Quelques observations sur le comportement en frottement du cupro-aluminium

Wear -

Elsevier Sequoia S.A., Lausanne- Printed in The Netherlands

QUELQUES OBSERVATIONS SUR LE CO~PORTE~ENT FROTTEMENT DU CUPRO-ALUMINIUM

C. AMSALLEM

ET

257

EN

J. J. CAUBET

Centre ~t~~h~~~~s de Rechewhes ~~~~u~~q~es,Hydqo~c~~~q~e

et F~otte~e~%t,Sain2-Etienne f France)

(Re$u le 3 juillet 1968)

L’ensemble des essais effect& au tours de cette etude montre que le cuproaluminium se comporte de trois fa$ons bien distinctes. (i) 11 grippe sur lui-meme ou

sur acier inoxydable si le frottement s’effectue dans l’air, ou bien (ii) il s’abrase sur lui-m&me ou sur acier inoxydable si le frottement s’effectue dans l’eau de mer synthetique ou bien enfin (iii) lorsque le frottement ne conduit pas a un accident irremediable, il subit rapidement des tra~formations physico-chimiques superficielles about&ant a un beurrage de cuivre de la surface; aussi, les bons antagonistes du cuproaluminium sont-ils ceux qui satisfont & la regle de compatibilite des metaux vis a vis du cuivre. Mais m&me dans ce dernier cas, le fonctionnement reste aleatoire car apparaissent des rythmes de vieiliissement dans cette couche de cuivre qui se marquent d’une part par des arrachements periodiques de cette couche (suivis par des phases de regeneration) et d’autre part par des fluages 2 l’interieur m&me de cette couche de cuivre. 11 en resulte que le cupro-aluminium brut prbente des caracteristiques en frottement dans l’eau de mer trb insuffisantes. Cependant, il est possible de le faire frotter dans de bonnes conditions sur chrome ou sur molybd&ne en effectuant un cuivrage prealable systematique du cupro-aluminium afin de supprimer les periodes transitoires dangereuses. L’efficacite de ce cuivrage pr&lable est accrue par un traitement thermique judicieux. SUMMARY

The series of tests carried out during this study shows that cupro-aluminium behaves in three distinct ways. (i) It either sticks to itself or to stainless steel if the friction is carried out in air, or (ii) it abrades against itself or stainless steel if the friction is carried out in synthetic sea water, or (iii) when the friction does not lead to an irremediabIe accident, it quickly undergoes superficial physic~chemic~ transformations terminating in a copper “buttering” of the surface; therefore, the good antagonists of cupro-aluminium are those which satisfy the rule of compatibility of the metals towards copper. But even in the latter case, performance remains a stochastic process since Wear,

12

(r@3)

257-276

aging rliythms appear in this copper layer tvhiclr are marked ifn tlie 0nt’: hand br periodic wrenchings of tl~e upper layer (folknvrd 1~~regenerating phases) and on the other hand by creeping actually inside this copper layer. It follows that the bulk cu~ro-aluTliiniuI~l alloys show ull~tisfactory friction characteristics in sea water. Ho~vever, good friction performance is obtained against chromium or molybdenum by first carrying out a systematic coppering of the c’uproalu~liniulll in order to eliminate the dangerous transient periods.

iz l’heure actuelle le cupro-aluminium n’est a peu pres exclusivement utilise que dans des applications marines; en effet cet alliage possede une remarquable rkistance a la corrosion en milieu chlorure et tout particuli~s~ment dans l’eau de mer ou en atmosphere marine. Or, ind~pendamment de son inoxydab~lit~, le cupro-aluminiuxn possede de nombreuses caracteristiques qui pourraient en faire un excellent materiau de construction: caracteristiques mecaniques analogues ou m&me superieures a celles d’un acier mi-dur, tenue & des temperatures &levees (jusqu’& 6oo”C) etc.; par contre ce mat&au, du moins dans l’etat actuel de la technique, n’est absolument pas adapt& a la Mecanique des Surfaces, Si toutefois on arrivait, soit par un choix approprie du tnateriau antagonists, soit par un traitement de surface co~venablement choisi, a lui conferer de bonnes caracteristiques en frottement, l’ensemble de ses proprietes serait susceptible de modifier completement l’usage que 1’Industrie fait aujourd’hui de cet alliage. Cependant, si les etudes sur la i~~tallurgie du cupro-aluminiunl, en particulier identification des phase+?, phenomenes de corrosion et de dbaluminisation*, sont t&s nombreuses et tres docum~nt~~, il n’existe par contre, du moins & notre connaissance, aucune bibliographie, meme succincte, SW le comportement en frottement de ce materiau. D’oh le but de la presente etude: Ctudier systematiquement le comportement en frottement du cupro-aluminium en vue den tirer des regles pratiques permettant de choisir, dans chaque cas particulier, l’antagoniste le mieux adapt& 8. ce materiau. On a choisi une nuance de cupro-aluminiunl, IJAg NFe, couramnlellt utilisee dont la composition est 83,78 :I0 Cu, IO.OI*/, Al, 2,rbgd Ni, 2,304:, Fe et r,82q; Mn.

Pour rdaliser les essais de frottement, nous nous sommes servis principalement de deux de nos machines d’essais de laboratoire, qui nous ont paru bien adapt&es a cette etude, la machine Faville et le Tribometre H.E.F.

Dans cette machine une Cprouvette cylindrique (06,s mm), entrafnee en rotation par un ensemble broche-poulie-courroie, est serree entre deux mors tail& en V 2 90’ (Fig. 2). La charge de serrage mars-eprouvette, introduite par deux v&ins & pression d’air, est lue directement sur un manometre. hen!‘,

I2 (1968)

257-276

COMPORTEMENTEN

FROTTEMENTDU

Fig. I. Machine d’essai de frottement (“Faville”

& Cprouvette et mors “Faville”.

friction test machine with test specimen and jaws.)

Fig. 2. Machine “Faville”: (“Faville”

machine:

d&tail des tprouvettes.

detail of test specimens.)

(Gl)

(M)

CUPRO-ALUMINIUM

CC”)

__---

PLAQUETTE .._--_r

Fig. 3. Tribomktre (H.E.F.

H.E.F.

tribometer.)

Fig. 4. Schema de principe du Tribom&tre H.E.F. (Diagram of the principle of the H.E.F.

tribometer.)

L’ensemble oscillant (mars, Porte-mors et systeme de serrage) port6 par des roulements a aiguilles, conserve une entiere liberte de mouvement par rapport au bati, ce qui permet de mesurer avec une tres grande sensibilite et precision le couple resistant dG au frottement. Cette mesure est enregistree par un capteur d’efforts dont la borne de sortie est directement reliee a un enregistreur galvanomittrique permettant d’obtenir graphiquement les variations du coefficient de frottement en fonction du temps. La vitesse de rotation de l’eprouvette est de 330 rev./min, soit une vitesse de glissement de O,II mjsec. La charge de serrage mors-~prouvette est comprise entre o et 5.000 N. Un bat amovible permet de tourner, soit a l’air libre, soit dans l’eau ou I’huile ou telle ambiance que l’on desire. T&born&e H.E.F.* (Fig. 3) Le schema de principe de cette machine est don& par la Fig. 4. * HydromCcanique et frottement, 42 Saint-Etienne (France)

Centre StCphanois de Recherches Mkcaniques 79, rue Neyron,

Wear,

12

(1968) 257-276

260

C. AMSALLEM,

J. J. CAURET

I:ne eprouvette cylindrique, R, entrain&e en rotation par un moteur klectrique a vitesse variable, recoit par l’intermediaire de 1’Pprouvette parallelepipedique, P, une charge, N, reglable et mesurable grace au capteur d’efforts, CN. La composante tangentielle, T, de l’effort normal dti au frottement de la plaquette, P, sur la bague, R, est, par l’intermediaire registree sur un enregistreur galvanometrique.

du capteur

d’efforts,

CT, en-

Ce capteur est montP sur un chariot mobile, Gz, anime d’un mouvement lineaire alternatif gr2ce au moteur, M, et j la vis, V. Ce dispositif permet d’eliminer, dans la valeur du coefficient de frottement, la perturbation due aux efforts parasites des chemins de roulements, Gi, sur lesquels prend appui le Porte-plaquette. De cette facon, selon le sens du d&placement bague, B, on mesure: _ soit la somme de l’effort

tangentiel

du chariot

par rapport

du au frottement

au sens de rotation

de la

et des efforts parasites,

~ soit la difference entre l’effort tangentiel du au frottement et les efforts parasites. La charge d’appui Bague/Plaquette est comprise entre o et 1.000 N ; la vitesse de rotation de la bague est comprise entre o et 3.000 rev./min (la vitesse de glissement maximale est done de 5,s m/set) ; enfin une enceinte etanche permet de tourner dans l’air, dans l’eau, dans l’huile ou dans telle ambiance liquide ou gazeuse que l’on desire. Milthode

d’essais utiliske

Pour apprecier la fin des essais on attendait d’observer, ou bien une variation brusque du coefficient de frottement, ou bien le debut de la degradation des etats de surface des eprouvettes, ou bien l’apparition de vibrations. Le coefficient de frottement Ctait enregistre tout au long de l’experience; de plus on suivait, par stroboscopic, l’evolution

de l’etat de surface des eprouvettes.

PREMII?RESEXPF:RIENCES

On admet depuis les travaux de BOWDEN ET TABoR~, que le frottement de deux pieces s’accompagne d’elevations micro-ponctuelles de temperature importantes pouvant m&me atteindre le point de fusion de l’un des deux corps en presence; on admet aussi que, les surfaces n’etant point parfaites, la charge se repartit en un certain nombre de points d’appui dont une partie entre immediatement dans le domaine plastique; on se trouve done, par effet combine de la temperature, de la pression et des deformations, dans les conditions idkales pour engendrer tous les composes et alliages que les deux corps en presence sont susceptibles de former entre eux. Une theorie due & ERNST ET MERCHANT5 a essay4 d’etablir une correlation entre les diagrammes binaires des metaux et leur compatibilite en frottement; suivant cette theorie, dite theorie de la compatibilite, deux metaux A et B frotteront d’autant mieux qu’ils seront rigoureusement insolubles. Des essais de verifications experimentales dQs a GOODZEIT, HUNNICUT ET ROACH~,~ ont partiellement confirm6 la validite de cette theorie. Ceci nous a don& le premier fil conducteur et la premiere hypothese de travail; en effet, nous avons acquis par ailleurs dans notre Centre la conviction que dans la majeure partie des cas un alliage se recouvre par frottement d’un de ws constituants. 11 etait done logique de penser que le cupro-aluminium, s’il devait, WfXW,12 (1968) 257-276

COMPORTEMENT

EN FROTTEMENT

261

DU CUPRO-ALUMINIUM

conform&ment B cette hypothitse, se recouvrir, soit de cuivre, soit d’aluminium, pourrait dormer en frottant sur des mCtaux insolubles soit dans l’un, soit dans l’autre, des r&Rats expkimentaux suffisamment acceptables pour que les essais systbmatiques puissent dkmarrer. Parmi tous les mktaux, ceux qui sont insolubles dans le cuivre sont : molybdbne, tungst&ne, chrome, plomb, thallium; ceux qui sent insolubles dans l’aluminium sont: cadmium, thallium, plomb, bismuth, indium, ∈ de plus le diagramme binaire molybd&neealuminium indique que la solubilitC ?t l’&at solide de ces deux mCtaux est faible. Ainsi les mCtaux insolubles a la fois dans le cuivre et l’aluminium sont : le plomb, le thallium et le molybdkne. Pour les essais ci-dessous dCcrits de frottement du cuproaluminium brut, nous avons CliminCle plomb et le thallium car, d’une part ces deux mCtaux sont difficiles g mettre en oeuvre, et d’autre part, comme nous l’a montrk une Ctude antQieure8, ils sont particuli&rement sensibles aux phCnom&nes de transformations physico-chimiques superficielles comme les oxydations; on a done finalement retenu & priori pour les premiers essais le molybd&ne comme antagoniste possible du cupro-aluminium (pour les essais rkcessitant un k&s be1 Ctat de surface on lui a adjoint le chrome). Toutefois le cupro-aluminium et l’acier inoxydable &ant les deux materiaux industriels prksentant la meilleure rkistance B la corrosion dans l’eau de mer, on a dCcidk, bien qu’ils ne satisfassent pas 8. la r&gle de compatibilitk, d’essayer en frottement les couples cupro-aluminium + cupro-aluminium et cupro-aluminium + acier inoxydable. On a utilid pour les essais de frottement la machine & bprouvette et mors du type Faville. Les conditions expCrimentales &aient vitesse de rotation de l’eprouvette 330 rev./min charge de serrage mors-kprouvette 1.000 N ambiance tant6t eau de mer synthktique, tank% air cylindre en cupro-aluminium ; mors en acier inoxydable. NOTA I : La composition de l’eau de mer synthktique utilisCe &ait la suivante: NaCl, 27,2 g/l; MgC12,3,s g/l; MgS03, 1,7 g/l; CaS04, I,Z g/l; K&04, o,g g/l; CaC03, O,I g/l. NOTA 2 : Les essais de frottement g set et dans l’air sur la machine Faville ktant trks s&&es on a, en vue de faciliter les operations de rodage, enduit au d&part les kprouvettes de Vaseline; ensuite le frottement se poursuivait sans aucun apport supplCmenta.ire de lubrifiant. Essai du couple cupro-aluminium-acier inoxydable

Les courbes de la Fig. 5 illustrent l’kvolution du coefficient de frottement en fonction du temps, respectivement pour les essais effect&s dans l’eau et dans l’air. D&s les premiers instants de fonctionnement en ambiance d’eau de mer synthktique on observe une abrasion de l’&prouvette en cupro-aluminium. AU fur et & mesure de l’essai cette abrasion se poursuit et l’essai se termine apr&s systB matiquement 30 min, lorsque l’usure est devenue telle que les deux mors viennent au contact; cette usure est progressive comme le montre la courbe de la Fig. 6 oh l’on a port4 en abscisse le temps et en ordonnke la perte de tote diamhtrale de 1’6prouvette. Wear,

12

(1968)

257-276

262 1.2,

“0:

0

2

4 Tome

6

8

10

cl

20

10 Time

(mh)

30

(men)

Fig. 5. Courbes d’dvoiution du coefficient de frottemcnt en fonction du temps du couple cuproaluminium-acier inoxydable respectivemcnt dans l’air et dans l’eau de mer. (Variation of the coefficient air and sea water.) Fig. 6. gvolution (Variation

of friction

of the cupro-aluminium-stainless

de l’usure en fonction du temps pour lc couple cupro-aluminium-acicr

of wear with time for the cupro-aluminium-stainless

inoxydakle.

steel pair.)

Fig. 7, La forme en dents de scie des debris d’usurc du cupro-aluminium copeaux d’usinage. (The saw-tooth chips.)

steel pair with time in

rapelle celle de certains

shape of the cupro-~~lun~iniull~ wear debris is similar to that of certain

machining

La Fig. 7 illustre l’aspect des dkbris d’usure de l’kprouvette en cupro-aluminium; leur forme en dents de scie rappelle celle de certains copeaux d’usinage. En ambiance d’air les essais se terminent syst~matiquement au bout de 1-2 min par un grippage; & ce moment les mars en acier inoxydable se soudent k 1’6prouvette en cupro-aluminium. La Fig. 8, qui reprhsente la coupe d’un ensemble mors-Cprouvette soudC dans un plan perpendiculaire S_l’axe de l’kprouvette, sugghre que le grippage franc correspond B un frottement cupro-aluminium sur cupro-aluminium, aprhs wear,

I2

(1968)

257-276

COMPORTEMENT

EN FROTTEMENT

263

DU CUPRO-ALUMINIUM

qu’une densite suffisante de particules de cupro-aluminium se soit transport&e SW 1’Inox; cette hypothke semble confirmee par la Fig. g qui represente deux mom en acier inoxydable, ayant frotte pendant 30 set seulement sur une eprouvette en cuproaluminium dans les mCmes conditions que ci-dessus; il y a eu deja transport de cupro-aluminium sur I’Inox, bien que le grippage n’ait pas encore eu lieu. (Voir p. 265.)

EPROUVETTE --Cupro-ALuminium

debris de cupro-aluminium

---

MORS

--Acier Fig. 8. Aprtk T--Z min de fonctionnement dans l’air le grippage sur des mars en acier inoxydable correspond 8. un frottement comme l’indique cette micrographic.

inoxydable

de 1’8prouvette en cupro-aluminium cupro-aluminium-cupro-aluminium

(After 1-2 min of working in air the sticking of the cupro-aluminium less steel jaws corresponds to a cupro-aluminium-cupro-aluminium indicates.)

test specimen onto the stainfriction as this micrography

En resume, lorsque le cupro-aluminium frotte sur acier inoxydable il s’abrase en ambiance d’eau de mer synthetique et il grippe en ambiance d’air. Essai du cozGplecupro-aluminium-cztpro-~~~rn~n~urn Comme dans les cas precedent, ou il frottait sur acier inoxydable, on constate syst~matiquement que, lorsqu’il frotte sur lui-m&me le cupro-aluminium s’abrase en ambiance d’eau de mer synthetique et grippe en ambiance d’air. Les courbes de la Fig. IO illustrent l’evolution du coefficient de frottement en fonction du temps, respectivement dans I’un et l’autre cas. Poss~b~~~~~s d~~~~~~~a~~o~ dzl cozkplecu~ro-al~~~i~iztrn~~~~~~~~e Comme ci-dessus Ies essais de frottement ont Cte effect& Faville, et toujours dans les m&mes conditions expkrimentales.

sur la machine

NOTA: Ici encore, afin de faciliter les operations de rodage, les Cprouvettes destinees a &otter dans l’air Ptaient, avant essai, impregniies de Vaseline; elles frottaient ensuite sans aucun apport suppl~mentaire de lubrifiant. Les courbes de la Fig. II iilustrent l’evolution en fonction du temps du coefficient de frottement respectivement pour les essais effectues en ambiance d’eau de mer synthetique et en ambiance d’air. En ambiance d’eau de mer synthetique le coefficient de frottement, Pgal au Wfiar, 12 (1968) 257-276

0.5

Sea Water

--I_-----__

Air

0

0

1

/

20

40 Time

0 0

60

(Evolution curves of the friction cupro-aluminium pair.)

coefficient

du coefficient

(Evolution curves of the friction molybdenum pair.)

I

I

1

/

2

4

6

8

Time

(see)

Fig. IO. Courbes d’Gvolution du coefficient cupro-alun~inium-cupro-alumini~m.

Fig. II. Courbes d’dvolution cupro-aluminium-molybdene.

$ 0

,

coefficient

de frottcment in relation de frottcmcnt in relation

en fonction

10

(min)

du temps pour le couple

to the time for the cupro-aIuIniniumen fouction

du tcmps

pour lc couple

to the time for the cupro-aluminium-

depart a 0,33, decroit ensuite regulierement pendant les six premieres minutes de l’essai, pour atteindre une valeur constante &gale a o,z6 apres ce laps de temps. Apres IO min d’essai les &tats de surface des eprouvettes sont bons; on observe aussi que, dans la zone de frottement, le cupro-aluminium a perdu son aspect brillant et a pris une teinte rouge; ceci suggere que, pendant le frottement sur un antagoniste en molybdene, le cupro-aluminium subit des transformations physico-chimiques superficielles. Par contre, contrairement a tous les essais decrits jusqu’ici on n’observe pas d’abrasion sensible du cupro-aluminium ; toutefois les eprouvettes presentent, apres les IO min d’essai, quelques rayures paralleles aux cercles de section droite du cylindre. En ambiance d’air, comme dans le cas precedent, le coefficient de frottement, egal au depart a 0,38, diminue ensuite regulierement pendant les trois premieres minutes de l’essai; apres ce laps de temps il se stab&e a la valeur constante de O,IZ.. Aprbs IO min de fonctionnement on constate systematiquement que l’eprouvette en cupro-aluminium flue tout en conservant un &at de surface acceptable. De plus, comme dans le cas precedent, l’eprouvette prend, dans la zone de frottement, une couleur rouge sombre. Premibres concl~usions L’ensemble des essais ci-dessus decrits montre que lorsqu’il frotte, le cuproaluminium se comporte de trois fa$ons bien distinctes: - ou bien il grippe: c’est ce qui se passe lorsqu’il frotte sur lui-meme ou sur acier inoxydable dans l’air; - ou bien ii s’abrase: c’est ce qui se passe lorsqu’il frotte SW lui-mCme ou sur acier inoxydable dans l’eau de mer ; - ou bien il conserve un bon &at de surface tout en subissant les transformations of%?‘,

12

jrq68)

257-276

COMPORTEMENT

EN FROTTEMENT

Fig. g. On observe SW cette photo un important acier inoxydable apr&s 30 set de fonctiounement. (A considerable transfer of cupro-aluminium can be seen on this photograph.) Fig. 18. Apr&s rottement.

20

%ti

DU CUPRO-ALUMINIUM

min de fonctionnement

transport

de cupro-aluminium

sur les nlors en

onto the stainless steel jaws after 30 set of wwki

la couche de cuivre s’est arrach6e au centre de la 2

w de

(After 20 min of working the copper layer is pulled away from the centre of the friction zon le.) Wear, rz (1968) 257-276

-

-

267

COMPORTEMENT EN FROTTEMENT DU CUPRO-ALUMINIUM

physico-chimiques superficielles se caracterisant par l’apparition en surface d’un compose rouge: c’est ce qui se passe lorsque l’antagoniste est un metal insoluble a la fois dans le cuivre et dans ~aluminium (e.g. le molybd~ne) et cette fois quelle que soit l’ambiance: air ou eau de mer. On a voulu approfondir ces phenomenes; les essais ci-apres decrits ont done pour but de rechercher de quel compose se recouvre le cupro-aluminium lorsqu’il frotte dans de bonnes conditions. kTUDE DES TRANSFORMATIONS PHYSICO-CHIM~QUES SUPERFICIELLES DU CUPRO-ALUMXNIUM EN COURS DE FROTTEMENT

Comme dans les experiences d&rites au paragraphe precedent on a choisi le couple de frottement cupro-alumimum-molybdene. De plus, afin de limiter au maximum, par enkkement des calories, la dispersion g~n~~lernent observee dans les phenomenes d’abrasion ou de collages epidermiques, mais pourtant d’eviter autant que possible des reactions chimiques entre le lubrifiant et les surfaces frottantes, on a decide d’effectuer les essais en ambiance d’huile pure et neutre: on a choisi la Vaseline. Ces essais ont etC effectues sur ie Tribomittre prt%demment d&it, dans les condition suivantes : vitesse de glissement 0,73 m/set charge appuyant la plaquette contre la bague 3500 N. Dans ces conditions, qu’il constitue la bague ou la plaquette, Ie cupro-aluminium se recouvre systematiquement d’un compose de couleur rouge, qui devient parfaitement visible B l’oeil nu apres 5 min d’essai.

-2

Fig. 13. Accumulation en fin de zone de frottement aluminium sous I’effet du frottement.

du cuivre apparaissant

(Copper build-up at the end of the friction zone at the cupro-aluminium of friction.)

& la surface du cupro-

surface under the effect

La Fig. rz(b) montre l’aspect d’une plaquette en cupro-ahrminium ayant frotte pendant I h sur une bague en molybdene dans les conditions ci-dessus d&rites, et dans une zone co~es~ndant, par rapport au sells de rotation de la bague a l’extremite aval de cette plaquette (Fig. 13) ; dans cette zone la surface du cupro-aluminium est uniformement de couleur rouge. Une analyse Q la sonde de Castaing, effect&e par des pointees directement sur la surface, a don& les resultats suivants: 0.1, 96%; Ni, 0,8%; Fe, 0,4%; Al, traces; Mn, o. W&W, _r2 (1968) 257-276

268

(‘.

Le compose de couleur rouge dont se recouvre frottenient est du cuivre.

‘Zwii:\I,l>Ehl,

le cupro-aluminium

j.

J.

C‘.\I.KE’l

en tours de

On a realise des balayages a la micro-sonde electronique sur une coupe effect&e dans la zone illustree par la Fig. 12 precedente; cette coupe montre l’aspect de la micrographic, Fig. 13, sur laquelle on observe d’une part la couche superficielle de cuivre et d’autre part les traces, inclinees a environ 45” sur la surface, laissees par le faisceau de la Sonde.

--

.--

Fig. ‘4, On observe B Jj" sur la surface

sur cette micrographic lais&s par lc faisccau

(The superficial layer of copper and traces can be seen on this photomicro~raph.)

couche

de cuivre

cupro-aluminium

la couche superficielle de la sonde.

dc cuivre

inclined

surface

at 45” on the

et lcs traces left

inclinCes

by the probe

beam

La sonde etait retglee sur le cuivre; les resultats des deux balayages sont par les courbes de la Fig. 15. On retrouve dans la couche superficielle une teneur en cuivre tres &levee, voisine de 967;. De plus on observe une nette difference dans la forme des courbes donnant la teneur en cuivre au fur et a mesure que l’on

illustres

s’enfonce vers le coeur de la piece en cupro-aluminium. Pour l’une (Fig. Is(a)) on remarque, immediatement au-dessous de la couche superficielle de cuivre pur, une zone de phase 01, et celle-ci comporte toujours 85 76 de cuivre; tout se passe comme si cette phase 01 n’avait pas contribue a fournir du cuivre a la surface. Par contre pour l’autre (Fig. 15(b)), on observe un t&s net appauvrissement en cuivre de la zone sit&e immirdiatement en dessous de la couche superficielle de cuivre pur ; or l’attaque metallographique a rev&A que, dans cette zone, le faisceau de la sonde a traverse une plage faite de la phase martensitique ; en dessous de cette plage on retrouve les teneurs ordinaires en cuivre des deux phases du cupro-aluminium. En conclusion, le cuivre qui, lors du frottement vient recouvrir la surface du cupro-aluminium, est issu des plages martensitiques de la zone de frottement. Cette conclusion est encore confirm&e par l’observation de photos analogues a celle de la Fig. 12(a) ; cette photo a CtC prise a la surface de la plaquette en cuproaluminium dans une zone sit&e, par rapport au sens de rotation de la bague, a Wear,

12

(1968)

257-276

COMPORTEMENT

EN FROTTEMENT

I

30 DEPTH

Fig. 15. Variation (Variation

1

I

15

269

DU CUPRO-ALUMINIUM

49

60

minions

de la teneur en cuivre en fonction

de la distance & la surface.

of the copper content in relation to the distance from the surface.)

l’extremite amont de cette plaquette; le constituant superficiel de couleur rouge recouvre sensiblement les Ilots de phase martensitique. Pr~~c~p~~es forms de ~~e~~~iss~rne~~ & “ttewrage” s~~e~f~~~~l de c&we qzti, a% cows dss .frottement, Gent recouvrir u-nep&e en ~upY~-al~rn~~i~rn On en a reconnu deux, d’une part un phenomene de fluage a l’interieur m&me de cette couche de cuivre qui aboutit a un transport incessant hors de la zone frottante et d’autre part un phenomene periodique d’arrachement, suivi d’une phase de r6g&-&ration de cette m&me couche de cuivre, due au frottement. P~~~orn~nede flugge Si l’on observe des plaquettes en cupro-ahrminium ayant irotte sur des bagues en molybdbne dans les conditions precedemment d&rites, on constate systematiquement que sur la zone de frottement de la plaquette se distinguent trois parties: (a) dune part une partie situee a l’extremite amont de cette zone frottante (comme elk a Cte definie au paragraphe precedent) et qui a l’allure de la Fig. rz(a) precedente: la demarcation entre la zone ayant frotte et la zone temoin n’est pas nette; le cuivre issu de la phase martensitique recouvre uniquement les ilots de cette phase qui dkbouchait en surface; des coupes effect&es dans cette zone ne permettent pas de deceler, m&me sous le grossissement 1500, la coucbe superficielle de cuivre; (b) d’autre part une zone sit&e B l’extrdmitd aval de la zone de la plaquette qui a l’allure de la Fig. xz(b) precedente et oh la demarcation entre la zone ayant frotte et la zone temoin est parfaitement nette et suit le contour des joints de grains entre phase a et phase martensitique, ce qui pourrait correspondre, soit & un track d’energie superficielle minimum, soit a des surcharges encaissees par les points durs, enchkes dans une matrice plus molle. wear,12 (1968)257-276

Des coupes effect&es dans cette zone nrontrent l’aspect de la Fig. Iii : on decele parfaitemrnt la courhe suyerfirielle de tuivw qui semble avoir tX4 refoul&e vers cette extremit6 aval de la plaquette; (c) enfin entm les deux zones ci-dessus, on n’observe aucune trace nette de cuivre Ceci suggere que, sous l’effet des efforts normaux et tangentiels combines, le cuivre qui remonte & la surface du cupro-aluminium flue; dsns le cas oh la surface de la piece en cupro-alunliniul~l est ouverte, c’est-a-dire se termine brutalement a ses deux extremites, ce fluage aboutit a un transport par deformation du cuivre vers l’extremit4 avsl de la zone frottante oh il s’accumule progressivement et est aisement visible et anslysable. zone

de frottement

Fig. 16. On d&Ye parfaitement sur cette micrographic la couche de cuivre qui a 6% refoul6e vers l’extr6mit6 aval de la plaquette en cupro-aluminium. x 430 (The copper layer which has been driven back to the downstream end of the cupro-aluminium plate can be seen clearly on this ~~lotomicro~raph‘)

Par contre si le cupro-aluminium constitue la surface fermee, c’est-a-dire la bague dans le cas des essais au Tribombtre, le cuivre s’etale uniformement sur cette surface et devient plus difficile a deceler. Des coupes effectuees a travers de telles Cprouvettes ne nous ont jamais permis d’observer optiquement la couche superficielle de cuivre, m&me sur des bagues ayant frotte 5 h (au lieu de 5 min comme dans le cas precedent oti c’etait la plaquette qui Ctait en cupro-aluminium) et sous des grossissements eleves (1700). Au microscope electronique, par contre, ce “beurrage” superficiel de cuivre devient parfaitement visible sur des repliques de la surface frottante; c’est ce que l’on observe sur la Fig. 17 qui suggere que le cuivre s’est eta14 sous forme de “larmes” dans la direction du frottement; on peut calculer un ordre de grandeur de l’epaisseur maximale de ces larmes en projectant le carbone selon une direction faisant un angle judicieux avec la surface et contenu dans un plan perpendiculaire au sens du mouvement, et en mesurant sur les photos la largeur maximale de l’ombre port& bordant Wear, IZ jrg68) 257-276

271

COMPORTEMENT EN FROTTEMENT DU CUPRO-ALUMINIUM

Fig. 17. Micrographic 5 h sur une plaquette (Electronmicrograph molybdenum plate.)

Blectronique de la surface d’une bague en cupro-aluminium en molybdkne. x 5000 of the surface of a cupro-aluminium

ces Iarmes; on a ainsi Pttases altern&

ayant frott6

ring having rubbed for 5 h against a

une epaisseur des larmes de cuivre voisine de IQOO h. d’a~~ac~~~en~d’e’cailles et de y~~~n~yat~on par @port superfiicisl

trouvk

de c&we Lors des essais au Tribometre, en suivant par stroboscopic l’evolution de 1’6tat de surface dune bague en cupro-aluminium frottant sur une plaquette en chrome on a observe les phenomenes suivants: (i) l’apparition de cuivre a la surface de la bague en cupro-alum~ium se produit apres queIques minutes d’essai ; (ii) au bout d’une duree d’essai variant entre 20 min et I h on assiste a un brusque arrachement de la couche de cuivre; arrachement mettant a nu le cuproaluminium sous-jacent (Fig. 18,voir p. 265) ; (iii) quelques minutes apr&s cet arrachement il y a de nouveau apparition du cuivre. Tout se passe comme s’il existait une epaisseur maximaIe admissible de la couche de cuivre ou un taux d’tkrouissage maximal a ne pas depasser dans cette couche; d&s que la couche dgpasserait soit cette Cpaisseur critique, soit ce taux d’krouissage maximal, les contraintes tangentielles du frottement seraient alors suffisantes pour provoquer le d~~ollement par plaques de la couche de cuivre. I1 y aurait ensuite &apparition progressive du cuivre a la surface frottante du cuproaluminium. Ce phCnomene est illustre par la courbe de la Fig. 19 representant l’evolution du coefficient de frottement en fonction du temps; on distingue parfaitement les periodes instables et stables correspondant aux arrachements et reg&Crations pbiocliques de la couche de cuivre; ceci entraine une d~~adatjon irr&ersible des Ctats de surface, qui devient de plus en plus importante en fonction de la duree d’essai. Afin de pallier B cette instabilitit de fonctionnement du cupro-aluminium, la premiere tentative d’am&lioration qui vient a l’esprit est de consentir a ce cuivrage tout en faisant en sorte qu’il ne fut point alCatoire. Wear, 12 (1968) 257-276

272 0.3

-I

0

10

20 Time

30

40

(min)

Fig. 19. Courbe d’evolution du coefficient de frottement en fonction du temps sur laquelle on distingue parfaitement les periodes instables et stabfes correspondant aux arrachcments et regenerations periodiques de la couche de cuivre. (Evolution curve of the friction coefficient in relation to the time on which the unstable and stable periods corresponding to the periodic wrenchings and regenerations of the copper layer can be perfectly distinguished.)

On trouvera done ci-dessous le compte rendu des premiers essais de cuivrage prkalable syst6matique du cupro-aluminium dans le but d’amkliorer ses caracthistiques en frottement sur chrome. surface

cupro -aluminium ___~_

Fig. 20. Zone de transition (Copper-cupro-aluminium

cuivre-cupro-aluminium transition

apres traitement.

zone after treatment.)

x 3x00

273

COMPORTEMENT EN FROTTEMENT DU CUPRO-ALUMINIUM AMELIORATION DU FROTTEMENT:

CUPRO-ALUMINIUM-CHROME

On a ameliore l’efficacite d’un depot electrolytique de cuivre sur cuproaluminium en mettant au point un mode de depot et de traitement thermique rigoureusement programmeg. La micrographic Plectronique de la Fig. 20 montre la structure cristalline fine obtenue dans la zone de transition cuivre-cupro-aluminium apres traitement : cette zone de transition ne presente aucune solution de continuite. Afin de connaitre l’influence du traitement et de l’epaisseur initiale du depot electrolytique de cuivre sur les performances en frottement du couple cupro-aluminium-chrome on a pro&de a une serie d’essais au Tribometre H.E.F. dont la liste est donnee au Tableau I. Les resultats de ces six essais sont don&s par les courbes d’evolution du coefficient de frottement en fonction du temps de la Fig. 21. TABLEAU

I

Rep&e

Bague

I 2 3 4 5 6

UAg NFe UAg NFe UAQ NFe UAQ NFe Chrome Chrome

Les conditions synthetique.

0

1 0

Plaquette + + + +

5 p Cu 5 cc Cu trait6 IO ~1Cu IO p Cu trait6

d’essais Btaient charge

400 N, vitesse

20

10 Time

400 rev./min

et ambiance

eau de mer

I 30

(min)

Fig. 21. Courbes d’evolution (Evolution

Chrome Chrome Chrome Chrome UAgNFe + 5pCu UAg NFe + 5 ,u Cu trait6

du coefficient

curves of the friction coefficient

de frottement

en fonction

du temps

in relation to the time.) Wear, 12 (1968) 257-276

On remarque que (a) lorsqu’on effectue un traitement thermique apres depot electrolytique, on note un rnaxinlun~ du coefficient de frottement spres S-IO min de foncti~)nnelnent (essais 2 et 4); (b) lorsque, par contre, le depot electrolytique n’est pas suivi d’un traitement thermique, le coefficient de frottement croit lentement et atteint 0,18 (pour une epaisseur de 5 p, essai I) et o,16 (pour une Cpaisseur de IO p, essai 3) au bout de 30 min de fonctionnement ; (c) apres 30 min d’essai les Cprouvettes trait&es thermiquement presentent, dans tous les cas, un coefficient de frottement inferieur & celui des eprouvettes non traitees thermiquement ; (d) dans le cas oh la bague est en chrome et la plaquette en cupro-aluminium, le coefficient de frottement est sensiblement double par rapport a la disposition inverse; cependant l’etat de surface du cupro-aluminiunl est sensiblement meilleur. Nous ignorons comment ventiler l’effet respectif des differents parametres: soit la consommation du cuivre (surface ouverte-surface fermee) soit la deformation au contact (rayon de courbure fini-rayon de courbure infini) soit le taux d’ecrouissage (surface cinematiquement la plus longue-surface cinematiquement la plus courte)iO. En resume le couple de frottement cupro-aluminium-chrome presentant un certain inter&, on a decide de poursuivre les investigations sur une machine utilisant des eprouvettes d’essais de dimensions industrielles. Sur le simulateur d’oscillations decrit schematiquement par la Fig. 22 on a test6 les 4 couples dont la liste est don&e au Tableau II. Charge

I

i

Fig. 22. Simulateur d’oscillations: (Oscillation TABLEAU

simulator:

schCma des Cprouvettes d’essai.

diagram of test specimens.)

II

Rep&e --.

Axe

I 2 3 4

Acier Acier Acier Acier

_________ _--.. chromi: chromi: chrome chrome

-

Rague UA9 UA9 UA9 UA9

NFe NFe molete NFe + 10 p Cu trait& NFe molete -+ IO fi Cu

trait6

NOTA :Les bagues en cupro-aluminium des essais 2 et 4 ont kte moletees afin : (i) d’accroftre la rapidit de l’evacuation des debris susceptibles de prendre naissance Wtw,

ra (1968) 257-276

27.5

COMPORTEMENT EN FROTTEMENT DU CUPRO-ALUMINIUM

au cows du frottement; (ii) d’abaisser les temperatures eclair au contact en c&ant des portees interrompues. On sait en effet que la temperature eclair atteinte par une surface recevant pendant le temps t un flux de chaleur unitaire 4 (en calories par unites de surface et de temps) est de la forme:

e=eo +

2qtt

7c+(Led)*

oti L = conductibilite thermique, c = capacite calorifique et d = densite. Lorsque les port&es sont interrompues regulierement par des sculptures, la diminution de t entraine la diminution de la temperature eclair. Les conditions d’essais Ctaient les suivantes. Charge pendant la periode de rodage = 5000 N = IOOOON Charge normale =I5 set Duree de la periode de travail =60 set Duree de la periode de repos =eau de mer Ambiance Gprouvettes montees parfaitement DCgraissCesa I’acetate d’ethyle Les resultats de ces 4 essais sont port& au Tableau III. TABLEAU

III

Rep&e

A.%??

Bagthe

Dur.ie d’essai

I

Acier chrome

UAg NFe

Periode de rodage Total Grippage

2

Acier chrome

UAg NFe molete

Periode de rodage z8 h Periode normale 99 h Total 127 h Grippage

3

Acier chrome

UAg NFe + IO p Cu trait6

PCriode de rodage 28 h Periode normale 526 h Total 554 h Arr&t volontaire

4

Acier chrome

UAg NFe + rap Cu trait6

Periode de rodage 28 h Periode normale IZO h Total 148 h Grippage

23 h 23 h

Remarques. (a) Le moletage a permis d’augmenter la d&e de vie du couple test: cupro-aluminium non trait&chrome cupro-aluminium chariote non trait6 = 23 h (grippage) cupro-aluminium molete non trait6 = 127 h (grippage). (b) Par contre, le moletage est inefficace dans le cas du cupro-aluminium cuivre et trait6 thermiquement. Cupro-aluminium chariot6 trait6 = 554 h (arr& volontaire) cupro-aluminium molete trait6 = 148 h (grippage), (c) Les Btats de surface obtenus apres plus de 500 h d’essai sous une pression specifique de 500 N/cm2 dans le cas du couple cupro-aluminium chariot6 trait&acier chrome sont parfaitement polis. (d) Des essais identiques effect&es sur molybd+ne ont don& des Asultats semblables & ceux obtenus prCcCdement sur chrome.

Weav,12 (1968) 257-276

CONCLUSIONS

Les caract~ristiques en frottement du ~upro-alun~iniuni sont tres in&f&antes (grippage dans lair ou abrasion dans l’eau) lorsque son antagoniste ne satisfait pas a la regle de compatibilite (e.g. lui-m&me ou acier inoxydable). Si, par contre, l’antagoniste verifie la regle de compatibilite (e.R. le molybdene) le cupro-aluminium subit des transformations physico-chimiques superficielles se traduisant par l’apparition a la surface frottante du cuivre contenu dans la phase martensitique. 5ans ce dernier cas le fonctionnement est aleatoire par suite de l’existence de phenomenes de vieillissement de la couche de cuivre qui apparait ainsi en tours de frottement & la surface du cupro-aluminium, Toutefois il est possible d’eviter cette instabilite de fonctionnement en effectuant un cuivrage prealable du cupro-aluminium par depot klectrolytique suivi d’un traitement thermique destine a en ameliorer l’efficacite. Les performances en frottement dun cupro-alu~llinium ainsi trait& sont trb superieures Q celles obtenues avec un cupro-alunliniuln brut. REMERCIEMENTS Nous exprimons nos remerciements au Service Technique des Constructions et Armes Navales de la Marine Nationale FranCaise qui, ayant finan& cette etude, a bien voulu nous permettre d’en publier les principaux resultats. Notre gratitude va plus precisement 8. Messieurs les Ingenieurs Principaux du Genie Maritime Chabannes et Cuny qui nous ont apporte amicalement leur experience de mecaniciens et de marins.

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