Brevet FR2734195A1 — publié le 19961122

La présente invention concerne d'une façon générale les pièces à surface de frottement pour véhicules automobiles. L'une des préoccupations actuelles des constructeurs automobiles est d'alléger les véhicules pour diminuer la consommation de carburant. Cette préoccupation a conduit notamment à réaliser des pièces de freins (disques ou tambours) , ou des chemises de cylindres en alliage d'aluminium. Ces pièces sont cependant exposées à des contraintes particulières, principalement l'abrasion et le travail à chaud, qui rendent cette solution délicate à mettre en oeuvre. Ainsi l'on utilise conventionnellement pour ces pièces soit des alliages hypersilicés, de type AS18 ou AS22 ou leurs dérivés, et plus généralement des alliages à teneur en silicium supérieure à environ 13%, soit des composites à matrice aluminium, comportant une matrice en alliage d'aluminium renforcée par des fibres ou des particules céramiques, généralement de carbure de silicium ou d'alumine. Cependant, des pièces massives de ce type, réalisées par moulage, présentent des inconvénients. Tout d'abord, les alliages hypersilicés et les composites à matrice métallique moulables présentent une tenue aux chocs médiocre, du fait de leur faible ductilité. Par ailleurs, le moulage de pièces composites à matrice métallique massives est coûteux tant du point de vue des matières premières que du processus de moulage. On connaît également par le document EP-A-0 498 719 un procédé permettant, à la coulée d'une pièce en alliage d'aluminium, de réaliser des inserts qui pourraient notamment constituer des zones de frottement. Toutefois, cette technique connue est difficile à maîtriser et longue à mettre en oeuvre pour des surfaces de frottement de superficie importante. La présente invention vise donc à réaliser des pièces à surface de frottement qui soient capables de travailler à haute température, qui présentent une bonne résistance à l'abrasion, qui présentent en même temps une bonne tenue aux chocs et qui soient faciles et économiques à réaliser. Ainsi la présente invention propose un procédé de fabrication d'une pièce en alliage d'aluminium comportant une surface de frottement, notamment utilisable dans un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à mouler une pièce de base à l'aide d'un alliage d'aluminium hypoteutectique, et souder sur ladite pièce de base une couche mince résistant à l'abrasion, formant surface de frottement, cette couche étant composée d'un matériau choisi dans le groupe comprenant les alliages à teneur en silicium comprise entre environ 13 et 23% et les composites à matrice aluminium et à particules de renfort non métalliques. Ainsi, selon l'invention, on renforce localement une pièce devant travailler en frottement, et l'on confère à la pièce les qualités totalement antagonistes que sont ductilité et résistance à l'abrasion. Avantageusement, l'étape de soudure est effectuée par une technique de soudage choisie parmi la soudure Tungstène Inerte-Gaz, la soudure Métal-Inerte-Gaz et la soudure au Laser. La taille des particules de renfort est avantageusement de l'ordre de 5 à 20 ssm. Typiquement, notamment pour une application du type surface de freinage pour véhicule automobile, l'épaisseur de la couche mince d'alliage d'aluminium résistant à l'abrasion est comprise entre environ 1,5 et 10 mm, de préférence entre 2,5 et 5 mm. L'invention propose par ailleurs un tambour de frein pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il est réalisé par le procédé tel que défini ci-dessus, la couche mince d'alliage d'aluminium résistant à l'abrasion étant soudée dans un renfoncement cylindrique formé dans la pièce de base pour former une surface de contact avec des plaquettes de freinage. L'invention propose également un disque de frein pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il est réalisé par le procédé tel que défini ci-dessus, deux couches minces d'alliage d'aluminium résistant à l'abrasion étant soudées sur les deux grandes faces de la pièce de base pour former des surfaces de contact avec des plaquettes de freinage. L'invention propose enfin un bloc-cylindre pour moteur à combustion notamment de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il est réalisé par le procédé tel que défini cidessus, la ou chaque couche mince résistant à l'abrasion formant un revêtement intérieur de cylindre. Grâce à la présente invention, les inconvénients liés à la réalisation en fonderie de pièces massives à base de composites à matrice métallique sont supprimés. Plus précisément, les problèmes de décantation des renforts et de désoxydation rencontrés lors du moulage des composites à matrice métallique sont supprimés. En outre, les matériaux de base sont beaucoup moins coûteux, du fait notamment que la quantité de composites est significativement réduite. Enfin la quantité de copeaux formés de composites à matrice métallique, qui posent des problèmes de refusion, est réduite. En outre, les inconvénients des pièces massives en alliages d'aluminium hypersilicés sont également palliés. Plus particulièrement, le renfort étant apporté par soudure sur un substrat d'aluminium, il refroidit à grande vitesse, ce qui garantit une taille des grains de silicium primaire fine et homogène (typiquement de l'ordre de 10 à 20 pn. En outre, la pièce de base moulée est constituée d'un alliage hypoeutectique, dont la qualité (dégazage, absence de défauts du type retassure) est beaucoup plus facile à maîtriser que dans le cas d'un alliage hypereutectique. Enfin, aussi bien pour ce qui concerne les composites à matrice métallique que les pièces massives en alliage hypersilicé, l'usinage des matériaux résistant à l'abrasion est essentiellement limité à la surface de frottement, ce qui réduit l'usure des outils de coupe et d'usinage. On va maintenant donner à titre d'exemple non limitatif un certain nombre d'exemples de réalisation de pièces selon la présente invention, cette description étant faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est une vue en coupe axiale schématique d'une pièce de base pour tambour de frein, la figure 2 est une vue en coupe axiale du tambour brut avant usinage, la figure 3 représente la microstructure du tambour de la figure 2 dans la région de transition entre l'alliage de base et l'alliage apporté par soudure, et la figure 4 représente la microstructure d'une variante de réalisation du tambour de la figure 2. Exemple l On a représenté sur la figure la une pièce en alliage d'aluminium brute de fonderie, sous la forme d'un tambour de frein T. Cette pièce est réalisée par exemple en alliage de type AS7G03 par un procédé de moulage par gravité en mottes sables. Dans la face intérieure du tambour est venu de fonderie un renfoncement R d'une profondeur par exemple de 4 à 5 mm. On rapporte dans ce renfoncement, par soudure TIG (Tungstène Inerte Gaz), un alliage hypersilicé de type AS18UNG, cet alliage d'apport se présentant par exemple sous forme de baguettes de 5 mm de diamètre. La pièce brute (avant usinage) obtenue est illustrée sur la figure 2. La couche de soudure est désignée par la référence S. La figure 3 illustre la microstructure du tambour dans la région de transition entre l'alliage de base et l'alliage rapporté par soudure. On observe sur cette figure que la taille et la répartition des cristaux de silicium primaire (en bas sur la figure) sont très homogènes, la taille des grains de silicium étant de l'ordre de 10 à 20 Fm. L'alliage hypersilicé est soudé sur une épaisseur au moins égale à la profondeur du renfoncement, de façon à remplir celui-ci. La surface de frottement est obtenue après une étape finale d'usinage. Exemple 2 On réalise une pièce de base pour tambour identique à celle de l'exemple 1, avec le même alliage AS7G03. On rapporte, également par soudure TIG, un alliage connu sous la dénomination commerciale Duralcan (Marque Déposée), qui est un alliage de type AS7G contenant 20% de renforts de carbure de silicium SiC, constituant un composite à matrice métallique. Le composite d'apport se présentait, comme dans le cas de l'exemple 1, sous forme de baguettes de 5 mm de diamètre. La figure 4 illustre la microstructure obtenue au niveau de la transition entre l'alliage de base et le composite à matrice métallique rapporté par soudure. On observe sur cette figure que la liaison métallique est satisfaisante, et que la répartition des grains de renfort en SiC est homogène. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux formes de réalisation décrites et représentées, mais l'homme de l'art saura y apporter toute variante ou modification conforme à son esprit. En particulier, d'autres procédés de soudure que celui décrit, et notamment le procédé MIG (Métal Inerte Gaz), et le procédé au Laser, peuvent être utilisés. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une pièce en alliage d'aluminium comportant une ou plusieurs surfaces de frottement, notamment utilisable dans un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à mouler une pièce de base à l'aide d'un alliage d'aluminium hypoteutectique, et souder sur ladite pièce de base une ou plusieurs couches minces résistant à l'abrasion, formant la ou les surfaces de frottement, la ou chaque couche étant composée d'un matériau choisi dans le groupe comprenant les alliages à teneur en silicium comprise entre environ 13 et 23% et les composites à matrice aluminium et à particules de renfort non métalliques. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de soudure est effectuée par une technique de soudage choisie parmi la soudure Tungstène-Inerte-Gaz et la soudure Métal-Inerte-Gaz. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le composite à matrice d'aluminium contient des particules de renfort choisies parmi le carbure de silicium et l'alumine. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la taille des particules de renfort est de l'ordre de 5 à 20 Clam. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche mince d'alliage d'aluminium résistant à l'abrasion est comprise entre environ 1,5 et 10 mm, de préférence entre 2,5 et 5 mm. 6. Tambour de frein pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il est réalisé par le procédé selon l'une des revendications 1 à 5, la couche mince d'alliage d'aluminium résistant à l'abrasion étant soudée dans un renfoncement cylindrique formé dans la pièce de base pour former une surface de contact avec des plaquettes de freinage. 7. Disque de frein pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il est réalisé par le procédé selon l'une des revendications 1 à 5, deux couches minces d'alliage d'aluminium résistant à l'abrasion étant soudées sur les deux grandes faces de la pièce de base pour former des surfaces de contact avec des plaquettes de freinage. 8. Bloc-cylindre pour moteur à combustion notamment de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il est réalisé par le procédé selon l'une des revendications 1 à 5, la ou chaque couche mince résistant à l'abrasion formant un revêtement intérieur de cylindre.