Propriétés tribologiques de haute

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13180 (2023) Citer cet article

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Une lubrification inadéquate des deux surfaces en contact lors du frottement peut entraîner une usure importante, notamment lors de la coupe du métal. Par conséquent, une surface avec un effet antifriction synergique de texture et de lubrifiant solide a été proposée pour améliorer la lubrification. Une texture maillée présentant une excellente mouillabilité a été préparée sur la surface en acier rapide (HSS) par laser, puis des fibres de nylon ont été implantées verticalement dans les rainures de la texture à l'aide de la technologie de flocage électrostatique. Le frottement et l'état d'usure de différentes surfaces (lisse, texturée, flocage) sous lubrification à sec/à l'huile ont été étudiés à l'aide d'un testeur d'usure linéaire à mouvement alternatif. Le coefficient de frottement (COF) dans différentes conditions de travail a été utilisé pour analyser les propriétés antifriction, et le taux d'usure a été utilisé pour évaluer la résistance à l'usure de la surface. Les résultats ont montré que les propriétés tribologiques des surfaces de flocage étaient meilleures que celles des deux autres surfaces. En effet, l'ajout de fibres de nylon facilite le cisaillement sur les bords de la texture. Les fibres cassées forment un film lubrifiant solide sur la surface de l'échantillon, qui empêche la surface d'être rayée par des débris. De plus, on constate que le COF diminue avec l’augmentation de la charge. Enfin, la mouillabilité rapide des gouttelettes d’huile sur la surface de flocage montre le grand potentiel de la surface en matière de lubrification et d’antifriction.

L’usure causée par le frottement est l’une des principales causes de défaillance des équipements et des pièces1. Par conséquent, la recherche sur la réduction du frottement a attiré l’attention de nombreux chercheurs, se concentrant principalement sur les nouveaux matériaux, la texture de surface, les revêtements, les lubrifiants et d’autres aspects. Dans le domaine du traitement de coupe des métaux, le matériau est violemment frotté avec la surface de l'outil, créant ainsi une zone à haute température et haute pression à la pointe de l'outil, ce qui empêche le lubrifiant de pénétrer et affecte sérieusement la durée de vie du outil.

Les surfaces texturées ont fait l'objet d'une grande attention en raison de leurs bonnes propriétés tribologiques, mais l'état de l'art présenté est plutôt court et incomplet. Selon Grutzmacher et al.2, les textures ont pour fonction de stocker les débris et les lubrifiants, de réduire la surface de contact réelle et de contribuer à augmenter la pression hydrodynamique. Cheng et al.3 ont étudié le frottement et l'usure de différentes surfaces texturées et ont exploré les effets de la profondeur, de la rugosité et de la charge sur le frottement interfacial à l'aide d'un modèle de lubrification élastomère hybride. Wei et al.4 ont préparé quatre types de surfaces texturées avec différentes densités de surface et ont effectué des tests d'usure des disques à billes. Les résultats ont démontré que les textures amélioraient considérablement la résistance à l’usure du matériau du substrat et que l’effet de lubrification hydrodynamique provoqué par la texture était la principale raison de la réduction du frottement. Wan et al.5 ont découvert que les surfaces texturées ont le COF le plus petit et que la courbe du COF est plus stable que celle de la surface non texturée. Costa et al.6 ont analysé l'antifriction des surfaces texturées dans différentes applications et ont souligné les grands avantages du traitement laser dans la préparation des textures. Cependant, Marian et al.7 ont souligné que les textures destinées à contrôler la friction et l'usure dans les tribo-contacts lubrifiés sont encore en phase d'essais et d'erreurs.

Une optimisation plus poussée de la lubrification des surfaces texturées peut réduire la friction et l'usure, améliorant ainsi l'efficacité énergétique et la durabilité. Le remplissage de la texture avec des lubrifiants solides a attiré beaucoup d'attention en raison de sa préparation pratique et de ses propriétés autolubrifiantes. Li et al.8 ont déposé du métal mou (argent) dans la texture et ont vérifié que la surface n'a pas d'effet évident sur la réduction du frottement à température ambiante, tandis que l'antifriction est meilleure à 200 °C, 400 °C et 300 °C. . De plus, le stockage du lubrifiant dans la texture a un effet plus significatif sur la réduction du frottement à des températures supérieures à 400 °C. Mi et al.9 ont étudié les performances d'usure de la surface texturée remplie de lubrifiant solide WC/Cu. Les débris d'usure ont formé un film lubrifiant sur la surface de la phase Cu, et la phase Cu a formé un film autolubrifiant sur les îlots durs de WC. Par conséquent, la formation du film lubrifiant sur la surface d’usure diminue le COF et améliore la résistance à l’usure. Huang et al.10 ont utilisé une méthode de placage chimique pour déposer du lubrifiant solide Ag/MoS2 dans les fosses et ont effectué des tests d'usure. Les résultats ont montré que le COF et l'usure étaient considérablement réduits car le lubrifiant solide forme un film lubrifiant sur la surface. De plus, Yin et al.11 ont pulvérisé un lubrifiant solide non métallique (particules de graphite) sur une surface texturée et ont conclu que le graphite améliorait considérablement les propriétés tribologiques de la surface grâce à des tests d'usure. Meng et al.12 ont étudié l'antifriction de différents types de lubrifiants solides (CaF2, WS2 et graphite) dans les textures. Ils ont conclu que les textures remplies de lubrifiants solides WS2 ou graphite présentaient un COF relativement faible et que la présence d'un film lubrifiant dans la région de friction protégeait les échantillons contre d'autres dommages dus à l'usure. Wang et al.13 ont rempli le lubrifiant solide composite en texture en maintenant le processus de dépôt sous pression. Les tests de frottement ont démontré que la texture agit comme un réservoir de lubrifiant, libérant progressivement le lubrifiant dans la région de contact glissant pendant le glissement, et que les nanofibres de carbone contenues dans le lubrifiant solide composite contribuent le plus à réduire le coefficient de frottement. Hua et al.14 ont étudié les propriétés de friction d'une texture remplie de polyimide comme lubrifiant solide dans la plage de température ambiante jusqu'à 400 °C. Les résultats ont démontré que le COF de la surface texturée remplie de lubrifiant flexible était significativement plus faible et plus stable. Rosenkranz et al.15 ont souligné dans une revue que la combinaison de lubrifiants texturés et solides est une approche prometteuse pour obtenir des surfaces avec un comportement de friction ou d'usure réglable. Cependant, il existe encore de nombreuses possibilités d’amélioration et d’optimisation de la technologie afin de maximiser les synergies entre textures et lubrifiants solides.