TEST D'USURE DU REVÊTEMENT PTFE

UTILISATION DU TRIBOMETRE ET DU TESTEUR MECANIQUE

Préparé par

DUANJIE LI, PhD

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette application, le processus d'usure d'un revêtement PTFE pour une poêle antiadhésive est simulé à l'aide du tribomètre NANOVEA en mode linéaire alternatif.

NANOVEA T50 Compact
Tribomètre à poids libre

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De plus, le testeur mécanique NANOVEA a été utilisé pour effectuer un test d'adhérence aux micro-rayures afin de déterminer la charge critique de la défaillance de l'adhérence du revêtement PTFE.

NANOVEA PB1000 Grande plate-forme Testeur Méchanique

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RÉSULTATS ET DISCUSSION

USURE LINÉAIRE ALTERNATIVE À L'AIDE D'UN TRIBOMÈTRE

Le COF enregistré in situ est présenté dans la FIGURE 1. L'échantillon de test présentait un COF d'environ 0,18 au cours des 130 premiers tours, en raison de la faible adhérence du PTFE. Cependant, il y a eu une augmentation soudaine du COF jusqu’à environ 1 une fois que le revêtement a percé, révélant le substrat situé en dessous. Suite aux essais linéaires alternatifs, le profil de la trace d'usure a été mesuré à l'aide du NANOVEA Profilomètre optique sans contact, comme le montre la FIGURE 2. À partir des données obtenues, le taux d'usure correspondant a été calculé comme étant d'environ 2,78 × 10-3 mm3/Nm, tandis que la profondeur de la trace d'usure a été déterminée comme étant de 44,94 µm.

Configuration du test d'usure du revêtement PTFE sur le tribomètre NANOVEA T50.

FIGURE 1: Évolution du COF lors du test d'usure du revêtement PTFE.

FIGURE 2 : Extraction de profil de piste d'usure PTFE.

PTFE Avant percée

Max COF	0.217
Min COF	0.125
CAF moyen	0.177

PTFE Après percée

Max COF	0.217
Min COF	0.125
CAF moyen	0.177

TABLEAU 1 : COF avant et après percée lors du test d'usure.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

TEST D'ADHÉRENCE MICRO SCRATCH À L'AIDE D'UN TESTEUR MÉCANIQUE

L'adhérence du revêtement PTFE au substrat est mesurée à l'aide de tests de rayure avec un stylet en diamant de 200 µm. La micrographie est illustrée à la FIGURE 3 et à la FIGURE 4, Évolution du COF et de la profondeur de pénétration à la FIGURE 5. Les résultats du test de rayure du revêtement PTFE sont résumés dans le TABLEAU 4. Au fur et à mesure que la charge sur le stylet en diamant augmentait, il pénétrait progressivement dans le revêtement, entraînant une augmentation du COF. Lorsqu'une charge d'environ 8,5 N a été atteinte, la percée du revêtement et l'exposition du substrat se sont produites sous haute pression, conduisant à un COF élevé d'environ 0,3. Le faible St Dev indiqué dans le TABLEAU 2 démontre la répétabilité du test de rayure du revêtement PTFE effectué à l'aide du testeur mécanique NANOVEA.

FIGURE 3 : Micrographie de la rayure complète sur PTFE (10X).

FIGURE 4 : Micrographie de la rayure complète sur PTFE (10X).

FIGURE 5 : Graphique de frottement montrant la ligne du point de rupture critique pour le PTFE.

Test de rayure.	Point de défaillance [N]	Force de frottement [N]	COF
1	0.335	0.124	0.285
2	0.337	0.207	0.310
3	0.380	0.229	0.295
Moyenne	8.52	2.47	0.297
St dev	0.17	0.16	0.012

TABLEAU 2 : Résumé de la charge critique, de la force de friction et du COF lors du test de rayure.

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COURROIES EN POLYMÈRE

USURE ET FRICTION à l'aide d'un TRIBOMETRE

Préparé par

DUANJIE LI, PhD

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, nous avons simulé et comparé les comportements d'usure de courroies présentant différentes textures de surface afin de mettre en évidence la capacité de l NANOVEA Le tribomètre T2000 permet de simuler le processus d'usure de la courroie de manière contrôlée et surveillée.

NANOVEA

T2000

EN SAVOIR PLUS

FIGURE 1 montre l'évolution du COF des courroies pendant les essais d'usure. Les courroies avec différentes textures présentent des comportements d'usure sensiblement différents. Il est intéressant de noter qu'après la période de rodage au cours de laquelle le COF augmente progressivement, la courroie texturée atteint un COF inférieur de ~0,5 dans les deux tests réalisés avec des charges de 10 N et 100 N. En comparaison, la courroie lisse testée sous une charge de 10 N présente un COF nettement plus élevé de ~1,4 lorsque le COF se stabilise et se maintient au-dessus de cette valeur pour le reste du test. La courroie lisse testée sous une charge de 100 N a été rapidement usée par la bille d'acier 440 et a formé une grande trace d'usure. L'essai a donc été arrêté à 220 tours.

FIGURE 1: Evolution du COF des courroies à différentes charges.

La FIGURE 2 compare les images des traces d'usure en 3D après les essais à 100 N. Le profilomètre sans contact NANOVEA 3D offre un outil pour analyser la morphologie détaillée des traces d'usure, ce qui permet de mieux comprendre le mécanisme d'usure.

TABLEAU 1 : Résultat de l'analyse des traces d'usure.

FIGURE 2 :  Vue 3D des deux courroies
après les essais à 100 N.

FIGURE 3 :  Traces d'usure au microscope optique.

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ESSAI D'USURE DES PISTONSUTILISATION DU TRIBOMÈTRE NANOVEA

Préparé par

FRANK LIU

Qu'est-ce que le test d'usure des pistons ?

Les essais d'usure des pistons évaluent le frottement, la lubrification et la durabilité des matériaux entre les jupes des pistons et les chemises de cylindre dans des conditions de laboratoire contrôlées. À l'aide d'un tribomètre, les ingénieurs peuvent reproduire le mouvement alternatif réel et mesurer avec précision le coefficient de frottement, le taux d'usure et la topographie 3D de la surface. Ces résultats fournissent des informations clés sur le comportement tribologique des revêtements, des lubrifiants et des alliages utilisés dans les pistons des moteurs, ce qui permet d'optimiser les performances, le rendement énergétique et la fiabilité à long terme.

 Schéma du système de vérins de puissance et des interfaces jupe de piston-lubrifiant-revêtement de vérin.

Module liquide sur le tribomètre NANOVEA T2000

Le module goutte à goutte est crucial pour cette étude. Comme les pistons peuvent se déplacer à une vitesse très rapide (supérieure à 3 000 tr/min), il est difficile de créer un film mince de lubrifiant en immergeant l'échantillon. Pour remédier à ce problème, le module de goutte-à-goutte est capable d'appliquer une quantité constante de lubrifiant sur la surface de la jupe du piston.

L'application d'un lubrifiant frais élimine également le risque que des contaminants d'usure délogés influencent les propriétés du lubrifiant.

Comment les tribomètres simulent
Usure réelle du piston et de la chemise

Les interfaces piston-chemise-cylindre seront étudiées dans ce rapport. Les interfaces seront reproduites en effectuant un mouvement alternatif linéaire. test d'usure avec module de lubrification goutte à goutte.

Le lubrifiant sera appliqué à température ambiante et à chaud pour comparer les conditions de démarrage à froid et de fonctionnement optimal. Le COF et le taux d'usure seront observés pour mieux comprendre le comportement des interfaces dans des applications réelles.

NANOVEA T2000
Tribomètre à charge élevée

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Dans cette expérience, l'A5052 a été utilisé comme matériau de référence. Bien que les blocs moteurs soient généralement fabriqués en aluminium moulé tel que l'A356, l'A5052 présente des propriétés mécaniques similaires à celles de l'A356 pour cet essai simulé [1].

Dans les conditions d'essai, une usure importante a été observée sur la jupe du piston à température ambiante par rapport à une température de 90 °C. Les rayures profondes observées sur les échantillons suggèrent que le contact entre le matériau statique et la jupe du piston se produit fréquemment tout au long de l'essai. La viscosité élevée à température ambiante peut empêcher l'huile de remplir complètement les interstices aux interfaces et créer un contact métal-métal. À une température plus élevée, l'huile s'amincit et peut s'écouler entre la goupille et le piston. Par conséquent, on observe une usure nettement moindre à une température plus élevée. La FIGURE 5 montre qu'un côté de la marque d'usure s'est usé nettement moins que l'autre côté. Cela est très probablement dû à l'emplacement de la sortie d'huile. L'épaisseur du film lubrifiant était plus importante d'un côté que de l'autre, ce qui a entraîné une usure inégale.

[1] “ Aluminium 5052 vs aluminium 356.0 ”. MakeItFrom.com, makeitfrom.com/compare/5052-O-Aluminum/A356.0-SG70B-A13560-Cast-Aluminum

Le COF des essais de tribologie à mouvement alternatif linéaire peut être divisé en un passage haut et un passage bas. Le passage haut fait référence à l'échantillon se déplaçant dans la direction avant, ou positive, et le passage bas fait référence à l'échantillon se déplaçant dans la direction inverse, ou négative. On a observé que le COF moyen pour l'huile RT était inférieur à 0,1 dans les deux sens. Les COF moyens entre les passages étaient de 0,072 et 0,080. Le COF moyen de l'huile à 90°C s'est avéré différent entre les passages. Des valeurs moyennes de COF de 0,167 et 0,09 ont été observées. La différence de COF est une preuve supplémentaire que l'huile n'a pu mouiller correctement qu'un seul côté de l'axe. Un COF élevé a été obtenu lorsqu'un film épais s'est formé entre l'axe et la jupe du piston en raison de la lubrification hydrodynamique qui s'est produite. Un COF plus faible est observé dans l'autre sens lorsqu'une lubrification mixte se produit. Pour plus d'informations sur la lubrification hydrodynamique et la lubrification mixte, veuillez consulter notre note d'application sur Courbes de Stribeck.

Tableau 1 : Résultats d'un essai d'usure lubrifié sur des pistons.

FIGURE 1: Graphiques COF pour l'essai d'usure de l'huile à température ambiante A profil brut B passage élevé C passage bas.

FIGURE 2 : Graphiques COF pour un essai d'huile d'usure à 90°C A profil brut B passe haut C passe bas.

FIGURE 3 : Image optique d'une cicatrice d'usure provenant d'un test d'usure d'huile moteur RT.

FIGURE 4 : Volume d'un trou analyse de la cicatrice d'usure de l'essai d'usure de l'huile moteur RT.

FIGURE 5 : Scan de profilométrie d'une cicatrice d'usure provenant d'un test d'usure d'huile moteur RT.

FIGURE 6 : Image optique d'une cicatrice d'usure provenant d'un essai d'usure d'huile moteur à 90°C

FIGURE 7 : Volume de l'analyse d'un trou de la cicatrice d'usure provenant d'un essai d'usure d'huile moteur à 90°C.

FIGURE 8 : Balayage profilométrique d'une cicatrice d'usure provenant d'un essai d'usure d'huile moteur à 90°C.

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ÉVALUATION DE L'USURE PAR FROTTEMENT

Auteur :

Duanjie Li, PhD

Révisé par

Jocelyn Esparza

INTRODUCTION

L'usure par frottement est "un processus d'usure particulier qui se produit dans la zone de contact entre deux matériaux soumis à une charge et à un mouvement relatif minime sous l'effet de vibrations ou d'une autre force". Lorsque les machines sont en fonctionnement, des vibrations se produisent inévitablement dans les assemblages boulonnés ou goupillés, entre des composants qui ne sont pas destinés à bouger, ainsi que dans les accouplements et les roulements oscillants. L'amplitude de ce mouvement de glissement relatif est souvent de l'ordre du micromètre ou du millimètre. Ce mouvement répétitif de faible amplitude provoque une usure mécanique localisée importante et un transfert de matière à la surface, ce qui peut entraîner une réduction de l'efficacité de la production et des performances de la machine, voire l'endommager.

Importance de l'aspect quantitatif
Évaluation de l'usure par frottement

L'usure par frottement implique souvent plusieurs mécanismes d'usure complexes se produisant au niveau de la surface de contact, notamment l'abrasion à deux corps, l'adhérence et/ou l'usure par fatigue par frottement. Afin de comprendre le mécanisme d'usure par frottement et de sélectionner le meilleur matériau pour la protection contre l'usure par frottement, une évaluation fiable et quantitative de l'usure par frottement est nécessaire. Le comportement à l'usure par frottement est considérablement influencé par l'environnement de travail, tel que l'amplitude de déplacement, la charge normale, la corrosion, la température, l'humidité et la lubrification. Un polyvalent tribomètre capable de simuler différentes conditions de travail réalistes sera idéal pour l'évaluation de l'usure par fretting.

Steven R. Lampman, ASM Handbook : Volume 19 : Fatigue et Fracture
http://www.machinerylubrication.com/Read/693/fretting-wear

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, nous avons évalué les comportements d'usure par fretting d'un échantillon d'acier inoxydable SS304 à différentes vitesses d'oscillation et températures afin de mettre en évidence la capacité de l'acier inoxydable SS304 à résister à l'usure par fretting. NANOVÉA T50 Le tribomètre permet de simuler le processus d'usure par frottement du métal d'une manière bien contrôlée et surveillée.

NANOVEA

T50

CONDITIONS DE TEST

La résistance à l'usure par frottement d'un échantillon d'acier inoxydable SS304 a été évaluée par NANOVEA Tribomètre utilisant un module d'usure à mouvement alternatif linéaire. Une bille en WC (6 mm de diamètre) a été utilisée comme contre-matériau. La trace d'usure a été examinée à l'aide d'un NANOVEA Profileur 3D sans contact. 

L'essai de fretting a été réalisé à température ambiante (RT) et à 200 °C pour étudier l'effet de la haute température sur la résistance à l'usure par frottement de l'échantillon de SS304. Une plaque chauffante sur le plateau de l'échantillon a chauffé l'échantillon pendant l'essai de fretting à 200 °C. Le taux d'usure, Ka été évaluée à l'aide de la formule K=V/(F×s)où V est le volume usé, F est la charge normale, et s est la distance de glissement.

Veuillez noter qu'une boule de WC comme contre-matériau a été utilisée comme exemple dans cette étude. Tout matériau solide de différentes formes et finitions de surface peut être appliqué à l'aide d'un dispositif de fixation personnalisé afin de simuler la situation d'application réelle.

PARAMÈTRES D'ESSAI

des mesures d'usure

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Le profil 3D de la trace d'usure permet de déterminer directement et avec précision la perte de volume de la trace d'usure calculée par l'analyse de la trace d'usure. NANOVEA Logiciel d'analyse des montagnes. 

L'essai d'usure alternatif à faible vitesse de 100 tr/min et à température ambiante présente une petite trace d'usure de 0,014 mm.³. En comparaison, l'essai d'usure par frottement effectué à une vitesse élevée de 1000 tr/min crée une trace d'usure nettement plus importante, d'un volume de 0,12 mm.³. Ce processus d'usure accéléré peut être attribué à la chaleur élevée et aux vibrations intenses générées pendant l'essai d'usure par frottement, qui favorisent l'oxydation des débris métalliques et entraînent une forte abrasion des trois corps. L'essai d'usure par frottement à une température élevée de 200 °C forme une plus grande trace d'usure de 0,27 mm³.

L'essai d'usure par frottement à 1000 tr/min présente un taux d'usure de 1,5×10^-4 mm³/Nm, soit près de neuf fois plus que lors d'un essai d'usure alternatif à 100 tr/min. L'essai d'usure par frottement à une température élevée accélère encore le taux d'usure à 3,4×10^-4 mm³/Nm. Une différence aussi importante dans la résistance à l'usure mesurée à différentes vitesses et températures montre l'importance de simuler correctement l'usure de contact pour des applications réalistes.

Le comportement de l'usure peut changer radicalement lorsque de petites modifications des conditions d'essai sont introduites dans le tribosystème. La polyvalence de la NANOVEA Le tribomètre permet de mesurer l'usure dans diverses conditions, notamment la température élevée, la lubrification, la corrosion et autres. Le contrôle précis de la vitesse et de la position par le moteur avancé permet aux utilisateurs d'effectuer le test d'usure à des vitesses allant de 0,001 à 5000 tr/min, ce qui en fait un outil idéal pour les laboratoires de recherche et d'essai pour étudier l'usure de contact dans différentes conditions tribologiques.

Traces d'usure par frottement dans diverses conditions

sous le microscope optique

PROFILS 3D DES PISTES D'USAGE

fournir plus d'informations sur la compréhension fondamentale
du mécanisme d'usure par frottement

CONCLUSION

Dans cette étude, nous avons mis en évidence la capacité de la NANOVEA Tribomètre pour évaluer le comportement de l'usure de contact d'un échantillon d'acier inoxydable SS304 de manière bien contrôlée et quantitative. 

La vitesse et la température de l'essai jouent un rôle essentiel dans la résistance à l'usure par frottement des matériaux. La chaleur élevée et les vibrations intenses pendant l'usure par frottement ont entraîné une accélération substantielle de l'usure de l'échantillon de SS304, de près de neuf fois. La température élevée de 200 °C a encore augmenté le taux d'usure à 3,4×10^-4 mm³/Nm. 

La polyvalence de la NANOVEA Le tribomètre est un outil idéal pour mesurer l'usure de contact dans diverses conditions, notamment la température élevée, la lubrification, la corrosion et autres.

NANOVEA Les tribomètres offrent des tests d'usure et de friction précis et répétables en utilisant des modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules optionnels d'usure à haute température, de lubrification et de tribo-corrosion disponibles dans un système pré-intégré. Notre gamme inégalée est une solution idéale pour déterminer l'ensemble des propriétés tribologiques des revêtements, films et substrats minces ou épais, souples ou durs.

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INTRODUCTION

Un roulement à billes utilise des billes pour réduire le frottement de rotation et supporter les charges radiales et axiales. Les billes qui roulent entre les chemins de roulement produisent un coefficient de frottement (COF) bien inférieur à celui de deux surfaces planes glissant l'une contre l'autre. Les roulements à billes sont souvent exposés à des niveaux élevés de contraintes de contact, à l'usure et à des conditions environnementales extrêmes telles que des températures élevées. Par conséquent, la résistance à l'usure des billes sous des charges élevées et des conditions environnementales extrêmes est essentielle pour prolonger la durée de vie du roulement à billes et réduire les coûts et les délais de réparation et de remplacement.
Les roulements à billes peuvent être trouvés dans presque toutes les applications impliquant des pièces mobiles. Ils sont couramment utilisés dans les industries du transport telles que l'aérospatiale et l'automobile, ainsi que dans l'industrie du jouet qui fabrique des articles tels que des fidget spinner et des planches à roulettes.

ÉVALUATION DE L'USURE DES ROULEMENTS À BILLES À DES CHARGES ÉLEVÉES

Les roulements à billes peuvent être fabriqués à partir d’une longue liste de matériaux. Les matériaux couramment utilisés vont des métaux comme l'acier inoxydable et l'acier chromé ou des céramiques comme le carbure de tungstène (WC) et le nitrure de silicium (Si3n4). Pour garantir que les roulements à billes fabriqués possèdent la résistance à l'usure requise, idéale pour les conditions d'application données, des évaluations tribologiques fiables sous des charges élevées sont nécessaires. Les tests tribologiques aident à quantifier et à comparer les comportements à l'usure de différents roulements à billes de manière contrôlée et surveillée afin de sélectionner le meilleur candidat pour l'application ciblée.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, nous présentons un Nanovea Tribomètre comme l'outil idéal pour comparer la résistance à l'usure de différents roulements à billes sous des charges élevées.

Figure 1 : Configuration du test de roulement.

PROCÉDURE DE TEST

Le coefficient de frottement, COF, et la résistance à l'usure des roulements à billes fabriqués dans différents matériaux ont été évalués par un tribomètre Nanovea. Du papier de verre grain P100 a été utilisé comme matériau de comptoir. Les traces d'usure des roulements à billes ont été examinées à l'aide d'un Nanovea Profileur 3D sans contact après la fin des tests d'usure. Les paramètres de test sont résumés dans le tableau 1. Le taux d'usure, Ka été évaluée à l'aide de la formule K=V/(F×s)où V est le volume usé, F est la charge normale et s est la distance de glissement. Les cicatrices d'usure des billes ont été évaluées par un Nanovea Profileur 3D sans contact pour garantir une mesure précise du volume d'usure.
La fonction de positionnement radial motorisé automatisée permet au tribomètre de diminuer le rayon de la piste d'usure pendant la durée d'un test. Ce mode de test est appelé test en spirale et garantit que le roulement à billes glisse toujours sur une nouvelle surface du papier de verre (Figure 2). Il améliore considérablement la répétabilité du test de résistance à l’usure du ballon. L'encodeur avancé 20 bits pour le contrôle de vitesse interne et l'encodeur 16 bits pour le contrôle de position externe fournissent des informations précises sur la vitesse et la position en temps réel, permettant un ajustement continu de la vitesse de rotation pour obtenir une vitesse de glissement linéaire constante au niveau du contact.
Veuillez noter que le papier de verre P100 Grit a été utilisé pour simplifier le comportement à l'usure entre les différents matériaux de billes dans cette étude et peut être remplacé par n'importe quelle autre surface de matériau. N'importe quel matériau solide peut être remplacé pour simuler les performances d'une large gamme de raccords de matériaux dans des conditions d'application réelles, comme dans un liquide ou un lubrifiant.

Figure 2 : Illustration des passes en spirale du roulement à billes sur le papier de verre.

Tableau 1 : Paramètres d'essai des mesures d'usure.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Le taux d'usure est un facteur essentiel pour déterminer la durée de vie du roulement à billes, tandis qu'un faible COF est souhaitable pour améliorer les performances et l'efficacité du roulement. La figure 3 compare l'évolution du COF pour différents roulements à billes par rapport au papier de verre lors des tests. La bille en acier Cr présente un COF accru de ~0,4 lors du test d'usure, contre ~0,32 et ~0,28 pour les roulements à billes SS440 et Al2O3. En revanche, la boule WC présente un COF constant de ~0,2 tout au long du test d'usure. Une variation observable du COF peut être observée tout au long de chaque test, attribuée aux vibrations provoquées par le mouvement de glissement des roulements à billes contre la surface rugueuse du papier de verre.

Figure 3 : Evolution du COF lors des tests d'usure.

Les figures 4 et 5 comparent les cicatrices d'usure des roulements à billes après qu'elles ont été mesurées respectivement par un microscope optique et un profileur optique sans contact Nanovea, et le tableau 2 résume les résultats de l'analyse des traces d'usure. Le profileur Nanovea 3D détermine avec précision le volume d'usure des roulements à billes, permettant de calculer et de comparer les taux d'usure de différents roulements à billes. On peut observer que les billes en acier Cr et SS440 présentent des cicatrices d'usure aplaties beaucoup plus grandes que les billes en céramique, c'est-à-dire Al2O3 et WC après les tests d'usure. Les billes en acier Cr et SS440 ont des taux d'usure comparables de 3,7 × 10-3 et 3,2 × 10-3 m3/N m, respectivement. En comparaison, la bille Al2O3 présente une résistance à l’usure améliorée avec un taux d’usure de 7,2×10-4 m3/N·m. La boule WC présente à peine des rayures mineures sur la zone de piste d'usure peu profonde, ce qui entraîne un taux d'usure considérablement réduit de 3,3 × 10-6 mm3/N·m.

Figure 4 : Cicatrices d'usure des roulements à billes après les tests.

Figure 5 : Morphologie 3D des cicatrices d'usure sur les roulements à billes.

Tableau 2 : Analyse des cicatrices d'usure des roulements à billes.

La figure 6 montre des images au microscope des traces d'usure produites sur le papier de verre par les quatre roulements à billes. Il est évident que la boule WC produit la trace d'usure la plus sévère (éliminant presque toutes les particules de sable sur son passage) et possède la meilleure résistance à l'usure. En comparaison, les billes en acier Cr et SS440 ont laissé une grande quantité de débris métalliques sur la trace d'usure du papier de verre.
Ces observations démontrent en outre l’importance du bénéfice d’un test en spirale. Il garantit que le roulement à billes glisse toujours sur une nouvelle surface du papier de verre, ce qui améliore considérablement la répétabilité d'un test de résistance à l'usure.

Figure 6 : Usure des traces sur le papier de verre contre différents roulements à billes.

CONCLUSION

La résistance à l'usure des roulements à billes sous haute pression joue un rôle essentiel dans leurs performances en service. Les roulements à billes en céramique possèdent une résistance à l'usure considérablement améliorée dans des conditions de contraintes élevées et réduisent le temps et les coûts liés à la réparation ou au remplacement des roulements. Dans cette étude, le roulement à billes WC présente une résistance à l'usure nettement supérieure à celle des roulements en acier, ce qui en fait un candidat idéal pour les applications de roulements soumises à une usure importante.
Un tribomètre Nanovea est conçu avec des capacités de couple élevées pour des charges allant jusqu'à 2 000 N et un moteur précis et contrôlé pour des vitesses de rotation de 0,01 à 15 000 tr/min. Il propose des tests d'usure et de frottement reproductibles en utilisant les modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules d'usure et de lubrification à haute température en option disponibles dans un système pré-intégré. Cette gamme inégalée permet aux utilisateurs de simuler différents environnements de travail sévères des roulements à billes, notamment des contraintes élevées, l'usure et des températures élevées, etc. Elle constitue également un outil idéal pour évaluer quantitativement les comportements tribologiques de matériaux supérieurs résistants à l'usure sous des charges élevées.
Un profileur 3D sans contact Nanovea fournit des mesures précises du volume d'usure et agit comme un outil pour analyser la morphologie détaillée des traces d'usure, fournissant ainsi des informations supplémentaires sur la compréhension fondamentale des mécanismes d'usure.

Préparé par
Duanjie Li, Ph.D., Jonathan Thomas et Pierre Leroux

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Importance de l'évaluation de l'usure et de la rayure des fils de cuivre

Le cuivre a une longue histoire d'utilisation dans le câblage électrique depuis l'invention de l'électroaimant et du télégraphe. Les fils de cuivre sont utilisés dans une large gamme d'équipements électroniques tels que les panneaux, les compteurs, les ordinateurs, les machines commerciales et les appareils électroménagers, grâce à leur résistance à la corrosion, à leur soudabilité et à leurs performances à des températures élevées (jusqu'à 150 °C). Environ la moitié de tout le cuivre extrait est utilisé pour la fabrication de fils et de câbles électriques.

La qualité de la surface des fils de cuivre est essentielle pour les performances et la durée de vie des applications. Les micro-défauts des fils peuvent entraîner une usure excessive, l'apparition et la propagation de fissures, une diminution de la conductivité et une soudabilité inadéquate. Un traitement de surface approprié des fils de cuivre élimine les défauts de surface générés lors du tréfilage, améliorant ainsi la résistance à la corrosion, aux rayures et à l'usure. De nombreuses applications aérospatiales utilisant des fils de cuivre nécessitent un comportement contrôlé afin d'éviter une défaillance inattendue de l'équipement. Des mesures quantifiables et fiables sont nécessaires pour évaluer correctement la résistance à l'usure et aux rayures de la surface des fils de cuivre.

 

 

 

Objectif de la mesure

Dans cette application, nous simulons un processus d'usure contrôlée de différents traitements de surface de fils de cuivre. Essais par rayures mesure la charge nécessaire pour provoquer une rupture sur la couche de surface traitée. Cette étude présente le Nanovea Tribomètre et Testeur Méchanique comme outils idéaux pour l’évaluation et le contrôle qualité des fils électriques.

 

 

Procédure d'essai et procédures

Le coefficient de frottement (COF) et la résistance à l'usure de deux traitements de surface différents sur des fils de cuivre (fil A et fil B) ont été évalués par le tribomètre Nanovea à l'aide d'un module d'usure linéaire alternatif. Une bille d'Al₂O₃ (diamètre 6 mm) est le contre-matériau utilisé dans cette application. La trace d'usure a été examinée à l'aide du système Nanovea Profilomètre 3D sans contact. Les paramètres de test sont résumés dans le tableau 1.

Une bille lisse en Al₂O₃ comme contre-matériau a été utilisée comme exemple dans cette étude. Tout matériau solide de forme et de finition de surface différentes peut être appliqué à l'aide d'un dispositif de fixation personnalisé pour simuler la situation d'application réelle.

 

 

Le testeur mécanique de Nanovea équipé d'un stylet en diamant Rockwell C (rayon de 100 μm) a effectué des tests de rayure à charge progressive sur les fils revêtus en utilisant le mode micro-rayure. Les paramètres du test de rayure et la géométrie de la pointe sont indiqués dans le tableau 2.

 

 

 

 

Résultats et discussion

Usure du fil de cuivre :

La figure 2 montre l'évolution du COF des fils de cuivre pendant les tests d'usure. Le fil A présente un COF stable de ~0,4 tout au long de l'essai d'usure tandis que le fil B présente un COF de ~0,35 dans les 100 premiers tours et augmente progressivement jusqu'à ~0,4.

 

La figure 3 compare les traces d'usure des fils de cuivre après les tests. Le profilomètre 3D sans contact de Nanovea a offert une analyse supérieure de la morphologie détaillée des traces d'usure. Il permet une détermination directe et précise du volume des traces d'usure en fournissant une compréhension fondamentale du mécanisme d'usure. La surface du fil B présente des traces d'usure significatives après un test d'usure de 600 tours. La vue 3D du profilomètre montre que la couche traitée en surface du fil B a été complètement retirée, ce qui a considérablement accéléré le processus d'usure. Cela a laissé une trace d'usure aplatie sur le fil B, là où le substrat de cuivre est exposé. Cela peut entraîner une réduction significative de la durée de vie des équipements électriques dans lesquels le fil B est utilisé. En comparaison, le fil A présente une usure relativement faible, comme le montre une trace d'usure peu profonde sur la surface. La couche traitée en surface sur le fil A ne s'est pas retirée comme la couche sur le fil B dans les mêmes conditions.

Résistance à la rayure de la surface du fil de cuivre :

La figure 4 montre les traces de rayures sur les fils après les tests. La couche protectrice du fil A présente une très bonne résistance aux rayures. Elle se délamine à une charge de ~12,6 N. En comparaison, la couche protectrice du fil B s'est rompue à une charge de ~1,0 N. Une telle différence significative dans la résistance à la rayure de ces fils contribue à leur performance d'usure, où le fil A possède une résistance à l'usure considérablement améliorée. L'évolution de la force normale, du COF et de la profondeur au cours des tests de rayure illustrés à la Fig. 5 fournit un meilleur aperçu de la rupture du revêtement pendant les tests.

Conclusion

Dans cette étude contrôlée, nous avons présenté le tribomètre Nanovea qui effectue une évaluation quantitative de la résistance à l'usure des fils de cuivre traités en surface et le testeur mécanique Nanovea qui fournit une évaluation fiable de la résistance à la rayure des fils de cuivre. Le traitement de surface des fils joue un rôle essentiel dans les propriétés tribo-mécaniques pendant leur durée de vie. Le traitement de surface approprié du fil A a considérablement amélioré la résistance à l'usure et aux rayures, ce qui est essentiel pour la performance et la durée de vie des fils électriques dans des environnements difficiles.

Le tribomètre de Nanovea offre des tests d'usure et de friction précis et répétables en utilisant des modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules optionnels d'usure à haute température, de lubrification et de tribo-corrosion disponibles dans un système pré-intégré. La gamme inégalée de Nanovea est une solution idéale pour déterminer la gamme complète des propriétés tribologiques des revêtements, films et substrats minces ou épais, souples ou durs.

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Importance de l'évaluation de l'usure du DLC dans l'humidité

Les revêtements en carbone de type diamant (DLC) possèdent des propriétés tribologiques améliorées, à savoir une excellente résistance à l'usure et un très faible coefficient de frottement (COF). Les revêtements DLC confèrent les caractéristiques du diamant lorsqu'ils sont déposés sur différents matériaux. Les propriétés tribo-mécaniques favorables rendent les revêtements DLC préférables dans diverses applications industrielles, telles que les pièces aérospatiales, les lames de rasoir, les outils de coupe de métal, les roulements, les moteurs de motos et les implants médicaux.

Les revêtements DLC présentent un très faible COF (inférieur à 0,1) contre les billes d'acier sous vide poussé et dans des conditions sèches.¹². Cependant, les revêtements DLC sont sensibles aux changements de conditions environnementales, en particulier à l'humidité relative (HR).³. Les environnements à forte humidité et concentration d'oxygène peuvent entraîner une augmentation significative du COF⁴. Une évaluation fiable de l'usure dans une humidité contrôlée simule des conditions environnementales réalistes des revêtements DLC pour les applications tribologiques. Les utilisateurs sélectionnent les meilleurs revêtements DLC pour les applications cibles avec une comparaison appropriée
des comportements d'usure du DLC exposé à différentes humidités.

Objectif de la mesure

Cette étude présente le Nanovea Tribomètre équipé d'un contrôleur d'humidité, c'est l'outil idéal pour étudier le comportement à l'usure des revêtements DLC à diverses humidités relatives.

 

 

Procédure d'essai

La résistance au frottement et à l'usure des revêtements DLC a été évaluée par le tribomètre Nanovea. Les paramètres de test sont résumés dans le tableau 1. Un contrôleur d’humidité fixé à la tribo-chambre contrôlait avec précision l’humidité relative (HR) avec une précision de ± 1%. Après les tests, les traces d'usure sur les revêtements DLC et les cicatrices d'usure sur les billes de SiN ont été examinées à l'aide d'un microscope optique.

Remarque : N'importe quel matériau de bille solide peut être appliqué pour simuler les performances de différents couplages de matériaux dans des conditions environnementales telles que dans un lubrifiant ou à haute température.

Résultats et discussion

Les revêtements DLC sont parfaits pour les applications tribologiques en raison de leur faible friction et de leur résistance supérieure à l'usure. Le frottement du revêtement DLC présente un comportement dépendant de l'humidité, comme le montre la figure 2. Le revêtement DLC présente un COF très faible de ~0,05 tout au long du test d'usure dans des conditions relativement sèches (10% HR). Le revêtement DLC présente un COF constant de ~0,1 pendant l'essai lorsque l'humidité relative augmente à 30%. La phase initiale de rodage du COF est observée au cours des 2000 premiers tours lorsque l'humidité relative dépasse 50%. Le revêtement DLC présente un COF maximal de ~0,20, ~0,26 et ~0,33 pour des HR de 50, 70 et 90%, respectivement. Après la période de rodage, le COF du revêtement DLC reste constant à ~0,11, 0,13 et 0,20 pour des HR de 50, 70 et 90%, respectivement.

 

La figure 3 compare les cicatrices d'usure des billes SiN et la figure 4 compare les traces d'usure du revêtement DLC après les tests d'usure. Le diamètre de la cicatrice d'usure était plus petit lorsque le revêtement DLC était exposé à un environnement à faible humidité. La couche de transfert DLC s'accumule sur la surface de la bille SiN pendant le processus de glissement répétitif au niveau de la surface de contact. À ce stade, le revêtement DLC glisse contre sa propre couche de transfert qui agit comme un lubrifiant efficace pour faciliter le mouvement relatif et limiter la perte de masse supplémentaire causée par la déformation par cisaillement. Un film de transfert est observé dans la cicatrice d'usure de la bille en SiN dans des environnements à faible HR (par exemple 10% et 30%), ce qui entraîne un processus d'usure décéléré sur la bille. Ce processus d'usure se reflète sur la morphologie de la trace d'usure du revêtement DLC, comme le montre la figure 4. Le revêtement DLC présente une trace d'usure plus petite dans les environnements secs, en raison de la formation d'un film de transfert DLC stable à l'interface de contact, qui réduit considérablement la friction et le taux d'usure.

 

Conclusion

L'humidité joue un rôle essentiel dans les performances tribologiques des revêtements DLC. Le revêtement DLC possède une résistance à l'usure considérablement améliorée et un faible frottement supérieur dans des conditions sèches en raison de la formation d'une couche graphitique stable transférée sur la contrepartie coulissante (une bille de SiN dans cette étude). Le revêtement DLC glisse contre sa propre couche de transfert, qui agit comme un lubrifiant efficace pour faciliter le mouvement relatif et limiter la perte de masse supplémentaire causée par la déformation par cisaillement. Aucun film n'est observé sur la bille de SiN avec une humidité relative croissante, ce qui entraîne une augmentation du taux d'usure de la bille de SiN et du revêtement DLC.

Le tribomètre Nanovea propose des tests d'usure et de friction reproductibles en utilisant les modes rotatif et linéaire conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules d'humidité en option disponibles dans un système pré-intégré. Il permet aux utilisateurs de simuler l'environnement de travail à différentes humidités, offrant ainsi aux utilisateurs un outil idéal pour évaluer quantitativement les comportements tribologiques des matériaux dans différentes conditions de travail.

En savoir plus sur le tribomètre Nanovea et le service de laboratoire

1 C. Donnet, Surf. Coat. Technol. 100-101 (1998) 180.

2 K. Miyoshi, B. Pohlchuck, K.W. Street, J.S. Zabinski, J.H. Sanders, A.A. Voevodin, R.L.C. Wu, Wear 225-229 (1999) 65.

3 R. Gilmore, R. Hauert, Surf. Coat. Technol. 133-134 (2000) 437.

4 R. Memming, H.J. Tolle, P.E. Wierenga, Thin Solid Coatings 143 (1986) 31

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La forme et la fonction d'un tissu sont déterminées par sa qualité et sa durabilité. L'utilisation quotidienne des tissus entraîne leur usure, par exemple l'empilement, le peluchage et la décoloration. La qualité médiocre des tissus utilisés pour les vêtements peut souvent entraîner le mécontentement des consommateurs et porter atteinte à la marque.

Tenter de quantifier les propriétés mécaniques des tissus peut poser de nombreux défis. La structure du fil et même l'usine dans laquelle il a été produit peuvent entraîner une mauvaise reproductibilité des résultats des tests. Il est donc difficile de comparer les résultats de tests provenant de différents laboratoires. La mesure de la résistance à l'usure des tissus est essentielle pour les fabricants, les distributeurs et les détaillants de la chaîne de production textile. Une mesure de la résistance à l'usure bien contrôlée et reproductible est cruciale pour assurer un contrôle de qualité fiable du tissu.

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Les tests d'usure linéaires alternatifs et rotatifs (broche sur disque) sont deux configurations largement utilisées conformes à la norme ASTM pour mesurer le comportement d'usure par glissement des matériaux. Étant donné que la valeur du taux d'usure de toute méthode de test d'usure est souvent utilisée pour prédire le classement relatif des combinaisons de matériaux, il est extrêmement important de confirmer la répétabilité du taux d'usure mesuré à l'aide de différentes configurations de test. Cela permet aux utilisateurs d’examiner attentivement la valeur du taux d’usure rapportée dans la littérature, ce qui est essentiel pour comprendre les caractéristiques tribologiques des matériaux.

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Importance de l'évaluation des performances des coussins de sécurité

Les plaquettes de frein sont des composites, c'est-à-dire un matériau composé de plusieurs ingrédients, qui doivent pouvoir satisfaire à un grand nombre d'exigences en matière de sécurité. Les plaquettes de frein idéales ont un coefficient de frottement (COF) élevé, un faible taux d'usure, un bruit minimal et restent fiables dans des environnements variés. Pour s'assurer que la qualité des plaquettes de frein est en mesure de répondre à ces exigences, les essais tribologiques peuvent être utilisés pour identifier les spécifications critiques.


L'importance de la fiabilité des plaquettes de frein est placée très haut ; la sécurité des passagers ne doit jamais être négligée. Il est donc essentiel de reproduire les conditions de fonctionnement et d'identifier les points de défaillance possibles.
Avec le Nanovéa Tribomètre, une charge constante est appliquée entre une goupille, une bille ou un plat et un contre-matériau en mouvement constant. Le frottement entre les deux matériaux est collecté avec une cellule de pesée rigide, permettant de collecter les propriétés du matériau à différentes charges et vitesses et testé dans des environnements à haute température, corrosifs ou liquides.

Objectif de la mesure

Dans cette étude, le coefficient de friction des plaquettes de frein a été étudié dans un environnement où la température augmente continuellement, de la température ambiante à 700°C. La température de l'environnement a été augmentée in-situ jusqu'à ce qu'une défaillance notable de la plaquette de frein soit observée. Un thermocouple a été fixé à l'arrière de l'axe pour mesurer la température près de l'interface de glissement.

Procédure d'essai et procédures

Résultats et discussion

Cette étude se concentre principalement sur la température à laquelle les plaquettes de frein commencent à tomber en panne. Les COF obtenus ne représentent pas des valeurs réelles ; le matériau de l'axe n'est pas le même que celui des rotors de frein. Il convient également de noter que les données de température collectées sont la température de la goupille et non celle de l'interface de glissement.

 

Au début de l'essai (température ambiante), le COF entre la broche en SS440C et la plaquette de frein a donné une valeur constante d'environ 0,2. Au fur et à mesure que la température augmentait, le COF augmentait régulièrement et atteignait une valeur maximale de 0,26 près de 350°C. Au-delà de 390°C, le COF commence rapidement à diminuer. Le COF a commencé à augmenter pour revenir à 0,2 à 450°C mais commence à diminuer jusqu'à une valeur de 0,05 peu après.


La température à laquelle les plaquettes de frein se sont systématiquement rompues est identifiée à des températures supérieures à 500°C. Au-delà de cette température, le COF n'était plus en mesure de conserver le COF de départ de 0,2.

Conclusion

Les plaquettes de frein ont montré une défaillance constante à une température supérieure à 500°C. Son COF de 0,2 augmente lentement jusqu'à une valeur de 0,26 avant de redescendre à 0,05 à la fin de l'essai (580°C). La différence entre 0,05 et 0,2 est un facteur de 4. Cela signifie que la force normale à 580°C doit être quatre fois plus importante qu'à température ambiante pour obtenir la même force d'arrêt !


Bien qu'il ne soit pas inclus dans cette étude, le tribomètre Nanovea est également capable d'effectuer des tests pour observer une autre propriété importante des plaquettes de frein : le taux d'usure. En utilisant nos profilomètres 3D sans contact, le volume de la trace d'usure peut être obtenu pour calculer la vitesse d'usure des échantillons. Les tests d'usure peuvent être effectués avec le tribomètre Nanovea dans différentes conditions et environnements de test afin de simuler au mieux les conditions de fonctionnement.

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