Brevet FR2692506A1 — publié le 19931224

i La présente invention est relative à un matériau de friction destiné à être utilisé dans un système tribologique lubrifié, et plus particulièrement, mais non uniquement, pour la fabrication d'anneaux de synchroniseurs utilisés dans les boîtes de vitesse manuelles. La conception des matériaux pour les boîtes de vitesse est soumise à de nombreuses exigences, dont certaines sont contradictoires entre elles D'une part, il est nécessaire d'avoir une lubrification efficace au niveau des engrenages, c'est-à-dire un coefficient de frottement aussi réduit que possible entre les parties en contact D'autre part, pour les synchroniseurs, il est nécessaire d'obtenir un coefficient de frottement qui soit élevé, et qui soit constant, indépendamment, en particulier, de la température, de la vitesse et de la pression de contact. Pour les anneaux de synchroniseurs, on cherche, de préférence, à éviter la formation d'un coin d'huile, ou à obtenir la rupture d'un film d'huile en créant soit des irrégularités géométriques, par usinage de rainures ou analogues, soit des hétérogénités plus fines en utilisant un matériau non homogène, en particulier un matériau composé d'une matrice relativement tendre, dans laquelle sont incluses des particules de dureté supérieure. Cependant, de tels matériaux de friction ont jusqu'ici donné des résultats variables selon les conditions d'utilisation. Les études poursuivies ont abouti à la conclusion que de tels matériaux pouvaient cependant donner des résultats convenables, pour un prix relativement peu élevé, si des conditions particulières sont remplies. L'invention a donc pour but de fournir un matériau de friction qui permette d'obtenir un coefficient de frottement important peu dépendant des circonstances d'utilisation, et avec lequel on puisse obtenir des pièces de formes complexes à faible coût. Pour obtenir ce résultat, l'invention fournit un matériau de friction destiné à être utilisé dans un système tribologique lubrifié, constitué d'une matrice métallique dans laquelle sont incluses des particules de matière de grande dureté, ce matériau ayant pour particularité que la granulométrie des particules est telle que 90 % de ces particules sont compris entre 50 et 300 micromètres. De préférence, la matière des particules est choisie parmi celles qui ont une dureté supérieure à 600 HV 0 1. Un autre problème résulte du fait que, dans les boîtes de vitesse modernes, les lubrifiants haute pression contiennent certains additifs de type borates ou sulfates, qui sont destinés à diminuer le coefficient de frottement sur les engrenages, et qui peuvent réagir sur la matière des anneaux de synchroniseurs Avantageusement, la matière des particules est choisie parmi celles qui conservent leur dureté superficielle et présentent une surface dite "passivable" par réaction dans ledit système tribologique lubrifié. Par surface passivable, on entend une surface qui donne naissance, dans le milieu considéré, à une couche d'oxyde étanche et continue qui constitue une barrière entre la matière et son environnement. Lorsque le matériau qu'on vient de décrire est destiné à être utilisé en présence d'un lubrifiant contenant un additif extrême pression, tel que borate ou sulfate, il est avantageux de prévoir que là matière des particules est choisie parmi les carbures de Cr, Mo, W ou V, les nitrures d'Al ou Mo, et les oxydes de Cr, Ni, Zr ou Ti, ainsi que les alliages riches en ces éléments. Suivant une réalisation simple, la matrice est en bronze. Selon une autre forme de réalisation, elle est en acier. Pour obtenir le matériau selon l'invention, il est avantageux de prévoir qu'il est obtenu par frittage d'un mélange d'une poudre ayant la composition de la matrice avec lesdites particules. De préférence, les particules constituent 5 à 40 % en poids du matériau total Pour un pourcentage inférieur, l'effet désiré est obtenu de façon insuffisante Pour un pourcentage supérieur à celui qui vient d'être indiqué, l'élaboration du matériau, que ce soit par frittage ou autrement, devient difficile. Exemples Les tableaux ci-après donnent le résultats de 23 essais qui permettent de comparer les résultats d'échantillons conformes à l'invention avec divers témoins Les essais ont été obtenus en testant sur un tribomètre des échantillons cylindriques de diamètre 3 mm, dont les caractéristiques sont décrites au tableau 1. Le tribomètre est du type pion disque équipé pour assurer la lubrification du contact, tout en permettant de modifier la température, la pression de contact, et la vitesse de rotation du disque. Les coefficients de frottement sont présentés dans les colonnes 4 et 5 du tableau 2 déterminés à partir des forces de frottement mesurées sur le tribomètre. Plusieurs vitesses de glissement ont été étudiées On donne au tableau 2 les résultats pour les vitesses suivantes: 0,34 m/s, qui correspond, suivant la technique actuelle, à un régime de lubrification limite (coefficient de frottement > à 0,1) ou mixte (coefficient de frottement compris entre 0,1 et 0,03) et 1,7 m/s, qui correspond, selon la technique usuelle, à des régimes de lubrification hydrodynamiques (coefficient de frottement Les essais numéros 1 à 3 ont été conduits avec des échantillons usinés à partir de barres de laiton riches en silicium Cette composition est celle généralement utilisée pour la fabrication d'anneaux de synchroniseurs utilisés dans les boîtes de vitesses manuelles Lors de l r essai numéro 3, l'échantillon avait été usiné pour présenter des rainures de 0,5 mm de hauteur avec une largeur au sommet et en fond de rainure de 0,2 mm Les échantillons de l'essai numéro 4 ont été obtenus par projection à chaud d'une couche de molybdène sur un substrat en laiton. Les échantillons des essais 5 à 7 sont constitués d'une matrice de bronze Le graphite et le fer présents dans la matrice interviennent comme modificateur de friction Cette métallurgie est utilisée couramment pour la réalisation de matériaux de friction frittés. Les échantillons des essais 8 et 12 ont été réalisés pour traiter les propriétés de friction du molybdène lorsqu'il se trouve sous forme d'inclusion dans une matrice ductile Les échantillons des essais 9 et 23 ont été réalisés pour tester les propriétés de friction de la matrice de bronze seule. Les échantillons des essais 10, 11, 19 et 21 présentent des inclusions riches en chrome, mais de dureté inférieure à celle qui est décrite dans l'invention Ces échantillons servent de point de comparaison avec l'essai 18. Les échantillons des essais 13, 14 et 16 à 18 correspondent à l'invention, avec des pourcentages d'inclusions de 5, 15 et 20 % Ils ont été fabriqués selon le procédé classique de la métallurgie des poudres (compression et frittage d'un mélange de poudres). Les échantillons de l'essai 15 sont identiques à ceux de l'essai 14, à part le fait qu'ils présentent après usinage des rainures de 0,3 mm de hauteur, avec une largeur au sommet et en fond de rainure de 0,2 mm. Les échantillons de l'essai 20 correspondent également à l'invention mais contiennent des inclusions présentant des teneurs différentes en éléments d'alliage, et donc des duretés différentes Les échantillons de l'essai 22 présentent la même composition que ceux de l'essai 18, mais avec une taille de particules plus faible, et en dehors des limites spécifiées selon l'invention. On a observé, notamment lors de l'essai 14, que la surface frottante ne montre aucune trace d'interaction du lubrifiant avec les inclusions, contrairement au bronze, qui présente après les essais une coloration importante de sa surface La comparaison des essais 14 et 15 montre que la présence de rainures, si elle apporte une légère amélioration au frottement, peut être supprimée sans inconvénient majeur. TABLEAU I Essai Matrice Inclusions Rainures (% taille dureté composition) (témoin) laiton le i, " Mo 100 % " bronze i, i, ", I" I" ", (invention) " et Il I. ", "I I (témoin) " (invention)" (témoin) " I. non if I" 2 % Fe + 2 % graphite ,I % Fe + 2 % graphite % Mo pur non % 100 pm 200 HVO 5 I, i I. % % % % "l % % % % % Mo pur pm 950 HVO 5 I "i I" I" " 1 I, I, I" pm 200 HVO 5 - pm 800 HVO 5 - pm 200 HVO 5 - pm 950 HVO 5 - non I" (C) (D) (A) (B) (A): 19 % Cr, 11 % Ni, reste Fe (B): 30 % Cr, 4 % C, 1 % Mn, 2,2 % Ni, 3 % Mo, reste Fe (C): 5 % Cr, 1 % Si, 1,1 % Mo, reste Fe (D): 5 % Cr, 30 % Mo, 2,5 % Si, reste Fe laiton: 0,75 % Ni, 1, 75 % Al, 3 % Mn, 62 % Cu, reste Zn bronze: 90 % Cu, 10 % Sn non no oui non (A) "' (B) I, i, i" o O I" I" I" I" I" le I, ", oui non non Il i" I" I" Ie oui KO D 0 n G' UD Tqua AUTIT - amiojuo D Trssa |O D OZ O | I ç 60 ' O| OL'O 99 OZ tri L 10 90 Z O g o D 9Z o (+)úT OEOO O G 00 'O 99 Oz Z O '0 O I'0 99 08 Il 0 O '0 ú 80 '0 06 Oz Ol si OLO O 0800 il OZ 6 OE Oo LOO S 06 OZ B 9 ZO'O çO'O 99 Oz L OEO'O OLO'O 06 Oz 9 EO'O 9900 9 G Oz 9 I *'50 * OO 06 OZ 01 OO'O * 1 O 08 O O E Il'0 EI O O 06 OZ E IO'O OOZTO 06 Os z s/W L'I B/W DI'O O d 8 Da ass A * O SZI 'd Od 06 l 03 'T Ies Z 905 Z 69 Z REVENDICATIONS 1 Matériau de friction destiné à être utilisé dans un système tribologique lubrifié, constitué d'une matrice métallique dans laquelle sont incluses des particules de matière de grande dureté, caractérisé en ce que la granulométrie des particules est telle que 90 % de ces particules sont compris entre 50 et 300 micromètres. 2 Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière des particules est choisie parmi celles qui ont une dureté supérieure à 600 HV 0 1. 3 Matériau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la matière des particules est choisie parmi celles qui conservent leur dureté superficielle et présentant une surface passivable par réaction dans ledit système tribologique lubrifié. 4 Matériau selon la revendication 3, et destiné à être utilisé en présence d'un lubrifiant haute pression contenant au moins un additif extrême pression, tel que borate ou sulfate, caractérisé en ce que la matière des particules est choisie parmi les carbures de Cr, Mo, W ou V, les nitrures d'Al ou Mo, et les oxydes de Cr, Ni, Zr ou Ti, ainsi que les alliages riches en ces éléments. Matériau selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la matrice est en bronze. 6 Matériau selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la matrice est en acier. 7 Matériau selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les particules constituent 5 à 40 % en poids du total. 8 Matériau selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est obtenu par frittage d'un mélange d'une poudre ayant la composition de la matrice avec lesdites particules.