P ARAMETRES A PRENDRE EN COMPTE

Huile de base 

Même  si,  dans  le  cas  de  la  lubrification  limite,  toute  l’importance  est  attribuée  à  l’action  physico‐chimique  des  additifs  et  que  l’huile  de  base  joue  un  rôle  secondaire,  la  nature  de  la  base  lubrifiante  (composition  chimique,  pureté,  degré  de  raffinage  ou  viscosité)  est  décisive  pour  la  stabilité du lubrifiant vis‐à‐vis de l’oxydation, la bonne solubilité et la mobilité des molécules d’additif  et donc, dans une certaine mesure, sa performance finale. 

Forbes accentue le fait que le choix de l’huile de base est important lors de la formulation des 

lubrifiants [FOR_70]. Puisque certaines huiles de base contiennent à l’origine des éléments actifs tels  que les résidus soufrés ou phosphorés, le problème de compétition pour la surface peut apparaitre  entre  ces  éléments  et  les  additifs  incorporés  dans  le  lubrifiant.  Cameron  et  al.  démontrent  que  la  bonne compatibilité de l’huile de base avec l’additif résulte en la formation de films lubrifiants plus  épais et plus résistants aux sollicitations [CAM_77].  

Présence d’oxygène 

La  couche  d’oxyde  facilement  renouvelée  est  une  première  barrière  de  protection  des  surfaces  qui  entrent  en  contact.  Quelques  travaux  réalisés  en  usinage  en  présence  d’oxygène  montrent que son effet est bénéfique pour la coupe (baisse des efforts de coupe) contrairement aux  opérations réalisées en  présence d’azote ou d’argon [ROW_66,  MOU_72]. L’oxygène peut provenir  de  l’air  ambiant,  si  l’opération  est  réalisée  à  sec,  ou  du  lubrifiant  (oxygène  sous  forme  dissoute).  Néanmoins, sa concentration dans le lubrifiant, dans le cas d’une saturation, est au moins deux fois  moins importante que celle de l’additif [MOR_95].  L’importance de l’oxygène pour l’action des additifs soufrés dans la lubrification limite a été  soulignée par de nombreuses études. D’après certains auteurs, sa présence est même indispensable  pour que les sulfures puissent être formés. D’ailleurs, l’analyse des surfaces de films formés pendant  le frottement avec les composés soufrés montre que les sulfures de fer sont toujours accompagnés  d’oxydes métalliques.  Godfrey et al. supposent que la présence de l’oxyde de fer est une condition nécessaire pour  que les additifs soufrés puissent assurer leurs performances extrême‐pression [GOD_62]. Tomaru et 

al.  suggèrent  que  l’oxygène  en  présence  de  l’additif  soufré  peut  agir  dans  les  conditions  de 

lubrification mixte et ainsi donc agir avec lui de façon synergique. L’oxygène est également l’un des  paramètres chimiques qui contrôlerait la formation du film de sulfure [TOM_77]. Dans le mécanisme  d’action des additifs soufrés par ionisation d’après Kajdas, la présence de l’oxyde (ou d’autres films  inorganiques) est nécessaire pour que la surface émette les exo‐électrons qui conditionnent toute la  réaction et par conséquent la formation de films de sulfures (cf. Figure I‐18). Sakai et al. réalisent une  étude  dans  laquelle  ils  démontrent  qu’une  insuffisance  ou  un  excès  d’oxygène  dans  le  lubrifiant  baissent de façon importante la performance des additifs soufrés [SAK_92]. De la même manière que  la  concentration  de  l’additif  soufré  dans  le  lubrifiant,  la  concentration  de  l’oxygène  doit  être  optimisée.  Selon  certains  auteurs,  l’oxyde  de  fer  protège  aussi  contre  la  sulfuration  excessive  des  surfaces qui sont en contact avec les additifs soufrés [TOM_77(2), WHE_78].  

Toutes  ces  études  démontrent  l’importance  de  l’oxygène  dans  les  réactions  tribochimiques  avec les additifs soufrés. Il semblerait que les concentrations de ces deux éléments dans le lubrifiant  déterminent sa performance finale. 

Interaction avec d’autres additifs 

Les  lubrifiants  sont  constitués  d’un  mélange  d’additifs  dont  certains  réagissent  par  adsorption  ou  ont  besoin  d’être  adsorbés  pour  réagir  avec  la  surface  métallique.  Ce  sont 

Chapitre I – Bibliographie et problématique de l’étude

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essentiellement les additifs qui se distinguent par une polarité élevée, tels que certains additifs anti‐ usure,  les  détergents  ou  les  additifs  d’onctuosité.  Il  existe  donc  une  compétition  entre  ces  divers  additifs  à  être  adsorbés  en  priorité  sur  la  surface.  Cette  rivalité  est  souvent  à  l’origine  des  interactions  antagonistes  entre  les  éléments  chimiquement  actifs  dans  le  lubrifiant  et  peuvent  engendrer une baisse de performance.  

Même  si  certains  additifs  sont  considérés  comme  ayant  des  domaines  de  fonctionnement  différents et des moments dipolaires plus ou moins élevés tels que les additifs soufrés et phosphorés,  il  est  quasiment  impossible  de  prévoir  le  genre  et  l’ordre  de  grandeur  des  interférences  entre  ces  différentes  espèces  au  niveau  moléculaire.  En  fonction  de  différentes  associations  entre  des  molécules  soufrées  et  phosphorées,  la  performance  du  lubrifiant  peut  être  détériorée  (interaction  antagoniste)  ou  améliorée  (synergie)  [PAP_98].  Autrement  dit,  un  lubrifiant  contenant  un  mélange  de ces additifs peut être plus ou moins efficace par rapport au lubrifiant qui contient un seul additif à  la fois. Cependant, ce type d’informations ne peut être souvent acquis que par voie expérimentale.  Les réactions à la surface, dans ce cas‐là, dépendront majoritairement de la structure chimique des  additifs, du ratio entre les éléments S/P et des conditions tribologiques.  

Certaines combinaisons d’additifs permettent d’élargir le champ d’action du lubrifiant en lui  conférant  des  propriétés  adaptées  à  une  gamme  plus  large  de  sollicitations.  Parmi  les  synergies  connues et utilisées entre les additifs dans les formulations de lubrifiants pour le travail des métaux,  on compte les mélanges des additifs soufrés EP avec : les sulfonates surbasés, les corps gras ou les  dérivés de corps gras et certains additifs phosphorés (cf. Figure I‐21). 

Plusieurs  auteurs  s’intéressent  aux  mixtures  des  oléfines  soufrées  avec  les  sulfonates  qui  mènent à une augmentation significative de la performance des lubrifiants lors de tests de taraudage  [CLA_89, CAH_93]. Les sulfonates du premier groupe des métaux (Na, K) sont plus efficaces que ceux  du  deuxième  groupe  (Ca,  Mg)  [HON_92,  HON_93].  Ils  semblent  agir  par  des  réactions  de  nature  physique  [RIG_92].  Le  même  type  de  synergie  est  attribué  aux  mélanges  contenants  des  oléfines  soufrées  (additif  EP)  et  des  corps  gras.  Alors  que  les  agents  de  surfaces  tels  que  les  corps  gras  ou  leurs dérivés et les sulfonates réagissent habituellement dans les conditions pas assez sévères pour  que les additifs soufrés EP puissent être actifs, les composés soufrés, quant à eux, prennent le relais  dans le cas des sollicitations très sévères où les composés polaires ne peuvent plus fonctionner.                   Figure I‐21 : Synergies possibles des additifs EP avec les additifs polaires [BRO_05, d’après BOW_50]   

Chapitre I – Bibliographie et problématique de l’étude 45 I.4. BUTS POURSUIVIS ET STRATEGIE                                                     

Contexte 

de l’étude 

Ce  travail  est  consacré  entièrement  à  l’étude  des  huiles  entières  de  coupe  utilisées  essentiellement  pour  apporter  la  lubrification  (action  physico‐ chimique). La caractéristique "clé" étudiée est la nature des additifs soufrés.  Tous  les  additifs  ont  été  solubilisés  dans  une  huile  de  base  inerte  pour  obtenir  dans  les  mélanges  une  teneur  similaire  en  soufre,  en  l’occurrence  environ  1%  en  masse.  L’effet  de  la  concentration  en  additif  est  également  testé pour le composé soufré le plus efficace. 

Matériaux : 

L’étude  se  focalise  sur  l’usinage  des  aciers  prétraités  ou  ayant  des  caractéristiques  mécaniques  élevées.  Cette  application  industrielle  est  la  plus  courante  en  usinage  pour  l’huile  entière,  et  aussi  l’une  des  plus  exigeantes en terme de performance d’usinage ; ces aciers sont quant à eux  utilisés très fréquemment dans la plupart des industries actuelles. 

  Outil : 

Tous les outils de l’étude sont utilisés en pratique dans l’usinage des aciers.  Les  conditions  industrielles  sont  ainsi  exactement  reproduites.  Il  s’agit  principalement  des  outils  en  carbure  métallique  (revêtus  ou  non  revêtus).  Certaines  expériences  sont  réalisées  avec  des  outils  en  acier  rapide  mais  toujours en cohérence avec l’application industrielle. 

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