Une solution optimisée pour lubrifier des composants mécaniques

Résultat scientifique Matériaux et structures

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

Dans de nombreux systèmes mécaniques, comme par exemple les moteurs ou les turbines d'éoliennes, le frottement et l'usure des pièces limitent les performances, et la durée de vie des composants. Les revêtements en carbone du type DLC (Diamond like carbon) sur les surfaces en contact sont une solution prometteuse. Cependant, lorsque ces surfaces sont lubrifiées par un additif courant comme le dithiophosphate de zinc (ZDDP), le rôle du lubrifiant, et son interaction avec le revêtement DLC, étaient jusqu'ici mal compris.

C'est pour élucider cette question, et optimiser les performances tribologiques, qu'une équipe du Laboratoire de tribologie et de dynamique des systèmes (LTDS, CNRS/École Centrale de Lyon/ENTPE) et de l'institut Fraunhofer pour la mécanique des matériaux (Allemagne), a mené une série d'expérimentations et de simulations numériques avec différents revêtements DLC1. Les scientifiques ont ainsi mis en évidence l'influence des interactions entre des phénomènes mécaniques et chimiques sur la résistance à l'usure et le frottement observés.

Ils ont montré que les propriétés tribologiques d'un revêtement DLC lubrifié par le ZDDP dépendent de sa rigidité, de la nano-topographie de surface et de la teneur en hydrogène du revêtement. Ainsi, avec un revêtement constitué de carbone amorphe tétraédrique sans hydrogène (appelé ta-C), présentant une dureté modérée, il est possible d'obtenir un frottement ultra-faible et une résistance à l’usure élevée. D’autres revêtements moins durs (a-C) montrent également une résistance à l’usure élevée, mais présentent un coefficient de frottement plus élevé. Enfin, contrairement à ce que l'on pourrait attendre, des revêtements ta-Cs plus durs subissent une forte usure. Ce phénomène apparaît lié à une réaction tribochimique du DLC avec les espèces soufrées, contenues dans le ZDDP, et à un mécanisme de diffusion préférentielle du soufre en sous-surface.

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

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

 

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

  • 1. Cette étude a été menée en collaboration avec le laboratoire Mateis (CNRS/INSA Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1) et l'Institut de Recherches en Ingénierie des Surfaces (filiale groupe HEF).

Contact

Maria Isabel De Barros Bouchet
Maîtresse de conférences de l’École Centrale de Lyon, Laboratoire de tribologie et de dynamique des systèmes (CNRS/École Centrale de Lyon/ENTPE)
Communication INSIS