Etude de l'activité détergente dans un lubrifiant formulé pour un contact impliquant du DLC : Contrôle du frottement par la modification de la structure du détergent induite par la charge

Investigation of the detergent activity in a fully formulated lubricant for DLC-involving contact : Control of friction by load-induced detergent structure modification

• Auteur / Autrice : Yue Guan
• Direction : Maria Isabel De Barros Bouchet, Fabrice Dassenoy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 11/12/2023
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Donnet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maria Isabel De Barros Bouchet, Fabrice Dassenoy, Mitjan Kalin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Adrian Morina
• DOI : 10.70675/7adc40cez8305z422dz832bzdfb9663eaff3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tribologie (technologie)

Mots clés libres

Revêtements Diamond-Like Carbon (DLC)

Huile formulée

Effet de la pression de contact

Additif surbasé détergent

Allotropes du carbonate de calcium

Diamond-Like Carbon (DLC) coatings

Fully formulated oil

Contact pressure effect

Overbased detergent additive

Calcium carbonate crystal allotropes

Résumé

Depuis plus d'une décennie, les revêtements en carbone de type diamant (DLC) sont appliqués sur des composants coulissants à l'intérieur des moteurs à combustion interne, tels que les cames, les poussoirs, les galets et les segments de piston. L'objectif de l'utilisation de tels revêtements est de réduire les pertes d'énergie dues au frottement dans les moteurs. Ces revêtements sont lubrifiés à l'aide d'huiles moteur traditionnelles initialement conçues pour les composants en acier. Cependant, peu d'études ont été réalisées pour comprendre les propriétés tribologiques de contacts impliquant des revêtements en DLC en présence d’huiles entièrement formulées.Dans ce travail, des essais tribologiques ont été réalisés en utilisant un lubrifiant commercial entièrement formulé et avec un contact impliquant un DLC de type a-C:H. Le contact acier/acier a été utilisé comme référence. L'accent a été mis sur l'influence de la pression de contact sur les performances tribologiques du système étudié.Une configuration bague-sur-disque a d'abord été utilisée pour simuler le piston-segment-cylindre d'un moteur à combustion interne dans des conditions tribologiques sévères. Il a été constaté que le coefficient de frottement diminuait en fonction de la pression dans le régime de lubrification limite/mixte pour le contact mixte acier/a-C:H. Les analyses de surface ont montré que le tribofilm était riche en carbonate de calcium. Sa structure s'est avérée dépendre de la charge. La vaterite a été trouvée à faible charge, l'aragonite à charge moyenne et la calcite à charge élevée. Cette transformation cristalline n'a pas été observée pour le contact acier/acier, pour lequel le frottement augmente en fonction de la pression.Afin de mieux comprendre l'effet de la pression de contact sur les différents comportements tribologiques observés, des essais de frottement supplémentaires ont été réalisés en utilisant une configuration bille-sur-disque standard ainsi que les mêmes types de contact. Une réduction du frottement a été observée sous forte charge pour le contact a-C:H/a-C:H en présence de l'huile entièrement formulée. Le tribofilm obtenue s’est montré être riche en carbonate de calcium présent sous forme de calcite. Des essais de frottement supplémentaires ont également été effectués avec l'huile de base additivée de 1% en poids d'additif détergent. Une réduction de frottement a été observée à haute pression pour tous les contacts étudiés. Le tribofilm s'est révélé une fois de plus être riche en carbonate de calcium, présent sous forme calcite à haute pression. Ces résultats sont cohérents avec les résultats obtenus en configuration bague-sur-disque.

For over a decade now, Diamond-Like Carbon (DLC) coatings have been applied to sliding components within internal combustion engines, such as cam lobes, tappets, finger followers, and piston rings. The purpose of using DLC coating is to decrease energy losses attributed to friction. These coatings are lubricated using traditional engine oils initially designed for steel components. However, few studies have been carried out to understand the tribological properties of DLC involved tribo-pair with a fully formulated oil.In this work, tribological tests were performed by using a commercially available fully formulated lubricant for a-C:H DLC involved tribo-pair. Steel/steel contact was used as the reference. A focus was made on the influence of the contact pressure on the tribological performance of the tribo-systems. A ring-on-disk configuration was first used to simulate the piston-ring-cylinder liner of internal combustion engine in the more severe tribological conditions. It was found that the friction coefficient decreases as the function of pressure in boundary/mixed lubrication regime for steel/a-C:H mixed contact. The surface analyses showed that the tribofilm was rich in calcium carbonate. Its structure was found to be load-dependent. Vaterite was found at low load, aragonite at medium load and calcite at high load. This crystal transformation was not observed for the steel/steel tribo-pair, for which the friction increased as the function of pressure.In order to have a better understanding on the effect of contact pressure on the observed tribological behaviors, additional friction tests were carried out using a standard ball-on-disk configuration and with the same tribo-pairs. A friction reduction at high pressure was obtained in a-C:H self-mated contact when the fully formulated oil was used. Similarly, the tribofilm is rich in calcium carbonate. Moreover, the amorphous calcium carbonate crystallizes to calcite at high pressure. Friction tests were also conducted with the corresponding base oil blending with 1wt% of the detergent additive. The friction reduction at high contact load was observed for each tribo-pair. The tribofilm was found again to be rich in calcium carbonate. The amorphous calcium carbonate crystallizes to calcite at high contact pressure. These findings are in line with the ring-on-disk configuration.