Une solution optimisée pour lubrifier des composants mécaniques

Publié par Redbran le 08/01/2022 à 13:00
Source: CNRS INSIS

Une équipe du LTDS a montré, en collaboration avec l'institut Fraunhofer pour la mécanique des matériaux (Allemagne), que des contacts mécaniques pouvaient présenter une résistance à l'usure élevée et un frottement ultra-faible, en contrôlant finement les interactions mécaniques et chimiques du revêtement protecteur DLC (Diamond like carbon) avec son lubrifiant.

Dans de nombreux systèmes mécaniques, comme par exemple les moteurs (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique,...) ou les turbines d'éoliennes, le frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre...) et l'usure des pièces limitent les performances, et la durée de vie (La vie est le nom donné :) des composants. Les revêtements en carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) du type DLC1 (Diamond like carbon) sur les surfaces en contact sont une solution prometteuse. Cependant, lorsque ces surfaces sont lubrifiées par un additif courant comme le dithiophosphate de zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément...) (ZDDP), le rôle du lubrifiant, et son interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) avec le revêtement DLC, étaient jusqu'ici mal compris.

C'est pour élucider cette question, et optimiser les performances tribologiques, qu'une équipe du Laboratoire de tribologie et de dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) des systèmes (LTDS, CNRS/École Centrale de Lyon/ENTPE) et de l'institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Fraunhofer pour la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) (Allemagne), a mené une série d'expérimentations et de simulations numériques avec différents revêtements DLC. Les scientifiques ont ainsi mis en évidence l'influence des interactions entre des phénomènes mécaniques et chimiques sur la résistance à l'usure et le frottement observés.

Ils ont montré que les propriétés tribologiques d'un revêtement DLC lubrifié par le ZDDP dépendent de sa rigidité, de la nano-topographie de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) et de la teneur en hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) du revêtement. Ainsi, avec un revêtement constitué de carbone amorphe tétraédrique sans hydrogène (appelé ta-C), présentant une dureté (Il existe différentes définitions de la dureté : pour un solide (minéral ou métal) et...) modérée, il est possible d'obtenir un frottement ultra-faible et une résistance à l'usure élevée. D'autres revêtements moins durs (a-C) montrent également une résistance à l'usure élevée, mais présentent un coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain...) de frottement plus élevé. Enfin, contrairement à ce que l'on pourrait attendre, des revêtements ta-Cs plus durs subissent une forte usure. Ce phénomène apparaît lié à une réaction tribochimique du DLC avec les espèces soufrées, contenues dans le ZDDP, et à un mécanisme de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...) préférentielle du soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de...) en sous-surface.

Ces résultats ont été obtenus en associant les expérimentations menées au LTDS (essais tribologiques et analyses de surface) avec les simulations numériques réalisées par l'institut Fraunhofer. Ils ont permis de définir une ''solution'' optimisée pour le revêtement DLC (sans hydrogène, et avec une dureté modérée). Les mêmes partenaires ont décidé d'aller plus loin, afin de mettre complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou...) en évidence le rôle du soufre et de sa diffusion dans les DLC. La nouvelle étude est financée dans le cadre d'un appel à projets du Labex Manutech-sise (Science et ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la...) des surfaces et interfaces). À terme, l'objectif sera de proposer des revêtements DLC avec de meilleures performances, à la fois en termes d'usure et de frottement. Par ailleurs, ce type d'études pourrait aussi faciliter la formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits...) de nouveaux additifs alternatifs, plus respectueux de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...).




Images en microscopie électronique à balayage (MEB) des surfaces DLC, a-C:H et ta-C, après glissement dans différentes solutions de lubrifiant contenant des molécules soufrées. © LTDS (CNRS/École Centrale de Lyon/ENTPE)

Références:
Interplay of mechanics and chemistry governs wear of diamond-like carbon coatings interacting with ZDDP-additivated lubricants.
Valentin R. Salinas Ruiz, Takuya Kuwahara, Jules Galipaud, Karine Masenelli-Varlot, Mohamed Ben Hassine, Christophe Héau, Melissa Stoll, Leonhard Mayrhofer, Gianpietro Moras, Jean Michel Martin, Michael Moseler & Maria Isabel de Barros Bouchet.
Nature Communications volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) 12, Article number: 4550 (2021), publié le 27 juillet 2021.
https://doi.org/10.1038/s41467-021-24766-6

Contacts:
- Maria Isabel De Barros Bouchet - Maîtresse de conférences de l'École Centrale de Lyon, Laboratoire de tribologie et de dynamique des systèmes (CNRS/École Centrale de Lyon/ENTPE) - maria-isabel.de-barros at ec-lyon.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INSIS - insis.communication at cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...).fr

Notes:
1 - Cette étude a été menée en collaboration avec le laboratoire Mateis (CNRS/INSA Lyon/Université Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le...) Lyon 1) et l'Institut de Recherches en Ingénierie des Surfaces (filiale groupe HEF).
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