Performances tribologiques d'un carbure de silicium pour paliers d'étanchéité dynamique fonctionnant en conditions sévères

Tribological performances of a silicon carbide for sliding bearings operating in severe conditions

• Auteur / Autrice : Stéphanie Lafon-Placette
• Direction : Jean Denape, Karl Delbé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 05/03/2015
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT en cotutelle avec Institut National Polytechnique de Toulouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)

Mots clés

Mots clés libres

Frottement

Usure

Carbure de silicium

Carbone-Graphite

Imprégnation

Dlc

Spectroscopie Raman

3ème corps

Friction

Wear

Silicon carbide

Carbon-Graphite

Impregnation

Dlc

Raman spectroscopy

Third body

Résumé

Les organes de frottement en carbure de silicium répondent à des critères de fonctionnement exigeants grâce aux propriétés offertes par cette céramique. Son faible coefficient de dilatation thermique et sa bonne conductivité thermique la rendent moins sensible aux chocs thermiques que les autres céramiques et particulièrement, en frottement, où la génération locale de chaleur peut s’avérer importante. Ces performances tribologiques sont conditionnées par son environnement mécanique, par la nature de la face de frottement antagoniste et surtout par le comportement des éléments interfaciaux circulant dans le contact. Le frottement du couple homogène SiC/SiC dans une configuration anneau/anneau a tout d’abord été étudié et son mécanisme d’usure a été établi, montrant un glissement sec difficile et une usure prononcée. Des alternatives ont alors été étudiées : revêtement du carbure par du DLC ou remplacement de la contreface par une bague carbone-graphite. Les imprégnations des bagues carbone-graphites par différents composés, polymères avec la résine phénolique et le PTFE ou métallique avec l’antimoine permettent d’en façonner les propriétés et, par conséquent, la réponse tribologique. Les essais sont réalisés à l’aide d’un tribomètre en glissement rotatif et ont permis de caractériser ces comportements tribologiques en fonction de différentes conditions de pression de contact, de vitesse et de température. Une analyse thermique a également été développée grâce à l’utilisation d’une caméra thermique infrarouge et a permis d’identifier les flux thermiques et le champ de températures durant le frottement. Des analyses physico-chimiques par EDS et spectroscopie Raman ont permis de décrire les transferts de matière mis en jeu et ont mis en évidence des phénomènes locaux d’oxydation de l’interface. La forte participation des imprégnants du carbone-graphite à la formation du troisième corps a été montrée. La spectroscopie Raman a également permis d’étudier le caractère cristallin des surfaces et du troisième corps formé et de mettre en évidence des phénomènes de contraintes en surface à l’origine des mécanismes d’endommagement. Il a ainsi pu être reconstitué un scénario complet des différentes étapes du glissement en termes de bilans de matière et d’énergie dans le contact.

Silicon carbide friction bodies fulfill high operation criteria owing to the properties provided by this ceramic. Its low thermal expansion coefficient and good thermal conductivity make it less sensitive to thermal shocks than other ceramics and particularly in friction, where the local heat generation may be significant. These tribological performances are then conditioned by the mechanical environment, by the nature of the counterface and above all by the interfacial elements circulating inside the contact. The friction of the homogeneous SiC/SiC pair in a ring-on-ring configuration was first studied and its wear mechanism was redefined. A hard silicon carbide counterface showed a difficult dry sliding and a high wear, alternative materials were studied: DLC coating on silicon carbide rings or carbon-graphite rings. Impregnation of the carbon-graphite rings with different compounds, polymers with the phenolic resin and PTFE or metal with antimony, shaped its properties and therefore, the tribological behaviour. Friction tests are carried out using a rotary sliding tribometer. They characterized the tribological behaviour for different operating conditions of contact pressure, sliding velocity and temperature of the environment. In addition, a thermal analysis was also implemented by using an infrared thermal camera in order to identify heat flows in the system and the temperature field for the entire duration of the tests. Physico-chemical analysis using EDS and Raman spectroscopy permitted to describe the transfers of material which take place during the tests and highlighted the local oxidation phenomena of the interface. The strong contribution of the carbone-graphite impregnants to the formation of the third body was also shown. Raman spectroscopy was also used to examine the crystalline state of the surfaces and the third body. Raman spectroscopy highlighted also stresses which are the source of the damage mechanisms. The different stages of the phenomena taking place during sliding inside the contact in terms of material and energy balance were then described.