FR2512146A1 - Procede et appareil de fabrication d'un element de friction pour frein a disque, et element de friction fabrique par leur mise en oeuvre - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE LES ELEMENTS DE FRICTION DE FREINS A DISQUES. ELLE SE RAPPORTE A UN PROCEDE SELON LEQUEL UNE MATIERE EN POUDRE 14 DESTINEE A FORMER L'ELEMENT DE FRICTION EST COMPRIMEE CONTRE UNE PLAQUE 9 DE SUPPORT DU PATIN PAR DEUX ELECTRODES 15 ET 16 QUI COMPORTENT CHACUNE, DANS SA PARTIE CENTRALE, UNE CAVITE DANS LAQUELLE EST LOGE UN ELEMENT RAPPORTE 21, 25 DONT LA CONDUCTIVITE ELECTRIQUE EST PLUS FAIBLE QUE CELLE DU RESTE DE L'ELECTRODE. DE CETTE MANIERE, LE COURANT ELECTRIQUE EST REPARTI UNIFORMEMENT DANS LA MATIERE 14 QUI SE FRITTE UNIFORMEMENT PENDANT SA COMPRESSION ET LA CIRCULATION D'UN COURANT ELECTRIQUE. APPLICATION A LA FABRICATION DES PATINS DE FREINS A DISQUES DES VOITURES AUTOMOBILES ET DES MOTOCYCLETTES.
Description
12 1 46
La présente invention concerne un élément de friction destiné à un frein à disque d'une voiture automobile ou d'une motocyclette ou d'un cycle à moteur, et plus précisément un procédé et un appareil de fabrication d'un tel élément de friction. Comme l'indiquent les figures la et lb des dessins annexés, un élément de friction destiné à un frein à disque d'une motocyclette ou d'un autre cycle à moteur comprend habituellement une plaque 9 de support de forme irrégulière, formée par exemple d'acier doux et qui supporte un patin unique fritté 10 de friction qui a par exemple une section de l'ordre de 1800 mm 2 Au contraire, un élément de friction
destiné à un frein à disque de tracteur comprend habituelle-
ment une plaque de support de forme générale circulaire, supportant plusieurs patins de friction décalés angulairement et placés près de la périphérie d'une grande face au moins de la plaque, chaque patin ayant par exemple une section de mm 2 seulement environ Dans tous les cas, le patin ou chaque patin de friction est normalement formé d'un mélange
fritté de friction qui peut contenir, comme ingrédient prin-
cipal, du cuivre, du nickel, du fer ou de l'aluminium, avec
divers additifs qui améliorent les propriétés du patin.
Actuellement, on fabrique normalement des éléments de friction destinés aux freins à disques des motocyclettes par compression à froid de la matière de friction sous forme d'une poudre, afin qu'une ébauche ou préforme soit formée, et, lorsque l'ébauche a été mise en position sur la plaque de support, par frittage dans un four et sous pression afin que l'ébauche soit fritté et forme le patin nécessaire, celui-ci étant alors lié à la plaque de support Dans le cas d'une plaque de support d'acier doux et d'un patin de friction à base de cuivre, on ne peut obtenir une liaison
satisfaisante, aux températures utilisées pendant l'opéra-
tion de frittage au four (c'est-à-dire entre 700 et 9001 C),
que si la plaque de support est normalement revêtue préala-
blement par électrodéposition, d'une couche d'un adjuvant
de liaison tel que le nickel ou le cuivre, le revêtement ayant.
par exemple une épaisseur comprise entre 0,01 et 0,025 mm.
Bien que l'incorporation de cette opération de revêtement
préalable permette la fabrication, dans l'opération de frit-
tage au four, d'éléments satisfaisants de friction, ce pro-
cédé présente un certain nombre d'inconvénients en pratique, en particulier ceux de nécessiter des investissements et un espace importants Un autre inconvénient est dû au fait
que, étant donné le temps considérable de maintien à tempé-
rature élevée, la plaque de support est recuite.
Dans le domaine des freins à disques pour tracteurs, on connalt non seulement l'utilisation du frittage au four mais aussi le chauffage par résistance électrique (voir brevet britannique NO 1 460 592) pour le frittage et la liaison de patins de friction préalablement formés, sur une plaque de support En outre, bien que le frittage par résistance de patins classiques de friction à base de cuivre sur une plaque de support formée d'acier doux nécessite encore la formation d'un dépôt d'une matière de liaison telle que le cuivre ou le nickel, sur la plaque de support, on constate
que la technique de chauffage par résistance forme des élé-
ments de friction satisfaisants sans les inconvénients d'in-
vestissements et d'un espace nécessaires importants de la
technique du frittage au four.
Compte tenu de ces avantages, on a étudié, selon
l'invention, l'application de la technique précitée de fritta-
ge par résistance à la fabrication d'éléments defriction
pour freins à disques de véhicules automobiles et de motocy-
clettes ou autres cycles à moteur Cette technique comprend
l'application d'électrodes en contact électrique avec la pla-
que de support et l'ébauche de patin de friction, et la cir-
culation d'un courant électrique entre les électrodes afin
que le patin de friction, étant donné sa résistance électri-
que, soit fritté et lié à la plaque de support Cependant,
ces études ont montré l'existence des problèmes suivants.
a) Etant donné la grande section du patin de friction qui doit être formé, l'obtention d'un bon contact entre une ébauche de patin de friction et l'électrode associée, sur toute
la surface de l'ébauche, est difficile.
3 2512146
b) Le courant électrique utilisé pour le chauffage
par résistance circule d'une manière non uniforme dans la ma-
tière du patin de friction si bien que, par exemple, lors de
l'utilisation d'une alimentation continue, le courant ascen-
dant peut être canalisé au centre du patin En conséquence, le frittage du patin de friction est réalisé à divers degrés en direction transversale à la direction de circulation du courant.
c) pour la même raison qu'au paragraphe (a), l'obten-
l O tion d'un bon contact reproductible entre la plaque de support et l'électrode associée, sans augmentation indésirable de
la pression appliquée à l'électrode, est difficile.
L'invention concerne donc un procédé perfectionné de fabrication d'un élément de friction pour frein à disque de voiture automobile, de motocyclette ou d'autres cycles à moteur,
mettant en oeuvre un chauffage par résistance électrique.
Plus précisément, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un élément de friction pour frein à disque
de voiture automobile ou de motocyclette, l'élément de fric-
tion comprenant un patin fritté de friction lié à une plaque de support qui est conductrice de l'électricité, le procédé comprenant: a) l'introduction d'une matière de friction en poudre qui, après frittage, forme le patin nécessaire de friction, dans une cavité d'un moule ayant la configuration du patin, la cavité du moule étant fermée à une première extrémité par la plaque de support, la matière de friction étant au contact d'une grande face de la plaque de support, b) la mise d'une première électrode de chauffage
par résistance au contact de l'autre grande face de la pla-
que de support, la première électrode étant au'contact de
la plaque de support par une surface d'extrémité de l'élec-
trode qui comporte une cavité qui est remplie au moins en par-
tie par un élément rapporté formé d'une matière moins conduc-
trice de l'électricité que le reste de la première électrode, c) l'introduction d'une seconde électrode de chauffage par résistance dans la cavité du moule afin que la matière de 4.
friction en poudre soit placée entre elles, et soit en con-
tact électrique avec la première et la seconde électrode, d) le déplacement relatif de la première et de la
seconde électrodes l'une vers l'autre afin qu'elles compri-
ment la matière de friction dans la cavité du moule et con- tre la plaque de support, et e) simultanément à l'opération précédente (d), la circulation d'un courant électrique entre les électrodes et à travers la plaque de support et la matière de friction, afin
que celle-ci soit frittée et forme le patin nécessaire de fric-
tion, avec liaison de ce patin à la plaque de support.
L'invention concerne aussi un appareil de fabrica-
tion d'un élément de friction pour frein à disque de voiture
automobile ou de motocyclette, l'élément de friction compre-
nant un patin fritté de friction lié à une plaque de support qui est conductrice de l'électricité, l'appareil comprenant une cavité de moule délimitant la forme du patin et ayant une première extrémité destinée à être fermée par la plaque de support, une première électrode de chauffage par résistance destinée à être au contact d'une grande face de la plaque de support qui est opposée à la face tournée vers la cavité, et une seconde électrode de chauffage par résistance ayant
une surface d'extrémité destinée à être en contact à l'extré-
mité de la cavité opposée à celle qui est fermée par la plaque de support lors du fonctionnement, la première et la seconde électrodes étant mobiles l'une par rapport à l'autre afin qu'elles puissent se rapprocher et comprimer la matière de friction en poudre lorsque celle-ci se trouve dans la cavité du moule, un courant circulant entre les électrodes afin que
la matière de friction soit frittée sous forme du patin néces-
saire et que ce patin soit lié à la plaque de support, la première électrode ayant unesurface d'extrémité destinée à être au contact de la plaque de support, qui comporte une
cavité, la cavité étant remplie au moins en partie par un élé-.
ment rapporté formé d'une matière qui est moins conductrice
de l'électricité que le reste de la première électrode.
La disposition de la matière de friction sur la plaque
12146
de support, sous forme d'une poudre contenue dans une cavité
de moulage, à la place de la compression préalable de la ma-
tière sous forme d'une ébauche, assure un bon contact électri-
que entre la matière de friction et la seconde électrode sur toute la surface de travail de celle-ci De plus, comme
la surface d'extrémité de la première électrode a une cavi-
té remplie au moins en partie par un élément rapporté moins conducteur, il est possible que la circulation du courant soit supprimée ou réduite dans une région prédéterminée de la matière de friction, si bien que la répartition du courant est améliorée pendant l'opération (e) A cet égard, il faut noter que la cavité logeant l'élément rapporté est disposée
dans la région de la première électrode dans laquelle circu-
lerait préférentiellement un courant de chauffage par résis-
tance, en l'absence de cet élément rapporté Ainsi, dans un exemple avantageux d'utilisation d'un courant continu dans l'opération (e), la cavité contenant l'élément rapporté a
un emplacement sensiblement central dans la surface d'extré-
mité de la première électrode Au contraire, lorsqu'un cou-
rant alternatif est utilisé dans l'opération (e), la cavité et l'élément rapporté sont placés près de la périphérie de la surface d'extrémité de la première électrode étant donné qu'il apparaît un "effet de peau" lors de l'utilisation
d'un courant alternatif.
On peut prévoir que l'effet de peau est important lors de l'utilisationd 'une alimentation alternative de grande puissance et de conducteurs de grande dimension, comme dans le cas de l'invention On considère que, quelle que soit l'alimentation, le chauffage le plus efficace correspond à la circulation d'un courant suivant un trajet se trouvant sensiblement à mi-distance entre l'axe central du patin et
la périphérie de la cavité de moulage Il s'agit d'un compro-
mis entre une surchauffe du centre, due à un trajet central préférentiel, et une perte excessive vers le moule, due à un trajet périphérique de circulation du courant L'élément rapporté est de préférence disposé de manière qu'il assure
le chauffage le plus efficace, compte tenu de cet effet.
Il suffit simplement que l'élément rapporté ait une conductivité électrique inférieure au reste de la première
électrode pour que cet élément puisse remplir sa fonction né-
cessaire de réduction de la circulation du courant dans une région prédéterminée de la matière de friction Cependant, en pratique, il est souhaitable qu'il existe une différence importante entre les conductivités de l'élément rapporté et du reste de l'électrode et, en particulier, que le rapport de la résistance de l'élément rapporté à celle du reste de la première électrode soit supérieur à 100/1 Etant donné
ce critère et la nécessité pour l'élément rapporté de possé-
der une stabilité thermique et une résistance aux chocs ther-
miques satisfaisantes, des matières avantageuses pour la for-
mation de l'élément rapporté sont le graphite, le nitrure de
silicium, et une matière céramique à base d'oxynitrure d'alu-
minium et de silicium, ayant la formule générale Si 6 z A Alz N 8 _z Oz dans laquelle Z est supérieur à O et est inférieur ou égal à 5. En outre, il est avantageux que l'élément rapporté
ne remplisse que partiellement la cavité formée dans la sur-
face de l'extrémité de la première électrode et en particu-
lier que cet élément aboutisse à une faible distance de la première surface d'extrémité de la première électrode Cette disposition a deux fonctions: ( 1) la surface de contact de la première électrode et de la plaque de support est réduite, si bien que la pression mutuelle de contact est accrue et que, même lorsqu'une pression relativement faible est appliquée pendant l'opération (d), un contact électrique fiable et convenable peut être assuré entre la première électrode et
la plaque de support, même si cette dernière présente de pe-
tites irrégularités de surface, et ( 2) la déformation de la
plaque de support pendant l'opération de frittage par résis-
tance peut être réduite au minimum, sans que, simultanément,
la première électrode puisse n'être au contact que de la pla-
que de support par l'intermédiaire de l'élément rapporté.
Un tel contact peut provoquer un chauffage localisé excessif
de la plaque de support lorsque l'élément rapporté est for-
mé d'une matière ayant une résistance électrique élevée il peut être souhaitable dans certains cas qu'une gorge annulaire soit formée autour du bord de l'élément rapporté et réduise ainsi toute tendance du courant à circuler préfé-
rentiellement dans les régions des bords de l'élément rap-
porté. Une ou plusieurs cavités supplémentaires peuvent
être formées afin qu'elles remplissent les fonctions indi-
quées précédemment De telles cavités supplémentaires peu-
vent être sous forme de gorges qui peuvent être disposées
vers l'extérieur de la première cavité La cavité supplé-
mentaire ou l'une au moins des cavités supplémentaires peut être une gorge continue, de préférence annulaire, entourant la première cavité et/ou une ou plusieurs cavités séparées peuvent être utilisées De telles cavités supplémentaires
peuvent contenir ou non des éléments rapportés.
L'utilisation d'une seule cavité centrale est limitée aux cas dans lesquels l'effet voulu peut être obtenu avec une dimension de cavité qui ne permet pas une déformation de la
plaque de support.
Il faut noter que la disposition nécessaire d'une ou plusieurs gorges, d'une ou plusieurs cavités et d'un ou plusieurs éléments rapportés est un compromis complexe entre les propriétés de conductibilité thermique, de conductivité
électrique et de support mécanique.
L'épaisseur des patins de friction qui doivent être fabriqués est normalement comprise entre 3 et 7 mm Lorsque l'épaisseur nécessaire augmente dans cette plage, on peut
constater que la circulation préférentielle du courant, ré-
duite par l'élément rapporté placé dans la première électro-
de, se manifeste à nouveau au niveau de la seconde électrode
ou près de celle-ci Ce comportement peut provoquer un frit-
tage non uniforme de la région du mélange de friction qui
est éloignée de la plaque de support Les inconvénients pré-
sentés par ce problème sont réduits au minimum par formation dans la surface d'extrémité de la seconde électrode qui est tournée vers le mélange de friction, d'une cavité qui a une
position analogue à celle de la cavité de la première élec-
trode et qui est de préférence alignée sur cette cavité,
et qui est remplie d'un élément rapporté supplémentaire for-
mé d'une matière ayant une conductivité inférieure à celle
de la seconde électrode Le rapport de la résistance élec-
trique de l'élément rapporté supplémentaire à celle du rest de la seconde électrode est de préférence supérieur à 100/1 Dans le cas de l'élément rapporté supplémentaire,
il faut noter qu'il doit remplir complètement la cavité for-
mée dans la seconde électrode.
Dans une variante de l'élément rapporté supplémen-
taire, formé dans la seconde électrode ou en plus de celui-ci, il peut être souhaitable de mettre la seconde électrode en
contact électrique avec la matière de friction par l'intermé-
diaire d'une électrode secondaire séparée de la seconde
électrode et qui est formée d'une matière ayant une résistan-
ce électrique supérieure à celle de la seconde électrode, surtout lorsque l'épaisseur des patins de friction diminue dans la plage indiquée précédemment La disposition d'une électrode secondaire augmente la résistance électrique totale
et réduit donc l'intensité du courant éncessaire à l'obten-
tion d'un effet donné de chauffage par résistance De plus, l'électrode secondaire, en jouant le rôle d'un élément de chauffage, facilite le frittage de matières de friction très
diverses et est particulièrement intéressante lorsque la ma-
tière présente une faible résistance propre En outre, la sélection convenable de la matière de l'électrode secondaire permet la réduction de la tendance de la matière -de friction à se braser sur la seconde électrode pendant l'opération de
frittage par résistance, surtout lorsque la seconde électro-
de contient du cuivre Des matières de friction qui sont sujettes au brasage sont celles qui contiennent une quantité importante d'une matière en phase liquide, notamment Sn et
Al, par exemple la matière B indiquée dans la suite du pré-
sent mémoire.
Le rapport de la résistance électrique de l'électrode
9 25 12146
secondaire à celle de la seconde électrode est par exemple supérieur à 50/1 Une matière avantageuse pour la formation
de l'électrode secondaire est le graphite.
Il faut noter que toute matière résistant conv-enable-
ment au chauffage et connue donne satisfaction pour la réali-
sation du moule de fabrication des matières de friction se-
lon l'invention, pourvu que ses propriétés électriques et thermiques restent pratiquement constantes pendant toute
l'étape de chauffage Cependant, il est important que la ma-
tière utilisée pour la formation du moule dans lequel la cavité est formée, puisse être facilement mise en forme, ait un prix raisonnable, présente une bonne résistance aux chocs thermiques, une bonne résistance à l'abrasion et une
bonne stabilité thermique, et possède une résistance électri-
que suffisamment élevée pour que le courant électrique ne puisse pas passer en dérivation par rapport à la pièce, de manière que des éléments peu coûteux, ayant des dimensions précises, puissent être fabriqués en grande série Dans ces conditions, il est préférable que la matière du moule soit
du nitrore de silicium comprimé à chaud ou une matière céra-
mique frittée sans compression ou avec compression à chaud et contenant au moins 90 % d'un oxynitrure d'aluminium et de silicium correspondant à la formule générale Si 6 % Alz N 8 _z O z
dans laquelle z est supérieur à O et est inférieur ou égal à 5.
La matière utilisée pour la formation de la plaque de support n'est pas primordiale pourvu que cette plaque soit
conductrice de l'électricité et possède une résistance mé-
canique suffisante pour qu'elle supporte les patins de fric-
tion pendant l'utilisation Pour des raisons de coût, la
plaque de support est normalement formée d'acier, de péfé-
rence d'acier doux, bien que d'autres matières telles que le cuivre et le nickel puissent être utilisées, lorsque leur
coût ne les rend pas prohibitives L'utilisation d'une pla-
que de support d'acier doux avec un mélange classique de fric-
tion à base de cuivre nécessite le revêtement préalable de la plaque de support par une matière de liaison ou d'accrochage telle que le nickel ou le cuivre afin que la liaison des patins à la plaque de support pendant l'opération de frittage par résistance soit satisfaisante Cependant, on constate qu'on peut obtenir une excellente liaison des patins de friction à base de cuivre à des plaques de support d'acier doux lorsqu'un très mince dépôt (de 1 à 2 microns d'épaisseur) d'une matière de liaison est placé sur la plaque de support,
par exemple par dépôt chimique de nickel Cette caractéristi-
que est très différente du revêtement de 0,01 à 0,025 mm d'épaisseur normalement nécessaire sur la plaque de support d'acier doux, lors de l'utilisation du frittage au four pour la liaison d'un patin de friction à base de cuivre sur la plaque Dans le procédé de frittage par résistance selon
l'invention, on considère que le dépôt très mince de la ma-
tière de liaison diffuse rapidement dans la matière de fric-
tion pendant le frittage, et une liaison métallurgique vé-
ritable se forme ensuite entre la matrice métallique de la matière de friction et une surface ferreuse chimiquement
propre de la plaque de support.
On constate que, lorsque les plaques sont nettoyées par une technique de sablage aqueux, on obtient une rugosité superficielle, par exemple comprise entre 0,8 et 1,3 micron (moyenne entre axes), et un revêtement est nécessaire à
l'obtention d'une liaison fiable Cependant, lors de l'utili-
sation d'un procédé de sablage grossier à sec donnant une rugosité superficielle de 7,7 à 8,7 microns (moyenne entre axes), on constate que la plupart des matières présentent une bonne liaison, surtout celles qui contiennent une phase
liquide (voir l'exemple 3 dans la suite du présent mémoire).
On attribue ce comportement à la plus grande surface, à la surface plus propre due à l'opération à sec, et à la présence d'une couche écrouie qui recristallise pendant le frittage
et favorise ainsi la formation d'une liaison par diffusion.
L'examen microscopique de la liaison montre que, même en pré-
sence de Sn, des régions importantes du raccord sont formées par des soudures par résistance plutôt que par des brasures par résistance Cependant, l'utilisation de plaques revêtues de support assure une bonne reproductibilité de la liaison
après des périodes variables de stockage.
Selon le procédé de l'invention, le courant utilisé dans l'opération (e) et le temps de circulation du courant sont du même ordre de grandeur que ceux qui sont utilisés
dans les techniques classiques de frittage par résxistance.
Ainsi, l'intensité du courant utilisé est par exemple com-
prise entre 10 000 et 100 000 ampères, la densité de courant est comprise entre 5,4 et 54 ampères/mm 2, et le temps de
chauffage peut atteindre 15 secondes Cependant, il faut no-
ter que les valeurs exactes utilisées-en pratique dépendent
de paramètres tels que la composition de la matière de fric-
tion et l'épaisseur des patins voulus En général cependant, il est avantageux que le courant de frittage par résistance soit un courant continu plutôt qu'alternatif Des expériences
ont montré que des tensions de crête initiales élevées, ob-
tenues avec un courant alternatif, peuvent provoquer une
réduction incontrôlée de la résistance dans la pièce.
La matière des électrodes n'est pas primordiale et des matières d'électrodes utilisées dans les techniques
classiques de frittage par résistance peuvent être utilisées.
Par exemple, une matière qui convient pour la formation du
bout de travail de chaque électrode est un alliage de cui-
vre et de tungstène, bien que, parfois, il puisse être sou-
haitable d'utiliser des électrodes dépourvues de cuivre, par exemple un alliage de tungstène avec du fer, du nickel et du molybdène afin d'éviter le problème du brasage de la
seconde électrode sur le patin de friction (lorsque l'élec-
trode secondaire est absente).
D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-
tion seront mieux compris à la lecture de la description
qui va suivre d'exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: les figures la et lb, qui ont déj à été décrites, sont une élévation latérale et une vue en plan respectivement d'un élément de friction d'un frein à disque de motocyclette les figures 2 a à 2 e sont analogues à la figure lb et représentent des éléments de friction ayant un organe de support d'une autre forme
la figure 3 est une coupe d'un appareil de fabrica-
tion de l'élément de friction représenté sur les figures la et lb et fabriqué par un exemple de procédé selon l'invention; les figures 4 a et 4 b sont une vue en plan et une coupe respectivement de la première électrode de l'appareil de la figure 3; les figures 5 a et 5 b sont une vue en plan et une coupe respectivement de la seconde électrode de l'appareil de la figure 3; les figures 6 a et 6 b sont analogues aux figures 5 a et 5 b et représentent une variante de la seconde électrode
destinée à être utilisée avec la première électrode des fi-
gures 4 a et 4 b les figures 7 a et 7 b sont analogues aux figures 4 a et 4 b mais représentent une variante de première électrode destinée à être utilisée avec la seconde électrode des figures 6 a et 6 b;
la figure 8 est un graphique représentant la varia-
tion de l'intensité du courant, de la tension, de la résistan-
ce et de la puissance en fonction du temps lors d'une opéra-
tion de frittage par résistance d'un exemple de matière de friction; et
la figure 9 est un graphique représentant les varia-
tions de la résistivité en fonction de la pression, pour di-
verses matières de friction.
Dans la description qui suit, on se réfère à des
exemples de matières de friction appelées matières A à I. Ces matières ont les compositions approximatives suivantes, exprimées en pourcentages pondéraux Matière A Cuivre 68,9, étain 5,8, plomb 8,6, graphite 8,8, silice 2,8-,
alumine 4,9.
Matière B Cuivre 70, étain 9,1, plomb 3,0, graphite 8,5, silice 1,0,
nitrure de silicium 8,3.
Matière C Cuivre 69, étain 9,0, plomb 2,9, graphite 8,4, silice 1,0,
alumine 9,7.
Matière CI Comme la matière C, mais comprenant une fine poudre d'alumine réactive à la place d'une poudre grossière d'alumine calcinée utilisée dans la matière C. Matière D
Cuivre 78,1, plomb 2,8, graphique 8,2, alumine 10,9.
Matière E Cuivre 66,9, aluminium 7,4, plomb 3,3, graphite 9,6, alumine 12, 8. Matière F Cuivre 43,2, fibres d'acier 33,9, plomb 2,9, graphite 8,6,
alumine 11,4.
Matière G Cuivre 65,8, graphite 9,7, silice 10,4, alumine 11,3,
bisulfure de molybdène 2,5.
Matière H
Fibres d'acier 75,9, plomb 3,1, graphite 9,0, alumine 12,0.
Matière I Cuivre 33, fer 45, plomb 1,1, graphite 9,8, silice 10,1,
*alumine 1,4.
On se réfère maintenant aux figures la, lb et 3 a à 5 b; l'appareil utilisé dans un exemple considéré comprend un moule 11 formé de nitrure de silicium comprimé à chaud ou de préférence d'une matière céramique frittéesans pression et contenant au moins 90 %o d'un oxynitrurq d'aluminium et de silicium ayant la formule générale: 3 i 6-z Alz N 8-z O z dans laquelle z est supérieur à 0 mais est inférieur ou-égal à Le moule 11 est avantageusement fabriqué en segments qui
sont retenus par emmanchement conique dans une chemise ex-
terne 12 de circulation d'eau, et il délimite une cavité 13 de moulage de forme générale rectangulaire correspondant à
la configuration du patin nécessaire 10 de friction.
A une première extrémité qui délimite en partie là partie supérieure du moule, le moule 11 a une surface plate
et lisse de manière qu'une plaque 9 de support de plus gran-
de dimension puisse être utilisée pour la fermeture étanche de cette première extrémité de la cavité 13 Le moule 11 flotte sur des ressorts (non représentés) ou des vérins
pneumatiques (non représentés) si bien que, lors du fonc-
tionnement, lorsqu'une charge d'une matière de friction 14 en poudre est placée dans la cavité 13, une force peut être
appliquée à la plaque 9 de support par une première électro-
de 15 et peut repousser la plaque de support et le moule
vers une seconde électrode 16 logée dans la cavité du moule.
La matière 14 en poudre est ainsi comprimée contre la plaque
9 de support si bien que, lorsqu'un courant électrique cir-
cule entre les électrodes 15, 16,la matière de friction peut
être frittée et forme le patin voulu 10 de friction, celui-
ci étant lié à la plaque 9 de support.
Les figures 2 a à 2 e représentent des variantes de
configuration de plaque de support, par rapport à la confi-
guration de la figure lb L'invention s'applique à des élé-
ments de f riction ayant des plaques de support de l'une
quelconque de ces formes.
Comme l'indiquent les figures 4 a et 4 b, la première électrode 15 a un bout 17 de travail qui a, à sa surface libre d'extrémité (c'est-à-dire la surface qui est destinée
à être au contact de la plaque 9 de support lors du fonction-
nement) une cavité centrale 18 de forme générale circulaire
et une cavité supplémentaire sous forme d'une gorge annu-
laire 19 concentrique à la cavité 18 mais à l'extérieur de celle-ci Mis à part la cavité 18 et la gorge 19, la surface de l'extrémité libre du bout 17 est usinée afin qu'elle soit plate et lisse Un élément rapporté circulaire 21 de graphite est monté par emmanchement à force dans la cavité 18 et il est destiné à se terminer à une faible distance de la surface libre d'extrémité du bout 17, cette distance étant d'environ 0,1 mm La périphérie de l'élément rapporté 15, à sa surface externe, est découpée afin qu'elle délimite, avec
la paroi de la cavité 18, une gorge supplémentaire 22 concen-
trique à la gorge 19 Dans un mode de réalisation utilisé en pratique, le bout 17 est formé d'un alliage de cuivre et de tungstène vendu par Johnson Matthey, sous la référence 1 OW 3, sa résistivité étant de 5 microhm cm Dans ce mode de réalisation, la cavité 18 a un diamètre de 28 mm et une profondeur de 3,5 mm, et elle loge un élément rapporté 21 formé de graphite "Fordath" EC 3 ayant une résistivité de 1680 microhm cm Ainsi, le rapport de la résistance de l'élément 21 à celle d'un tronçon de longueur correspondante
du reste du bout 1 l 7 de l'électrode est de l'ordre de 1000/1.
La gorge 19 formée dans ce mode de réalisation a une profon-
deur de 0,5 mm et un diamètre externe de 46 mm pour un dia-
mètre interne de 40 mm alors que la gorge 22 a une profondeur de 20 mm et un diamètre externe de 28 mm, son diamètre interne
étant de 26 mm -
Comme l'indiquent les figures Sa et 5 b, la seconde électrode 16 a un bout 23 de travail qui, dans un mode de réalisation utile en pratique, est formé d'un alliage de 'é de tungstène avec du fer, du nickel et du molybdène, *vendu sous la référence M 4000 par Johnson Matthey et ayant une résistivité de 13 microhm cm -A sa surface d'extrémité libre (c'est-àdire la surface présentée à la matière de friction) le bout 23 est plan et lisse mise à part une
cavité circulaire centrale 24 qui, dans le mode de réalisa-
tion considéré, a une profondeur de 3 mm et un diamètre de 24 mm Un élément rapporté 25 de graphite est monté par emmanchement à force dans la cavité 24 qu'il remplit et, dans un mode de réalisation, il est formé, de la même matière
"Fordath' que l'élément 21 Ainsi, dans le mode de réalisa-
tion considéré, le rapport de la résistance de l'élément rap-
porté 25 à celle d'un tronçon de longueur équivalente du reste du bout 23 de l'électrode est de l'ordre de 370/1 Le bout
23 de l'électrode a la même section de forme générale rec-
tangulaire que le patin voulu 10 et comporte un petit gradin dirigé vers l'intérieur sur une distance d'environ 0,5 mm, à une faible distance ( 3 mm dans un exemple de réalisation) de son extrémité libre, afin que l'électrode 16 et le moule Il ne puissent pas présenter un coincement lorsqu'une bavure
Formée dans des opérations antérieures de frittage par résis-
tance n'est pas enlevée.
Comme l'indique la figure 3, l'appareil utilisé dans cet exemple a une électrode secondaire 26 montée dans la ca- vité 13 du moule, sur la surface libre de l'extrémité du
bout 23 de la seconde électrode, mais elle est formée séparé-
ment du bout 23 L'électrode secondaire 26 a une forme corres-
pondant à celle de la cavité 13 du moule et, dans un mode de réalisation, elle est formée d'un bloc de graphite "Fordath"
EC 3 de 4 mm d'épaisseur.
On constate que la résistance exacte de l'électrode secondaire n'est pas primordiale Cependant, en pratique, une valeur avantageuse de la résistance est comprise entre
5 et 50 microhms.
Les exemples de graphite "Fordath" utilisés das lle
-présent mémoire ont les caractéristiques suivantes de-résis-
tance: Qualité Epaisseur (mm) Résistance (microhms)
EC 3 4 36
2,8 25
EC 6 4 23
3 17
L'électrode secondaire peut faire apparaître un gra-
dient de température dans le mélange fritté, la température étant élevée à la face de l'électrode secondaire et diminuant vers la première électrode Cependant, on constate que les
variations de microstructure provoquées par cet effet n'af-
fectent pas les propriétés de friction de la matière frittée.
On considère maintenant plus précisément l'invention
en référence à des exemples de mise en oeuvre pratique.
Exemple 1
On dégraisse d'abord une plaque de support d'acier doux de 4,5 mm d'épaisseur et on lui fait subir une opération de grenaillage ou de ponçage à sec On lave alors la plaque par trempage à l'eau et on la nettoie dans une solution à 5 % d'acide chlorhydrique pendant 1 à 2 minutes avant nouveau
trempage dans l'eau Ensuite, la plaque reçoit un dépôt chimi-
que de nickel formé à 851 C pendant 2 à 3 minutes à l'aide de la solution "Ir MASA 4181 " constituant l'électrolyte Après sortie de l'électrolyte, on lave la plaque pendant 1 minute environ dans l'eau puis on la sèche Si elle doit être con-
servée avant traitement ultérieur, on la garde dans un ré-
cipient fermé contenant un desséchant.
On introduit alors une charge de matière de friction en poudre A indiquée précédemment, dans la cavité 13 du moule
de l'appareil décrit précédemment (la cavité ayant une sec-
tion de 1840 mm 2) sur l'électrode secondaire 26 formée de
graphite EC 3 de 4 mm d'épaisseur.
La première extrémité de la cavité du moule est alors
fermée par la plaque de support revêtue de nickel et la pre-
l 5 mière électrode 15 est repoussée contre la plaque de support avec une pression de 5407 k Pa, si bien que la matière de
friction est comprimée entre la plaque de support et l'élec-
trode 16 et l'électrode auxiliaire 26 Simultanément, un courant de 22 10 ampères circule entre les électrodes, sous la commande d'une alimentation continue elle-même alimentée
par une alimentation triphasée de 300 k VA afin que la ma-
tière de friction soit frittée On maintient la circulation
du courant et la pression pendant 8 secondes pendant les-
quelles l'intensité du courant s'élève jusqu'à une valeur fi-
nale de 38 10 ampères On interrompt alors la circulation
du courant et on laisse refroidir l'ensemble sous pression.
Dans l'élément résultant de friction, le patin 10 a une
épaisseur de 4,6 mm et une densité relative de 87,8 %.
Exemple 2
On repète l'exemple 1, mais en enlevant l'électrode secondaire 26 Dans ce cas, l'intensité du courant initial circulant entre les électrodes est de 23 103 ampères et elle augmente pendant les 8 secondes du frittage par résistance jusqu'à 43 10 ampères La pression appliquée est encore de 5407 k Pa, et, après refroidissement sous pression, le patin fritté par résistance a une épaisseur de 4,77 mm et une
densité relative de 87,1 %.
18 2512146
Exemple 3
L'effet de chauffage est proportionnel à la résis-
tance de la matière frittée, parmi d'autres facteurs On constate que, dans le cas de certaines matières, il est avantageux d'utiliser une seconde pression supérieure à la
première, après la durée t d'application de la première pres-
sion pendant le cycle de chauffage La première pression peut être maintenue à une valeur qui optimise le chauffage par résistance pendant le début du frîttage alors que la densité finale nécessaire est obtenue en grande partie par réglage convenable de la seconde pression Cette caractéristique est particulièrement avantageuse lorsque la densité finale doit être élevée Lorsque la densité finale doit être faible, il est avantageux de supprimer la seconde pression mais de conserver une première pression faible afin que le chauffage par résistance soit maximal, la faible densité étant obtenue par utilisation d'une courte durée de traitement En outre, il est avantageux que le chauffage par l'électrode secondaire soit minimal afin que le gradient de température soit réduit
dans l'épaisseur de la pièce.
Dans cet exemple, on répète l'exemple 1, avec des charges de ia matière B, et avec diverses valeurs du courant, de la durée et de la première et de la seconde pressions afin que les patins de friction obtenus aient des densités
variables, comme l'indique le tableau qui suit.
Exemple
Qualité de l'électrode secondaire
Epaisseur de l'électro-
de secondaire Durée totale (s) lère pression (k Pa) 2 e pression (k Pa) Durée t (s) Intensité (k A) Résistivité initiale (milliohm cm) Densité finale, % Epaisseur finale (mm) 3 a 3 b 3 c 3 d 3 e 3 f EC 6 3 mm o O 72, 6 4,89
EC 3 EC 3 EC 3
4 mm 4 mm 4 mm 7 l 11 il
2758 5517 5517
9310 11034 O
3 3,4
27-39 28-35
91,2 ,04 ,0 4,92 28-33 83,0 4,88
EC 3 EC 3
4 mm 26-37 ,5 ,10 4 mm o O 18-2 74,3 4,85 On obtient des liaisons satisfaisantes entre la matière de friction et les plaques de support dans tous les exemples 3 a à 3 f, les plaques de support des exemples 3 a et 3 b étant revêtues alors que celles des exemples 3 c à 3 f sont
soumises à unsablage grossier à sec et ne sont pas revêtues.
Il faut noter dans l'exemple 3 que les résistivités initiales sont données pour chacun des exemples 3 a à 3 f La
résistivité initiale est un pa'ramtre important pour la déter-
mination des caractéristiques initiales de traitement telles que la répartition du courant et les effets du chauffage au début du frittage Le graphique de la figure 8 donne une
indication sur les différents paramètres électriques (ten-
sion, intensité, puissance et résistance), et sur leurs va-
riations au cours du temps pendant le frittage d'un exemple
de patin de frein par mise en oeuvre du procédé de l'invention.
Il est évident que, bien que la résistance diminue rapide-
ment, le chauffage par résistance est surtout efficace initia-
lement comme indiqué par la crête de puissance correspondant à un courant initial faible mais croissante Lorsque la résistivité initiale est trop importante, la tension en circuit ouvert peut être insuffisante pour qu'elle permette la compensation de la résistance globale présentée par la matière, ou le passage du courant ne s'effectue
12146
plus probablement que localement La densité de courant artificiellement élevée qui correspond peut provoquer une
fusion locale En conséquence, la connaissance de la résis-
tivité de la matière en poudre est souhaitable essentielle-
ment afin que le fait qu'une matière permet une circulation uniforme du courant puisse être déterminé mais aussi afin qu'une indication soitobtenue sur les paramètres initiaux
du procédé, nécessaires à un frittage uniforme.
La résistivité de la poudre peut être déterminée par disposition d'un échantillon de matière en poudre dans un moule convenable isolant de l'électricité, entre deux
électrodes formées d'alliage N 4000 Un courant continu cons-
tant circule dans l'échantillon et la résistivité est obtenue pour diverses pressions appliquées, par relevé de la chute de la tension aux bornes de l'échantillon et détermination
de l'épaisseur de l'échantillon.
La figure 9 représente des exemples de résultats obtenus pour les matières C, Cl, B et I. Il est évident que la résistivité peut être modifiée
par modification de la pression appliquée, et, en consé-
quence, de la densité, de la composition et de la morphologie
des ingrédients en poudre contenus dans la matière En con-
séquence, on peut régler la résistivité initiale de la ma-
tière en poudre afin d'obtenir un frottage initialement uni-
forme Cependant, on doit tenir compte d'autres facteurs complicateurs tels que la pression qui doit être appliquée pour l'obtention d'une densité indésirable; on sait aussi que les caractéristiques de friction du patin fritté dépendent
de sa composition.
On constate que, lors de la mise en oeuvre de l'in-
vention, il est avantageux d'utiliser une résistivité initia-
le inférieure à 200 milliohm cm afin que la répartition du
courant puisse être convenablemert réglée.
On constate sur la figure 9 que la résistivité de la matière I peutdifficilement être réduite à une telle valeur, même pour la pression appliquée la plus élevée En conséquence, cette poudre ne se fritte pas de manière réglée sans modification de la composition ou de la morphologie des particules Comme l'indique encore la figure 9, bien que la matière C possède une résistivité élevée aux faibles pressions, cette résistivité peut être réduite à une valeur utile à des pressions modérées telles que 6897 k Pa, la résistivité étant alors de 80 milliohm cm Ce comportement
est explicité dans l'exemple 4.
Exemple 4
On remplace la seconde électrode utilisée dans les exemples précédents (c'est-à-dire l'électrode des figures a et 5 b) par celle qui est représentée sur les figures 6 a et 6 b La seconde électrode 116 des figures 6 a et 6 b qui est géométriquement analogue à celle des figures 5 a et 5 b, a un bout 123 formé d'un alliage de cuivre et de tungstène ("Matthey" 1 OW 3) Le bout 123 a une cavité circulaire centrale
124, ayant un diamètre de 24 mm et une profondeur de 3,5 mm.
La cavité 124 est totalement remplie d'un élément rapporté
de graphite "Fordath" EC 3.
Une électrode secondaire 26 elle aussi formée de graphique FC 3 et ayant 4 mm d'épaisseur, est utilisée dans cet arrangement pour le traitement d'une charge de la matière
de friction C On décrit maintenant plus en détail les opé-
rations en référence à la figure 8.
On place une charge de la matière C dans la cavité du moule par remplissage par balayage On ferme la cavité avec une plaque de support revêtue ayant la forme représentée sur la figure lb On applique une pression initiale de
6897 k Pa à la pièce par l'intermédiaire de la première élec-
trode supérieure mobile 15 afin d'obtenir, dans le mélange
en poudre, une résistivité de 80 milliohm cm.
On transmet l'énergie en trois étapes successives: 1 On applique une tension en circuit ouvert qui suffit à la percée de la résistance initiale Dans cet exemple,
la percée a lieu à 7 volts et la résistance diminue alors ra-
pidement, l'intensité du courant augmentant à 20 k A environ
alors que la puissance atteint une valeur de crête.
2.Dans la seconde étape, on limite la puissance maximale transmise afin d'éviter une surchauffe et le courant augmente progressivement jusqu'à 38 k A La résistance se stabilise
pendant cette période.
3 La troisième étape met en oeuvre une puissance réduite, l'intensité du courant étant réduite à 30 k A afin que la vitesse de refroidissement initiale soit réduite et
que le choc thermique soit réduit.
La durée totale de l'opération est d'environ 10 se-
condes et le patin résultant a un poids après frittage de 47 g, une densité relative de 82,7 % et une épaisseur après
frittage de 4,88 mm.
On fritte et on lie à diverses plaques de support
la matière B, à l'aide du même arrangement, dans les condi-
tions suivantes.
Plaque de support Pl P 2 Durée Durée Résistivité (type de la fi (k Pa) (k Pa) "t" totale initiale gure) _ (s) (s) (milliohm cm) (i) 2 a 5517 11034 3,4 11 15 (ii) 2 e 5517 11034 3,4 11 15 (iii) 2 d 6897 10 12 (iv) 2 b 6897 10 l 2 (v) 2 a 6897 9 12 Poids après Epaisseur Densité Intensité frittage, g après frit après frit du courant, tage, mm taqe, % k A (i) 48, 6 4,97 85,2 30-39 (ii) 49,1 5,01 85,4 28-38 (iii) 46,4 4,84 83,3 31-38 (iv) 46,5 4,86 83,3 32-38
(V) 46,5 4,85 83,5 29-36
En outre, on prépare 10 échantillons à l'aide de la matière 8 et de la plaque de support de la figure lb,
dans des conditions analogues afin de démontrer la reproduc-
tibilité du procédé On obtient les résultats suivants: Poids après frittage: 48,4 49,4 g Epaisseur après frittage: 4,92 5,12 mm
Densité après frittage: 83 86,9 %.
On note qu'on obtient une dispersion relativement
faible des résultats.
Exemple 5
On remplace la première électrode utilisée dans l'exemple précédent (c'est-à-dire l'électrode des figures 4 a et 4 b) par celle qui est représentée sur les figures 7 a et 7 b Cette électrode 115 est formée d'alliage Cu-W ("Ilatthey"
l OW 3) Un bout 117 de travail de l'électrode 115 a une sur-
face d'extrémité libre qui comporte une cavité circulaire
centrale 118 ( 28 mm de diamètre) dans laquelle un élément rap-
porté 121 de graphite "Fordath" EC 3 est emmanché à force.
L'électrode 115 a une gorge annulaire interne 122 délimitée en partie par une portion peu profonde formée autour de la périphérie de la cavité 118 et en partie par un évidement formé autour de la périphérie de l'élément rapporté 121 La gorge 122 a une largeur de 3 mm, une profondeur de 1 mm et un diamètre interne de 24 mm La surface d'extrémité libre du bout 114 a aussi une gorge annulaire externe 119 de 3 mm dé largeur, 0,5 mm de profondeur et 40 mm de diamètre
interne Les gorges 119 et 122 sont reliées, à des emplace-
ments diamétralement opposés suivant le grand axe de la
surface d'extrémité libre du bout 117, par deux fentes par-
tiellement circulaires 126 et 127 ayant un diamètre de 10 mm et une profondeur de 0,5 mm Mises à part les gorges 119 et 122 et les fentes 126 et 127 la surface d'extrémité libre
du bout 117 est usinée afin qu'elle soit lisse et plate.
Comme dans le mode-de réalisation des figures 4 a et 4 b, l'élé-
ment rapporté 121 aboutit à une faible distance d'environ
O,lmm de la surface d'extrémité libre du bout 117.
On considère maintenant des exemples d'opérations
de frittage par résistance exécutées avec la première électro-
de précitée et la seconde électrode des figures 6 a et 6 b,
en présence de l'électrode secondaire 26.
Matière Electrode secondaire A EC 3 x 4 mm B EC 3 x 4 mm C 1 EC 6 x 4 mm G EC 6 x 4 mm E EC 6 x 4 mm H EC 6 x 4 mm D EC 6 x 4 mm C 1 EC 3 x 4 mm Matière Poids après frittage, g
A 51,9
A 52,0
C 1 52,6
G 41,9
E 45,9
H 26,1
D 55,0
C 1 51,7
Pl P 2 "t"'
k Pa k Pa S -
8275 15170 1
Epaisseur après frittaqe, mm 4,89 ,04 ,39 ,29 ,27 3,14 50 ,24 Durée Intensité totales k A
9 32-40
9 32-40
8,5 26-32
7,5 31-37
9 26-34
6 15-29
8,5 30-38
9 30-38
Densité après frittaqe, ' 87,4 86,5 83,8 82,2 ,4 76,8 84,0 84,7 On constate qu'on obtient des résultats analogues par remplacement de l'élément rapporté 121 de graphite "Fordath"
EC 3 par du nitrure de silicium comprimé à chaud ou de l'oxy-
nitrure d'aluminium et de silicium fritté fourni par Lucas
Syalon Limited, Grande-Bretagne.
Lors de l'utilisation de la première électrode des figures 7 a et 7 b, on peut obtenir une certaine réduction du temps de chauffage par rapport au résultat de l'exemple 4 mettant en oeuvre la première électrode des figures 4 a et
4 b Ce résultat est dé à la réduction de la surface de con-
tact entre la première électrode et la plaque de support si
bien que l'effet de 'refroidissement est aussi réduit Cepen-
dant, on constate aussi que le risque de fusion localisée
est accru.
Exemple 6
On traite un échantillon de la matibre F qui
ne contient aucun ingrédient dont on peut prévoir la forma-
12146
tion d'une phase liquide importante, comme décrit dans l'exem-
ple 5 mais en l'absence d'une électrode secondaire, en
utilisant une pression initiale Pl de 5517 k Pa, une secon-
de pression P 2 de 15170 ka, après une durée de 6 secondes, et une intensité de 25 à 36 k A, pour une durée totale de 7,5 secondes La densité apparente finale est d'environ
% Cependant, on note que la partie centrale de la ma-
tière de friction, correspondant aux éléments rapportés des électrodes, est mal frittée Bien qu'il ne s'agisse pas obligatoirement d'un Inc nvénient dans le cas d'un patin de frein, ce résultat montre que l'élément rapporté placé au
centre peut régler la répartition du courant dans cette appli-
cation. On peut comparer cet exemple avec l'exemple 2
dans lequel le frittage est aussi réalisé sans électrode se-
condaire, et la matière utilisée est la matière A dont on peut prévoir un frittage en présence d'une phase liquide
considérable, si bien que la région centrale est convenable-
ment frittée Cependant, comme indiqué précédemment, lorsque la matière de friction contient une quantité importante d'une matière en phase liquide, il est préférable qu'une électrode
secondaire soit utilisée.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs et procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples
* non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (1)
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