Effet de l`environnement sur le processus d`adhérence des

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Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007
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Effet de l’environnement sur le processus d’adhérence des particules
d’usure sur les surfaces du contact magnétisé du couple laiton /acier
Mohamed Amirat, Hamid Zaïdi et Jean Frêne
Laboratoire LMS, UMR 6610, Université de Poitiers, UFR Sciences, Boulevard Marie et Pierre Curie,
Téléport 2, BP 30179 ,86962 FUTUROSCOPE CHASSENEUIL, FRANCE
email adresse : [email protected]iv-poitiers.fr
Résumé :
Le comportement tribologique du couple glissant magnétisé laiton / acier dépend fortement de
l’environnement gazeux autour du tribocontact, de la pression du gaz et de l’intensité du champ
magnétique appliqué autour de la piste de contact. Les tests sont réalisés sous trois environnements : à
l’air libre, sous oxygène à 10
5
Pa et sous vide poussé à 5.10
-4
Pa. Le plus grand coefficient de frottement
est enregistré à l’air libre. En revanche, le taux d’usure le plus grand correspond à l’oxygène. Sous vide,
le transfert des particules diminue le frottement et le taux d’usure.
L’application du champ magnétique modifie les propriétés mécaniques des surfaces de contact du couple.
Il modifie particulièrement la dureté des surfaces de contact. A l’air ambiant et sous oxygène, le champ
magnétique diminue le coefficient de frottement. Cependant, sous vide, l’influence du champ magnétique
est insignifiante. Ceci est dû au manque d’oxygène dans cette atmosphère.
Mots-clefs : frottement, environnements, champ magnétique.
Abstract :
The tribological behavior of the slipping couple magnetized brass/steel strongly depends on the gas
environment around the tribocontact, the pressure of gas and the intensity of the magnetic field applied
around the sliding track. The friction coefficient and wear rate are carried out under three
environments: in air, in pure oxygen at 10
5
Pa and in vacuum at 5.10
-4
Pa. The largest friction
coefficient it mesured in air. Therefore, the largest wear rate it observed under oxygen. Under vacuum,
the process of transfer particles increases the friction and the wear rate.
The application of the magnetic field modifies the mechanical properties of contact surfaces. It
particularly modifies the hardness of contact surfaces. In ambient air and under pure oxygen, the
magnetic field decreases the friction coefficient. However, in vacuum, the influence of the magnetic field
is unimportant. This is due to the lack of oxygen in this atmosphere.
Keywords : friction, environments, magnetic field.
1 Introduction
Le cuivre et ces alliages, notamment le laiton CuZn, sont des matériaux largement utilisés
dans les contacts tournants des machines, comme le recouvrement des roulements, les bagues,
etc… L’usure générée par glissement est un paramètre important dans le comportement de ces
éléments tournants. Ainsi, il est nécessaire de connaître les mécanisme d’usure de ces matériaux
et d’identifier les différents phénomènes de contact comme le transfert des matériaux, le
transfert des particules d’usure Hiratsuka et al.(2000), l’usure abrasive, adhésive et transition
d’usure. Le mécanisme de transition d’usure est facilement attribué à la formation du film
d’oxyde sur la piste d’usure Sasada et al. ( 1992). D’autre part, notons bien la transition d’usure

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initiale et la transition d’usure sévère, d’usure douce du couple sous vide comme l’a observé par
Hiratsuka et al. (1989). Cette transition est due au processus de transfert.
Dans la présente étude nous allons présenter, le processus de l’usure adhésive du contact,
la transition d’usure, l’évolution du film de laiton et l’évolution des particules de transfert dans
les trois différentes atmosphères, avec et sans application du champ magnétique. La dureté des
particules d’usure, des particules de transfert et des subsurfaces du pion et du disque ont été
mesurées et corrélées avec le mode d’usure.
2 Le procédé expérimental
Les essais de frottement et d’usure ont été suivis sur un tribomètre pion/disque placé dans
une enceinte où on peut créer le vide jusqu’à 5.10
-4
Pa. Quatre valeurs différentes de charges
normales appliquées ont été choisies de 9,25 N à 37 N.
Les matériaux étudiés sont le laiton CuZn avec la composition chimique suivante : 64% du
cuivre et 36% du zinc, l’acier AISI 1045 de composition chimique suivante : Fe + C (0,45% à
0,51%), Mn 0,5%, Si < 0,1 et P < 0,035%. Les disques utilisés sont en acier de diamètre 70
mm. Les pions ont une forme cylindrique de longueur 15 mm et une surface de contact plane
circulaire de diamètre 5 mm. Les surfaces de contact sont polies successivement avec du papier
abrasif grade 500, 1200, 2400 et 4000. Puis nettoyées à l’éthanol en solution avant chaque test.
Le champ magnétique est appliqué autour du pion et est produit par un courant continu
appliqué dans une bobine qui entoure le pion. L’intensité du champ magnétique varie entre 0 et
40 kA.m
-1
suivant l’intensité du courant électrique. L’usure du pion et celle du disque est
obtenue par mesure de leurs pertes de poids. Pour étudier les mécanismes de transfert, des
observations ont été faites au moyen d’un microscope électronique à balayage et par analyse par
diffraction des rayons X. Ces analyses ont été réalisées pour caractériser la composition des
débris d’usure, de la piste d’usure et des particules de transfert sous vide.
3 Résultats
Chaque essai expérimental a été répété trois fois et nous avons retenu la valeur moyenne.
3.1 Frottement
Les résultats des mesures du coefficient de frottement sous les différents environnements
gazeux et sous différentes charges normales appliquées au contact avec et sans champ
magnétique sont regroupés sur la figure 1. L’évolution du coefficient de frottement montre que
l’environnement du contact et le champ magnétique jouent un rôle très important sur le
coefficient de frottement du couple laiton / acier. A l’air ambiant, le coefficient de frottement µ
reste quasiment stable dès les premiers cycles du contact. La présence du champ magnétique
conduit à une diminution de µ de la valeur 0,25 jusqu’à une valeur moyenne µ = 0,23. La Figure
1-b montre que l’évolution du coefficient de frottement sous champ magnétique suit une forme
parabolique au début de contact dans les trois environnements. Sous oxygène, le coefficient de
frottement diminue jusqu’à une valeur moyenne µ = 0,23. Le champ magnétique sous oxygène
réduit le coefficient de frottement jusqu’à une valeur moyenne µ = 0,19 ; l’évolution
parabolique dans ce cas atteint une distance de glissement moyenne de 70 à 100 m.
La plus basse valeur du coefficient de frottement est enregistrée sous vide à une valeur
moyenne µ = 0,19. Après environ 200 m de glissement, le coefficient de frottement remonte
lentement pour atteindre sa valeur moyenne µ = 0,19. La présence du champ magnétique sous
vide a un faible effet sur le frottement, la valeur moyenne de µ devient 0,18.

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0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0 200 400 600 800 1000
Distance de glissement (m)
Coefficient de frottement
Air
Oxygène
Vide
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0 200 400 600 800 1000
Distance de glissement (m)
Coefficient de frottement
Air
Oxygène
Vide
(a) (b)
F IG . 1 – Evolution du coefficient de frottement du couple laiton/acier sous différents
environnements (P = 18,5 N, v = 0,5m.s
-1
, t = 30 min); (a) (H = 0 kA.m
-1
), (b) (H = 40 kA.m
-1
)
3.2 Usure
Le tableau 1 donne le taux d’usure du couple laiton/acier sous les différentes conditions de
l’étude. Le taux d’usure le plus grand est mesuré sous oxygène. A l’air ambiant, le taux d’usure
est plus faible que celui sous oxygène. La différence du taux d’usure entre les deux dernières
atmosphères est d’environ 5% sans champ magnétique. La taille moyenne des débris d’usure est
de l’ordre de 0,05 à 0,4 mm à l’air ambiant et est de 0,1 à 1 mm sous oxygène. A l’air ambiant,
l’application du champ magnétique augmente le taux d’usure d’environ 8% pour l’intensité
H = 20 kA.m
-1
et d’environ 13% pour H = 40 kA.m
-1
. Sous oxygène, l’augmentation est plus
importante, telles que la différence est d’environ 14% et de 20% pour H = 20 kA.m
-1
et
H = 40 kA.m
-1
, respectivement.
Le plus bas taux d’usure est obtenu sous vide, ce taux d’usure diminue d’un rapport de 5 à
6 fois par rapport au taux mesuré sous oxygène. Les débris d’usure obtenu sous vide ont une
forme ovale, cette forme représente une agglomération des petites particules. La taille des débris
d’usure varie entre 0,2 et 0,8 mm de longueur. Ainsi, le champ magnétique diminue le taux
d’usure sous vide d’environ 10 à 15 %.
Tableau 1 : effet du champ magnétique sur le taux d’usure sous différents type
d’environnements (P = 18,5 N ; V = 0,5 m.s
-1
)
Environnements air oxygène vide
Champ magnétique
H (A.m
-1
) taux d’usure (mg/N)
0
2.10
-4
4.10
-4
4,18 ± 0,27
4,50 ± 0,37
4,70 ± 0,05
4,36 ± 0,32
4,97 ± 0,48
5,29 ± 0,064
0,64 ± 0,36
0,53 ± 0,59
0,47 ± 0,08
3.3 Influence du champ magnétique sur la dureté
Afin d’étudier l’influence du champ magnétique sur la piste de contact, nous avons
appliqués un champ magnétique d’intensité 4.10
4
A.m
-1
perpendiculaire à la piste de contact.
Dans le cas des couples des matériaux ferromagnétiques le champ magnétique conduit à une
réduction du coefficient de frottement et à une baisse du taux d’usure par un facteur de 10 à l’air
ambiant Chin et al (2005).

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L’application du champ magnétique génère une augmentation de la micro dureté de la piste
de contact du pion en laiton. Les mesures de dureté des films de laiton transférées sur le disque
en acier montrent que les particules transférées sous vides sont les plus dures. Leurs dureté
augmente d’environ 18% sans champ magnétique et de 24 % avec champ magnétique. Sous
oxygène, la dureté augmente d’environ 10% et 7% avec et sans champ magnétique,
respectivement. Ainsi, l’augmentation de la dureté et d’environ 8% et 6% avec et sans champ
magnétique à l’air ambiant, respectivement.
4 Discussion
Les différents résultats expérimentaux obtenus montrent que le type du film de laiton
transféré dépend de l’atmosphère gazeuse autour du contact et non pas de l’intensité du champ
magnétique appliqué.
A l’air libre, le mécanisme d’usure est adhésif. Au début du contact l’usure commence par
une abrasion sévère jusqu’à la distance de glissement de 30 à 40 m qui correspond à la
stabilisation de l’évolution du coefficient de frottement (Fig. 1-a). Un changement d’usure est
aperçu dès que l’évolution du coefficient de frottement se stabilise, l’usure devienne adhésive,
ce changement est dû au dépôt d’un film de laiton sur le disque en acier. Le film de laiton est
constitué de fines particules transférées sur la piste d’usure, l’épaisseur de ce film varie entre 3
et 5 µm (Fig. 2-a). Le dépôt du film est expliqué par l’abrasion du métal doux par le métal le
plus dur, ainsi le film est formé sans interruption et successivement jusqu’au recouvrement
totale de la piste d’usure. Le film adhère à l’interface du contact et permet à la modification de
la rhéologie de contact par la réduction de la force de frottement dans la piste d’usure, facilite le
glissement et diminue l’endommagement dû aux déformations plastiques. L’application d’un
champ magnétique conduit à une diminution du coefficient de frottement et à une légère
augmentation du taux d’usure. Le champ magnétique augmente l’écoulement des dislocations
vers l’interface de contact Maju et al. (1979). Ainsi les domaines de Weiss commence à
disparaître et la mobilité des dislocations augmente Muju et al. (1979). Ceci conduit à une
déformation des matériaux plus facile et au durcissement de l’interface dû à l’agglomération
des dislocations Maju et a.l ( 1979) .
Sous oxygène, on constate le même processus de transfert du film de laiton, sauf que la
distance de glissement qui correspond à l’usure abrasive au début de contact est d’environ
100 m. Les particules transférées sous oxygène sont plus fines qu’à l’air ambiant (Fig. 2-b). La
dureté de l’interface de contact augmente d’environ 7 %. Ce durcissement est dû à l’inclusion
des atomes d’oxygène de l’environnement dans le métal Hiratsuka (1995). La contrainte de
cisaillement du métal augmente juste par l’inclusion d’une petite quantité d’atome comme
impureté de l’environnement extérieur Mckinily (1956). Ce durcissement de l’interface modifie
les propriétés mécaniques des deux matériaux et rend les aspérités de contact plus dures et plus
denses. L’augmentation de la densité des aspérités facilite le glissement du pion sur le disque et
diminue le coefficient de frottement au niveau du contact. La cause de l’augmentation de la
contrainte de cisaillement à l’interface de contact est apparue sur la taille des débris d’usure. La
taille des débris d’usure est de 1,5 à 2 fois plus grande sous oxygène qu’à l’air ambiant.
L’application du champ magnétique au contact sous oxygène accélère l’adsorption chimique de
l’oxygène vers les surfaces de contact, durcit les aspérités de contact et augmente l’écoulement
des dislocations. Donc, le champ magnétique est responsable de l’augmentation de la quantité
d’atomes d’oxygène inclue dans les deux matériaux de contact. Ce phénomène facilite encore le
glissement sur la piste d’usure et en même temps augmente la contrainte de cisaillement à
l’interface de contact.
Sous vide, les particules de transfert sont développées principalement à partir du bord du
pion par le transfert continu et successif du laiton vers l’acier.

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Les figures 2-c,d montre précisément la formation des particules de transfert sous vide
pendant le glissement. Le paramètre responsable du phénomène de transfert des particules est le
durcissement de l’interface des matériaux par rapport à la subsurface Hiratsuka et al. (2000).
Les mesures de dureté de l’interface et de la subsurface des échantillons montrent que sous vide
l’interface du pion en laiton est la plus dure par rapport à celles obtenues pour les deux autres
atmosphères. Son durcissement augmente de plus de 20%. En revanche, le disque en acier a
gardé quasiment la même dureté. En effet, ce processus n’est pas une usure abrasive, ni la
propagation des fissures par fatigue, mais c’est un transfert qui est provoqué par la différence de
la résistance au cisaillement des aspérités de contact, Hiratsuka (1995). L’évolution du transfert
dans le temps montre que la nucléation des premières fines particules de laiton est observée sur
le disque en acier après 50 m de glissement. A partir d’environ 150 m de glissement, le début
de dégagement des débris d’usure est observé, l’épaisseur des particules de transfert dans ce cas
est de l’ordre de 5 µm en moyenne. A ce stade de glissement, le coefficient de frottement se
stabilise après avoir suivi une chute de forme parabolique. Quand le processus continu, les
particules de transfert deviennent larges et épaisses jusqu’à une épaisseur d’environ 30 µm.
Cette épaisseur protège la subsurface du pion en laiton de la déformation plastique.
L’application du champ magnétique sous vide ne modifie pas beaucoup le coefficient de
frottement. Lorsqu’on descend à 10
-4
Pa , la fréquence de collisions de surface, Z
p
, est réduite à
environ 1018 m
-2
.s
-1
, ce qui correspond à un choc par atome de la surface toutes les 0,1 s Atkins
et al. (2004). Donc, il y a très peu d’oxygène en surface. Puisque, le champ magnétique
augmente le taux d’oxygène adsorbé chimiquement à l’interface de contact Maju et al (1979),
et que le taux d’oxygène sous vide très faible, le rôle du champ magnétique sous vide devient
faible.
(a) (b)
(c) (d)
F IG . 2 – Transfert du film en laiton vers le disque en acier (P = 37 N, V = 0,5 m.s
-1
,
H = 0 kA.m
-1
), (a) à l’air ambiant, (b) sous oxygène, (c-d) sous vide
5 Conclusion
• Le film du laiton transféré sur le disque en acier facilite le glissement, protège la contreface et
diminue la déformation plastique dans les trois atmosphères étudiées.