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La présenta invention concerne un dispositif pour la
préparation de matériaux métallïques ou organiques composites
par centrifugation, un procédé de moulage mettant en oeuvre
ledit dispositif, les matériaux composites obtenus et les
pièces constituées par ces matériaux.
La fabrication de pièces métalliques de révolution par
centrifugation est bien connue. Le procédé consiste à intro
duire le mâtériau métallique en fusion dans un moule soumis à
une rotation.
On a également appliqué ce procédé à un mélange constitué
par un alliage métallique à l'état liquide et un agent de
renforcement, par exemple du graphite, une céramique, etc... et
l'on a obtenu des pièces en alliage métallique renforcé.
'L5 Toutefois, ce procédé présente au mains deux inconvé-
nients. D'une part, la répartition de l'agent de renforcement
dans' la pièce fabriquée est mal maîtrisée. Elle dépend essen-
tiellement de la différence de densité entre le matériau de
matrice et l'agent de renforcement. Selon l'importance de cette
z0 différence, la répartition de l'agent de renforcement sera plus
ou moins homogène.
D'autre part, certains produits susceptibles de constituer
de bons agents de renforcement ne peuvent former un mélange
stable aven la matériau de matrice métallique liquide durant
25 une durée suffisamment longue : l'agent de renforcement se
sépare du matériau de matrice métallique avant que celui-ci
n'ait pu être projeté dans le moule. Tel est le cas port les
mélanges alliages cuivreux - poudre de graphite. La mouillabi-
lité du graphite dans les alliages cuivreux liquides est très
30 faible, même lorsque les particules de graphite sont enrobées
de nickel ou de cuivre. Si l'on mélange la poudre de graphite à
un alliage cuivreux liquida, la poudre se sépare après un temps
très court, inférieur à 2 secondes. T1 n'est par conséquent pas
possible, en projetant un tel mélange dans un moule en rota-
35 taon, d'orienter la répartition de l'agent de renforcement dans
la pièce métallique.
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Les présents inventeurs ont alors mis au point un disposi°
tif pour la prëparatian de matériaux composites par centrifuga-
tion, qui ne présente pas les inconvénients évoqués ci-dessus.
La présente invention a pour objet un dispositif pour la
préparation par moulage de matérîaux composites, métalliques ou
organiques.
En outre, elle a pour objet un procédé de fabrication de
matériaux composites par moulage, mis en oeuvre à l'aide du
dispositif.
Elle a également pour objet les matériaux composites obte-
nus.
Enfîn, un autre objet de la présente înventian est consti-
tué par les pièces réalisées en matériau composite.
Selon l'invention, le dispositif de préparation par
moulage de matériaux composites compor;cant une matrice métal-
lique au organique et au moins un élément de renforcement,
comprend un moule (5) présentant un axe de révolution (6) et
est muni de moyens lui permettant une rotation autour de son
axe, d'un dispositif d'alimentation (7) en matériau de matrice
liquide et d'un dispositif d°alimentation (8) en élément de
renforcement. I1 est caractérisé en ce que le dispositif (8)
débouche dans la zone d'écoulement (10) du dispositif (7). Un
dispositif d'alimentation peut être une goulotte, un canal de
coulée, un tuyau d'alimentation, un entonnoir, une goulotte ou
un autre moyen équivalent.
Dans le dispositif selon l'invention, 1°axe de rotation du
moule peut être oblique. Le dispositif d'alimentatïon n'est pas
nécessairement parallèlé à l'axe de rotation du moule ou
coaxiale. I1 est toutefois impératif que le dispositif d°ali-
mentatian en élément de renforcement débouche dans une zone
proche de 1°extrémité de la zone, d'écoulement du dispositif
d'alimentation en matériau de matrice, créant ainsi une zone de
mélange à proximité immédiate de 1°entrée du moule.
L'axe de rotation (6) du moula peut être horizontal ou
proche de l'horizontale. Le dispositif (8) débouche alors dans
la zone d'écoulement (10) du dispositif (7) de préférence à la
verticale.
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Dans un autre mode de réalisation préféré, l'axe de rota-
tion (6) du moule est vertical ou proche de la verticale. Le
dispositif (8) présente alors, de préférence, une zone
d'écoulement tubulaire dont l'extrémité débouche dans la zone
d°écoulement (10) du dispositif (7), les flux d'écoulement dans
les zones d'écoulement des deux dispositifs d'alimentatîon
étant sensiblement parallèles. Dans ce cas, l'extrémité de la
zone d'écoulement (10) peut étre recourbée vers la paroi
verticale du moule.
1o Le procédé de préparation de matériaux composites compor-
tant une matrice métallique ou organique et des éléments de
renforcement selon l'invention consiste à couler, dans un moule
en rotation, à l'aide du dispositif selon l'invention, le maté-
riau de matrice à l'état liquide et au moins un agent de
15 renforcement. Lors de la mise en oeuvre d'un tel procédé, le
matériau de matrice métallique ou organique et le (les)
~agent(s) de renforcement sont amenés séparément à l'entrée du
moule, mais 1°incorporation de l'élément de renforcement au
matériau. de matrice est effectuée immédiatement avant que ce
20 matériau de matrice soit projeté dans le moule.
En procédant de cette manière, il est possible
d'incorporer à une matrice des agents de renforcement qui se
présentent sous forme de particules ou de fibres courtes dont
la mouillabilité est très faible dans le matériau de matrice.
25 La zone dans laquelle le mélange est effectué est très limitée,
mais les turbulences créées dans cette zone par 1°arr:ïvée d'un
flux d'éléments de renforcement dans le flux d'écoulement du
matériau da matrice permettent de former un excellent mélange
entre le matériau de matrice et les éléments de renforcement.
30 En outre, cette zone se situe juste avant 1a projection du
matériau dans le moule. Par conséquent, la durée qui s'écoule
entre l'instant oü l'élément de renforcement est mélangé au
matériau de matrice et le durcissement du matériau dans le
moule est suffisamment courte pour que l'élément de renforce-
35 ment ne puisse pas se dissocier du matériau de matrice.
En adaptant les différents paramètres de la coulée, on
peut obtenir soit des pièces de matériau présentant des zones
â
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de révolution renforcées, soit des pièces de matériau renfor-
cées uniformément. Ces dernières ne peuvent pas étre obtenues à
l'aide des dispositifs de moulage par centrifugation classiques
lorsque l'élément de renforcement ne présente pas une
mouillabilité suffisante ou que sa densité est sensiblement
différente de celle de la matrice.
Par exemple, on peut choisir la durée de coulée du maté-
riau de matrice et la durée de coulée de l'élément de renforce-
ment.
Dans une variante du procédé de 1a présente invention,
l'additïon de l'agent de renforcement peut être retardée par
rapport au début de la Gaulée du matériau de matrice.dans le
cas où l'on ne veut renforcer que l'intérieur de la pièce. On
peut ainsi éviter de piéger une partie des éléments de renfor-
liement sur 1°extérieur des pièces, piégeage qui a tendance à se
produire du fait de la solidification quasi-instantanée de, la
zone de peau extérieure.
En retardant suffisamment la coulée de l'élément de
renforcement par rapport au début de la coulée du matériau de
matrice, on obtiendra une zone de révolution renforcée plus
proche de l'alésage.
Par ailleurs, il est préférable que la coulée de l'élément
de renforcement se termine avant, ou à la limite en même temps
que la coulée du matériau de matrice, pour éviter la présence
d~éléments de renforcement libres dans l'alésage de la pièce de
matériau composite obtenue.
En outre, le choix des températures permet d°influencer la
teneur en élément de renforcement des zones â renforcer. Ainsi,
une température plus faible du moule, c'est-à-dire une vitesse
de refroidissement plus importante, donne une solidification
plus rapide à proximité de la paroi du moule, réduisant ainsi
les risques d'une séparation entre les éléments de renfor
cement et le matériau de matrice dans le cas d'élémewts de
renforcement présentant une faible mouillabilité dans le maté
riau de matrice.
Par ailleurs, la température du matériau de matrice joue
un rôle d'une part, au niveau de :La vitesse de solidification
5
et, d'autre part, dans la facilité ou non d'incorporation des
éléments de renforcement dans nette matrice.
La température des éléménts de renforcement peut également
jouer un rôle dans la facilité d'incorporation de ces éléments
de renforcement dans la matrice.
Un autre facteur influençant la répartition de l'élément
de renforcement est la différence entre la densité du matériau
de matrice et celle de 1°élément de renforcement. Plus la
densité de l'élément de renforcement sera élevée par rapport à
celle du matériau de matrice, plus cet élément aura tendance à
se situer à la périphérie de la pièce. Dans le cas contraire,
l'élément de renforcement se trouve avec une concentratïon plus
élevée autour de 1°alésage.
En outre, une vitesse de rotation plus élevée du moule
~5 accentue l'effet dû aux autres facteurs.
Le type et l' épaisseur de poteyage j ouent un rôle impor-
tant au niveau de la vitesse de solidifcation de la pièce.
Ainsi, un poteyage isolant et épais provoquera une solidi-
fication lente de la pièce, facilitant alors 1e renforcement de
sa périphérie (ceci est utilisé dans le cas d'éléments de
renforcement dont la densité est supérieure à celle de la
matrice).
Un des avantages essentiels du dispositif de l'invention
réside dans le fait qu'il permet de renforcer à volonté locale
ment une ou plusieurs caractéristiques d'une pièce du matériau
de matrice présentant une symétrie axiale de révolution. Il
suffit pour cela de choisir le ou les éléments de renforcement
appropriés à la caractéristique souhaitée et les conditions de
mise en oeuvre du procédé aptes à permettre le renforcement de
la zone souhaitée.
Le dispositif selon l'invention permet aussi de renforcer
deux zones d'une même pièce à l'aide d°éléments de renforcement
différents. Le mode de mise en oeuvre dépend dans ce cas de la
différence qui existe entre la densité de chacun des éléments
de renforcement. Si leur densité est très proche, on injac~te
d'abord, l'élément de renforcement pour la zone externe de la
pièce. Si l'élément de renforcement de la zone externe a une
6
densité nettement supérieure â celle de 1a zona interne, les
deux éléments de renforcement peuvent être mélangés avant leur
incorporation au matériau de matrice à l'état liquide. Lors de
la coulée par centrifugation, la décantation des éléments de
renforcement provoquera la répartition souhaitée au sein de la
pièce. I1 convient dans ce cas de choisir les températures de
telle sorte que la solidification soit suffisamment lente pour
permettre aux éléments les plus lourds de venir se placer à
l'extérieur.
1o Le dispositif selon l'invention peut être utilisé pour
quasiment tous les alliages métalliques, parmi lesquels on peut
citer les alliages à base de cuivre (par exemple le bronze, le
cupro-aluminium, 1e laiton) et les alliages d'aluminium.
I1 peut également être utilisé pour des matériaux orga
piques tels que par exemple des pièces en PVC, en résine époxy,
en polyester ou en méthacrylate, chargées da particules de
carbure de silicium, afin de donner â la périphérie des
propriétés de haute résistance à l'usure.
Les éléments de renforcement peuvent se présenter sous
2o forme de particules ou de fibres courtes. On peut utïliser par
exemple des particules de graphite, de carbure de~silicium, de
carbure de chrome. Pour améliorer la mouillabilité des parti
cules ou des fibres courtes de graphite lorsqu'elles sont
destinées à renforcer les alliages cuivreux et les alliages
d~aluminium, il est avantageux de les enrober d'une couche de
nickel ou de cuivre par exemple, dont 1°épaisseur peut varier
entre 1 et 50 ~m.
La prése(n-te invention sera décrite plus en détails par
référence aux dessins annexés et aux exemples donnés ci-dessous
a titre illustratif et non limitatif.
Dans les dessins, les figures 1, 2 et 3 représentent
chacune une vue en coupe axiale d'une pièce de révolution en
matériau composite.
Les figures 4 et 5 représentent chacune un schéma d'un
dispositif selon l'invention.
7
Dans les figures 1 à 3, (~.) représente l'axe de révolution
de la pièce, (2) représente la pièce, (3) la partie renforcée,
(4) représente l'alésage de la pièce.
La figure 4 représente un moule (5) tournant autour d'un
axe vertical (6). Le matériau de matrice est introduit dans le
moule par l'intermédiaire d'une goulotte (7) qui pénètre dans
le moule en (9). Les éléments de renforcement sont introduits
par l'intermédiaire d'une goulotte (8). Cette goulotte (8)
débouche dans la zone (10) de la partie terminale de la
1o goulotte (7) de telle sorte que le mélange du matériau de
matrice et de l'élément de renforcement puisse se faire immé-
diatement avant l'introduction dans le moule.
Lorsque le mélange à l'état liquide est introduit dans le moule
(5) animé d'un mouvement de rotation autour de l'axe (6), il
~5 tomba sur le fond du moule et les forces centrifuges dues à la
rotation du moule le répartissent sur les parois verticales du
moule. Pour faciliter la mise en place du matériau sur les
parois du moule, il peut être préférable d'utiliser une
goulotte (7) dont la partie extrême est située à l'intérieur du
20 moule (et non pas à l'entrée du moule) et recourbée pour que le
flux de matériau soit dirigé vers la paroi du moule.
Lorsque les éléments de renforcement sont incorporés au maté-
riau de matrice dans la zone (10), les -turbulences qui se
forment dans cette zone (10) sont suffisantes pour former un
25 excellent mélange entre le matériau de matrice et les éléments
de renforcement ,
La figure 5 représente une variante du dispositif selon
l'invention. Dans cette figure, les éléments équivalents à ceux
de la figure 4 portent les mêmes références. Dans cette
30 variante, 1e moule tourne autour d'un axe horïzontal. Lors de
l'introduction du matériau de matrice (ou du mélange matériau
de matrice + élément de renforcement), celui°ci tombe sur la
paroi du moule sur laquelle il est réparti par les forces
centrifuges.
35 I1 va de soi que l' invention n' est pas 1 imitée à 1 ° un ou
l'autre de ces modes de réalisation.
e
s
Le procédé de l'invention est avantageusement mis en
oeuvre pour la fabrication de pièces métalliques ou organiques
présentant une symétrie axiale de révolution comportant des
zones de révolution dans lesquelles certaines propriétés sont
renforcées. Ces pièces à symétrie axiale de révolution peuvent
être des pièces utilisables an tant que telles (paliers,
bagues, etc...). Ces pièces peuvent également constituer un
matériau dans lequel seront découpées des pièces qui rie seront
pas "de révolution". On peut ainsi envisager la fabrication de
baguettes, de rails comportant une zone renforcée.
Une application particulièrement intéressante est la
fabrication de paliers localement autolubrifiants. La matrice
métallique de tels paliers est un alliage de cuivre ou un
alliage d'aluminium. L'élément de renforcement utilisé est du
graphite sous forme de particules ayant une dimension moyenne
de 5 à 500 ~m, éventuellement revêtues d'une couche de nickel
ou de cuivre d'une épaisseur de 1°ordre de 1 à 10 ~ m. La fabri-
cation d'un palier autolubrifiant peut être effectuée à l'aide
d'un dispositif tel que représenté aux figures 4 ou 5. Le
volume de poudre de graphite, revêtue ou non, est fonction de
l'épaisseur et de la concentration en graphite de la zone auto-
lubrifiante souhaitée dans le palier. La coulée de la poudre de
graphite s'effectue par la goulotte 8, la coulée du matériau de
matrice par la goulotte 7 . Afin , d' éviter de piéger des parti-
Cules de graphite sur l'extérieur des pièces de par la solidi-
fication quasi-instantanée de la zone de peau extérieure,
l'arrivée de la poudre dans la zone de mélange poudre/alliage
(10) se fait un petit instant après le début de la coulée du
matériau de matrice. I1 est souhaitable que la coulée de poudre
se termine avant ou, au plus tard, en même temps que la coulée
du matériau de matrice, pour éviter la présence de poudre libre
dans l'alésage. En raison de .la différence de densité entre le
matériau de matrice et la poudre, celle-ci décante immédiate-
ment à l'intérieur de la pièce, cette décantation étant très
amplifiée par l'accélération centrifuge au sein de la pièce
centrifugée ( ~= 20 à 200 g) . Afin d'éviter que la poudre ne
soit rejetée par l'alésage hors de la pièce (surtout dans le
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9
cas de la matrice à lasse cuivre) , il faut arroser très forte-
ment le moule afin de faire progresser très rapidement le front
de solidification vers l'intérieur de 1a pièce, ce qui lui
permet de rattraper les particules et de les emprisonner dans
le matériau de matrice solidifié.
Les pièces ainsi réalisées présentent, comme le montre le
schéma de la figure ~., une forte proportion de graphite dans
l'alésage, le rendant ainsi autolubrifiant.
Des essais ont été effectués dans les mêmes conditions que
1o C~°dessus mais avec des dispositifs de l'art antérieur, pour
fabriquer des pièces de révolution comportant une matrice de
cuivre ou d'alliage de cuivre renforcée par des particules de
graphite. Le matériau de matrice et l'élément de renforcement
ont été mélangés, puis ïntrodui.ts dans le moule en rotation par
x5 l'intermédiaire d'une goulotte unique. On a ainsi obtenu une
pièce moulée comportant sur sa surface, des partïcules libres
de poudre de graphite. Le mélange matériau de matrïce -h élément
de renforcement s'est par conséquent dissocié lors de sa
projection dans le moule.
20 L°rsqu'~.1 s'agit de pièces à matrice en bronze (type UE 12
par exemple) la présence de porosités au sein de la zone
graphitée joue le rôle de poche de lubrification et de pous-
sière provenant de la période de rodage. En effet, lors de
cette période, des particules de graphite et de bronze peuvent
25 s'arracher de la pièce et viennent alors se loger dans ces
porosités, ce .qui évite toute usure par abrasion de la pièce
antagoniste. Cependant, cette présence de porosités peut âtre
réduite en aioutant, dans la poudre de graphite revêtue, de la
poudre d'aluminium, de phosphore, de phosphure de cuivre, de
30 zinc ou de calcium. Le pourcentage très faible, sera fonction
du nombre de porosités que le type d'utilisation du palier
autorisera. L'addition de cette poudre à la poudre de graphite
revêtue se fera de façon très soignée afin d'éviter toute hété-
rogénéité de compos9.tion.
35 Le procédé selon l'invention permet d'obtenir des pièces
de révolution dont la longueur peut varier de 2 à 7000 mm et le
diamètre extérieur de 30 à 7000 mm.
1 N
Le procédé selon l'invention peut également être mis en
oeuvre pour la mise en forme de pièces à matrice organique
renforcée. On peut ainsi réaliser des pièces dont la périphérie
peut être renforcée, par exemple par des particules de carbure
5 de silïcium (SiC) pour la rendre particulièrement résistante à
l'abrasion, ou bien aussi par des particules de graphite afin
de rendre l'extérieur autolubrifiant.
D'autres types de couples matières organiques / éléments
renforçants peuvent étre ainsi réalisés dès lors qu'il est
10 possible d'effectuer, dans la zone de mélange (10), le mélange
matrice / éléments renforçants.
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