Brevet FR2698808A1 — publié le 19940610

La présente invention est relative à un matériau pour pièces de friction opérant dans les systèmes tribologiques lubrifiés, 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 vitesses est soumise à de nombreuses exigences, dont certaines sont contradictoires entre elles. D'un côté, il est nécessaire d'avoir, au niveau des engrenages, une lubrification efficace, c est-à-dire un coefficient de frottement aussi réduit que possible entre les parties de ceux-ci. D'un autre côté, au niveau des anneaux de 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. On a proposé de revêtir la surface active des anneaux de synchroniseur avec une matière appropriée, telle que du molybdène. Cette méthode est coûteuse. Suivant un autre type de technique, on cherche, à éviter la formation d'un coin d'huile, ou à obtenir la rupture du 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 fournir 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 forme convenable à faible coût. Pour obtenir ce résultat, 1 invention fournit un matériau destiné à constituer des pièces de friction en milieu lubrifié, ce matériau ayant pour particularité qutil comporte des domaines distincts, de dimension maximale comprise entre 60 et 500 micromètres d'au moins deux substances ayant des duretés et des coefficients de frottement différents, la plus dure ayant le plus grand coefficient de frottement et occupant entre 1/3 et 4/5 du volume total. Le reste du volume du matériau est occupé par la substance la moins dure et par de la porosité résultant du mode de fabrication. Si la proportion de substance la plus dure est inférieure à 1/3 du volume, on a constaté que le but visé n'est pas atteint. Si on augmente la proportion de substance la plus dure lors de la fabrication du matériau, une technique de compression-frittage devient la seule utilisable en pratique, et il est très difficile ou très coûteux d'empêcher la formation d'une porosité importante. La limite de 4/5 du volume total pour l'extension des domaines de substance la plus dure est, par conséquent, très difficile à dépasser en pratique. Avantageusement, le matériau selon l'invention se présente comme formé de grains de matière dure, liés entre eux par une matrice qui remplit la majeure partie des espaces intergranulaires, le reste de ces espaces étant constitué de porosités. On comprend que l'usure du matériau selon l'invention conduit à l'apparition d'un microrelief en surface, et que ce microrelief atteint, avec les dimensions spécifiées pour les domaines respectifs, une importance telle qu'il aboutit à la rupture du film d'huile, et par conséquent à un coefficient de friction global élevé. La matière dure est de préférence choisie parmi celles qui conservent leur dureté superficielle, un coefficient de frottement élevé 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, cette couche constituant une barrière entre le matériau et son environnement. Lorsque le matériau est destiné à être utilisé en présence d'un lubrifiant pourvu d'un additif, la matière dure est, de préférence, choisie parmi les matières qui concervent leur coefficient de frottement en présence dudit lubrifiant pourvu de cet additif. Plus précisément, si l'additif est une substance boratée, la matière dure est un acier contenant un ou plusieurs éléments générateurs de carbures passivables tels que : Cr, Mo, V, W, Si. Avantageusement, la matière la plus dure est un acier dans lequel la somme des éléments Cr, Mo, V, W et Si est au moins égale à 12% et la matière la moins dure est un acier dans lequel la somme des éléments Cr, Mo, V, W et Si est inférieure à 8%. L'écart entre les teneurs en éléments formateurs de carbures a pour conséquence une différence de dureté qui conduit à l'apparition du microrelief mentionné plus haut. Les difficultés d'élaboration ne permettent guère de dépasser 30% des éléments cités pour la matière la plus dure. En revanche, rien ne s'oppose à ce que la matière la moins dure ne contienne aucun de ces éléments. Suivant une réalisation particulièrement intéressante, la matière dure est un acier de composition suivante : Cr : 4%, Mo : 5%, V : 3%, W : 6%, Si : 2, C = 0,6%, reste : Fe et impuretés. Cet acier atteint des duretés supérieures à 700 HV 0,1. De préférence, la matière la moins dure est de l'acier faiblement allié, et, suivant une réalisation particulièrement intéressante, la matière la moins dure a la composition suivante: Ni : 1,5%, Cu : 2%, Mo : 0,5, C = 0,6%, reste Fe et impuretés. Les duretés de cet acier sont comprises entre 200 et 550 HV 0,1. L'invention fournit encore un procédé pour l'obtention d'un matériau tel qu'on vient de le décrire. Selon ce procédé, on mélange une première poudre ayant la composition de la matière dure et une deuxième poudre ayant la composition de la matière moins dure, et on soumet le mélange à une pression et une température suffisantes pour que les grains de la première poudre soient liés entre eux par la matière de la deuxième poudre, et que celui-ci comble la majeure partie des espaces intergranulaires. Les meilleurs résultats ont été obtenus quand les poids des deux poudres sont approximativement égaux. EXEMPLES Les tableaux ci-après donnent le résultats de huit 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 présentés dans les colonnes 5 et 6 du tableau 2 sont 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 supérieur 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 inferieur à 0,03). Les essais numéros 1 et 2 ont été conduits avec des échantillons usines à partir de barres de laiton riche en silicium. Cette composition est généralement utilisée pour la fabrication d'aneaux de synchroniseurs utilisés dans les boîtes de vitesses manuelles. Les essais 1A et 1B ont été réalisés avec le même type d'échantillon, mais pour l'essai lB, la température était relativement élevée : 80"C alors que, pour les autres essais, elle était plus basse : 10 ou 20"C. Pour l'essai numéro 2, 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 3 ont été obtenus par projection à chaud d'une couche de molybdène sur un substrat en laiton. Les échantillons de l'essai 4 correspondent à l'invention. Ils ont été fabriqués par compression d'un mélange égal des deux poudres précédemment décrites. Les échantillons de l'essai 5 ont été fabriqués comme les échantillons 4 mais sans addition de la poudre ayant la composition de la matière dure. Les échantillons de l'essai 6 sont similaires aux échantillons 4 mais la poudre de matière dure est alliée plus faiblement. Les échantillons de l'essai 7 ont été fabriqués comme les échantillons 4 mais la proportion de poudre de matière dure est reduite à 25% en poids. La réalisation d'échantillons fabriqués exclusivement à partir de poudre ayant la composition de la matière dure sont concevables dans le cadre de l'invention, mais ils n'ont pas été pris en considération du fait du coût de la matière première très élevé et de la difficulté de mise en oeuvre (compression-frittage). Résultats L'analyse des résultats regroupes dans le tableau II montre que Le laiton présente un regime de lubrification mixte à basse vitesse et hydrodynamique à haute vitesse. Lorsque la température augmente, donc avec une viscosite d'huile plus faible, on n est en présence que d'un régime de lubrification limite. L'essai 2 illustre l'influence du rainurage sur le laiton. Celui-ci conduit à un régime de lubrification limite à 20"C et ce, quelles que soient les vitesses considérées. Ce comportement est caractéristique de l'état de l'art dans les matériaux de friction à base de laiton. L'essai 3 confirme que le molybdène projete à chaud presente toujours un regime limite même à basse température (10"C). Les échantillons de l'essai 4 correspondant à 1' invention présentent seulement un regime de lubrification limite et possèdent un coefficient de frottement superieur à celui du molybdène. L'essai 5 confirme qu'en l'absence d'hétérogénéités, seul le régime de lubrification hydrodynamique apparaît. L'essai 6 montre que l'effet désiré n'est pas obtenu si la poudre ayant la composition de la matière dure ne présente pas un pourcentage suffisamment important en éléments d'alliage formateurs de carbures passivables. Enfin, les résultats de l'essai 7 montrent que lorsque la proportion de poudre riche en éléments d'alliage est réduite, l'effet désiré disparaît, c'est-àdire que le coefficient de frottement diminue fortement lorsque les vitesses de glissement sont élevees. TABLEAU I Echan- type composition tillon 1 laiton, état 0,75% Si, 1,75% Al, 3% Mn reste Cu de l'art 2 laiton, état 0,75% Si, 1,75% Al, 3% Mn reste Cu, de l'art rainuré 3 molybdène, 100% Mo état de l'art 4 invention 50% poudre à 1,5% Ni, 2% Cu, 0,5% Mo, 0,6% C 50% poudre à 4% Cr, 5% Mo, 3% V, 6% W, 2% Si, 0,6% C 5 comparatif 100% poudre à 1,5% Ni, 2% Cu, 0,5% Mo, 0,6* C 6 comparatif 50% poudre à 1,5% Ni, 2% Cu, 0,5% Mo, 0,6% C 50% poudre à 5% Cr, 1% Mo, 1% Si, 0,6% C 7 comparatif 75% poudre à 1,5% Ni, 2% Cu, 0,5% Mo, 0,6% C 25% poudre à 4% Cr, 5% Mo, 3% V, 6% W, 2% Si, 0,6% C TABLEAU Il Echan- Temp. Pression vitesse Essai tillon "C MPa 0,34 m/s 1,7 m/s 1A i 20 80 0,080 0,015 1B 1 80 90 0,125 0,115 2 2 20 80 0,125 0,115 3 3 10 80 0,115 0,100 4 4 20 56 0,115 0,100 5 5 20 56 0,090 0,025 6 6 20 56 0,095 0,025 7 7 20 56 0,100 0,030 REVENDICATIONS 1. Matériau pour pièces de friction opérant en milieu lubrifié, caractérisé en ce qu'il comporte des domaines distincts, de dimension maximale comprise entre 60 et 500 micromètres d'au moins deux substances ayant des duretés et des coefficients de frottement différents, la plus dure ayant le plus grand coefficient de frottement, et occupant entre 1/3 et 4/5 du volume total. 2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que la substance la plus dure occupe à peu près la moitié du volume total. 3. Matériau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il se présente comme formé de grains de matière dure à coefficient de frottement élevé, ces grains étant liés entre eux par une matière moins dure qui remplit la majeure partie des espaces entre grains, le reste de ces espaces étant constitué de porosités. 4. Matériau de friction selon l'une des revendications 1 à 3, et destiné à être utilisé en présence d'un lubrifiant pourvu d'un additif, caractérisé en ce que la matière la plus dure est choisie parmi les matières qui conservent leur coefficient de frottement en présence dudit lubrifiant pourvu d'un additif. 5. Matériau selon la revendication 4, et dans lequel l'additif est une substance de type borate ou sulfate, caractérisé en ce que la matière la plus dure est un acier contenant un ou plusieurs des éléments suivants : Cr, Mo, V, W, Si. 6. Matériau selon l'une des revendictions 1 à 5, caractérisé en ce que la matière la plus dure est un acier dans lequel la somme des éléments Cr, Mo, V, W et Si est au moins égale à 12% et la matière la moins dure est un acier dans lequel la somme des éléments Cr, Mo, V, W et Si est inférieure à 8%. 7. Matériau selon la revendication 6, caractérisé en ce que la matière la plus dure est un acier ayant la composition suivante : Cr : 4%, Mo : 5%, V : 3%, W : 6%, Si : 2%, C : 0,6%, reste : Fe et impuretés. 8. Matériau selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la matière la moins dure est de l'acier faiblement allié. 9. Matériau selon la revendication 8, caractérisé en ce que la matière la moins dure a la composition suivante: Ni : 1,5%, Cu : 2%, Mo : 0,5%, C : 0,6%, reste: Fe et impuretés. 10. Procédé d'obtention d'un matériau selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'on mélange une première poudre ayant la composition de la matière la plus dure et une deuxième poudre ayant la composition de la matière la moins dure, et on soumet le mélange à une pression et une température suffisantes pour que les grains de la première poudre soient liés entre eux par la matière de la deuxième poudre, et que celle-ci comble la majeure partie des espaces intergranulaires. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les poids des deux poudres sont à peu près égaux.