FR2631044A1 - Surface de friction de frein, procede et dispositif pour sa fabrication - Google Patents
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Abstract
La surface de friction d'un disque de frein 1 est revêtue d'une couche de céramique 8 appliquée par plasma d'arc, au moyen d'une torche 11, à l'aide d'un diaphragme 12 refroidi. Cela augmente la résistance à l'oxydation à haute température, la résistance à l'abrasion par les particules, les coefficients de frottement et permet au frein de travailler à plus haute température.
Description
La présente Invention a pour objet un frein, notamment pour automobile et concerne plus particulièrement une surface contre laquelle viennent frotter des garnitures ou plaquettes. Elle s'applique de préférence, mais non exclusivement aux freins à disques. L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'une telle surf ace, ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Le freinage des véhicules motorisés ou non, a terre, est actuellement assuré par deux grandes familles de dispositifs mécaniques:
a) les freins à tambour métallique avec garnitures intérieures tangentielles,
b) les freins a disque métal-lique avec garnitures latérales ou nlaquettes.
a) les freins à tambour métallique avec garnitures intérieures tangentielles,
b) les freins a disque métal-lique avec garnitures latérales ou nlaquettes.
Ces deux systèmes mettent à profit les forces de frottements qui nalssent du contact entre la partie en rotation (tambour ou disque) et l'élément fixe (garniture ou plaquette).
Depuls la dernière décennie, et particulièrement en ce qui concerne les véhicules de tourisme et la moto, la tendance est a l'adoption du frein à disque. Si ce système présente des avantages par rapport au frein à tambour, en particulier de légèreté, il engendre aussl quelques inconvénients:
. Le blocage des roues par micro-soudage disque/plaquette dû au transfert de particules métalliques arrachees au disque lors d'un freinage prolongé et incrustées dans les plaquettes. Ce phénomène très préjudlciable à la sécurité a été la cause de nombreux accidents. C'est ce comportement qui a assuré un large succès au système ABS en dépit d'un allongement notable des distances de freinage.
. Le blocage des roues par micro-soudage disque/plaquette dû au transfert de particules métalliques arrachees au disque lors d'un freinage prolongé et incrustées dans les plaquettes. Ce phénomène très préjudlciable à la sécurité a été la cause de nombreux accidents. C'est ce comportement qui a assuré un large succès au système ABS en dépit d'un allongement notable des distances de freinage.
Le comportement défectueux à haute température lors de freinages fréquents et intensifs.
. L'élévatlon de la température du disque et du dispositif de freinage et, en particulier, de l'étrier et des pistons; amène par conduction le liquide de freinage à ébullltlon, avec des conséquences catastrophlques pulsque la presslon s'exerce alors, non plus sur un liquide mais sur un gaz.
.La décomposition thermique du liquide de freinage lorsque sa température dépasse le seuil de stabilité.
Indépendamment de ces problèmes thermiques, la tenue à l'usure d'un tel système, dans le temps ou dans des conditions sévères d'utilisation (boue; sable...), n'est pas satisfalsante et peut être améliorée.
La présente invention a essentiellement pour objectifs:
- augmenter la résistance à l'oxydation à haute température lors du freinage
- augmenter la résistance à l'abrasion par les particules en augmentant la dureté superficielle
- augmenter la duree de vie en offrant des résistances à l'usure considérables
- augmenter les coefficients de frottement
- permettre au frein de travailler à plus haute température
Globalement, les améliorations attendues sont les suivantes:
- efficacité accrue à basse comme à haute température
- recul de la limite de blocage intempestif
- durée de vie plus importante
d'où une augmentatlon notable de la sécurité active.
- augmenter la résistance à l'oxydation à haute température lors du freinage
- augmenter la résistance à l'abrasion par les particules en augmentant la dureté superficielle
- augmenter la duree de vie en offrant des résistances à l'usure considérables
- augmenter les coefficients de frottement
- permettre au frein de travailler à plus haute température
Globalement, les améliorations attendues sont les suivantes:
- efficacité accrue à basse comme à haute température
- recul de la limite de blocage intempestif
- durée de vie plus importante
d'où une augmentatlon notable de la sécurité active.
Ces objectifs et avantageas, ainsi que d'autres sont obtenus conformément à la présente invention, qui a pour objet une surface de friction de frein, notamment å disque, en particulier pour véhicule automobile, remarquable notamment en ce que les parties tournantes du frein, qui peuvent être faites en fonte, acler, bronze ou en alliage léger, présentent des pistes de frottement revêtues d'une couche de céramique appllquee par plasma d'arc.
.La céramique est à base d'oxyde de chrome employé pur ou en mélange avec du carbure de tungstène (jusqu'à 30 % en poids).
Plusieurs brevets font état de tentatives de dépôts de cermet avec des constituants métalliques contenant de l'aluminium ou décrivent des procédés dans lesquels l'organe de frein est fabriqué en permettant à un bain à base d'aluminium de se solidifier sous compression munissant la partie à base d'aluminium solidifié ou en cours de solidification d'une couche résistant à l'usure. Dans ce dernier cas, cette couche comprenant un alliage de chrome (10 à 30 %) - carbone (2 à 4 %) fer (66à 86 %) d'épaisseur 0,3 à 1 mm est appliquée par une opération de pulvérisation plasma.
L'originalité de la présente invention réside dans le revêtement de la surface du disque par un matériau céramique de telle sorte que les qualités intrinsèques du rnétal support (évacuation de la chaleur, usinage, accrochage sur l'arbre de la roue..,) sotent complétées parcelles de la ceramique au niveau du contact avec la plaquette résistance à l'usure, résistance à l'abrasion par les agents chimiques, résistance a la température, coefficient de frottement élevé.
Avantageusement dans le cas d'un frein à disque, il peut être prévu un rainurage sensiblement perpendlculaire au sens de rotation afin d'évacuer les débris d'usure ou les poussières, et de favoriser la ventilation du disque. Ce rainurage est effectué en quinconce d'une face à l'autre du disque, sur chacune des pistes, afin de ne pas affaiblir la résistance mécanique du disque.
Dans une forme de réalisation de l'invention, la couche d'usure de la surface de frein est composée d'un dépôt à base d'oxyde de chrome employé pur ou en mélange avec du carbure de tungstène, jusqu'à 30 % en poids et pouvant contenlr en outre du chrome libre et éventuellement du fer afin d'améliorer la conductivité thermlque du dépôt.et l'évacuation des calories.
L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'une telle surface de frein, dans lequel procédé on utilise une torche à plasma pour projeter la céramique sur la partie tournante du frein.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la descriptlon qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins ci-joints, et qui fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée.
Sur les dessins.
La figure I est une vue en plan d'un disque de frein du type auquel la présente invention est appliquée;
la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne ll-ll de la fig 1;
la figure 3 est une vue de détail à plus grande échelle d'une partie de la figure 2;
la figure 4 est une représentation schématique du procédé de l'invention pour le dépôt d'une céramique par plasma d'arc sur un disque de frein du type des figures 1 à 3 pour le traitement dune face du disque;
la figure 5 est une vue analogue à la figure 4 pour le traitement simultané des deux faces d'un disque;
la figure 6 est une représentatíon schématique du procédé de l'invention, pour le dépôt d'une céramique, par plasma d'arc sur des plaquettes de frein portées par un plateau support; et
la figure 7 représente à plus grande échelle un détail du procédé de projection de céramique par plasma d'arc sur un substrat.
la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne ll-ll de la fig 1;
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la figure 4 est une représentation schématique du procédé de l'invention pour le dépôt d'une céramique par plasma d'arc sur un disque de frein du type des figures 1 à 3 pour le traitement dune face du disque;
la figure 5 est une vue analogue à la figure 4 pour le traitement simultané des deux faces d'un disque;
la figure 6 est une représentatíon schématique du procédé de l'invention, pour le dépôt d'une céramique, par plasma d'arc sur des plaquettes de frein portées par un plateau support; et
la figure 7 représente à plus grande échelle un détail du procédé de projection de céramique par plasma d'arc sur un substrat.
Le disque I représenté sur les figures I et 2 comporte un moyeu 2 et un flan 3. Le flan comporte > sur les deux faces, des pistes d'une hauteur H, garnies chacune d'une couche d'usure selon l'invention.
Afin d'évacuer les débrls d'usure ou les pousslères, et de favoriser la ventilation du disque, il est prévu un rainurage sensiblement perpendiculaire au sens de rotation Ce rainurage comporte par exemple huit rainures 5 sur une face et huit rainures 5' sur Vautre face. Les rainures peuvent avoir par exemple une profondeur de 1 mm, et une largeur de 6 mm. Les pistes peuvent -s'arrêter à une petit distance du bord du flan, par exemple à 2 mm, comme représenté sur la fig. 2, suivant la conception de la plaquette, le disque peut être lisse (pas de rainures sur le disque).
Comme on peut le voir sur la figure 3, les pistes 6 peuvent préalablement être usinée en creux, par exemple environ 15/100 de mm, avec des bords 7 arrondis, y compris aux rainurages, pour déposer 0,3 mm de céramique 8, puis sablées afin de réaliser un Ra de surface supérleura 10 zm.
Pour certaines fontes ou aciers ou alliages légers dont les coefficients de dilatatlon sont trop éloignés de ceux de l'oxyde de chrome dépose, une sous-couche d'accrochage 9 de I/lOème de mm peut être utilisée, par exemple de type d'alliage d'aluminium ou de nickel, ou
M Cr Al Y. L'usinage préalable est alors effectué sur une épaisseur de 0,25 mm. Cette sous-couche est également utilisee en cas de risque d'oxydation du disque et dans tous les cas pour' les conditions d'utilisation sévères (courses ou rallyes) (figures 1 et 2).
M Cr Al Y. L'usinage préalable est alors effectué sur une épaisseur de 0,25 mm. Cette sous-couche est également utilisee en cas de risque d'oxydation du disque et dans tous les cas pour' les conditions d'utilisation sévères (courses ou rallyes) (figures 1 et 2).
Les figures 4 à 7 illustrent le procédé de- i'invention pour la réalisation des surfaces de frein. On a schématisé en 1 1 (et en 11' sur la figure 5 où il y en a deux) une torche a plasma. Il s'agit d'un dispositif connu, qu'il n'est pas besoin de décrire ici plus en détail. Le dépôt peut être tiré avec Un plasma argon-hydrogène (17 % d'hydrogène au molns) avec un debit total de gaz d'au moins 90 Nl/mn (litres normaux/mn) pour une tuyère de diamètre de sortie de 8 mm et une puissance électrique supérieure à 30 kw. En variante, la projection peut être réalisée en plasma azote-hydrogène ou Argone-azote.
Le dépôt peut être réalisé avec des poudres frittées broyées de granulométrie -45 +22,5 m injectées 2 mm avant la sortie de la tuyère (en 16 sur la fig 7) de telle sorte que leur trajectoire moyenne fasse un angle de 3" avec l'axe de la torche et que le débit de poudre n'excède pas i1,2 Kg/h. De telles conditions garantissent que la plus grande partie des particules arrivant sur le substrat est complètement fondue et adhère parfaitement aux couches déjà déposées au substrat.Le dépôt peut être réallse en assurant une vitesse de rotation du disque supérieure à 2400 t/mn pour un disque de 300/200 mm qui doit correspondre à une vitesse de déplacement relative jet de plasma/substrat d'au moins 25 m/s et avec de plus, pour cette vitesse, un déplacement latéral de la torche qui doit correspondre a un recouvrement des cordons de dépôts de moins 1/2 cordon. Une telle vitesse de déplacement assure un cordon de dépôt très mince limitant tout gradient de température au sein du cordon et, par ailleurs, élimine automatiquement, par effet centrlfuge, toutes les particules -mal fondues.Le déplacement latéral avec moins 1/2 recouvrement par cordon assure également une épaisseur limitée aux dépôts lors d'une passe et participe ainsi à la limitation des gradients de température au seln des passes
Avantageusement, le dépôt est tiré avec un diaphragme 12 en cuivre refroidi par eau sous pression sous 16 bars par exemple (voir figure 4). Le diaphagme est disposé à I'extrémité du bord du jet de plasma 13, il évite l'accrochage des particules mal fondues 14 Voir aussi la figure 7, où des aspirations 15, 16 sont prévues pour reprendre les particules mal fondues 14 (aspiration gaz panache).Afin de balayer toute la plste, la torche 1 1 se déplace alternativement sur une hauteur H (figure 4) cependant que le disque I tourne autour de son axe 1'. Le refroidissement est assuré pour chaque torche par un jet d'air comprlmé dirigé sur la face à revêtir.
Avantageusement, le dépôt est tiré avec un diaphragme 12 en cuivre refroidi par eau sous pression sous 16 bars par exemple (voir figure 4). Le diaphagme est disposé à I'extrémité du bord du jet de plasma 13, il évite l'accrochage des particules mal fondues 14 Voir aussi la figure 7, où des aspirations 15, 16 sont prévues pour reprendre les particules mal fondues 14 (aspiration gaz panache).Afin de balayer toute la plste, la torche 1 1 se déplace alternativement sur une hauteur H (figure 4) cependant que le disque I tourne autour de son axe 1'. Le refroidissement est assuré pour chaque torche par un jet d'air comprlmé dirigé sur la face à revêtir.
Dans un mode de réalisation du dispositif de l'invention, pour la mise en oeuvre avantageuse du procédé de l'invention, il lustré sur la figure 5, le dépôt est tiré simultanément sur les deux faces du disque par deux torches à plasma (II, II', figure 5) av-ec un déplacement des deux torches. Les deux dépôts en cours de tir sont refroidis avec des jets d'air comprimé qui, avec les diaphragmes, permettent de limiter la température du dépôt et du disque à moins de 150'C pendant le tir. La rotation du disque est assurée pour obtenir une vitesse linéaire de au moins 25 m/s. Le déplacement des torches 11 et 11 est commandé par cames afin d'obtenir une épaisseur constante du dépôt sur toute la largeur de la piste.
La surface est usinée par meule diamantée après tir afin d'obtenir un Ra de surface inférieure à 0,6 ssm.
Les disques de frein, revêtues comme -il vient d'être décrit peuvent être utilisés avec des plaquettes classiques. Mals, selon une autre caractéristique de l'invention, les plaquettes 21 (figure 6) peuvent être revêtues du côté du piston du circuit hydraulique d'un dépôt de zircone stabilisée (e = environ 1 mm) qui peut être par exemple à base de zircone dopée à la chaux ou à l'oxyde d'Yttrium, afin de limiter les rlsques d'ébullition du liquide de freinage. Le tir de la zlrcone peut être assuré à laide d'un dispositif selon l'lnvention, tel que représenté sur la figure 6, permettant de maintenir les vitesses de déplacement relatives (25 m/s), ainsi que les conditions de refroidissement indiquées cidessus, conditions de tir qui permettent la réalisation de dépôts épais.
Les plaquettes 21 sont disposées circonférentiellement sur un plateau 31 support de plaquettes, monté à rotation sur un axe 31'. Les plaquettes sont disposées entre deux circonférences concentriques dont la différence des rayons est H'. La torche 11; avec le diaphragme 12 exécute un mouvement de va et vient d'une amplitude H'.
Claims (10)
1. Surface de frein, notamment à disque, en particulier pour véhicule automobile, caractérisé en clique les parties tournantes (1) du freln, qui peuvent être faites en fonte, acler, bronze ou en alliage léger, présentent des pistes de frottement (6) revêtues d'une couche de céramique (8) appliquée par plasma d'arc.
2. Surface de frein selon la revendication 1, caractérisée en ce que la céramique (8) est à base d'oxyde de chrome, employé pur ou en mélange avec du carbure de tungstène, Jusqu'à 30 % en polds.
3. Surface de frein selon la revendication 2, caracterisee en ce que la céramique (8) contient en outre du chrome libre, et éventuellement du fer.
4. Surface de frein à disque selon une des revendications 1 a 3 caractérisée en ce qu'll est prévu un rainurage (5,58) sensiblement perpendiculaire au sens de rotation, afin d'évacuer les débris d'usure ou les poussières et de favoriser la ventilation du disque.
5. Surface de frein selon la revendication 4, caractérisée en ce que le rainurage (5,5) est effectue en quinconce d'une face à l'autre du disque.
6. Surface de frein selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'il est prévu une sous-couche d'accrochage (9) entre le disque et la couche de céramique (8).
7. Surface de frein selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les pistes de frottement (6) sont usinées en creux dans le disque (1), avec des bords arrondis (7).
8. Procédé de réalisation d'une surface de frein selon une des revendications 1 à 7, caractérisé par l'emploi d'une torche à plasma, utilisant un plasma argon hydrogène à au moins 17 % d'hydrogène, ou un plasma azote hydrogène.
9. Procede selon la revendication 8 caractérisé en ce que la surface du disque a pendant le dépôt une vitesse relative d'environ au moins 25 m/s, la torche se déplaçant suivant un mouvement alternatif.
10. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon une des revendications 8 ou 9 caractérisé en ce qu'il comprend au moins une torche a plasma (II,II') disposée parallèlement à l'axe d'un disque (1) monté rotatif autour d'un axe (I') des moyens pour imprimer à ladite au moins une torche (II,II) un mouvement alternatif radial sur une hauteur
H, et un diaphragme refroidit coaxial a la torche et solidaire de ses mouvements.
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