Brevet FR2787047A1 — publié le 20000616

Pièce mécanique de friction et son procédé de fabrication La présente invention concerne une pièce mécanique de friction, obtenue par frittage, destinée à fonctionner dans un système tribologique lubrifié, un procédé de préparation d'une telle pièce ainsi que son utilisa- tion notamment en tant qu'anneau de synchroniseur de boîte de vitesse. Certaines pièces mécaniques telles que les anneaux de synchro- niseur doivent travailler en milieu lubrifié en contact avec de l'acier de dureté élevée. La fonction de ces pièces est d'assurer un passage souple et rapide des vitesses quelles que soient les conditions de température, de pression de contact et de vitesse de frottement. Pour cela, il est nécessaire d'obtenir un coefficient de frottement relativement élevé et stable, c'est- à-dire indépendant des conditions de température, de vitesse et de pres- sion. Le laiton, matériau le plus couramment utilisé pour cette fonc- tion, donne satisfaction pour la plupart des conditions de fonctionnement, sauf à basse température (passage de vitesses au démarrage) et sous des pression élevées (passage de vitesses en rétrogradation). L'utilisation d'aciers frittés pour la fabrication d'anneaux de synchroniseur nécessite - soit le dépôt d'un revêtement de molybdène sur la partie du pignon fou en contact avec l'anneau, - soit la réalisation, par cofrittage, d'une couche de friction sur la surface active de l'anneau de synchronisation. Ces méthodes sont cependant coûteuses et ne conduisent pas for- cément à des performances supérieures à celles du laiton. Une autre approche encore a consisté à réaliser des anneaux de synchroniseur frittés constitués principalement de cuivre et de particules à base de chrome (FR-A-2 698 808). Les trois approches mentionnées, à savoir le dépôt de molyb- dène, le cofrittage et l'utilisation de nuances à base de bronze impliquent des coûts de fabrication élevés sans offrir une prestation améliorée du comportement en frottement pour l'application qui nous intéresse. La demanderesse a découvert à présent qu'il était possible d'améliorer notablement le comportement de frottement de pièces méca- niques fonctionnant en milieu lubrifié, et notamment d'obtenir des pièces ayant un coefficient de frottement relativement élevé et indépendant des conditions de fonctionnement, en utilisant pour la fabrication de telles pièces un matériau fritté constitué d'une matrice relativement tendre à base de poudres de fer et de particules d'éléments d'alliage laquelle matrice renferme en outre des particules de dureté supérieure. La présente invention a par conséquent pour objet une pièce mécanique de friction, réalisée par frittage, destinée à fonctionner en milieu lubrifié, laquelle pièce est constituée d'une matrice à base de fer et d'éléments d'alliage et de particules de renforcement de dureté élevée. Un autre objet de l'invention est l'utilisation de la pièce mécani- que frittée définie ci-dessus notamment en tant qu'anneau de synchroni- seur de boîte de vitesse. Encore un autre objet de la présente invention est un procédé permettant de fabriquer une pièce mécanique de friction ayant les caracté- ristiques décrites ci-dessus. D'autres objets apparaîtront à la lecture de la description et des exemples qui suivront. Le matériau servant à fabriquer les pièces de friction de la pré- sente invention comprend d'une part une matrice formée à partir de parti- cules à base de fer et de particules d'éléments d'alliage choisis parmi le cuivre, le nickel et le molybdène, et d'autre part des particules de renfor- cement. Les poudres utilisables pour former la matrice sont des poudres à base de fer constituées de particules ayant une taille moyenne comprise entre 20 et 100 gm, de préférence entre 40 et 50 gam. On ajoute à ces poudres à base de fer des poudres d'éléments d'alliage choisis parmi le cuivre, le nickel et le molybdène ou une combi- naison de ceux-ci. Ces éléments sont ajoutés sous forme de poudre métal- lique. La quantité recommandée de poudre d'éléments d'alliage est comprise entre 2 et 7 % en poids et de préférence entre 4 et 6 % en poids par rapport à la matrice totale. n est par ailleurs conseillé d'ajouter à ce mélange de poudres for- mant la matrice, une faible quantité de carbone destinée à augmenter la dureté de la matrice du produit fini. Le carbone est ajouté habituellement sous forme de graphite en des quantités ne dépassant pas 1 % en poids, et de préférence au plus égales à 0,5 % en poids rapporté à la matrice totale. A ce mélange de poudres formant la matrice (poudre à base de fer associée à une poudre Cu, Mo et/ou Ni et éventuellement de graphite), on ajoute impérativement des particules ayant un rôle de renforcement et qui ont une dureté très supérieure à celle des particules formant la matrice. La dureté Vickers des particules de renforcement est généralement au moins égale à 2000 HV. Ces particules de renforcement sont choisies parmi des particu- les de type oxyde, de type nitrure ou de type carbure ou une combinaison de ceux-ci. On peut indiquer à titre d'exemple de telles particules de ren- forcement l'alumine (A1203), le carbure de niobium (NbC) ou le nitrure de titane (TiN) ou une combinaison de ceux-ci. On peut également utiliser des particules composites de renfor- cement, à savoir des particules portant un revêtement d'une nature chimi- que différente de celle du noyau. Un exemple de telles particules, consti- tuant un mode de réalisation particulier de la présente invention, sont des particules d'alumine revêtues d'un dépôt de nitrure de titane qui seront désignée par la suite A1203(TiN). Les particules de renforcement ont une taille moyenne du même ordre de grandeur que celle des particules à base de fer formant la fraction principale de la matrice, à savoir une taille comprise entre 20 et 100 I. m et de préférence entre 40 et 50 pm. On ajoute ces particules à raison de 2 à 10 parties en volume, et de préférence à raison de 5 parties en volume, pour 100 parties en volume de particules constituant la matrice. Le matériau formant les pièces mécaniques de la présente inven- tion, constitué d'une matrice à base de poudre de fer, de particules d'élé- ments d'alliage, éventuellement de carbone, et de particules de renforce- ment de dureté élevée confère aux pièces un excellent comportement de friction et en particulier un coefficient de frottement relativement élevé et qui varie très peu en fonction des conditions de fonctionnement telles que la température, la pression de contact et la vitesse de frottement. Ce maté- riau présente donc un avantage considérable par rapport au laiton, cou- ramment utilisé pour ces applications, et dont le coefficient de frottement diminue fortement et façon indésirable aux basses températures et pour des vitesses et pressions de frottement importantes. Grâce à leurs propriétés mécaniques décrites ci-dessus, les piè- ces mécaniques conviennent particulièrement bien pour une utilisation en tant qu'anneaux de synchroniseur de boîtes de vitesses. La présente inven- tion concerne donc également l'utilisation des pièces mécaniques de fric- tion en tant qu'anneaux de synchroniseur dans des boîtes de vitesse de véhicules automobiles. Dans une telle utilisation en milieu lubrifié avec des conditions de fonctionnement très variables, elles se distinguent avantageusement du laiton, matériau le plus utilisé dans l'art antérieur, par un comportement de friction très fiable en particulier à basse tempéra- ture et à pression élevée. Un autre avantage des pièces de friction de la présente invention réside dans le fait qu'elles peuvent être fabriquées selon un procédé classi- que de compactage à froid suivi d'un frittage sous atmosphère contrôlée, couramment utilisé en production en série. La présente invention concerne donc en outre un procédé de fabrication des pièces mécaniques de friction utilisables notamment en tant qu'anneau de synchroniseur. Ce procédé consiste à mélanger à sec les différentes poudres formant la matrice et la ou les poudres de particules de renforcement, jusqu'à obtention d'un mélange homogène, à procéder à un compactage à froid du mélange de poudres dans un moule ayant une forme appropriée, puis à fritter les pièces vertes sous une atmosphère contrôlée à une température de l'ordre de 1120 OC. Ce procédé simple donne des pièces massives, prêtes-à-monter, ne nécessitant pas de traitement supplémentaire et qui présentent par conséquent un coût de fabrication relativement bas. La bonne maîtrise du procédé de compactage à froid permet par ailleurs d'obtenir des produits finis aux cotes. L'exemple suivant est destiné à illustrer l'invention sans pour autant présenter un caractère limitatif. Exemple On a préparé des anneaux de synchroniseur en différents maté- riaux conformes à la présente invention. Le Tableau ci-dessous présente la nature et la quantité de parti- cules d'éléments d'alliage et de particules de renforcement ajoutées à une base de poudre de fer. Les matériaux présentés contiennent en outre 0,5 %o en poids de graphite ajouté à la matrice sous forme de poudre. Les poudres ont été mélangées à sec, compactées à froid dans un moule approprié, puis frittées sous une atmosphère contrôlée à une température d'environ 1120 C. particules d'éléments d'alliage particules de renforcement matériau ( %o en poids)a) (% en volume)a) Cu Ni Mo A1203(TiN) NbC A 1,5 4,0 0,5 5,0 - B 1,5 4,0 - - 5,0 a) exprimé par rapport au poids total de la matrice (poudre de fer + éléments d'alliage + graphite) La Figure 1 présente un exemple d'une microstructure obtenue par microscopie optique. Il s'agit de la structure du matériau A constitué de poudres de fer, de carbone, de cuivre, de nickel et de molybdène. On y note principalement la présence de bainite et d'austénite non transformée. Ces matériaux ont été utilisés pour des essais tribologiques effectués sur un tribomètre de type pion-disque. Pour différentes tempé- ratures de bain d'huile et de pression de contact, on a fait varier la vitesse de frottement entre 0,1 m/seconde et 2,8 m/seconde. Les matériaux A et B présentés en tant qu'exemples dans le tableau ci-dessus ont une dureté de l'ordre de 150 - 180 HV et sont en frottement contre une pièce antagoniste en acier d'une dureté supérieure à 600 HV. La Figure 2 montre la variation, en fonction de la vitesse de glis- sement, du coefficient de frottement des matériaux A et B et, à titre de comparaison, du laiton. Ces résultats ont été obtenus dans une série d'essais à basse tem- pérature (20 C) et à une pression de contact élevée (56 MPa), conditions dans lesquelles les performances du laiton sont particulièrement insatis- faisantes. On peut constater qu'à cette température et à cette pression le coefficient des matériaux indiqués à titre d'exemples de la présente inven- tion reste essentiellement stable lorsque la vitesse de frottement aug- mente alors que, dans les mêmes conditions, celui du laiton diminue de manière spectaculaire. REVENDICATIONS 1. Pièce mécanique de friction, réalisée par frittage, destinée à fonctionner en milieu lubrifié, caractérisée en ce qu'elle est faite en un matériau constitué (A) d'une matrice formée par (i) des particules à base de fer et (ii) des particules d'éléments d'alliage choisis parmi le cuivre, le nickel et le molybdène, et (B) de particules de renforcement. 2. Pièce mécanique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les particules de renforcement ont une dureté Vickers au moins égale à 2000 HV. 3. Pièce mécanique selon l'une des revendications 1 et 2, caracté- risée en ce que les particules de renforcement (B) sont choisies parmi les particules de type oxyde, nitrure ou carbure ou une combinaison de ceux- ci. 4. Pièce mécanique selon la revendication 3, caractérisée en ce que les particules de renforcement sont choisies parmi l'oxyde d'alumi- nium, le carbure de niobium et le nitrure de titane ou une combinaison de ceux-ci. 5. Pièce mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les particules de renforcement sont des particu- les portant un revêtement d'une nature chimique différente telles que des particules d'alumine (A1203) portant un revêtement de nitrure de titane (TiN). 6. Pièce mécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la matrice (A) contient de 2 à 7 %, de préférence de 4 à 6 % en poids de particules d'éléments d'alliage (ii). 7. Pièce mécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la proportion de particules de renfor- cement (B) est comprise entre 2 et 10 parties en volume, et est de préfé- rence égale à 5 parties en volume, pour 100 parties en volume de particules constituant la matrice (A). 8. Pièce mécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la matrice contient en outre jusqu'à 1 % en poids, de préférence jusqu'à 0,5 % en poids de carbone ajouté sous forme de graphite. 9. Pièce mécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les particules de fer constituant la matrice (A) et les particules de renforcement (B) ont une taille moyenne comprise dans l'intervalle allant de 20 à 100 gtm, de préférence de 40 à glm. 10. Utilisation d'une pièce mécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes en tant qu'anneau de synchronisation pour boîtes de vitesses de véhicules automobiles. 11. Procédé de fabrication de pièces mécaniques de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'on mélange à sec - une poudre de particules à base de fer, - une poudre de particules d'éléments d'alliage choisis parmi Cu, Ni et Mo, - une poudre de particules de renforcement, et - éventuellement, une poudre de graphite, en les proportions appropriées, jusqu'à obtention d'un mélange homogène, en ce que l'on soumet ce mélange de poudres à un compactage à froid dans un moule approprié, et en ce que l'on densifie la pièce ainsi obtenue par frittage dans une atmosphère contrôlée à une température de l'ordre de 1 120 C.