Brevet FR2802543A1 — publié le 20010622

La présente invention concerne un matériau de friction destiné en particulier à une machine industrielle, un véhicule ferroviaire, un fourgon à bagages, une voiture particulière, et plus spécialement un matériau de friction utilisé dans une plaquette de frein, une garniture de frein ou une garniture d'embrayage destinée à être utilisée dans les applications mentionnées ci-dessus. Dans un matériau de friction destiné à être utilisé principalement dans une plaquette de frein, on utilise un renfort fibreux pour augmenter la résistance mécanique du matériau de friction. Ces renforts fibreux, utilisés à la place des fibres d'amiante, peuvent comprendre des fibres de verre, des fibres d'acier, des fibres d'aramide, des fibres de titanate de potassium, notamment. Comme ces renforts fibreux présentent des propriétés différentes, on les utilise en mélange. Parmi ces renforts fibreux, les fibres de titanate de potassium sont très appréciées comme fibres inorganiques dures abrasives, du fait que. non seulement, elles peuvent améliorer la résistance mécanique, la résistance à la chaleur et la i15 résistance à l'usure du matériau de friction mais aussi car elles peuvent améliorer le coefficient de frottement du matériau de friction du fait de leurs propriétés abrasives, et en particulier elles peuvent conférer un coefficient de frottement élevé dans le cas d'une charge importante. par exemple lors d'un freinage à grande vitesse. Toutefois, les fibres de titanate de potassium qui sont utilisées à la place des fibres d'amiante sont constituées par des monocristaux aciculaires d'un diamètre de 0,2 à I jlm et d'une longueur de 10 à 20 pm, qui sont appelés trichites. C'est pourquoi il n'est pas souhaitable d'utiliser ces fibres de titanate de potassium pour des raisons de protection de l'environnement et d'hygiène publique. Ainsi, la présente invention a pour but de fournir un matériau de friction qui ne comporte pas de fibres de titanate de potassium de type trichite mais qui présente des performances de friction et de résistance mécanique analogues à celles des fibres de titanate de potassium de type trichite tout en évitant une augmentation des coûts de fabrication. Pour atteindre ce but, la présente demanderesse a réalisé différentes recherches sur les qualités et les formes de substances inorganiques exemptes de fibres de titanate de potassium de type trichite mais conférant cependant des performances de friction et de résistance mécanique analogues à celles des fibres de titanate de potassium de type trichite. La demanderesse a ainsi constaté que si l'on utilise du titanate de potassium pulvérulent ou en écailles, il est possible d'obtenir des performances de friction et de résistance mécanique analogues à celles du titanate de potassium de type trichite. Ainsi, la présente invention concerne un matériau de friction composé d'un renfort fibreux, d'un modificateur de friction et d'un liant qui contient du titanate de potassium pulvérulent ou en écailles ayant un indice de forme ou rapport d'allongement au plus égal à 3. De préférence, le titanate de potassium pulvérulent ou en écailles a un diamètre de particules de 0,05 p.m à 150 pm. De préférence encore, le matériau de friction selon l'invention contient du titanate de potassium fibreux, qui est un sous-produit tformé au cours de la production du titanate de potassium pulvérulent ou en écailles et qui a une longueur de particules d'au plus 5 p.m ou un diamètre de particules d'au moins 3 ptm, dans un rapport volumique d'au plus 30 % par rapport au titanate de potassium pulvérulent ou en écailles. i15 Le titanate de potassium pulvérulent ou en écailles est de préférence soumis à un traitement de surface avec au moins une substance choisie parmi un agent de couplage silane et une résine phénolique. Dans le matériau de friction selon la présente invention, on utilise à la place d'un renfort fibreux du titanate de potassium pulvérulent ou en écailles présentant la même qualité de matériau que les fibres de titanate de potassium de type trichite. Le titanate de potassium pulvérulent peut comprendre non seulement des particules absolument rondes mais aussi des particules ayant un certain indice de forme. Il est possible de préparer le titanate de potassium pulvérulent ou en écailles sans qu'il soit nécessaire d'utiliser comme matière première un oxyde de titane purifié industriel de haute pureté, mais en utilisant un oxyde de titane de pureté industrielle courante obtenu par un procédé de combustion, un procédé par malaxage, séchage et calcination de TiO2 et de K2CO3, un procédé faisant intervenir un fondant ou un procédé de fusion. Le titanate de potassium pulvérulent ou en écailles peut être de l'octatitanate de potassium (K20,8TiO2), de l'hexatitanate de potassium (K20,6TiO2), du tétratitanate de potassium (K20,4TiO2) notamment. En particulier, il est préférable d'utiliser de l'octatitanate de potassium ou de l'hexatitanate de potassium et il est préférable encore d'utiliser de l'octatitanate de potassium. L'indice de forme du titanate de potassium pulvérulent ou en écailles ne doit pas être supérieur à 3. Dans le cas contraire, les substances de ce type ont des propriétés plus proches de celles des fibres que de celles des poudres, ce qui constitue un risque pour l'environnement et l'hygiène publique. Il est donc nécessaire d'éviter de telles substances fibreuses. De préférence, le diamètre des particules de poudre ou d'écailles est de 0,05 tm à 150 ptm. Par ailleurs, du titanate de potassium fibreux dont les particules ont une longueur d'au plus 5.tm ou un diamètre d'au moins 3 ltm apparaît comme sous-produit lors de la production du titanate de potassium pulvérulent ou en écailles et peut être présent à raison de jusqu'à 30 % en volume par rapport au titanate de potassium pulvérulent ou en écailles. La proportion de titanate de potassium pulvérulent ou en écailles dans le matériau de friction est située dans le domaine de 0,5 % à 30 % en masse par rapport à la totalité du matériau de friction. Si cette proportion est inférieure à 0,5 % en masse, il est difficile de disperser le titanate de potassium uniformément dans le matériau de friction de sorte qu'il n'est pas possible d'obtenir l'effet voulu. Au contraire, si la proportion est supérieure à 30 % en masse, bien que l'effet soit augmenté, les propriétés de résistance à l'usure se dégradent. De préférence, la proportion est située dans le domaine de 5 % en masse à 15 % en masse. En outre, le titanate de potassium pulvérulent ou en écailles est soumis de préférence à un traitement de surface avec un agent de couplage silane ou une résine phénolique. Ce traitement présente l'avantage que les substances ainsi traitées peuvent être mélangées aisément avec d'autres composants lors de la fabrication d'un matériau de friction, ce qui augmente la résistance mécanique du produit moulé à chaud. La proportion d'agent de couplage silane ou de résine phénolique est de préférence située dans le domaine de 0,3 % en masse à 5 % en masse par rapport au titanate de potassium pulvérulent ou en écailles. Pour des raisons de rentabilité du processus de broyage au cours duquel le titanate de potassium pulvérulent ou en écailles est produit par broyage des trichites mentionnées ci-dessus, il apparaît sous forme de sous-produit un titanate de potassium fibreux dont les particules ont une longueur au plus égale à 5.tm ou un diamètre d'au moins 3 4m, dans un rapport volumique au plus égal à %, lors de la production du titanate de potassium pulvérulent ou en écailles. Pour des raisons d'efficacité de broyage, le rapport volumique du titanate de potassium fibreux au titanate de potassium pulvérulent ou en écailles présente une limite inférieure à environ 10 %. Si le rapport volumique est inférieur à 10 %, le coût de production du titanate de potassium pulvérulent ou en écailles augmente excessivement. Conventionnellement, on ajoute généralement à un matériau de friction un oxyde métallique comme l'alumine ou la magnésie à titre de modificateur de friction. Selon la présente invention, il est possible d'utiliser un tel modificateur de friction conjointement avec le titanate de potassium pulvérulent ou en écailles mentionné ci-dessus, mais il est évident qu'il est possible d'obtenir l'effet recherché en l'absence d'un tel modificateur de friction. Pour produire un matériau de friction selon la présente invention, le titanate de potassium pulvérulent ou en écailles mentionné ci-dessus est mélangé avec un matériau de friction composé d'un renfort fibreux, d'un modificateur de friction, d'un lubrifiant et d'un liant, et le mélange est préformé puis moulé à chaud dans un procédé de production ordinaire. Les renforts fibreux qui peuvent être utilisés peuvent inclure des fibres organiques comme des fibres de polyamide aromatique, des fibres acryliques résistant au teu, et des fibres métalliques telles que des fibres de cuivre ou des fibres d'acier, notamment. Les charges inorganiques peuvent inclure des particules métalliques de cuivre, d'aluminium, de zinc, des minéraux en écailles comme la vermiculite ou le mica, le sulfate de barytum ou le carbonate de calcium. Les liants peuvent inclure des résines thermodurcissables comme des résines phénoliques (y compris des résines phénoliques linéaires et différentes résines phénoliques modifiées avec du caoutchouc), des résines de mélamine, des résines époxy et des résines de polyimide. Les modificateurs de friction peuvent inclure des modificateurs de friction inorganiques comme l'alumine, la silice, la magnésie, la zircone, l'oxyde de chrome, le quartz, et des modificateurs de friction organiques comme le caoutchouc synthétique et la poudre de cajou. Les lubrifiants solides peuvent inclure du graphite ou du disulfure de molybdène. Les proportions des différents composants constituant le matériau de friction peuvent varier et il est possible de choisir un ou plusieurs types de ces matières premières en fonction des propriétés de friction nécessaires pour les produits envisagés, par exemple le coefficient de frottement, la résistance à l'usure, les propriétés de vibration et le bruit de frottement. Pour la tfabrication d'une plaquette de frein, une plaque d'appui est mise sous une forme prédéterminée par pressage d'une tôle métallique, puis elle est dégraissée et soumise à un traitement de tfond, et enfin elle est revêtue d'un agent adhésif. Des renforts fibreux constitués par des fibres organiques résistant à la chaleur, des fibres métalliques, ou analogues, sont mélangés avec des matières premières pulvérulentes de charges organiques et inorganiques, un modificateur de friction, un liant constitué par une résine thermodurcissable, puis sont homogénéisés suffisamment par agitation. Ces matières premières homogénéisées sont moulées (préformées) à la température ambiante et sous une pression déterminée pour obtenir un matériau de friction préformé. La plaque d'appui et le matériau de tfriction préformé sont moulés à chaud à une température prédéterminée et sous une pression prédéterminée dans un procédé de moulage à chaud de manière à être fixés intégralement l'un à l'autre. Le matériau de friction intégré est soumis à une post-cuisson et enfin à un finissage. Ce procédé de fabrication est conventionnel. La présente invention sera mieux comprise à la lecture des exemples non limitatifs suivants Exemples (Composants d'échantillons de matériaux de friction) Les produits suivants ont été utilisés comme composants lors de la production d'échantillons de matériaux de friction. Dans la production des échantillons, les proportions des différents composants ont été modifiées dans chaque échantillon. Liant: résine phénolique Modificateur de friction organique poudre de cajou Charge: sulfate de baryum (poudre, taille de particules moyenne 8 l. m) Abrasif: zircone (poudre, taille de particules moyenne 11 pm) Lubrifiant solide: graphite (poudre, taille de particules moyemnne 60 ginm) Renfort fibreux: fibres de cuivre (diamètre des fibres jl.tm) /fibres d'aramide (diamètre des fibres 13,5 pim)/fibres de céramique (fibres d'alumine-silice, longueur des fibres 700 ptm, diamètre des fibres 2,8 gtm) Abrasif: poudre d'octatitanate de potassium soumise à différents traitements de surface ou sans traitement de surface. Comme titanate de potassium, on a utilisé un titanate de potassium pulvérulent ayant une taille de particules moyenne de 4 ptm, un diamètre de parti- cules moyen de 2 p.m et un indice de forme de 2. Du titanate de potassium fibreux (longueur des fibres d'au plus 5 pm ou diamètre des fibres d'au moins 3 p.m), était contenu à raison de 10 % en masse (rapport en masse de la poudre aux fibres de 9:1) dans le titanate de potassium pulvérulent. Dans le tableau I ci-dessous, la première ligne concernant une poudre de titanate de potassium indique le pourcentage en masse de sous-produit fibreux tandis que la deuxième ligne concernant une poudre de titanate de potassium indique le pourcentage en masse de poudre. Compositions des échantillons de matériaux de friction On a utilisé des compositions ayant les rapports de mélange montrés dans le tableau 1 suivant pour produire des échantillons de matériaux de friction des exemples I et 2. A titre de comparaison, on a préparé des échantillons contenant des trichites d'octatitanate de potassium (exemple comparatif 1). Production de plaquettes de frein On a produit par un procédé conventionnel des plaquettes de frein au moyen des échantillons de matériaux de friction présentant les compositions mentionnées ci-dessus. Tableau I Composants (% en masse) Exemple comparatif 1 Exemple I 2 Résine phénolique 10 10 10 Poudre de cajou 10 | 10 10 Sulfate de baryum 45 45 45 Zircone 2 2 2 Graphite 8 8 8 Fibres de cuivre/fibres d'aramide 10/5 10/5 10/5 Fibres céramiques 5 5 5 Fibres de titanate de potassium 5 - - Poudre de titanate de potassium 0,5 - 4,5 - Poudre de titanate de potassium 0,5 (traitée avec un aminosilane) - 4,5 Méthode d'examen On a réalisé les examens suivants au moyen d'un frein à disque utilisant un rotor. (1I) Evaluation de l'efficacité JASO (Japanese Automobile Standards Organization) On a réalisé l'évaluation de l'efficacité JASO du coefficient de frottement dans les conditions d'une vitesse initiale de 50 km/h ou 100 km/h et d'une décélération c=5,9 m/s2 (la force moyenne exercée sur la pédale qui est nécessaire pour obtenir une décélération de freinage de 5,9 m/s2 doit être de 69 à 490 N pour une vitesse initiale de 50 km/h et de 69 à 588 N pour une vitesse initiale de 100 km/h). (2) Minimum de première atténuation JASO}i (freinage) (3) Test de bruit de friction avec un véhicule O20 (4) Agression du rotor (avec une éprouvette comme plaquette de frein) Usure du rotor pour 1000 opérations, vitesse de 50 ki/hl, décélération cL=0,98 m/s2 et température de 100 C. ) Usure de la plaquette de frein Usure de la plaquette de frein pour 1000 opérations. vitesse de kmn/h, décélération t=2,94 m/s:, et température de 100 C, 200 C et 400 C. Résultats des examens Les résultats des examens sont présentés dans le tableau 2 ci-dessous. Tableau 2 Exemple Exemple comparatif 1 Efficacité JASO 50 km/h 0,45 0,45 0,46 km/h 0,40 0,42 0,41 lere atténuation JASO minimum p 0,25 0,26 0,25 Usure JASO 100 C 0,08 0,09 0,09 Equivalant à I 000 opérations 200 C 0,18 0,20 0.19 (mm) 400 C 0.76 0.80 0,78 Test de bruit de friction néant néant néant Agression du rotor (pm) 5,8 5, 7 55 Ainsi, selon la présente invention, en utilisant à la place des fibres de titanate de potassium de type trichites du titanate de potassium pulvérulent ou en écailles qui a la même composition que les fibres de titanate de potassium de type trichites, il est possible d'obtenir les mêmes effets que lorsqu'on utilise des fibres de titanate de potassium de type trichites et d'éviter ainsi les risques pour l'environnement et l'hygiène publique qui sont liés à l'utilisation des fibres de titanate de potassium de type trichites tout en obtenant un effet de friction suffisant. Par ailleurs, quand on soumet le titanate de potassium pulvérulent ou en écailles à un traitement de surface avec un agent de couplage silane ou une résine phénolique, il est possible d'augmenter la résistance mécanique du matériau de friction et. par ailleurs, bien qu'un sous-produit constitué par du titanate de potassium fibreux se forme lors de la production du titanate de potassium pulvérulent ou en écailles, il est possible d'utiliser le titanate de potassium pulvérulent ou en écailles en mélange avec une petite quantité de titanate de potassium fibreux sans risque pour l'environnement et l'hygiène publique et de limiter ainsi les coûts de fabrication. REVENDICATIONS 1. Matériau de friction, caractérisé en ce qu'il comprend un renfort fibreux, un modificateur de friction, un liant et du titanate de potassium pulvérulent ou en écailles ayant un indice de forme d'au plus 3. 2. Matériau de friction selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre des particules dudit titanate de potassium pulvérulent ou en écailles est de 0,05 à 150 tm. 3. Matériau de friction selon l'une quelconque des revendications I et 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre du titanate de potassium fibreux qui est un sous-produit de la production dudit titanate de potassium pulvérulent ou en écailles, qui a une longueur de particules d'au plus 5 ptm ou un diamètre de particules d'au moins 3 pm et qui est incorporé dans un rapport volumique d'au plus 30 %/ par rapport audit titanate de potassium pulvérulent ou en écailles. 4. Matériau de friction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit titanate de potassium pulvérulent ou en écailles est soumis à un traitement de surface avec au moins une substance parmi un agent de couplage silane et une résine phénolique.