FR2887559A1 - Article en alliage d'acier inoxydable au chrome-nickel ayant un revetement d'oxyde forme a partir du metal de base adapte pour un dispositif de frein - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un article en alliage d'acier inoxydable au chrome-nickel ayant un revêtement d'oxydes métalliques adhérent et résistant à l'usure, et un procédé de formation d'un revêtement d'oxydes métalliques adhérent et résistant à l'usure sur un article en alliage d'acier inoxydable au chrome-nickel. Le revêtement a de manière souhaitable une épaisseur d'environ 25,4 à environ 102 microns (1 mil à environ 4 mils), et est formé par exposition de l'article à une atmosphère oxydante, de préférence de l'air, de préférence pendant le traitement thermique de l'article.Ces articles sont utiles, entre autres, comme pièces rapportées de transmission de couple (25) pour un disque de friction pour bloc de frein ou d'embrayage multidisque. Les pièces rapportées peuvent être formées dans un alliage tel que l'alliage d'acier inoxydable 17-4PH ayant un revêtement adhérent d'oxydes lubrifiés formé pendant le contact frictionnel. On pense que ces oxydes lubrifiés se formeront aussi si l'alliage de base traité thermiquement est soumis à des températures supérieures à 815,6 degree C (1500 degree F) pendant une durée suffisante dans une atmosphère oxydante.
Description
La présente invention concerne des articles en alliage d'acier inoxydable
au chrome-nickel ayant un revêtement d'oxydes métalliques adhérent et résistant à l'usure. L'invention décrit comment une couche d'oxyde de
fer, de chrome, de nickel et de cuivre est formée sur la surface des articles en alliage d'acier inoxydable au chrome-nickel, pendant le traitement thermique dans une atmosphère oxydante, de préférence de l'air. La couche d'oxyde de fer, de chrome, de nickel, de cuivre, mesure entre environ 2,5 et environ 203 microns (0,1 mil à environ 8 mils) d'épaisseur. Cette couche procure les bases sous-jacentes pour la formation des oxydes lubrifiés pendant le contact par frottement.. On pense que ces oxydes lubrifiés peuvent aussi se former sur des articles en alliage d'acier inoxydable au chrome-nickel ayant été soumis à une oxydation contrôlée du métal de base sous-jacent sans aucune interaction frictionnelle à condition que l'article traité soit soumis à des températures supérieures à 815,6 C (1500 F) pendant une durée suffisante dans une atmosphère oxydante. Ces articles sont utiles, entre autres, comme pieces rapportées de transmission de couple pour un disque de friction pour bloc de frein ou d'embrayage multidisque. Un ensemble de disque pour frein à friction comporte une pluralité de disques rotors de forme annulaire axialement alignés ayant des fentes au niveau de leur diamètre extérieur afin de s'accoupler avec les entraînements à cannelures des roues et de permettre un mouvement axial de manière intercalée avec les disques stators annulaires qui sont fendus au niveau de leur diamètre intérieur pour venir en prise avec des transmissions à cannelures de tube de poussée et permettre un mouvement axial. Chacun des disques stators et des disques rotors possède une pluralité de fentes circonférentiellement espacées le long de la périphérie, avec des pièces rapportées de transmission de renfort métalliques à l'intérieur pour transférer la charge sur les disques. Les pièces rapportées de transmission sont formées dais un alliage d'acier inoxydable au chrome- nickel tel que l'alliage d'acier inoxydable 17-4PH ayant un revêtement adhérent d'oxydes métalliques formé par oxydation contrôlée du métal de base sous-jacent.
CONTEXTE DE L'INVENTION Foley et a_ présentent les résultats de leur évaluation des caractéristiques de friction de glissement du cobalt sur le cobalt, du nickel sur le nickel et du fer sur le fer dans des conditions atmosphériques différentes sur une plage de températures en utilisant une tige de forme hémisphérique en contact de glissement continu à 3,63 m/min sur un disque rotatif (R.T. Foley, M.B. Peterson et C. Zapf, Frictional Characteristics of Cobalt, Nickel and Iron as Influenced by Their Surface Oxide Films, ASLE Transactions 6, 1963, pp. 29-39). Bien qu'il soit présenté des données considérables qui indiquent que le comportement varie largement parmi ces différents métaux lorsque la température et l'atmosphère changent, aucune indication n'est donnée quant au comportement potentiel de systèmes complexes tels que les aciers alliés.
Rabinowicz suggère qu'un film d'oxyde d'environ 0,01 micron d'épaisseur sur le métal de base est nécessaire pour conférer une lubrification à sec efficace (E. Rabinowicz, Lubrication of Metal Surfaces by Oxide Films, ASLE Transactions 10, 1967, pp. 400-407). Des données considérables indiquent que le comportement varie largement parmi les différents métaux, y compris le nickel recouvrant de l'acier inoxydable de type 303, l'acier inoxydable de type 303 recouvrant du nickel, le nickel recouvrant du nickel et l'acier inoxydable de type 303 se trouvant sur lui-même, lorsque la température et l'atmosphère changent.
Le traitement de surface des métaux pour empêcher la corrosion est décrit dans le brevet US N 4 017 336 au nom de Foroulis. Foroulis décrit le prétraitement des métaux en présence d'oxydants tels que l'air à des températures dans la plage d'environ 537,8 à 648,9 C (1000 à 1200 F) pour former une barrière d'oxygène contre l'attaque de soufre.
Un procédé de formation de revêtements d'oxyde d'aluminium et d'oxyde de titane co-déposés sur les surfaces d'usure de substrats tels que de l'acier durci ou traité ou des carbures cémentés est décrit dans le brevet des Etats-Unis N 4 052 530 au nom de Fonzi. Selon ce brevet, le revêtement est formé en faisant réagir simultanément de l'halogénure d'aluminium gazeux et de l'halogénure de titane gazeux avec de l'eau sur une surface maintenue à une température d'environ 482,2 C (900 F) à environ 676,7 C (1250 F). Le revêtement comprend de l'alpha-alumine (Al2O3) avec environ 2 % à environ 10 % d'oxyde de titane alpha hexagonal (Ti2O3) dispersés dans la matrice d'alumine. Le procédé de Fonzi nécessite l'utilisation d'un dépôt chimique en phase vapeur avec un équipement et des coûts de traitement spécial associés, et peut avoir un effet néfaste sur la morphologie de l'alliage ferreux du substrat du fait de l'utilisation de durées relativement longues aux températures.
Le brevet US N 6 635 355 au nom de Bianco et al. décrit un article en métal ferreux ayant un revêtement résistant à l'usure adhérent constitué d'oxydes métalliques et un procédé de formation d'un tel revêtement sur un article en fer-chrome. Les oxydes identifiés dans ce brevet se composent d'hématite, de magnétite et d'escolaïte.
La présente invention concerne des articles en alliage d'acier inoxydable au chrome-nickel ayant un revêtement résistant à l'usure d'oxydes métalliques qui sont formés par interaction frictionnelle de la couche d'oxyde de fer, de chrome, de nickel et de cuivre résultant de l'oxydation contrôlée de l'alliage de base. On pense que ces oxydes se formeront aussi sans aucune interaction frictionnelle si l'alliage de base traité thermiquement est soumis à des températures supérieures à 815, 6 C (1500 F) pendant une durée suffisante dans une atmosphère oxydante. Ce revêtement d'oxydes de fer, de chrome, de nickel et de cuivre comprend de préférence un revêtement sur des alliages d'acier inoxydable au chromenickel de la composition générale suivante, exprimée en pour cent en poids: C 0,00 à 0,07, Cr 11,0 à 18,0, Ni 3 à 9, 5, Cu 1,5 à 5,o, d'autres éléments d'alliage minimes pouvant être présents. D'autres éléments d'alliage peuvent être présents. Le revêtement a une épaisseur d'environ 2,5 microns (0,1 mil) à environ 203 microns (8 mils), et est fermé par exposition de l'article à une atmosphère oxydante, de préférence de l'air, de préférence pendant le traitement thermique de l'article.
La présente invention concerne également des systèmes de freinage par friction et plus particulièrement des disques à friction pour avions dotés de fentes périphériques renforcées à utiliser dans des freins multidisques. Dans les ensembles de frein qui utilisent une pluralité de disques de frein à cannelures alternées sur la roue et l'essieu d'un avion, il est important de fournir des moyens d'entraînement construits spécialement pour renforcer les fentes périphériques dans les disques afin de soulager les contraintes sévères qui autrement détérioreraient rapidement la périphérie des disques. Quand les freins à disque étaient construits en acier, les disques pouvaient supporter les forces de cisaillement et de compression exercées dessus entre les fentes et les éléments de transmission de couple du fait de leurs propriétés physiques. Avec le remplacement des disques d'acier par des disques composites en carbone et/ou céramique, il est important de fournir des pièces rapportées de transmission de renfort aux fentes périphériques car les matériaux composites ont une durabilité moindre sous ce type de charge que l'acier. Les pièces rapportées de transmission transmettent les forces aux disques composites, sur une plus grande surface, réduisant les contraintes de contact, ce qui augmente la capacité de charge des disques composites.
La présente invention utilise de préférence une pièce rapportée de transmission de couple telle que celle décrite dans le brevet des EtatsUnis 4 469 204. Cette pièce rapportée de transmission dans les fentes périphériques vient en prise avec le disque composite et entraîne l'élément rotatif ou transfère la contrainte à l'élément fixe sans effets préjudiciables sur les matériaux composites en carbone. La pièce rapportée de transmission possède deux faces opposées qui sont en contact avec les parois opposées des fentes pour distribuer la charge. La conception de la pièce rapportée de transmission utilise un canal pour retenir les pièces rapportées de transmission en position dans la fente. Cette structure élimine le pelage ou l'effilochage du matériau dissipateur de chaleur composite au carbone tout en absorbant aussi certaines des contraintes dues au mauvais alignement dans la roue et le frein. La structure de la pièce rapportée et de la barrette de transmission confère une grande surface d'appui dans le composite au carbone et minimise le poids nécessaire pour obtenir la force pour manipuler les charges latérales en cas de mauvais alignement. La construction permet à la pièce rapportée de transmission de flotter librement dans la fente du disque en carbone, éliminant ainsi les charges de traction des rivets de fixation.
RESUME DE L'INVENTION La présente invention comprend un article en alliage d'acier inoxydable au chrome-nickel ayant un revêtement d'oxydes métalliques adhérents et résistants à l'usure, et un procédé de formation d'un revêtement d'oxydes métalliques adhérents sur un article comprenant un substrat en alliage d'acier inoxydable au chrome-nickel. Le revêtement d'oxyde après l'oxydation contrôlée (avant l'interaction frictionnelle) a une épaisseur d'environ 2,5 microns (0,1 mil) à environ 203 microns (8 mils), et mieux encore mesure au moins 25,4 microns (1 mil) d'épaisseur. Le revêtement lubrifié souhaité est formé par l'interaction frictionnelle de l'oxyde de fer, du chrome, du nickel et du cuivre dans la couche extérieure, résultant de l'oxydation contrôlée de l'alliage de base. On pense aussi que les oxydes lubrifiés se formeront aussi sans aucune interaction frictionnelle si l'alliage de base oxydé est soumis à des températures supérieures à 815,6 C (1500 F) pendant une durée suffisante dans une atmosphère oxydante.
La présente invention envisage aussi un ensemble de type à disque de frein à friction où les disques ont des surfaces annulaires planes et une pluralité de fentes espacées circonférentiellement le long de la périphérie extérieure des disques rotatifs et des fentes le long de la périphérie intérieure d'un disque fixe. Une pièce rapportée de transmission de couple est positionnée dans chaque fente pour entrer en contact soit avec la cannelure d'un dispositif de couple dans le cas d'un disque rotatif soit avec des éléments de clavette qui sont fixés à demeure à un tube de poussée stationnaire. Les pièces rapportées de transmission sont en forme de U, chaque branche ayant une paire de parties latérales qui partent des fentes le long de la surface annulaire plane du disque mais sans limitation à cette configuration de pièce rapportée. Les barrettes sont fixées à demeure aux disques et maintiennent les pièces rapportées de transmission dans leurs fentes, permettant un léger degré de déplacement à cause d'un espace de jeu entre les barrettes et les pièces rapportées de transmission de couple. Certaines surfaces de la pièce rapportée de transmission sont soumises à un contact frictionnel de glissement avec leurs surfaces opposées associées de l'élément de transmission de couple associé, par exemple d'une roue d'avion, lorsque la roue chargée tourne. Un frein multidisque muni de pièces rapportées de transmission formées d'un alliage d'acier inoxydable 17-4PH revêtu d'oxyde confère une stabilité accrue contre les vibrations pendant un événement de freinage en comparaison avec un frein autrement identique ayant une pile de frein dans laquelle la totalité de la pièce rapportée de transmission est formée d'un alliage à base de cobalt SAE AMS 5385 qui est disponible dans le commerce sous le nom de l'alliage Stellite' M 21 auprès de The Haynes Stellite Co., Kokomo, Indiana ou Stoody Deloro Stellite, Inc., St. Louis, Missouri.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1 est une vue en élévation latérale fragmentaire d'un ensemble de disque de frein avec une rainure de clavette et une pièce rapportée de transmission de couple fixées aux fentes périphériques respectives par des barrettes; la figure 2 est une vue en perspective éclatée de la pièce rapportée de transmission de couple et de la barrette en relation avec une vue en perspective d'une partie fragmentaire d'un disque de frein rotor; la figure 3 est une photographie électronique secondaire de la surface de l'oxyde de fer après le traitement thermique d'un article en alliage d'acier inoxydable au chrome-nickel selon l'invention [xl000] ; la figure 4A est une photographie électronique secondaire avec un grossissement x800 de la section transversale du revêtement présentant le revêtement d'oxydes de fer, de chrome, de nickel, de cuivre après l'oxydation contrôlée de l'alliage de métal de base sous-jacent; la figure 4B est une photographie d'image élémentaire par EDS (spectroscopie à énergie dispersive) correspondant à la figure 4A à une échelle réduite et décrivant la teneur en oxygène du revêtement après l'oxydation contrôlée de l'alliage de métal de base sous-jacent après le traitement thermique; la figure 4C est une photographie d'image élémentaire par EDS (spectroscopie à énergie dispersive) correspondant à la figure 4A à une échelle réduite et décrivant la teneur en chrome du revêtement après l'oxydation contrôlée de l'alliage de métal de base sous-jacent la figure 4D est une photographie d'image élémentaire par EDS (spectroscopie à énergie dispersive) correspondant à la figure 4A à une échelle réduite et décrivant la teneur en fer du revêtement après l'oxydation contrôlée de l'alliage de métal de base sous-jacent la figure 4E est une photographie d'image élémentaire par EDS (spectroscopie à énergie dispersive) correspondant à la figure 4A à une échelle réduite et décrivant la teneur en nickel du revêtement après l'oxydation contrôlée de l'alliage de métal de base sous-jacent la figure 4F est une photographie d'image élémentaire par EDS (spectroscopie à énergie dispersive) correspondant à la figure 4A à une échelle réduite et décrivant la teneur en cuivre du revêtement après l'oxydation contrôlée de l'alliage de métal de base sous-jacent la figure 4G est une photographie électronique secondaire avec un grossissement 800x, numériquement agrandie à 45 % par rapport à l'image originale, et est une coupe transversale de la couche d'oxyde du revêtement après l'oxydation contrôlée de l'alliage de métal de base sous- jacent; la figure 5 illustre une photographie électronique secondaire du composé et des éléments d'oxydes de surface après l'interaction frictionnelle créant les oxydes de surface lubrifiés préférés.
DESCRIPTION DU MODE DE REALISATION PREFERE
Il est décrit un article en alliage d'acier inoxydable au chrome-nickel ayant un revêtement d'oxydes métalliques adhérents et résistants à l'usure, et un procédé de formation d'un revêtement d'oxydes métalliques adhérents sur un article comprenant un substrat en alliage d'acier inoxydable au chrome-nickel. Le revêtement après l'oxydation contrôlée de l'alliage de métal de base a une épaisseur d'environ 2,5 microns (0,1 mil) à environ 203 microns (8 mils), et mieux encore mesure au moins environ 25,5 microns (1 mil) d'épaisseur. Le revêtement lubrifié est alors formé par l'interaction frictionnelle de la couche d'oxyde de fer, de chrome, de nickel et de cuivre résultant de l'oxydation contrôlée de l'alliage de base. On pense que ce revêtement lubrifié peut aussi se former sans aucune interaction frictionnelle si l'article oxydé est soumis à des températures supérieures à 815,6 C (1500 F) pendant une durée suffisante dans une atmosphère oxydante.
Pour les alliages d'acier inoxydable au chrome-nickel, tels que le 17-4PH, le revêtement de surface souhaité en oxyde de fer, chrome, nickel et cuivre est formé à des températures supérieures à environ 1000 C (1832 F). Dans le cas de l'alliage en acier inoxydable 17-4PH, le temps nécessaire pour produire l'oxyde de fer de surface souhaité est principalement basé sur les exigences de traitement de la solution. L'utilisation d'une température supérieure à 1051,67 C (1925 F) augmente la vitesse de formation d'oxyde de fer de surface, mais cela ne se fait pas car cela peut nuire aux propriétés métallurgiques et mécaniques du métal de base. La formation d'un revêtement d'oxyde de fer de surface excessif est indésirable car le revêtement résultant est susceptible d'éclater pendant le refroidissement de l'article à partir des températures de traitement thermique. Si le revêtement d'oxyde est excessivement épais, un éclatement sévère peut se produire car il se produit des contraintes mécaniques thermiquement induites extrêmes lorsque la température change par rapport à celle à laquelle les oxydes sont formés. La formation d'un revêtement d'oxyde de fer de surface insuffisant entraînera la formation réduite d'un revêtement d'oxyde lubrifié pendant l'interaction frictionnelle de la couche d'oxyde de fer, de chrome, de nickel et de cuivre résultant de l'oxydation contrôlée de l'alliage de base, et la dégradation des performances tribologiques des articles.
De préférence, le procédé de traitement thermique utilisé pour obtenir le revêtement d'oxyde de fer de surface souhaité sur l'alliage d'acier inoxydable au chrome-nickel tel que l'article en alliage d'acier inoxydable 17-4PH comprend les étapes suivantes. D'abord, l'article est chauffé dans de l'air en circulation pendant environ deux heures à près de 1038 C (1900 F +/-25 F) dans un four avec un flux d'air de 10 à 30 pieds cubes par heure (0,383 à 1,149 m3/h). L'article est ensuite trempé dans un agent de trempe à l'huile de qualité industrielle. Tous autres agents de trempe peuvent être utilisés à condition qu'ils correspondent à la vitesse de refroidissement de l'agent de trempe à l'huile. L'article est ensuite vieilli par traitement thermique dans un four dans la plage d'environ 593 C (1100 F +/- 25 F; pendant environ quatre heures avec un flux d'air de 1.0 à 30 pieds cubes par minute (0,383 à 1,149 m3/min). Toutes les durées de maintien données ci-dessus sont comptées à partir du moment où l'article traité thermique-cent est isotherme dans la plage de températures citée. L'article est ensuite refroidi à l'air à la température ambiante.
L'expérience a montré qu'un changement de 38 C (100 F) a un effet sur l'épaisseur de la couche d'oxyde de fer, de chrome, de nickel et de cuivre dans la plage de durées de traitement thermique considérées. Le changement de la température d'oxydation a plus d'influence sur la quantité de couche d'oxyde de fer, de chrome, de nickel et de cuivre formée que de changer la durée d'exposition du même montant fractionnel de la valeur de base.
Les oxydes de l'article en alliage d'acier inoxydable 17-4PH oxydé à l'état traité à chaud et après interaction frictionnelle selon la présente invention sont examinés. Les oxydes, composés et éléments de surface énumérés dans le Tableau lA et 1B ci-dessous sont découverts par diffraction des rayons X avec la raie K-alpha du cuivre et utilisant un monochromateur graphite sur un diffractomètre horizontal à géométrie de focalisation de Bragg-Brentano commandé par ordinateur.
Comme le montrent les Tableaux lA et 1B, les phases principales sont des composés qui produisent des pics de diffraction avec une intensité intégrée d'au moins 50 % du pic le plus fort dans l'échantillon. Les phases minimes sont des composés avec des pics dans la plage de 5 à 50 du pic le plus fort.
TABLEAU lA
OXYDES DE FER DE SURFACE DE L'ALLIAGE D'ACIER INOXYDABLE 17-4PH A L'ETAT TRAITE THERMIQUEMENT Phases Formule Structure Abondance chimique relative Hématite Fe:03 Rhomboédrique Minime à majeure Magnétite Fe3O4 Cubique Majeure Maghémite-Q Fe2O3 Tétragonale Minime Métallique CrC, 19Feo, Nio, ll Cubique Minime chrome-fer- nickel
TABLEAU lB
COMPOSE ET ELEMENTS OXYDE DE L'ALLIAGE D'ACIER INOXYDABLE 10 17-4PH APRES INTERACTION FRICTIONNELLE Phases Formule Structure Abondance chimique relative Magnétite Fe3O4 Cubique Majeure Trévorite NiFe2O4 Cubique Majeure Métallique Cro, 19Feo, 7Nio, ll Cubique Majeure à chrome-fer- minime nickel Fer Fe Cubique Majeure à minime Maghémite-Q Fe2O3 Tétragonale Minime Hématite Fe2O3 Rhomboédrique Minime Escolaïte Cr203 Rhomboédrique Minime Oxyde de Cr_5O12 Orthorhombique Minime chrome Ténorite CuO Monoclinique Minime Les oxydes formés sur la surface du métal de base après le traitement thermique selon la présente invention comprennent Fe3O,1 et Fe2O3 et sont résumés dans le Tableau lA. Les oxydes lubrifiés souhaités formés après interaction frictionnelle sont résumés dans le Tableau 1B.
Tout alliage d'acier inoxydable au chrome-nickel peut être utilisé dans la présente invention comme alliage de métal de base sous-jacent pour former les oxydes lubrifiés souhaités. Les oxydes lubrifiés souhaités énumérés dans le Tableau 1B sont formés par l'oxydation contrôlée de l'alliage de base (comme énuméré dans le Tableau 1A). On pense aussi que ces oxydes lubrifiés se formeront sans aucune interaction frictionnelle si l'alliage de base oxydé est. soumis à des températures supérieures à 815,6 C (1500 C) pendant une durée suffisante dans une atmosphère oxydante.
De préférence, l'alliage d'acier inoxydable 17-4PH est utilisé comme alliage de base. L'alliage d'acier inoxydable 17-4PH est un type d'acier inoxydable durcissable par précipitation. La chimie de l'alliage d'acier inoxydable 17-4PH est donnée dans le Tableau 2. D'autres alliages d'acier inoxydable au chrome-nickel tels que, par exemple, sans limitation au 155PH, 17-7PH et Custom455, formeront la couche d'oxyde de fer, de chrome, de nickel et de cuivre pendant le traitement thermique dans une atmosphère oxydante, de préférence de l'air, et créeront la condition qui permettra la formation d'oxydes lubrifiés souhaités pendant l'interaction frictionnelle. On pense que les oxydes lubrifiés souhaités se formeront aussi sans aucune interaction frictionnelle si l'alliage de base traité thermiquement est soumis à des températures supérieures à 815, 6 C (1500 F) pendant une durée suffisante dans une atmosphère oxydante.
Les éléments réputés importants pour la formation de ces oxydes lubrifiés sont Ni, Fe, 0, Cr, Cu. TABLEAU 2 CHIMIE DU 17-4PH COULE Elément en poids min. % en poids maxi.
C 0,060 P 0,025 S 0,025 Si 0,50 1,00 Mn 0,70 Al 0,05 Cr 15,50 16, 70 Ni 3, 600 4,60 Nb 0,15 0,40 Cu 2,80 3,50 Ta 0,05 Sn 0,02 N 0,05 Fe Le reste Le reste Source pour la chimie à l'état coulé standard de 17- 4PH: SAE AMS 5355; ACI CB-7Cu-1 et UNS J92200.
Outre le 17-4PH coulé, le 17-4PH corroyé a une chimie modifiée adaptée aux alliages corroyés quand il est traité selon la présente invention, par conséquent on pense que les mêmes oxydes lubrifiés devraient être formés lors de l'interaction frictionnelle du métal de base oxydé. De manière similaire, les autres alliages d'acier inoxydable au chrome- nickel ont les éléments qui permettront la production de revêtements lubrifiés une fois traités conformément à la présente invention. En particulier, la plage préférée de Cr va de 11 à 18 pour cent en poids, Ni va de 3,0 à 9,5 pour cent en poids et Cu va de 1,5 à 5, 0 pour cent en poids. D'autres éléments clés qui pourraient être importants pour la formation d'oxydes lubrifiés dans d'autres alliages d'acier inoxydable sont le cuivre, le molybdène, le titane, le silicium, le niobium, le tantale et l'aluminium.
En référence à la figure 3, il est représenté une éprouvette prélevée d'un article coulé formé en alliage d'acier inoxydable 17-4PH qui a été traité en utilisant le traitement thermique décrit ci-dessus. La figure 3 est une image électronique secondaire de la vue de surface de l'article présentant la morphologie de surface. L'article coulé a été traité selon l'invention pour former la couche d'oxyde de fer de surface, de chrome, de nickel et de cuivre. Comme Le montre la figure 3, on peut voir deux régions distinctes d'oxyde: la région 1 et la région 2. La majeure partie de la surface d'oxyde se compose de la morphologie représentée dans la région 1.
La figure 4A présente une image d'une photographie électronique secondaire de la section transversale de l'article présentant la couche d'oxyde de fer de surface, de chrome, de nickel et de cuivre après l'oxydation contrôlée et avant toute interaction frictionnelle. L'épaisseur totale du revêtement est de préférence d'environ 25 à 102 microns (1 à 4 mils). La couche extérieure est constituée de manière prédominante de Fe2O3 et de Fe3O1, avec quelques quantités d'îlots riches en Fe-Cr-Ni-Cu que la réfraction des rayons X a identifiés comme une phase métallique sous la forme de petits îlots comme le montre la région 1 de la figure 4G.
L'oxyde interne dans la région 2 de la figure 4A est riche en Cr.
La figure 5 illustre une photographie électronique secondaire des composé et éléments d'oxydes de surface après l'interaction frictionnelle créant les oxydes de surface lubrifiés préférés.
La présente invention concerne également l'utilisation de l'alliage d'acier inoxydable au chrome- nickel dans divers composants de systèmes de freinage à friction d'avions. En référence aux dessins, sur lesquels des numéros de référence identiques désignent des parties similaires ou correspondantes sur l'ensemble des différentes vues, il est représenté sur la figure 1 un disque de frein à friction 10 sous la forme d'un rotor d'un frein pour avion multidisque. Bien que seule une partie d'un disque rotor soit représentée, on comprend que le terme "multidisque" désigne la pluralité de disques rotors annulaires axialement espacés les uns des autres qui sont cannelés de manière adaptée pour effectuer un mouvement axial le long d'une clavette ou cannelure d'accouplement 16 (représentée en pointillés) qui fait partie de ou est fixée à la roue en rotation. La pluralité de rotors annulaires sont intercalés avec des disques stators annulaires qui, à leur tour, sont cannelés de manière adaptée pour permettre un mouvement axial le long d'un élément (ou d'éléments) formant clavette d'accouplement qui est fixé à demeure à un tube de poussée (non représenté). Le disque 10 est un élément annulaire ayant des surfaces de paroi annulaires planes avec une périphérie intérieure et extérieure. Comme le montrent les figures 1 et 2, le disque 10 possède une pluralité de fentes espacées circonférentiellement 12 le long de sa périphérie extérieure 13.
Le disque IO est fabriqué dans un matériau de friction adapté tel qu'un composite en fibres de carbone d'une manière connue, tel que ceux décrits dans les brevets des Etats--Unis N 3 657 061 au nom de Carlson; 4 790 052 au nom d'Olry; 5 217 770 au nom de Morris et al. ; 5 480 678 au nom de Rudolf et al. ; 5 546 880 au nom de Ronyak et al. ; 5 662 855 au nom de Liew et al. et 6 669 998 au nom de Daws et al, mais sans limitation à ceux-ci. De nombreux procédés de fabrication de disques composites carbone-carbone adaptés sont bien connus dans l'art et ne seront donc pas décrits dans les présentes.
Un dispositif de couple 14 (représenté en pointillés sur la figure 1) estsitué en position adjacente à la périphérie extérieure des disques 10 (seule une partie de l'un d'eux est représentée sur la figure 1). Le dispositif de couple 14 possède une pluralité de cannelures, nervures ou éléments d'accouplement de disque 16 faisant saillie dans des fentes 12 pour procurer des moyens pour appliquer une charge ou une force sur le disque 10 par son accouplement avec la fente 12. La fente 12 possède une surface inférieure 18 et deux parois latérales planes s'étendant radialement 19 et 20. Le dispositif de couple peut être une rcue dotée de cannelures, nervures ou éléments d'accouplement de disques 16.
Une pièce rapportée de transmission de couple métallique 25 (figure 2) est située dans chaque fente 12 pour conférer des moyens de renfort afin de conduire le contact à partir.- des cannelures 16 du dispositif de couple 14. Chaque pièce rapportée possède une configuration globalement en forme de U, avec deux sections d'extrémité 26 et 27 qui sont adaptées pour venir en prise avec les parois latérales planes 19 et 20 de la fente 12 de telle sorte que les forces appliquées aux sections d'extrémité 26 et 27 transfèrent les forces aux parois latérales planes 19 et 20. Les sections d'extrémité 26 et 27 sont interconnectées par une section de liaison 28. La surface inférieure de la section de liaison 28 est en contact par butée avec la surface inférieure 18 de la fente 12. Les sections d'extrémité respectives 26 et 27 ont une paire de bras 30 et 31 qui s'étendent vers l'extérieur en partant de la section de liaison 28. Chacun des bras 30 et 31 est entaillé à son angle supérieur le plus à l'extérieur, présentant ainsi un épaulement 32 et une butée 33. Les paires de bras 30 et 31 s'étendent dans des directions opposées et sont sensiblement parallèles et touchent légèrement la surface annulaire périphérique extérieure du disque 10. Chaque paire de bras 3C) et 31 chevauche la périphérie 13 du disque. La périphérie extérieure du disque 10 contient une paire d'alésages 35 de chaque côté de chaque fente 12. Comme les paires de bras 30 et 31 de la pièce rapportée de transmission 25 s'étendent le long de la périphérie 13 du disque 10, les paires d'alésages 35 sont situées le long de la périphérie mais au-delà des bords respectifs des bras 30 et 31.
Les pièces rapportées de transmission de couple 25 sont retenues dans leurs fentes respectives par l'intermédiaire de barrettes 36. Chaque barrette 36 est un élément allongé avec une extrémité évidée ou réduite définissant une butée 37 qui forme un épaulement qui peut venir en butée par friction avec l'épaulement 32 de la pièce rapportée 25. En réduisant la largeur de la barrette 36 adjacente à la butée 37, un évidement 38 est formé de façon à recevoir la butée 33 de la pièce rapportée 25, tandis que la butée 37 entre dans l'angle entaillé supérieur le plus à l'extérieur des bras adjacents 30 ou 31 de telle sorte que la butée 37 peut venir en butée par friction contre l'épaulement 32 de ces bras. Chaque barrette 36 possède deux ouvertures 40 qui sont espacées de la même distance que les paires d'alésages 35 le long de la périphérie du disque 10. Lors de l'alignement ces ouvertures 40 avec les alésages 35, les barrettes 36 peuvent être fixées de manière rigide à la périphérie du disque 10 par des rivets 41 s'étendant à travers les ouvertures et alésages respectifs. Les barrettes peuvent être formées d'un alliage métallique qui est identique ou différent de celui utilisé pour former les pièces rapportées de transmission.
Dans un mode de réalisation préféré, les freins multidisques, les cannelures 16 du dispositif de couple 14 s'étendent dans les fentes 12 des disques de frein de rotor alignés axialement 10. Les fentes respectives 12 reçoivent les pièces rapportées de transmission 25 de telle sorte que les barrettes 36 respectives de chaque côté de toute pièce rapportée de transmission 25 retiennent la pièce rapportée 25 dans la fente étant donné que les butées 37 respectives de la barrette 36 recouvrent la butée 33 de la pièce rapportée 25. L'épaulement 32 formé par l'évidement dans les bras 30-31 de la pièce rapportée 25 peut ainsi toucher par butée la surface ou le bord de la butée 37 de la barrette 36. Cette conception permet à la pièce rapportée 25 de flotter librement dans la fente 12 du disque de carbone 10, supprimant toute traction sur celui- ci qui se produirait autrement si la pièce rapportée 25 était fermement rivée au disque 10. En permettant le flottement de la pièce rapportée 25, les surfaces planes respectives des sections d'extrémité 26 ou 27 toucheront entièrement les parois latérales 19 et 20 de la fente 12 dans le disque 10.
Les disques stators (non illustrés) peuvent aussi être munis de pièces rapportées de transmission de couple similaires d'une manière similaire à celles utilisées dans le disque rotor 10 décrit ci-dessus. Chaque disque stator comprend des fentes de transmission espacées autour de sa périphérie intérieure. Une seule barrette peut venir en prise et retenir des parties opposées de deux pièces rapportées de transmission adjacentes. Les barrettes sont montées sur les deux côtés de la surface annulaire plane des disques.
Lors du fonctionnement des disques 10 dans des freins multidisques, les cannelures 16 du dispositif de couple 14 s'étendent dans les fentes 12 des disques de frein rotor alignés axialement 10. Les stators axialement alignés intercalés entre les disques de rotor annulaires axialement alignés et axialement espacés 10 sont cannelés de manière adaptée pour permettre un mouvement axial le long d'un élément de clavette d'accouplement qui est fixé à demeure à un tube de poussée stationnaire et est susceptible d'être déplacé axialement par des actionneurs adaptés tels qu'un piston. Quand les freins sont actionnés, les disques rotors 10 et les disques stators sont axialement comprimés ensemble. Les forces de friction entre les faces des disques rotors et des disques stators créent une charge au niveau des fentes 12 lorsqu'elles appuient contre les cannelures 16 et les éléments de clavette d'accouplement des disques de frein fixes. Cette charge est transmise aux côtés ou branches des pièces rapportées de transmission en forme de U 25 qui, par l'intermédiaire de leurs faces planes, exercent une force directement sur les parois appropriées des fentes 12. Aucune charge de couple n'est transmise des pièces rapportées de transmission 12 aux barrettes ou à leurs rivets mais elle est plutôt distribuée uniformément sur les surfaces de parois planes des fentes des disques de carbone. Quand la charge de couple est transmise des pièces rapportées de transmission aux faces des fentes dans les disques, les pièces rapportées de transmission reposent fermement contre les disques de carbone. En fonctionnement, les faces d'usure des sections d'extrémité s'étendant radialement 26, 27 des pièces rapportées de transmission 25 sont en prise par friction avec leurs faces opposées correspondantes des cannelures 160 du dispositif de couple 14. Et en fonctionnement, les faces d'usure des sections d'extrémité s'étendant radialement des pièces rapportées de transmission du disque stator sont en prise par friction avec leurs faces opposées correspondantes des nervures du tube de poussée non représenté.
En fonctionnement, les pièces rapportées de transmission sont soumises à un contact frictionnel de glissement du fait de la mise en prise avec les surfaces opposées des cannelures associées 16 du dispositif de couple 14 et des nervures du tube de poussée. Dans le cas d'un ensemble roue et frein d'avion, le braquage du dispositif de couple lorsqu'il tourne sous une charge en service exacerbe ce contact frictionnel de glissement. De plus, dans ces applications de frein pour avions, les températures de fonctionnement lors des atterrissages et des arrêts de l'avion en utilisation normale sont dans la plage de 300 à 480 C (572 à 896 F). Pour cette raison, les pièces rapportées de transmission et les éléments de cannelure associes ont été faits dans des matériaux résistants à de hautes températures de service et à une forte usure, par exemple l'alliage de base au cobalt StelliteTM 21 pour les pièces rapportées de transmission et l'InconelTM IN 100 pour les éléments de cannelure, ces derniers étant en outre munis d'un revêtement résistant à l'usure tel qu'un_ dépôt électrolytique de chrome dur ou un matériau carbure de tungstène/cobalt (WC/Co) réalisé au pistolet à flamme, InconelTM IN 100 est un alliage à base de nickel disponible auprès de International Nickel Company, Huntington, Virginie Occidentale.
De préférence, les pièces rapportées de transmission de couple 25 sont de préférence formées d'un alliage d'acier inoxydable au chrome-nickel tel que le 17-4PH qui a été intentionnellement soumis à une étape d'oxydation dans le cadre du traitement thermique des pièces rapportées. Les pièces rapportées de transmission sont de préférence formées par moulage de précision, ce qui supprime le besoin d'un usinage ultérieur, comme cela est typiquement requis si d'autres méthodes telles que le forgeage sont utilisées. Les pièces rapportées de transmission peuvent aussi être formées par usinage à partir de matière première corroyée.
EXEMPLE 1
Les caractéristiques frictionnelles de glissement de diverses combinaisons de matériaux en conjonction avec des articles fabriqués en alliages d'acier inoxydable au chrome-nickel selon la présente invention sont résumées dans les Tableaux 3 à 6. On traite des tiges de matériau 17- 4PH selon la présente invention (17-4PH OX HT) pour former la couche d'oxydes adhérents souhaitée et on les teste pour déterminer les caractéristiques ce friction et d'usure en contact de glissement avec des plaques métalliques planes ayant été revêtues pour correspondre au revêtement sur les cannelures de transmission du frein. Dans une série d'expériences, on forme les plaques métalliques planes avec de l'Inconel 100 revêtu au pistolet à flamme d'un matériau carbure de tungstène/cobalt (WC/Co) disponible dans le commerce auprès de White Engineering Surfaces Corporation, Philadelphie, Pennsylvanie. Dans une autre série d'expériences, l'Inconel"M 100 est revêtu par dépôt électrolytique de chrome Armaloy de Ohio Inc., Springfield, Chi_a. On compare les tiges traitées thermiquement de 17-4PH avec les tiges coulées à nu en Stellite 21 et en A286. On soumet les tiges coulées en A286 à un procédé de traitement thermique comme décrit dans le brevet US N 6 635 355 (le brevet '355), incorporé à titre de référence aux présentes dans son intégralité. Le numéro HT dans les Tableaux ci-après se rapporte au numéro de traitement thermique décrit dans le brevet '355.
Les essais sont réalisés sur un tribomètre haute fréquence Cameron Plint TE77 conforme à la norme ASTM G 133/95 "Standard Test Method for linearly Reciprocating Ball-on-Flat Sliding Wear" (méthode d'essai standard pour une usure de glissement bille sur plan en mode alternatif linéaire) traitant l'usure à l'état sec et lubrifié des céramiques, métaux et composites céramiques dans les conditions suivantes: température d'essai 22,2 C/315,6 C (72 F/600 F) ; fréquence d'essai 30 Hz; déplacement de l'essai 0,25 pouce (0,63 cm) ; durée de l'essai 30 minutes et charge appliquée de 2,2 livres (1 kg). Le tribomètre haute fréquence Cameron Plint TE77 est conçu pour l'évaluation des lubrifiants et des propriétés de friction et d'usure de matériaux dans des conditions de contact de glissement ou roulant/de glissement alternatif à l'état sec et lubrifié. L'éprouvette (tige) en mouvement est montée dans une tête de support et chargée contre l'éprouvette fixe (plaque) par un peson à ressort par l'intermédiaire d'un mécanisme à levier et étrier. La force normale est transmise directement sur l'éprouvette en mouvement au moyen du galet suiveur à aiguille sur la tête de support et la plaque en mouvement sur l'étrier de charge. Un capteur à jauge de contrainte est monté sur le levier en un endroit directement en dessous du point de contact et ceci mesure la charge appliquée. L'éprouvette (tige) est amenée à osciller mécaniquement contre l'éprouvette inférieure fixe (plaque). L'entraînement mécanique, qui se compose d'une came à excentrique, d'une culasse de blocage et de paliers de guidage simples, est commandé par une rétroaction de génératrice pour assurer une fréquence d'oscillation stable afin de compenser les conditions de friction variables et la température variable dues à la friction. L'éprouvette fixe (plaque) est située sur deux pièces de fixation à vis dans un réservoir en acier inoxydable. Le réservoir est encastré dans un bloc qui est chauffé par quatre éléments à résistance électriques. La température de l'éprouvette fixe est contrôlée et commandée pour atteindre un point de consigne donné. Le bloc chauffant est monté sur deux éléments à flexion qui sont rigides dans la direction verticale (de charge), mais offrent une faible résistance aux forces horizontales. La résistance au mouvement dans la direction horizontale se fait par un capteur de force piézoélectrique rigide et ceci mesure les forces de friction dans le contact oscillant. Un dispositif de Cameron-Plint est disponible auprès du Glenn Research Center de la NASA, Cleveland, Ohio.
Les résultats des essais de friction et d'usure de glissement confirment la nature autogène de la couche d'oxydes adhérents souhaitée sur l'alliage d'acier inoxydable au chrome-nickel, car les têtes de tige s'usent, de leur configuration arrondie initiale à une configuration à l'extrémité aplatie due à un contact avec la plaque. Le coefficient de frottement observé demeure essentiellement constant sur l'ensemble des essais.
TABLEAU 3
VALEURS MOYENNES
Taux d'usure (pouces/h = 2,54 cm/h) des matériaux de pièce rapportée de transmission par rapport aux plaques en IN100 revêtues de carbure de tungstène/cobalt par pulvérisation thermique Temp ( C) Stellite2l A286 OX CAST 17-4PH OX HT coulé à nu HT 7 22 0,028 0,053 0,015 315 0,025 0,014 0, 009
TABLEAU 4
VALEURS MOYENNES
Coefficient de friction des matériaux de pièce rapportée de transmission par rapport aux plaques en I_N100 revêtues de carbure de tungstène/cobalt par pulvérisation thermique Temp ( C) Stellite2l A286 OX CAST 17-4PH OX HT coulé à nu HT 7 22 0, 679 0, 494 0, 527 315 0,706 0,579 0,444 Les résultats des Tableaux 3 et 4 indiquent que le matériau 17-4PH traité selon la présente invention possède un avantage en termes de friction et d'usure en comparaison avec les matériaux Stellite 21 et A286 quand ils sont testés en contact avec des revêtements de carbure de tungstène/cobalt tant à des températures d'essai basses qu'à des températures d'essai typiques de la température de service des freins au carbone, 315,6 C (600 F) .
TABLEAU 5
VALEURS MOYENNES
Taux d'usure (pouces/h = 2,54 cm/h) des matériaux de pièce rapportée de transmission par rapport au revêtement de chrome dur sur des plaques en IN100 Temp ( C) Stellite2l A286 OX CAST 17-4PH OX HT coulé à nu HT 7 22 0, 0064 0,0464 0,0564 315 0,0046 0,0200 0,0207
TABLEAU 6
VALEURS MOYENNES
Coefficient de friction des matériaux de pièce rapportée de transmission par rapport au revêtement de chrome dur 15 sur des plaques en IN100 Temp ( C) Stellite2l A286 OX CAST 17-4PH OX HT coulé à nu HT 7 22 0,488 0,552 0,697 315 0,323 0,564 0,407 Les données des Tableaux 5 et 6 montrent que le matériau 17-4PH traité selon la présente invention offre des performances de friction et d'usure similaires en comparaison avec le matériau A286 quand ils sont testés en contact avec des revêtements de chrome dur à basses températures; l'avantage passe au matériau 17-4PH à haute température.
Diverses modifications sont envisagées et peuvent évidemment être utilisées par l'homme du métier sans s'écarter des inventions décrites telles qu'elles sont définies ci-après par les revendications annexées, car seul un mode de réalisation préféré de celles-ci a été défini.
Claims (17)
1. Article manufacturé comprenant: a) un substrat en alliage d'acier inoxydable 5 ayant une surface d'usure; b) un revêtement d'oxydes ferreux sous plusieurs formes différentes et avec des quantités minimes d'éléments métalliques fixées de manière cohésive au substrat en acier inoxydable.
2. Article selon la revendication 1, dans lequel le revêtement est formé par oxydation de la surface de l'article.
3. Article selon la revendication 2, dans lequel le revêtement est formé par oxydation de la surface de l'article à une température d'au moins 1000 C (1832 F).
4. Article selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'alliage du substrat a la composition suivante.
CHIMIE
Elément en poids min. en poids maxi.
C 0,060 P 0,025 S --- 0,025 Si 0, 50 1, 00 Mn --- 0,70 Al 0,05 Cr 15,50 16,70 Ni _ 3, 600 4, 60 Nb 0,15 0,40 Cu 2,80 3,50 Ta --- 0,05 Sn 0, 02 N 0,05 Fe _Le reste Le reste et le revêtement comprend des oxydes de Fe et des quantités minimes de la phase Cro,19Feo, 7Nio,11.
5. Article selon la revendication 3 ou 4, dans lequel l'alliage du substrat est un alliage d'acier inoxydable 17-4PH ayant un revêtement d'oxyde adhérent formé par exposition de l'article à une atmosphère oxydante à une température d'au moins 1000 C (1832 F) pendant une durée suffisante pour former une épaisseur de revêtement qui va d'environ 2,5 à environ 203 microns (0,1 à 8 mils).
6. Article selon l'une des revendications 1 à 5, 10 dans lequel l'épaisseur de revêtement va d'environ 25,4 à 102 microns (1 à 4 mils).
7. Article selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la durée d'exposition à des conditions d'oxydation à température élevée va d'environ 0,3 à environ 2,0 heures.
8. Article selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le revêtement est autorégénérant pendant l'accouplement frictionnel de glissement de la surface revêtue de l'article avec une surface de chrome dur ou une surface d'alliage composite WC/Co revêtue au pistolet à flamme.
9. Article selon l'une des revendications 1 à 8 sous la forme d'une pièce rapportée de transmission pour un disque de friction.
10. Article selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 ayant le revêtement d'oxyde suivant en conséquence de l'usure dudit article: Phases Formule Structure chimique Magnétite Fe304 Cubique Trévorite NiFe2O4 Cubique Chrome-fer-nickel Cro,19Feo,-Nio,11 Cubique Fer Fe Cubique Maghémite-Q Fe2O3 Tétraqonale Hématite Fe2O3 Rhomboédrique Escolaïte Cr2O3 Rhomboédrique Oxyde de chrome Cr5O12 Orthorhombique Ténorite CuO Monoclinique
11. Ensemble de frein d'avion ayant une pile de frein comprenant une pluralité de disques de friction à stator et à rotor intercalés, dans lequel au moins un des disques dans la pile de frein comprend une pluralité d'entailles de transmission de couple espacées autour de sa direction circonférentielle qui sont munies de pièces rapportées de transmission comprenant un substrat en alliage d'acier inoxydable au chrome-nickel ayant une surface d'usure, et un revêtement d'oxydes lubrifiés sous diverses formes différentes relié de manière cohésive à au moins une partie de ladite surface d'usure, l'ensemble de frein ayant une stabilité dynamique accrue face aux vibrations pendant un événement de freinage en comparaison avec un frein autrement identique ayant une pile de frein dans lequel toutes les pièces rapportées de transmission sont formées d'un alliage à base de cobalt SAE AMS 5385.
12. Ensemble de frein selon la revendication 11, 20 dans lequel le revêtement sur les pièces rapportées est formé par oxydation des pièces rapportées.
13. Ensemble de frein selon la revendication 11 ou 12, dans lequel les pièces rapportées sont formées d'un alliage d'acier inoxydable 17-4PH ayant un revêtement d'oxyde adhérent formé par exposition des pièces rapportées à une atmosphère oxydante.
14. Pièce rapportée de transmission de disque à friction fabriquée à partir d'un article selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant un substrat en alliage d'acier inoxydable au chrome-nickel ayant une surface d'usure et un revêtement d'oxydes lubrifiés sous diverses formes différentes fixé de manière cohésive à au moins une partie de ladite surface d'usure et une barre de couple en acier pour s'engager avec ladite pièce rapportée de transmission de disque.
15. Pièce rapportée de transmission de disque à friction selon la revendication 14, dans laquelle ladite transmission de couple est revêtue d'un revêtement résistant à l'usure.
16. Pièce rapportée de transmission de disque à friction selon la. revendication 15, dans laquelle ledit revêtement résistant à l'usure est un matériau au carbure de tungstène-cobalt.
17. Pièce rapportée de transmission de disque à friction selon la revendication 15, dans laquelle ladite transmission de couple est revêtue par dépôt électrolytique de chrome dur.
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