FR2563468A1 - Materiau composite pour former des paliers et son procede de fabrication - Google Patents

Abstract

MATERIAU COMPOSITE POUR FORMER DES PALIERS SECS AUSSI BIEN QUE DES PALIERS LUBRIFIES, COMPRENANT: A.UN SUBSTRAT METALLIQUE 12; B.UNE COUCHE METALLIQUE POREUSE INTERMEDIAIRE 14 SITUEE SUR LE SUBSTRAT, LA COUCHE INTERMEDIAIRE COMPRENANT UN MELANGE NON-HOMOGENE DE PARTICULES DE DEUX GRANULOMETRIES DIFFERENTES (POUDRE RELATIVEMENT FINE 22 ET POUDRE RELATIVEMENT GROSSIERE 20, UNE PORTION IMPORTANTE DE POUDRE FINE ETANT SEPAREE AU VOISINAGE DU SUBSTRAT; ET C.UNE COMPOSITION 16 A BASE DE POLYTETRAFLUORETHYLENE REMPLISSANT PRATIQUEMENT LES PORES DE LA COUCHE INTERMEDIAIRE 14 ET FORMANT UNE COUCHE SUPERFICIELLE, CETTE COMPOSITION COMPRENANT ENVIRON 2 A 10 EN VOLUME D'AU MOINS UNE MATIERE CHOISIE PARMI LE BRONZE A L'ETAIN ET D'AUTRES ALLIAGES DU CUIVRE, AINSI QUE LEURS MELANGES; ENVIRON 5 A 30 EN VOLUME D'AU MOINS UNE MATIERE CHOISIE PARMI LE PLOMB METALLIQUE, LE CADMIUM METALLIQUE, UN OXYDE DE PLOMB ET UN OXYDE DE CADMIUM, AINSI QUE LEURS MELANGES; ENVIRON 5 A 30 EN VOLUME D'AU MOINS UNE MATIERE CHOISIE PARMI LE GRAPHITE NATUREL ET LE GRAPHITE ARTIFICIEL, AINSI QUE LEURS MELANGES; ET LE RESTE ETANT CONSTITUE PAR DU POLYTETRAFLUORETHYLENE.

Description

1.

MATERIAU COMPOSITE POUR FORMER DES PALIERS

ET SON PROCEDE DE FABRICATION.

La présente invention se rapporte, de façon géné-

rale, à un matériau perfectionné pour constituer des paliers et au procédé de fabrication correspondant, et

elle concerne, plus particulièrement, un matériau com-

posite perfectionné pour constituer des paliers compre- nant du polytétrafluoréthylène (PTFE). L'invention a également trait à un procédé de fabrication d'un ruban à base de PTFE, convenant pour l'imprégnation d'une

matrice métallique poreuse.

On connaît bien des matériaux pour paliers secs, c'est-à-dire les organes qui fonctionnent en tant que palier sans bénéficier de l'application d'un lubrifiant sur la surface de portée et on peut considérer, de façon générale, qu'ils se répartissent en trois types principaux: 1) des matériaux homogènes pouvant être moulés ou estampés et usinés, dont toute surface peut

être la surface de portée; 2) des matériaux non-homo-

gènes se présentant, de façon générale, sous la forme d'un matériau de renforcement ou de substrat et d'une couche pour palier, dans lequel la couche pour palier

est une composition pour palier sec; et 3) des maté-

riaux non-homogènes se présentant, de façon générale, sous la forme d'un matériau de substrat et d'une couche

intermédiaire imprégnée, et comportant une couche su-

perficielle relativement mince au-dessus de la couche intermédiaire, couche superficielle qui ne peut en général être usinée sans sérieusement affecter de façon défavorable la capacité portante du matériau à cause de la mise à nu de la couche intermédiaire. La présente invention peut être considérée, de façon générale, comme se rapportant à un matériau composite du troisième type général précité, sauf que la couche superficielle a une épaisseur importante, de sorte qu'on peut l'usiner

sans que cela soit fortement préjudiciable à la capa-

cité portante.

Il se présente de nombreuses situations dans

lesquelles il faut qu'un matériau pour paliers présen-

te une bonne résistance à l'usure et un faible coef-

ficient de frottement dans des conditions de charge et de température modérées, tout en fonctionnant dans

un environnement pratiquement sec ou non-lubrifié.

Jusqu'ici on a utilisé ou proposé d'utiliser comme matériaux pour paliers toute une variété de matériaux composites et de matériaux plastiques possédant des caractéristiques portantes désirables et présentant une bonne résistance à l'usure dans les conditions de

fonctionnement précitées. Parmi les différents maté-

riaux connus pour constituer des paliers secs, ce sont ceux qui sont à base de polytétrafluoréthylène (PTFE) qui ont peut-être été le plus largement appliqués dans

ce but. Bien que les matériaux pour paliers secs con-

tenant du PTFE se soient avérés se comporter de façon

satisfaisante dans beaucoup de conditions de fonction-

nement différentes des paliers, un inconvénient propre à de tels matériaux, lorsqu'ils sont du troisième type général décrit précédemment, est, comme on l'a indiqué plus haut, la difficulté rencontrée pour les usiner de

façon à en effectuer la finition pour obtenir des pa-

liers de la configuration et de la dimension désirées.

Il est donc souhaitable de conserver les avantages du troisième type général de matériaux pour paliers, tout en donnant en même temps un certain degré d'usinabilité

au produit. Parmi ces avantages du troisième type gé-

néral de matériaux pour paliers, il y a lieu de citer:

1) une bonne adhérence entre le revêtement et le ren-

forcement ou substrat (la couche intermédiaire poreuse étant liée métallurgiquement au substrat, et le polymère étant accroché dans la couche intermédiaire poreuse) (cela est particulièrement important dans le cas du PTFE qui est difficile à faire adhérer au substrat. Les maté- riaux composites du second type général précité dont le revêtement est à base de PTFE ont tendance à présenter une faible adhérence); 2) la stabilité dimensionnelle (partagée avec le second type général précité, lorsque le revêtement de la composition pour paliers secs est

mince); et 3) une conductibilité thermique élevée (par-

tagée avec le second type général précité,lorsque le

revêtement de la composition pour paliers secs est mince).

Les matériaux pour paliers secs constitués d'un support

métallique et d'une couche intermédiaire poreuse métalli-

que imprégnée de PTFE sont bien connus. De façon générale, on applique le PTFE à la surface de la couche intermédiaire poreuse sous la forme d'une pate épaisse obtenue par la coagulation d'une dispersion de particules de PTFE d'une dimension de l'ordre du micron dans l'eau. Une proportion d'eau suffisante est retenue dans la pâte pour la rendre susceptible de pénétrer sous l'action du rouleau dans la

couche intermédiaire poreuse. On peut incorporer des char-

ges métalliques ou non-métalliques en les mélangeant, sous

forme de poudre, avec le PTFE, avant coagulation ou à un cer-

tain stade pendant la préparation de la pâte.

On produit normalement un matériau composite pour paliers du troisième type général précité sous la forme d'une bande continue, à partir d'un rouleau d'acier (qui peut être plaqué) à la surface duquel du bronze en poudre est fritté pour former une couche de bronze poreux. On applique en général de la pâte de PTFE, avec ou sans

charge (s), à la surface du bronze poreux avec une cuiller.

La bande passe alors au-dessous d'un rouleau qui étale la pâte à la surface du bronze, sous la forme d'une couche assez uniforme. Elle passe ensuite dans un laminoir qui fait pénétrer la pâte dans le bronze poreux, en ne laissant que peu ou pas du tout de pâte au-dessus du bronze. La bande est alors chauffée à une température supérieure à 327 C, processus au cours duquel l'eau résiduelle est chassée et le PTFE fritté. Le procédé d'application du PTFE décrit ci-dessus présente plusieurs inconvénients. D'abord, de façon typique on applique la pâte par cuillerées discrètes, de sorte qu'il

est difficile d'obtenir une répartition parfaitement unifor-

1o me à la surface du bronze. Ensuite, l'opération demande typiquement beaucoup de travail, du fait qu'un opérateur muni d'une cuiller est souvent uniquement occupé à appliquer la

pâte à la cuiller sur la bande. Il s'est avéré assez diffi-

cile de mécaniser cette opération.

Il y a un troisième inconvénient s'appliquant à cer-

taines formes du produit. Dans une forme courante du produit,

une charge unique, sous forme de plomb en poudre, est incor-

porée dans le PTFE. Pendant la pénétration sous l'action du rouleau de la pâte de PTFE/plomb dans la couche de bronze poreuse, il ne reste typiquement au-dessus de la surface de bronze qu'une couche de pâte très mince, en général de moins

d'environ 30 microns (1,2. 10- 3 pouces) d'épaisseur. L'é-

paisseur de cette couche superficielle reste pratiquement

inchangée pendant le frittage du PTFE. La couche superficiel-

le a une très faible résistance à l'usure et, en cours d'u-

tilisation, la surface du matériau composite s'use rapide-

ment, jusqu'au point o la surface de bronze est à nu par endroits dans la zone de frottement. La vitesse d'usure

tombe alors à une faible valeur. A mesure que l'usure pro-

gresse, la proportion de bronze mis à nu dans la zone de frottement augmente progressivement. Lorsque la proportion

atteint environ 10 %, la vitesse d'usure commence à augmen-

ter et le bronze est mis à nu à une vitesse accrue. La vites-

se d'usure augmente rapidement et la durée de vie utile

pour un palier sec du matériau composite est presque achevée.

Dans d'autres formes du produit, on incorpore plus d'une charge dans le PTFE. Si les charges sont choisies de façon appropriée, on peut donner à la couche superficielle

un degré élevé de résistance à l'usure. Une vitesse d'usu-

re faible ne dépend pas de la mise à nu de la surface de bronze imprégnée dans la zone de frottement. Dans de telles formes du produit, il est avantageux d'avoir une couche de PTFE épaisse au-dessus du bronze, puisque cela augmente la

durée de vie du matériau composite pour des paliers secs.

Le troisième inconvénient précité de l'application du PTFE sous forme de pâte, à la cuiller, sur la surface du bronze consiste en ce qu'il s'est avéré difficile, par ce procédé, de laisser une couche de PTFE épaisse audessus du bronze pendant l'imprégnation. Si la pâte est d'une consistance suffisamment molle pour être appliquée à la cuiller et répandue uniformément à la surface du bronze, elle est souvent si molle que du PTFE en excès est repoussé des bords de la bande pendant l'imprégnation et n'est pas

retenu au-dessus du bronze sous la forme d'une couche su-

perficielle épaisse. Il s'est donc avéré difficile d'obte-

nir l'augmentation de durée de vie du palier sec théorique-

ment possible grâce à l'incorporation de charges appropriées

dans le PTFE.

La mise au point d'une technique de création d'un

ruban de PTFE contenant des proportions ajustées de char-

ge (s), convenant pour la pénétration au moyen d'un rouleau dans une matrice ou une couche intermédiaire métallique poreuse, a été rendue nécessaire par la nature particulière du PTFE. Bien que le PTFE soit classé dans les matières

thermoplastiques par les chimistes spécialistes des pôly-

mères, il ne fond pas comme les autres matières thermo-

plastiques typiques. A sa température de transition de 327'C, il passe à un état caoutchouteux ne convenant en général pas pour la mise en oeuvre à l'état fondu. On ne peut donc pas, en général, produire par extrusion un ruban du type convenant pour la pénétration dans une matrice poreuse, comme d'autres polymères thermoplastiques tels que

des matériaux à base de "Nylon", des matériaux à base d'he-

xafluoropropylène, etc. Le procédé courant de production de ruban de PTFE fritté consiste à estamper et fritter un bloc cylindri- que du polymère, avec ou sans incorporation de charges, et de retirer un ruban de la surface du cylindre au moyen d'une lame. On peut aussi produire du ruban de PTFE non fritté et

on l'utilise couramment pour étanchéiser des joints filetés.

De plus, il est connu d'utiliser un système à transporteur

et rouleaux de compression, comprenant une courroie consti-

tuée par une matière filtrante ou perméable (comme le feutre), et d'appliquer une dépression à la fois à la courroie et à

une composition à base de PTFE (pouvant comprendre des char-

ges) placée sur elle, pour produire un stratifié ou un ruban à base de PTFE. Cependant, il ne semble pas que ces types de ruban à base de PTFE soient entièrement appropriés pour pénétrer sous l'action du rouleau dans du métal fritté poreux, du fait que, dans certains cas, le PTFE est suffisamment résistant, même au-dessus de sa température de transition, pour tasser la couche métallique poreuse intermédiaire, au lieu d'y pénétrer de façon continue et complètement, comme

on le désire le plus souvent. On peut obtenir une imprégna-

tion réussie dans certaines circonstances, mais il peut être nécessaire d'appliquer la pression à une température élevée pendant des durées souvent impraticables pour un processus acceptable de pénétration d'une bande sous l'action d'un

rouleau, nécessaire pour opérer à des vitesses raisonnable-

ment économiques.

En conséquence, selon l'un de ses aspects, l'invention a pour objet un matériau composite perfectionné pour paliers

et son procédé de fabrication, présentant des caractéristi-

ques excellentes pour réaliser des paliers secs et présentant

une bonne résistance à l'usure dans le cadre d'une lubrifi-

cation limitée ou absente, en fonctionnant dans des condi-

tions de charge et de température modérées.

En conséquence, l'invention propose un matériau

composite pour paliers, convenant à la fois pour des appli-

cations aux paliers secs et aux paliers lubrifiés, compre-

nant: a) un substrat métallique; b) une couche intermédiaire métallique poreuse située sur ledit substrat métallique, cette couche intermédiaire

métallique poreuse comprenant un mélange relativement non-

homo<gne de particules constitué à partir de particules de

deux classes granulométriques différentes, une classe cor-

respondant à une poudre relativement fine et une classe correspondant une poudre relativement grossière, une portion importante de ladite poudre relativement fine étant séparée au voisinage du substrat métallique; et c) une composition à base de polytétrafluoréthylène remplissant pratiquement les pores de la couche métallique poreuse intermédiaire et formant une couche superficielle sur la matière pour paliers, ladite composition à base de polytétrafluoréthylène comprenant environ 2 à 10 % en volume d'au moins une matière choisie parmi le bronze à l'étain et d'autres alliages du cuivre, ainsi que leurs mélanges; environ 5 à 30 % en volume d'au moins une matière choisie parmi le plomb métallique, le cadmium métallique, un oxyde de plomb et un oxyde de cadmium, ainsi que leurs mélanges; environ 5 à 30 % en volume d'au moins une matière choisie parmi le graphite naturel et le graphite artificiel, ainsi que

leurs mélanges: le reste Stant constitué par du polytétrafluoréthylène.

Selon un autre de ses aspects, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un ruban comprenant du PTFE, convenant pour pénétrer dans une matrice métallique

poreuse, pouvant être utilisé dans la fabrication de maté-

riaux composites pour paliers.

En conséquence, selon cet autre aspect, l'invention propose un procédé de formation d'une couche intermédiaire métallique poreuse sur un substrat métallique, ladite couche

intermédiaire métallique poreuse convenant pour être impré-

gnée d'une composition à base de polytétrafluoréthylène pour former un matériau composite pour paliers, ledit procédé consistant à appliquer au substrat métallique un mélange

relativement homogène de métal en poudre comprenant sensi-

blement des particules de deux classes granulométriques distinctes, une classe granulométrique correspondant à une poudre relativement fine et une classe correspondant à une poudre relativement grossière, à choisir ces deux classes

granulométriques de façon à assurer la séparation d'une par-

tie importante de la poudre relativement fine du mélange relativement homogène de poudre métallique au voisinage du substrat métallique avant l'achèvement du frittage, pour

former un mélange relativement non-homogène de poudre métal-

lique sur ledit substrat, et à fritter ladite poudre métal-

lique sur ledit substrat métallique.

D'autres bénéfices et avantages de l'invention ressor-

tiront de la description détaillée qui va suivre de son mode

de réalisation préféré, donnée sur des exemples de réalisa-

tion non limitatifs, avec référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une représentation schématique en coupe transversale d'un matériau pour paliers conforme à la présente invention; la figure 2 est une représentation schématique d'un

appareil mélangeur utilisé en liaison avec un procédé préfé-

ré de fabrication du produit selon l'invention; la figure 3 est une représentation schématique d'une installation à trémie et rouleaux et d'une installation de

déshydratation, utilisées également en liaison avec un pro-

cédé préféré de fabrication du produit selon l'invention; et la figure 4 est une représentation schématique d'une autre installation à rouleaux et d'une installation de four, également utilisées en liaison avec un procédé préféré de

fabrication du produit selon l'invention.

En se référant à présent aux dessins annexés o les

représentations ont pour objet d'illustrer un mode d'exécu-

tion préféré de l'invention et ne sont nullement limitatives, la figure 1 est une vue schématique en coupe transversale du matériau pour paliers 10. Ce matériau 10 comprend, de façon générale, trois couches: 1) un substrat métallique 12; 2) une couche intermédiaire métallique poreuse 14; et 3) une composition à base de PTFE 16. Le substrat métallique o10 12 est normalement en acier à basse teneur en carbone, bien qu'on puisse aussi utiliser d'autres matériaux de substrat (de soutien). En outre, pour améliorer l'adhérence de la

couche intermédiaire métallique poreuse 14 au substrat métal-

lique 12, le substrat métallique 12 peut être revêtu d'une

couche 18 de nickelage, ou d'autres matières de placage clas-

siques. La couche intermédiaire métallique poreuse 14 peut être constituée en bronze ou en d'autres alliages du cuivre, comme le bronze à l'étain ou le bronze au plomb. On produit la couche intermédiaire métallique poreuse ou la matrice

métallique poreuse en répandant la poudre d'alliage de cui-

vre sur le substrat métallique et en chauffant de façon clas-

sique, en atmosphère non-oxydante, à une température à la-

quelle a lieu l'agglomération par frittage des particules de

poudre entre elles et avec le substrat métallique. Par exem-

ple, une température de 850 C en atmosphère d'azote et d'hydrogène convient pour agglomérer (fritter) des particules

de bronze à l'étain. La poudre utilisée pour former la cou-

che métallique poreuse intermédiaire comprend deux classes

granulométriques distinctes de particules, obtenues par mé-

lange de particules de poudre relativement fine avec des particules de poudre relativement grossière pour former un mélange relativement homogène. Pendant et après l'étalement de la couche de poudre et avant l'achèvement du frittage, une partie importante des particules relativement fines se déposent sur la surface du substrat métallique o elles

favorisent la formation de la liaison entre la couche in-

termédiaire et le substrat métallique. Il se forme, par

suite, un mélange de poudre métallique relativement non-

homogène sur le substrat métallique. L'activité de surface des particules fines pendant le frittage est plus grande

que celle des particules grossières et, par suite, il s'é-

tablit en un temps donné, une liaison plus solide que si les

particules fines n'étaient pas présentes. Le dépôt des par-

ticules fines à la surface de l'acier laisse une structure

ouverte, pratiquement de particules grossières dans la sur-

face supérieure de la couche intermédiaire, convenant de façon idéale pour l'imprégnation par la composition à'ibase de PTFE. Cette séparation est représentée schématiquement sur la figure 1 o les grosses particules 20 représentent de la poudre de bronze ou analogue grossière et les petites

particules 22 représentent de la poudre de bronze ou analo-

gue fine. L'épaisseur de la couche intermédiaire métallique poreuse après le frittage est, de préférence, comprise entre environ 0,25 mm (0,010 pouce) et 0,40 mm ",016 pouce). Il

s'est avéré que des poudres relativement grossières de l'or-

dre d'environ 60 à 150 mesh (unit6s Tyler ou analogue) (ouverture de maille de 0,250 à 0,O95 mm), de préférence de

l'ordre d'environ -60 à +100 mesh (0,60 à 0,15 mm), mélan-

gées avec des poudres relativement fines de l'ordre d'envi-

ron -300 mesh, donnent de bons résultats. (Un signe moins avant une désignation de tamis ou mailles indique que la poudre traversera le tamis indiqué, tandis qu'un signe plus indique que la poudre sera retenue sur le tamis. Par exemple, -300 indique des particules de 300 mesh et plus petites). En outre, il s'est avéré que l'addition de cire pendant le mélange des deux fractions de poudre, avant transfert des poudres de bronze mélangées dans la trémie utilisée pour retenir et répartir la poudre sur le substrat

métallique, empêche la séparation prématurée des deux frac-

il tions granulométriques de poudre, sans effet sur la facilité d'étalement. L'addition d'environ 0,5 % en

poids d'"Acrawax" à la poudre de bronze par applica-

tion au tonneau s'est avérée donner des résultats satisfaisants. "Acrawax" est une cire à base d'amides synthétique fabriquée par Glyco Chemical Corporation

et chimique il comprend de l'amide éthylène-di-stéarique.

En outre, on peut utiliser aussi du stéarate de zinc.

Cette cire se volatilise pendant le frittage.

En ce qui concerne la composition à base de PTFE, il s'est avéré possible d'optimiser la résistance à l'usure de cette composition par incorporation de trois types distincts de matières de charge. Les charges sont, de préférence: 1) le bronze à l'étain; 2) le plomb

métallique, et 3) le graphite naturel.(Elles sont repré-

sentées schématiquement sur la figure 1, en tant que

particules 24, 26 et 28 respectivement). On peut rem-

placer le bronze à l'étain par d'autres alliages du cuivre; on peut remplacer le plomb par du cadmium métallique, un oxyde de plomb ou un oxyde de cadmium;

et l'on peut remplacer le graphite naturel par du gra-

phite artificiel. Cependant, ces remplacements entrai-

neront de la perte de résistance à l'usure à sec. Il semble qu'on puisse aussi utiliser des mélanges de chacune de ces charges. Le constituant de charge qui

est au moins une matière choisie dans le groupe compre-

nant le bronze à l'étain et d'autres alliages du cuivre, ainsi que leurs mélanges, doit être, de préférence, de la poudre d'environ -300 mesh et il doit, en général, être présent dans une proportion d'environ 2 à 10 % du volume de la composition à base de PTFE, la fourchette

d'environ 4 à 6 % en volume étant préférée, un pourcen-

tage -'environ 5 % en volume donnant des résultats op-

timaux. Le constituant de charge qui est au moins un matériau choisi dans le groupe comprenant le plomb métallique, le cadmium métallique, un oxyde de plomb et un oxyde de cadmium, ainsi que leurs mélanges, doit être, de préférence, une poudre d'environ -200 mesh, et elle doit être présente dans la proportion d'environ 5 à 30 % du volume de la composition à base de PTFE, la fourchette d'environ 15 à 30 % en volume étant préférée, et un

pourcentage d'environ 20 % en volume donnant des résul-

tats optimaux. Le constituant de charge qui est au moins un matériau choisi dans le groupe comprenant le graphite

naturel et le graphite artificiel, ainsi que leurs mélan-

ges doit être, de préférence, une poudre d'environ -325 mesh, et il doit, en général, être présent dans la proportion d'environ 5 à 30 % du volume de la composition à base de PTFE, la fourchette d'environ 10 à 25 % en volume étant préférée, un pourcentage d'environ 10 % en volume donnant des résultats optimaux. Le PTFE constitue

le reste de la composition de revêtement.

Les exemples non limitatifs qui suivent servent à décrire et à illustrer l'invention. Il va de soi que ces exemples ont uniquement un but d'illustration, et

qu'ils ne sont pas destinés à limiter le champ de l'in-

vention, tel qu'il est défini par la présente description

et les revendications annexées.

On a représenté, sur le tableau I ci-après, l'effet de l'incorporation de diverses proportions de poudre de bronze relativement fine (-300 mesh dans cet exemple) dans de la poudre de bronze relativement grossière (-60 à

+ 100 mesh dans cet exemple), tant sur la force d'adhé-

rence au substrat d'acier-que sur la porosité de la cou-

che de bronze. Il va sans dire que les résultats donnés

le sont après frittage. Comme on l'a indiqué sur ce ta-

bleau, le pourcentage en poids optimal de poudre d'envi-

ron -300 mesh, donnant à la fois une force d'adhérence

et une porosité très satisfaisantes, est d'environ 20 %.

En général, la poudre relativement fine constitue, de préférence, environ 5 % à 30 % du poids total de poudre utilisé pour produire la couche intermédiaire métallique poreuse. On mesure le pourcentage d'adhérence par des techniques classiques en métallographie, en déterminant la proportion de bronze en contact avec la surface d'acier qui est nickelée. On mesure le pourcentage de porosité par des techniques classiques en métallographie,

en utilisant un analyseur d'images.

TABLEAU I

% en poids de % d'adhérence % de porosité dans la couche poudre fine à l'acier de bronze frittée

O 23,6 47,3

O10 41,4 42,6

87,3 43,8

83,7 32,8

98,8 19,6

50 94,5 20,8

Le tableau II ci-après présente des information sur l'usure des compositions à base de PTFE fabriquées selon la présente invention, après frottement contre un arbre d'acier de 5,40 cm (2,125 pouces) de diamètre. On utilise une vitesse de rotation de 980 tours/mn, une charge de 5 kg (11 livres), et une durée d'essai de 16 heures. Les compositions à base de PTFE se présentent

sous la forme de blocs frittés pour ces essais.

TABLEAU II

Composition % en volume de charge Usu5e le reste étant du PTFE (mm) Bronze à l'étain Plomb Graphite (-300) (-200) naturel

(-325)

2.5 10 O 2,785

2.5 10 10 4,425

2.5 10 20 3,277

10 0 5,735

10 10 3,605

10 20 2,622

10 0 9,341

10 10 9,013

10 20 6,555

2,5 20 0 2,130

2,5 20 10 3,441

2,5 20 20 3,114

20 0 2,130

20 10 1,639*

20 20 4,529

20 O 3,441

20 10 3,277

20 20 5,244

* meilleur résultat

On peut appliquer de façon appropriée les compo-

sitions à base de PTFE utilisées dans le cadre de l'in-

vention à la couche intermédiaire métallique poreuse par des procédés classiques, par exemple sous la forme d'une pâte comprenant une proportion appropriée d'un liquide tel que de l'eau, avec le PTFE et les charges. On fait

pénétrer la pâte dans les pores de la couche intermé-

diaire métallique, par exemple classiquement au rouleau, les conditions d'application du rouleau étant choisies de façon à laisser une couche d'environ 0,05 mm (0,002 pouce) à environ 0,5 mm (0,020 pouce) d'épaisseur au-dessus de la surface de la couche intermédiaire. On fritte alors la composition à base de PTFE de façon classique à une température d'environ 327 C et, de préférence, au-dessous de 400 C, opération au cours de laquelle le liquide s'évapore et un revêtement de palier

ferme est formé.

* En plus de la technique utilisant une pâte décri-

te précédemment, on va décrire à présent un procédé préféré d'application de la composition à base de PTFE, en décrivant un procédé d'application du PTFE à la surface d'une bande poreuse à substrat métallique de

bronze ou analogue qui semble remédier à certains incon-

vénients des techniques classiques au rouleau décrites ci-dessus. Ce procédé permet d'appliquer une couche de PTFE relativement uniforme; il ne demande pas beaucoup de main d'oeuvre; et l'on peut obtenir une pleineimprégnation du métal poreux, tout en laissant une couche de PTFE relativement épaisse au-dessus de la couche intermédiaire métallique poreuse. Ce procédé est principalement destiné à appliquer du PTFE contenant plus d'une charge, et en même temps à donner à la couche superficielle un degré élevé de résistance à l'usure à sec. Ce procédé s'applique aussi, cependant, au PTFE

comportant moins de deux charges.

Ce procédé comprend, de façon générale, les étapes suivantes: on mélange les charges en les introduisant

dans une dispersion aqueuse de PTFE et on ajoute un épais-

sissant aqueux et un coagulant, on transfère la pâte ob-

tenue (ayant une consistance rappelant celle de la bouillie d'avoine) dans une machine dans laquelle on l'enserre entre une bande de matière de support se déplaçant en continu et une bande de papier-filtre de forte résistance

à l'état mouillé, on tasse ou l'on comprime cette struc-

ture en sandwich et l'on élimine l'eau en excès par appli-

cation de rouleaux, on transfère le sandwich sur une courroie mobile constituée par une matière du type de

la toile métallique, on retire une partie de l'eau res-

tante à travers le papier-filtre et la courroie de toile métallique par aspiration, on tasse ou l'on comprime encore le sandwich, on retire la couche de papier-filtre, on enroule la-matière de support avec la matière à base de PTFE qui adhère à une face, et l'on fait pénétrer au

rouleau la matière à base de PTFE dans une couche inter-

médiaire poreuse à substrat métallique, et l'on détache

la couche de matière de support.

Ce procédé est représenté sur les figures 2, 3 et 4, et les étapes du mode d'exécution préféré sont les suivantes. On verse, par exemple, 810 ml (ou 990 g) d'une dispersion aqueuse de PTFE (E.I. DuPont de Nemours & Co., "DuPont", T35) renfermant 33 % en poids de PTFE dans un récipient 30, et l'on agite au moyen d'une ailette 32 entraînée par un moteur électrique 34. On ajoute 520 g

de poudre de plomb métallique de -200 mesh, 50 g de pou-

dre de graphite naturel de -325 mesh (qualité industriel-

le) et 100 g de poudre de bronze à l'étain de -300 mesh,

à la dispersion de PTFE, tout en agitant. (Les propor-

tions de plomb, de graphite et de bronze à l'étain ci-

dessus correspondent aux proportions optimales précitées,

c'est-à-dire environ 20 %, 10 % et 5 % en volume, res-

pectivement, de la composition finale à base de PTFE).

On ajoute 33 grammes d'un épaississant aqueux polymère

à base de latex (Rohm and Haas TT615), 50 ml d'ammo-

niaque (28 à 30 % NH3, normalité 15, qualité réactif), et 100 ml d'une solution à 250 g/1 de nitrate d'alumi- nium (qualité réactif), et l'on continue à ajouter, jusqu'à ce que le mélange prenne la consistance d'une pâte épaisse. Le nitrate d'aluminium joue le rôle de coagulant, tandis que l'ammoniaque s'avère jouer le

rôle de catalyseur.

En se référant à présent à la figure 3, on transfère la pâte dans une trémie 36 dont une paroi supporte une bande mobile de matière de support 38

(par exemple de téréphtalate de polyéthylène à orien-

tation biaxiale "Mylar", fabriqué par DuPont) et dont

une autre paroi supporte une bande mobile de papier-

filtre de forte résistance à l'état mouillé 40 (par exemple, Eaton Dyteman Grade 909/20). La matière de support et le papier filtre sont amenés à partir de rouleaux situés au-dessus de la trémie, respectivement 42 et 44. La trémie comporte des parois latérales

ajustables 46.

On place la trémie juste au-dessus d'une paire de rouleaux 48 et l'on amène la pâte dans l'intervalle de pincement des rouleaux, en sandwich entre la matière - de support et le papier-filtre. Om comprime la matière à base de PTFE à une épaisseur d'environ 1,25 mm (0,050 pouce). Le sandwich est alors porté sur une courroie de toile métallique 50 (par exemple, une toile métallique de type tamis de polyester semi-rigide, que l'on trouve chez Sargent-Welch, en tant que toile de tamis monofilament de polyester S74616P), qui est déplacée par des rouleaux 52, en franchissant l'entrée d'une pompe à vide 54 qui retire une partie de l'eau de la matière à base de PTFE par aspiration (381 mm de mercure (15 pouces de mercure)- (dépression dynamique) aspirés sur une aire de 9033 mm (14 pouces carrés) dans cet exemple), à travers le papier-filtre et la toile métallique. Le sandwich passe alors entre deux autres rouleaux 56 o la matière à base de PTFE est tassée à une épaisseur finale d'environ 0,25 à 0,50 mm (0,014 à 0,020 pouce), une épaisseur d'environ 0,38 mm

(0,015 pouce) étant préférée. On détache alors le papier-

filtre de la matière à base de PTFE, et l'on enroule la matière de support avec un ruban de matière à base de PTFE adhérant à l'une de ses faces en un rouleau 58. La

teneur en eau du ruban à base de PTFE est d'environ 20 %.

En se référant à présent à la figure 4, on monte alors le rouleau 58 de ruban à base de PTFE combiné avec le matériau de support provenant de l'étape précédente du côté d'entrée d'un laminoir d'imprégnation 60. Tandis qu'une bande de bronze poreux à substrat d'acier 62 (la

couche de bronze intermédiaire a environ 0,30 mm d'épais-

seur) passe dans le laminoir (l'acier est nickelé dans un mode d'exécution préféré), le ruban combiné pénètre dans l'intervalle de pincement, o la matière à base de PTFE pénètre dans les pores du bronze. Le matériau de support est détaché de la surface du matériau à base de PTFE et enroulé en un rouleau 64. On règle l'ouverture du laminoir de façon à laisser la couche superficielle désirée de matériau à base de PTFE à environ 0,15 mm (0,06 pouce) d'épaisseur au-dessus du bronze. La bande composite passe alors par un four 66 o le matériau à

base de PTFE est fritté de façon classique à une tempé-

rature de 350 C. (Un spécialiste comprendra que l'on peut combiner les différents appareils des figures 3 et 4 de façon à obtenir un fonctionnement continu sans stade d'enroulement intermédiaire en 58). De plus, on peut aussi utiliser des matières autres que les produits chimiques spécifiques et/ou d'autres matières citées en liaison avec le procédé de mise en oeuvre du ruban ci-dessus. Dans le-procédé mettant en oeuvre le ruban décrit ci-dessus, la mesure dans laquelle le matériau à base de PTFE est "travaillé mécaniquement" est maintenue à un minimum et une faible proportion de liquide, d'eau dans l'exemple ci-dessus, est retenue dans le ruban à base

de PTFE. Ce ruban est peu résistant et utilise le liqui-

de comme lubrifiant, et pour cette raison il faut

IO l'amener dans le laminoir d'imprégnation sur son sub-

strat de matériau de support. Cependant, en raison de son manque de résistance, on peut le faire pénétrer dans les pores de la couche métallique poreuse intermédiaire,

sans tasser cette couche, ni obturer les pores.

On peut alors former des composants de palier, tels que des coussinets et des rondelles de butée, à

partir du matériau composite pour paliers par des tech-

niques classiques. De tels composants présenteront une excellente résistance à l'usure dans des applications

pour paliers secs, et on peut aussi les utiliser avan-

tageusement dans certaines applications pour paliers lubrifiés.

Claims (21)

REVENDICATIONS

1. Matériau composite pour former des paliers, convenant tant pour des applications à des paliers secs que pour des applications à des paliers lubrifiés, caractérisé en ce qu'il comprend: a) un substrat métallique (12); b) une couche métallique poreuse intermédiaire (14) située sur ledit substrat métallique, ladite couche métallique poreuse intermédiaire comprenant un mélange relativement non-homogène de particules appartenant à deux classes granulométriques différentes, une classe correspondant à une poudre relativement fine (22) et une classe correspondant à une poudre ralativement grossière (20), une portion importante de ladite poudre relativement fine étant séparée au voisinage dudit substrat métallique; et

c) une composition (16) à base de polytétrafluor-

éthylène remplissant pratiquement les pores de ladite couche intermédiaire métallique poreuse et formant une couche superficielle sur le matériau du palier, ladite composition à base de polytétrafluoréthylène comprenant environ 2 % à 10 % en volume d'au moins une matière choisie parmi le bronze à l'étain et d'autres alliages du cuivre, ainsi que leurs mélanges; environ 5 à 30 % en volume d'au moins une matière choisie parmi le plomb métallique, le cadmium métallique, un oxyde de plomb et un oxyde de cadmium, ainsi que leurs mélanges; environ à 30 % en volume d'au moins une matière choisie parmi le graphite naturel et le graphite artificiel, ainsi que leurs mélanges; et le reste étant constitué par

du polytétrafluoréthylène.

2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche métallique poreuse intermédiaire (14) est appliquée initialement au substrat métallique (12) sous la forme d'un mélange relativement homogène de poudre métallique comprenant des particules de la classe granulométrique des poudres relativement fines et de la classe granulométrique des poudres relativement grossières et en ce que, pendant et après son application au substrat métallique et avant l'achèvement du frittage, une portion importante de ladite poudre relativement

fine provenant dudit mélange de poudre métallique rela-

tivement homogène est séparée au voisinage dudit sub-

strat métallique, de sorte qu'un mélange de poudre métallique relativement non-homogène est formé sur

ledit substrat métallique.

3. Matériau selon la revendication 1 ou 2, carac-

térisé en ce que le substrat métallique (12) est cons-

titué par de l'acier de préférence recouvert par une

couche de métallisation.

4. Matériau selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 3, caractérisé en ce que la couche métallique

poreuse intermédiaire (14) est constituée par un maté-

riau choisi parmi le bronze, le bronze à l'étain, le

bronze au plomb, ou d'autres alliages du cuivre.

5. Matériau selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 4, caractérisé en ce que la composition (16) à base de polytétrafluoréthylène comprend environ 4 à 6 % en volume, de préférence 5 % en volume, d'au moins

une matière choisie parmi le bronze à l'étain et d'au-

tres alliages du cuivre, ainsi que leurs mélanges; environ 15 à 30 % en volume, de préférence 20 % en volume, d'au moins une matière choisie parmi le plomb métallique, le cadmium métallique, un oxyde de plomb et un oxyde de cadmium, ainsi que leurs mélanges; environ 10 à 25 % en volume, de préférence 10 % en volume, d'au moins une matière choisie parmi le graphite naturel et le graphite artificiel, ainsi que leurs mélanges; et le reste étant

constitué par du polytétrafluoréthylène.

6. Matériau selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 5, caractérisé en ce que la composition (16)

à base de polytétrafluoréthylène a une épaisseur au-

dessus de la couche métallique poreuse intermédiaire (14) d'environ 0,05 mm à 0,5 mm.

7. Matériau selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 6, caractérisé en ce que la couche métallique poreuse intermédiaire (14) a une épaisseur comprise entre

environ 0,25 et 0,40 mm.

8. Matériau selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 7, caractérisé en ce que la poudre métallique,

avant frittage, comprend en outre de l'amide éthylène-

di-stéarique.

9. Matériau selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 8, caractérisé en ce que ladite classe granu-

lométrique correspondant à une poudre relativement fine

correspond à -300 mesh, et en ce que ladite classe gra-

nulométrique correspondant à une poudre relativement

grossière correspond à environ 60 à 150 mesh.

10. Matériau selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 9, caractérisé en ce que ladite classe granu-

lométrique correspondant à une poudre relativement fine représente environ 5 à 30 % en poids, de préférence environ 20 % en poids, de la quantité totale de poudre utilisée pour produire la couche métallique poreuse

intermédiaire (14).

11. Procédé de formation d'une couche métallique poreuse intermédiaire (14) sur un substrat métallique (12), ladite couche métallique poreuse intermédiaire convenant pour être imprégnée d'une composition (16) à base de polytétrafluoréthylène-pour former un matériau composite pour paliers (10), caractérisé en ce qu'on

applique au substrat métallique (12) un mélange relati-

vement homogène de poudre métallique comprenant sensi-

blement des particules de deux classes granulométriques

distinctes, l'une correspondant à une poudre relative-

ment fine et l'autre à une poudre relativement grossière, on choisit ces deux classes granulométriques pour permettre la séparation d'une partie importante de ladite poudre relativement fine du mélange relativement homogène de poudre métallique au voisinage du substrat métallique avant l'achèvement du frittage pour former un mélange relativement non-homogène de poudre métallique sur le substrat métallique, et l'on fritte ladite poudre métallique sur le substrat métallique. iO

12. Procédé pour imprégner une matrice métallique poreuse d'une composition à base de PTFE, caractérisé

en ce que l'on applique une composition de ruban compre-

nant du PTFE et du liquide sur une couche de matière de support, on dispose une matrice métallique poreuse, et l'on imprègne cette matrice métallique poreuse de la composition de ruban, puis on retire ladite couche de

matière de support.

13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé

en ce que le liquide est l'eau et en ce que la composi-

tion de ruban comprend, en outre, au moins une matière

de charge.

14. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce qu'en outre on laisse une partie de

la composition de ruban au-dessus de la matrice métalli-

que poreuse, après le stade d'imprégnation.

15. Procédé de fabrication d'un ruban à base de PTFE, convenant pour imprégner une matrice métallique poreuse, caractérisé en ce qu'on mélange une dispersion de PTFE dans un liquide avec un coagulant pour former

une pâte, on place cette pâte entre une couche de ma-

tière de support et une couche de papier filtre pour former une structuresandwich, on comprime ce sandwich, on transfère ce sandwich sur une matière du type d'une

toile métallique, de façon que la couche de papier-

filtre du sandwich soit adjacente à cette matière de type toile, on applique une dépression à la matière de type toile métallique et à la couche de papier-filtre adjacente pour éliminer du liquide en excès de la pâte, et l'on retire la couche de papier-filtre du sandwich pour laisser un ruban comprenant du PTFE et du liquide et une couche de matière de support au voisinage dudit ruban.

16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le liquide est l'eau et en ce que la dispersion comprend un épaississant aqueux constitué, de préférence,

par un polymère à base de latex. -

17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel le stade de compression du sandwich retire de l'eau en excès de la pâte, caractérisé en ce qu'on transfère, en outre, ledit sandwich sur une courroie constituée par la matière du type toile métallique, de façon que la couche de papier-filtre de-la structure sandwich soit adjacente à la courroie, on applique la dépression à la courroie et à la couche de papier-filtre adjacente pour retirer de l'eau en excès de la pâte, et l'on comprime, ensuite, encore le sandwich avant d'en retirer la couche

de papier-filtre.

18. Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 15 à 17, caractérisé en ce que le coagulant est constitué par du nitrate d'aluminium et en ce que la dispersion du PTFE comprend, de préférence, au moins

une matière de charge.

19. Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 15 à 18, caractérisé en ce que la couche de ma-

tière de support est constituée par du téréphtalate de polyethylène d'orientation biaxiale et en ce que la couche de papier-filtre est constituée, de préférence,

par du papier-filtre de forte résistance à l'état mouillé.

20. Procédé de production d'un matériau composite pour paliers (10) comprenant un substrat métallique (12), une couche métallique poreuse intermédiaire (14) sur le substrat métallique (12), et une composition (16) à base de PTFE remplissant pratiquement les pores de la couche métallique poreuse intermédiaire (14) et formant une couche superficielle sur le matériau pour paliers, carac- térisé en ce qu'on applique une composition de ruban

comprenant du PTFE et du liquide sur une couche de ma-

tériau de support. On place une couche intermédiaire

métallique poreuse sur le substrat métallique, on imprè-

gne la couche métallique poreuse intermédiaire de la composition de ruban tout en laissant de la composition

de ruban au-dessus de la couche métallique poreuse inter-

médiaire pour former une bande composite, l'on retire la couche de matière de support, et l'on chauffe ladite bande composite, de façon à fritter ladite composition

à base de PTFE.

21. Procédé selon la revendication 20, caractérisé

en ce que le liquide est l'eau et en ce que la composi-

tion de ruban comprend en outre, de préférence, au moins

une matière de charge.