Brevet FR2947567A1 — publié le 20110107

[0001] La présente invention se rapporte à un alliage antifriction à base d'aluminium, à un procédé de réalisation d'un tel alliage ainsi qu'à des pièces de frottement réalisées dans cet alliage. [0002] Le choix d'un matériau de frottement résulte généralement d'un compromis entre un certain nombre d'exigences souvent contradictoires. Ainsi, le matériau doit combiner d'excellentes propriétés mécaniques (dureté, limite d'élasticité, résistance à la compression, au fluage, à la fatigue, résilience, aptitude au vieillissement, amortissement des vibrations et des chocs), de bonnes propriétés physico-chimiques (masse volumique, température limite d'utilisation, coefficient de dilatation, conductivité thermique, conductivité électrique, résistance à l'oxydation et à la corrosion, mouillabilité par les lubrifiants, aptitude aux traitements, reprise d'humidité), des propriétés anti-usure (facilité du rodage, résistance à l'abrasion, à l'adhésion et au grippage, à la corrosion de contact, à l'érosion et à la cavitation, à la corrosion par les lubrifiants), des propriétés techniques (facilité de mise en oeuvre, conformabilité, absorption de particules abrasives, autoréparation par comblement des rayures, dureté minimale de l'antagoniste, comportement en cas de lubrification déficiente ou d'incident, comportement face à l'augmentation du jeu, facilité de réparation ou d'échange, aptitude au soudage sur un support) et des propriétés d'environnement (caractéristiques du milieu, moyens et possibilités de lubrification, problèmes de pollution ou contamination ) et enfin des propriétés � socio-économiques � (coût de revient, disponibilité sous des formes diverses, facilité d'approvisionnement, dépendance des fournisseurs, évolution prévisible des techniques, ...). [0003] On connaît déjà dans la technique de nombreux matériaux de frottement. Parmi les alliages métalliques, on citera les alliages ferreux tels que les aciers (ordinaires, inox ou spéciaux), les fontes dites de frottement, les alliages cuivreux (bronze, laitons, ...), les alliages à base de zinc, les régules et enfin, les alliages d'aluminium. [0004] Les alliages à base d'aluminium connus contiennent toujours une matrice aluminium comprenant des éléments antifriction comme du plomb, du bismuth, du cadmium et de l'étain (seul ou en combinaison) distribués dans la matrice d'aluminium. [0005] Ces éléments antifriction précipitent dans les joints de grain de la matrice d'aluminium à des températures relativement basses (de 230°C à 330°C), en sorte que ces alliages ne peuvent être soumis à un traitement thermique ultérieur par exemple de durcissement. Ces alliages présentent donc généralement une dureté faible (de l'ordre de 60 HB) ce qui limite fortement le taux de charge mécanique des pièces qui en sont constituées. En outre, la température d'utilisation de telles pièces est également sévèrement limitée. [0006] On connaît par exemple les alliages de type 850.0 (AISn6CulNil) ou encore ceux décrits dans les documents suivants : WO A1-2006/074805, US-A1-2003/108765, US-A1-2004/101434, GB-A-448929, GB-A-621336, GB-A-2268188 et US-A1-4631172. On constate que dans la plupart de ces documents, la présence de cuivre a toujours été considérée nécessaire. En effet, le cuivre permet de durcir les alliages à base d'aluminium dans une certaine mesure (par insertion d'atomes dans la matrice d'aluminium). Le cuivre toutefois présente de nombreux inconvénients : il s'agit d'un métal relativement lourd qui augmente de manière significative la densité de l'alliage, il est cher, il augmente très sensiblement la sensibilité à la crique et la tendance à la microretassure. [0007] La présente invention a donc pour objet de nouveaux alliages de frottement à base d'aluminium présentant une dureté accrue, pouvant être utilisés dans une plus vaste plage de températures, tout en conservant les bonnes propriétés anti-frottement des alliages connus. [0008] Selon un premier de ses aspects, l'invention se rapporte à un nouvel alliage présentant une matrice autotrempante (c'est-à-dire d'une composition possédant une vitesse critique de trempe inférieure à la vitesse de refroidissement naturel de l'alliage dans son moule, sa matrice ou filière) ainsi que de 1 à 10% en poids d'étain, plomb, bismuth et/ou cadmium. Selon un autre de ses aspects, l'invention concerne la composition suivante (tous les pourcentages indiqués sont des pourcentages en poids par rapport au poids total de l'alliage ; lorsque plusieurs éléments sont cités, ils peuvent être mis en oeuvre seuls ou en mélange) : zinc : 5 à 18% ; silicium : 1 à 5% ; magnésium : 0,05 à 0,5% ; titane et/ou zirconium : 0,05 à 0,3% ; étain, plomb, bismuth et/ou cadmium : 1 à 10% ; et aluminium : le reste. [0009] II a été observé - qu'en-deçà de 5% en zinc, les propriétés autotrempantes de l'alliage ne sont pas suffisantes et l'alliage manque de dureté ; - qu'au-delà de 18% en zinc, les propriétés de fonderie de l'alliage sont dégradées, - qu'en-deçà de 1% en silicium la résistance mécanique et les propriétés de fonderie sont insuffisantes, - qu'au-delà de 5% en silicium, on forme des points durs dans la matrice qui sont responsables de problème de rayures des pièces en frottement ; - qu'en-deçà de 0,05% en magnésium, on n'obtient pas d'effet autotrempant (le magnésium agit en quelque sorte comme catalyseur de durcissement) ; - qu'au-delà de 0,5% en magnésium, la trempe est trop importante et l'alliage est cassant ; - qu'en-deçà de 0,05% en titane et/ou zirconium, on obtient un affinage insuffisant du grain primaire, ce qui çonduit à une structure moins homogène (ainsi qu'on la expliqué ci-avant, les composés antifriotions précipitent dans les joints de grain de la matrice, l'influence du titane et/ou zirconium sur la taille du grain est donc très importante) ; - qu'au-delà de 0,3% en titane et/ou zirconium, il apparaît une ségrégation significative de composés formant des points durs ; - qu'en-deçà de 1% en étain, plomb, bismuth et/ou cadmium, l'effet antifriction est insuffisant ; et - qu'au-delà de 1,0% en étain, plomb, bismuth et/ou cadmium, ces composés ont tendance à une ségrégation importante et leur distribution dans la matrice n'est plus homogène. De préférence, l'élément antifriction (étain, plomb, bismuth et/ou cadmium) est compris entre 3 et 6%. Bien entendu, l'alliage de l'invention peut en outre contenir les impuretés inévitables, telles que le fer (jusqu'à 1%), le manganèse (jusqu'à 0,8%), le cuivre, le nickel, ... Il convient toutefois de veiller à maintenir tous ces éléments sous la limite totale de 3%. En particulier, pour les raisons indiquées ci-avant, il est préférable d'éviter la présence de cuivre. Ainsi, les alliages préférés selon l'invention comprennent un maximum de 0,75% de cuivre, et avantageusement, un maximum de 0,25% en cuivre. [0010] Après un temps de maturation pouvant aller de quelques heures à quelques jours, la dureté de l'alliage selon l'invention atteint de 90 à 100 HB ce qui permet un taux de charge supérieur de 50% aux alliages conventionnels à base d'aluminium. [0011] En outre, les propriétés supplémentaires suivantes ont été observées avec l'alliage selon l'invention : - de très bonnes propriétés de mise en oeuvre, que ce soir en moulage, en forgeage, en laminage, en filage, coulée continue... qui se résument par une très bonne coulabilité, une criquabilité nulle, une contraction volumétrique à la solidification relativement faible de l'ordre de 7% ; - de très bonnes propriétés technologique ; - une masse volumique de l'ordre de 3 g/cm' ; - une conductibilité thermique de 125 W/m°C ; - une résistivité électrique de l'ordre de 5 pacm ; - une excellente usinabilité ; - une bonne tenue à la corrosion atmosphérique marine et sous tension ; - une très bonne attitude à l'étanchéité et - une excellente stabilité dimensionnelle. On notera particulièrement que l'amélioration de ces propriétés ne se fait pas au détriment des propriétés conventionnelles des alliages d'aluminium. Ainsi, les alliages selon l'invention ne sont pas fragilisés et leur allongement à la rupture n'est pas réduit significativement. [0012] Parmi les éléments antifrictions cités ci-avant, on préfère le bismuth qui forme un eutectique à 3,5% en poids avec l'aluminium et qui garantit ainsi une répartition parfaitement homogène de cet élément dans la matrice, tout particulièrement si le bismuth est présent de 3 à 6%. En outre, le bismuth subit une expansion volumétrique lors de sa solidification. Cette propriété garantit l'absence totale de micro-retassures dans les pièces réalisées dans l'alliage selon ce mode particulier de mise en oeuvre de l'invention. [0013] A titre d'exemple, on a réalisé un alliage selon l'invention de la composition suivante : zinc : 13% (la plage pouvant être élargie de 12 à 14%) ; silicium : 4% (la plage pouvant être élargie de 3,5 à 4,5%) ; magnésium : 0,20% (la plage pouvant être élargie de 0,15 à 0,25%) ; titane: 0,10 % (la plage pouvant être élargie de 0,08 à 0,12%) ; bismuth: 3% ; (la plage pouvant être élargie de 3 à 4%) et aluminium : le reste. Les taux de fer, manganèse, cuivre et nickel présents dans cet alliage étaient respectivement inférieurs à 0,20, 0,10, 0,05 et 0,05%. Un tel alliage pouvant être désigné par la formule AIZn13Si4Bi3MgO,20 possède une densité de 2,97, un intervalle de solidification comprise s'étendant de 610 à 260°C. Après 7 jours de maturation à température ambiante, on observe les propriétés suivantes qui, à titre de comparaison, ont également été mesurées sur un alliage antifriction conventionnel (AISn6,2Cul Nil à l'état T5 ; référence américaine 850.0 ). AIZnl3Si4Bi3MgO,20, AISn6,2Cul Nil Dureté 95 HB 45 HB Résistance à la rupture (Rm) 210 MPa 160 MPa Limite élastique (Rp0,2) 180 MPa 75 MPa Allongement à la rupture 1 à 3% 3 à 10% Il convient de noter les remarquables propriétés de cet alliage qui forme ainsi un mode de 10 réalisation préféré de l'invention. [0014] Selon un autre de ses aspects, l'invention se rapporte à une procédé de réalisation d'un tel alliage qui comprend la fusion des différents constituants, leur mélange (avant ou après fusion) et une étape de maturation à une température comprise entre la température ambiante (20°C) et 100°C pendant de quelques heures (par exemple 12 heures) à quelques jours (par 15 exemple 12 jours). [0015] Grâce à ses excellentes propriétés, l'alliage selon l'invention peut être utilisé pour la confection de pièces de frottement. Des exemples de pièces antifrictions réalisées dans un alliage selon l'invention (tout particulièrement l'alliage de la composition préférée décrite ci-dessus) sont des fourchettes de boîte de vitesse pour véhicule ou des boitiers de pompe de 20 compresseur. Ces pièces se sont révélées d'une résistance exceptionnelle tout en présentant les propriétés antifriction requises. 25 Revendications. 1. Alliage possédant une matrice autotrempante et de 1 à 10% en poids d'étain, plomb, bismuth et/ou cadmium. 2. Alliage selon la revendication 1 possédant la composition suivante zinc: 5à18%; silicium : 1 à 5% ; magnésium : 0,05 à 0,5% ; titane ou zirconium : 0,05 à 0,3% ; étain, plomb, bismuth et/ou cadmium : 1 à 10% ; et aluminium : le reste. 3. Alliage selon les revendications 1 ou 2 comprenant de 3 à 6% en étain, plomb, bismuth et/ou cadmium. 4. Alliage selon la revendication 3 comprenant du bismuth comme seul élément antifriction. 5. Alliage selon la revendication 4 présentant la composition suivante : zinc : 12 à 14%; silicium : 3,5 à 4,5%; magnésium : 0,15 à 0,25%; titane: 0,08 à 0,12%; bismuth: 3 à 4%et aluminium : le reste. 6. Alliage selon la revendication 5 présentant la composition suivante : zinc : 13%; silicium : 4%; magnésium : 0,20%; titane: 0,10%; bismuth: 3 %et aluminium : le reste. 7. Procédé de réalisation d'un alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 comprenant la fusion des différents constituants, leur mélange (avant ou après fusion) et une étape de maturation à une température comprise entre 20°C et 100°C pendant de quelques heures (par exemple 12 heures) à quelques jours (par exemple 12 jours). 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel le temps de maturation est de 7 jours à température ambiante. 9. Pièce de frottement réalisée dans un alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.. Fourchette de boîte de vitesse pour véhicule ou boitier de pompe de compresseur réalisé dans un alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.