Procédé de fabrication d'une matière de frottement Dans le brevet français No 1147956, déposé le 7 dé cembre 1955 au nom de la titulaire, est décrite une gar niture de friction comportant 5 à 30 % de produits car bonés, contenant du carbone amorphe ou graphitique et des substances carbonées organiques présentant un état pâteux avant carbonisation au moins partielle et 40 à 70 % d'éléments métalliques divisés.
Dans le brevet français No 1147956 il est indiqué que, avantageusement; ces éléments métalliques contiennent un métal à bas point de fusion ou donnant avec les autres une solution solide à bas point de fusion.
Les produits à base de carbone précités consistent dans une disposition qui peut être envisagée séparément ou en combinaison, en houille cokéfiable avec une te neur en matières volatiles supérieure à 5 % et de préfé rence comprise entre 12 % et 20 %.
Les matériaux ainsi obtenus présentent au moins deux réseaux, l'un à base carbonée, l'autre à base mé tallique.
Dans un exemple il a été prévu d'ajouter à la houille cokéfiable, 20 % de graphite et 9 % de sulfure de molyb dène pour obtenir un coefficient de frottement aussi régu lier que possible.
Pour la fabrication du produit, il a été prévu de trai ter le mélange dans un moule porté sous une pression de 100 à 4000 hectopièzes, à une température pouvant varier de 2000 à 7000 C. L'atmosphère peut être l'atmosphère normale ou une atmosphère réductrice obtenue par exemple à partir d'halogénures, en particulier des fluorures.
Les matériaux obtenus suivant le brevet français N 114756 se sont révélés très intéressants dans les uti lisations où la garniture de friction agit sous forte charge, en raison de leur haut coefficient de frottement et de leur usure très faible La titulaire a établi que les propriétés remarquables de frottement et d'usure du matériau réalisé suivant le brevet français No 1147956 sont dues en particulier à la présence dans ce matériau d'un produit qui a une composition et des propriétés analogues à celles du coke métallurgique et qui est formé in situ. Les propriétés du coke métallurgique sont extrêmement différentes de celles du coke de pétrole dont les propriétés varient nota blement suivant qu'il est plus ou moins calciné.
Le coke métallurgique dont la composition diffère sensiblement de celle du coke de pétrole présente une dureté beau coup plus grande que ce dernier et des propriétés de frottement beaucoup plus constantes.
On constate aussi que le coke métallurgique sous l'effet de très fortes pressions se brise en morceaux plus petits si la matrice qui lui sert de support ne présente pas d'élasticité ce qui est le cas général des matières mé talliques frittées. Ces propriétés du coke métallurgique qui se sont révélées avantageuses sont sans doute dues aux éléments solides associés au carbone tels que sili cium, aluminium, magnésium, fer, la combustion du ma tériau donnant de la silice, de l'alumine, de la magnésie et des oxydes de fer qui se retrouvent dans les cendres d'un tel matériau. Ces éléments solides associés se trou vent mis en oeuvre successivement dans un état de divi sion extrême.
Des essais entrepris par la titulaire ont montré qu'il est possible, en opérant à une température supérieure à 7000 C d'obtenir des matériaux à forte teneur en fer d'un grand intérêt. La transformation en coke métallur gique de la houille cokéfiable introduite précède le frittage des éléments métalliques, les matières volatiles de la houille étant éliminées sans difficulté au travers des poudres métalliques sans désagréger la matière. Il a été ainsi possible de réaliser à partir de poudre de fer, des matériaux d'un grand intérêt ayant la compo sition suivante 50 à 90 % de poudre de fer 0 à 20 % de graphite 0 à<B>10%</B> de sulfure de molybdène 10 à 20% de houille cokéfiable.
La titulaire a découvert aussi que, sous réserve de prévoir une composition de matériaux métalliques en poudre conduisant à une matrice extrêmement résis tante, il était possible de renoncer au réseau carboné en introduisant directement dans le mélange du carbone sous forme de coke métallurgique en poudre préparé dans une opération distincte.
La présente invention est basée sur cette découverte et a pour objet un procédé de fabrication d'une matière de frottement caractérisé en ce que l'on fritte un mélange de poudres comportant au moins de la poudre de fer et de la poudre de coke métallurgique. Ce mélange est de préférence d'abord comprimé à froid sous une pression très élevée par exemple de l'ordre de 2000 hectopièzes, puis fritté avec ou sans pression, par exemple dans des conditions de zéro à 40 hectopièzes, sous une tempéra ture élevée, par exemple de l'ordre de 9000 C à 11000<B>C.</B>
Le coke métallurgique introduit dans le mélange de poudres comporte de préférence 2 à 3 % de matières vo latiles, et peut consister en du coke métallurgique qui lorsqu'il est consumé à une température de 8000, présen te une teneur en cendres de l'ordre de 8 à 10 %. Ces cen dres contiennent un certain nombre d'oxydes ou de sels, en lesquels se sont transformés des composés à base de silice, magnésium, fer aluminium, calcium, soufre, qui sont contenus dans le matériau.
La proportion de ces oxydes ou de sels est par exemple
EMI0002.0008
SiO2 <SEP> 35 <SEP> à <SEP> 40%
<tb> F%Og <SEP> <B>250/,</B>
<tb> a1203 <SEP> <B>25%</B>
<tb> CaO <SEP> 7 <SEP> %
<tb> Mg0 <SEP> 3 <SEP> %
<tb> Sulfates
<tb> exprimés <SEP> en <SEP> S03 <SEP> 2 <SEP> % Le coke métallurgique utilisé est donc tout à fait différent du coke de pétrole lequel a une teneur en cen dres négligeable et contient 5 à 10 % de matières vola tiles.
En outre, le coke métallurgique est très dur. La gra nulométrie de la poudre du coke métallurgique dans le mélange de poudres utilisé dans le procédé suivant l'in vention peut être choisie dans une marge de valeurs assez grande. Il semble que la grosseur de grain ait peut d'influence sur l'usure, le coefficient de frottement étant maintenu d'autant plus stable que la granulométrie est plus fine.
Dans le mélange de poudres utilisé dans le procédé suivant l'invention, on peut prévoir du carbone, non seu lement sous forme de coke métallurgique, mais encore, sous forme simultanée de coke métallurgique et de graphite naturel ou synthétique.
La composition des éléments autres que le carbone dans le mélange de poudres est choisie de façon à jouer le rôle d'une matrice très résistante et est de préférence la suivante
EMI0002.0016
poudre <SEP> de <SEP> fer <SEP> 96,5 <SEP> à <SEP> 93,5 <SEP> %
<tb> poudre <SEP> de <SEP> nickel <SEP> 3 <SEP> à <SEP> 5
<tb> poudre <SEP> de <SEP> cuivre <SEP> 0,5 <SEP> à <SEP> 1;5 Il est possible de substituer au nickel, en tout ou par tie, du cobalt voire du chrome.
Il est évident que l'on pourrait s'écarter de ces valeur mais il faut remarquer que si la teneur en cuivre et nickel augmente, les propriétés de conductibilité de la matrice deviennent moins bonnes. Toutefois une teneur accrue de nickel, cobalt ou chrome permet d'otenir un matériau plus réfractaire.
L'intérêt de la présence de coke métallurgique<B>:</B> amé lioration du frottement dynamique, diminution de l'usure dans des conditions sévères, subsiste même pour de fai bles quantités de coke métallurgique, de l'ordre de 3 % en poids et se maintient jusqu'à des quantités importantes de l'ordre de 30 % en poids.
Les valeurs les plus basses peuvent être utilisées lorsqu'on introduit par ailleurs des composés naturels ou synthétiques rentrant dans la dénomination générale de silicate d'aluminium: cyanite, mullite, sillimanite, dumortierité, topaze, andalousite, ou telles reconstitutions de ces assemblages de silice ou d'alumine réalisées artificiellement.
La somme du coke métallurgique et des silicates d'aluminium introduits varie avantageusement en poids entre 12 et 30 %, suivant les propriétés de frotte ment recherchées pour le matériau.
On peut ajouter aux composants métalliques en pou dre, au coke métallurgique et aux silicates d'aluminium, des éléments modificateurs ou régulateurs de frottement tels que
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- <SEP> graphite <SEP> 5 <SEP> à <SEP> 20 <SEP> % <SEP> amorphe <SEP> ou
<tb> naturel
<tb> - <SEP> sulfure <SEP> de <SEP> moiybdène <SEP> 0,5 <SEP> à <SEP> 10 <SEP> %
<tb> - <SEP> poudre <SEP> de <SEP> bismuth <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 10 <SEP> %.
Des exemples de mise en oeuvre du procédé suivant l'invention sont donnés ci-après <I>Exemple 1</I> On mélange à froid, par exemple au moyen d'un bras rotatif les poudres ayant la composition suivante
EMI0002.0032
Poudre <SEP> Pourcentage <SEP> en <SEP> poids
<tb> Fer <SEP> 62,82
<tb> Nickel <SEP> 2;73
<tb> Cuivre <SEP> 0;
67
<tb> Coke <SEP> métallurgique <SEP> 12,52
<tb> Graphite <SEP> 10,68
<tb> Sulfuredemolybdène <SEP> 5,54
<tb> Bismuth <SEP> <U>5,04</U>
<tb> Mélange <SEP> 100,00 On comprime ce mélange à froid sous une pression de 2000 hectopièzes. On fritte sous une pression de 0 à à 40 hectopièzes à une température de 9500 C à 1050o C, par exemple à 10000 C pendant quinze minutes à une heure. On peut comprimer à nouveau à froid sous une pression de 2000 à 4000 hectopièzes.
Des essais au banc ont été effectués avec ce matériau appliqué contre un disque tournant, dans les conditions suivantes
EMI0002.0038
Vitesse <SEP> initiale <SEP> de <SEP> la <SEP> piste <SEP> de <SEP> frottement
<tb> du <SEP> disque <SEP> : <SEP> 9 <SEP> m/sec
<tb> Pression <SEP> appliquée <SEP> au <SEP> matériau <SEP> : <SEP> 15 <SEP> kg/cm2
<tb> Température <SEP> du <SEP> disque <SEP> dans <SEP> sa <SEP> masse: <SEP> 310 <SEP> C
<tb> Durée <SEP> de <SEP> frottement: <SEP> 5 <SEP> sec
<tb> Ces <SEP> essais <SEP> ont <SEP> conduit <SEP> aux <SEP> résultats <SEP> suivants
<tb> Coefficient <SEP> de <SEP> frottement <SEP> : <SEP> 0,30
<tb> Usure <SEP> :
<SEP> <B>-</B> <SEP> 0,04 <SEP> cm3/CVH Ce matériau est particulièrement intéressant en rai son de son usure faible, deux à trois fois plus faible que les matériaux usuels dans les mêmes conditions d'essai alors que son coefficient de frottement a une valeur tout à fait appropriée pour la plupart des applications.
<I>Exemple 2</I> On procède comme à l'exemple I, mais la compo sition du mélange de poudres est la suivante
EMI0003.0002
Poudre <SEP> Pourcentage <SEP> en <SEP> poids
<tb> Fer <SEP> 67,70
<tb> Nickel <SEP> 2,87
<tb> Cuivre <SEP> 0,73
<tb> Coke <SEP> métallurgique <SEP> 14,00
<tb> Graphite <SEP> 12,52
<tb> Sulfure <SEP> de <SEP> molybdène <SEP> <U>2,18</U>
<tb> Mélange <SEP> 100,00 <I>Exemple 3</I> On procède comme précédemment mais la compo sition du mélange de poudres est la suivante
EMI0003.0004
Poudre <SEP> - <SEP> Pourcentage <SEP> en <SEP> poids
<tb> Fer <SEP> 71,20
<tb> Nickel <SEP> 3,00
<tb> Cuivre <SEP> 0,80
<tb> Coke <SEP> métallurgique <SEP> 3,00
<tb> Graphite <SEP> 7,00
<tb> Cyanite <SEP> <U>15,00</U> <SEP> ,
<tb> Mélange <SEP> 100,
00 Une garniture de frein réalisée avec un matériau obte nu à partir du mélange ci-dessus a donné de bons résul tats dans des freins d'avion.
<I>Exemple 4</I> On procède comme précédemment mais la composi tion du mélange de poudres est la suivante
EMI0003.0005
Poudre <SEP> Pourcentage <SEP> en <SEP> poids
<tb> Fer <SEP> 69,30
<tb> Nickel <SEP> 2,96
<tb> Cuivre <SEP> 0,74
<tb> Coke <SEP> métallurgique <SEP> <U>27,00</U>
<tb> Mélange <SEP> 100,00 Un premier essai au banc a été effectué avec ce matériau appliqué contre un disque tournant dans les conditions suivantes
EMI0003.0006
Vitesse <SEP> initiale <SEP> de <SEP> la <SEP> piste <SEP> de <SEP> frottement
<tb> du <SEP> disque<B>:</B> <SEP> 9 <SEP> m/sec
<tb> Pression <SEP> appliquée <SEP> au <SEP> matériau <SEP> : <SEP> 15 <SEP> kg/cm2
<tb> Température <SEP> du <SEP> disque <SEP> dans <SEP> sa <SEP> masse <SEP> : <SEP> 315o <SEP> C
<tb> Durée <SEP> de <SEP> frottement <SEP> :
<SEP> 5 <SEP> sec
<tb> Ce <SEP> premier <SEP> essai <SEP> a <SEP> conduit <SEP> aux <SEP> résultats <SEP> suivants
<tb> Coefficient <SEP> de <SEP> frottement <SEP> : <SEP> 0,35
<tb> Usure <SEP> : <SEP> 0,36 <SEP> cm3/CVH Un deuxième essai au banc a été effectué avec le même matériau contre un disque tournant mais dans des conditions différentes suivantes
EMI0003.0007
Vitesse <SEP> initiale <SEP> de <SEP> la <SEP> piste <SEP> de <SEP> frottement
<tb> du <SEP> disque <SEP> : <SEP> 14 <SEP> m/sec
<tb> Pression <SEP> appliquée <SEP> au <SEP> matériau <SEP> : <SEP> 45 <SEP> kg/cm2
<tb> Température <SEP> du <SEP> disque <SEP> dans <SEP> sa <SEP> masse <SEP> : <SEP> 500,, <SEP> C
<tb> Durée <SEP> du <SEP> frottement <SEP> :
<SEP> 12 <SEP> sec
EMI0003.0008
Ce <SEP> deuxième <SEP> essai <SEP> a <SEP> conduit <SEP> aux <SEP> résultats
<tb> suivants
<tb> Coefficient <SEP> de <SEP> frottement <SEP> : <SEP> 0,30
<tb> Usure <SEP> : <SEP> 0,44 <SEP> cm3/CVH On notera que le coefficient de frottement est voisin dans les deux essais et on appréciera que l'usure est fai ble malgré la sévérité des conditions des essais, en par ticulier du deuxième essai. Des garnitures d'un: type usuel soumises au deuxième essai accusent une usure qui est trois ou quatre fois plus importante que celle présentée par le matériau du présent exemple.
<I>Exemple 5</I> On procède comme précédemment mais la compo sition du mélange de poudres est la suivante
EMI0003.0012
Poudre <SEP> Pourcentage <SEP> en <SEP> poids
<tb> Fer <SEP> 67,70
<tb> Nickel <SEP> 2,87
<tb> Cuivre <SEP> 0,73
<tb> Coke <SEP> métallurgique <SEP> 15,00
<tb> Graphite <SEP> <U>13,70</U>
<tb> Mélange <SEP> 100,00 Un premier essai au banc a été effectué avec ce ma tériau appliqué contre un disque tournant dans les condi tions suivantes
EMI0003.0013
Vitesse <SEP> initiale <SEP> de <SEP> la <SEP> piste <SEP> de <SEP> frottement <SEP> du <SEP> disque
<tb> 9 <SEP> m/sec
<tb> Pression <SEP> appliquée <SEP> au <SEP> matériau <SEP> : <SEP> 15 <SEP> kg/cm2
<tb> Température <SEP> du <SEP> disque <SEP> dans <SEP> sa <SEP> masse: <SEP> 300o <SEP> C
<tb> Durée <SEP> du <SEP> frottement:
<SEP> 5 <SEP> sec
<tb> Ce <SEP> premier <SEP> essai <SEP> a <SEP> conduit <SEP> aux <SEP> résultats
<tb> suivants
<tb> Coefficient <SEP> de <SEP> frottement: <SEP> 0,36
<tb> Usure <SEP> : <SEP> 0,12 <SEP> cm3/CVH Un deuxième essai au banc a été effectué avec le même matériau mais dans des conditions différentes sui vantes
EMI0003.0014
Vitesse <SEP> initale <SEP> de <SEP> la <SEP> piste <SEP> de <SEP> frottement
<tb> du <SEP> disque: <SEP> 14 <SEP> m/sec
<tb> Pression <SEP> appliquée <SEP> au <SEP> matériau <SEP> : <SEP> 45 <SEP> kg/cm2
<tb> Température <SEP> du <SEP> disque <SEP> dans <SEP> sa <SEP> masse <SEP> : <SEP> 5000 <SEP> C
<tb> Durée <SEP> du <SEP> frottement: <SEP> 15 <SEP> sec
<tb> Ce <SEP> deuxième <SEP> essai <SEP> a <SEP> conduit <SEP> aux <SEP> résultats
<tb> suivants
<tb> Coefficient <SEP> de <SEP> frottement <SEP> :
<SEP> 0,20
<tb> Usure <SEP> : <SEP> 1,00 <SEP> cm3/CVH On notera que les taux d'usure sont relativement fai bles en comparaison avec ceux présentés par des maté riaux d'un type usuel essayés dans les mêmes conditions