FR2802544A1 - Materiau de friction a renfort fibreux - Google Patents

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Akihiro Hikichi
Mikiya Haruta
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Abstract

L'invention concerne un matériau de friction qui comprend 2 % en masse à 40 % en masse d'un renfort fibreux comprenant au moins deux types de fibres de composition différente, les deux types de fibres étant des fibres d'hexatitanate de potassium (K2 O, 6TiO2 ) et des fibres d'octatitanate de potassium (K2 O, 8TiO2 ), un modificateur de friction et un liant.

Description

La présente invention concerne un matériau de friction, et en particulier un matériau de friction pour une machine industrielle, un véhicule ferroviaire, un fourgon à bagage ou une voiture particulière, notamment, et plus particulièrement un matériau de friction utilisé dans une plaquette de frein, une garniture de frein ou une garniture d'embrayage, notamment, pour les applications mentionnées ci-dessus.
Dans un matériau de friction destiné à être utilisé principalement dans une plaquette de frein, on utilise un renfort fibreux pour augmenter la résistance mécanique du matériau de friction. Les renforts fibreux utilisés à la place des fibres d'amiante comprennent des fibres de verre, des fibres d'acier, des fibres d'aramide et des fibres de titanate de potassium, notamment. Comme ces renforts fibreux ont des propriétés qui leur sont propres et qui diffèrent, on utilise un mélange de plusieurs types de renforts fibreux.
Parmi ces renforts fibreux, les fibres de titanate de potassium sont très appréciées comme fibres inorganiques dures abrasives car non seulement elles sont capables d'améliorer la résistance mécanique, la résistance à la chaleur et la résistance à l'usure du matériau de friction, mais encore elles sont capables d'améliorer le coefficient de frottement du matériau de friction grâce à leurs propriétés abrasives, et en particulier elles peuvent conférer un coefficient de friction élevé dans le cas d'une contrainte importante, par exemple dans le cas d'un freinage à grande vitesse. Comme matériaux de friction connus qui utilisent des fibres de titanate de potassium comme renfort fibreux, on trouve par exemple un matériau de friction dans lequel un ou plusieurs types de fibres de titanate de potassium d'une pureté de 98 % au moins sont mélangés (JP-B2-2 767 504, appelé dans la suite document 1), un matériau de friction contenant des fibres de titanate de potassium ayant un diamètre dans le sens transversal de 5 pm à 10 pm et un indice de forme ou rapport d'allongement de 3 à 7 (JP-B2-2 816 906, équivalant â JP-A-5-139 808, appelé dans la suite document 2) et un matériau de friction dans lequel deux types de fibres de titanate de potassium qui diffèrent par la longueur des fibres et le diamètre des fibres sont mélangées (JP-B2-2 879 364, appelé dans la suite document 3). Selon le document 1, la pureté des fibres de titanate de potassium doit être suffisamment élevée pour conférer aux fibres un point de fusion élevé et une grande conductivité thermique de manière à obtenir une amélioration nette du coefficient de friction et de la résistance à l'usure à haute température. Selon le document 2, on utilise des fibres de titanate de potassium ayant un diamètre spécifique et un indice de forme spécifique pour obtenir un matériau de friction ayant une résistance à l'usure stable, c'est-à-dire ayant une excellente résistance à l'usure aussi bien à basse température qu'à haute température et un ;oefficient de friction stable à l'égard d'un changement de température.
Par ailleurs, l'objectif selon le document 3 consiste à obtenir un natériau de friction présentant des performances de bruit de friction et de -ésistance à l'usure à haute température supérieures et également d'excellentes performances de friction. Ce document 3 indique qu'en utilisant deux types de fibres de titanate de potassium, il est possible de réduire l'agressivité face-à-face, le stabiliser les performances de friction des basses températures aux hautes températures et d'améliorer les performances de bruit de friction.
Toutefois, selon le document 3, il est nécessaire d'utiliser des fibres de titanate de potassium qui sont très différentes en ce qui concerne la longueur des fibres et le diamètre des fibres. Plus précisément, les fibres d'un premier type ont une longueur de 0,1 à 3 mm et un diamètre de 10 à 60 pm tandis que les fibres de l'autre type ont une longueur de 10 à 30 pm et un diamètre de 0,2 à 0,5 pm, de sorte qu'il est difficile de mélanger et disperser uniformément de fines fibres aciculaires et des fibres polycristallines relativement massives, analogues à des écailles, ce qui fait croître les coûts de fabrication du matériau de friction.
Comme on le voit, dans les matériaux de friction de l'état de la technique qui contiennent des fibres de titanate de potassium, les propriétés de bruit de friction et de bruits anormaux ne sont pas prises en considération, ou bien, quand elles le sont, les coûts de fabrication sont excessifs.
C'est pourquoi la présente invention a pour but de fournir un matériau de friction dans lequel il est possible d'améliorer les propriétés de bruit de friction et de bruits anormaux en utilisant des fibres de titanate de potassium qui diffèrent uniquement par la composition chimique sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des fibres qui diffèrent par le diamètre et la longueur. qui sont difficiles à mélanger ou disperser uniformément.
Pour y parvenir, la présente demanderesse a réalisé différentes recherches sur des matériaux et des formes de fibres inorganiques en évitant d'utiliser des fibres de titanate de potassium produites par des techniques différentes de manière à avoir des diamètres différents et des longueurs différentes et qui sont coûteuses à fabriquer, pour obtenir néanmoins un matériau de friction dont les propriétés de bruit de friction et de résistance à l'usure et les performances de friction sont comparables à celles de matériaux de friction contenant des fibres inorganiques telles que celles mentionnées ci-dessus.
Il est ainsi apparu qu'en utilisant en combinaison des fibres de titanate de potassium de composition différente il était possible d'obtenir un matériau de friction ayant des propriétés de bruit de friction, et de résistance à l'usure et des performances de friction qui sont similaires à celles d'un matériau de friction contenant des fibres de titanate de potassium qui diffèrent par le diamètre et la longueur. Ainsi, la présente invention concerne un matériau de friction comprenant un renfort fibreux, un modificateur de friction et un liant, où au moins deux types de fibres de compositions différentes sont utilisés comme renfort fibreux, à savoir des fibres d'hexatitanate de potassium et des fibres d'octatitanate de potassium, et sont incorporés à raison de 2 % en masse à 40 % en masse par rapport à la masse totale du matériau de friction.
De préférence, le rapport de mélange des fibres d'hexatitanate de potassium (K20, 6Ti02) aux fibres d'octatitanate de potassium (K20 , 8Ti02) est situé dans un domaine de 1:4 à 4:1 en pourcentage massique.
Les fibres de titanate de potassium utilisées dans le matériau de friction selon la présente invention peuvent être produites à partir d'un oxyde de titane qui ne doit pas nécessairement être de grande pureté, par un procédé de cuisson, un procédé de malaxage, séchage et calcination de Ti02 et KZC03, un procédé utilisant un fondant ou un procédé de fusion. Les fibres de titanate de potassium comprennent de l'octatitanate de potassium (K20 , 8Ti02), de l'hexatitanate de potassium (K20, 6Ti02) et du tétratitanate de potassium (K20 , 4Ti02), notamment. En particulier, il est préférable d'utiliser ensemble des fibres d'octatitanate de potassium et d'hexatitanate de potassium.
La taille des fibres de titanate de potassium n'est pas limitée spécifiquement. II est possible d'utiliser des fibres polycristallines de différentes tailles (la taille des fibres peut être ajustée dans un domaine relativement large grâce aux conditions de traitement après le chauffage et la fusion). Par exemple, il est possible d'utiliser ensemble des fibres de taille relativement grande ayant un diamètre dans la direction transversale d'environ 20 à 50 pm et une longueur d'environ 100 à 300 pm, ou des fibres de taille relativement faible ayant un diamètre dans la direction transversale d'environ 5 à 10 pm et une longueur d'environ 15 à 100 pm. La quantité totale des deux types de fibres dans le matériau de friction est fixée dans un domaine compris entre 2 % en masse et 40 % en masse par rapport à la masse totale du matériau de friction. Si la quantité totale est inférieure à 2 % en masse, il est difficile de disperser les fibres uniformément quand elles sont mélangées et agitées, de sorte qu'il n'est pas possible d'obtenir un effet empêchant les bruits de friction. Au contraire, si la quantité totale est supérieure à 40 % en masse, bien que l'effet empêchant les bruits de friction soit amélioré, la porosité devient si élevée que les propriétés de résistance à l'usure se détériorent. De ce fait, la quantité totale est fixée au plus à 40 % en masse. De préférence, la quantité est située dans un domaine de 10 % en masse à 30 % en masse. Sous l'angle des propriétés de bruit de friction et de bruits anormaux du matériau de friction, il est préférable de mélanger les fibres d'octatitanate de potassium et les fibres d'hexatitanate de potassium dans un rapport de mélange situé entre 1:4 et 4:1.
De plus, les renforts fibreux comportant ces fibres peuvent être soumis à un traitement de surface avec un agent de couplage silane ou une résine phénolique. Les renforts fibreux soumis à un tel traitement de surface présentent l'avantage qu'ils peuvent être mélangés aisément et uniformément avec d'autres matériaux au cours de la fabrication d'un matériau de friction, ce qui permet d'augmenter la résistance mécanique du produit moulé à chaud. De préférence, la quantité d'agent de couplage silane ou de résine phénolique est située dans un domaine de 0,3 % en masse à S % en masse par rapport aux renforts fibreux.
Comme modificateur de friction, on utilise conventionnellement un oxyde métallique comme l'alumine ou la magnésie. Selon la présente invention, il est possible d'utiliser un tel modificateur de friction conjointement avec les fibres mentionnées ci-dessus. Toutefois, du fait que ces fibres présentent également un effet de modificateur de friction, l'effet recherché peut être obtenu en utilisant seulement ces fibres.
Pour produire un matériau de friction selon la présente invention, les fibres mentionnées ci-dessus sont mélangées avec un matériau de friction composé d'un renfort fibreux, d'un modificateur de friction, et d'un liant et éventuellement d'un lubrifiant et d'une charge, et le mélange est préformé puis moulé à chaud selon un procédé de production courant.
Les renforts fibreux du matériau de friction selon la présente invention peuvent inclure, outre les fibres de titanate de potassium qui jouent aussi le rôle d'abrasif, des fibres organiques comme des fibres de polyamide aromatiques, des fibres acryliques résistant au feu, et des fibres métalliques telles que des fibres de cuivre ou des fibres d'acier. Les charges inorganiques peuvent inclure des particules métalliques de cuivre, d'aluminium ou de zinc, notamment, des minéraux en écailles comme la vermiculite ou le mica, le sulfate de baryum ou le carbonate de calcium. Les liants peuvent inclure des résines thermodurcissables telles que des résines phénoliques (y compris des résines phénoliques linéaires et différentes résines phénoliques modifiées avec du caoutchouc), des résines de mélamine, des résines époxy, des résines de polyimide., Les modificateurs de friction peuvent inclure des modificateurs de friction inorganiques comme l'alumine, la silice, la magnésie, la zircone, l'oxyde de chrome, le quartz et des modificateurs de friction organiques comme le caoutchouc synthétique ou la poudre de cajou. Les lubrifiants solides peuvent inclure le graphite et le disulfure de molybdène, notamment.
Les rapports de mélange des composants du matériau de friction sont variables et il est possible de choisir et de mélanger un ou plusieurs types de matières premières en fonction des propriétés de friction qui sont recherchées, par exemple le coefficient de friction, la résistance à l'usure, les propriétés de vibration et le bruit de friction. Pour fabriquer une plaquette de frein, par exemple, une plaque d'appui est moulée en une forme prédéterminée par pressage d'une tôle métallique, soumise à un dégraissage et à un traitement de fond, et revêtue d'un agent adhésif. Des renforts fibreux de fibres organiques ou de fibres métalliques résistant à la chaleur sont mélangés avec des matières premières pulvérulentes constituées par des charges organiques et inorganiques, un modificateur de friction, un liant résinique thermodurcissable, puis sont homogénéisés suffisamment par agitation. Les matières premières homogénéisées sont moulées (préformées) à la température ambiante et sous une pression prédéterminée pour obtenir un matériau de friction préformé. La plaque d'appui et le matériau de friction préformé sont moulés à chaud à une température prédéterminée et sous une pression prédéterminée dans un procédé de moulage à chaud de manière à être fixés intégralement l'un à l'autre. Le matériau de friction intégré est soumis à une post-cuisson puis à un finissage. Ce procédé de fabrication est identique au procédé conventionnel. La présente invention sera mieux comprise à la lecture des exemples non limitatifs suivants.
Exemples Composants d'échantillons de matériau de friction Les composants suivants ont été utilisés comme composants du matériau de friction de manière à produire des échantillons de matériaux de friction. Dans la production des échantillons, les composants ont été choisis parmi les suivants et leur mélange a été modifié dans chaque échantillon.
Figure img00060001
Liant <SEP> : <SEP> résine <SEP> phénolique
<tb> Modificateur <SEP> de <SEP> friction <SEP> organique <SEP> : <SEP> poudre <SEP> de <SEP> cajou
<tb> Charge <SEP> : <SEP> sulfate <SEP> de <SEP> baryum <SEP> (pulvérulent, <SEP> taille <SEP> de
<tb> particule <SEP> moyenne <SEP> 8 <SEP> pm)
<tb> Abrasif <SEP> : <SEP> zircone <SEP> (pulvérulent, <SEP> taille <SEP> de <SEP> particule
<tb> moyenne <SEP> <B>11</B> <SEP> pm)
<tb> Lubrifiant <SEP> solide <SEP> : <SEP> graphite <SEP> (pulvérulent, <SEP> taille <SEP> de <SEP> particule
<tb> moyenne <SEP> 60 <SEP> pm)
<tb> Renfort <SEP> fibreux <SEP> : <SEP> fibres <SEP> de <SEP> cuivre <SEP> (diamètre <SEP> des <SEP> fibres
<tb> 90 <SEP> pm) <SEP> / <SEP> fibres <SEP> d'aramide <SEP> (diamètre <SEP> des <SEP> fibres
<tb> 13,5 <SEP> pm)
<tb> Abrasif <SEP> : <SEP> fibres <SEP> d'octatitanate <SEP> de <SEP> potassium <SEP> (diamètre
<tb> des <SEP> fibres <SEP> 0,5 <SEP> pm),
<tb> fibres <SEP> d'hexatitanate <SEP> de <SEP> potassium <SEP> (diamètre
<tb> des <SEP> fibres <SEP> 0,7 <SEP> pm) Compositions des échantillons de matériaux de friction Des compositions ayant les rapports de mélange montrés dans le tableau 1 ci-dessous ont été utilisées pour produire des échantillons de matériaux de friction. On a ainsi préparé les échantillons des exemples 1 à 6.
A titre de comparaison, on a préparé aussi des échantillons en utilisant seulement des fibres d'octatitanate de potassium (exemple comparatif 1). Production d'échantillons de plaquettes de frein Des plaquettes de frein comportant les échantillons de matériaux de friction ayant les compositions mentionnées ci-dessus ont été produites par un procédé de production conventionnel.
Figure img00070001
Tableau <SEP> 1
<tb> Composant <SEP> Exemple <SEP> Exemple
<tb> (% <SEP> en <SEP> masse) <SEP> comparatif <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 5 <SEP> 6
<tb> Résine <SEP> phénolique <SEP> 10 <SEP> 10 <SEP> 10 <SEP> 10 <SEP> 10 <SEP> 10 <SEP> 10
<tb> Poudre <SEP> de <SEP> cajou <SEP> 10 <SEP> 10 <SEP> 10 <SEP> 10 <SEP> 10 <SEP> 10 <SEP> 10
<tb> Sulfate <SEP> de <SEP> baryum <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> 15 <SEP> 45 <SEP> 25 <SEP> 35 <SEP> 35
<tb> Zircone <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP> 2
<tb> Graphite <SEP> 8 <SEP> 8 <SEP> 8 <SEP> 8 <SEP> 8 <SEP> 8 <SEP> 8
<tb> Fibres <SEP> de <SEP> cuivre <SEP> 10 <SEP> 10 <SEP> 10 <SEP> 10 <SEP> 10 <SEP> 10 <SEP> 10
<tb> Fibres <SEP> d'aramide <SEP> 5 <SEP> 5 <SEP> 5 <SEP> 5 <SEP> 5 <SEP> 5 <SEP> 5
<tb> Fibres <SEP> d'hexatitanate <SEP> de <SEP> potassium <SEP> 0 <SEP> 15 <SEP> 20 <SEP> 5 <SEP> 10 <SEP> 4 <SEP> 16
<tb> Fibres <SEP> d'octatitanate <SEP> de <SEP> potassium <SEP> 30 <SEP> 15 <SEP> 20 <SEP> 5 <SEP> 20 <SEP> 16 <SEP> 4 Procédé d'examen Avec un véhicule équipé d'un frein à disque muni d'un nouveau rotor, on a réalisé 20 freinages à une vitesse du véhicule de 20 km/h et à une décélération a = 1,96 m/sz tout en versant de l'eau sur le rotor et la plaquette de frein â raison de 10 l/min. Dans ces conditions, on a estimé comme étant médiocre une plaquette de frein produisant un bruit de friction et on a estimé comme étant excellente une plaquette de frein ne produisant pas de bruit de friction. Par ailleurs, on a évalué les propriétés de bruits anormaux par le biais de la pression acoustique en dB lors du démarrage du véhicule après un arrêt à 30 C dans les conditions ci-dessus. Résultats des examens Les résultats des examens sont présentés dans le tableau 2 ci-dessous.
Figure img00070006
Tableau <SEP> 2
<tb> Examen <SEP> Ex. <SEP> Exemple
<tb> comp.l <SEP> Ex. <SEP> l <SEP> Ex. <SEP> 2 <SEP> Ex. <SEP> 3 <SEP> Ex. <SEP> 4 <SEP> Ex. <SEP> 5 <SEP> Ex. <SEP> 6
<tb> Test <SEP> de <SEP> bruit <SEP> de
<tb> friction <SEP> médiocre <SEP> excellent <SEP> excellent <SEP> excellent <SEP> excellent <SEP> excellent <SEP> excellent
<tb> Bruit <SEP> de
<tb> glissement <SEP> réel <SEP> 75 <SEP> 68 <SEP> 69 <SEP> 71 <SEP> 69 <SEP> 70 <SEP> 69
<tb> (dB)

Claims (9)

REVENDICATIONS
1. Matériau de friction, caractérisé en ce qu'il comprend ? % en masse à 40 % en masse d'un renfort fibreux comprenant au moins deux types de fibres de composition différente, les deux types de fibres étant des fibres d'hexatitanate de potassium (K20 , 6Tï02) et des fibres d'octatitanate de potassium (K20 , 8Ti02), un modificateur de friction et un liant.
2. Matériau de friction selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport de mélange des fibres d'hexatitanate de potassium aux fibres d'octatitanate de potassium est situé dans un domaine de 1:4 à 4:1 en pourcentage en masse.
3. Matériau de friction selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit renfort fibreux est soumis à un traitement de surface avec un agent de couplage silane ou une résine phénolique.
4. Matériau de friction selon la revendication 3, caractérisé en ce que la quantité d'agent de couplage silane ou de résine phénolique est située dans un domaine de 0,3 % en masse à 5 % en masse par rapport audit renfort fibreux.
5. Matériau de friction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit renfort fibreux comprend en outre des fibres choisies dans le groupe consistant en les fibres de tétratitanate de potassium (K20 , 4Ti02), les fibres de polyamide aromatiques, les fibres acryliques résistant au feu, les fibres de cuivre et les fibres d'acier.
6. Matériau de friction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit modificateur de friction comprend au moins une substance parmi l'alumine, la silice, la magnésie, la zircone, l'oxyde de chrome, le quartz, le caoutchouc synthétique et la poudre de cajou.
7. Matériau de friction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit liant comprend au moins une résine parmi les résines phénoliques, les résines de mélamine, les résines époxy et les résines de polyimide.
8. Matériau de friction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une charge inorganique comprenant au moins une substance parmi le cuivre, l'aluminium, le zinc, la vermiculite, le mica, le sulfate de baryum et le carbonate de calcium.
9. Matériau de friction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un lubrifiant solide comprenant au moins une substance parmi le graphite et le disulfure de molybdène.
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