produit intermédiaire obtenu par mise en oeuvre du mode opératoire précité comprend une matrice extrêmement poreuse de métaux pratiquement dépourvus d'oxydes qui sont partiellement fondus par chauffage dans le four, et cette matrice continue à supporter de manière stable le carbone et n'importe quels autres additifs. Puis le produit intermédiaire poreux est soumis à une infiltration avec un métal qui possède un point d'ébullition inférieur au point de fusion de la matrice, ledit métal pouvant être allié avec les métaux de la matrice En ce qui concerne les métaux utilisés dans la structure intermédiaire décrite ci-dessus, le zinc et le cadmium conviennent remarquablement à cette fin, le zinc étant préféré en raison des impératifs de traitement. L'infiltration est effectuée dans un four, sous une pression d'approximativement 0,1 M Pa, dans lequel l'atmosphère contient, ou est saturée avec, la vapeur du métal Cela peut être effectué en plaçant le métal, sous forme de poudre ou de feuille, dans le four ou à la partie supérieure des pièces compactes et en chauffant le four à une température suffisante pour la fusion et la volatilisa- tion, au moins partielle, du métal Par exemple, dans le cas du zinc, qui possède un point de fusion d'approxima- tivement 420 'C et un point d'ébullition d'environ 8750 C, une température du four de l'ordre d'environ 7900 C à environ 900 C peut être utilisée. Dans les conditions décrites ci-dessus, le métal destiné à l'infiltration mouille et forme un alliage avec au moins une certaine quantité du métal de la matrice, et sert à accroître ou renforcer la liaison structurale entre les différents points de contact existant entre les fibres et les poudres métalliques présentes dans la pièce compacte Bien que la structure intermédiaire subisse un accroissement notable de poids, habituellement supérieur à %, au cours de la mise en oeuvre de ce mode opératoire, le produit final est encore poreux et résilient. A l'opposé des matériaux frittés doués de propriétés de friction de l'art antérieur, les opérations de chauffage sont effectuées sous la pression atmosphérique et aucune élévation de pression n'est requise Dans les procédés de l'art antérieur, les matériaux étaient chauffés sous pression afin de parvenir à une densité, une dureté et des propriétés d'usure acceptables Le procédé de la présente invention est avantageux puisqu'un seul four classique peut être utilisé. Bien que le matériau présentant des propriétés de friction de la présente invention puisse être préparé sous n'importe quelle configuration ou forme désirée, la forme réelle consiste en un élément ou disque mince Le disque peut être fixé à un élément ou une partie centrale de support qui est utilisé dans un assemblage embrayage- frein en bain d'huile Par exemple, le disque à friction peut être fixé à une partie centrale en acier au moyen d'une pâte de soudure classique, à chaud et sous pression. Le matériau métallique présentant des pro- priétés de friction, résultant de la mise en oeuvre du procédé précité, est poreux et, à l'opposé des matériaux frittés classiques, est résilient Le degré de résilience peut être réduit si cela est désiré en soumettant le disque monté à une pression suffisante pour la réduction de son épaisseur et de sa résilience. Les exemples suivants sont proposés à titre d'illustration supplémentaire de la présente invention. EXEMPLE 1 Les matériaux indiqués sur le tableau suivant ont été mélangés à sec dans un mélangeur à noyaux pour produire un mélange intime Une quantité du mélange formulé a été déposée dans une cavité de moule et comprimée à froid à température ambiante et sous une pression d'environ 46 M Pa pour produire des pièces compactes non frittées. Avicel 1 15 Fibre de bronze, coupée 2 20 Poudre de cuivre 3 41 Graphite 4 20 Silice 5 4 1 Cellulose microcristalline de FMC Corporation. 2 Bronze de type CDA 649, qualité N O 0, d'International Steel Wool Corporation, coupé pour parvenir à une masse volumique apparente d'approximativement 1,15 g/cm 3. 3 Poudre de cuivre D-101 de U S Bronze Corporation. 4 Graphite artificiel en poudre N O 1156 d'Asbury Graphite Mills, Incorporated. Silice AGS-325, correspondant à des ouver- tures de mailles de 0,146 mm, d'Agsco Corporation. La plus grande partie de l'Avicel dans les pièces compactes non frittées pour surfaces de portée à friction a été éliminée des pièces compactes par traitement des pièces compactes dans un four pendant 2 heures à 870 'C sous une atmosphère constituée d'approximativement 93 % de vapeur d'eau et 7 % d'azote Au bout de la période initiale de 2 heures, l'atmosphère dans le four a été remplacée par une atmosphère constituée de 100 % d'hydrogène et le traitement dans le four a été poursuivi pendant un temps supplémentaire de 1 heure à 870 'C pour réduire tous les oxydes métalliques présents dans la matrice métallique de la surface de portée à friction et les ramener à leur état métallique de départ Au cours de cette opération, aucune pression extérieure n'a été imposée aux pièces compactes. Puis du zinc en poudre a été étalé sur les pièces compactes ayant subi une combustion et les pièces compactes ont été soumises à un second traitement dans un four pour la fusion du zinc en poudre et l'infiltration de la pièce compacte située au-dessous Le second traitement en four a été mis en oeuvre à 848 C pendant 1 heure sous une atmosphère constituée d'hydrogène saturé en vapeur de zinc métallique Après mise en oeuvre du procédé d'infil- tration, les pièces compactes ont présenté un accroissement de poids égal en moyenne à 61 % à l'état compacté, comparativement au poids des pièces compactes avant le procédé d'infiltration Une fois encore, au cours de cette opération, aucune pression extérieure n'a été imposée aux pièces compactes. Après infiltration, les pièces compactes ont été refroidies et liées à une partie centrale métallique revêtue d'une pâte de soudure du commerce L'opération de liaison a été effectuée à une température de 3150 C et sous une pression de 21 M Pa pendant approximativement 5 minutes. Le matériau pour surface de portée à friction, décrit ci-dessus, a été testé comparativement à un matériau fritté usuel doué de propriétés de friction L'essai fait intervenir des conditions identiques dans le même type de fluide de transmission et dans le même appareil d'essai dans lequel le matériau est mis en prise avec une plaque. Les matériaux ont été testés pour 2000 mises en prise à trois valeurs d'énergie successivement croissantes La première valeur simule des charges dans des applications concernant les véhicules routiers de transport en commun et les véhicules tracteurs de remorques et correspond à une valeur d'énergie cinétique unitaire de 82 J/cm 2 La seconde valeur d'énergie simule les charges rencontrées dans des véhicules tout-terrain, tels que les véhicules de travaux publics, et ces charges correspondent à une valeur d'énergie cinétique unitaire de 111 J/cm 2 La troisième valeur d'énergie correspond à des conditions de surcharge qui ne sont pas considérées comme présentant une fréquence régulière ou une longue durée dans une application réelle, et possède une valeur unitaire de 172 J/cm 2. TABLEAU I Disque Présente classique invention Coefficient dynamique de friction (moyenne) lère valeur d'énergie 0,055 0,103 2 ème valeur d'énergie 0,049 0,102 3 ème valeur d'énergie 0,039 0,089 Usure (mils) lère valeur d'énergie 1,1 2,1 2 ème valeur d'énergie 0,3 0,3 3 ème valeur d'énergie 0,4 1,6 Usure totale 1,8 4,0 lère valeur d'énergie, 19 350 J, 2000 mises en prise 2 ème valeur d'énergie, 26 428 J, 2000 mises en prise 3 ème valeur d'énergie, 40 598 J, 2000 mises en prise Fluide de transmission de couple pour direction assistée, utilisé à toutes les valeurs. REVENDICATIONS 1 Matériau métallique amélioré pour surface de portée à friction, caractérisé en ce qu'il comprend une matrice métallique fondue résiliente poreuse, ladite matrice comprenant des particules fondues d'un premier métal et un second métal ayant un plus bas point d'ébulli- tion que celui du premier métal, ledit second métal étant infiltré dans lesdites particules métalliques et allié avec ces particules métalliques.10 2 Matériau métallique amélioré pour surface de portée à friction suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre du carbone. 3 Matériau métallique amélioré pour surface de portée à friction suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des particules abrasives. 4 Matériau métallique amélioré pour surface de portée à friction, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat métallique poreux, résilient et partiellement fondu et un métal à plus bas point d'ébullition infiltré dans, et formant un alliage avec, ledit substrat, ledit substrat comprenant, en poids du substrat, environ 30 à environ 80 % de particules métalliques, environ 5 à environ % de carbone et 0 à environ 30 % de particules modifi- catrices de friction. 5 Matériau métallique amélioré pour surface de portée à friction suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les particules métalliques sont choisies dans le groupe comprenant le cuivre, l'aluminium, le nickel, le chrome et des métaux ferreux, leurs alliages et leurs mélanges, et le métal de plus bas point de fusion est choisi dans le groupe comprenant le zinc et le cadmium. 6 Matériau métallique amélioré pour surface de portée à friction suivant la revendication 4, dans lequel le métal de plus bas point de fusion représente plus de 50 % du poids du substrat poreux. 7 Procédé de production d'un matériau métallique à friction ayant une grande capacité d'absorption d'énergie et un haut coefficient de friction, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à préparer une pièce compacte non frittée comprenant des particules métalliques, du carbone et un liant organique temporaire, à chauffer la pièce compacte dans des condi- tions permettant l'élimination du liant et la fusion partielle des particules pour la formation d'un produit intermédiaire poreux, puis à infiltrer ledit produit intermédiaire poreux avec une vapeur d'un métal ayant un point de fusion plus bas que le point de fusion du substrat, ledit métal formant un alliage avec les par- ticules de métal partiellement fondues. 8 Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que l'étape de chauffage de la pièce compacte dans des conditions permettant l'élimination du liant comprend l'étape de chauffage dans une atmosphère oxydante. 9 Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que l'étape de chauffage dans une atmosphère oxydante est suivie par un chauffage dans une atmosphère réductrice pour réduire les oxydes présents dans les particules métalliques. 10 Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce que les étapes de chauffage sont mises en oeuvre sous la pression atmosphérique.