A.3 Comportement tribologique

Les substrats en acier inoxydable 15-5PH de différentes rugosités et le revêtement hybride ont été testés en frottement sur le tribomètre pion-disque en mode alternatif défini dans le chapitre II. Tous les essais, réalisés dans les conditions de température, de pression atmosphérique et d’humidité relative ambiante (environ 23°C et 33%), sont triplés afin de vérifier la reproductibilité des tests. Avant chaque essai la bille et le substrat sont nettoyés à l’éthanol. Nous rappelons ci-dessous les paramètres de test utilisés :

• Tribomètre en mode alternatif • Charge normale 1 N

• Vitesse de glissement 3,77 cm/s

• Durée de l’essai 1000 cycles (18,85 m)

• Contreface ; bille en alumine de diamètre 6 mm

•

IV.A.3.1. Acier inoxydable 15-5PH « laminé miroir » :

La Figure 1 présente l’évolution du coefficient de frottement de l’acier inoxydable 15-5PH « laminé miroir » (Ra = 0,03 µm) en fonction du nombre de cycles.

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Figure 1 : Evolution du coefficient de frottement de l’acier inoxydable 15-5PH « laminé miroir » (Ra = 0,03 µm) en fonction du nombre de cycles (FN = 1N, contreface alumine Ø = 6 mm,

débattement = 6 mm, 1000 cycles, v = 3,77 cm/s)

Nous observons jusqu’à 600 cycles, une légère augmentation du coefficient de frottement d’environ 0,7 à 0,9. A partir de 600 cycles et jusqu’à la fin du test le coefficient de frottement est stabilisé à 0,9.

Dans des conditions de test similaire, Siva Rama Krishna et al. [6] ont mis en évidence un coefficient de frottement de l’ordre de 0,8-0,9 lors de tests tribologiques entre une bille en alumine et un plan en acier inoxydable 316L.

La Figure 2 présente les micrographies optiques des faciès d’usure de la bille et du substrat après le test tribologique. La présence de stries d’usure et de débris autour des traces de frottement illustre l’usure par abrasion qui se produit pendant le test. La présence de débris ou de matière triboformée sur la trace de frottement de la bille, illustre du transfert de matière du plan vers la bille, et met en évidence de l’usure par adhésion.

Figure 2 : Micrographies optiques des faciès d’usure de la bille en alumine et de l’acier inoxydable 15-5PH « laminé miroir » (Ra = 0,03 µm) après 1000 cycles de frottement

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IV.A.3.2. Acier inoxydable 15-5PH « laminé mat » :

La Figure 3 présente l’évolution du coefficient de frottement de l’acier inoxydable 15-5PH « laminé mat » (Ra = 0,5 µm).

Figure 3 : Courbe d’évolution du coefficient de frottement de l’acier inoxydable 15-5PH « laminé mat » (Ra = 0,5 µm) en fonction du nombre de cycles (FN = 1N, contreface alumine Ø = 6 mm, débattement = 6 mm,

1000 cycles, v = 3,77 cm/s)

Le comportement en frottement de l’acier inoxydable 15-5PH « laminé mat » (Ra = 0,5 µm) est similaire à celui du laminé miroir (Ra = 0,03 µm). Nous observons une légère augmentation du coefficient de frottement depuis le début du test jusqu’à 600 cycles, qui passe d’environ 0,75 à 0,9. A partir de 600 cycles et jusqu’à la fin du test, le coefficient de frottement est stabilisé à 0,9 (±0,1).

La Figure 4 présente les faciès d’usure de la bille et du plan après 1000 cycles de frottement. Nous observons sur le plan la présence de stries d’usure ainsi que des débris autour de la trace de frottement qui montrent de l’usure par abrasion. La présence de débris ou de matière triboformée sur la trace de frottement de la bille indique du transfert de matière et donc de l’usure par adhésion.

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Figure 4 : Micrographies optiques des faciès d’usure de la bille en alumine et de l’acier inoxydable 15-5PH « laminé mat » (Ra = 0,5 µm) après 1000 cycles de frottement

IV.A.3.3. Revêtement hybride

La Figure 5 présente l’évolution du coefficient de frottement du revêtement hybride déposé sur l’acier inoxydable 15-5PH « laminé miroir » et traité à 110°C (Vretrait = 75 mm/min). Notons que dans les conditions de test et pour ce revêtement, la pression maximale de Hertz du contact est de 70 MPa.

Figure 5 : Courbe d’évolution du coefficient de frottement du revêtement traité à 110°C en fonction du nombre de cycles (FN = 1N, contreface alumine Ø = 6 mm, débattement = 6 mm, 1000 cycles, v = 3,77 cm/s)

La courbe de la Figure 5 peut se décomposer en trois périodes distinctes. Dans les 45 premiers cycles, le coefficient de frottement démarre à 0,2 avant d’atteindre un premier palier à environ 0,55. Le coefficient de frottement reste stable jusqu’à 400 cycles. De 420 cycles jusqu’à la fin du test le coefficient de frottement est stable dans une gamme de 0,8-0,9.

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Dans le but de comprendre ce qui se produit pendant ces deux paliers de frottement, nous avons effectué un test que nous avons interrompu au bout de 200 cycles. La Figure 6 présente des micrographies MEB de la trace d’usure du plan de l’essai interrompu à 200 cycles (Figure 6a) sur le premier palier et après 1000 cycles (Figure 6b) sur le deuxième palier. Le faciès d’usure du plan après 200 cycles (Figure 6a) présente une largeur de trace irrégulière et une mise à nu partielle du substrat sous-jacent. Alors qu’après 1000 cycles (Figure 6b ; deuxième palier), le substrat est entièrement mis à nu.

Figure 6 : Micrographies MEB du revêtement traité à 110°C après 200 cycles (a) et après 1000 cycles (b) de test tribologique

La micrographie optique de la bille après 1000 cycles (Figure 7), montre la présence de débris ou de matière triboformée sur la surface de frottement, ce qui illustre du transfert de matière et donc de l’usure par adhésion. La présence de débris autour des traces de frottement (Figure 6 et 7) illustre de l’usure par abrasion.

Figure 7 : Micrographie optique de la bille après 1000 cycles

Le comportement tribologique du revêtement hybride référence dans les conditions d’essais fixées est représenté schématiquement à la Figure 8. La zone bleu correspondant aux 45 premiers cycles est la période de rodage où les deux surfaces frottantes s’accommodent l’une par rapport à l’autre. La zone verte correspondant au premier palier à 0,55 est relative à la

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phase de vie du système revêtement hybride déposé sur le substrat. La longueur (en durée, en distance de frottement ou en nombre de cycles) de ce domaine permet de déterminer la durée de vie du revêtement hybride qui protège l’acier inoxydable. Dans la zone rouge correspondant au deuxième palier, le revêtement hybride est usé et ne protège donc plus le substrat.

Figure 8 : Phase de vie du système revêtement hybride sur acier inoxydable pendant les tests tribologiques

Dans la littérature, les travaux concernant des revêtements hybrides pour des applications tribologiques sont relativement peu nombreux. Néanmoins, nous pouvons citer l’étude menée par Belon et al. [7], dans laquelle un revêtement hybride a été élaboré à partir d’un mélange de précurseurs EPALLOY 5000/GPTMS (ratio massique 50/50). Ce revêtement hybride d’épaisseur 15 µm, présente un coefficient de frottement d’environ 0,57 avec une bille en acier inoxydable pendant 1200 secondes de test, ce qui est cohérent avec la valeur de coefficient que nous avons mis en évidence.

Discussion :

Dans la section III.B., l’analyse microstructurale a montré que le revêtement hybride référence est homogène, couvrant et dépourvue de fissure après un traitement thermique à 110°C. Il présente des valeurs de dureté et de module d’élasticité respectivement égales à 370 MPa et 3,4 GPa. Ces faibles caractéristiques mécaniques placent le système référence dans une configuration revêtement « mou » sur substrat « dur ». Dans les conditions de test utilisées, la durée de vie du revêtement hybride est de 400 cycles à un coefficient de frottement d’environ 0,55.

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