Préparation métallographique des matériaux antifriction

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1 Préparation métallographique des matériaux antifriction Stephen Andrews, Glacier Vandervell Bearings Michael Rückert, Struers A/S Bill Taylor, Struers Ltd. Revue de Matérialographie Struers 12/2006

2 Structure e-12 12/2006 Rédaction: Bente Freiberg (responsable) Michael Rückert Préparation métallographique des matériaux antifriction e-structure est distribué aux lecteurs dans le domaine de la matérialographie. Struers A/S Pederstrupvej 84 DK-2750 Ballerup Danemark Téléphone Télécopie: Internet: Nos lecteurs sont invités à nous envoyer leurs contributions écrites sur la préparation des échantillons métallographiques, minéralogiques et céramiques ou sur tous sujets y relatifs. Stephen Andrews, Glacier Vandervell Bearings Michael Rückert, Struers A/S Bill Taylor, Struers Ltd. Introduction La société Glacier Vandervell Bearings à Kilmarnock, Ecosse, Grande- Bretagne est l un fabricants des leaders des matériaux antifriction destinés à l industrie automobile. L établissement actuel de Kilmarnock fût ouvert en 1947, emploie aujourd hui près de 500 personnes, et fait partie de la Coopération Dana depuis la fi n Les articles que nous jugerons pertinents seront publiés gratuitement dans Structure avec toutes les illustrations les accompagnant en noir et blanc ou en couleur. Les articles devront être adressés à la rédaction de Structure, imprimés sur papier ou gardés sur disquette. Si un article est envoyé sur disquette, le texte et les images devront être gardés en mémoire sur fi chiers séparés. Nous préférons les formats suivants: Texte: MS Word Images: TIF ou JPG en haute défi nition Dessins: Corell Draw (CDR 10 ou antérieure) ou Adobe Illustrator (AI 9 ou antérieure) L usine de Kilmarnock s est spécialisée dans le développement et la fabrication des bimétaux à base d aluminium et de cuivre, qui sont transformés en coussinets, chemises et rondelles de butée. Les matériaux antifriction à base d aluminium sont produits en 10 alliages différents, allant des alliages relativement simples de AlSnCu aux plus complexes tels que les alliages de AlSnSiNiCuMnV. Le choix d un alliage spécifi que sera déterminé par les propriétés requises pour résister aux conditions de fonctionnement dans les nombreux différents types de moteurs, capacités et niveaux de performance. Première page: SB10

3 3 Production Les deux matériaux antifriction différents sont produits de façons différentes. Alliages cuproplomb Pour les alliages CuPb, les matières premières sont mélangées, fondues et traitées par atomisation pour produire une poudre. Faisant partie intégrante du processus de contrôle qualité à ce stade, a lieu la vérifi cation de la composition chimique, la taille des particules et la forme de ce mélange de poudre avant l opération de frittage. Aux étapes initiales de ce qui est un processus continu, cette poudre est dispersée sur un matériau de bande d acier prépoli et fritté à des températures entre 700 et 800 C. Après un lent refroidissement, le matériau est laminé à l épaisseur requise et formé en bobines. Au stade fi nal du processus, la bobine est soumise à un traitement thermique. C est à ce stade que les échantillons sont prélevés pour le contrôle qualité. La bobine est ensuite tronçonnée, façonnée et usinée pour obtenir le coussinet fi ni. Alliages d étain aluminium Les alliages AlSn sont produits différemment. Un alliage de composition spécifi que est produit à l état de fusion. Cet alliage en fusion est alors continûment coulé en bande qui sont alors enroulée. Cette bande enroulée est par la suite laminée sur un substrat d acier avec une feuille d aluminium pure servant de couche intermédiaire. C est à ce stade que le bimétal est soumis à un traitement thermique. Avant que les bobines fi nies de chacun des matériaux ne soient prêtes pour le reste du processus de production, des échantillons doivent être prélevés pour le contrôle qualité. En plus du test mécanique, la métallographie du produit fait partie intégrante du processus de contrôle qualité. Métallographie Des coupons test sont emboutis dans la bande bimétallique et envoyés au laboratoire. Plusieurs des coupons sont enrobés à chaud ensemble dans un matériau d enrobage bakélite. Après leur enrobage à chaud, les coupons sont tranchés sur une machine de tronçonnage Labotom de Struers à l aide d une meule de tronçonnage 33TRE. Ceci élimine tout dommage dû à l écrouissage produit à l emboutissage du coupon. La taille de l enrobage est de 30 mm. Seuls les échantillons de CuPb ou AlSn sont enrobés ensemble. Jusqu à il y a deux ans, les échantillons de contrôle de la production étaient, dans une large mesure, préparés manuellement à l aide de

4 4 papier de plusieurs tailles de grain. Cette opération s est révélée prendre beaucoup de temps, être coûteuse, et il était diffi cile d obtenir une qualité de polissage uniforme. A cette époque, un certain nombre de sections avaient été confi ées au laboratoire de Struers Ltd afi n d établir si une méthode plus effi cace en matière de coût, d uniformité et de reproductibilité pouvait être développée. Une coopération avec l équipe du laboratoire de Glacier Vandervell a permis de développer une méthode semi-automatique satisfaisant tous les critères des clients en termes de qualité de la préparation d échantillons. Les exigences relatives aux sections après le polissage fi nal sont indiquées ci-dessous: Cuproplomb Polissage général de haute qualité Relief minimal entre la couche de matériau antifriction et le revers d acier pour faciliter l estimation de l intégrité du liant. Des îlots de plomb entièrement développés et polis pour assurer l uniformité de l analyse comparative aux standards. Etape PG FG 1 FG 2 DP OP Support MD-Piano MD-Piano MD-Largo MD-Mol MD-Chem Abrasif Diamant Diamant DiaPro Allegro/Largo Granulométrie/ taille de grain Lubrifi ant Eau Eau DiaPro Mol OP-S Vitesse [t/m] Force [N] Temps [min] Tableau Aluminium étain Polissage général de haute qualité. Relief minimal entre la couche de matériau antifriction, la feuille intermédiaire et le revers d acier pour faciliter l estimation de l intégrité du liant. Egalement pour assurer une analyse comparative uniforme du type, de la taille et de la répartition de différentes phases présentes dans la série d alliages.

5 5 La préparation des enrobages de contrôle de production est alors accomplie sur 2 TegraSystem; l un consistant de TegraPol-11 avec Tegra- Force-1 et un TegraDoser-5, et l autre consistant de TegraPol-11 avec TegraForce-1 et un TegraDoser-1 pour le dosage des produits diamantés. Pour la préparation des échantillons sur TegraSystem, les anciennes méthodes traditionnelles ont été remplacées par une méthode semiautomatique. Un aperçu de cette méthode est montré au Tableau 1. Depuis la mise en service du TegraSystem, la préparation a changé considérablement comparée à la méthode utilisée antérieurement. M. Stephen Andrews, le chef de laboratoire à Glacier Vandervell expli- que:- "Traditionnellement, nous avons toujours prépoli tous nos échantillons en 3 étapes sur papier SiC, granulométrie 600, 1200 et 2400, et une nouvelle feuille de papier était utilisée pour chaque échantillon afi n d assurer que les conditions de prépolissage restent toujours les mêmes. Comme nous préparons de 100 à 120 échantillons par semaine, nous utilisions des quantités considérables de papier de prépolissage SiC. Depuis l installation du TegraSystem, et l emploi de MD-Piano et MD- Largo, nous avons observé que, chaque disque ayant une durée de vie d environ 3 semaines, nous réalisions des économies considérables lorsque l on compare avec la quantité de papier-sic qui serait autrement nécessaire. Cette nouvelle méthode semi-automatique permet aux matériaux antifriction de CuPb et AlSn d être préparés non seulement par le biais de la même méthode, mais aussi ensemble en un même processus de préparation. Comme nous préparons 6 différents matériaux antifriction de CuPb et 10 de AlSn, le fait de n utiliser qu une seule méthode de préparation permet d épargner du temps et de l argent. AS104 SB20 Analyse Après la préparation métallographique des échantillons, les différents matériaux antifriction sont examinés. Pour les matériaux antifriction de CuPb, les aspects suivants sont évalués: Porosité du revêtement Taille de grain du plomb Degré de frittage Particules résiduelles Liant au matériau de base AS16

6 6 Dans les matériaux antifriction de AlSn nous vérifi ons ce qui suit: Porosité du revêtement Degré d orientation du revêtement Tirants de l étain Intégrité du liant de la feuille d alliage Intégrité du liant de la feuille d acier La plupart des aspects mentionnés ci-dessus sont quantifi és par comparaison avec des standards établis, développés par Glacier Vandervell. En dehors des avantages de préparation du TegraSystem, il faut aussi mentionner la facilité d utilisation du système. Laura Watson, la technicienne/métallographe de laboratoire chez Glacier Vandervell indique: "Le niveau d automatisation intégré, aujourd hui disponible, rend maintenant possible une préparation sans intervention nécessaire, laissant du temps libre pour d autres tâches." AS15 Conclusion La préparation métallographique des matériaux antifriction est une étape importante pour assurer une qualité uniforme de la production. Depuis l installation de TegraSystem à Glacier Vandervell, le nombre de méthodes de préparation pour le contrôle de la production a été limité à une seule et unique méthode. Cette optimisation de la méthode de préparation a, de plus, abouti dans des résultats de préparation plus uniformes tout en permettant de réaliser des économies substantielles de consommables. La Prepamatic a été installée il y a 15 ans et est toujours utilisée pour la préparation des échantillons des clients exigeants AS1241 Laura Watson chez Glacier Vandervell préparant des échantillons Trois échantillons peuvent être préparés en même temps Une variété d échantillons préparés, prêts pour l archivage