Brevet FR2805583A1 — publié le 20010831

Pièce de friction métallique comportant une couche à propriétés de frottement et d'usure améliorées. La présente invention concerne des pièces de friction métalliques comportant au niveau de la partie soumise à la friction une couche présentant des propriétés d'usure et de frottement améliorées en mode non-lubrifié. Des plaquettes, disques, tambours, plateaux de pression d'embrayage et garnitures d'embrayage représentent, par exemple, le type de pièces avec surfaces sollicitées tribologiquement dans le but de transformer l'énergie mécanique en énergie calorifique par frottement statique ou dynamique. On a déjà proposé de nombreux matériaux et couples de friction, mais ces solutions présentent toutes divers inconvénients, comme par exemples -la chute du coefficient de frottement avec la température, -la chute du coefficient de frottement avec la vitesse, -la chute de la résistance à l'usure avec.la température, -la chute de la résistance à l'usure avec la vitesse, -une portée tribologique (pression géométrique) limitée dans les applications de véhicules en mode d'usure faible à 2-3 MPa, -des propriétés tribologiques sensibles à l'humidité, -un coefficient de frottement (COF) ou un coefficient d'usure (Kv) variant différemment et de façon imprévisible en fonction de la vitesse, température et pression géométrique, -un coefficient d'usure (Kv) supérieur à 10-5 mm3/Nm. Le coefficient d'usure (Kv) est utilisé internationalement en tribologie pour qualifier le comportement à l'usure. Il caractérise la résistance à l'usure d'un matériau et se définit par le quotient du volume d'usure sur la force de pression appliquée sur le matériau normalement à celui-ci et la distance de glissement (unité : mm3/Nm). Le coefficient de frottement (COF) est utilisé internationalement en tribologie. Il se définit par le quotient de la force tangentielle appliquée à un système constitué de deux surfaces en contact en mouvement glissant non roulant sur la force de pression appliquée normalement à ce système. En conséquence, les fluctuations des propriétés tribologiques de ces matériaux de l'art antérieur obligent le constructeur à prendre de nombreuses mesures pour garantir le fonctionnement dans le spectre de sollicitation des composants utilisant ces matériaux. Ainsi, pour réduire la température des pièces, des systèmes de freinage, ces systèmes doivent être fortement ventilés et/ou les pièces doivent avoir une masse (ou capacité calorifique) importante, ce qui augmente le poids des systèmes et par suite la consommation de carburant du véhicule. Pour compenser les coefficients d'usure élevés des plaquettes (Kv >10-5 mm3/Nm) ou une usure linéaire par élément de 0,1 à 5 gm par freinage, des étriers flottants, de longues courses de piston (jusqu'à 15 mm) et/ou des mécanismes de rattrapage sont inévitables et il est nécessaire de prévoir de grandes surfaces de frottement. Par exemple, selon la façon de conduire, les matériaux de plaquettes de freins avant, avec un coefficient d'usure Kv >10-5 mm3/Nm, décrits par l'état de l'art sont à remplacer tous les 20.000 à 40.000 km. On a déjà l'utilisé l'aluminium pour réaliser des composants de friction léger comme les disques, tambours et plateaux de pression d'embrayage. Les propriétés tribologiques de l'aluminium sont très limitées d'une part à cause de la faible température de fusion de ce métal (TA, Le brevet US 4,615,663 décrit le renforcement d'alliages en aluminium avec de l'A14C3 pour des compresseurs de réfrigérant en mode lubrifié. Le composite est fabriqué par l'infiltration d'un corps en poudre de graphite par une fonte d'alliage en aluminium ayant pour produit final, un composite Al-(1-20%)A14C3. Le taux d'usure (Kv) de ce composite est inférieur à celui d'alliages AISilo ou AISi12. Les procédés d'élaboration de ce type de matériaux (A14C3) par projection thermique ou par métallurgie des poudres ne sont pas décrits ni même leur utilisation comme matériaux de friction. Les phases "Magnéli", dénommées ainsi du fait du nom de leur découvreur Arne Magnéli, composées d'oxydes de titane sous- stoechiométrique à structure triclinique avec des défauts planaires d'oxygène, ont déjà été utilisées en mode lubrifié, dans le brevet DE- 195.48.718.C1, mais jamais en mode non lubrifié. La demanderesse a observé, de manière surprenante, qu'en utilisant des matériaux particuliers, il était possible d'améliorer les propriétés d'usure et de friction des pièces métalliques sollicitées tribologiquement, en mode non lubrifié, en modifiant l'état de la surface desdites pièces amenée à subir une contrainte, par différents procédés, en particulier en diminuant le COF et le Kv de cette surface et en stabilisant les valeurs de ces coefficients vis-à-vis des conditions d'utilisation. Les pièces métalliques selon l'invention conviennent tout particulièrement pour la réalisation -de disques allégés (aluminium), pour dispositifs de freinage et/ou d'embrayage pour véhicules automobiles avec des coefficients d'usure Kv de l'ordre de 10-6 mm3/Nm et des coefficients de frottement COF inchangés, et assurant un intervalle de révision du véhicule de 100.000 km. -de pièces de friction pour véhicules automobiles sans révision avec des coefficients d'usure Kv de l'ordre de 10-7 mm3/Nm et/ou des coefficients de frottement COF augmentés. La présente invention a donc pour objet des pièces métalliques, en particulier en aluminium, sollicitée tribologiquement en mode non lubrifié comportant au moins au niveau de la partie de la pièce amenée à être soumise à une friction une couche particulière présentant un coefficient de frottement et d'usure particulier. On entend par sollicitation tribologique en mode non lubrifié, au sens de l'invention, toute sollicitation tribologique à sec entre deux surfaces sans adjonction de substance lubrifiante entre lesdites surfaces. Bien entendu, cette définition n'exclut pas l'utilisation de matériau ayant des propriétés d'auto-lubrification. L'invention a également pour objet des tambours de système de freinage ou embrayage, des disques de freinage ou embrayage, des plateaux de pression de système d'embrayage, des garnitures de système de freinage ou embrayage et des plaquettes de système de freinage ou embrayage comprenant une pièce métallique selon l'invention. D'autres objets apparaîtront à la lecture de la description qui suit. Les pièces de friction métalliques conformes à l'invention comportent, au moins au niveau de la partie de la pièce amenée à être soumise à une friction en mode lubrifié, une couche sous forme d'alliage, de composite ou d'un revêtement, présentant un coefficient d'usure (Kv) inférieur à 10-Smm3/Nm et/ou un COF compris entre 0,3 et au moins 0,5 et plus particulièrement un COF compris entre 0,3 et 0,7 principalement pour les systèmes d'embrayage. En particulier, la pièce métallique sera en aluminium ou en alliage d'aluminium. De préférence, le but de l'invention est atteint pour des pièces de friction métalliques comportant, au moins au niveau de la partie de la pièce amenée à être soumise à une friction en mode non lubrifiée, une couche sous forme d'alliage,de composite ou d'un revêtement, en utilisant pour cet alliage, ce composite ou ce revêtement au moins un matériau ayant simultanément les propriétés d'abrasion et de lubrification de matériaux distincts utilisés dans l'art antérieur. De tels matériaux utilisés selon l'invention seront appelés matériaux multifonctionnels. Les pièces selon l'invention peuvent être fabriquées par réalisation de composites ou alliage métal/matériau multifonctionnel ou par l'application d'une couche de revêtement, sur la face externe de la pièce de friction, de ce matériau multifonctionnel. Dans le cas des composites métal/matériau multifonctionnel ou des alliages métal/materiau multifonctionnel, les matériaux multifonctionnels sont de préférence choisis parmi Fe3Al, le carbure d'aluminium (A14Ç3), le carbure d'aluminium et de silicium (A14S'C4), l'oxyde de titane (Ti02), les oxydes de titane à teneur en oxygène sous-stoechiométrique (Tin02n-1) stabilisés par des oligoéléments, les carbures souples et leurs mélanges. Dans le cas de revêtement à base de matériaux multifonctionnels, ceux-ci sont de préférence choisis parmi le nitrure d'aluminium (AIN), le carbure d'aluminium (A14C3), le carbure d'aluminium et de silicium (Al4S'C4), l'oxyde de titane (Ti02), les oxydes de titane à teneur en oxygène sous-stoechiométrique (Tin02n-1) stabilisés par des oligoéléments, les carbures souples et leurs mélanges. Les matériaux multifonctionnels de l'invention ont une stoechiométrie et une structure cristallographique définies précisément, ce qui représente un avantage important vis-à-vis des fluctuations des propriétés tribologiques des matériaux utilisés dans les techniques antérieures. De préférence, le oligoéléments selon l'invention seront choisis parmi Al, Ti, Zr, Co, Cr, Fe, Ni, Mn, Nb et K et leurs mélanges. Les carbures souples sont connus en tant que tels et sont décrits dans J. of Materials Synthesis and Processing, Vol. 5, No.3, 1997, p.197-216. Les carbures souples regroupent les phases "312" et les phases "H" (M2BX) qui présentent toutes deux une structure avec lacunes planaires dans une structure cristallographique hexagonale. Ces composés sont parfaitement définis par leur stoechiométrie et leur cristallographie. Les phases "312" se composent de deux couches d'octaèdres de carbure reliées par les bords, où sont positionnés les métaux de transition, qui alternent dans la structure hexagonale avec les lacunes planaires formées par les éléments du groupe B. Les phases "H" sont constituées d'une seule couche d'octaèdres de carbure reliés par les bords. En plus des éléments du groupe B, on peut également avoir Al, Ga, In, Tl, Sn, Ge, Pb, S, As, Cd et P. La dénomination "312" représente parfaitement la stoechiométrie du composé : 3 signifie qu'il y a trois atomes de métaux de transition par formule, 1 signifie qu'il y a un atome d'éléments du groupe B augmenté des éléments Al, Ga, In, Tl, Sn, Ge, Pb, S, As, Cd et P par formule et 2 signifie qu'il y a deux atomes de carbone par formule. La dénomination "H" représente les carbures souples de formule M2BX où M représente un métal, B représente un élément du groupe B augmenté des éléments Al, Ga, In, Tl, Sn, Ge, Pb, S, As, Cd et P, et X représente le carbone ou l'azote. Les carbures souples préférentiellement utilisés selon l'invention sont choisis parmi - pour les phases "H" : Ti2AIC, Cr2AIC et Ti2AIN; - pour les phases "312" : Ti3SiC2, Ti3AIC2 et leurs mélanges. Puisque ces phases contiennent du titane, il se forme par tribooxydation sur leur surface des phases Magnéli d'oxyde de titane. La dureté exceptionnellement faible de ces carbures souples est comparable à celle de la fonte grise (de l'ordre de 4 à 6 GPa). En général, les phases "H" sont synthétisées en mélangeant de la poudre de Ti (ou d'un autre métal), A14C3 et du graphite ou alors en mélangeant du Ti avec AIN. Les phases "312" sont synthétisées en mélangeant de la poudre de Ti avec du SiC dans des proportions correspondant à la stoechiométrie recherchée. Ces mélanges sont ensuite traités à 1600 C pendant 4 heures sous une pression d'au moins 40 MPa. Ces matériaux multifonctionnels permettent d'obtenir des propriétés tribologiques et mécaniques favorables qui augmentent la durabilité et réduisent les fluctuations de propriétés tribologiques. Les matériaux multifonctionnels utilisés permettent d'obtenir un COF supérieur à 0,4 et qui ne chute pas en fonction de l'humidité, de la température et de la vitesse en dessous de 0,3. A ce comportement de friction exceptionnel est associée une résistance à l'usure particulièrement intéressante. On obtient alors des coefficients d'usure (Kv) très inférieurs à 10-5 mm3lNm et pouvant atteindre même des valeurs de 10-7 m-n3/Nm. Les matériaux multifonctionnels choisis dissipent avantageusement la chaleur dans le volume des systèmes de freinage et/ou d'embrayage compte tenu de leur grande conductivité thermique conviennent donc idéalement. Les matériaux composites et revêtements de l'invention peuvent être aussi favorablement appliqués contre tout type de matériau pour plaquettes et garnitures existantes. Dans le composite final ou dans l'alliage, la concentration des matériaux multifonctionnels sera de préférence comprise entre 10 et 30 % en volume. Pour avoir une efficacité tribologique intéressante, la taille moyenne des particules doit être de préférence comprise entre 5 pm et 30 pm dans le composite métal/matériau multifonctionnel final ou dans l'alliage et plus particulièrement entre 10 gm et 20 #tm. En ce qui concerne les revêtements, l'épaisseur de la couche finale doit être, de préférence, comprise entre 100 et 500 gm pour les systèmes de freinage et elle doit être, de préférence, comprise entre 20 gm et 200 #tm pour les systèmes d'embrayage. Les différents matériaux utilisés dans l'invention seront particulièrement détaillés par la suite ainsi que le(s) procédé(s) le plus approprié pour obtenir un composite ou un alliage en matrice aluminium et/ou un revêtement sur aluminium à partir dudit matériau. Les principaux procédés d'incorporation du matériau multifonctionnel au coeur de la matrice métallique ou en surface sont, selon l'invention -L'alliage :par la métallurgie en poudre ou, par incorporation réactive, -Le revêtement :par projection thermique ou, par procédé "HVOF" (High Velocity Oxygen Fuel) ou, par formation in-situ (modification chimique de la surface comme par exemple la nitruration du métal en surface). Les matériaux A14SiC4, Ti02 et Tin02n_1 réagissent avec l'aluminium, ils ne peuvent donc être incorporées que par la métallurgie en poudre ou être déposées par projection thermique du fait de leur température de ramollissement élevée : TS (Ti02) _ 2000 C, TS (Tin02n_1) = 1680-1850 C. L'avantage d'utiliser la métallurgie en poudre est de pouvoir combiner les recommandations en vue du poids, de la diffusivité thermique et de l'usinage d'une matrice en aluminium avec les propriétés tribologiques d'une composante triboactive qui définit le comportement de frottement La métallurgie en poudre ouvre, en particulier, la possibilité de réaliser un matériau avec une composante triboactive en matrice d'aluminium pour obtenir une grande diffusivité thermique vers la pièce forgée à partir dudit matériau. Fe3A1 est également incorporable à une matrice en aluminium par métallurgie en poudre par le mode opératoire suivant : poudre d'un alliage d'aluminium A16xxx en mélange avec 50% Fe3A1 en volume. Ce mélange est ensuite extrudé et forgé aux dimensions finales du disque. Fe3A1 présente une phase intermétallique dure. De même, pour Tin02n_1, on suit le mode opératoire suivant On mélange une poudre d'un alliage A1 6xxx avec 30% en volume de Tin02n_1 de diamètre moyen compris entre 10 et 30 #tm. Le mélange est alors extrudé et forgé aux dimensions finales du disque. On obtient en général, avec par exemple Ti407, Ti509 ou Ti02 des COF supérieurs à 0,3 pour des températures de sollicitation comprise entre 22 C et 400 C et des Kv en général inférieurs à 10-6 et parfois jusqu'à 10-7 mm3/Nm. L'introduction réactive permet, par exemple, d'avoir des particules d'A14C3 en matrice métallique. Les particules d'A14C3 sont formées par réaction, dans une fonte en alliage d'aluminium par réaction avec du SiC ou du graphite (1% en poids de graphite donne environ 4,5 % en volume d'Al4C3). La réaction avec le SiC est plus facile, lorsqu'on utilise comme produit de départ un aluminium "pur" et parce que cette réaction allie l'aluminium avec le silicium. Dans un composite formé par métallurgie des poudres entre un alliage d'aluminium et du SiC ou du graphite, un traitement thermique pendant une heure, à 90 % de la température de fusion de cet alliage, est suffisant pour former A14C3. En général, le traitement thermique forme seulement des particules de dispersion de taille inférieure à 1 gin, ce qui ne permet d'augmenter que la résistance à la rupture. Cependant, comme cela a été précédemment mentionné, l'efficacité tribologique est particulièrement importante pour des particules de taille préférentiellement comprise entre 5 gm et 30 #tm et plus particulièrement comprise entre 10 gra et 20 gin. Une mise en oeuvre particulière de l'invention consiste en la réalisation de revêtements à base de matériaux multifonctionnels sur des pièces métalliques, en particulier en aluminium. L'application d'un revêtement a pour but d'améliorer uniquement les propriétés de la surface sollicitée, en particulier contre l'usure, sans modifier la nature du support de ce revêtement. Cette solution peut s'avérer particulièrement intéressante d'un point de vue économique parce que le substrat ne nécessite pas d'exigence particulière. On privilégie comme procédé de revêtement la projection thermique qui permet d'obtenir des épaisseurs pouvant atteindre 1000 gmm. La projection thermique s'applique de préférence seulement sur les surfaces frottantes des disques, tambours et plateaux de pression, mais peut être aussi appliquée sur celles des garnitures et plaquettes. Un autre procédé de revêtement particulièrement approprié est le "HVOF" (High Velocity Oxygen Fuel), qui permet d'obtenir des adhérences de couche supérieures à celle obtenue par projection plasma. Il peut s'avérer parfois nécessaire de déposer des couches intermédiaires pour éviter la délamination des couches dures lors de la dilatation thermique du matériau. Une mise en oeuvre particulière d'un revêtement selon l'invention consiste en la réalisation de pièces métalliques revêtues d'une couche de nitrure d'aluminium. La nitruration de l'aluminium représente un processus alternatif pour réaliser une surface en AIN afin d'éliminer le grippage. En effet, la liaison métallique entre l'aluminium et le matériau est transformée en une liaison covalente/ionique, plus forte que la liaison métallique. On utilise comme base un alliage AIMgSi 6xxxx, qui est nitruré dans une enceinte sous pression (de préférence inférieure ou égale à 1 MPa mais qui peut être portée à 20 MPa pour des applications spécifiques) sous atmosphère d'azote à une température d'au plus 500 C. Toute la surface de l'alliage d'aluminium est transformée en nitrure (AIN et Si3N4). Avec une couche ayant une épaisseur de seulement 5 gm, les propriété de résistance à la corrosion sont déjà réelles. De plus, par ce procédé, une couche de 30 à 40 pm d'épaisseur est réalisable. Pour une nitruration complète de la surface, seuls les AISi9 jusqu'à AISi17 (dans la série des AA6xxx) devront être utilisés. La stoechiométrie, la dureté Hv comprise entre 900 MPa et 1200 MPa et l'épaisseur du A1xN dépendent du procédé. Comme la sollicitation de la pièce, par exemple un plateau d'embrayage, est de courte durée (quelques centaines de millisecondes pendant le changement de vitesse et inférieure à 2 secondes pendant le démarrage), les usures linéaires sont inférieures à l'épaisseur de la couche nitrurée, dont le coefficient d'usure (Kv) est inférieur à 10-6 mm3/Nm. Le coefficient d'usure Kv des pièces ainsi revêtues diminue même en dessous de 10-7 mm3/Nm à bas régime, du fait des propriétés d'accommodation ou rodage ("running-in") du nitrure d'aluminium. La présente invention est particulièrement adaptée pour la réalisation de disques de freinage et/ou d'embrayage, de tambours de système de freinage et/ou d'embrayage, de plateaux de pression de système d'embrayage, de garnitures de système de freinage et/ou d'embrayage ou de plaquettes de système de freinage et/ou d'embrayage comportant une pièce de friction métallique sollicitée tribologiquement en mode non lubrifié. REVENDICATIONS 1. Pièce de friction métallique sollicitée tribologiquement en mode non lubrifié caractérisée en ce qu'elle comporte, au moins au niveau de la partie de la pièce amenée à être soumise à une friction, une couche sous forme d'alliage, de composite ou d'un revêtement présentant un coefficient de frottement (COF) compris entre 0,3 et au moins 0,5 et/ou un coefficient d'usure (Kv) inférieur à 10-Smm3/Nm. 2. Pièce de friction selon la revendication 1 caractérisée en ce que la couche sous forme d'alliage, de composite ou de revêtement présente un coefficient de frottement (COF) compris entre 0,3 et 0,7. 3. Pièce de friction selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le métal composant ladite pièce est de l'aluminium. 4. Pièce de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'on utilise au moins dans la couche, au moins un matériau multifonctionnel ayant simultanément les propriétés d'abrasion et de lubrification; 5. Pièce de friction, selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte un revêtement constitué d'au moins un matériau multifonctionnel choisi parmi le nitrure d'aluminium (AIN), le carbure d'aluminium (A14C3), le carbure d'aluminium et de silicium (A14SiC4), l'oxyde de titane (Ti02), les oxydes de titane à teneur en oxygène sous- stoechiométrique (Tin02n_1) stabilisés par des oligoéléments, les carbures souples et leurs mélanges. 6. Pièce de friction, selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le revêtement est obtenu par projection thermique ou par "HVOF". 7. Pièce de friction, selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que le revêtement est une couche d'AIN obtenue par nitruration d'un alliage d'aluminium. 8. Pièce de friction, selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ledit revêtement a une épaisseur comprise entre 100 et 500 pm. 9. Pièce de friction, selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ledit revêtement a une épaisseur comprise entre 20 et 200 gmm. 10. Pièce de friction, selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que elle comporte en alliage dans la matrice métallique au moins un matériau multifonctionnel choisi parmi Fe3A1, le carbure d'aluminium (A1403), le carbure d'aluminium et de silicium (A14SiC4), l'oxyde de titane (Ti02), les oxydes de titane à teneur en oxygène sous -stoechiométrique (TinO2n_1) stabilisés par des oligoéléments, les carbures souples et leurs mélanges. 11. Pièce de friction, selon l'une quelconque des revendications 5 ou 10, caractérisée en ce que le carbure souple est choisi parmi Ti2AIC, Cr2AIC, Ti2AlN, Ti3S'C2, Tï3AIC2 et leurs mélanges. 12 Pièce de friction selon l'une quelconque des revendications 5 ou 10, caractérisée en ce que les oligoéléments sont choisis parmi Al, Ti, Zr, Co, Cr, Fe, Ni, Mn, Nb et K et leurs mélanges. 13. Pièce de friction, selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que l'alliage entre la matrice métallique et le matériau multifonctionnel est obtenu par réaction avec une fonte d'aluminium. 14. Pièce de friction, selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisée en ce que les matériaux multifonctionnels sont présents dans la matrice métallique à une concentration comprise entre 10 7o et 30 7o en volume. 15. Pièce de friction, selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisée en ce que les particules de matériau multifonctionnel ont une taille comprise entre 5 et 30 gmm. 16. Pièce de friction, selon la revendication 15, caractérisée en ce que les particules de matériau multifonctionnel ont une taille comprise entre 10 et 20 grm. 17. Disque de freinage ou embrayage pour véhicule caractérisé en ce qu'il comprend une pièce de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 16. 18. Tambour de système de freinage ou embrayage pour véhicule caractérisé en ce qu'il comprend une pièce de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 16. 19. Plateau de pression de système d'embrayage pour véhicule caractérisé en ce qu'il comprend une pièce de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 16. 20. Garniture de système de freinage ou embrayage pour véhicule caractérisée en ce qu'elle comprend un revêtement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, 11 ou 12. 21. Plaquette de système de freinage ou embrayage pour véhicule caractérisée en ce qu'elle comprend un revêtement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, 11 ou 12.