FR2510009A1

FR2510009A1 - Materiau composite autolubrifiant

Info

Publication number: FR2510009A1
Application number: FR8114537A
Authority: FR
Inventors: Vladimir Alexeevich Bely; Anatoly Ivanovich Sviridenok; Valentin Georgievich Savkin; Vladimir Valentinovich Meshkov; Nikolai Konstantinovic Myshkin
Original assignee: INST MEK METALLOPOLIME
Current assignee: INST MEK METALLOPOLIME
Priority date: 1981-09-11
Filing date: 1981-07-27
Publication date: 1983-01-28
Also published as: DE3128412A1; FR2510009B1; GB2105751A; DE3128412C2; SE454519B; US4425247A; GB2105751B; SE8104285L

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES MATERIAUX COMPOSITES AUTOLUBRIFIANTS. D'APRES L'INVENTION, LE MATERIAU COMPOSITE AUTOLUBRIFIANT EST CONSTITUE PAR UNE MATRICE METALLIQUE RENFERMANT DES ADDITIONS FONCTIONNELLES 2, LA MATRICE ETANT FORMEE PAR DEUX CONSTITUANTS 1, 3, L'UN 1 FORMANT DES ENROBAGES SUR LES ADDITIONS FONCTIONNELLES 2, ET LE SECOND 3 SE TROUVANT DANS LES INTERVALLES ENTRE LES ENROBAGES. L'INVENTION PEUT TROUVER DES APPLICATIONS DANS LES CONSTRUCTIONS MECANIQUES, LES CONSTRUCTIONS ELECTRIQUES, L'ELECTRONIQUE.

Description

Ic O O t A

MATERIAU COMPOSITE AUTOLUBRIFIANT

La présente invention concerne les matériaux composites autolubri-

fiants, et notamment, les matériaux composites autolubrifiants destinés à la

fabrication des sous-ensembles à frottement.

Ces matériaux sont très employés dans les constructions mécaniques, les constructions électriques, l'électronique, notamment pour la fabrication

des éléments de contacts électriques glissants, de paliers lisses, travail-

lant dans des conditions extrêmes: dans le vide, à des températures élevées ou basse, l'action de champs électriques, de surcharges mécaniques, etc. Pour que le fonctionnement soit fiable dans de telles conditions, les matériaux composites autolubrifiants doivent satisfaire aux exigences suivantes: avoir une conductibilité thermique élevée; être doués d'une grande résistance mécanique aux températures élevées et basses, aux chocs thermiques;

avoir une résistance à la corrosion suffisante dans les condi-

tions d'une forte humidité et d'une température élevée, résis-

ter aux rayonnements;

être stables en utilisation: avoir un coefficient de frotte-

ment bas, une vitesse d'usure faible, une longévité et une fiabilité prolongées;

* bien se prêter à la fabrication, au montage, à l'entretien.

En outre, pour de tels matériaux, quand ils sont utilisés en pré-

sence de champs électriques, un rôle important est joué par la stabilité de leurs caractéristiques électriques, par exemple le niveau de leurs pulsations, la résistance de contact, etc.

On connaît diverses pièces conjuguées des sous-ensembles à frotte-

ment, en matériaux composites autolubrifiants fabriquées par les méthodes de la métallurgie des poudrés: coussinets contenant des métaux, par exemple, cuivre, fer, bronze, et des additions fonctionnelles (certificats d'auteur d'inv d'URSS n 144 015 B-1, 1962, n 158 a 24 B-22, 1963, n 160 298 B-3, 1964, n 419 318 cl B 22 f 3/12, n 568 076 cl B 22 f 3/12, C 22 c 1/04; demande britannique n 1 483 328 cl B 22 f 7/04, F 16 33/06; brevets des

Etats-Unis n 4 004 889 cl B 22 f 7/04, n 4 049 428 cl B 22 f 1/02; deman-

des japonaises no 52-15241 cl B 22 f 5/26, no 52-2604 cl B 22 f 3/34,

n 52-26737 cl B 22 c 9/02, etc).

En outre, on connait des balais électriques pour moteurs électriques, fabriqués en matériaux composites autolubrifiants, contenant des métaux, par

exemple, argent, cuivre, et des additions fonctionnelles (certificats d'au-

teur d'inv d'URSS n 312 314 cl C 22 c 5/00, n 599 228 cl B 22 f; brevets des Etats-Unis n 2 418 710, 1944, n 2 854 597, 1955, n 3 437 592 cl 252-12, n 3 455 023 cl H 01 r, n 4 056 365 cl B 22 f 3/00; brevets français no 1 203 011 cl H 02 k, n 1 306 535 cl H 02 k, n i 392 967 cl H 02 f; brevets de R F A n I 215 938 cl 40 B 5/00, n 2 712 209 cl B 22 f 5/00,

n 2 715 347 cl B 22 f 5/00), ainsi que d'autres produits.

En tant qu'additions fonctionnelles on utilise: 1 Des polymères: thermostables: azotés ou phosphorés (brevet des Etats-Unis

n 4 045 400 cl C 08 k 3/30), époxy (demande britannique n 1 479 402 cl.

C 08 G 59/11), et autres; des liants organiques (demandes françaises n 2 337 750 et

2 337 751 cl C 08 L 53/00, B 22 f 3/00, C 04 B 35/64.

2 Des fibres: de graphite, de matériaux synthétiques, de métaux (orientées et non orientées, de dimension de 1 à 100 pm, à un taux volumique de 20 à 80 %), par exemple suivant le brevet de R F A n 1 783 124 cl 40

B 1/10, C 22 c 1/10.

3 Des oxydes de métaux, par exemple l'oxyde de cadmium (demande

britannique n 1 486 011, cl 08 L 27 18).

4 Des métaux (Fe, Ni, Ag, Pb, Cd, In, AI), des carbures de métaux

(WC, Fe C), des constituants oxydés ( 1 à 20 %), par exemple du tétroxyde d'os-

mium, contenus de préférence en solution solide dans le constituant principal (brevet des Etats-Unis n 3 370 942 cl C 22 c; brevet de R F A n 1 249 536

cl 40 c 5/00: matériau pour contacts électriques).

Des lubrifiants: lubrifiants solides résistant à la corrosion, à base d'une rsine thermodurcissable, ainsi que de graphite, de bisulfure de molybdne, résine thermodurcissable, ainsi que de graphite, de bisulfure de molybdène, de chromate de zinc ou de métaux: cadmium, argent, tungstène (brevet des Etats-Unis n 3 051 586 cl 117-49); lubrifiants pour hautes températures contenant des agents lubrifiants (bisulfure de molybdène, nitrure de bore ou graphite), des métaux (cuivre, zinc, indium ou plomb) et de l'oxyde de cadmium avec des dimensions de particules ne dépassant pas 10 pm (brevet français n 1 345 589 cl C 01 m); lubrifiants à base de polymères, par exemple, des produits de la condensation d'une résine époxy aromatique à un taux pondéral de 15 'à 60 %,

de lubrifiants solides à un taux pondéral de 40 à 85 %, par exemple, du gra-

phite, des oxydes de métaux (brevets de R F A n 1 271 875 cl 23 c 1/01, C 01 m); biséléniures de métaux de transition (biséléniure de tantale,

sulfure de tantale, biséléniure de niobium et leurs mélanges), pour l'utilisa-

tion dans un vide poussé inférieur à 10 '7 Torr (brevet de R F A n 1 284 017

cl C 10 m).

Les matériaux composites autolubrifiants, par exemple électroconduc-

teurs, sont de préférence fabriqués par les méthodes de la métallurgie des

poudres, notamment par le procédé de frittage vrai.

On connait un matériau composite autolubrifiant (certificat d'auteur d'URSS n 347 845 cl H 01 r 39/20), utilisé pour la fabrication des balais

électriques, fonctionnant principalement dans un vide poussé à des tempéra-

tures négatives Pour améliorer les caractéristiques d'utilisation, le maté-

riau, contenant une poudre de carbone métallisée, des particules de substance antifriction et un liant, est additionné en outrede bisulfure de molybdène

métallisé, en quantité pondérale de 40 à 70 %, ce bisulfure de molybdène métal-

lisé contenant lui-même 30 à 50 % en poids de métal A titre d'exemple, on cite la composition pondérale suivante: 50 % de graphite naturel cuivré, 50 % de bisulfure de molybdène cuivré contenant 30 % en poids de cuivre, ainsi

qu'une résine phénol-formaldéhyde sous forme résol à un taux pondéral de 20 %.

Les balais électriques fabriqués avec ce matériau, par compression à chaud, ont les caractéristiques suivantes: résistivité massique 2,5 à 2,8 ç mm 2/m, dureté 33 à 43 kg/mm 2, chute transitoire de tension aux contacts pour une paire de balais (sur bagues de cuivre) 1,3 à 1,4 V usure sous un

vide de 4 10-6 Torr à une température de -75 C en 30 heures est de 0,02 mm.

Les données indiquées font apparaître que, malgré une série d'avan-

tages, à savoir, une grande résistance à l'usure dans le vide, une résistance élevée à l'érosion, un bas coefficient de frottement, ce matériau présente

des propriétés ne permettant pas pleinement son utilisation dans des condi-

tions extrêmes: présence d'une charge qui, quoique abaissant le coefficient de frottement, conduit à une altération d'autres propriétés, par exemple de la résistance aux vibrations et aux chocs; résistance à la rupture, par exemple à la compression faible, résultant du fait qu'une grande partie de la charge mécanique appliquée au matériau se répartitaux interfaces métal-charge La cohésion au contact

métal-charge est très faible, ce qui est déterminé par la méthode de fabri-

cation du matériau; chute de tension élevée au contact balai-collecteur, ce qui

est la cause de pertes électriques, de bruits, de fortes pulsations du cou-

rant; altération des propriétés d'utilisation du matériau après un stockage prolongé ( 10 jours et plus) en position statique, dans une forte humidité relative ( 98 %) et à une température accrue (+ 400 C) Dans ce cas, on observe un phénomène de collage du matériau au métal de la contre-pièce, par exemple au cuivre de la bague Il se produit alors un fort accroissement de la résistance électrique au contact balaicollecteur et la tension de

démarrage de la machine électrique augmente fortement, d'une manière inadmis-

sible (de 3 à 5 fois).

Par suite des causes indiquées, le matériau est de faible fiabilité

lors de l'utilisation.

On connaît une série de matériaux composites autolubrifiants, cons-

titués par une matrice métallique, ayant des propriétés d'utilisation meil-

leures. Par exemple, on connaît un matériau de ce type, qui se compose d'une matrice de bronze, formée par frittage de poudres métalliques, cette matrice métallique contenant dans ses pores des additions fonctionnelles, par exemple du polytétrafluoréthylène (F P Bowden, Frictional properties of porous

imprégnated with plasties Research, 1950, v 3, p 147).

On connaît encore un matériau composite autolubrifiant pour les

coussinets minces (brevet de Grande-Bretagne N O 1 114 061 B 912 121, 756 950).

Le matériau est constitué par une matrice métallique poreuse à

volume des pores allant jusqu'à 35 %, les pores étant remplis de façon irré-

gulière d'additions fonctionnelles Pour la matrice on utilise des métaux,

par exemple, du bronze à forte teneur en étain, et les additions fonction-

nelles sont le polytétrafluoroéthylène et le plomb Le matériau est fabriqué

2 5 1 O O O 9

par les méthodes de la métallurgie des poudres, par exemple, par frittage, à

partir de poudres dendritiques de i, iëtaux Durs, obtenues par unprocêdéëléctro-

lytiquq; ou bien d'une poudre grains sphériques de bronze à -forte teneur en étain, (Contenant jusqu'à 10 % en p,)-ils C'l'a-tain Le procédé de fabrication de tels matériaux comprend la ci;,apyi,ssioy, à haute température de 'la poudre,

son pré-frittage en produit semi-fini dans une atmosphère réductrice, l'im-

prëgriatioti à plusieurs repri es de ce semi-fini par une suspension d'addition 7 fonctionnelles, le 'Frittage du produit semi-fini

imprégné par avec 'te support-, en acier dans une atmos-

io ph è r 2 i ne r t c e È 1 e c a 1 r a g e ll 1 a p î ê î o; c, L; e p a; %J è f or ni a -1 i O a p 1 a S t i q u e U f,b C&i - O -j diu pr,1 duît,_ av'ec ce rrat-rîau, par exemple de ccus,inets Inincos, il a'a Exactes de la -.i a i' r i c e a v e c 1 e S a il d i t, i),-e S f o ri,, i ijl in t il 1 N S, c 1 S c î dé a S se ri t 'l a S Li r f a c G c c pa om' _ct de -la î -se r de 0,02 wpi, ce que is est une répercussions Poi 'r gui coucsipet apteà au la de 1-landes allure épaisseur de 1,11 'Q' mui etd'w-lc ljlqu'à 01,6âm; cap d'un fi i a ïT, è, Y, cd e àî100 wili;(lepa,& CS ri i 1 S P 1,2:i ri q u la sd'undlialiie- trede16 à 38 1 q -Ms, de co,,i si ne ts, et, c Le ï-:til N 2 t -,,mpl lyè dans 1 ors

f'- ol teinent à sec et mixile-

Les L,,'ljrii 2 a Ptitudc ê 1 eyè:c au

(Vitesse d'usure ?-"La e, frott,,iien-L), y comp-ris au-

fortes Ciir-c sar : Allie une Plage de température étendue (de -2 00à dans -ia 4,r ceci dans le Vide dansif i 'i cti i, -y pa, î c 111 t U lan ' S 1 ainsi Cue:F, li -cs r'a i d'ec'_iilubri L ces rjiatér auxil ai(, D-e;j;îJ iwriaries a il s

provoquent c acier,.

r-w 4 S es 'la p OS si M 1 té de r E-

3 J uti ài serdans 1 2,; àl' c:iaris condi-

tions extrètiies i On confiant 1 de i-'tes cages 'Je roulements

à balles, f'abri QuéP' par f reî+t,,q P_ dc l t par du polyte-5-

add i,1-'îjt, qu-ant-ité de bisël-rliure de ttings-

r tbne, ei fonctionnant aidera siic, fàs aux ievï-s fini basses dans un

vide Poussë d 1,33 1 O_ à 1,3-J 10 a C e S i ii a t è 2, u z L y c u v e N t d e S a D p 1 i c a -

tions étendues dans les branches:uw Ja"es de l '-indust-rie: constructions aérospatiales, automobiles, électrotechniques, industrie textile, etc. Toutefois, ces matériaux ont des applications limitées, notamment par suite du fait que: a) les pores ne s'imprègnent pas tous uniformément car ils sont de dimensions et de dispositions différentes, aussi, pendant le service, les réserves de lubrifiants, se trouvant dans les pores adjacents à un moment donné à la surface de frottement, s'épuisent-elles; b) les pores peuvent être obturés par suite de leur colmatage par les produits d'usure ou des impuretés étrangères, ainsi que par suite de la déformation plastique des couches superficielles de la matrice, par exemple aux fortes charges et aux températures élevées; c)' les propriétés d'utilisation du matériau sont déterminées par ses caractéristiques physico-mêcaniques de friction et autres aux microzones de contact, or les valeurs d'une même caractéristique sont différentes en différentes zones et oscillent dans une plage étendue; d) l'interaction d'adhérences entre l'addition fonctionnelle (le

polytétrafluoréthylëne est inerte vis-à-vis des métaux) et la matrice métalli-

que au cours de l'imprégnation est extrêmement faible Ceci abaisse les caractéristiques de résistance du matériau et, en définitive, entraine un abaissement de nombreuses caractéristiques de sortie -résistance à l'usure

dans le vide, résistance aux vibrations et aux chocs, conductibilité électri-

que et autres c'est-à-dire de la fiabilité; e) la résistance à la chaleur est faible (jusqu'à 280 ), ce qui est d O à la destruction du polytétrafluoréthy 11 ne; f) la résistance de matériau aux rayonnements dans l'air est faible, ce qui est da à la destruction du liant; q) la méthode de fabrication d'un tel matériau implique l'exécution de toute une série d'opérations auxiliaires -brassage soigné, imprégnation

à plusieurs reprises, compression et frittage à plusieurs reprises des pou-

dres métalliques et d'une multitude d'opérations de finition -calibrage, traitement thermique échelonné compliqué, parachèvement, etc. On s'est proposé de créer un matériau composite autolubrifiant qui aurait des caractéristiques d'utilisatien améliorées dans les conditions du vide, aux températures élevées et bassas, en présence de l'action de champs

électriques et de force, et qui serait fiable en utilisation.

La solution consiste en un matériau composite autolubrifiant formé par une matrice métallique renfermant des additions fonctionnelles, matériau 251 e 909 dans lequel, d'après l'invention, la matrice est formée par deux constituants, l'un formant des enrobages sur les additions fonctionnelles, et l'autre se

trouvant dans les intervalles entre les enrobages.

En tant que constituants de la matrice, on utilise aussi bien des métaux purs, par exemple, l'argent, le cuivre, le baryum, l'aluminium, le tungstène, l'étain, que des alliages de métaux, par exemple, le bronze, et

en tant qu'additions fonctionnelles on utilise des substances d'origine orga-

nique et minérale.

Ces substances peuvent être des polymères, des lubrifiants solides, par exemple, le graphite, les biséléniures des métaux de transition Le choix et la combinaison des constituants métalliques s'effectuent en tenant compte des propriétés physico-mécaniques des métaux et/ou des alliages Un choix déterminé de constituants contribue à la formation de la structure sus-décrite

du matériau Une telle structure permet d'obtenir des matériaux doués de pro-

priétés antifriction, électroconductrices et de résistance élevée Le consti-

tuant qui forme les enrobages sur les additions fonctionnelles-joue principa-

lement un rôle de construction, c'est-à-dire qu'il forme la matrice spatiale.

Le second constituant, remplissant les intervalles entre les enrobages, assure, en conjugaison avec les additions fonctionnelles, un effet autolubrifiant lors du frottement, et, en outre, il renforce la matrice La matrice du matériau composite autolubrifiant se présente, dans le cas général, sous la forme d'une

structure soit régulière, soit irrégulière.

Pour améliorer les caractéristiques d'utilisation du matériau com-

posite autolubrifiant, il est préférable que lesdits enrobages forment une

structure cellulaire régulière.

Pour l'utilisation du matériau, la stabilité de ses caractéristiques de service à la surface de contact est très importante Cette stabilité est obtenue par réglage directionnel de la composition et de la structure du

matériau, notamment en assurant la présence de constituants fins et d'addi-

tions fines à la surface de contact C'est pourquoi il est avantageux de réaliser les enrobages de façon qu'ils constituent une structure cellulaire, régulière, dans laquelle la dimension des cellules décroît au fur et à mesure

que l'on se rapproche de la surface de contact avec la contre-pièce.

Comme on l'a indiqué plus haut, en tant que constituants de la

matrice on utilise aussi bien des métaux purs que des alliages de ces métaux.

Il est recommandé d'utiliser, pour la fabrication de pièces destinées aux sous-ensembles à frottement, des métaux des groupes III à VI de la classification

périodique et/ou des alliages de ces métaux.

L'emploi des métaux de terres rares, des lanthanoîdes, des acti-

nides est économiquement désavantageux Pour la matrice du matériau il est recommandé d'utiliser des métaux des groupes III à VI tels que l'argent, le cuivre, le baryum, le plomb, le molybdène, le tungstène et/ou leurs alliages,pare - emple cuivre, argent-cuibre, argent-plomb-cuivre, plombbaryum Pour obtenir la structure du matériau décrite plus haut, il faut que la température de fusion du second constituant ne soit pas supérieure à 0,9 fois la température

de fusion du premier Une dérogation à cette condition provoque une distri-

bution chaotique des constituants dans la matrice et conduit à l'altération des propriétés d'utilisation, notamment de la stabilité du coefficient de

frottement, des caractéristiques électriques de contact.

Selon la destination du matériau composite autolubrifiant, le taux d'additions fonctionnelles peut être différent et il se situe entre 3 et 80 % en volume La valeur minimale du, taux ( 3 % en volume) est la plus petite

valeur à laquelle on observe encore l'effet d'autolubrification lors du frot-

tement Si le taux d'additions fonctionnelles dépasse la limite supérieure indiquée ( 80 % en volume), la structure décrite du matériau se détériore Il s'ensuit une altération inadmissible des caractéristiques de résistance, de

conductibilité électrique et d'autres propriétés du matériau.

Les dimensions des additions fonctionnelles ont un rôle extrêmement important dans l'utilisation du matériau: la longévité et la fiabilité du sous-ensemble à frottement, ainsi que la stabilité des caractéristiques de contact, en sont tributaires La districution des additions fonctionnelles dans la matrice doit être telle que la distance entre les particules des additions, c'est-à-dire l'épaisseur des enrobages, assure la conservation de

la structure décrite, tout en n'altérant pas les caractéristiques d'utilisation.

A ce point de vue, un critère important de la structure du matériau

est le rapport de la dimension maximale des additions fonctionnelles à la dis-

tance minimale entre elles En principe, ce rapport peut être quelconque, mais

il est recommandé de le choisir dans l'intervalle de 0,7 à 10.

En tant qu'additions fonctionnelles, on recommande l'utilisation de

polymères thermodurcissables ou thermoplastiques En tant que polymères ther-

modurcissables il est avantageux d'utiliser les résines phénolformaldéhyde, les résines époxy ou polyimides chargées de verre, et en tant que polymères thermoplastiques, le polyéthylène, le polycaproamide chargé d'huile, le polytétrafluoréthylène, 1

2 5 10 O O 9

Un fort effet d'autolubrification lors du -frottement est obtenu quand on utilise en tant qu'additions fonctionnelles les produits pulvérulents

de la destruction theriiiique ou therrw-oxydante polymères thermodurcissa-

bles ou 1 -heriîiop Iastiquei ni tant une p,-,oduîts de la destruction thermique réalisée dans un milieu iic-r oxydantj' jar eec-,mo 1 e clubs -5 p vide, on utilise, par exemple, le po 1 yér;yîêne;,, les et en tant que produits de la destrulctiun réalisée 'Cuir, oïl utilise

le polycaproamide, aligne rêsirie époxy ou -pclyt-iifdit.

Il est recomi-landé Tics produites de îê< de poly-

i.0 mè res o btenu S à 1 S S ue d c a d' e, on d' au tain) -,i S 9051,' en po î d S d u po î y Wiére.

Po u r, ut i 1 i S a i: î on du li'-a itë ri à u S i te autol ubi -J f ici N -t -à des 2 C Ieni-

pératures é 1 e V_e S' Gares de Chanips f,-juic de fortes surcharges en Oes 'Ojn' SD '-S'il-ge;l Litqu'ii Yaitdes l YsC'_ b -11 e Ci-_r 2 que, prcilirit-IN tésp j;f 1 ila biais 111 ans ce ras, îl cz-t Pajouter c, p 15 iÀ au fflîîtériau, en écart qj'addtic-n, fonc-tîcnnel poudres -de mu-taux des groupes l Il à VI (je la c 1 a_,sîfr Cat-_,_'on L, -,- es tï'r,-xydes de ces par

en i p 1 e ( 1 e a r,, e ï i -t d P c u i v r eci, c a d; à î u m, d i N 9 S t è N e O u l 'e 1 C u, S O -,,y d e S p r i i 1 -

Cipaux, par _ ' U , 'l (irje-ijivre, cl'oxyred'artievi-c'-Ilest recommandé 2 O de les prendre êt,- téiu, de 0,5 à 45 % par raprj Gr'îl;, ,,u voluroe total des addition A 4 'in d'accroître la -êzist 2 M' r_ MK'-ê"r'1 G Pu do notamment si résistance i"es adcit'l oris douées de

cêtractCristiq'jes êle Vc S Er, tent qu'additions fonc-

5 tionnelles de ce genre il est ux des fibres 111 î'ès rësis-

tantes de bore, de cae' 1 c-iu otî do oîlîc"uiîl _Mîr iniroductiein dans Ie -a-atëriau

donne ausî uln eo t de la razîst&nce à l'usure de la, résis-

tance mécanique l'à Chau-,L Il est n'ajouter ces additions au maté-

riau , un taux lie 2 à 901, par au -volume clos additions nelles L'introduction des à u taux volmelque inférieur, à 21 1 U Ic n'améliore pratique-,-,_,ft pas -les prupriétés (fini inatériau, et leur introduction à un taux volurcique j 901, 1 'ë,,-Lolubrîfication, malgré la haute ter -Ue à leusure Ai matér 4 u u il s; produit clans ce cas une usure inz*iisib Ie de la

L'éléva±îon dez-7, caractéristiques de résîstance des nat;-iriiiix compo-

sites autol Libr-i;f-iai-t-Is, de pair avec de lew cûnductibiiité électrique et thenri-ljut,, est tbtee-uff 2 P, leur ajoutairit lies iétaux des groupes III à VI de la classification périodique, sous forme de "cordons", à un taux de 2 à 90 % par rapport au volume des additions fonctionnelles L'introduction des additions à un taux volumique inférieur à 2 % n'améliore pratiquement pas les propriétés d'utilisation du matériau, et leur introduction à un taux volumique supérieur à 90 % complique la manifestation de l'effet d'autolubri-

fication, abaisse la longévité et la fiabilité du couple de frottement.

Le matériau composite autolubrifiant conforme à l'invention est

doué de la combinaison de propriétés d'utilisation nécessaires: autolubrifi-

cation dans les conditions extrêmes, caractéristiques physico-mécaniques

élevées, fiabilité et longévité.

L'avantage principal du matériau conforme à l'invention est son aptitude de fonctionnement dans les conditions extrêmes, ce qui assure la longévité et la fiabilité des pièces employées dans les sous-ensembles à frottement Ainsi, les caractéristiques d'autolubrification et de résistance mécanique du matériau conforme à l'invention sont bien plus élevées (de 1,5 à

deux fois) que celles des matériaux connus.

Le matériau faisant l'objet de l'invention peut être employé avec une efficacité maximale dans les constructions mécaniques, les constructions

électriques, l'électronique, pour la fabrication d'éléments des contacts élec-

triques glissants, des coussinets utilisés dans des conditions climatiques normales, dans le vide, aux températures élevées et basses, en présence de l'action de champs électriques, de surcharges mécaniques, de rayonnements ionisants.

Dans ce qui suit, l'invention est expliquée par la description de

variantes concrètes de réalisation et pardes dessins annexés, dans lesquels:

la figure 1 représente la section d'un matériau composite autolu-

brifiant conforme à il'invention;

la figure 2 représente la section d'un matériau composite autolu-

brifiant à structure cellulaire régulière, conforme à l'invention;

la figure 3 représente la section d'un matériau composite autolu-

brifiant conforme à l'invention, perpendiculaire à la surface active de la contre-pièce; la figure 4 représente ia section diamétrale d'un coussinet en

matériau composite autolubrifiant.

La variante de matériau composite autolpbrifiant dont la section est représentée par la figure 1, est constituée par une matrice métallique formée par deux constituants,,l'un -le constituant 1 formant les enrobages des additions fonctionnelles 2, et l'autre -le constituant 3 se trouvant

dans les intervalles entre les enrobages.

La figure 2 représente la section d'un matériau composite autolubri-

fiant à structure cellulaire régulière, le rapport de la dimension maximale des additions A à la distance minimale entre elles B étant de 0, 7 à 10.

La figure 3 représente la section d'un matériau composite autolu-

brifiant perpendiculaire à la surface active de la contre-pièce, les enro-

bages de la structure cellulaire régulière étant réalisés de façon que la dimension des cellules décroisse au fur et à mesure que l'on se rapproche

de la surface de contact du matériau avec la contre-pièce.

La figure 4 représente la section diamétrale d'un coussinet en matériau composite autolubrifiant, les additions fonctionnelles utilisées

étant des "cordons" métalliques et des fibres.

Le procédé de fabrication du matériau composite autolubrifiant est

de réalisation simple au point de vue méthode et il consiste en ce qui suit.

Les additions fonctionnelles sont métallisées à deux reprises, par exemple, des particules de graphite sont revêtues d'une couche d'argent, puis

d'une couche de plomb, de préférence par l'un des procédés suivants: par -

évaporation des métaux sous vide, par un procédé chimique ou électrochimique.

Un rôle important est joué par la compatibilité, l'uniformité et l'épaisseur

des revêtements, ainsi que par les dimensions et la forme des additions fonc-

tionnelles à métalliser.

Le produit semi-fini ainsi obtenu est comprimé, puis fritté en présence d'une force de compression, dans un milieu neutre ou réducteur contrôlé, aux régimes optimaux de frittage des métaux en usage dans la métallurgie des poudres. Au stade initial du frittage, la couche extérieure du métal à point de fusion plus bas fond et remplit les intervalles entre les enrobages du métal à point de fusion plus haut Ensuite (vu la présence de la force de compression), les enrobages des additions fonctionnelles se rapprochent et

sont frittés dans la zone de contact.

Le frittage terminé, les constituants de la matrice se solidifient.

La matrice ainsi obtenue est formée par deux constituants, l'un d'eux formant les enrobages des additions fonctionnelles, et l'autre se trouvant dans les

intervalles entre les enrobages Si les additions fonctionnelles sont utili- sées sous la forme de particules de même volume, le matériau se présente

sous la forme d'une structurecellulaire régulière.

Pour une meilleure compréhension de l'invention, on donne plus bas

des exemples de réalisation concrets.

EXEMPLE 1

Le produit de départ -des particules de graphite de dimensions jus-

qu'à 50 pm est enrobé par un procédé électrochimique dans du cuivre, puis dans du plomb Les particules de graphite ainsi enrobées sont mélangées avec

de la poudre d'étain à un taux volumique de 30 % par rapport au volume du gra-

phite, puis comprimées dans une matrice sous une pression allant jusqu'à 400 M Pa Ensuite le produit semi-fini est fritté dans la matrice, sous une force de compression, dans une atmosphère d'hydrogène, à une température égale

à environ 0,7 fois la température de fusion de l'argent-( 530 à 5400 C), pen-

dant 3 heures Le taux de graphite dans le matériau est de 3 % en volume.

Avec le matériau ainsi élaboré on confectionne des balais électri-

ques, par exemple pour les micromoteurs électriques Ce matériau a une struc-

ture irrégulière Ses propriétés sont indiquées dans le tableau 1.

EXEMPLE 2

Le matériau composite autolubrifiant se compose d'une matrice formée par deux constituants, dont l'un -du magnésium forme les enrobages sur les additions fonctionnelles, et-le second -un alliage indium-étain se trouve dans les intervalles entre les enrobages Les additions fonctionnelles sont

constituées par un polymère thermoplastique -du polyéthylène à un taux volu-

mique de 80 % Ce matériau a une structure régulière et il peut être utilisé

dans les paliers lisses, donc donnant lieu à un glissement.

EXEMPLE 3

Le matériau composite autolubrifiant se compose d'une matrice formée par deux constituants, dont l'un -du molybdène forme les enrobages sur les

additions fonctionnelles, et le second -du bronze se-trouve dans les inter-

valles entre les enrobages Les additions fonctionnelles sont constituées par

une poudre de résine époxy chargée de verre à un taux volumique de 40 %, addi-

tionnée de poudre de cuivre, à un taux de 0,5 % par rapport au volume des addi-

tions fonctionnelles Ce matériau a une structure irrégulière et il peut être

utilisé pour la fabrication de pièces de frottement.

EXE Ir PLE 4 Le matériau composite autolubrifiant se compose d'une matrice formée

par deux constituants, dont l'un -du laiton forme les enrobages sur les addi-

tions fonctionnelles, et le second -du potassium se trouve dans les intervalles entre les enrobages Les additions fonctionnelles sont constituées

par un polymère thermoplastique: du polycaproamide, à un taux volumique de 3 %.

Le matériau a une structure régulière et il peut être utilisé pour la fabrica-

tion de pièces de frottement.

EXEMPLE 5

Le matériau composite autolubrifiant se compose d'une matrice formée

par deux constituants, dont i'un -du cuivre forme les enrobages sur les addi-

tions fonctionneles, et le second -du cadmium se trouve dans les intervalles entre les enrobages Les additions fonctionnelles sont constituées par du polycaproamide chargé d'huile, à un taux volumique de 45 %, additionné de poudre d'oxyde de baryum, à un taux de 5 % par rapport au volume des additions

fonctionnelles Ce matériau a une structure irrégulière et il peut être uti-

* lisé pour la fabrication de pièces de frottement.

EXEMPLE 6

Le matériau composite autolubrifiant se compose d'une matrice formlée par deux constituants, dont l'un -de l'argent forme les enrobages sur les

additions fonctionnelles, et le second -de l'indium se trouve dans les inter-

valles entre les enrobages Les additions fonctionnelles sont constituées par un mélange de produits de la destruction thermique du polyethylène et d'une résine phénol-formaldëhyde, à un taux volumique de 20 % úe matériau a une structure régulière et il peut tre utilisé pour la fabrication des cages de roulements.

EXEMPLE 7

Le matériau composite autolubrifiant se compose d'une matrice formée par deux constituants, dont l'un -du vanadium forme les enrobages sur les

additions fonctionnelles, et le second -du calcium se trouve dans les inter-

valles entre les enrobages Les additions fonctionnelles sont constituées par un mélange de produits résultant de la destruction thermo-oxydante en commun de polycaproamide et d'une résine polyimide, à un taux volumique de 55 % Ce matériau a une structure régulière et il peut être utilisé pour la fabrication

de pièces de frottement.

EXEMPLE 8

Le matériau composite autolubrifiant se compose d'une matrice formée

par deux constituants, dont l'un -du rhênium forme les enrobages sur les addi-

tions fonctionnelles, et le second -de l'acier inoxydable se trouve dans les

intervalles entre les enrobages Les enrobages forment une structure cellu-

laire régulière avec une dimension des cellules décroissant de 60 à 5 pim au fur et à mesure que l'on se rapproche de la surface de contact du matériau avec la contre-pièce Les additions fonctionnelles sont constituées par une poudre d'argent à un taux volumique de 45 Xi O, le rapport de la dimension maxi-

male des additions à la distance minimale entre elles étant de 0,7 Ce maté-

riau peut être utilisé pour la fabrication de balais électriques ou de bagues

de contact.

EXEMPLE 9

Le matériau composite autolubrifiant se compose d'une matrice formée

par deux constituants, dont l'un -un alliage argent-cuivre forme les enro-

bages sur les additions fonctionnelles et le second -du plomb se trouve dans

les intervalles entre les enrobages Les additions fonctionnelles sont cons-

tituées par du bisulfure de molybdène, à un taux volumique de 10 %, le rapport de la dimension maximale des additions à la distance minimale entre elles étant de 5,5 Ce matériau a une structure régulière et il peut être utilisé

pour la fabrication des éléments de contacts électriques glissants.

EXEMPLE 10

Le matériau composite autolubrifiant se compose d'une matrice formée par deux constituants, dont l'un -de l'aluminium forme les enrobages sur les

additions fonctionnelles, et le second -du cadmium se trouve dans les inter-

valles entre les enrobages Les additions fonctionnelles sont constituées par du nitrure de bore à un taux volumique de 20 %, le rapport de la dimension maximale des additions à la distance entre elles étant de 10 Ce matériau a

une structure régulière et il peut être utilisé dans les paliers lisses.

EXEMPLE 11

Le matériau composite autolubrifiant se compose d'une matrice formée

par deux constituants, dont l'un -du nickel forme les enrobages sur les addi-

tions fonctionnelles,et le second -du cuivre se trouve dans les intervalles entre les enrobages Les additions fonctionnelles sont constituées par du nitrure de bore a un taux volumique de 20 %, additionné d'un mélange de fibres

de silicium et de bore à un taux de 2 % par rapport au volume total des addi-

utilisé pour la fabrication de pièces de frottement.

EXE Ml PLE 12 Le matériau composite autolubrifiant se compose d'une matrice formée

par deux constituants, dont l'un -du chrome forme les enrobages sur les addi-

tions fonctionnelles, et le second -du cadmium se trouve dans les intervalles entre les enrobages Les additions fonctionnelles sont constituées par du gra- phite à un taux volumique de 15 %, avec des "cordons" de tantale à un taux de % par rapport au volume total des additions fonctionnelles Ce matériau a une structure irrégulière et il peut être utilisé pour la fabrication de

pièces de frottement résistant à la chaleur.

EXEMPLE 13

Le matériau composite autolubrifiant se compose d'une matrice formée

par deux constituants, dont l'un -du rhénium forme les enrobages sur les addi-

tions fonctionnelles, et le second -de l'argent se trouve dans les interval-

les entre les enrobages A titre d'additions fonctionnelles sont utilisées le bisulfure de molybdène à un taux volumique de 30 %, additionné de fibres de

carbone à un taux de 90 % par rapport au volume total des additions fonction-

nelles Ce matériau a une structure irrégulière et il peut être utilisé pour

la fabrication de balais électriques.

Les propriétés des matériaux composites autolubrifiants conformes à l'invention sont indiquées dans le tableau 1 Le tableau 2 indique les

propriétés des matériaux composites autolubrifiants connus.

TABLEAU 1

PROPRIETES DU MATERIAU COMPOSITE AUTOLUBRIFIANT

N Composition du Propriétés physico-mécaniques

matériau compo-

site autolubri-

fiant Densité Dureté Résistance Résistivité moyenne à la compres massique 103 Pa Sion 10 03 Pa N mm 2 m

1 2 3 4 5 6

Matériau compo-

site autolubri fiant constitué par une matrice

métallique poreu-

se en bronze à forte teneur en étain, -dont les

pores sont impré-

gnés de polytetra-

fluoréthylène et de plomb selon

exemples n

6,5-7,0

3,5-4,5

4,0-6,0

4,0-4,5

4,0-5,5

3,8-6,2

,5-6,0

4,5-6,0

3,5-5,5

3,0-4,5

4,0-6,0

,0-8,0

4,0-6,0

12-16 7-10 14-18 7-9 -14 8-12 17-21 18-26 12-18 8-14 -28 -35 -30 -40 1220 17-22 -40 -20 18-22 -20 -20 -45 12-20 -18 -60 -55 -30

0,05-0,12

0,10-0,25

0,08-0,20

-15

1,0-8,0

il

ET 91 1 1 01 6 8 L

DOOZ 9 PTA DUOE

a T stmp 2 TV'T supp D 099 8 DOOZ XTV quemaqqoaj Op q Ua TDT ZGOD eansti, p assaq-p A UOTID Taj ap Sqqa Tad O Jd o N Ti 011 (-'-Z)

01 OTI( 9-P)

il 01 1 ( 11-E) il 01 '(Z-I) TT_ 01 1 (il-ú)

01 OTI( 9-Z)

(OKIO-0110)

il 01 '( 8-9) 01 Oi' ( 9 i 7) si IO-ZT O ET IO-Ol O ZZIO-q T O

ET IO-9010

silo-Z To SZIO-Si O

0 ?:10-01 O

OZIO-STIO

il oi, (t-É)

01 01 '(L-9)

01 Oil(OT-13)

OT 01,(F-T)

z 1 10-80, O SE, O-Si Io

OZ-0110

OZ, O-Ci'l 10 zz lo-z T Io 07, 1 O-OT Io go 1 O-t'O 1 O 8010-po'o SE 1 OEl Io

8010-9010

ZTIO-8010

O? 1 O-t'O 1 O il OTI( 9-9)

01 01 1 ( 9, O-P, 0)

il Oil(Z-1)

01 011 ( 9-17)

01 OT,(C-9)

il O l'( 01-8)

01 OT '( 6-8)

6 01 '( 7-1)

01 01 '(ZT-O)

TT_ 01 1 ( 9-t) 01 011 ( 910-t IO) 01, ( 910-ú'o)

01 01 '( 6-L)

01 011 ( 8-9)

Ti oi, ( 9-v) il-01, (tl-1)

OT OTI( 8-9)

01 011 ( 8-9)

oi, (elle OT'(g O 1 O-úOj O) VIT E T El e L S v z (aq Tns) 1 flvzlgvl Li 00 w'-SZ TABLEAU i (suite) Propriétés électriques Plage des caractéristiques de service admissibles

Chute de ten-

sion au contact V dans le Vide C dans l'air C Pourcentage | Vites Charge d'augmentation se m/sl 105 pa de la tensio de démarrage

des micro-

tours après séjour dans une humidité relative de 98 % à une température

de 40 C pen-

dant 21 jour

Tempéra-

ture o C I Charge

vibra-

toire Densité de courant A/cm 2

14 15 16 17 18 19 20 21 22

1 0,25-2,5 2,0-1400 -260-+ 20 (

2 0,3-0,5 0,2-0,3 20 0,25-2,5 0,1-5,0 -260-+ 15 40-55 80-120

3 0,10-15 0,3-25 -70-+ 80

4 0,1-25 1,0-150 -50-+ 160 20-60

1-100 1-10 -50-+ 60

6 0,25-5,5 1-8

7 0,25-2,5 0,1-2,0 -50-+ 60

8 0,5-15 0,7-125 -50-+ 40

9 0,08 0,06 10 0,25-2,5 0,1-1,0 -260-+ 150 20-40 6-20

0,15 0,10

0,10 0,1-2,0 0,1-1,5 -80-+ 80 6-50

0,30

11 1,0-25 1,0-40 -150-+ 200 10-20

12 5,0-100 4-250 -260-+ 300 40-80

13 2-150 1-500 -260-+ 300 20-40

14 0,15 0,10 15 0,05-4,0 0,2-2,0 -260-+ 360 10-20 10-150

0,30 0,30

_,,, N

TABLEAU 2

PRINCIPALES CARACTERISTIQUES DES MATERIAUX COMPOSITES

AUTOLUBRIFIANTS ELECTROCONDUCTEURS FABRIQUES PAR LES

METHODES DE LA METALLURGIE DES POUDRES

No Pays Classe de Densié Dureté Résistance Résistivité balais elec g/cm 103 Pa à la com massique triques pression 103 pa S m

1 2 3 4 5 6 7

1 URSS Argent-graphite 7,2 10-15 27 0,08 Cuivre-graphite 6,5 12-16 22 6,0 A l'argent (avec 6,7 7,5 0,32

addition de pal-

ladium) 2 France Cuivre-graphite 2,35 45 7,2 Shore Argent-graphite 8,2 10 0,1 Shore 3 Grande Métal-graphite 70 Bretagne 4 Autriche Au-métal 2,5 20 3,5 8,0

4, 6 2 O 25 8,01

'o nrie"Métal-graphit-e JL 2 QI___ Hongrie Métal-graphite 8-12 0,08 Shore TABLEAU 2 (suite) N Coefficient Chute de tension Vitesse Densité de Milieu Observations au contact V maximale courant admissible admissible m/s A/cm 2

8 9 10 11 12 13 14

1 0,2 0,1 5 20 Air Résiste à l'action de l'humidité 0,16 1,9 55 27 Air Service dans un vide de 1,33 10-3 Pa mn

Air Paire recom-

mandée: bronze Br 12

2 Air alti-

tudes éle-

vées 0,12 < 1,4 20 30 Air,vide 3 < 0,1 0,4-0,7 20 20 Air

4 0,06 1,7 30 20

0,12 0,5 30 30

0,08 0,6 25 30

10009

Claims

REVENDICATIONS 1 Matériau composite autolubrifiant, formé par une matrice métalli- que renfermant des additions fonctionnelles, caractérisé en ce que la matrice est formée par deux constituants ( 1, 3), l'un ( 1) formant des enrobages sur les additions fonctionnelles ( 2), et l'autre ( 3) se trouvant dans les inter- valles entre les enrobages. 2 Matériau composite autolubrifiant selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les enrobages constituent une structure cellulaine régulière. 3 Matériau composite autolubrifiant selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les enrobages formant une structure cellulaire régulière sont réalisés de façon que les dimensions des cellules décroissent au fur et à m'sure que l'on se rapproche de la surface de contact du matériau avec la contre-pièce. 4 Matériau composite autolubrifiant selon l'une des revendications -15 1 à 3, caractérisé en ce que les constituants ( 1, 3) de la matrice sont les métaux des groupes III à VI de la classification périodique et/ou des alliages de ces métaux, la température de fusion du second constituant ne soit pas supérieure à 0,9 fois la température de fusion du premier constituant. Matériau composite autolubrifiant selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il contient des additions fonctionnelles ( 2) à un taux volumique de 3 à 80 %, le rapport de la dimension maximale des additions à la distance minimale entre elles étant de 0,7 à 10. 6 Matériau composite autolubrifiant selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les additions fonctionnelles ( 2) sont des poly- mères thermodurcissables ou thermoplastiques. 7 Matériau composite autolubrifiant selon la revendication 6, carac- térisé en ce que les polymères thermodurcissables utilisés sont les résines phénol-formaldéhydes, les résines époxy ou polyimides chargées de verre. 8 Matériau composite autolubrifiant selon la revendication 6, carac- térisé en ce que les polymères thermoplastiques utilisés sont le polyéthylène, le polycaproamide chargé d'huile ou le polytétrafluoroéthylène. 9 Matériau composite autolubrifiant selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les additions fonctionnelles ( 2) utilisées sont les produits pulvérulents de la destruction thermique ou thermooxydante de polymères thermodurcissables ou thermoplastiques. Matériau composite autolubrifiant selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'en-tant qu'additions fonctionnelles ( 2), il con- tient enoutre des poudres de métaux des périodes III à VI de la classification 25100 00 o 9 périodique, ou-des poudres d'oxydes de ces métaux,à un taux de 0,5 à 45 % par rapport au volume total des additions fonctionnelles. 11 Matériau composite autolubrifiant selon' l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'en tant qu'additions fonctionnelles ( 2), il con- tient en outredu bore, du carbone ou du silicium, sous forme de fibres, à un taux de 2 à 90 % par rapport au volume total des additions fonctionnelles. 12 Matériau composite autolubrifiant selon l'une des revendications

1 à 9, caractérisé en ce qu'en tant qu'additions fonctionnelles ( 2), il con-

tient en outredes métaux des groupes III à VI de la classification périodique, sous forme de cordons à un taux de 2 à 90 % par rapport au volume total des

additions fonctionnelles.