Brevet FR2775744A1 — publié le 19990910

I Pièce de frottement comportant une surface de frottement composite chargée de particules dures, son procédé de fabrication et dispositif incluant une telle pièce. La présente invention concerne de manière générale une pièce de frottement comportant une surface de frottement composite chargée de particules dures, telles que des particules céramiques, dont la surface frottante possède à la fois un coefficient de frottement élevé et une bonne résistance à l'usure au frottement. Les synchronisateurs de boîte de vitesses ont pour fonction d'amener à la même vitesse de rotation en un temps le plus court possible deux pièces tournantes immergées dans l'huile. Pour ce faire, on enclenche pour les faire frotter sous forte pression de contact, deux surfaces de frottement de pièces antagonistes, à savoir un anneau conique femelle enclenché sur un cône mâle. Il convient donc de disposer de surfaces frottantes possédant à la fois un coefficient de frottement élevé et une bonne résistance à l'usure au frottement, et ceci dans un espace le plus réduit possible afin de compacter les organes de transmission. Une première solution connue à ce problème est d'utiliser des anneaux de synchronisation en laiton fileté, ce filetage assurant l'évacuation de l'huile. Cette solution est limitée en effort d'enclenchement de par la faible résistance à l'usure du laiton au-delà d'une charge supérieure à 1 J/mm2. Une deuxième solution consiste à recouvrir la surface de l'anneau par un dépôt de molybdène de dureté élevée, de l'ordre de 850 HV. Cette solution permet d'augmenter les efforts d'enclenchement de % tout en restant limité en coefficient de frottement à une valeur proche de 0,10 et à des vitesses d'accostage supérieures à 10 m/seconde. Une troisième solution consiste à fabriquer des anneaux en un matériau fritté soit massif, soit composite, par co-formage d'un substrat en laiton sur une feuille en matériau fritté. Cette solution qui permet d'augmenter les efforts de frottement jusqu'à un coefficient de frottement proche de 0,11, a pour inconvénient un coût de fabrication plus élevé. Une quatrième solution, utilisée pour des besoins de synchronisation plus sévères, consiste à accroître l'aire des surfaces frottantes en réalisant des synchronisateurs double, voire triple cône. Cette solution s'avère très coûteuse du fait de l'augmentation du nombre de pièces fabriquées. Toutes les solutions antérieures ci-dessus possèdent des inconvénients, soit qu'elles présentent des prestations fonctionnelles limitées selon le choix du matériau, soit qu'elles nécessitent un nombre de pièces plus important, ce qui accroît le coût de fabrication. En effet, les solutions mono-cônes sont actuellement réduites en capacité de frottement du fait de leur limitation pour l'évacuation de l'huile emprisonnée entre les surfaces fottantes. Une augmentation des efforts permettrait d'accélérer l'évacuation de l'huile, mais alors aux dépens d'une usure plus rapide des surfaces frottantes, non compatible avec la fiabilité en service. La solution multi-cônes permet de résoudre ce problème, mais est malheureusement beaucoup plus coûteuse. La présente invention a donc pour objet de fournir une pièce de frottement, en particulier une pièce de frottement pour synchronisateur de boîte de vitesses, remédiant aux inconvénients ci-dessus. La présente invention a également pour objet un dispositif, tel qu'un synchronisateur de boîte de vitesses, comportant une telle pièce. La présente invention a encore pour objet un procédé de fabrication d'une telle pièce de frottement. Selon l'invention, on réalise un pièce de frottement comprenant un substrat métallique et une surface de frottement sur ce substrat, caractérisée en ce que la surface de frottement est constituée par une couche d'un matériau composite comprenant, en volume, par rapport au volume total de la couche: - 20 à 30% d'un alliage mou à base de nickel ou de cuivre, ayant une dureté HV de 250 à 600; - 40 à 60% de particules céramiques dures, dispersées au sein de l'alliage mou, ayant une dureté HV supérieure à 2000 et une taille de particules de 40 à 120 micromètres; et - un réseau de pores communicants représentant 20 à 30% en volume de la couche. La pièce de frottement selon l'invention, par exemple un anneau ou cône de synchronisation de boîte de vitesses, comprend un substrat métallique en un métal ou alliage approprié, tel qu'un laiton, par exemple un laiton fileté. On peut utiliser pour le substrat tout type de laiton classique, tel que des laitons de type Cu-40Zn-Al. La surface de frottement est constituée par une couche d'un matériau composite comprenant, par rapport au volume total de la couche, à 30% d'un alliage mou à base de nickel ou de cuivre ayant une dureté HIV de 250 à 600, dont la fonction est de former une matrice de liaison pour relier par pontage les particules céramiques dures afin d'éviter leur délitage, mais aussi se rodant lors de son frottement avec une surface antagoniste. Parmi les alliages mous à base de nickel et de cuivre convenant pour la présente invention, on peut citer des alliages à base de nickel et de chrome, tels que les alliages Ni-Cr-Si-Fe-B, et en particulier l'alliage à base de nickel contenant en poids 15% de chrome, 4% de silicium, 4% de fer, 3% de bore et moins de 1% de carbone, le reste étant du nickel et des impuretés éventuelles, ainsi que les alliages à base de cuivre tels que les alliages cupro-nickel, cupro-zinc, cupro-étain. . On recommande les alliages à base de nickel tels que les alliages nickel-chrome et en particulier l'alliage spécifique ci-dessus. Une caractéristique importante de l'alliage mou formant la matrice de liaison de la couche de frottement composite selon l'invention, est que cette matrice de liaison présente un réseau de porosités communicantes représentant une proportion de 20 à 30% en volume de la couche. Cette porosité, comme on l'expliquera dans la suite, est obtenue lors de la réalisation du dépôt par un défaut d'empilement des particules céramiques dures et par l'utilisation d'une quantité d'alliage mou telle que l'alliage mou est insuffisant pour combler les défauts d'empilement des particules céramiques dures, laissant ainsi un réseau de pores communicants. Ainsi, du fait de la présence de ce réseau de porosités communicantes, qui représente environ 20 à 30% en volume de la couche de matériau composite constituant la surface de frottement, l'évacuation de l'huile, lorsque la pièce de frottement est utilisée en immersion dans l'huile, telle que par exemple lorsque la pièce est un anneau de synchronisateur de boîte de vitesses, assure l'évacuation de l'huile emprisonnée lors du contact avec une surface antagoniste frottante. Ce mécanisme de fonctionnement est d'autant plus opérant que l'huile est d'abord évacuée par le réseau communicant de pores et qu'ensuite les particules céramiques plus dures que l'alliage mou émergent de façon à seules frotter, de sorte qu'on établit un régime de frottement quasi à sec par rapport à la surface antagoniste. La couche de matériau composite constituant la surface de frottement comporte également de 40 à 60% en volume de particules céramiques dures dispersées au sein de l'alliage mou. Comme indiqué précédemment, ces particules céramiques ont une dureté HV (dureté Vickers) supérieure à 2000 et une taille de particules allant de 40 à 120 PLm. Parmi les particules céramiques dures utiles dans la présente invention, on peut citer les carbures tels que les carbures de tungstène, de silicium, de tantale et de bore, les nitrures tels que le nitrure de bore cubique et les alumines. De préférence, on utilise les carbures et en particulier les carbures de tungstène et de silicium. b De préférence, les particules céramiques dures sont de forme sphéroïdale. L'emploi de telles particules céramiques dures, de dureté HV supérieure à 2000, permet d'obtenir un coefficient de frottement élevé supérieur à 0,15 sans usure de frottement sous des charges très fortes supérieures à 2 J/mm2 pour des vitesses d'accostage de pièces de frottement supérieures à 10 m/seconde. Il s'ensuit qu'on obtient un niveau de performance de synchronisation, dans le cas de pièces de frottement pour synchronisateur de vitesses, d'une durabilité accrue en service pour une compacité de la fonction de synchronisation également accrue. Un autre avantage des pièces de frottement selon l'invention est que la couche de matériau composite constituant la surface de frottement peut être réalisée sur un produit standard en laiton fileté et permet ainsi d'obtenir un produit final plus performant sans modification de l'architecture environnante. En outre, la couche de matériau composite constituant la surface de frottement peut être réalisée par un procédé utilisant une technique de dépôt par laser permettant d'obtenir des dépôts de haute qualité, mais avec une possibilité d'évolution de formulation et pour un coût opératoire plus économique que les procédés de l'art antérieur. De manière générale, la couche de matériau composite dure constituant la surface de frottement aura une épaisseur comprise entre 0,1 et 1 mm, de préférence 0,1 à 0,5 mm. La suite de la description se réfère aux figures indexées qui représentent respectivement: Figure 1 - une représentation schématique d'un dispositif de pulvérisation pour la réalisation d'un dépôt d'une couche de frottement selon l'invention; Figure 2 - une vue schématique d'une couche de frottement composite selon l'invention; et Figure 3 - une vue schématique de la couche de frottement composite de la figure 2 après rodage sur une surface antagoniste. Comme le montre la figure 1, les produits de départ sont constitués par une poudre d'un matériau céramique dur 1, telle que du carbure de tungstène ou du carbure de silicium ayant une granulométrie de 40 à 120,tm enrobé dans un métal ou alliage de liaison 2, par exemple une couche de nickel de 4 à 12 pm d'épaisseur et, d'autre part, par une poudre d'un alliage de liaison 3 de granulométrie de 30 à 70 Bn, par exemple en un alliage à base de nickel ou de cuivre, de préférence un alliage à base de nickel allié à du chrome, fer, silicium, bore, éléments fondants et mouillants assurant une bonne liaison métallurgique entre les particules. Ces poudres sont introduites dans une torche de pulvérisation 4, dans les proportions souhaitées. Ces poudres sous forme de mélange ou séparément, sont injectées sous pression de gaz inerte, par exemple de l'argon, dans une buse 5 assurant un écoulement coaxial et une focalisation du faisceau laser 6. A titre d'exemple, on peut utiliser un diamètre de faisceau sur pièce de 4 mm pour ainsi réaliser un dépôt homogène sur un anneau de 10 mm de largeur en faisant tourner ce dernier sur trois tours avec un décalage de 3 mm à chaque tour. Le laser utilisé dans ce cas a une puissance de 4 kW, permettant de débiter 10 g/minute du mélange de poudre à une vitesse de cm/minute. En réglant les conditions de fonctionnement de la torche laser 4, on peut ainsi faire fondre lors du passage des poudres dans le faisceau laser le seul enrobage des grains céramiques durs et de la poudre de liant sans affecter la céramique dure elle-même, afin d'obtenir un défaut d'empilement des grains céramiques durs. Le substat est généralement déposé sur un support et est préchauffé, le support étant en général constitué d'un bon conducteur thermique afin d'évacuer la chaleur impartie par l'impact du faisceau laser. Les poudres sont soit préalablement mélangées avant l'introduction dans le faisceau laser, soit introduites séparément, mais de manière à converger dans le vortex de la buse coaxiale 5 de la torche laser. Lors de la traversée du faisceau laser 6, l'enrobage de la poudre céramique dure et la poudre d'alliage mou fondent pour former une phase liquide alors que le noyau en céramique dur demeure à l'état solide. A l'impact sur le substrat, comme le volume total de la phase liquide résultant de la fusion de l'enrobage de la poudre de céramique dure et de l'alliage mou formant une matrice de liaison 7 représente un volume inférieur aux interstices des grains de céramique solide empilés, il se crée, comme le montre la figure 2, un défaut d'empilement qui n'est pas comblé par la phase liquide et qui ainsi constitue un réseau communicant de porosités 8. Ce réseau de porosité représentant 20 à 30% en volume par rapport au volume total du dépôt obtenu. Le dépôt obtenu est ensuite rectifié pour obtenir un bon appariement de la surface de frottement avec une surface de frottement antagoniste, puis est brossé avec un outil de compliance souple mais suffisamment dur, de type brosse céranmique, pour lui conférer une texture superficielle se caractérisant, comme le montre la figure 3, par l'émergence des particules céramiques dures 1 par rapport à la matrice de liaison en alliage 7. Il en résulte que lors du contact frottant d'une surface antagoniste 9, on obtient un frottement localisé au niveau des particules céramiques dures 1 sans usure de la matrice de liant 7 en régime quasi à sec par évacuation de l'huile par les porosités débouchantes 8. REVENDICATIONS 1. Pièce de frottement comprenant un substrat métallique et une surface de frottement sur le substrat, caractérisée en ce que la surface de frottement est constituée par une couche d'un matériau composite comprenant, en volume, par rapport au volume total de la couche: - 20 à 30% d'une matrice de liaison (7) en un alliage mou à base de nickel ou de cuivre ayant un dureté HV de 250 à 600; - 40 à 60% de particules céramiques dures (1), dispersées au sein de l'alliage mou, ayant une dureté HV supérieure à 2000 et une taille de particules de 40 à 120 gmn; et - un réseau de pores communicants (8) représentant 20 à 30% en volume de la couche. 2. Pièce de frottement selon la revendication 1, caractérisée en ce que les particules céramiques dures sont de forme sphéroïdale. 3. Pièce de frottement selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'alliage mou est un alliage à base de nickel Ni-Cr-Fe-B-Si, contenant éventuellement du carbone. 4. Pièce de frottement selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'alliage mou à base de nickel comprend en poids 15% de chrome, 4% de fer, 3% de bore, 4% de silicium, moins de 1% de carbone, le complément étant du nickel et des impuretés éventuelles. 5. Pièce de frottement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les particules céramiques dures sont choisies parmi les particules de carbure de tungstène, carbure de silicium, carbure de tantale, carbure de bore, nitrure de bore cubique et les alumines. 6. Pièce de frottement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le substrat métallique est en laiton, de préférence un laiton Cu-40Zn-Al. 7. Pièce de frottement selon la revendication 6, caractérisée en ce que le substrat est en laiton fileté. 8. Pièce de frottement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le substrat est un anneau de synchronisation de boîte de vitesses. 9. Dispositif comprenant deux pièces tournantes immergées dans de l'huile, chacune des pièces comportant une surface de frottement complémentaire à la surface de frottement de l'autre pièce et destinée à s'enclencher par frottement sous forte pression avec la surface de frottement complémentaire de l'autre pièce, caractérisé en ce qu'au moins une des pièces de frottement est telle que définie dans l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Procédé de fabrication d'une pièce de frottement, caractérisé en ce qu'il comprend le dépôt d'une couche de frottement composite sur une surface d'un substrat par pulvérisation laser simultanée d'une poudre de céramique dure (1) ayant une dureté HV supérieure à 2000 et une taille de particules de 40 à 120 gm et d'une poudre d'un alliage mou (3) à base de nickel ou de cuivre à une température telle que l'alliage mou à base de nickel fonde pour former une phase liquide et les particules céramiques dures restent à l'état solide, le volume total de phase liquide étant inférieur au volume des interstices des grains solides de particules céramiques empilées. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la poudre d'alliage mou a une granulométrie comprise entre 30 et 70 gm. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'alliage mou à base de nickel comprend en poids, 15 % Cr - 4% Fe - 3% B - 4% Si - moins de 1% C, le complément étant du nickel et des impuretés éventuelles. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que les particules céramiques dures sont des particules de carbure de tungstène, carbure de silicium, carbure de tantale, carbure de bore, nitrure de bore cubique, ou des alumines, de préférence des particules de carbure de tungstène ou de silicium. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que les particules céramiques dures (1) sont enrobées dans une couche de métal ou d'alliage de liaison (2), de préférence dans une couche de nickel.