La présente invention concerne un nouveau procédé pour la préparation d'alliages antifriction sans plomb à base de nickel, destinés notamment à des applications tribologiques.

On connaît déjà des alliages de bronze au plomb (Cu-Sn-Pb) utilisés pour leurs propriétés antifrictions, par exemple dans le cadre de la réalisation de pièces mécaniques en acier garnies par coulage en gravité d'un bronze de type "Tokat" (par exemple CuSn10Pb10) selon le procédé "Kugler-Bimétal" formant une interface de diffusion métallique de 3 à 5 microns, les pièces ainsi obtenues dites "bimétalliques" présentant simultanément les caractéristiques de tenue mécanique de l'acier et les propriétés d'antifriction du bronze au plomb.

Toutefois, et pour différentes raisons, notamment afin de respecter les nouvelles normes en vigueur dans l'Union Européenne, il convient maintenant de renoncer à la présence de plomb dans la réalisation de telles pièces métalliques.

En conséquence, le but de la présente invention consiste à préparer un nouvel alliage sans plomb et à base de nickel dont les propriétés antifriction sont similaires voire meilleures à celles du bronze au plomb de type Tokat (10-15 %Pb) et permettant la réalisation de pièces bimétalliques avec un accrochage approprié sur l'acier.

Tout comme le plomb, le graphite est connu pour ses propriétés antifrictions et a été suggéré pour remplacer celui-ci. Par contre, on sait que le graphite n'est que très peu soluble dans des alliages tels que le bronze, et les présents inventeurs ont par conséquent trouvé un procédé nouveau qui permet d'enrichir le nickel en graphite, avant de le combiner par exemple à un alliage cuivre-étain, ce procédé étant basé sur la dissolution de graphite dans le nickel en fusion.

Compte tenu de ce qui précède, la présente invention visant à atteindre le but précité consiste en un procédé pour la préparation d'un alliage antifriction de nickel enrichi en carbone comprenant la mise en fusion de nickel à une température de 1455 à 1480° C en présence de C sous forme solide ou gazeuse pendant 5 à 30 minutes, de manière à dissoudre de 0,5 à 4 % de C dans le Ni liquide, puis le refroidissement du Ni pour obtenir la précipitation du C sous formes de nodules.

Les % indiqués dans la présente description et les revendications s'entendent en % massique.

L'invention concerne également l'alliage obtenu par le procédé ci-dessus, ainsi que son utilisation pour la réalisation d'alliages de type bronze CuNiSn enrichis en C et destinés à des applications tribologiques.

Plus particulièrement le nickel utilisé dans ce procédé est du Ni pur de qualité électrolytique et la dissolution du C dans le Ni fondu peut être réalisée en utilisant soit du graphite solide soit par barbotage d'une phase gazeuse carburante (C0, CO2, CH4, CH3OH, C2H2, C2H4, etc) dans le Ni liquide.

En général, le Ni est fondu à une température supérieure à 1450° C, de préférence entre 1455 et 1480° C, ceci par exemple dans un creuset en graphite de qualité électrolytique, le C du creuset étant lui-même partiellement dissous dans la phase liquide. Selon une variante, le creuset utilisé pour contenir le Ni fondu est en un matériau réfractaire (SiC ou BN) et le graphite est introduit dans la phase liquide sous forme de poudre ou de tiges solides.

En pratique, la durée de la dissolution du C dans le Ni liquide peut être de 5 à 30 minutes, de préférence en tout cas dans le cas du traitement en creuset de graphite d'environ 10-15 minutes.

Pendant la phase liquide, le Ni liquide s'enrichi en carbone jusqu'à environ 4 % vol. en fonction du temps et de la température, le temps nécessaire à la mise en solution du carbone dépendant de plusieurs paramètres, tels que la masse de liquide, la surface de contact Ni-C, le type de graphite utilisé, l'agitation du liquide, etc.

Lors du refroidissement de la phase liquide, par exemple après coulage du nickel dans un moule froid, le carbone insoluble dans le Ni solide précipite sous la forme de nodules de graphite d'une taille de 5 à 100 microns répartis dans le Ni solidifié.

Le Ni solide contenant d'environ 0,5 à 4% de graphite (de préférence 1 à 3 % C) présente des propriétés antifriction tout à fait comparables à celles d'un bronze au plomb.

Ainsi, le Ni enrichi en C peut être utilisé, sous forme de poudre (obtenue par atomisation ou par broyage) ou de lingot, par exemple pour la réalisation d'alliages antifriction destinés eux-mêmes au garnissage de pièces mécaniques en acier, de la même manière que le bronze au plomb de type Tokat.

La présente invention sera maintenant illustrée en référence aux exemples suivants et aux figures 1A, 1B et 2 annexées.

500 g de Nickel pur (de qualité industrielle) sont mis en fusion sous azote dans un creuset en graphite (de qualité électrolytique) de 200 ml, ceci au moyen d'un four à induction à une température de 1460° C et pendant 15 min. de manière à dissoudre environ 2,5 % de C.

Puis le Ni liquide est coulé dans un moule froid produisant ainsi la précipitation du C sous forme de nodules de 5 à 100 microns, comme montré sur les photographies des figures 1A et 1B.

Après usinage du lingot d'alliage Ni-C on obtient une matrice avec des inclusions de graphite faisant office de lubrifiant solide.

Le comportement tribologique de l'échantillon obtenu selon l'exemple 1 est mesuré au moyen d'un tribomètre en comparaison avec des échantillons de référence.

Tribomètre type bille en acier 100Cr6 diamètre 6 mm sur disque (moteur à palier air avec capteur LVDT pour la mesure de force de frottement) :
- charge : 2N
- vitesse de déplacement relatif : 0.5 m/s
- frottement à sec
- 3 échantillons par mesure
- distance d'essai : 500 m
- état de surface des pions avant essai : surface polie SiC 4000 Matériaux Analyse chimique par WD- XRF[% massique] coeff. Frottement volume d'usure [mm3] CuSn8 Sn7.7%, Ni91.87% 0.699 0.169 CuSn10Pb10 Pb9.07%, Sn10.43%, 0.545 (N°OF17099) Fe<0.5%,Ni=1.4%, Cu78% 0.027 Ni4.1 Ni, 2.2% C 0.143 0.009 Ni4.2 Ni, 2.4% C 0.249 0.012

Le résultat de la mesure permet de constater que l'usure sur les deux échantillons Ni-C selon la présente invention est nettement moindre que celle mesurée pour le bronze au plomb de référence (CuSn10Pb10) notamment.

Dans un creuset en graphite de 100 ml, on introduit 5,5 g de copeaux de fraisage de l'alliage Ni-C obtenu dans l'exemple 1 puis 30 g de poudre (diam. 50-60 microns) de bronze CuSn10. Le creuset fermé par un couvercle est ensuite placé dans un four à une température de 965° C pendant environ 6 min., puis refroidi à l'air.

On obtient ainsi un alliage CuNi15Sn8 enrichi à 1 % de C sous formes de nodules dans la matrice du bronze, comme montré sur la photographie de la figure 2, qui peut être utilisé d'une manière générale comme un bronze ou plomb de type Tokat pour des applications tribologiques.