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Renforts localisés en application aux disques de frein

20/11/2013

Diffusion réalisée en 2011
Une présentation des résultats du projet a été faite lors de la Commission Technique de la métallurgie des fontes le 15 mars 2011.

Objectifs

L’objectif du projet est d’identifier et de qualifier des solutions d’enrichissement localisé en éléments ciblés. La finalité est avant tout de développer une (des) solution(s) compétitive(s) pour apporter sur pièces de fonderie en matériaux usuels, des propriétés améliorées dans des zones choisies.
En pratique, cela signifie qu’une surface de la pièce devra comporter un (ou des) gradient(s) chimique(s) superficiel(s).

Un des objectifs importants du projet vise à la réalisation d’une pièce prototype de type vanne, raccord ou tubulure, pour laquelle la surface intérieure sera testée vis-à-vis de la corrosion.

Travaux réalisés

travaux 1

Des procédés spécifiques sont en cours de développement dans le cadre du projet, pour permettre l’introduction de poudres métalliques dans le procédé de fonderie, en veillant à la maîtrise des profondeurs affectées. La température à l’interface, c’est-à-dire celle à laquelle la poudre métallique et le métal sont portés, puisqu’en contact intime, est déterminante car elle pilote le régime de diffusion. Or le régime de température est singulier à cet endroit.
Une des difficultés est liée à la modélisation (sous Quikcast) du régime thermique. Les étapes suivantes devront permettre de modéliser les effets du module thermique et de la température de coulée sur l’efficacité de la diffusion.

Un autre aspect majeur du projet touche à la maîtrise de l’introduction des poudres métalliques dans le procédé de fonderie. Les mises au point sont en cours et des conceptions spécifiques ont été réalisées.

En terme de résultats, les essais de faisabilité ont montré qu’il était possible d’enrichir en éléments métalliques la surface d’une fonte GS de type SiMo. Il est ainsi possible d’atteindre en surface interne d’une tubulure (type collecteur d’échappement, d’épaisseur entre 3,5 et 4 mm), une teneur superficielle enrichie en nickel… tout en utilisant 13 fois moins de nickel que si l’alliage était coulé en masse dans cette composition. Un test de corrosion, correspondant à une oxydation à chaud à 850°C, montre que l’enrichissement superficiel affecte profondément l’épaisseur et les caractéristiques de l’oxyde formé. Ces résultats de faisabilité et les enjeux que recouvre un tel processus de fabrication encouragent à poursuivre la R&D.

Points majeurs

En termes de prix, la phase de faisabilité a montré que les prix des poudres sont sensiblement inférieurs à ceux des éléments d’alliages massifs (vérifié sur Ni, Cr, Si). Le rapport des épaisseurs obtenues (300 μm sur une tubulure de 3,8 mm d’épaisseur pour un enrichissement de 1 % en Ni ou Si) permettrait de réduire l’emploi de chaque élément d’un facteur supérieur à 10.

Les essais d’oxydation à chaud ont également montré que le comportement de la surface enrichie par diffusion variait notablement.

Retour Sommaire dossier Projets CollectifsPar ailleurs, deux conférences sur les résultats de ces travaux ont été prononcées à des congrès internationaux :
Les Journées Internationales Francophones de Tribologie (Obernai, 11-13 mai 2011) et le Leeds Lyon Symposium on Tribology (Villeurbanne, 6-9 septembre 2011)

CTIF est partenaire du projet NANOSURF coordonné par l’UTT, qui bénéficie du soutien de la Région Champagne Ardenne, et rassemble de nombreux partenaires autour de la thématique du renforcement des structures par des procédés innovants, dont le SMAT visant d’améliorer les propriétés mécaniques et de surfaces par nano-structuration.
CTIF contribue au projet (avec le soutien de l’ANRT) dans le cadre d’une thèse CIFRE avec l’Ecole Centrale de Lille, sur la compréhension des mécanismes de dégradation des fontes sur disques de frein en vue de la mise en oeuvre de nouvelles solutions pour le freinage des véhicules poids lourds (matériau).

Objectifs

Une des ambitions majeures des producteurs de disques de frein est de pouvoir proposer un produit capable de tenir la durée de vie d’un essieu de camion (1 million de km). Actuellement, le changement des disques tous les 200 à 400 000 km représente un coût de maintenance et de suivi de l’évolution du disque en service majeur, outre le coût en immobilisation du camion lors de l’intervention. Le premier producteur proposant sur le marché un ensemble essieu – disques ayant une durée de vie de 1 million de km, à un prix compétitif (concept « essieu jetable ») disposera d’un avantage concurrentiel fort.renfort 2

 

Travaux réalisés

Des disques de démonstration et d’essai ont été fabriqués à CTIF dans deux nuances inédites:

  • Fonte à l’azote (0,1%)
  • Fonte à structure évolutive (type moule de verrerie)

Ils ont été instrumentés de plusieurs thermocouples et testés sur le tribomètre du Laboratoire de Mécanique de Lille, selon un protocole mis au point dans le projet afin de représenter les conditions d’utilisation en freinage (rodage puis freinages d’arrêt et freinages de maintien, d’intensité croissante).

Le dépouillement des essais permet d’aboutir aux principales conclusions suivantes :

  • l’histoire thermique est fortement influencée par le voile initial du disque et le protocole (énergies et puissances dissipées très progressives),
  • le 3ème corps (mélange de débris du disque et du patin qui s’agglomère à l’interface) a tendance à homogénéiser le contact et limiter le phénomène de points chauds,
  • le disque en fonte évolutive conduirait à des élévations de température un peu supérieures
  • les différences entre les disques sont surtout liées à l’évolution du coefficient de frottement.

Les travaux de simulation numérique pour tester en thermomécanique les pistes matériaux proposées ont été poursuivis.

Points majeurs

L’étude du comportement en situations représentatives des cas rencontrés en service ainsi que l’identification des localisations thermiques et des sollicitations critiques puis l’étude des transformations dues au freinage grâce aux expertises de disques endommagés en service et sur banc ont apporté tout leur éclairage à la compréhension des phénomènes.

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