Test de frottement
Les dommages et l'usure de surface associés au mouvement de frottement se situent dans un espace synergique d'usure adhésive, corrosive et abrasive.
Les lubrifiants antifriction et de frottement jouent un rôle clé dans la durabilité et les performances des contacts métal sur métal.
Par Melissa Mushrush, lubrifiants spéciaux MOLYKOTE, DuPont
Le terme « fretting » possède plusieurs définitions, au sens propre comme au figuré. En tribologie, le fretting se manifeste par une usure et/ou une corrosion dues aux dommages induits sous charge par des mouvements relatifs répétitifs de surface, tels que les vibrations. Le fretting est un phénomène complexe ; l’usure et les dommages de surface associés à ce mouvement résultent d’une synergie entre usure adhésive, corrosive et abrasive. Un ingénieur industriel est susceptible d’observer des signes de ce phénomène sur tous les composants de machines soumis à des vibrations, comme les engrenages, les roulements, les assemblages à queue d’aronde, les joints d’étanchéité, les broches et les boulons. L’usure ou la fatigue par fretting se caractérise par des défauts de très petite taille, du fait de la faible amplitude des mouvements relatifs. Elle coïncide souvent avec la corrosion de ces défauts, car les vibrations peuvent éliminer les oxydes de surface qui protègent le métal.
Il existe plusieurs méthodes normalisées pour l'étude du frottement, allant de l'évaluation générale des graisses lubrifiantes (ASTM D-1470) à des méthodes plus spécifiques couvrant un large éventail d'applications. Simuler les conditions de frottement avec un tribomètre est complexe, car l'instrument requiert un déplacement extrêmement faible (pas d'incrémentation), ainsi qu'une fréquence et une charge élevées. Bien qu'il existe des tribomètres commerciaux dédiés au frottement, certains offrant des déplacements extrêmement faibles et des fréquences élevées, l'acquisition d'un nouvel appareil dédié (et coûteux) n'est pas toujours envisageable. Quelle est la marge de variation admissible des paramètres de test pour que celui-ci simule correctement l'usure par frottement ?
La condition essentielle de tout essai de frottement est le déplacement. Les surfaces de contact soumises aux composantes d'adhérence et de glissement du mouvement oscillatoire doivent se chevaucher, c'est-à -dire que le rayon de contact hertzien doit être supérieur ou égal à l'amplitude de glissement. En effet, le frottement se produit lorsqu'une surface subit à la fois une adhérence et un glissement. De nombreux tribomètres présentent un déplacement suffisamment faible pour satisfaire cette condition.
La fréquence des méthodes standard varie de 30 à 50 Hz, ce qui convient à de nombreux tribomètres. La charge doit être élevée, mais jusqu'à quel point ? Si la charge est limitée, il convient de déterminer si elle est suffisante pour différencier les lubrifiants avec une résolution suffisante afin de les classer selon leur efficacité de résistance au frottement.
Test de frottement
Le système d'essai utilisé était un testeur mécanique universel Bruker UMT, équipé d'un module bloc sur anneau. L'amplitude minimale d'oscillation était de 9° et les fréquences utilisées, de 30 Hz et 50 Hz, étaient conformes ou supérieures aux exigences de la norme de référence ASTM D1470. La charge était limitée à 100 N (153 MPa). Le dispositif ne permettait pas de contrôler la température. La durée de l'essai était de deux heures.
Parmi les nombreux lubrifiants disponibles, les pâtes offrent généralement la meilleure protection contre l'usure par frottement. D'autres lubrifiants, tels que les revêtements antifriction, n'offrent généralement pas cette protection. Afin d'évaluer la méthode de frottement et sa reproductibilité, les deux types de lubrifiants ont été testés sur un large éventail de performances. Dans un premier temps, les pièces testées ont été pesées pour mesurer la perte de matière (exprimée en masse), mais lors de tous ces tests, la perte de matière s'est avérée insuffisante pour permettre une mesure fiable sur une balance à quatre décimales.
Il est beaucoup plus simple de mesurer la taille de la trace d'usure après un test d'une durée déterminée. En principe, plus la trace d'usure est grande, moins le lubrifiant est efficace. Si le frottement provoque une usure au point de contact, la surface de contact augmente avec la durée du test. Il s'ensuit qu'une série de lubrifiants offrant une faible protection contre l'usure par frottement engendrera des traces d'usure plus importantes que ceux offrant une meilleure protection.
Pour les essais, des blocs d'essai en acier LFW-1 standard et des bagues rodées ont été utilisés, le lubrifiant étant appliqué sur la bague. Sans lubrification, l'essai s'interrompait parfois prématurément : l'instrument arrêtait l'essai si les forces atteignaient un seuil critique et que le coefficient de frottement dépassait 0,5. Pour les essais ayant duré deux heures, les marques d'usure sur la bague étaient généralement supérieures à 6 mm (mesurées au micromètre).
Quatre revêtements antifriction commerciaux ont été testés sous une charge de 100 N, à 50 Hz et avec une oscillation totale de 9°. Les marques d'usure obtenues étaient toutes importantes, de 5,2 à 5,5 mm de large, contre plus de 6 mm pour un système non lubrifié. Sans surprise, ces revêtements ne présentent pas de réduction significative de la marque d'usure par rapport à une absence de lubrification et ont également montré de fréquentes défaillances prématurées. Ce type de comportement irrégulier est plus courant lorsque le coefficient de frottement augmente et n'est donc pas étonnant.
Pour évaluer l'autre extrémité de la plage de performances, nous avons testé une pâte commerciale recommandée pour les applications de fretting. La pâte MOLYKOTE 1 a été testée 10 fois dans les mêmes conditions (50 Hz, 100 N, oscillation totale de 9°, 2 h) et a démontré une très bonne reproductibilité. Lors de chacun des 10 essais, les traces d'usure du bloc ont été mesurées en haut, au milieu et en bas. La moyenne de ces trois mesures variait entre 1,32 mm et 1,77 mm, avec un écart type de 0,14 mm. La trace annulaire a été évaluée de la même manière. Les mesures moyennes variaient entre 3,81 mm et 5,96 mm, avec un écart type de 0,66 mm.
À titre de comparaison, une seconde pâte a également été testée avec 10 répétitions. La pâte 2 s'avère moins efficace que la pâte 1 pour la protection contre l'usure par frottement. Dans ce cas, on a observé davantage de défaillances précoces et une plus grande variation de la largeur des traces d'usure, comme constaté avec les revêtements. De plus, comme prévu, les traces d'usure, tant sur les blocs que sur les anneaux, étaient en moyenne plus larges pour la pâte 2 que pour la pâte 1, mais plus petites que pour les revêtements. D'après ces données, ce test semble constituer une évaluation raisonnable des performances en matière de frottement à l'aide d'un tribomètre non spécialisé.
Les travaux futurs consistent à mesurer une série de pâtes (et à utiliser la microscopie pour mesurer plus précisément les traces d'usure) afin de déterminer avec quelle résolution différents lubrifiants peuvent être différenciés quant à leur efficacité contre l'usure par frottement. EP
Melissa Mushrush, docteure en chimie, travaille chez MOLYKOTE Specialty Lubricants, une division de DuPont située à Midland, dans le Michigan ( dupont.com ). Elle explore de nouveaux matériaux pour les revêtements antifriction, conçus pour améliorer la résistance au frottement et à l'usure des revêtements et des pâtes. Ses domaines d'expertise comprennent la technologie du vide, le dépôt de couches minces, la caractérisation des films et des dispositifs, la gestion des données de procédés, les statistiques et l'analyse des erreurs, ainsi que les méthodes d'essais accélérés. Elle est membre de la Society of Tribologists and Lubrication Engineers.
Source : Efficient Plant Magazine
Site web : https://www.efficientplantmag.com/2024/07/test-for-fretting/
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