Brevet FR2817004A1 — publié le 20020524

La présente invention concerne un matériau de friction destiné à un frein de véhicule ou de machine industrielle et, plus précisément, un matériau de friction ayant d'excel- lentes performances de friction à température élevée et une excellente résistance mécanique et ne contenant ni métaux à base de cuivre ni composé d'antimoine. On a utilisé, comme matériau de friction, dans le cas des matériaux de friction sans amiante qui sont de plus en plus utilisés pour remplacer les matériaux de friction existants à base d'amiante, de nombreux types d'ingrédients fibreux, par exemple pour accroître la résistance mécanique, pour maintenir le coefficient de frottement et pour amélio- rer les qualités, et on utilise beaucoup des fibres métal- liques, telles que des fibres de cuivre, des fibres d'acier et analogues. Les matériaux de friction sans amiante utilisés actuel- lement contiennent en général environ 0 à 20 % en volume de fibres ou de poudre de cuivre. Le cuivre est utile pour la résistance mécanique de renforcement, pour l'augmentation du coefficient de frottement des matériaux de friction, et pour le maintien du coefficient de frottement à une température supérieure ou égale à 400 C, avec augmentation du rendement de rayonnement de chaleur. Les fibres de cuivre, à la diffé- rence des fibres d'acier, ont des caractéristiques moins agressives qui conduisent à une augmentation de la résis- tance à l'usure d'un organe coopérant, par exemple d'un rotor, et une réduction de création de rouille. En outre, d'autres ingrédients fibreux, éléments modi- ficateurs du coefficient de frottement et éléments de liaison sont contenus, et Sb2S3, qui contient de l'antimoine qui est un métal lourd, est ainsi utilisé comme ingrédient modificateur de frottement. Les composés de l'antimoine, tels que Sb2S3 ou Sb203, sont normalement présents dans un matériau de friction sans amiante en quantité inférieure ou égale à quelques pourcents en volume, et sont utiles pour une augmentation de la lubri- fication aux températures élevées et pour l'accentuation du caractère incombustible des matériaux de friction. Cependant, récemment, pour des raisons relatives à la sécurité de l'environnement, on a demandé, essentiellement en Europe et en Amérique, la mise au point de matériaux de friction ne contenant pas de métaux lourds tels qu'indiqués précédemment. Les matériaux de friction qui ne contiennent pas de métaux lourds, tels que le cuivre ou l'antimoine, mais qui ont des caractéristiques équivalentes de celles des maté- riaux existants de friction sont donc nécessaires, mais on n'a pas encore trouvé de matériaux capables de remplacer les matériaux à base de cuivre. A la place des matériaux à base de cuivre, il existe de façon classique des matériaux de friction semi-métalliques, ayant des fibres d'acier qui sont cependant très agressives et peuvent créer de la rouille. L'invention est destinée à la solution des problèmes précités, et elle a pour objet un matériau de friction de frein ne contenant pas de matériau à base de métaux lourds, tels que le cuivre et l'antimoine. L'invention a aussi pour objet la mise à disposition d'un matériau de friction pour frein ayant d'excellentes performances de friction aux températures élevées et une excellente résistance mécanique. A cet effet, les inventeurs ont exécuté des études sur des matériaux de remplacement des fibres de cuivre, des poudres de cuivre, et des poudres de Sb203 et de Sb203. En conséquence, ils ont constaté que les objets précités pou- vaient être atteints avec un matériau de friction contenant de l'oxyde de magnésium MgO et du graphite en quantité spécifique et avec des taux spécifiques. Il faut noter que MgO a une faible agressivité car il est relativement tendre, par comparaison à des particules céramiques, et a une conductibilité thermique élevée, et le graphite assure la conservation du coefficient de frottement à 400 C et au- dessous et est utile pour l'obtention d'une bonne onctuosité et d'une bonne conductibilité thermique. Ainsi, l'invention concerne un matériau de friction contenant des ingrédients fibreux, des ingrédients de liai- son et des ingrédients modificateurs de friction, et qui est caractérisé en ce que de l'oxyde de magnésium MgO et du graphite sont incorporés au matériau de friction en quantité comprise entre 45 à 80 % en volume, avec un rapport en volume de l'oxyde de magnésium MgO au graphite compris entre 1/1 et 4/1. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente deux graphiques indiquant la relation entre l'amplitude d'usure et le coefficient de frottement, d'un part, et, d'autre part, la quantité conte- nue de MgO et de graphite incorporée au matériau de fric- tion; et la figure 2 représente deux graphiques illustrant la relation entre l'amplitude d'usure et le coefficient de frottement, d'un part, et, d'autre part, le rapport en volume de MgO et du graphite incorporés au matériau de friction. L'invention concerne un matériau de friction qui contient des ingrédients fibreux, des ingrédients de liaison et des ingrédients modificateurs de friction, et qui contient de l'oxyde de magnésium (MgO) et du graphite en quantité spécifique, comme ingrédients modificateurs de friction. On peut utiliser, comme ingrédient fibreux, des fibres organiques telles que des fibres d'aramide ou acryliques, et des fibres minérales, telles que des fibres de verre, de laine de roche, de carbone ou de céramique. Les ingrédients fibreux peuvent être présents sous forme d'un seul type ou avantageusement sous forme d'une combinaison d'au moins deux types choisis parmi les ingrédients précités. Comme ingrédient de liaison, on peut utiliser des résines phénoliques, des résines d'urée, des résines méla- mines ou des résines thermodurcissables ainsi que des résines correspondantes modifiées. Les ingrédients modificateurs de friction sont l'oxyde de magnésium MgO et le graphite. On peut aussi utiliser, comme ingrédient modificateur de friction autre que MgO et le graphite, des substances présentant une onctuosité, telles que la poussière de noix de cachou, la poussière de caoutchouc, la poudre d'alumine, la poudre de silice, le silicate de zirconium, le sulfate de baryum ou le carbonate de calcium. MgO et le graphite des ingrédients modificateurs de friction sont compris entre 45 et 80 % en volume dans le matériau de friction. Les figures 1 et 2 représentent les résultats de variations effectuées pour l'étude de la quantité contenue et du rapport de mélange de MgO et du graphite dans le matériau de friction. En pratique, comme organe coopérant, on a utilisé des éprouvettes de fonte ayant une dimension égale au dixième de celle du rotor, soumises de façon répétée à des essais de friction à des températures élevées (jusqu'à 500 C) à l'aide d'un appareil d'essais de friction du type à inertie du système "Dynamo". La figure 1 représente les résultats du changement des quantités de MgO ou de graphite contenues dans le matériau de friction, alors que la figure 2 représente les résultats de la fixation de la somme des quantités de MgO et de graphite dans le matériau de friction à 60 % en volume, avec changement du rapport de mélange en volume de ces deux types d'ingrédients. On a constaté en conséquence que, si la quantité de MgO et de graphite est inférieure à 45 %, le coefficient de frottement à température élevée est faible et l'usure est très grande, alors que si la quantité dépasse 80 % en volume, la résistance mécanique à température élevée est faible et l'amplitude d'usure augmente. En outre, comme l'indique la figure 2, on constate que le rapport en volume de MgO et du graphite est de préférence compris entre 1/1 et 4/1 et très avantageusement entre 1/1 et 3/1 comme l'indique la figure 2. Si la quantité de MgO est inférieure à la quantité de graphite, la résistance à la chaleur à température élevée diminue, alors que, si la quantité dépasse quatre fois, le rotor du matériau antagoniste et l'amplitude d'usure du matériau de friction augmentent considérablement aux températures élevées. MgO selon l'invention est utilisé sous sa forme habi- tuellement utilisée, telle que MgO actif ou MgO obtenu par électrofusion. Le diamètre moyen des particules de MgO est avantageusement compris entre 10 et 400 gm et très avanta- geusement entre 50 et 200 Fm. Lorsqu'on utilise un matériau correspondant à ces plages, il est possible de garder une faible agressivité et un effet important de renforcement du matériau résistant. Le graphite selon l'invention est du type habituel- lement utilisé dans les matériaux de friction en quantité suffisante, et on peut utiliser par exemple du graphite naturel ou artificiel. Le diamètre moyen des particules de graphite est avantageusement compris entre 5 et 500 pm et très avantageusement entre 50 et 150 gm. Le matériau de friction pour frein selon l'invention peut être produit par un procédé classique, et, plus précisément, de la manière suivante. D'abord, les matières premières précitées destinées au matériau de friction sont mélangées dans un mélangeur ou analogue, et le mélange obtenu analogue à des particules est projeté dans un moule de mise en forme préalable pour former le matériau préformé. Ensuite, le matériau préformé est soumis à une étape de chauffage-pressage, puis à un traite- ment de chauffage sous forme d'un matériau de friction pour frein selon l'invention. Les conditions de la mise sous forme préalable, de chauffage et de pressage, et de traite- ment thermique ne sont pas particulièrement limitées, mais correspondent de préférence aux procédés habituels. EXEMPLES On décrit l'invention plus en détail en référence à des modes de réalisation non limitatifs. On a utilisé des fibres de "Kevlar" (de duPont) comme ingrédient fibreux, une résine phénolique comme ingrédient liant et MgO et du graphite comme ingrédients modificateurs de friction. D'autres ingrédients modificateurs de friction sont la poussière de caoutchouc, la poussière de noix de cajou et le sulfate de baryum. Les matériaux de friction des exemples i à 7 et des exemples comparatifs 1 à 8 ont été formés avec les matières premières ayant les compositions indiquées dans le tableau 1. Il faut noter que, dans l'exemple comparatif 7, des fibres d'acier et de la poudre de fer ont été utilisées alors que, dans l'exemple comparatif 8, on a utilisé le matériau classique de friction sans amiante possédant des fibres de cuivre. Tableau 1 Matériau A B C D Ingrédients E F G de modificateurs de friction friction (% en n volume) pous- pous- BaSO4 sière sière de de noix caout- de chouc cajou Ex. 1 55 23 78 2,4 4 0 5 7 6 - 2 58 22 80 2,6 0 0 7 7 6 - 3 48 14 62 3,4 10 5 10 7 6 - 4 40 10 50 4,0 15 5 17 7 6 - 35 10 45 3,5 15 12 16 7 6 - 6 23 23 46 1,0 15 11 15 7 6 - 7 50 25 75 2,0 5 0 5 8 7 - Ex. 1 60 28 88 2,1 2 0 2 4 4 - comp. 2 42 48 90 0,9 0 0 2 4 4 - 3 30 38 88 0,8 10 0 9 7 6 - 4 55 12 67 4,6 5 5 10 7 6 - 5 25 10 35 2,5 15 15 22 7 6 - 6 25 5 30 5,0 15 15 27 7 6 - 7 5 30 35 0,2 8 10 7 0 0 40a) 8 5 5 13 0,6 12 10 10 15 25 15b) a): fibres d'acier/poudre de fer = 25/15 b): fibres de cuivre Ex. = exemple, Ex.comp. = exemple comparatif A: MgO (% en volume) B: graphite (% en volume) C: MgO + graphite (total % en volume) D: MgO/graphite E: résine phénolique (% en volume) F: fibres de "Kevlar" (% en volume) G: fibres métalliques et poudre métallique (% en volume) Lors de la production des matériaux de friction, après le mélange des matières premières de façon poussée et uniforme dans le mélangeur, le mélange analogue à des par- ticules a été projeté dans le moule de mise en forme préalable et comprimé à une pression d'environ 7,2 MPa pendant 5 s environ à température ambiante. Ensuite, les matériaux de la préforme ont été mis en forme. Ensuite, les matériaux préformés ont été placés dans un moule de mise en forme par chauffage avec des plaques d'appui préalablement revêtues d'un adhésif à base de résine phénolique à ses surfaces, et mis en forme par chauffage et pressage à 13 MPa à 160 C pendant 5 min, puis soumis à un traitement ther- mique à 200 C pendant 5 h pour la production de matériaux de friction de frein. Des essais d'usure ont été réalisés sur un dynamomètre de dimensions normales par utilisation de matériaux de friction de frein réalisés avec le rotor décrit dans la suite. Les conditions d'essais étaient les suivantes. Matériau de rotor: matériau coulé (FC200) ou composé intermétallique léger (TiAl) Cycle d'essais: vitesse initiale 80 km/h décélération: 4,41 m/s2 (0,45 G) température avant début de freinage: 300 C ou 550 C répétition: 45 fois Conditions de roulement continu vitesse initiale 50 km/h décélération: 3,43 m/s2 (0,35 G) température avant début de freinage: 135 C répétition: 100 fois Eléments mesurés: coefficient de frottement amplitudes d'usure (mesure de changements d'épaisseur de matériau de friction et de rotor apres l'essai d'usure à 500 C) Les résultats de l'essai d'usure sont indiqués dans le tableau 2. Tableau 2 Coefficient de frottement (g) Amplitude d'usure Maté- à 500 C riau Température 300 C 500 C Matériau Rotor du de freinage de (m) rotor Rang de 20e 40e 20e 40e friction freinage __ Ex. 1 0,35 0,35 0, 34 0,33 0,5 5 Fonte 2 0,34 0,33 0,33 0,34 0,4 4 Fonte 3 0,35 0,35 0,33 0, 33 0,3 3 Fonte 4 0,36 0,36 0,35 0,34 0,6 5 Fonte 0,35 0,36 0,34 0,34 0,5 6 Fonte 6 0,35 0,34 0,35 0,34 0,4 5 TiAl 7 0,33 0,33 0,34 0,34 0,4 4 TiAl Ex. 1 0,31 0,31 0,38 0,25 1,0 21 Fonte comp. 2 0,34 0,33 0,37 0,24 1,5 24 Fonte 3 0,36 0,35 0,34 0,30 1,3 25 Fonte 4 0,31 0,32 0,31 0,28 1,6 16 Fonte 0,36 0,35 0,36 0,21 2,8 13 Fonte 6 0,32 0,32 0,31 0,22 3,8 17 TiAl 7 0,33 0,33 0,34 0,34 0,4 4 Fonte 8 0,34 0,33 0,35 0,34 0,4 5 Fonte Les matériaux de friction de frein des exemples 1 à 7 ont des valeurs équivalentes de celles des matériaux de friction de frein des exemples comparatifs 7 et 8 (les matériaux de friction existants) ou meilleures. Les exemples comparatifs 1 à 6 (matériaux de friction dans lesquels MgO et le graphite sont en dehors de la plage selon l'invention) sont moins bons que les exemples comparatifs 7 et 8 au point de vue de la stabilité du coefficient de frottement et de l'amplitude d'usure. En par- ticulier, dans l'essai d'usure à 500 0C, l'amplitude d'usure du matériau de friction et des matériaux de rotor sont deux à dix fois celle des exemples comparatifs 7 et 8, et le coefficient de frottement est réduit de 0,3 à 40 fois. Selon l'invention, il est possible de former un matériau de friction pour frein ayant des performances de friction à température élevée et des propriétés mécaniques équivalentes de celles des matériaux de friction classiques sans amiante ou meilleures, mais sans contenir de fibres de cuivre ni de métaux lourds, tels que de la poudre de cuivre et de la poudre de sulfure d'antimoine. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au matériau qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Matériau de friction pour frein, caractérisé en ce qu'il comprend: un ingrédient fibreux, un ingrédient de liaison, et un ingrédient modificateur de friction, dans lequel de l'oxyde de magnésium (MgO) et du gra- phite sont contenus dans le matériau de friction en quantité comprise entre 45 et 80 % en volume, et le rapport volumique (MgO)/graphite de l'oxyde de magnésium (MgO) au graphite est compris entre 1/1 et 4/1. 2. Matériau de friction selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport en volume de MgO et du graphite est compris entre 1/1 et 3/1. 3. Matériau de friction selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre moyen des particules de MgO est compris entre 10 et 400 gm. 4. Matériau de friction selon la revendication 3, caractérisé en ce que le diamètre moyen des particules de MgO est compris entre 50 et 200 gm. 5. Matériau de friction selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre moyen des particules de graphite est compris entre 5 et 500 gm. 6. Matériau de friction selon la revendication 5, caractérisé en ce que le diamètre moyen des particules de graphite est compris entre 50 et 150 gm.