Chapitre III : Elaboration et caractérisations physico-chimiques
IV. B.3 Etude du comportement en frottement
Les revêtements caractérisés dans cette section ont été déposés avec une vitesse de retrait de 75 mm/min.
IV.B.3.1. Etude du comportement en frottement des revêtements déposés sur substrat « laminé miroir »
La Figure 15 présente l’évolution des coefficients de frottement des revêtements déposés sur substrat « laminé miroir » et traités à différentes températures. Dans les conditions de tests la pression maximale de Hertz au niveau du contact varie de 70 MPa pour l’échantillon R110 à 480 MPa pour l’échantillon R500. Nous observons que les échantillons R110 et R200 présentent une courbe de frottement similaire, constituée de deux paliers. Le premier palier est stabilisé à un coefficient de frottement de 0,55 jusqu’à 400 cycles, puis le celui-ci augmente jusqu’à environ 0,85 jusqu’à la fin du test. Pour l’échantillon R250, nous observons une diminution du coefficient de frottement qui est stabilisé à environ 0,35 après 1000 cycles. Les courbes de frottement des échantillons R400 et R500 présentent un coefficient de frottement stabilisé d’environ 0,65.
Figure 15 : Courbe d’évolution du coefficient de frottement des revêtements déposés sur substrat « laminé miroir » et traités à différentes températures (110, 200, 250, 300, 400 et 500°C) (FN = 1N, contreface alumine Ø
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Les échantillons R110 et R200 sont des revêtements hybrides (cf III.C.). Ils présentent un coefficient de frottement élevé (0,55) avec la bille en alumine et durée de vie 400 cycles dans ces conditions de test.
La diminution du coefficient de frottement des échantillons R250 et R300 est liée à l’apport de CAG lamellaire que nous avons mis en évidence dans le chapitre III. Le coefficient de frottement d’un revêtement type silice-graphite avec une contreface en acier AISI 1045 est évalué par H.D. Wang à 0,3 [10], ce qui est cohérent avec la valeur obtenu ici.
L’augmentation du coefficient de frottement à 0,65 pour les échantillons R400 et R500 est corrélée à l’oxydation du CAG (cf III.C.) ;cette valeur est cohérente avec la littérature [11]. La Figure 16 présente les faciès d’usure des plans et des billes après 1000 cycles de test tribologique. Pour l’échantillon hybride R110, nous observons la présence d’une importante quantitée de débris sur le plan et la bille. Les faciès d’usures des échantillons R250 et R300 montrent une nette diminution du diamètre de la trace et de la quantitée de débris, alors que pour l’échantillon R500, nous observons une augmentation de l’usure par rapport aux échantillons R250 et R300.
Chapitre IV : Caractérisations mécaniques et tribologiques des revêtements 151 plan bille 110°C 250°C 300°C 500°C
Figure 16 : Micrographies optiques des faciès d’usure des plans et des billes après 1000 cycles
Les mesures des diamètres des traces d’usure (Figure 17) et des profondeurs de traces (Figure 18) nous ont permis de calculer le volume usé des plans après 1000 cycles de
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frottement (Figure 19). Ces diagrammes montrent une importante usure des revêtements hybrides (R110 et R200), alors que la transformation en revêtement composite SiAlOx-CAG (échantillons R250 et R300) permet non seulement de diminuer le frottement (Figure 15), mais aussi l’usure. A plus haute température (R400 et R500), l’oxydation du CAG engendre une augmentation du frottement et de l’usure.
Figure 17 : Diamètre de la trace d’usure après 1000 cycles de test tribologique en fonction de la température de traitement thermique
Figure 18 : Profondeur de la trace d’usure après 1000 cycles de test tribologique en fonction de la température de traitement thermique
Figure 19 : Volume usé après 1000 cycles de test tribologique en fonction de la température de traitement thermique
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Notons que tous les calculs de volumes usés présentés dans ce manuscrit portent sur les plans. Dans le cas de l’échantillon R500, le volume usé du plan est de 1,8.106 µm3 et celui de la bille est de 14,7.103 µm3. L’usure de bille apparait donc négligeable par rapport celle du plan. La formation de CAG au sein du revêtement a donc permis de diminuer significativement l’usure et le coefficient de frottement. Afin d’avoir une estimation de la durée de vie de ce revêtement composite, des tests ont été effectués sur 10000 cycles. Nous observons sur la Figure 20 que le coefficient de frottement est maintenu à 0,35 pendant les 10000 cycles de test.
Figure 20 : Courbe d’évolution du coefficient de frottement du revêtement traité à 250°C en fonction du nombre de cycles (FN = 1N, contreface alumine Ø = 6 mm, débattement = 6 mm, 10000 cycles, v = 3,77 cm/s)
Les micrographies des faciès d’usure (Figure 21) montrent une largeur d’usure plus importante du revêtement que de la bille mais celui-ci protège encore le substrat. Par rapport au revêtement hybride, la transformation en revêtement composite SiAlOx-CAG, permet donc de diminuer le coefficient de frottement à 0,35 mais aussi d’augmenter la durée de vie au minimum jusqu’à10000 cycles.
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IV.B.3.2. Etude du comportement en frottement des revêtements déposés sur substrat « laminé mat »
La Figure 22 présente les courbes de frottement des revêtements déposés sur substrat « laminé mat » (Ra=0,5µm) et traités à différentes températures. L’allure des courbes est similaire à celles des revêtements déposés sur substrat « laminé miroir » (Ra = 0,03 µm), mais avec un bruitage supplémentaire du signal, probablement lié à la rugosité plus importante du substrat sous-jacent.
Figure 22 : Courbe d’évolution du coefficient de frottement des revêtements déposés sur substrat « laminé mat » et traités à différentes températures (FN = 1N, contreface alumine Ø = 6 mm, débattement = 6 mm, 1000 cycles,
v = 3,77 cm/s)
La Figure 23 présente les faciès d’usures des revêtements et des billes après les tests tribologiques. Elles ne présentent pas de différences significatives avec celles des revêtements déposés sur substrat « laminé miroir ». Notons tout de même que la trace d’usure de l’échantillon R500 semble être moins marquée que dans le cas des revêtements déposés sur substrat « laminé miroir ».
Chapitre IV : Caractérisations mécaniques et tribologiques des revêtements 155 Plan bille 110°C 250°C 300°C 500°C
Figure 23 : Faciès d’usure de la bille et du revêtement déposé sur substrat « laminé mat » et traité à 110°C après 1000 cycles
Le calcul des volumes usés des plans (Figure 26) à partir des diamètres et des profondeurs de trace ne montre pas d’influence significative de l’influence de la rugosité du substrat. Notons
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tout de même que l’échantillon R500 montre une meilleure résistance à l’usure sur le substrat « laminé mat » que le « laminé miroir ».
Figure 24 : Diamètre de la trace d’usure après 1000 cycles de test tribologique en fonction de la température de traitement thermique
Figure 25 : Profondeur de la trace d’usure après 1000 cycles de test tribologique en fonction de la température de traitement thermique
Figure 26 : Volume usé après 1000 cycles de test tribologique en fonction de la température de traitement thermique
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Discussion :
Comme l’illustre la Figure 27, les caractérisations mécaniques et tribologiques des revêtements montrent une corrélation avec les transformations de la structure chimique mises en évidence dans le chapitre III.C. Les revêtements hybrides (R110 et R200) sont homogènes,
couvrant et dépourvus de fissures. En revanche, ils présentent un coefficient de frottement élevé (0,55) et une durée de vie limitée (400 cycles). Si la formation de carbone amorphe graphitique (CAG) in situ (échantillons R250 et R300) engendre de la fissuration, celle-ci ne
détériore pas l’adhérence des revêtements au substrat. Comme cela était attendu, la formation de CAG dans le revêtement permet de diminuer le coefficient de frottement de 0,55 à
0,35 et d’améliorer significativement la résistance à l’usure. L’oxydation du CAG, ne modifie
pas l’épaisseur ou la fissuration des revêtements, mais engendre une augmentation du frottement et de l’usure.
Figure 27 : Récapitulatif de l’influence de la température de traitement thermique sur les propriétés des revêtements