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RÉSUMÉ
La tribologie est l'étude physique des phénomènes de frottement, lubrification et usure qui concernent aussi bien les éléments de machine que les contacts roue-rail et pneumatique-revêtements routiers, le freinage et la mise en forme des matériaux. Interposer un corps fluide ou solide aisément cisaillable, ou revêtir les corps d'un film d'épaisseur submicronique ou micronique, permet de contrôler les mécanismes de frottement, de les amplifier ou de les réduire selon l’application. Un lien fort existe entre l’approche mécanique des matériaux et la physico-chimie. Indépendamment de l’application, le revêtement qu’il soit polymère, métallique ou céramique, se doit d’adhérer au substrat sous des sollicitations très souvent thermiques et environnementales.
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Tribology consists in the physical study of friction, lubrication and wear phenomena which concern machine elements, wheel/rail and tyre/road surface contacts as well as braking and material forming. Interposing a fluid or a solid body, which can easily be sheared or coating the elements with a film of submicronic or micronic thickness, allows the controlling of friction mechanisms as well as their amplification or reduction according to the application. The mechanical approach to materials is strongly linked to physical chemistry. Independently of the application, the coating, be it a polymer or made of metal or ceramic, must adhere to the substrate under mostly thermal and environmental loads.
Auteur(s)
-
Evelyne DARQUE-CERETTI : Docteur d'état - Maître de recherche de l'école des Mines de Paris,
-
Eric FELDER : Docteur d'état - Maître de recherche de l'école des Mines de Paris,
-
Bernard MONASSE : Docteur d'état - Maître de recherche de l'école des Mines de Paris,
INTRODUCTION
Lorsque deux corps solides sont en contact, il faut exercer une force ou un couple pour vaincre la résistance au mouvement relatif : c'est le frottement et, plus précisément, le frottement dit statique qui s'oppose à ce mouvement relatif. Au fur et à mesure que se poursuit le mouvement relatif des deux corps, le frottement évolue (frottement dynamique) et il se produit un endommagement de leur surface : formation de rayures, changement d'aspect, perte ou gain de matière (usure ou transfert), transformation physico-chimique. Pour maîtriser le frottement, limiter l'usure, le transfert et la dégradation superficielle, on peut lubrifier le contact, c'est-à-dire interposer un corps fluide ou solide aisément cisaillable, et/ou revêtir les corps d'un film d'épaisseur submicronique ou micronique. La tribologie est l'étude de ces phénomènes de frottement, lubrification et usure qui concernent aussi bien les éléments de machine que les contacts roue-rail et pneumatique/revêtements routiers, le freinage, la mise en forme des matériaux. Dans cet article des exemples sont traités, ils servent d'illustration aux modes de fonctionnement. Ils concernent des solutions classiques ou des solutions futures qui sont actuellement l'objet de recherches. Mais il faut noter que pour une application décrite les objectifs peuvent être multiples : en effet il est parfois nécessaire de maîtriser le frottement et en même temps de limiter l'usure et l'endommagement. Les exemples seront donc traités en conséquence. Le but est de comprendre le lien entre la tribologie, qui est généralement une approche mécanique des matériaux, et la physico-chimie. On notera que l'épaisseur des revêtements est adaptée à l'application. On montrera l'intérêt de la solution revêtue par rapport au substrat nu. Ceci nécessite au premier chef que le revêtement adhère bien au substrat. En préambule, on discute donc le problème de son adhésion sur le substrat.
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KEYWORDS
friction | coatings | damage | wear | tribology | physico-chemistry
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Adhésion et adhérence des films5. Conclusions
Divers revêtements de nature variée ont été présentés dans cet article : polymères, métalliques ou céramiques utilisés dans des conditions très différentes. Il n'existe pas en effet de revêtement universel capable de résoudre n'importe quel problème tribologique. L'ensemble des problèmes rencontrés en pratique n'a toutefois pas été traité de manière exhaustive, telles que les propriétés électroniques de certains films.
Comme nous l'avons vu les propriétés de frottement dépendent de la physico-chimie des antagonistes. Les propriétés mécaniques jouent également un rôle sur le frottement et l'usure. C'est la raison pour laquelle une lecture des exemples présentés peut suivre le classement suivant :
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revêtements mous sur des substrats durs, que l'on peut qualifier de lubrifiant vis-à-vis du substrat. Dans cette catégorie entrent les revêtements de téflon, le fartage des skis, les revêtements de sols en polyuréthane, les couches minces de métaux mous, les revêtements en mise en forme des polymères et les lubrifiants solides en forgeage ;
-
revêtements durs sur des matériaux mous, qui sont destinés à limiter l'usure du substrat. Les revêtements DLC sur le polyéthylène dans les prothèses articulaires, les papiers abrasifs, le chrome dur dans les canons ainsi que les vernis anti-rayure des lunettes et des carrosseries automobiles donnent une vision assez claire de l'utilité de ce type de revêtement ;
-
il est également possible d'avoir des revêtements qui se forment durant le procédé de mise en forme ou l'utilisation. C'est un cas usuel, mais ne faisant pas classiquement partie de cette classification. Nous avons illustré ce cas avec le sulfure de manganèse en usinage, le téflon comme additifs de lubrifiants moteur et les additifs fluorés en mise en forme des polymères.
Cette diversité de matériaux, de composition et d'épaisseur des revêtements doit répondre à une demande de compromis entre la recherche d'un coefficient de frottement faible (glissement), ou fort (sécurité), avec l'usure la plus faible possible, pour assurer la pérennité du revêtement. Ce compromis passe par une définition de l'épaisseur des revêtements qui doit assurer cette fonction à court ou long terme sous sollicitation. Pour l'optimiser, l'idée de revêtements multicouches a émergé, permettant d'améliorer...
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Conclusions
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DARQUE-CERETTI (E.), FELDER (E.) - Adhésion et adhérence - . CNRS Éditions, Collection Sciences et Techniques de l'ingénieur, Paris (2003).
-
(2) - HANHI (K.), STENBERG (B.) - Friction and the dynamic mechanical and thermal properties of polyurethane elastomers. Solid polyurethanes. - Progress in rubber and plastics technology, 11(1), 1-33 (1995).
-
(3) - KIM (J.H.), JANG (J.), ZIN (W.C.) - Thickness dependence of the glass transition temperature in thin polymer films. - Langmuir, 17, 2703-2710 (2001).
-
(4) - WITTMANN (J.C.), SMITH (P.) - Highly oriented thin films of poly(tetrafluoroethylene) as a substrate for oriented growth of materials - . Nature, 352, 414-417 (1991).
-
(5) - WILSON (B.) - Slick 50 – a proven PTFE-based boundary lubricant for engines. - Industr. Lub. Tribol., 47, 6-8 (1995).
-
(6) - CABEÇAS...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
http://fr.wikipedia.org/wiki/Papier_de_verre
http://www.fepa-abrasives.org/
http://www.gallaghercorp.com/urethane/designguide/cof.shtml
http://www.schneesportteam.ch/SkiToko.pdf
http://rsde.ineris.fr/ ouhttp://www.ineris.fr/substances/fr/
HAUT DE PAGE
G. Wamant, C. Grégoire, Procédé pour revêtir des récipients et récipients obtenus par ce procédé,Brevet Français n 1137972, déposé le 2 décembre 1955
HAUT DE PAGE
Appareils CSM
http://www.csm-instruments.com
Hydromécanique et frottement
Société française du vide
Société française du vide
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