Chapitre 4 : Synthèse sur les mécanismes d’usure du WC-6%Co en usinage et
4 Définition des types d’endommagement des pions WC-6%Co lors des essais tribologiques :
L’analyse des types d’endommagement du WC-6%Co en tribologie présentée dans ce paragraphe est limitée au cas d’une vitesse de glissement de 600 m/min et d’une charge de 60 N. Elle est basée d’une part sur des observations directes de la surface de frottement et d’autre part sur des observations de coupes polies du pion de tribologie.
4.1 Observations de la surface de frottement :
Initialement, comme le montre la Fig. 4. 11n, la surface de contact du pion est composée majoritairement de grains de carbure de tungstène et de plages de liant cobalt. Après frottement (600m/min-60N), il apparaît de très fins agrégats de transfert composés d’oxydes de fer (Fig. 4. 11Y et Fig. 4. 12). Il faut remarquer que quand le transfert est d’épaisseur très faible (< 1 µm), il s’agit préférentiellement d’oxydes de Fer. Au delà, le transfer est constitué d’acier oxydé.
À plus fort grossissement (Fig. 4. 11Z), des sites d’arrachement de fragments de grains de carbure WC sont également visibles. Il semblerait, compte tenu des micrographies, que les fins agrégats de transfert se localisent préférentiellement sur les sites vacants laissés par l’arrachement du WC. Ainsi, il peut être suggéré que les fins agrégats de transfert observés sont les résidus du processus de circulation de débris de fer oxydés dans le contact ; débris d’oxydes qui contribuent, par leur mobilité, à l’élimination de débris ou fragments des grains de carbure WC.
De plus, comme dans le cas de l’usinage, ce qui conforte les similitudes entre ces deux essais, de nombreuses micro-fissurations des grains WC sont observées (Fig. 4. 13).
Fig. 4. 11 : n Etat initial du matériau WC-6%Co,
Y etZ Observation de la surface d’un pion WC-6%Co après frottement : présence de transfert d’oxydes de fer
Fig. 4. 12 : Analyse EDS du transfert au point A (Fig. 4. 11Y) : présence d’oxygène et fer.
Fig. 4. 13 : Micrographie de la fissuration intragranulaire des grains WC sous l’action du cisaillement.
Les micrographies de la Fig. 4. 14 illustrent l’évolution des différents endommagements au niveau du pion et en fonction du temps.
Fig. 4. 14 : Observations microscopiques des évolutions de la surface dégradée du pion en fonction du temps
Après 17 min de frottement, une fine couche de transfert apparaît sur le faciès de frottement (Fig. 4. 14Y). Lorsque la durée d’essai est supérieure à 17 min, la couche de transfert devient plus importante (Fig. 4. 14Z-[). La quantité de ces agrégats de transfert augmente donc avec la distance de glissement.
4.2 Observations en coupe selon un plan parallèle à la direction de frottement
La Fig. 4. 15 regroupe des vues en coupe dans un plan parallèle à la direction de glissement. L’observation des figures Fig. 4. 15X-Y permet de constater plusieurs similitudes entre les modes d’endommagement et d’usure du WC-6%Co du pion et ceux identifiés dans le cas de la plaquette de coupe, en particulier dans la zone 2 du cratère. On retrouve des décohésions entre les grains ou fragments de WC, des microfissurations intragranulaires de WC, des sites d’arrachement de fragments de WC. Par ailleurs, un exemple de déformation plastique d’un grain de WC, avec visualisation des marches de glissement intragranulaire, est illustré en Fig. 4. 15Z. L’ensemble des observations indique une orientation préférentielle des traces des plans de glissement et des microfissurations intragranulaires du WC selon un angle de l’ordre de 45° par rapport à la direction de glissement. De plus, il est également possible de constater qu’une quantité importante de décohésions s’est produite selon des plans dont les normales présentent la même orientation. De tels phénomènes sont vraisemblablement dus aux effets couplés de directions de déformation plastique privilégiées dans les monocristaux de WC et de la nature du champ de contrainte généré par le frottement, en particulier du cisaillement.
Ces différents mécanismes d’endommagement du WC-6%Co sont favorisés par l’élévation de la température au niveau de l’interface de contact pion/disque. Il faut noter que la température de cette interface a été estimée à un niveau de l’ordre de 620°C par les simulations numériques thermiques (Tableau 4. 3). Ce niveau de température est relativement faible par rapport à celles obtenues en usinage (Tableau 4. 4), néanmoins, il est de l’ordre de 0,5Tf (où Tf est la température absolue (en Kelvin) de fusion du cobalt) et est assez proche de la température de début de plastification du WC-6%Co évoqué dans la littérature comme étant proche de 730°C [4, 7]. Par ailleurs Rabinowicz [8] a montré qu’il existe des relations de compatibilité au frottement de différents couples de matériaux purs dont le couple Cobalt-Fer. En se référant aux travaux de Rabinowicz et au diagramme d’équilibre Cobalt-Fer (Fig. 4. 16) qui montre une solubilité importante du cobalt dans le fer même pour de faibles températures, ce niveau de température ne peut que renforcer les effets d’adhésion du fer sur le matériau WC-6%Co par l’intermédiaire du cobalt. En effet, dans le cas de frottement entre les matériaux hétérogènes, l’adhésion est très favorisée quand la température de l’interface est dans des gammes de températures qui correspondent à 0,35 et 0,5Tf (Tf (K) étant la température de fusion du matériau du plus bas point de fusion).
Il faut également considérer que des contacts locaux (contact des aspérités) ont lieu à l’interface de contact. En conséquence, ces contacts locaux peuvent générer des augmentations importantes de contraintes et de températures locales qui conduisent aux mécanismes d’endommagement et d’usure constatés ici.
Fig. 4. 15 : Modes de dégradation du WC-6%Co à l’interface de contact pion/disque (Vg = 600 m/min, FN = 60 N, t = 3600s).
Tableau 4. 3 : Températures maximales sur la surface du pion de tribologie. 600 Vitesse, m/min (durée d’essai, min) 60 (120) 100 (15) 400 (60)
(17) (27) (60) Température de contact au centre du
pion (°C) 177 208 475 560 565 622
Tableau 4. 4 : Températures moyennes sur la face de coupe de la plaquette d’usinage.
Vitesse de coupe, Vc (m/min) 250 300 400
Température moyenne maximale sur
la face de coupe (°C) 892 1002 1082
Fig. 4. 16 : Diagramme de phase du système binaire cobalt-fer, [source : http://www.crct.polymtl.ca/fact/].
4.3 Circulation des débris dans le contact
La tribologie apporte un autre élément quant au mécanisme d’endommagement des plaquettes WC-6%Co : la circulation des débris dans le contact.
Les essais tribologiques mettent en évidence deux niveaux de circulation des débris dans le contact :
o un premier niveau, à l’échelle microscopique, dans lequel intervient le transfert d’acier sur la surface du pion WC-6%Co. Ce transfert joue le rôle de véhicule des fragments de WC.
o un second niveau, à l’échelle macroscopique, où les fragments de WC eux-mêmes circulent dans le contact et contribuent aux fluctuations du coefficient de frottement et sûrement à la perte plus rapide de matière WC-6%Co.
La couche de transfert n’est pas homogène à la surface du pion et évolue dans le temps. En effet, pour de faibles durées d’essai (ou faibles distances de glissement), il y a peu de transfert macroscopique mais une infinité de sites de « résidus » de transfert d’acier oxydés comme indiqués dans le paragraphe précédent. Quand la durée d’essai augmente, le transfert se localise au centre de la trace de frottement, il est présent dans tout le contact (de l’entrée à la sortie du contact) mais n’est pas uniformément réparti. Enfin, pour ces essais, on observe non plus de fines pellicules de transfert mais de véritables couches d’acier pouvant atteindre quelques micromètres (Fig. 4. 17). À l’échelle microscopique, nous retrouvons des fragments de WC dans ces couches de transfert, fragments qui sont complètement enchâssés dans la couche (Fig. 4. 18X-Y).
Fig. 4. 17 : Visualisation de couches de transfert de particules métalliques d’acier à la surface du pion, en coupe perpendiculaire au frottement.
Fig. 4. 18 : X-Y Visualisation des fragments de WC à la surface de la couche de transfert (coupe parallèle à la trace de frottement).
Au niveau macroscopique, les larges fluctuations du coefficient de frottement présentées dans le chapitre 2, tout comme les évolutions des états de surface du pion en fonction de la distance de glissement caractérisées par des ondulations d’amplitude de plus en plus importante en fonction de
la durée d’essai soulignent la notion de circulation des fragments et donc de débris de WC dans le contact au cours des cycles de rotation du disque.