FR2642748A1 - Rubbing material - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un matériau de frottement destiné à être utilisé dans des véhicules, par exemple automobiles, dans des dispositifs tels que freins ou embrayages. The present invention relates to a friction material for use in vehicles, for example automobiles, in devices such as brakes or clutches.
Les matériaux de frottement traditionnellement utilisés sont composés d'une structure de fibres, par exemple minérales, métalliques ou organiques, et d'un liant à base de résine synthétique. Ces matériaux de frottement ont un coefficient de frottement ayant une valeur moyenne mais acceptable qui avantageusement est sensiblement constante en cours d'utilisation lorsque la température du dispositif augmente, par contre, ces matériaux présentent l'inconvénient de s'user fortement lorsque la température dépasse 350"C. The friction materials traditionally used are composed of a fiber structure, for example mineral, metallic or organic, and a binder based on synthetic resin. These friction materials have a coefficient of friction having a mean value but acceptable which is advantageously substantially constant during use when the temperature of the device increases, however, these materials have the disadvantage of wearing heavily when the temperature exceeds 350 "C.
L'utilisation de ces matériaux de frottement n'est donc pas satisfaisante lorsque les conditions d'utilisation sont sévères, c'est-à-dire lorsque les frottements répétés provoquent une forte montée en température du dispositif. The use of these friction materials is therefore not satisfactory when the conditions of use are severe, that is to say when the repeated friction causes a sharp rise in temperature of the device.
Afin d'obtenir un matériau de frottement ayant de bonnes propriétés å des températures élevées, on a déjà fabriqué un matériau comprenant une structure de fibres de carbone et un liant carboné. Ce type de matériau, que l'on nomme généralement carbone-carbone, a un coefficient de frottement assez faible à basse température et assez élevé à haute température et une usure généralement assez faible. In order to obtain a friction material having good properties at high temperatures, a material comprising a carbon fiber structure and a carbon binder has already been made. This type of material, which is generally called carbon-carbon, has a low coefficient of friction at low temperature and quite high at high temperature and generally low wear.
L'utilisation de ce matériau carbone-carbone donne de très bons-résultats dans des dispositifs fonctionnant toujours à haute température mais n'est pas satisfaisante dans des dispositifs tels que des freins de véhicules automobiles dans lesquels la température évolue dans une large fourchette. En effet, le coefficient de frottement est fortement instable à température moyenne, c'est-å-dire entre 100 C et 30Q"C, et les différentes roues du véhicule peuvent, de ce fait, freiner différemment, ce qui est dangereux. Nous utilisons, ici, le terme instable pour exprimer le fait que le coefficient de frottement change très rapidement de valeur dans une plage de températures réduite. The use of this carbon-carbon material gives very good results in devices still operating at high temperature but is not satisfactory in devices such as motor vehicle brakes in which the temperature is in a wide range. Indeed, the coefficient of friction is highly unstable at average temperature, that is to say between 100 C and 30 ° C, and the various wheels of the vehicle can, therefore, brake differently, which is dangerous. here we use the unstable term to express the fact that the coefficient of friction changes very rapidly in a reduced temperature range.
De plus, lorsque le matériau est utilisé à une température de la zone de transition durant laquelle le coefficient de frottement est instable, il présente une tres forte usure. Pour tenter de résoudre le problème de l'instabilité du coefficient de frottement, il a déjà été proposé de remplacer les fibres de carbone par des fibres céramiques afin de fabriquer un matériau de frottement contenant une structure de fibres céramiques et un liant carboné. In addition, when the material is used at a temperature of the transition zone during which the coefficient of friction is unstable, it has a very high wear. In an attempt to solve the problem of the instability of the coefficient of friction, it has already been proposed to replace the carbon fibers with ceramic fibers in order to manufacture a friction material containing a ceramic fiber structure and a carbon binder.
Des essais effectués sur un tel matériau de frottement montrent que l'amélioration apportée au probleme n'est pas suffisante, le coefficient de frottement étant toujours instable dans une zone de transition de température, l'usure restant faible en général mais forte dans la zone de transition. Tests carried out on such a friction material show that the improvement made to the problem is not sufficient, the coefficient of friction being still unstable in a temperature transition zone, the wear remaining low in general but strong in the zone. of transition.
La présente invention a pour but de proposer un matériau de frottement permettant de résoudre à la fois le problème de l'instabilité du coefficient de frottement et le problème de l'usure. The present invention aims to provide a friction material to solve both the problem of the instability of the coefficient of friction and the problem of wear.
A cet effet, elle vise plus précisément un matériau de frottement du genre comportant, dans un liant carboné, une structure de fibres, caractérisé en ce que ladite structure de fibres comprend, en combinaison, des fibres de carbone, des fibres céramiques, dans une proportion volumique relative comprise entre 25:75 et 75:25, et en ce que ledit liant carboné est, au moins en partie, du carbone déposé par infiltration de pyrocarbone dans une matrice préformée. To this end, it aims more precisely at a friction material of the kind comprising, in a carbon-based binder, a fiber structure, characterized in that said fiber structure comprises, in combination, carbon fibers, ceramic fibers, in a relative proportion between 25:75 and 75:25, and in that said carbon binder is, at least in part, carbon deposited by infiltration of pyrocarbon into a preformed matrix.
Des essais ont montré que, de manière tout à fait imprévisible, un tel matériau de frottement a un coefficient de frottement semblable à celui des matériaux traditionnels, c'est-a-dire moyen mais stable, et une usure restant toujours faible, même à haute température. Tests have shown that, quite unpredictably, such a friction material has a coefficient of friction similar to that of traditional materials, that is to say medium but stable, and wear remaining always low, even at high temperature.
Le matériau de frottement, suivant l'invention, est de préférence fabriqué i partir d'une structure de fibres comprenant les fibres de carbone et les fibres céramiques dans des proportions relatives de 40:60 à 60:40 en volume
L'invention sera mieux comprise au vu des exemples de réalisation et des résultats d'essais qui seront maintenant décrits.The friction material according to the invention is preferably made from a fiber structure comprising carbon fibers and ceramic fibers in relative proportions of 40:60 to 60:40 by volume.
The invention will be better understood in view of the exemplary embodiments and the test results which will now be described.
- La figure 1 regroupe les courbes donnant le coefficient de frottement en fonction de la température pour quatre matériaux de frottement : un matériau traditionnel, un matériau à structure de fibres de carbone, un matériau à structure de fibres céramiques et un matériau suivant l'invention. FIG. 1 shows the curves giving the coefficient of friction as a function of temperature for four friction materials: a traditional material, a material with a carbon fiber structure, a material with a ceramic fiber structure and a material according to the invention .
- La figure 2 regroupe les courbes donnant l'usure en fonction de la température de ces quatre matériaux. FIG. 2 groups the curves giving the wear as a function of the temperature of these four materials.
Les essais ont été effectués en faisant frotter trois éprouvettes, de 15 mm sur 30 mm, sur un disque de fonte tournant à une vitesse tangentielle au niveau du frottement de 5 mètres par seconde. les éprouvettes sont appliquées sous une pression de 5 bars sur un rayon d'action de 0,195 mètre. Le frottement se fait en continu durant 30 minutes. The tests were carried out by rubbing three 15 mm by 30 mm specimens on a cast iron disk rotating at a tangential velocity of 5 meters per second. the test pieces are applied under a pressure of 5 bars over a radius of action of 0.195 meters. The friction is continuous for 30 minutes.
Les matériaux de frottement I, II, III, essayés en comparaison avec le matériau traditionnel T, sont tous des matériaux composés d'une structure de fibres et d'un liant carboné, des charges métalliques et/ou minérales pouvant être, de façon connue, ajoutées à cette composition. The friction materials I, II, III, tested in comparison with the traditional material T, are all materials composed of a fiber structure and a carbon binder, metal and / or mineral fillers being, in known manner , added to this composition.
Le liant carbone présent dans ces matériaux de frottement est, au moins en partie, du carbone déposé par infiltration de pyrocarbone dans une matrice préformée. The carbon binder present in these friction materials is, at least in part, carbon deposited by infiltration of pyrocarbon in a preformed matrix.
De manière connue en soi pour la fabrication d'un matériau de frottement, on prépare une matrice contenant la structure de fibres et, si tel est le cas, les charges et le liant que l'on pastille sous 500 bars. Dans le cas d'un matériau à liant carboné, on infiltre cette matrice de pyrocarbone sous atmosphère de méthane, durant, par exemple, 150 heures à 1000 C, ce qui provoque le dépôt de carbone pyrolitique au sein de la matrice. In a manner known per se for the manufacture of a friction material, a matrix is prepared containing the fiber structure and, if so, the fillers and the binder which is pelletized at 500 bar. In the case of a carbon-bonded material, this pyrocarbon matrix is infiltrated under a methane atmosphere, during, for example, 150 hours at 1000 ° C., which causes the deposit of pyrolitic carbon within the matrix.
On peut utiliser soit une matrice ne contenant pas de liant et le liant carboné du matériau de frottement est alors formé totalement de carbone pyrolitique, soit une matrice contenant un liant carbonisable. It is possible to use either a matrix containing no binder and the carbon binder of the friction material is then formed entirely of pyrolytic carbon, or a matrix containing a carbonizable binder.
Dans le deuxième cas, avant infiltration du pyrocarbone, on stabilise le liant à 200 C durant 2 heures à l'air puis on le carbonise à 900 C durant 10 heures après une montée en température de 10 heures sous atmosphère neutre. In the second case, before infiltration of the pyrocarbon, the binder is stabilized at 200 ° C. for 2 hours in air and then carbonized at 900 ° C. for 10 hours after a rise in temperature of 10 hours under a neutral atmosphere.
Sur les figures 1 et 2 sont regroupés les résultats d'essais pour les quatre matériaux de frottement. In Figures 1 and 2 are grouped the test results for the four friction materials.
Le premier, le-matériau traditionnel T qui sera pris comme référence, a pour composition
% en volume - liant formophénolique 15 - liant élastomère 5 - fibres de renfort minérales (laitier...) 25 - charges minérales de frottement (baryte...) 30 - charges métalliques (cuivre...) 20 - charges lubrifiantes (graphite...) 5
Le matériau I a, comme structure de fibres, uniquement des fibres de carbone.The first, the traditional material T which will be taken as reference, has for composition
% by volume - formophenolic binder 15 - elastomer binder 5 - mineral reinforcing fibers (slag ...) 25 - mineral friction fillers (baryte ...) 30 - metal fillers (copper ...) 20 - lubricating fillers (graphite ...) 5
Material I has, as a fiber structure, only carbon fibers.
Le matériau II a, comme structure de fibres, uniquement des fibres céramiques, aussi appelées fibres de silicate d'aluminium. Ces fibres sont par-exemple des fibres vendues par Johns-Manville sous la dénomination commerciale "Cerafiber". Material II has, as a fiber structure, only ceramic fibers, also called aluminum silicate fibers. These fibers are for example fibers sold by Johns-Manville under the trade name "Cerafiber".
La figure 1 présente en abscisse la température du disque de fonte de 0 à 400ec et en ordonnée le coefficient de frottement du matériau essayé. Figure 1 shows in abscissa the temperature of the cast iron disc from 0 to 400ec and the ordinate coefficient of friction of the test material.
Le coefficient de frottement du matériau de référence T a une valeur comprise entre 0,3 et 0,4 et ne présente pas d'instabilité. The coefficient of friction of the reference material T has a value between 0.3 and 0.4 and does not exhibit instability.
On voit que, pour le matériau I, le coefficient de frottement reste entre 0,4 et'0,5 à basse température, puis augmente de manière très rapide au-dessus de 200 C. It can be seen that for the material I, the coefficient of friction remains between 0.4 and 0.5 at low temperature, then increases very rapidly above 200 C.
Cela peut être dangereux sur un véhicule automobile car si, pour une raison quelconque, les freins de deux des roues ont une température différente et que leur température soit dans la zone que nous appellerons zone de transition, les coefficients de frottement dans ces freins peuvent être tellement différents que le freinage du véhicule se fera dans de très mauvaises conditions. This can be dangerous on a motor vehicle because if, for some reason, the brakes of two of the wheels have a different temperature and their temperature is in the area that we will call transition zone, the friction coefficients in these brakes can be so different that the braking of the vehicle will be in very bad conditions.
On voit que le matériau II presente, lui aussi, une instabilité du coefficient de frottement-dans une zone de transition entre.200 et 250 C. It can be seen that the material II also exhibits an instability of the coefficient of friction-in a transition zone between 200 and 250 C.
Le matériau II est legerement meilleur que le
l matériau I car cette instabilite n'est pas aussi importante mais ce matériau II n'est pas encore satisfaisant pour une utilisation aans un véhicule automobile.The material II is slightly better than the
material I because this instability is not as important but this material II is not yet satisfactory for use in a motor vehicle.
Sur la figure 2 on a representé en abscisse la température du disque de fonte et en ordonnée l'usure spécifique (en mm3/kWh) des éprouvettes. In Figure 2 there is shown on the abscissa the temperature of the cast iron disc and ordinate the specific wear (in mm3 / kWh) of the test pieces.
La courbe de l'usure du matériau de référence T est une courbe croissante en fonction de la température ce matériau s'use fortement lorsque l'on arrive à des températures élevées. The curve of the wear of the reference material T is an increasing curve as a function of the temperature. This material wears out strongly when high temperatures are reached.
On remarque que, pour le matériau I comme pour le matériau II, l'usure est plus faible que celle du matériau T mais augmente dans la zone de transition. Note that for the material I as for the material II, the wear is lower than that of the material T but increases in the transition zone.
Malgré les résultats assez décevants en ce qui concerne le coefficient de frottement des materiaux I et II, la Demanderesse a pensé à faire des essais en utilisant comme structure de fibres un melange de fibres de carbone et de fibres céramiques. Les fibres céramiques utilisées sont des fibres vendues par "Johns-Manville" sous la dénomination "Cerafiber" ou des fibres vendues par "Carborandum't sous la dénomination "Fiberfrax". In spite of the rather disappointing results as regards the coefficient of friction of the materials I and II, the Applicant has thought to make tests using as a fiber structure a mixture of carbon fibers and ceramic fibers. The ceramic fibers used are fibers sold by "Johns-Manville" under the name "Cerafiber" or fibers sold by "Carborandum" under the name "Fiberfrax".
Le premier matériau essayé par la Demanderesse est fabriqué à partir d'une matrice contenant 40 % en volume de liant carbonisable, ici de la collophane, 30 % de fibres de carbone et 30 % de fibres céramiques. The first material tested by the Applicant is made from a matrix containing 40% by volume of carbonizable binder, here of rosin, 30% of carbon fibers and 30% of ceramic fibers.
Cette matrice est pastillée sous 500 bars puischauffée à 200 C durant 2 heures à l'air pour stabiliser le liant, puis carbonisée a 900"C durant 10 heures après une montée en température de 10 heures sous azote pour carboniser ledit liant. La matrice est ensuite soumise à une infiltration de pyrocarbone durant 150 heures à 1000ex sous atmosphère de méthane afin d'être densifiée par depôt de carbone. Pandant cette infiltration, la prise de poids de la matrice est de 50 à 70 %. This matrix is pelletized at 500 bar and heated at 200 ° C. for 2 hours in air to stabilize the binder, then carbonized at 900 ° C. for 10 hours after a rise in temperature of 10 hours under nitrogen to carbonize the said binder. then subjected to an infiltration of pyrocarbon for 150 hours to 1000ex under atmosphere of methane to be densified by carbon deposition.Pandant this infiltration, weight gain of the matrix is 50 to 70%.
Les essais effectues avec ce matériau, que nous appelons le matériau III donnent, comme on peut le voir sur les figures 1 et 2, des résultats tout à fait inattendus. The tests carried out with this material, which we call the material III, give, as can be seen in FIGS. 1 and 2, quite unexpected results.
En effet, comme visible sur la figure 1, ce matériau III a un coefficient de frottement restant étonnamment stable en fonction de la température. De plus, comme visible sur la figure 2, son usure est faible et stable également. Indeed, as shown in Figure 1, this material III has a coefficient of friction remaining surprisingly stable depending on the temperature. In addition, as shown in Figure 2, its wear is low and stable as well.
De nombreux essais effectués par la suite ont montré que la composition de la matrice devait, pour obtenir de bons résultats, être
% en volume
- liant carbonisable O à 40
- fibres de carbone 20 à 60
- fibres céramiques 20 à 60
- charges métalliques 0 a 20
- charges minérales 0 à 30
Si l'on considère uniquement la structure fibreuse, les fibres de carbone et les fibres céramiques sont présentes dans des proportions relatives de 25:75 à 75:25 en volume.Many subsequent tests have shown that the composition of the matrix must, in order to obtain good results, be
% in volume
- carbonizable binder O to 40
- carbon fibers 20 to 60
- ceramic fibers 20 to 60
- metal charges 0 to 20
- mineral fillers 0 to 30
When considering only the fibrous structure, carbon fibers and ceramic fibers are present in relative proportions of 25:75 to 75:25 by volume.
Les charges minérales et/ou métalliques pouvant être présentes sont, comme connu en soi, des charges telles que de la poudre de cuivre, du basalte, de la poudre de nickel... The mineral and / or metal fillers that may be present are, as known per se, fillers such as copper powder, basalt, nickel powder, etc.
Comme on peut le remarquer, le liant carbonisable peut ne pas exister dans la matrice ; le liant carboné du matériau de frottement obtenu sera alors uniquement formé par du carbone déposé lors de l'infiltration. La fabrication se fait alors en deux étapes uniquement, à savoir le pastillage et l'infiltration. As can be seen, the carbonizable binder may not exist in the matrix; the carbon binder of the friction material obtained will then be formed solely of carbon deposited during the infiltration. Manufacturing is then done in two steps only, namely pelletizing and infiltration.
Des essais complémentaires ont montré que la composition de la matrice devait être de préference
% en volume
- liant carbonisable 0 à 30
- fibres de carbone 30 à 40
- fibres céramiques 30 à 40
- charges métalliques 0 à 15
- charges minérales 0 à 20 soit des proportions relatives des fibres de carbone et des fibres céramiques de 40:60 à 60:40 en volume dans la structure fibreuse.Further tests have shown that the composition of the matrix should be of preference
% in volume
- carbonizable binder 0 to 30
- carbon fibers 30 to 40
- ceramic fibers 30 to 40
- metal loads 0 to 15
mineral fillers 0 to 20, ie relative proportions of carbon fibers and ceramic fibers of 40:60 to 60:40 by volume in the fibrous structure.
On citera, à titre d'exemple, différentes compositions donnant de très bons résultats d'essais. By way of example, mention may be made of various compositions giving very good test results.
Exemple 1
On forme une matrice contenant 30 % de liant carbonisable, 30 % de fibres de carbone et 40 % de fibres céramiques.Example 1
A matrix is formed containing 30% carbonizable binder, 30% carbon fiber and 40% ceramic fiber.
La structure fibreuse formée de fibres de carbone et de fibres céramiques contient donc 43 % de fibres de carbone et 50 % de fibres céramiques. The fibrous structure formed of carbon fibers and ceramic fibers therefore contains 43% of carbon fibers and 50% of ceramic fibers.
Cette matrice est pastillée sous 500 bars puis stabilisée 2 heures à 200 C à l'air. Elle est ensuite carbonisée suivant la technique décrite précédemment. This matrix is pelletized at 500 bars and then stabilized for 2 hours at 200 ° C. in air. It is then charred according to the technique described above.
La carbonisation se fait sous atmosphère d'azote. Carbonization is done under a nitrogen atmosphere.
Exemple 2
La matrice formée, ici, est uniquement fibreuse 40 % de fibres de carbone, 40 % de fibres céramiques et 20 % de fibres de basalte.Example 2
The matrix formed here is only fibrous 40% of carbon fibers, 40% of ceramic fibers and 20% of basalt fibers.
La structure fibreuse comprend alors 40 % de fibres de carbone et 40 % de fibres céramiques. The fibrous structure then comprises 40% of carbon fibers and 40% of ceramic fibers.
Cette matrice est pastillée puis infiltrée. This matrix is pelletized and infiltrated.
Exemple 3
On forme une matrice à partir de 25 % de liant carbonisable, 30 % de fibres de carbone, 20 % de fibres céramiques, lo % de poudre de basalte et 15 % de poudre de nickel.Example 3
A matrix is formed from 25% carbonizable binder, 30% carbon fiber, 20% ceramic fiber, 10% basalt powder and 15% nickel powder.
Cette matrice est pastillée, stabilisée, carbonisée puis infiltrée dans les mêmes conditions que celles déjà décrites. This matrix is pelletized, stabilized, charred and then infiltrated under the same conditions as those already described.
Les essais effectués avec les matériaux de frottement selon ces trois exemples donnent tous des résultats tels que ceux représentés sur les figures pour le matériau III. The tests carried out with the friction materials according to these three examples all give results such as those shown in the figures for the material III.
Claims (6)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| FR9003729A FR2642748B1 (en) | 1987-11-16 | 1990-03-23 | FRICTION MATERIAL |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR878715769A FR2623186B1 (en) | 1987-11-16 | 1987-11-16 | FRICTION MATERIAL |
| FR9003729A FR2642748B1 (en) | 1987-11-16 | 1990-03-23 | FRICTION MATERIAL |
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|---|---|
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ID=26226334
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|---|---|---|---|
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| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2642748B1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2027418A (en) * | 1978-08-08 | 1980-02-20 | Kulakov V | Carbon Friction Member |
| US4193828A (en) * | 1976-07-27 | 1980-03-18 | Fiber Materials, Inc. | Method of forming carbon composites |
| EP0034258A2 (en) * | 1980-01-22 | 1981-08-26 | Teijin Limited | Friction material |
| DE3143384A1 (en) * | 1981-04-01 | 1983-05-11 | Schunk & Ebe Gmbh, 6301 Heuchelheim | Sliding element |
| JPS6138231A (en) * | 1984-07-12 | 1986-02-24 | ホートン・マニユフアクチユアリング・カンパニー・インコーポレーテツド | Revolution controller |
| FR2587992A1 (en) * | 1985-10-02 | 1987-04-03 | Europ Propulsion | CARBON-CARBON COMPOSITE MATERIAL FOR FRICTION COMPONENTS, AND ITS APPLICATION TO BRAKING DEVICES |
-
1990
- 1990-03-23 FR FR9003729A patent/FR2642748B1/en not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (6)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| CHEMICAL ABSTRACTS, vol. 106, no. 2, janvier 1987, page 230, abrégé no. 8725t, Columbus, Ohio, US; & JP-A-61 38 231 (NIPPON CARBIDE INDUSTRIES CO., INC.) 28-08-1986 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2642748B1 (en) | 1998-02-13 |
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