Brevet FR2880086A1 — publié le 20060630

Pièce de friction mécanique pour système de freinage et d'embrayage comportant une zone d'alliage d'aluminium et de fer La présente invention concerne de nouvelles pièces de friction, notamment pour des disques ou des tambours de freins, qui dans un système métallurgique ne forment plus aucune phase liquide jusqu'à une température de 600 C. Ces pièces peuvent être utilisées en particulier pour des véhicules automobiles. La présente invention concerne également un procédé d'obtention de ces pièces de friction. De nombreux alliages d'aluminium tels que Al-Si, AI-Cu-Mg, Al-Zn- Mg, AI-Si-Mg ou Al-Cu ont souvent été utilisés pour la fabrication de disques et/ou de tambours de frein pour les véhicules automobiles ou pour les trains. Cependant, l'utilisation de ces alliages dans la réalisation des disques de frein présente un certain nombre d'inconvénients. Une chute de la capacité calorifique massique de ces alliages a été observée entre 250 C et 300 C provoquant une brusque augmentation de la température du disque pouvant ainsi entraîner des risques de fusion et de cisaillement. En outre, les températures eutectiques de ces alliages Iimitent les températures d'éclair et surfacique générées par le frottement du disque à des valeurs voisines de 450 C. Au-delà de ces températures, ces alliages présentent des risques de fusion partielle. Par conséquent, le disque fond partiellement et on observe une chute du coefficient de frottement du disque. Enfin, la superplasticité à chaud de certains de ces alliages tels que AI-6Cu-Zr n'est pas favorable pour une application de freinage. Pour remédier à ces inconvénients, l'utilisation de fontes grises à hautes teneurs en carbone (3,5-3,9 % en poids) pour la réalisation de disque de freinage a été envisagée. En effet, les températures eutectiques d'un disque en fonte grise sont de l'ordre de 1250 C. De plus, l'utilisation de ces matériaux permet d'obtenir des disques présentant une résistance à la rupture élevée à 700 C. L'avantage lié à l'utilisation d'un disque à base d'alliage en aluminium par rapport à un disque en fonte grise est la réduction de la masse du disque. Or pour des raisons de sécurité et ce quelles que soient les conditions de fonctionnement, un disque en alliage d'aluminium doit être capable d'emmagasiner la même quantité de chaleur qu'un disque en fonte grise. Cependant, la capacité calorifique massique des alliages d'aluminium est inférieure à celle des fontes grises. Afin d'obtenir la même capacité calorifique massique qu'une fonte grise pour pouvoir emmagasiner la même quantité de chaleur, il est donc nécessaire d'augmenter la masse de l'alliage d'aluminium. De plus, les disques en alliages d'aluminium de l'état de la technique présentent une température de fusion interne de l'ordre de 400 C. On entend par température de fusion interne, la température à laquelle on observe l'apparition d'une phase liquide au coeur de la pièce. Ainsi, au-delà de cette température, les disques en aluminium peuvent fondre et se cisailler. Cette température limite donc également la capacité calorifique massique du disque en alliage d'aluminium de l'état de la technique. Ainsi, l' allègement par la réduction du poids absolu du disque va généralement à l'encontre de la maximisation de la capacité calorifique massique. La demanderesse a trouvé de manière surprenante qu'en utilisant des alliages particuliers à base d'aluminium et de fer pour la réalisation de pièces de friction, il était possible d'obtenir des pièces de friction plus légères que les pièces en fonte grises tout en présentant une capacité calorifique massique plus élevée que les pièces en alliage d'aluminium de l'état de la technique. En particulier, les pièces de friction selon l'invention présentent sensiblement la même capacité calorifique que les pièces de friction en fonte grise. La demanderesse a également constaté que les pièces de friction selon l'invention présentent une température d'apparition de phase liquide supérieure à 600 C. Elle a également observé que les pièces de friction selon l'invention présentent à une température comprise entre 500 C et 550 C une résistance à la rupture élevée qui est comparable à celle obtenue pour un disque en fonte grise, avec une teneur d'environ 3,7% en carbone. Ces pièces de friction présentent ainsi une résistance à la rupture améliorée, notamment à 500 C. Ces pièces de friction présentent enfin une dureté Vickers élevée, comprise entre 200 et 700 MPa, ce qui permet de mieux résister à l'usure abrasive. La présente invention a donc pour objet une pièce de friction mécanique 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 zone d'alliage à base d'aluminium comprenant de 0,1 à 15 % en poids de Fe et un ou plusieurs éléments choisis parmi V, Si, Ce, Mo, Cr et/ou Ti. La zone d'alliage peut constituer tout ou partie de la pièce de friction. Les pourcentages sont calculés par rapport au poids total de la composition. On entend par sollicitation tribologique en mode non lubrifié, au sens de l'invention, toute sollicitation tribologique à sec entre deux surfaces sans adjonction significative de substance lubrifiante entre lesdites surfaces. L'invention a aussi pour objet l'utilisation d'une pièce de friction mécanique décrite ci-dessus pour un disque de freinage ou d'embrayage ou pour un tambour de frein ou d'embrayage. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une pièce de friction mécanique décrite ci-dessus comprenant une étape de coulée de l'alliage. L'invention a également pour objet des disques de freinage ou d'embrayage et des tambours de système de freinage ou d'embrayage. D'autres objets apparaîtront à la lecture de la description et des exemples qui suivent. Les pièces mécaniques de friction conformes à la présente invention comportent, au moins au niveau de la partie de la pièce amenée à être soumise à une friction, une zone d'alliage à base d'aluminium comprenant de 0,1 à 15 % en poids de Fe et un ou plusieurs éléments choisis parmi V, Si, Ce, Mo, Cr et/ou Ti. L'alliage à base d'aluminium et de fer selon l'invention est choisi parmi: Al-Fe-V-Si, avec 0,1-15 % en poids de Fe, 0,3-15 % en poids de V, 0,1-5 % en poids de Si et le reste en Al, AI-Fe-Ce, avec 0,1-15 % en poids de Fe, 0,1-9 % en poids de Ce et le reste en Al, Al-Fe-V, avec 0, 1-15 % en poids de Fe, 0,1-5 % en poids de V et le reste en Al, AI-Fe-Mo, avec 0,1-15 % en poids de Fe, 0,3-9 % en poids de Mo et le reste en Al, Al-Fe-Cr-Ti, avec 0,5-10 % en poids de Fe, 0,4-8 % en poids de Cr, 0,3 à 5 % en poids de Ti le reste en Al. De préférence, les pièces mécaniques de friction comprennent au moins au niveau de la partie de la pièce amenée à être soumise à une friction, une zone d'alliage à base d'aluminium et de 0,1 à 15 % en poids de Fe choisi parmi Al-Fe-V-Si, avec 0,1-15 % en poids de Fe, 0,3-15 % en poids de V, 0,1-5 % en poids de Si et le reste en Al, et Al-Fe-Cr-Ti, avec 0,5-10 % en poids de Fe, 0,4-8 % en poids de Cr, 0,3-5 % en poids de Ti et le reste en Al. En particulier, les alliages préférés sont A1-8,5Fe-1,3V-1,7Si et Al-7Fe-6,3Cr-2,5Ti. Les alliages selon l'invention présentent une dureté Vickers comparable à la dureté des fontes grises. Les pièces selon l'invention peuvent comporter en outre au niveau de la partie de la pièce amenée à être soumise à une friction, sur la zone d'alliage, un revêtement qui a pour fonction d'améliorer sur les surfaces frottantes, la résistance contre l'usure, de réguler et/ou stabiliser le coefficient de frottement et de gérer la répartition du flux de chaleur entre les plaquettes et le disque. Ce revêtement permet de préserver l'avantage de la faible densité des alliages et d'éviter les inconvénients tribologiques éventuels de ces alliages. Ces revêtements peuvent être choisis de préférence parmi un cermet en (Ti, Ta, W, Mo)(C,N) avec un liant en alliages Ni, Mo, Co et/ou Cr, un mélange de 20-80 % en poids de Cr2O3 avec 80-20 % en poids de TiO2, un carbure de chrome avec liants NiCr, un mélange de 20-80 % en poids d'Al2O3 avec 80-20 % en poids de TiO2 et des solutions en oxydes de titane-chrome à teneur en oxygène sous-stoechiométrique (Tin_,Cr2O2n_1 avec 6 _ Le cermet est constitué d'une phase métallique, le métal étant choisi parmi Ti, Ta, W et/ou Mo et d'une phase non métallique, réfractaire à base de C et/ou N. De préférence, les cermets selon l'invention sont choisis parmi le cermet (Ti,Mo)(C,N) avec 7 % à 30 % en poids de liants en NiCr ou NiMo) et le cermet (Ti,W)(C,N) avec 7 % à 30 % en poids de liants NiCr ou NiMo. En effet, le cermet (Ti,Mo)(C,N) avec 7 % à 30 % en poids de liants en NiCr ou NiMo présente l'avantage d'avoir une conductivité thermique élevée pour attirer le flux de chaleur vers le disque. Les revêtements selon l'invention sont obtenus de préférence par projection thermique. La projection thermique est appropriée pour réaliser les revêtements, car elle permet de réaliser des épaisseurs comprises entre 10 .m et 2000 pm de n'importe quel matériau sur n'importe quel substrat. On peut citer à titre d'exemple de projection thermique, les procédés de projection plasma, le procédé HVOF (High Velocity Oxygen Fuel en langue anglaise) ou encore les procédés de projection cinétique de gaz froids. De façon préférentielle, les revêtements sont obtenus par le procédé de projection thermique à flamme supersonique HVOF. En effet, parmi les procédés appropriés, ce procédé donne des adhérences de couches supérieures à celles obtenues par projection à plasma. Les dépôts sur les surfaces visibles et sollicitées tribologiquement des disques sont de préférence usinés avec des rugosités Rz L'épaisseur du revêtement usiné peut varier entre 50 m et 1000 m, en fonction du revêtement sélectionné. Les pièces selon l'invention peuvent présenter en outre une couche d'accrochage sur la zone d'alliage afin de résister à l'oxydation à chaud en atmosphère humide. Les couches d'accrochage sont choisies parmi les aciers inoxydables à base de Fe-Cr, Ni-Cr et Fe-Cr-Ni, tels que Fel7Cul2Ni2MolSiO,1C ou Fel6Cu2NiO,2C ou Ni22Cu1OA11Y. Il peut s'avérer parfois nécessaire de déposer des couches intermédiaires entre la zone d'alliage et la couche d'accrochage pour éviter la délamination des couches dures lors de la dilatation thermique du disque. Les pièces selon l'invention peuvent en outre, au niveau de la partie de la pièce amenée à être soumise à une friction, c'est-à-dire au niveau de la zone d'alliage, être renforcées par des particules, des fibres et/ou trichites. Les particules, les fibres et/ou les trichites peuvent être choisis parmi les composés gamma A1ON, (Al2OC)1_x(AlN)x, Al28C6021N, le carbure d'aluminium (A14C3), le carbure d'aluminium et de silicium (Al4SiC4), l'oxyde de titane TiO2, les oxydes de titane à teneur en oxygène sous-stoechiométrique (TinO,n_1), les oxydes de titane et de chrome à teneur en oxygène sous-stoechiométrique (Tin_2Cr2O2,,_1) ou l'oxyde d'aluminum (Al203). Les particules céramiques, utilisées comme renforcement, permettent d'augmenter la résistance à la rupture ainsi que la résistance à chaud des alliages en aluminium et de fer, sans adjonction du revêtement. Ces particules permettent également de gérer la diffusivité du composite à base d'aluminium et de fer ainsi que d'augmenter sa capacité calorifique massique. Les particules utilisées comme renforcement sont, de préférence, les composés TinO2n_,, avec 3 L'application des phases Magnéli, comme revêtement de tribosystème (tels que sur chemises) a déjà été décrite dans les documents DE 195 48 718 Cl, FR 2 793 812 ainsi que dans FR 2 756 887. Les oxydes de titane, molybdène, tungstène et vanadium forment des séries homologues (par exemple: TinO2i_1, 3 Les composés TinO2n_1, avec 3 Les particules A14C3, pouvant être utilisées comme renforcement, sont insolubles dans un alliage d'aluminium de sorte qu'elles peuvent être alliées en tant que particules et/ou platelets (trichites) dans une matrice à base d'aluminium. L'A14C3 peut également se former par réaction entre l'aluminium avec du SiC ou du graphite (1 % en poids de graphite donne environ 4,5 % vol. A14C3). La réaction avec le SiC est plus facile, parce qu'on part d'un aluminium "pur" ou sans silicium et la réaction avec le SiC allie l'aluminium avec le silicium. Les pièces selon l'invention sont de préférence obtenues par une étape de coulée des alliages à base d'aluminium et de fer, éventuellement suivie d'un laminage puis d'un découpage de la pièce ou d'une étape de transformation dans le cas des tambours de frein. On prépare le mélange de métaux dans un four à induction que l'on coule après dégazage dans un moule en graphite en atmosphère inerte en argon. Le moule en graphite est préchauffé à une température avoisinant 400 C. La température de coulée peut varier de 670 C à 700 C. On laisse ensuite le mélange se solidifier dans le moule. Après solidification du mélange, on lamine plusieurs fois la pièce obtenue puis on procède à un découpage pour obtenir un disque sans ailette. De façon préférentielle, ce procédé présente, avant la coulée de l'alliage, une étape de refinement des grains. Cette étape consiste à ajouter dans le mélange en fusion une quantité inférieure à 0,3 % en poids par rapport au poids total de la composition de Mg, Sr, Zr et/ou Ce. Une telle étape permet d'éviter la présence de soufflures dans la pièce obtenue. Les alliages de l'état de la technique sont généralement obtenus par un procédé de solidification rapide ou atomisation. Ce procédé présente l'inconvénient de ne pas être applicable en grande série, et pour des pièces complexes, telles que les disques. En outre, on observe que les alliages obtenus par ce procédé présentent des valeurs de résistance à la rupture à chaud insuffisantes pour une application de freinage, car ils recristallisent à chaud. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir, à la différence de la solidification rapide, des alliages à base d'aluminium et de fer présentant des valeurs de résistance à la rupture stables à chaud en particulier pour des températures de l'ordre de 500 C. Ces alliages présentent donc à chaud des résistances à la rupture supérieures à celles obtenues pour les alliages de I'état de la technique obtenus par solidification rapide après recuit. Le procédé selon l'invention permet également d'augmenter le diamètre des grains des alliages par rapport à ceux obtenus dans l'état de la technique par solidification rapide. Un tel procédé permet également d'obtenir des alliages dont l'épaisseur est inférieure à celle des alliages obtenus par solidification. Il présente aussi un avantage en usinage pour les alliages renforcés puisqu'il permet de réduire les déchets de copeaux, ce qui constitue un gain économique. Les pièces selon l'invention sont particulièrement adaptées pour la réalisation de disques de freinage et/ou d'embrayage et de tambours de système de freinage et/ou d'embrayage. Les exemples suivants sont destinés à illustrer l'invention Exemple 1: Préparation d'un disque de frein en alliage d'aluminium Al-8, 5Fe-1,3V-1,7Si. On prépare l'alliage de composition 8,5 % de Fe, 1,3 % de V, 10 1, 7 % de Si et le reste en Al. Les pourcentages sont calculés en poids par rapport au poids total de la composition. Le mélange est préparé dans un four à induction et il est ensuite coulé dans un moule en graphite préchauffé à 400 C. La coulée est réalisée sous atmosphère inerte d'argon à une température de 700 C. Après solidification, on lamine puis on découpe la pièce pour obtenir un disque de frein. On observe que, pour des températures inférieures à 600 C, l'alliage en aluminium ne présente pas de phases liquides. Exemple 2: Préparation d'un tambour de système freinage en alliage d'aluminium Al-7Fe-6,3Cr-2,5Ti. On prépare l'alliage de composition 7 % de Fe, 6,3 % de Cr, 25 2,5 % de Ti et le reste en Al. Les pourcentages sont calculés en poids par rapport au poids total de la composition. Le mélange est préparé dans un four à induction et il est ensuite coulé dans un moule en graphite préchauffé à 400 C. La coulée est réalisée sous atmosphère inerte d'argon à une température de 700 C. Après solidification, on lamine plusieurs fois la pièce. Une telle opération est suivie d'un découpage puis d'un emboutissage de la pièce afin d'obtenir un tambour de frein. On observe que pour des températures inférieures à 600 C, l'alliage en aluminium ne présente pas de phases liquides. REVENDICATIONS 1. Pièce de friction mécanique 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 zone d'alliage à base d'aluminium comprenant de 0,1 à 15 % en poids de Fe et un ou plusieurs éléments choisis parmi V, Si, Ce, Mo, Cr et/ou Ti. 2. Pièce de friction selon la revendication 1 caractérisée en ce que, ledit alliage est choisi parmi: Al-Fe-V-Si, avec 0,1-15 % en poids de Fe, 0,3-15 % en poids de V, 0,1-5 % en poids de Si et le reste en AI, Al-Fe-Ce, avec 0,1-15 % en poids de Fe, 0,1-9 % en poids de Ce et le reste en Al, Al-Fe-V, avec 0,1-15 % en poids de Fe, 0,1-5 % en poids de V et le reste en Al, AI-Fe-Mo, avec 0,1-15 % en poids de Fe, 0,3-9 % en poids de Mo et le reste en Al, et AI-Fe-Cr-Ti, avec 0,5-10 % en poids de Fe, 0,4-8 % en poids de Cr, 0,3 à 5 % en poids de Ti et le reste en Al. 3. Pièce de friction selon la revendication 2 caractérisée en ce que, ledit alliage est choisi parmi: Al-Fe-V-Si, avec 0,1-15 % en poids de Fe, 0,3-15 % en poids de V, 0,1-5% en poids de Si et complément en Al, et Al-Fe-Cr-Ti, avec 0,5-10 % en poids de Fe, 0,4-8 % en poids de Cr, 0,3 à 5 % en poids de Ti et le reste en Al. 4. Pièce de friction selon les revendications 1 à 3 caractérisée en ce que la zone d'alliage est revêtue par un matériau choisi parmi: un cermet en (Ti, Ta, W, Mo)(C,N) avec un liant en alliages Ni, Mo, Co, Cr, un mélange de 20-80 % en poids de Cr203 avec 80-20 % en poids de TiO2, un carbure de chrome avec liants NiCr, un mélange de 20-80 % en poids d'Al2O3 avec 80-20 % en poids de TiO2, et des solutions en oxydes de titane-chrome à teneur en oxygène sous-stoechiométrique (Tin_2Cr2O2i_1 avec 6 Sn 5. Pièce de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisée en que ledit revêtement est constitué d'un cermet en (Ti, Mo)(C,N) avec 10 à 30 % en poids de liants NiCr ou NiMo. 6. Pièce de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que la zone d'alliage comprend en outre une couche d'accrochage. 7. Pièce de friction selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisée en ce que la zone d'alliage est renforcée par des particules, fibres et/ou trichites. 8. Pièce de friction selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que lesdits alliages sont susceptibles d'être obtenus par coulée. 9. Utilisation d'une pièce de friction selon l'une quelconque des revendications précédentes pour un disque de freinage ou d'embrayage ou pour un tambour de frein ou d'embrayage. 10. Procédé d'obtention d'une pièce de friction à base d'alliage en aluminium selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisée en ce qu'il comprend une étape de coulée de l'alliage. 11. Procédé d'obtention selon la revendication 10 caractérisé en ce qu'une étape de refinement des grains est réalisée avant la coulée, par ajout d'une quantité inférieure à 0,3 % en poids par rapport au poids total de la composition de Mg, Sr, Zr et/ou Ce. 12. Alliage à base d'aluminium comprenant de 0,1 à 15 % en poids de Fe et un ou plusieurs éléments choisis parmi V, Si, Ce, Mo, Cr et/ou Ti caractérisé en qu'il est susceptible d'être obtenu par coulée.