Développement de disques de frein à haute conductivité thermique : application aux matériaux composites à matrice aluminium
Institution:
ValenciennesDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
The use of light materials is more and more frequent in the field of railway transportation and braking devices are foremost in this respect because of the interest in reducing non suspended masses. Research aimed to optimising a “disc/pad” couple has essentially relied on tribological characterisations, and in particular on material transfers and on wear and damage process. Two designs have been considered for the reduced scale discs : the multimaterials discs with a coating or a molybdenum flask and the aluminium matrix composite integral discs. Various friction materials have been tested through short-length continuous braking tests of (120s) and through endurance braking tests (1200s). The composite materials are produced using the liquid method, and more particulary the vortex method. SiC particles are incorporated by mechanical mixing in an aluminium bath heated to semi-liquid state; the manipulation is carried out under a neutral gas called argon in order to avoid the material oxydation. The production parameters and the design of the mould have been optimised in order to obtain a good repartition of the reinforcement and to control porosity as well as cracks. A molybdenum coating sprayed on aluminium-based disc has been found to be unworkable since the strong difference between the thermal expansion coefficients of molybdenum and aluminium induces disbonding and crazing of the coating. The design of a solid molybdenum friction disc clamped on aluminium alloy stand disc seems more realistic and in that case, two pads – organic and ceramic – have drawn our attention. This disc seems to be particulary adapted to emergency braking. The “aluminium titanate pad / CuBe 1. 9 disc” brake system has shown remarkable tribologic performances but the use of this CuBe 1. 9 alloy seems very problematic for reasons of hygiene and health, berrylium being carcinogenic. As regards the composite materials, the effect of the type of matrix (AG3 and AS18UNG), the properties of the SiC reinforcement (12 µm, 75 µm, angular, spherical ) and its volume fraction (0, 4, 8, 10 % ) have been studied. The AS18UNG matrix composite brake discs reinforced with 10% of SiC, coupled with an organic pad, have been particulary interesting with low wear rates, good stability and a good level of the friction coefficient. Compared to the classical “organic pad / steel disc” brake system, this conception leads to a notable lightening of the disc without penalising the tribological performances, in particular under spraying
Abstract FR:
Le recours aux composants légers est de plus en plus fréquent dans le domaine des transports ferroviaires et le système de freinage est concerné au premier degré vu l'intérêt à réduire les masses non suspendues. Les recherches visant à l'optimisation d'un couple disque/garniture se sont essentiellement appuyées sur des caractérisations tribologiques et notamment sur l'étude des transferts de matière, des mécanismes d'usure et d'endommagement. Deux conceptions de disques réduits sont étudiées : les disques multi matériaux à revêtement ou flasque en molybdène et les disques monoblocs en matériaux composites a matrice aluminium. Différents matériaux de friction ont été testés en configuration de freinage de maintien de courte durée (120s) et d'endurance (1200s). Les matériaux composites sont élaborés par la méthode du vortex. Les particules de SiC sont incorporées par brassage mécanique dans le bain d'aluminium qui est à l'état semi-liquide ; la manipulation a lieu sous gaz neutre, l'argon, pour éviter l'oxydation du matériau. Les paramètres d'élaboration du composite et la conception du moule ont été optimisés de manière à obtenir une bonne répartition du renfort et à maitriser la porosité ainsi que les retassures. Il est apparu que la déposition de molybdène sur un substrat en alliage d'aluminium n'est pas envisageable puisque des décohésions sont survenues. La solution du disque AG3 avec flasque molybdène est plus réaliste. Ce disque semble être particulièrement adapté aux freinages d'urgence. Les disques en alliage de cuivre-béryllium ont présenté au contact du plot céramique des résultats intéressants mais l'utilisation de ce type de matériau nous est apparue très problématique, le béryllium étant cancérigène. Concernant les matériaux composites, l'incidence de la matrice (AG3 et AS18UNG), des caractéristiques du SiC (taille, forme) et de sa fraction volumique a été étudiée. Les disques en composite à matrice AS18UNG renforcée a 10% de SiC globulaire, couplés à une garniture organique se sont avérés particulièrement intéressants : bonne tenue à l'usure, stabilité et niveau du facteur de frottement. Comparée à la configuration classique « garniture organique/disque acier », cette conception conduit à un allègement notable du disque sans pénaliser les performances tribologiques, notamment sous aspersion.