Etude tribologique du couple acier ferromagnétique/acier

19ème Congrès Français de Mécanique
Marseille, 24-28 août 2009
Etude tribologique du couple acier ferromagnétique/acier
ferromagnétique soumis à un champ magnétique
M. AMIRAT, H. ZAIDI
Laboratoire de Mécanique des Solide UMR 6610, Université de Poitiers, Boulevard Marie et Pierre Curie,
Téléport 2, BP 30179, 86962 Futuroscope ChasseneuiI, France
Résumé :
L'application d'un champ magnétique autour du contact glissant du couple acier ferromagnétique
AISI 1045 / acier ferromagnétique AISI 1045 modifie largement le comportement en frottement et en usure
du contact. Les tests de frottement sont réalisés dans trois environnements gazeux différents : à l'air ambiant,
sous oxygène pur à 105 Pa et sous vide à 5.10-5 Pa.
A l'air ambiant et sans champ magnétique, le contact reste ductile métal/métal. Sous champ
magnétique, le contact change progressivement avec le nombre de cycles de glissement. Ce contact a un
faible coefficient de frottement et l'usure devient douce. Sous oxygène et sans champ magnétique, le contact
passe d'une usure par abrasion au début du glissement à usure douce après la formation du film d'oxyde
due à la pression partielle d'oxygène. Le taux d'usure obtenu sous oxygène est plus faible que celui obtenu à
l'air ambiant, avec un rapport d'environ 20 fois pour le pion et 10 fois pour le disque. Le coefficient de
frottement µ diminue de la valeur moyenne µ = 0,48 à la valeur moyenne µ = 0,38. En appliquant un champ
magnétique sous oxygène, le taux d'usure diminue légèrement. Sous vide, l'augmentation de la dureté de la
surface de contact génère un transfert des particules du disque vers le pion. Ce transfert modifie la
morphologie de la piste d'usure. Le transfert des particules diminue le coefficient de frottement et conduit à
une forte usure adhésive. Le comportement tribologique obtenu sous vide reste quasiment le même en
appliquant un champ magnétique.
Abstract :
Applying a magnetic field around the rotating sliding ferromagnetic steel AISI 1045/steel AISI 1045
modifies the friction and the wear behavior of the contact. The friction tests where conducted in both
ambient air and pure oxygen at 105 Pa and in high vacuum chamber at 5x10-5 Pa.
In ambient air and without magnetic field, the contact is ductile metal/metal. Under magnetic field
the contact evolves progressively with the number of sliding cycles. This contact has a low friction and a soft
wear. Under oxygen and without magnetic field, the contact passes from an abrasive wear at the beginning
of sliding to the smooth wear after the formation of oxide film due to the partial pressure of oxygen. The
wear rate under oxygen is lower than that in ambient air with a ratio of approximately 20 times for the pin
and 10 times for the disc. The friction coefficient µ decreases from the average value µ = 0.48 to the average
value µ = 0.38. With application of the magnetic field under oxygen, the wear rate decreases slightly. In
vacuum, the increase in surface hardness of the contact causes a transfer of particles from the disc towards
the pin. This transfer modifies the morphology of the wear track. The transfer of particles decrease the
friction coefficient and lead to a strong adhesive wear. The tribological behavior resulting in vacuum
remains almost the same with the magnetic field.
Mots clefs : coefficient de frottement, taux d’usure, oxydation, environnement gazeux
1
Introduction
L’effet d’un champ magnétique externe a été reporté par Muju et Ghoch [Muju, 1977], ils ont
suggéré que l’application du champ magnétique à des matériaux solides ferromagnétiques accélère le
mouvement des dislocations du volume du matériau vers la surface de contact.
1
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Hiratsuka et Sasada [Hiratsuka, 1987] ont révélé l’effet lubrificateur des gaz moléculaires sur l’usure
adhésive. Ils ont observé que l’usure adhésive peut se produire seulement lorsque les spécimens sont des
métaux de transition (Fe, Cu, …). Ce processus est dû à l’activation de la chimisorption associée par les
défauts de lacunes sur la surface de contact. Ils ont conclu que l’atmosphère est une variable importante sur
la transition d’usure.
Paulmier, Zaïdi [Paulmier, 1995] [Zaidi, 1995] et Chin [Chin, 2003] ont observé que l’application
d’un champ magnétique à la température ambiante, diminue les fluctuations du coefficient de frottement et le
taux d’usure, et augmente ainsi la microdureté de la surface de frottement. De plus, ils ont conclu que la
densité des dislocations augmente dans la subsurface du contact magnétisé.
Dans cette étude, le frottement et l’usure du couple ferromagnétique/ferromagnétique seront
caractérisés à l’air ambiant, sous oxygène et sous vide, sous différentes pressions partielles d’oxygène pour
analyser le phénomène de la chimisorption d’oxygène. Car, dans les études antérieures, nous ne nous
disposons pas de données complètes sur l’oxydation du contact magnétisé sous oxygène ou sous vide.
Dans ce cadre, nous allons discuter et mettre en évidence les mécanismes mis en jeu dans le contact
glissant en présence et en absence du champ magnétique à travers le contact dans les trois différents
environnements gazeux (air ambiant, sous oxygène et sous vide). Nous allons caractériser également par
microscopie et par diffraction des rayons X, les différentes surfaces de contact et les débris d’usure obtenus
avec et sans champ magnétique.
2
Procédé expérimental
Les tests d’usure et de frottement menés pour cette étude ont été effectués sur un tribomètre pionsur-disque, localisé dans une enceinte sous vide en acier inox. Pour investiguer l’effet du champ magnétique
sur le comportement tribologique des matériaux ferromagnétiques, une bobine a été placée autour du porte
pion parcouru par un courant électrique qui permet de produire un champ magnétique perpendiculaire à la
surface de contact. L’intensité du champ magnétique varie entre 0 et 40 kA/m suivant l’intensité du courant
électrique.
Le matériau utilisé pour les pions et les disques est le même, c’est l’acier carboné ferromagnétique
AISI 1045. La composition chimique et les propriété mécaniques de l’acier utilisé sont montrées sur les
tableaux I et II . La dureté des échantillons avant l’essai est 240 Hv.
Les disques utilisés ont un diamètre de 70 mm ; les pions également sont des cylindres en acier AISI
1045 de diamètre 5 mm et de longueur 15 mm, à face plane de rugosité 0,3 µm. La vitesse de glissement est
fixée à une valeur constante V = 0,5 m/s et le rayon de la piste d’usure est de 25 mm. La surface de contact
est polie à l’aide d’un papier abrasive d’un grade qui varie entre 600 et 2400 sont nettoyées par l’acétone
avant chaque test.
Les tests sont réalisés sous trois types d’environnement gazeux, à l’air ambiant, sous oxygène à une
pression de 105 Pa et sous vide à une pression de 5.10-5Pa. La température ambiante est environ 21°C,
l’humidité relative varie entre 30% et 40% à l’air ambiant.
Le taux d’usure du pion et du disque est obtenu par leurs pertes de masse. Les essais sont réalisés
sous quatre différentes charges normales appliquées au contact 9,25 N ; 18,5 N ; 27,75 N et 37 N. Ces
charges sont obtenues à l’aide des masses mortes. L’évolution du coefficient de frottement et du taux d’usure
sont obtenus dans un intervalle de temps régulier qui est égale à 30 minutes.
3
Résultats et discussion
3.1 Frottement
La figure 1 montre l’effet de l’environnement gazeux et du champ magnétique sur l’évolution du
coefficient de frottement en fonction de la distance de glissement du couple acier ferromagnétique/ acier
ferromagnétique pour une charge normale donnée N = 37 N. L’application du champ magnétique à l’air
ambiant modifie complètement le comportement tribologique du contact glissant. Les courbes de la figure Ib, illustrent l’évolution du coefficient de frottement dans les différents environnements gazeux, sous l’action
du champ magnétique d’intensité H = 20 kA/m.
A
l’air
libre,
l’application
du
champ magnétique diminue le coefficient de frottement de
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0,5 (Fig 1-a) à 0,43 (Fig 1-b). Différents tests réalisés à l’air ambiant en présence du champ magnétique
montrent que les faibles intensités magnétiques (H < 5 kA/m), n’ont pas une grande influence sur le
frottement et l’usure du couple.
Air ambiant
Oxygène
Sous vide
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
200
400
600
800
Distance de glissement (m)
Coef. de frottement
Coef. de frottement
Sous oxygène pur, le coefficient de frottement diminue de µ = 0,42 (Fig 1-a) à µ = 0,3 (Fig (1-b) en
présence du champ magnétique (H = 20 kA/m), de plus les fluctuations autour de la valeur moyenne du
coefficient de frottement sont réduites dans cette atmosphère. La figure I-b, montre clairement que le plus
faible coefficient de frottement est enregistré sous oxygène, avec une valeur moyenne µ = 0,3 sous un champ
magnétique d’intensité H = 20 kA/m. Sous oxygène, le contact passe d’une usure abrasive sévère, au début
du glissement et durant quelques secondes, à une usure douce après la formation de la couche d’oxyde. Au
début des tests, en présence du champ magnétique, l’épaisseur de la couche d’oxyde s’accroît jusqu’à ce que
la piste de friction soit recouverte, cette couche est extrêmement mince et poreuse.
1000
Air ambiant
Oxygène
Sous vide
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
(a)
200
400
600
800
Distance de glissement (m)
1000
(b)
FIG. 1- Évolution du coefficient de frottement avec et sans champ magnétique dans les trois environnements
gazeux (N = 37 N, v = 0,5 m/s, t = 30 min) ; (a) H = 0 kA/m, (b) H = 20 kA/m
Sous vide, le champ magnétique n’a pratiquement aucun effet sur le coefficient de frottement, il reste
quasiment stable autour de µ = 0,38 pour N = 37 N. Sous vide et en présence du champ magnétique, la piste
d’usure reste ductile sans formation de couche d’oxyde.
Nous pouvons remarquer que l'évolution de µ présente deux phases distinctes et ce dans les
différents environnements gazeux :
-
la première, concerne la phase transitoire (de rodage) qui correspond à une distance de
glissement d’environ 50 m et au cours de laquelle, µ évolue entre les deux coefficients de
frottement statique et dynamique,
-
la deuxième, caractérise un régime stationnaire, dans lequel µ fluctue autour de sa valeur
moyenne.
La relation entre la charge normale et le coefficient de frottement du couple acier/ acier tend vers un
coefficient stable, en augmentant la charge normale. Nous avons effectué également des tests sous des
charges normales importantes allant jusqu’à N = 75 N. Au delà de 60 N, µ demeure quasiment stable quel
que soit le type d’atmosphère.
3.2 Usure
A l’air ambiant, l’effet du champ magnétique sur le taux d’usure est significatif, remarquant que
l’application d’un champ magnétique suffisant (H = 10 kA/m) diminue le taux d’usure de 6 à 10 fois (Tab. 1).
De la même façon l’augmentation de l’intensité du champ magnétique jusqu’à 20 kA/m à l’air ambiant,
diminue davantage le taux d’usure.
L’effet du champ magnétique sur la tribologie du contact à l’air libre reste valable jusqu’à une
intensité limite H = 40 kA/m. Au delà de cette limite, d’autres effets se manifestent : augmentation de
l'attraction magnétique et de la température de contact due aux courants de Foucault. De plus, les particules
d’usure non oxydées, résultant de l’usure abrasive au début du glissement, restent piégées à cause de la forte
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attraction magnétique.
Sous oxygène et pour les mêmes conditions appliquées du glissement, le taux d’usure est très faible
par rapport à celui obtenu à l’air ambiant. Le rapport entre le taux d’usure obtenu à l’air ambiant et celui
obtenu sous oxygène est, respectivement, de 8 à 10 fois plus faible avec champ magnétique, et est d’environ
30 à 40 fois plus faible sans champ magnétique.
Le processus d'usure sous vide est complètement différent aux deux premières atmosphères. Notons
ici qu’en dépit d'une usure adhésive sévère, le transfert des particules permet au pion de récupérer le poids
perdu au début du glissement. Ainsi le taux d'usure du pion reste faible et présente une légère fluctuation
estimée entre 10-4 et 5 10-4 g/m. En revanche, le disque perd quasiment le même poids que celui perdu à l’air
ambiant avec ou sans champ magnétique, car sous vide le champ magnétique ne génère pas de couche
d’oxyde. La faible diminution du taux d’usure en présence du champ magnétique sous vide peut s’expliquer
par l’attraction magnétique des particules d’usure sur l’interface et par les modifications magnétostrictives de
la surface de contact.
Intensité magnétique
(kA/m)
Air ambiant
Sous oxygène
Sous vide
0
10
20
40
0,8
0,0015
0,37
0,08
0,009
0,36
0,06
0,008
0,35
0,04
/
0,35
Taux d’usure en gramme du pion en acier dans les différents environnements
(N = 37 N, v = 0,5 m/s, t = 30 min)
3.3 Formation de la couche d’oxyde
Le film d’oxyde se forme dans le tribocontact magnétisé dans les trois conditions suivantes : à l’air
ambiant avec champ magnétique d’intensité H > 5 kA/m, sous oxygène avec et sans champ magnétique. La
surface de contact dans ces conditions est recouverte partiellement ou totalement selon le cas par un film
d’oxyde (Fig.III.7). Durant le glissement du couple acier/acier, le film d’oxyde se forme progressivement sur
la piste usée. En effet, sous champ magnétique, la piste de frottement du disque, commence par une usure
métallique abrasive, pendant les premières dizaines de cycles de friction, puis le film commence à prendre
naissance. Si la charge normale appliquée au contact et l’intensité du champ magnétique sont faibles
(N = 9,25 N, H = 5 kA/m), l’usure abrasive au début du glissement persiste longtemps, et la nucléation du
film d’oxyde commence à partir de la quatrième minute ou du moins commence à être visible à l’oeil nu.
Quand la charge normale augmente avec une faible intensité magnétique (N > 9,25 N, H = 5kA/m), l’usure
abrasive s’accentue, puis génère des grandes particules métalliques d’usure. La nucléation du film d’oxyde
commence à partir de la quatrième minute de glissement. La charge normale n’a pratiquement aucun effet
sur la nucléation du film d’oxyde.
Cependant, quand l’intensité du champ magnétique augmente, la phase d’usure abrasive diminue et
la formation du film prend place rapidement.
Les différentes étapes de la nucléation du film d’oxyde du contact magnétisé depuis le début de
glissement sont :
génération de gros débris métalliques d’usure au début du glissement,
fragmentation en petites particules,
agglomération et compactage sur la surface usée,
oxydation partielle ou totale de la surface de contact.
Notons que, la taille des particules générées pendant ces dernières étapes augmente avec la charge
normale et elle diminue lorsque l’intensité magnétique augmente.
3.4 Influence du champ magnetique et de l’environnement gazeux sur la piste
d’usure
Le glissement dans les différents environnements commence par une usure abrasive qui dure
quelques dizaines jusqu’à des centaines de cycles en fonction du type d’environnement.
A l’air ambiant, le contact glissant sans champ magnétique est un contact métal/métal caractérisé par
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un régime d’usure sévère abrasif, accompagné par des déformations plastiques de la surface de contact et des
rayures très profondes (Fig. 2-a). En présence du champ magnétique, l’usure devient douce et stable. En effet,
le champ magnétique modifie la nature du contact, les pistes d’usure sont alors couvertes de particules
d’oxyde de fer. Pendant le début du frottement sous champ magnétique, l’épaisseur de la couche d’oxyde
s’accroît jusqu’à recouvrir totalement la piste de contact (Fig. 2-b). Ces particules d’usure sont réinsérées
dans l’interface de contact et seront broyées plus finement pour protéger la piste de frottement.
Sous oxygène et en absence du champ magnétique, la piste de frottement présente une surface moins
rugueuse et recouverte partiellement d’une couche d’oxyde (Fig. 2-c). Alors qu’en présence du champ
magnétique, la couche d’oxyde recouvre totalement la surface de frottement (Fig. 2-d). Dans ces deux cas, la
pression partielle d’oxygène augmente autour du tribocontact, l’usure abrasive se manifeste juste au début de
glissement pour une durée de 1 à 2 min environ. Sous oxygène, la nucléation du film d’oxyde prend
naissance plus rapidement. Les débris d’usure dans cette atmosphère sont plus fins. En présence du champ
magnétique, la couche d’oxyde rend la surface moins rugueuse. En effet, les particules d’oxyde restent
attachées à la piste de contact et forment ainsi un lubrifiant solide qui réduit le taux d’usure [Zaidi, 1995].
Particules
piégés dans
l’interface
500µm
100µm
500µm
(a)
(b)
Oxydation
quasi-totale
Oxydation
partielle
500µm
100µm
100µm
500µm
(c)
100µm
(d)
Particules de
transfert
500µm
100µm
(e)
500µm
100µm
(f)
FIG. 2- Micrographie de la piste d’usure du pion en acier dans différents environnements gazeux
(N = 37 N, t = 30 min, v= 0,5 m/s),
(a) air ambiant (H = 0 kA/m), (b) air ambiant (H = 20 kA/m),
(c) sous oxygène (H = 0 kA/m), (d) sous oxygène (H = 20 kA/m),
(e) sous vide (H = 0 kA/m), (f) sous vide (H = 20 kA/m).
Sous vide, en absence du champ magnétique, le frottement devient plus sévère qu’à l’air ambiant
(Fig. 2-e). La basse pression autour du contact conduit à une forte adhérence, suivie par des microsoudures
des jonctions de contact. Il y a donc un transfert de la matière du disque vers le pion. Ce transfert provoque
un arrachement de grosses particules du disque. La taille de ces particules est 10 fois plus grande que
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celle des débris obtenus à l’air libre. Après la phase de rodage qui dure quelques secondes, une forte
adhérence est associée au piégeage des particules sur la piste de contact et provoque une adhérence plus
sévère. En présence du champ magnétique sous vide, les particules d’usure sont retenues par l’effort
d’attraction magnétique dans la piste de contact, car ces particules sont métalliques (ferromagnétiques) et
restent maintenues dans l’interface de contact. Ces particules augmentent naturellement le transfert (Fig. 2-f).
Lorsque la pression des gaz dans l’enceinte descend à 5.10-5 Pa, la fréquence de collision des
surfaces par les gaz, est réduite à environ 1,5.1018 atome.m-2.s-1, ce qui correspond à un choc par atome de la
surface toutes les 0,15 s, soit 0,45 choc par cycle de rotation du disque. Cette fréquence sous vide ne conduit
pas à la formation d’une couche d’oxyde. Par ailleurs, à l’air ambiant, un atome de la surface de contact subit
des millions de chocs pendant une seconde [Atkins, 2005].
4
Conclusion
Il ressort de cette étude expérimentale que le comportement tribologique du couple acier
ferromagnétique/acier ferromagnétique en contact glissant dépend essentiellement de l’intensité du champ
magnétique appliqué et de la pression partielle de l’oxygène. Compte tenu de nos essais, l’oxydation du
couple acier ferromagnétique/acier ferromagnétique soumis à un champ magnétique est due principalement à
la chimisorption d’oxygène, au compactage des fines particules d’usure retenues dans l’interface et à la
fragilisation des jonctions de contact.
Le comportement en frottement du couple acier/acier varie largement d’un environnement gazeux à
un autre. A l’air ambiant, le coefficient de frottement µ varie de 0,55 pour N = 9,25 N à 0,48 pour N = 37 N.
L’application du champ magnétique diminue le coefficient au fur et à mesure que l’intensité magnétique
augmente et ceci jusqu’à une valeur limite de H = 40 kA/m (confirmé par des essais à 50 et 60 kA/m).
Sous oxygène, l’usure est très douce et le coefficient de frottement est faible, il vaut 0,4 pour
N = 37 N. L’application du champ magnétique sous oxygène, diminue progressivement µ pour atteindre une
valeur minimale de 0,3.
Sous vide, µ diminue légèrement en augmentant l’intensité du champ magnétique. Cette légère
baisse est due à l’augmentation de la dureté de l’interface et au ramollissement des jonctions de contact.
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