Comportement d'un lubrifiant aqueux dans un contact à très hautes pressions : application au tréfilage de fils d'acier laitonnés

par Sébastien Hollinger

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Jean-Marie Georges.

Soutenue en 1999

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon .


  • Résumé

    Ce travail propose une analyse des mécanismes de la lubrification d'un contact glissant carbure de tungstène/laiton soumis à de très fortes pressions et lubrifié par une émulsion riche en eau. Un mécanisme d'autoadaptation des matériaux, associée à la formation d'un film protecteur supportant le cisaillement, a été mis en évidence. Cette couche de protection, appelée servovite, est composée d'une couche d'accrochage, formée sur la surface en laiton, et d'un film organique qui supporte le cisaillement. Le frottement Carbure de tungstène/laiton est caractérisé par une extraction de zinc du laiton. La surface se trouve alors enrichie en cuivre et présente une couleur cuivrée caractéristique. Cet effet électrochimique conduit à la formation d'un film tribochimique de phosphate de zinc en extrême surface, par réaction du zinc avec le lubrifiant. Ce film extrême pression sert également de couche d'accrochage pour le film organique. La nature de l'émulsion utilisée va alors modifier considérablement la formation et les caractéristiques de ce film organique. Deux types d'émulsions à forte teneur en eau (>95%) composées d'agrégats de tensioactifs sont étudiées. Les émulsions constituées d'agrégats vésiculaires permettent la formation d'un film lubrifiant résistant jusqu'à des pressions de 1 GPa. L'apparition d'ions divalents cuivre et zinc, due à l'érosion électrochimique du laiton, permet la transformation, appelée vieillissement, des vésicules en cristallites à structure lamellaire. Les émulsions d'agrégats lamellaires permettent la formation d'un film lubrifiant résistant résistant à des pressions supérieur à 1. 5 GPa et engendrent de faibles coefficients de frottement. Ces propriétés sont dues à la structure lamellaire, beaucoup plus compacte, qui induit un frottement faible dans une direction privilégiée. Qui plus est, grâce à leur forme de platelets et à leur structure élastique, les lamelles occasionnent une portance supplémentaire formant un film plus épais qu'avec les vésicules. Les expériences de frottement ont été réalisées avec un tribomètre de type Falex à des pressions variables jusqu'à la dureté du laiton et à vitesse de glissement constante. Cette étude a pour cadre la compréhension des mécanismes de lubrification relatifs au tréfilage de fil d'acier laitonné constituant la carcasse métallique des pneumatiques à structure radiale. Le contact considéré est alors celui du fil sur la filière en carbone de tungstène. Les résultats obtenus sur la machine Falex permettent d'interpréter les mécanismes de lubrification dans les premières passes du tréfilage. En revanche, l'utilisation d'une vitesse de glissement constante limite la compréhension des mécanismes de lubrification relatifs aux derniers outils, où les fortes vitesses utilisées obligent, de plus, à tenir compte des effets thermiques jusque-là négligés. Un déplacement du plan de cisaillement du film lubrifiant vers le laiton est alors envisagé. Ce travail à débouché sur la mise au point d'un nouveau lubrifiant permettant d'améliorer les performances en tréfilage.


  • Résumé

    This work presents an analysis of the lubrication mechanisms of a tungsten carbide/brass sliding contact, lubricated by a water-based emulsion, under very high pressure conditions. An original mechanism of materials autoadaptation associated with the formation of a protective film bearing the shear stress was put forward. This protective layer, called servocite, is composed of an anchoring layer, formed on the brass surface, and of an organic film supporting the shear stress. The friction of brass leads to a preferential extraction of zinc and to a copper enrichment of the surface, easily recognisable. This electrochemical effect, coupled with tribochemical reaction is responsible for the formation of a protective zinc phosphate layer on the extreme surface. This extreme pressure film acts as an anchoring layer for the organic film. The charecteristics of this organic film are highly dependent upon the nature of the lubricant. Two types of water-based emulsions (>95%) co,posed of surfactant aggregates are studied. Vesicular aggregates emulsions can form protective films resistant to high pressures up to 1GPa. The generation of divalent metallic ions, due to brass electrochemical erosion, induces a transformation, called ageing, of vesicles into crystallites characterised by a lamellar structure. Lamellar crystallites solutions form lubricating films that can bear contact pressures up to 1. 5GPa and maintain a low friction coefficient value. These properties are due to the lamellar structure which is more compact and has a favourable low friction plane. Moreover, because of their planar shape and hogh elasticity, the crystallites bring an additional bearing and thus create thicker films compared to vesicles. Friction experiments were performed on a Falex tribometer at variable pressures, up to brass hardness, and using a constant sliding speed. The industrial subject of this work is the understanding of the lubrication mechanisms encountered in the multipass drawing process of brass coated steel wires, composing the metallic casing of the radial ply tires. In this situation, the interface considered is made of the wire and the tungsten carbide conical die. The phenomenon observed on the Falex machine can be transposed to the lubrification of the first drawing dies. On the other hand, the friction in the last dies can not be fully explained due to the choice of a constant experimental sliding speed. In the last passes the thermal effects can not be neglected any futher because of high sliding speeds. A shift of the shear plane from the organic film to the brass layer is assumed for this case. This work resulted in the development of a new lubricant reducing die wear.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (154 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : 88 ref.

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  • Bibliothèque : Ecole centrale de Lyon. Bibliothèque Michel Serres.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : T1834
  • Bibliothèque : Ecole centrale de Lyon. Bibliothèque Michel Serres.
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