FR2567053A1 - Palier de glissement, en particulier pour trepan de forage, comportant un element a paroi mince en poudre metallique, et procede de fabrication dudit palier - Google Patents

Abstract

UN PROCEDE DE FABRICATION D'UN PALIER DE GLISSEMENT COMPOSITE EST DECRIT COMME COMPRENANT LES ETAPES CONSISTANT A FORMER, PAR PRESSAGE ET FRITTAGE D'UN METAL EN POUDRE, UN ELEMENT DE BASE POREUX, DEFINISSANT UNE SURFACE PORTANTE, DONT LA HAUTEUR EST SUPERIEURE A QUATRE FOIS SON EPAISSEUR DE PAROI, DISPOSER L'ELEMENT POREUX EN PRISE INTIME AVEC UN ELEMENT DE SUPPORT ET INFILTRER UN ALLIAGE METALLIQUE ANTIGRIPPANT DANS LES PORES POUR REMPLIR SUBSTENTIELLEMENT LES PORES ET BRASER EN MEME TEMPS LES ELEMENTS EN UNE UNITE D'UNE SEULE PIECE, LES ETAPES SUIVANTES DE FINITION DE L'UNITE EN UNE SEULE PIECE AVANT SON ASSEMBLAGE EN TANT QUE SURFACE PORTANTE DANS UN TREPAN A CONES COMPRENANT L'USINAGE DE SES DIAMETRES INTERIEUR ET EXTERIEUR ET LE TRAITEMENT THERMIQUE POUR DURCIR L'ELEMENT DE BASE. APPLICATION AUX TREPANS DE FORAGE PROFOND.

Description

Cette invention concerne un palier comportant une poudre métallique

frittée dont les pores ont été infiltrés

d'un métal antigrippant et, plus particulièrement, un pa-

lier de ce type présentant un élément en poudre métal-

lique en forme de paroi relativement mince, fixé à un sup- port ou coquille de métal plein et soutenu par ce support

ou cette coquille.

Les brevets US no 4 105 263 et 4 207 658, ayant tous

deux le mme cessionnaire que Dour la présente invention, décri-

vent respectivement un palier en poudre métallique frit-

tée pour un trépan à cônes et un procédé pour sa fabrica-

tion, dans lequel une poudre d'alliage métallique est com-

primée dans la forme cylindrique voulue pour former un palier de tourillon, produisant une matrice poreuse de

densité environ 85% et dont les pores communiquent sensi-

blement en tout point les uns avec les autres. Après avoir pressé et fritté cet élément cylindrique, on infiltre dans

les pores un matériau antigrippant comme un alliage argent-

manganèse pour produire un palier de tourillon pour tré-

pan à cônes supérieur comportant, sur sa surface portante, des zones alternées d'acier allié et d'argent-manganèse

conférant a la surface portante des caractéristiques de ré-

sistance et de lubrification.

Il est donc clair que le matériau infiltré anti-

grippant en argent-manganèse constitue, en volume, environ % de la structure du palier en poudre métallique, mais n'est efficace pour la lubrification que sur la surface

portante du palier. En ce sens, ce matériau est relati-

vement coûteux du fait de sa teneur en argent et on a éta-

bli que l'on pouvait obtenir une réduction du coût subs-

tantielle en limitant l'épaisseur de la paroi dupalier.

Cependant, il est reconnu, dans la pratique de la compac-

tion métallurgique des poudres, qu'afin de produire des

pièces métallurgiques en poudres de densité uniforme, mê-

me si l'on utilise une presse à double action, la configu-

ration des pièces métalliques en poudres pressées doit pré-

senter une hauteur (dans ce cas, la dimension axiale) qui

ne soit pas supérieure à quatre fois l'épaisseur de la pa-

roi. On a trouvé que, dans le cas contraire, la partie cen-

trale de la hauteur de la pièce pressée était moins dense que l'une ou l'autre partie extrême, conférant à la pièce une résistance non uniforme généralement incompatible avec

des conditions de charge élevée et de déformation importan-

te comme celles que l'on rencontre dans les applications de

paliers pour trépans à cônes.

Le brevet U.S. n 4 172 395, également de même

cessionnaire, décrit une technique et une structure de fa-

brication d'un palier en poudre métallique frittée à pa-

roi relativement mince, o la partie de glissement en pou-

dre métallique est formée et compactée in situ dans un évi-

dement ménagé dans la cavité du coussinet du trépan cônique

et, pendant le frittage, adhère au métal de base du cône.

Ses pores sont ensuite remplis d'un matériau antigrippant

et le palier est ensuite durci selon le traitement typi-

que pour finir la partie de glissement frittée. Ce procédé n'a jamais été acceptable sur le plan commercial à cause des problèmes-de fabrication que pose cette formation in

situ. En outre, même dans de telles conditions, on s'atten-

drait à ce que la partie centrale de la longueur axiale de

la boîte de glissement soit compactée de manière moins den-

se que l'une ou l'autre extrémité et fasse donc l'objet

-30 d'une défaillance probable en cours d'utilisation.

Le brevet U.S. nO 4 402 617, également de même cessionnaire, décrit encore un autre palier de glissement en poudre métallique frittée à paroi mince pour un trépan à cônes, avec une partie façonnée et infiltrée avant d'être logée par un ajustement serré en prise dans une coquille de coussinet et o la structure située sur la coquille du

coussinet et coopérant avec la structure située sur la ca-

vité du coussinet du cône intercepte le palier de glissement

de manière à empêcher son déplacement lorsqu'elle est sou-

mise aux forces extrêmes rencontrées-dans un trépan à cô- nes. Telle que l'envisage cette invention, bien que cela ne soit pas indiqué explicitement, le paZier de glissement en

poudre métallique a d'abord été compacté avec une épais-

seur de paroi conforme à la technologie de la métallurgie des poudres (à savoir un rapport entre la hauteur et la

profondeur inférieur à 4) pour obtenir une résistance pré-

sentant une uniformité constante en tout point, puis, après le frittage, rempli du métal antigrippant pour donner une

structure usinable, puis usinée pour donner la configura-

tion à paroi mince représentée en interceptant, pour le recycler, le produit infiltré dans le matériau de rejet d'usinage. Les paliers de tourillons pour trépan à cônes

fabriqués selon ce dernier brevet n'ont pas été commercia-

lisés que ce soit à cause de la complexité et du coût de

fabrication ci-dessus ou du potentiel d'erreurs d'assembla-

ge (c'est-à-dire qu'il est clair, d'après la figure 2 ce brevet, que l'on pourrait inverser l'assemblage du palier

de glissement de sorte que ce palier de glissement à pa-

roi mince pourrait être placé en position adjacente au

joint torique et ainsi ne'pas être retenu axialement).

Il est bien connu que l'alliage argent-manganèse que l'on utilise industriellement comme métal antigrippage

infiltré dans le palier de glissement fritté en poudre mé-

tallique des brevets ci-dessus a été mis au point à l-'ori-

gine en tant que composé de brasage présentant, à l'état fondu, une grande affinité à s'écouler entre des faces très ajustées par action capillaire et formant aussi des suages nominaux, présentant pourtant une résistance à l'écoulement

suffisante pour empêcher l'écoulement de ressortir complè-

tement du joint brasé. En raison de ces caractéristiques et des propriétés antigrippantes supérieures inhérentes de l'argent, on vint à l'utiliser, comme il est clair dans les brevets indiqués, comme produit à infiltrer pour les paliers de glissement en poudre métallique dont il est question dans la présente invention. Cependant, à cet égard, il est également connu que lorsque l'argent-manganèse est infiltré dans le matériau de base en poudre métallique poreux depuis

une surface de ce matériau, un chauffage continu du maté-

riau de base et de l'argent-manganèse, jusqu'à ce que le

matériau de base soit complètement rempli, provoque la sé-

grégation en une couche à prédominance manganèse de l'ar-

gent-manganèse adjacent à la surface depuis laquelle a été faite l'infiltration. L'existence de cette couche à forte teneur en manganèse, lorsqu'elle est soumise au traitement

thermique ultérieur, comme le nécessite la finition du ma-

tériau de base à utiliser comme palier de glissement, pro-

voque la transformation de la couche de matériau de base correspondante en une phase austénite stable qui est, par

nature, m6olle et qui ne présente pas de réponse à un trai-

tement thermique. Ainsi, afin de tenir compte de ce phéno-

mène, une telle couche nécessitait une addition de matériau de base ou de matière première, que l'on éliminait ensuite par usinage pour exposer une partie inférieure de la base avant de soumettre le palier de glissement à un traitement

thermique supplémentaire.

La présente invention a pour objet unpalier de glissement fritté en poudre métallique à paroi mince qui, contrairement à la pratique de compaction reconnue dans la métallurgie des poudres, est fabriqué initialement sous forme d'un élément de paroi mince (c'est-à-dire ayant une hauteur supérieure à 4 fois l'épaisseur de la paroi et, en fait, de l'ordre de 12 fois l'épaisseur de la paroi). On

obtient une uniformité suffisante de la résistance en rem-

plissant les pores de la base en poudre métallique avec un produit infiltré à base d'alliage de métal antigrippant et

en supportant l'élément avec une coquille de métal plein.

En particulier, le matériau antigrippant est infiltré dans

1él'é6ment de glissement en poudre métallique après avoir lo-

gé, avec un ajustement serré, l'élément de glissement dans la coquille, de manière que le matériau argent-manganèse brase l'élément de support plein à l'élément de

glissement ooreux en même temps que se produit l'infiltra-

tion de l'lélent de glissement, ce qui produit une unité d'une seule pièce de résistance généralement uniforme. De plus, le matériau est infiltré dans l'éléxent de glissement poreux depuis une surface autre que ce qui constitue effectivement la surface portante du palier et élimine la nécessité d'usiner la couche de manganèse ségréguée et la matière première avant le traitement thermique ultérieur

de la pièce en poudre métallique. D'autres opérations typi-

ques d'usinage et de traitement thermique, comme celles dé-

crites dans le brevet U.S. 4 207 658, complètent le procédé

de fabrication.

La figure 1 est un schéma de traitement illustrant les étapes du procédé permettant de former l'éléient de glissement assemblé composite selon l'invention; et La figure 2 est une vue en coupe partielle du palier de glissement assemblé telle qu'il est inséré

dans la cavité associée d'un trépan a cônes.

Si l'on se réfère à la figure 1, le diagramme de

traitement schématique représenté ici illustre la fabrica-

tion d'un palier à élément en poudre métallique frittée dure infiltrée d'un matériau antigrippant qui, de plus, brase l'élément de glissement à la coquille dure. On doit

comprendre dès le début que, bien que lepalier de glisse-

ment à paroi mince représenté ici forme le diamètre inté-

rieur d'un élément de glissement cylindrique, la coquille du coussinet dur formant le diamètre extérieur du

palier composite, il serait tout aussi possible de l'in-

verser, la coquille du coussinet Formant le diamètre inté-

rieur et l'éléoment de glissement à paroi mince formant le

diamètre extérieur du palier.

Initialement, une matière première en alliage d'a-

cier comme du tube "AISI 8620" 10 est coupée en une dimen- sion axiale appropriée et son diamètre intérieur et son

diamètre extérieur sont usinés comme en 12 pour donner res-

pectivement des dimensions appropriées, formant une coquil-

le de coussinet 14.

Unélément de glissement cylindrique en poudre mé-

tallique frittée est formé en pressant un alliage d'acier

en poudre 18 à la température ambiante en un élément cylin-

drique de taille prédéterminée (que l'on discutera dans la suite) et fritté à environ 1021 C (2050 F) pour former un

palierde glissement poreux d'une seule pièce. Cependant,-

contrairement à la pratique de compaction de la métallurgie des poudres antérieure, la hauteur (ou dimension axiale) h de l'élément de glissement est, dans ce cas, supérieure à quatre (4) fois l'épaisseur de la paroi t et, en fait, de l'ordre de 12 fois l'épaisseur (à savoir h = 12t). Ainsi,

la structure en poudre métallique présentant une telle re-

lation est désignée dans la suite par structure a paroi mince. Bien qu'il en résulte la production, au centre de la structure à paroi mince, d'une densité plus faible, pour les raisons décrites dans la suite, la structure est rendue suffisamment uniformément résistante pour permettre à cette technique de fabrication d'une paroi mince de former une

structure de palier.

On insistera ici sur le fait que l'élément en pou-

dre métallique en forme de paroi mince 16 a une densité d'environ 85% (en volume), ce qui laisse envi-ron 15% de vides à remplir avec le matériau d'alliage antigrippant argent-manganèse. La fabrication de l'élément en poudre métallique en

forme de paroi mince 16 peut être réalisée avec une préci-

sion suffisante pour qu'aucun usinage ne soit nécessaire et, ainsi, après que l'élément 16 ait été formé, il est pressé dans la coquille 14 du coussinet. Dans ce but, on réalise un ajustement serré en prise légère (à savoir de l'ordre de 0,05 mm (0,002 pouce) le long du diamètre) pour obtenir une prise positive entre les faces opposées de la

coquille 14 du coussinet et le diamètre extérieur de l'élé-

ment en poudre métallique 16. Cependant, on doit insister

sur le fait que, le palrer de glissement fritté étant es-

sentiellement dans un état recuit, l'ajustement serré ne devrait pas être en prise telle qu'il provoque la fermeture

ou l'affaissement des pores de la surface externe de l'élé-

ment en poudre métallique 16 pendant l'opération de pressa-

ge, ce qui empêcherait l'écoulement du matériau de brasage/

antigrippant argent-manganèse vers cette interface. Cepen-

dant l'ajustement serré susmentionné est acceptable.

De plus, la longueur axiale de la coquille du cous-

sinet 14 apparaît quelque peu plus longue que la longueur axiale de l'élément en poudre métallique 16 de telle sorte que, lorsqu'on les presse l'un contre l'autre jusqu'à ce

qu'ils arrivent au même niveau à une extrémité, cette lon-

gueur supplémentaire procure une butée ou épaulement en re-

trait 20 formé sur l'extrémité opposée par une extrémité axiale de l'élément 16 pour y supporter un fil métallique enroulé 22, en alliage métallique de brasage/antigrippant

argent-manganèse, l'augmentation de longueur étant suffi-

sante pour supporter et contenir la hauteur delVenroulement

nécessaire pour remplir les 15% de vide que comporte l'é-

lément en poudre métallique 16. La coquille de-coussinet

assemblée 14, l'élément 16 et le fil de métal argent-manga-

nèse 22 sont ensuite chauffés à environ 982 C à 1010 C

(1800 F à 1850 F) en étant maintenus dans l'orientation re-

présentée. L'alliage argent-manganèse a une température de

fusion d'environ 960 C (1760 F) et une température d'écou-

lement d'environ 971 C (1780 F), l'excès de chaleur fournie augmentant la vitesse du processus d'infiltration. Dans ces

conditions de chauffage, le fil métallique fond et s'écou-

le, par gravité et par action capillaire, dans les pores et

dans l'interface entre la coquille du coussinet 14 et l'é-

lément en poudre métallique 16 pour en même temps remplir les pores de l'élément 16 et le braser à la-coquille du coussinet 14. Le remplissage des pores de l'élément 16 avec

l'alliage métallique et le brasage de l'élément 16 à la co-

quille de support 14 forme une unité de palier d'une seule pièce dont la résistance est suffisamment uniforme en tout point pour que l'on puisse l'utiliser comme élément de palier après les étapes de traitement thermique ultérieures

telles que celles décrites dans les brevets U.S. conjoints.

Jusqu'à maintenant, comme on l'a expliqué précé-

demment, on infiltrait dans l'élément en poudre métallique un matériau antigrippant d'argent-manganèse en plaçant le matériau anti-grippant en position adjacente à la surface

formant son diamètre intérieur. Ainsi, au cours de l'infil-

tration, un phénomène de ségrégation du manganèse se pro-

duisait en position adjacente à la surface dans laquelle

s'écoulait l'alliage argent-manganèse. Il était alors né-

cessaire de procéder à un usinage ultérieur de la surface du diamètre intérieur jusqu'à une profondeur suffisante

pour débarrasser le diamètre intérieur du palier de glis-

sement de cette ségrégation du manganèse (à savoir de l'or-

dre de 2 mm (0,08 pouce) le long du diamètre), ce qui né-

cessitait d'éliminer de la matière première (qui avait au-

paravant été fournie spécialement dans ce but) ainsi que du matériau argent-manganèse plus coûteux ajoutant ainsi, bien

que l'on puisse récupérer ce dernier, au coût de fabrica-

tion du palier de glissement.

Dans la présente invention, après le procédé d'in-

filtration/brasage à l'arqent tel qu'illustré en 24, la longueur axiale en excès x de la coquille du coussinet 14 est retirée pour former lepalier de glissement composite en une seule pièce 26, mais aucun usinage n'est nécessaire pour retirer le

manganèse ségrégué à une extrémité du palier de glisse-

ment 26 (et, ainsi, aucune matière première supplémentaire

à sacrifier n'est nécessaire au départ).

Les autres étapes permettant de terminer le palier de glissement et son assemblage dans le trépan à cônes,

bien que n'étant pas représentées sur la figure l, compren-

nent l'usinage grossier du diamètre intérieur et du diamè-

tre extérieur du palier de glissement composite 26. En-

suite, le palier de glissement composite 26 est soumis à un

traitement thermique (c'est-à-dire trempé et revenu) se-

lon les pratiques de fabrication des paliers de glissement frittés en poudre métallique antérieurs, et le diamètre extérieur du palier de glissement composite (la surface externe de la coquille du coussinet) est usiné pour être terminé. Le diamètre extérieur du palier de glissement 26 ayant été usiné pour avoir le diamètre approprié, le palier de glissement composite est assemblée dans la cavité

associée du cône 28, comme le montre la figure 2. Le dia-

mètre intérieur de la cavité du cône, comprenant maintenant

le diamètre intérieur du palier de glissement 26, est en-

suite poncé pour donner la finition finale, ce qui termine

l'assemblage du palier de glissement 26 au sein de la ca-

vité associée du trépan conique 28.

Ainsi, on voit qu'il a été produit un palier de glissement infiltré comportant un constituant en poudre métallique en forme de paroi mince brasée à une coquille dure et qui peut être assemblée dans la cavité d'un cône sans problème d'orientation convenable. Le constituant en

poudre métallique procure la surface portante et est infil-

tré d'un matériau antigrippant simultanément au brasage de l'élément à la coquille de support. Outre cela, il est

clair que l'alliage antigrippant/de brasage argent-manganè-

se n'est infiltré que dans l'élément en poudre métallique en forme de paroi mince 16, ce qui réduit d'environ 55% la teneur en argent, par rapport aux paliers de glissement de

la technique antérieure disponibles commercialement, les-

quels étaient entièrement formés d'un matériau fritté en poudre métallique, et d'une manière ne nécessitant aucun usinage ultérieur d'une matière première sacrifiée avant le

traitement thermique supplémentaire du palier de glisse-

ment. De plus, en utilisant l'alliage "A151 8620" pour la

coquille dure, on augmente la résistance mécanique (c'est-

lo à-dire la résistance à la flexion et au choc) par rapport aux paliers de glissement antérieurs entièrement en poudre

métallique frittée.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Palier de glissement comportant un premier élément dé-

finissant la surface portante et un second élément fixé au

premier élément pour procurer un support de dimensions gé-

néralement identiques à cette surface portante, caractérisé en ce que le premier élément est un alliage métallique en poudre fritté formant une structure comportant des pores communiquant en tout point les uns avec les autres, et que l'élément de support se trouve en prise intime avec une surface du premier élément opposée à la surface portante, lo un alliage métallique antigrippant étant infiltré, à l'état

fondu, dans les pores et entre les surfaces en prise inti-

me, pour remplir les pores et braser en même temps le pre-

mier élément au support.

2. Palier selon la revendication 1, caractérisé en

ce que le premier élément présente un rapport entre sa hau-

teur et son épaisseur supérieur à 4.

3. Palier selon la revendication 2, caractérisé en

ce que le premier élément est infiltré de l'alliage anti-

grippant en plaçant cet alliage antigrippant sur une sur-

face de cet élément autre que la surface portante et en chauffant le matériau jusqu'à l'état fondu pour le faire s'écouler par gravité et par action capillaire dans les

pores et entre les surfaces pour remplir ces pores et bra-

ser les éléments ensembles.

4. Palier selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il constitue un coussinet de tourillon formé par un premier élément généralement cylindrique et un second

élément généralement cylindrique et en ce que ces deux élé-

ments sont assemblés l'un à l'autre en une seule structure

cylindrique unitaire au moyen d'un ajustement serré en pri-

se légère entre les deux iléments cylindriques.

5. Palier selon la revendication 4, caractérisé en ce que la prise de l'ajustement serré ne dépasse pas 0,05

mm (0,002 pouce) le long du diamètre de ces éléments cylin-

radiale de sa paroi supérieur à 4.

15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'élément de support se prolonge au-delà d'une

extrémité del'élément fritté et en ce que l'étape de bra-

sage et d'infiltration comprend: - orienter l'élément fritté et l'élément de support en prise intime, de-manière que la partie qui se prolonge soit généralement verticale et se prolonge au-dessus d'une extrémité de l'élément fritté; et - - placer une quantité d'alliage antigrippant solide sur cette extrémité, supporté par ce prolongement, cette quantité étant suffisante pour remplir complètement les pores et braser les éléments l'un à l'autre; et - chauffer l'unité et le matériau jusqu'à ce que ce matériau soit fondu ce qui le fait s'écouler par gravité et par action capillaire dans les pores de l'élément fritté et

entre les faces en prise des éléments afin que, par refroi-

dissement, il remplisse les pores et brase les éléments

l'un à l'autre.

16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en

ce que l'usinage et le traitement thermique appropriés com-

prennent l'élimination de la partie qui se prolonge de l'é-

lément de support.

17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en

ce que l'étape de mise en place des premier et second élé-

ments en prise intime comprend les étapes de:

- former le premier élément en une forme cylindri-

que comportant une surface portante sur un diamètre et une surface opposée sur un second diamètre;

- produire un élément de support cylindrique com-

portant une surface en prise à un diamètre prédéterminé de

manière à venir en prise avec la surface opposée de l'élé-

ment fritté avec un ajustement serré légèrement en prise.

18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'ajustement serré ne dépasse pas 0,05 mm (0,002 portante. 11. Combinaison selon la revendication 10, caractérisée en ce que la prise de l'ajustement serré ne dépasse pas

0,05 mm (0,002 pouce) le long du diamètre des éléments cy-

lindriques. 12. Ccmbinaison selon la revendication 11, caractérisée

en ce que l'alliage antigrippant est un alliage argent-

manganèse.

13. Procédé de fabrication d'unpalier de glissement compo-

site comportant un premier élément définissant une surface portante et un second élément, généralement de dimensions

identiques à cette surface portante et fixé au premier élé-

ment pour procurer un support au premier élément, caracté-

risé en ce qu'il comprend les étapes de: - former, par pressage et frittage d'un métal en poudre, le premier élément définissant une surface portante et comportant des pores communiquant généralement en tout point les uns avec les autres;

- fournir un élément de support métallique de di-

mensions au moins identiques à la surface portante; - disposer les premier et second éléments en prise

intime sur une face de ce premier élément opposée à la sur-

face portante; - infiltrer un alliage métallique antigrippant dans

les pores pour remplir substantiellement ces pores et bra-

ser en même temps les éléments pour former une unité d'une seule pièce en introduisant un alliage métallique en fusion convenable dans le premier élément sur une surface autre que la surface portante; et - finir cette unité d'une seule pièce avant son assemblage en tant que surface porteuse par un usinage et

un traitement thermique appropriés.

14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'élément fritté en poudre métallique présente, tel qu'il est formé, un rapport entre sa hauteur et l'épaisseur

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ADDITION D'AL.AGE DE BRASAGE/

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/64

FIG. 2

PALIERDE GLISSD1EN= A FAIBLE TENEUR EN ARGENT

F. I26

FI-G. I