Tribologie/Applications pratiques industrielles

Idées générales

Force est de reconnaître que dans le domaine des applications du frottement, de la lubrification et de l'usure, bien peu de progrès fondamentaux ont été accomplis depuis deux siècles : les Anciens disposaient déjà de corps gras, du bronze « marine », des alliages antifriction brevetés plus tard par Babbit, ils savaient comment sauver un palier en passe de gripper avec du soufre ...

Les armes supplémentaires doivent être recherchées parmi les matériaux, leurs traitements, les lubrifiants, ainsi que dans le remplacement des guidages lisses par les roulements. En même temps, d'innombrables questions et problèmes nouveaux sont apparus. On retiendra entre autres ces quelques innovations :

• les dopes des lubrifiants dus à Evans,
• le graphite (c'est encore à voir),
• le bisulfure de molybdène,
• les matières plastiques, Nylon, Rilsan... et surtout PTFE,
• les alliages d'aluminium,
• les matériaux complexes frittés, imprégnés ou non,
• de très nombreux traitements de surfaces.

Il a paru intéressant de faire un point, non exhaustif, sur des solutions ou des tendances actuelles dans un grand nombre de domaines : c'est ce que l'on trouvera dans les pages suivantes, où les différents sujets traités sont classés par ordre alphabétique.

Aciers inoxydables

Ils font partie des matériaux qui grippent beaucoup plus rapidement dans l'eau que dans l'air, ce phénomène étant retardé par le galetage et accéléré par le polissage électrolytique.

Articulations (machines)

Il en existe beaucoup sur les engins de chantier, les machines agricoles, etc. On peut remplacer le bronze des bagues de guidage par de l'acier traité, éventuellement sous forme de coussinets spéciaux.

Ascenseurs

Le nouvel ascenseur GeN2 de la société Otis rompt avec plus d'un siècle de tradition en raison du remplacement des câbles d'acier par une courroie plate faite d'acier recouvert de polyuréthanne et de l'usage d'un moteur alimenté à fréquence variable et dépourvu de tout engrenage.

L'allègement du lien et la diminution de la taille du bloc moteur permettent de loger celui-ci dans la gaine d'ascenseur plutôt que dans un local réservé à la machinerie.

Outre une meilleure précision du déplacement des cabines, une plus grande résistance à l'usure par rapport aux systèmes traditionnels et une réduction du bruit, ces innovations permettent aussi de supprimer la lubrification des câbles et des engrenages.

Biodiesel et huiles végétales

Manitoba, Canada

Le gouvernement du Manitoba a éliminé toutes les taxes sur le biodiesel pur produit au Manitoba dans le cadre du budget 2006 en vue d’encourager davantage le développement de cette énergie de remplacement propre. Le biodiesel est fabriqué à partir d’huiles végétales, de graisses animales et d’huiles récupérées des restaurants. Environ 850 000 tonnes de carburant diesel sont consommées au Manitoba chaque année, la plus grande partie étant utilisée par les secteurs des transports et de l’agriculture. Comparativement au carburants issus du pétrole, le biodiesel pur réduit un certain nombre d’émissions telles que :

• les gaz à effet de serre (jusqu’à 90 %)
• le dioxyde de soufre (de 100 %)
• les hydrocarbures (de 40 %)
• les particules (de 70 %)
• le gaz méthane (de plus de 50 %)
• le monoxyde de carbone (de 50 %)
• les hydrocarbures aromatiques qui causent le cancer et l’emphysème (jusqu’à 80 %).

Le biodiesel peut être utilisé sous forme de carburant pur ou dans des mélanges utilisables dans n’importe quel véhicule diesel. Outre ses avantages écologiques, il améliore la lubrification dans les véhicules, réduisant ainsi les coûts d’entretien.

Biocarburant à Villeneuve sur Lot (Lot-et-Garonne)

Depuis octobre 2005, 10 camions bennes de marque Renault appartenant à la Communauté de Communes du Villeneuvois roulent, à titre expérimental, avec un mélange de 70 % gazole et de 30 % d’huile végétale pure issue de la production locale. Le bilan de cette expérience, dévoilé en avril 2006, confirme l’absence de toute usure anormale des moteurs diesel et la réduction de la nocivité des gaz d’échappement. Les particules émises sont moins nombreuses, le moteur moins bruyant et offre de meilleures reprises.

Cette phase d’observation a été menée sans aucune modification des moteurs, elle se poursuit aujourd'hui avec le passage à l'huile végétale pure non mélangée au gazole. Un kit de préchauffage est nécessaire pour amener l'huile à la bonne température lors du démarrage. Si les résultats se révèlent satisfaisants, l'équipement de tous les poids lourds de la communauté de communes est envisagé. Une économie de 60 000 € par an est attendue, compte tenu du prix actuel du gazole.

Un autre avantage de l'utilisation d'huile végétale comme carburant est la possibilité de lutter contre la désertification rurale d'un département qui compte 16 000 ha de jachères. Avec 3 kg de graines de tournesol, on obtient 1 l d'huile et 2 kg de tourteau pouvant servir d'aliment pour le bétail. Le seul investissement, relativement minime, est l'acquisition d'une presse.

Contrairement aux biocarburants comme le diester, l’usage de l’huile végétale pure n’est pas encore reconnu en France, malgré la directive européenne 2003/30 sur la promotion des biocarburants, signée le 8 mai 2003 et entrée en vigueur depuis le 1er janvier 2005. Le Préfet du Lot et Garonne a ainsi saisi en février 2006 le tribunal administratif de Bordeaux afin d’annuler le projet de la Communauté de Communes du Villeneuvois, d'où des démêlés juridiques qui ne sont pas encore terminés. L'enjeu est de savoir si l'huile végétale doit ou non être soumise à la taxe intérieure sur les produits pétroliers (TIPP), qui représente 7,5 % des recettes fiscales de l'État.

Par ailleurs, le Comité des Constructeurs Français d'Automobiles (CCFA) a rappelé en janvier 2006 son opposition à l'utilisation des huiles végétales pures dans les moteurs diesel. En cas d'une commande de poids lourds destinés à rouler avec ce carburant, la garantie des moteurs risque de ne pas être assurée et il faudra alors que la Communauté de Communes lance un appel d'offre européen. En Allemagne, l'huile végétale est licite et disponible dans un nombre déjà important de stations-services.

Les essais se poursuivent, malgré l'opposition de la préfecture et des constructeurs.

Bois

Il est possible de souder le bois par friction.

pour en savoir plus : soudage par friction

Boîtes de vitesses

Les synchroniseurs doivent avoir un coefficient de frottement élevé dès l'essorage (évacuation de l'huile d'entre les deux cônes) et une bonne résistance à la compression. On utilise les couples de matériaux suivants :

• bronze-acier pour les synchroniseurs de type Borg-Wagner peu chargés,
• acier-molybdène, ce dernier déposé par plasma. Ce couple convient aux systèmes Borg-Wagner très chargés car il résiste bien à l'usure et supporte un frottement de longue durée. Il y a un risque de destruction rapide en cas d'oxydation du molybdène, particulièrement en cas de présence d'eau dans l'huile,
• acier-aluminium, utilisé pour les systèmes New-Process malgré sa sensibilité à la chaleur qui interdit un frottement trop prolongé,
• acier-matériau de frottement organique (collé sous forme de « papier ») : le coefficient de frottement est élevé mais le matériau est compressible,
• acier-matières plastiques : le polyimide Kinel donne de bons résultats dans le cas du New-Process.

Les paliers lisses ou à roulements doivent être compatibles avec les lubrifiants pour engrenages, à l'état neuf ou usagé. En général les roulements sont lubrifiés par projection d'huile mais on emploie de plus en plus des roulements étanches pour éviter l'entrée de débris métalliques ou autres impuretés.

Pour les fourchettes de commande, le bronze et le laiton sont remplacés par l'aluminium, ou plus souvent l'acier ou la fonte revêtus de molybdène ou de matières synthétiques.

La lubrification est essentielle pour la durée de vie. Il faut prévoir assez d'huile pour ralentir l'inévitable perte de caractéristiques et spécifier la périodicité des vidanges. Un point capital est la propreté au niveau de la fabrication. On doit prévoir autant que possible un bouchon magnétique pour retenir les impuretés ferreuses, assurer la montée progressive en puissance lors du rodage et prévoir après celui-ci une vidange complète, avant la mise en service à la puissance nominale.

Boucliers thermiques

Inspection des protections thermiques de la navette Discovery depuis la Station Spatiale Internationale

De tels boucliers permettent aux véhicules spatiaux de pénétrer l'atmosphère de la Terre ou d'une autre planète sans se désintégrer à la manière des météorites qui produisent les étoiles filantes.

Le bouclier de la sonde Huygens qui s'est posée sur Titan le 14 janvier 2005 était, historiquement, le premier jamais réalisé en Europe, plus spécialement sur le site de Saint-Médard-en-Jalles de la société EADS, près de Bordeaux. Il a permis de réduire la vitesse de cette sonde de 6 km/s à 400 m/s grâce au frottement dans l'atmosphère.

Cette pièce avait la forme d'une soucoupe de 2,75 m de diamètre, réalisée en fibres de carbone avec un structure d'aluminium en nid d'abeilles, et comportant une couche de protection thermique de moins de 20 mm d'épaisseur. Celle-ci était constituée d'environ 200 dalles d'un composé ablatif (qui disparaît au fur et à mesure du fonctionnement) à base de fibres de silice dans une matrice de résine phénolique. Ce matériau est à la fois très solide, très léger et très isolant. L'arrière du bouclier était recouvert d'une garniture de 2 mm de Prosial, un autre composé isolant comportant des sphères de silice creuses dispersées dans un élastomère de silicone, souvent utilisé en construction aéronautique comme barrière anti-feu.

Bien que sa masse n'ait pas dépassé 80 kg, ce bouclier a supporté un flux thermique de l'ordre de 1 MW/m² pendant l'entrée dans l'atmosphère de Titan, avec des températures de surface pouvant atteindre 1500°C. La température du plasma provoqué par l'onde de choc en avant du bouclier était supérieure à celle de la surface du Soleil ... De plus, les caractéristiques chimiques de l'atmosphère traversée étaient très différentes de celles de l'atmosphère terrestre.

L'une des plus grandes difficultés que l'on rencontre lors de la conception de ces boucliers thermiques vient de la nécessité d'associer des matériaux dont les coefficients de dilatation sont très différents, comme l'aluminium et la fibre de carbone.

Boulonnerie

La maîtrise du frottement permet de diminuer l'incertitude sur les efforts de serrage à couple imposé. Ceci est particulièrement important pour la boulonnerie serrée à la limite d'élasticité comme celle des culasses, surtout sur les moteurs diesel.

Carburants

La purification des carburants pour moteurs thermiques est une arme à double tranchant. La diminution drastique des émissions de SO₂ est évidemment nécessaire pour réduire la pollution atmosphérique, elle oblige les raffineurs de pétrole à investir des sommes considérables dans de nouvelles installations destinées à désulfurer les hydrocarbures, et plus particulièrement les gazoles, avant leur mise sur le marché. On trouve donc maintenant des carburants diesel dont le taux de soufre est extrêmement bas.

Le problème est que cette désulfuration a des conséquences très néfastes sur les qualités des carburants. Le soufre intervient dans la composition de beaucoup d'additifs extrême pression et à ce titre, on le trouve dans la plupart des huiles et des graisses lubrifiantes, où il joue un rôle important pour la diminution des forces de frottement et surtout pour créer des barrières de diffusion limitant les risques de grippage. La présence de composés soufrés dans les gazoles assurait, selon les mêmes mécanismes, la lubrification des pompes d'alimentation, des injecteurs et même des soupapes des moteurs diesel.

Avant 1993 la teneur en soufre des gazoles atteignait couramment 0,5 à 1 %, voire dans certains cas 2 %. Elle a été brutalement réduite aux environs de 0,05 %. Pendant environ deux ans, on a constaté de nombreuses pannes de moteurs diesel dues entre autres à des problèmes de grippage dans les systèmes d'injection ; il a fallu beaucoup de temps pour que les fabricants de moteurs trouvent des solutions convenables à ces problèmes.

Aujourd'hui le soufre n'existe plus qu'à l'état de traces (0,0015 %) et de ce fait il ne joue pratiquement plus aucun rôle en tant que lubrifiant. Cela fait apparaître un nouveau problème, lié à la diversité des approvisionnements et des procédés de raffinage. Contrairement à ce que l'on pense généralement, il n'y a donc pas UN gazole, qui serait un produit bien défini et vendu partout, mais presque autant de gazoles qu'il y a de raffineries, c'est-à-dire des centaines, et tous ces carburants ont des propriétés différentes que la présence de soufre permettait en quelque sorte de masquer. On s'est aperçu également que les carburants diesel à très basse teneur en soufre sont sujets à des colonisations bactériennes et que leurs qualités peuvent encore se dégrader si la maintenance des cuves de stockage n'est pas bien assurée, en particulier si l'élimination de l'eau qui se condense toujours au fond des cuves n'est pas assurée régulièrement.

Des problèmes analogues s'étaient déjà produits lors du remplacement des essences chargées en plomb tétraéthyle, un antidétonant permettant d'augmenter l'indice d'octane, par des essences sans plomb. Le plomb est aussi un élément lubrifiant très important ...

Chaînes de transmission

L'usure augmente le pas des chaînes à rouleaux, ce qui finit par les mettre hors service. En même temps, elle diminue le pas des roues. Une chaîne abondamment lubrifiée par de l'huile propre ne subit pratiquement pas d'usure, mais si elle est sèche, même avec des conditions de fonctionnement peu sévères, elle sera rapidement mise hors d'usage. On rencontre également beaucoup d'usure abrasive pour des chaînes peu ou pas protégées.

• 
  Usure d'un pignon denté de bicyclette ; on voit nettement la dissymétrie, normale puisque l'effort d'entraînement est toujours exercé dans le même sens. L'usure est complexe, il y a enlèvement de matière et déformation
• 
  Une roue dentée « un peu » usée ; évidemment, la chaîne a fini par sauter définitivement !

Cette usure se traduit par une perte de métal de l'axe ou de la douille et un accroissement du jeu. Une chaîne en fonctionnement normal est entraînée par les flancs des dents, si l'usure est trop forte, elle saute sur les sommets des dents. On tolère un allongement U % tel que U = 180/Z, Z étant le nombre de dents de la plus grande roue.

Il existe une vaste panoplie de produits lubrifiants spéciaux. La difficulté est de les introduire entre l'axe et la douille, particulièrement avec les graisses et les produits bitumineux. La première imprégnation est faite par les fabricants à chaud et sous vide. Les produits les mieux adaptés semblent être dans la majorité des cas les huiles minérales.

Construction aéronautique et spatiale

De nombreux organes doivent pouvoir fonctionner à sec dans les commandes de vol, articulations de trains d'atterrissage, glissières de lancement d'engins, paliers de satellites à longue durée de vie ..

L'usure induite par de petits débattements (autre façon plus correcte de désigner la corrosion de contact) se manifeste sur les alliages aéronautiques : dégradation avec formation de débris dont une partie peut être éjectée, apparition de micro-fissures qui participent à la formation de débris plus importants, propagation de ces fissures et rupture à une durée de vie réduite lorsque l'une d'elles atteint une dimension critique liée à la ténacité du matériau concerné. Cette forme d'usure concerne entre autres :

• les aciers à très haute résistance des axes d'éléments d'atterriseurs,
• les alliages légers dans les assemblages rivés ou boulonnés des cellules, au niveau des interfaces tôle/tôle et des fixations tôle/support,
• les alliages de titane et les super-alliages dans les liaisons disques/aubes sur les turbomachines,
• les aciers à moyenne résistance des pièces tournantes de rotors d'hélicoptères.

On retarde ce phénomène par des traitements et protections de surface, des mastics intercalaires, le baguage de certaines pièces, le graissage.

Dans les commandes de vol on trouve beaucoup de rotules sphériques auto-lubrifiantes, généralement à base de PTFE et de tissus de fibres de verre ou organiques ou en graphite-céramique pour les parties chaudes. Ces matériaux tiennent mal en présence de poussières abrasives, d'où l'utilisation de rotules étanches avec lèvres d'élastomères.

La réduction de la consommation des avions passe par la réduction des diverses traînées, c'est-à-dire des forces qui provoquent un freinage. Les traînées sont liées aux forces de frottement, à la portance (comme pour un véhicule terrestre qui doit gravir une pente) et à la compressibilité de l'air et aux ondes de choc. Dans cet ensemble, les frottements interviennent actuellement pour moitié environ et c'est donc sur elle que portent la plupart des recherches.

Une des méthodes consiste à imiter la peau des requins, animaux considérés comme particulièrement efficaces pour la pénétration dans l'eau, pour diminuer les écoulements turbulents. Des parois souples rainurées sont efficaces mais, faute de matériaux suffisamment légers et durables, cette solution n'est pas utilisée actuellement.

On essaie également de stabiliser l'écoulement laminaire au niveau de la couche limite, c'est-à-dire de la couche d'air visqueuse qui adhère aux parois. Son décollement provoque en effet des turbulences génératrices de pertes d'énergie. Un meilleur état de surface des voilures, une meilleure propreté, améliorent passablement les choses. Des dispositifs d'aspiration ont été étudiés mais ils se révèlent malheureusement trop complexes pour être généralisés.

Construction automobile en général

Voir Boîtes de vitesses, Moteurs thermiques.

Construction navale

Les nouvelles règles concernant la construction navale et l'environnement obligent à revoir sévèrement certaines règles de fabrication et de fonctionnement des divers mécanismes.

Les paliers de sortie des arbres d'hélice fabriqués par la société Thordon Bearings sont lubrifiés à l'eau de mer plutôt qu'à la graisse ou à l'huile. Cette « innovation » n'en est pas vraiment une puisque l'on a utilisé longtemps des coussinets en bois de gaïac, mais les nouveaux produits doivent être considérés avec beaucoup d'intérêt compte tenu des quantités de lubrifiants qui sont actuellement dispersés en mer chaque année. À raison d'environ 6 litres de lubrifiant perdus chaque jour par chacun des arbres d'hélice des quelques 50.000 navires de tous types qui sillonnent les mers et les lacs, les quantités répandues dans la nature représentent deux fois la marée noire causée par le pétrolier Exxon Valdez. Ces rejets considérés actuellement comme « normaux » doivent désormais être considérés avec un regard plus critique.

Les paliers conçus par Thordon associent un coussinet en composite polymère-élastomère avec un habillage de bronze pour l'arbre. L'alimentation en eau de mer se fait par simple pompage.

En 2009 les paliers lubrifiés à l'eau de mer ne représentent que 1 % du marché, car l'industrie de la construction navale est très conservatrice et hésite beaucoup à utiliser les nouveaux produits.

Construction nucléaire

Dans les centrales nucléaires on trouve de nombreux cas de frottement en atmosphère neutre à faible vitesse. Faute de films d'oxydes, les risques de grippage sont élevés. Les dilatations provoquent beaucoup de petits déplacements à faible vitesse (quelques mm/h) et assez forte charge (3 N/mm²).

Jusqu'à 400°C, le problème est résolu par des aciers nitrurés et jusqu'à 800°C par des revêtements de carbure de chrome avec un liant en nickel-chrome. On trouve aussi de nombreux couples en graphite, mais attention au coefficient de frottement qui atteint couramment 1 !

Contacts électriques

Les connecteurs prennent une part très importante dans les défaillances des systèmes. Les principaux agents de corrosion dans les milieux industriels sont SO₂ et H₂S. L'augmentation des pressions de contact évite la corrosion de contact mais augmente les efforts d'enfichage et de désenfichage, ce qui est rédhibitoire si le nombre des contacts actionnés simultanément est très élevé. La fiabilité d'un connecteur est avant tout une question de frottement et d'usure. Les revêtements de nitrure de titane Ti₂N donnent des résultats médiocres en raison de la structure cubique de ce matériau, mais le carbure de nickel donne de très bons résultats. On peut aussi remplacer la solution traditionnelle nickel-or par étain-plomb avec un lubrifiant spécialisé.

Dents

pour en savoir plus : les sciences de la vie

Disques durs d'ordinateurs

Les disques durs comportent, de l'intérieur vers l'extérieur, quatre couches superposées : le support, une couche magnétique où l'information est stockée, une couche protectrice contre la corrosion et une fine couche lubrifiante nécessaire pour réduire le frottement avec les têtes de lecture/écriture, même si en principe ces dernières ne touchent jamais le disque. Pour augmenter la densité de l'information stockée il faut diminuer l'épaisseur de la couche protectrice et rapprocher les têtes de la surface du disque, ce qui rend d'autant plus nécessaire la présence d'une couche lubrifiante de haute qualité.

Les épaisseurs sont couramment de l'ordre de 5 nm pour la couche de protection et de 2 nm pour la couche lubrifiante. Pendant une opération d'écriture, les têtes « volent » à environ 10 nm au-dessus de la surface magnétique, portées par une couche de gaz constituée par un effet aérodynamique. Il est difficile de diminuer cette épaisseur car cela provoquerait un échauffement prohibitif.

Naturellement, lors du démarrage et de l'arrêt, les têtes sont déplacées hors de la surface du disque pour éviter tout « atterrissage ».

De nouveaux films devraient permettre d'augmenter la densité de stockage, qui devrait atteindre 1 terabit/pouce² vers 2010.

Utilisation de revêtements à base de carbone

Des chercheurs des universités de Cambridge et de Karlsruhe ont publié conjointement une étude sur les films ultra-lisses de carbone à structure adamantine. Les revêtements doivent être très lisses pour réduire le frottement et prévenir l'usure. Les chercheurs ont expliqué le processus de croissance de ces films de carbone et la raison pour laquelle ils sont pratiquement lisses à l'échelle des atomes. Sans eux, les disques ne pourraient même pas fonctionner, les roulements s'useraient plus vite et les joints d'étanchéité ne tarderaient pas à être endommagés.

Le but ultime de ces recherches est toutefois de réaliser des surfaces frottantes adaptées à toutes sortes d'applications comme les machines-outils, l'automobile ou certains dispositifs électroniques. Ces films sont produits avec du carbone ordinaire, c'est l'arrangement des atomes dans les couches de revêtements qui détermine leurs propriétés. Jusqu'à maintenant, la conception de ces films relevait de l'empirisme et de l'expérience accumulée.

La moindre rugosité de la couche de carbone nuit à la qualité du stockage d'information. Au fur et à mesure que la densité d'information stockée augmente, l'espace qui sépare la tête de lecture de la surface du disque doit être réduit en proportion et lorsque l'on recherche les meilleures performances possibles chaque couche d'atomes compte. C'est pourquoi les concepteurs et les fabricants de disques veulent comprendre comment les atomes se déposent et comment la couche s'épaissit.

D'après les modèles conçus par les chercheurs, les atomes s'empilent, pendant la formation du dépôt, sous forme d'un ensemble ordonné de petits tas, comme du sable que l'on aurait versé sur la surface. Les atomes qui atterrissent ensuite sur cette structure irrégulière entraînent avec eux les autres atomes vers le bas. Il en résulte une sorte d'érosion à l'échelle atomique et la surface extraordinairement lisse évoquée plus haut. Les formules mathématiques qui décrivent ces processus ouvrent une nouvelle voie dans la conception de structures de surfaces « sur mesures ».

Réduction du nombre des couches

La société Fujitsu annonce qu'elle a réussi à réduire à trois le nombre des couches en confiant à la couche extérieure le double rôle de protection et de lubrification. Le traitement fait intervenir un rayonnement ultraviolet de longueur d'onde 200 nm pour assurer l'adhésion de la dernière couche sur le substrat tout en diminuant la capacité d'adsorption de la surface, qui de ce fait se trouve moins polluée par l'humidité et d'éventuelles impuretés.

Utilisation de nanotubes de carbone

Plus la tête de lecture se rapproche de la surface du disque, plus le dégagement de chaleur est important et plus la couche de lubrification doit être importante mais cette couche est elle-même dégradée par la chaleur. La société Seagate propose d'utiliser un lubrifiant à base de nanotubes de carbone vaporisé périodiquement pour déposer une très fine pellicule sur la surface des plateaux. Ce procédé est utilisé dans la production des CD et DVD. Le gain en capacité de stockage pourrait alors être considérable.

Électro-érosion

La perturbation de la surface est liée directement à la façon dont on utilise le générateur, en particulier la puissance mise en jeu et la durée de l'opération. Plus le temps d'opération est long, meilleur est le résultat final.

On note l'existence d'une couche blanche et d'une couche thermiquement affectée. La première est saturée en carbone par des ruptures de molécules des hydrocarbures constituant le diélectrique. La couche blanche est plus importante à la périphérie des cratères qu'au centre. La couche affectée thermiquement l'est d'autant plus qu'il y a resolidification du métal enlevé et non vaporisation, que l'énergie de décharge est élevée et aussi que le métal usiné dissipe plus difficilement les calories. Les contraintes de traction peuvent provoquer des craquelures. Le travail de l'acier et des métaux apparentés provoque un durcissement de la surface.

Lors de la fabrication d'outillages (matrices de forge, moules pour matières plastiques ...), il n'est pas certain que l'enlèvement de la couche blanche et de la couche thermiquement affectée lors d'opérations de polissage, par exemple, donne de meilleurs résultats.

On cite cet exemple : une matrice de forge en acier rapide usinée par fraisage a tenu 4000 pièces. Une autre ébauchée par fraisage et finie par électro-érosion a produit 12 000 pièces. Une troisième usinée par fraisage, finie par électro-érosion puis soumise à un traitement thermique de stabilisation a permis de produire le nombre impressionnant de 400 000 pièces !

Embrayages

Si les garnitures des embrayages automobiles frottent à sec, beaucoup d'embrayages industriels fonctionnent dans l'huile.

Un « bon » coefficient de frottement pour le fonctionnement d'un embrayage n'est pas forcément très élevé, on préfère qu'il dépende peu de la pression de contact et de la température, et qu'il croisse légèrement quand la vitesse de glissement augmente afin de diminuer la tendance au stick-slip.

L'amiante était un excellent constituant des garnitures d'embrayages et son remplacement par d'autres matériaux moins dangereux pose de gros problèmes, pas toujours bien résolus à l'heure actuelle.

Engins de chantier

De nombreux organes des engins de chantier fonctionnent dans un environnement très humide, voire en immersion temporaire. C'est par exemple le cas des godets de chargeuses ou de pelles mécaniques employées dans les gravières pour l'extraction de granulats alluvionnaires. Des graisses appropriées ont pour base des huiles minérales très épaisses associées à des savons complexes de lithium. L'adjonction de bisulfure de molybdène leur confère des propriétés extrême pression et anti-usure.

Engrenages

• Endommagement : il revêt des formes très diversifiées et souvent complexes,

pour en savoir plus : endommagement des engrenages

• Lubrification : pour les techniques particulières aux engrenages,

pour en savoir plus : lubrification des engrenages

Éoliennes

Les éoliennes sont une version moderne de l'ancestral moulin à vent que l'on utilisait pour moudre le grain ou élever l'eau. Elles se développent rapidement depuis quelques années pour capter l'énergie du vent et la transformer en énergie électrique.

Les mouvements de l'atmosphère sont dus à des différences locales de température créées par le rayonnement solaire. À priori leur utilisation constitue la mise à profit d'une énergie à la fois propre et renouvelable et les ingénieurs s'efforcent d'en tirer le meilleur profit possible. De véritables « fermes éoliennes » sont désormais installées dans les zones suffisamment ventées.

Comme toutes les autres machines, les éoliennes doivent faire l'objet de soins attentifs, en particulier pour ce qui concerne la lubrification de leurs parties mobiles. Les éoliennes modernes sont visitées périodiquement, par exemple tous les 6 mois, et l'on en profite pour renouveler l'huile, ce qui n'est pas une opération simple. En général il faut utiliser une grue chargée de lever la machine située en haut d'un pylône et de la déposer au sol pour que l'équipe de techniciens puisse travailler en toute sécurité. Naturellement cette opération a un coût non négligeable et tous les efforts sont faits afin d'améliorer la fiabilité de ces installations et d'espacer autant que faire se peut les opérations de maintenance.

Le système d'orientation

L'un des points sensibles et le système d'orientation qui permet de placer l'ensemble rotor-générateur face au vent. Cet équipage mobile est monté au sommet du pylône sur une couronne d'orientation, c'est-à-dire un roulement spécial de très gros diamètre qui supporte les efforts très intenses engendrés au cours du fonctionnement. Un moteur électrique ou hydraulique muni d'un pignon attaque une couronne dentée généralement intégrée à la couronne d'orientation. Une fois la bonne position atteinte, le mouvement est stoppé et des freins à disque entrent en action pour éviter tout mouvement intempestif. Si la girouette détecte un changement de direction du vent, les freins sont desserrés et l'éolienne est réorientée.

Cette couronne d'orientation est soumise à des efforts importants. Dans la majorité des éoliennes, le rotor est placé face au vent (grâce à l'indication de la girouette placée sur la nacelle), puis freiné dans cette position par des freins à disque. Quand la direction du vent varie, les freins sont lâchés et l'éolienne est orientée à nouveau.

Il peut paraître paradoxal d'utiliser l'énergie hydraulique pour commander un générateur électrique mais ce mode de commande permet plus de souplesse, en particulier pour le freinage, et en cas de coupure du réseau il reste efficace grâce à un accumulateur hydropneumatique stockant l'énergie.

Les lubrifiants spécifiques

Les conditions de fonctionnement des éoliennes sont de plus en plus sévères au fur et à mesure que leur puissance augmente. Les plus gros prototypes actuels atteignent 10 MW ... De ce fait, les lubrifiants prennent une importance de plus en plus grande, surtout pour assurer le fonctionnement et la fiabilité des composants les plus lourdement chargés, et tout particulièrement les engrenages. Dans toutes les machines on trouve des organes lubrifiés par de l'huile et d'autres par de la graisse.

Par rapport à d'autres applications, les lubrifiants utilisés dans les éoliennes doivent conserver leurs propriétés pendant de très longues périodes entre deux opérations d'entretien. Pour une automobile, par exemple, le temps de fonctionnement entre deux vidanges est de l'ordre de 200 à 500 h ; pour une éolienne, il s'agit plutôt de 25.000 à 50.000 h.

L'expérience acquise par les fabricants de lubrifiants a montré que beaucoup de produits synthétiques ne convenaient pas à cette application. Pour le multiplicateur de vitesse principal, on utilise généralement des lubrifiants à base de polyalphaoléfines ou de polyglycols ou d'esters biodégradables. Ces produits permettent de lubrifier les engrenages, mais aussi les roulements inclus dans le même carter.

Étanchéité

La fiabilité des appareils pneumatiques dépend beaucoup de la qualité des joints. Il faut réaliser le meilleur compromis entre les efforts de friction, l'usure et l'absence de fuite, tout en évitant le « collage » à l'arrêt qui demande une énergie supplémentaire au démarrage.

Le graphite revêtu de carbure de silicium SiC par CVD permet de construire des glaces d'étanchéité relativement bon marché. Le nitrure de silicium est un bon matériau de frottement pour des joints avec glaces en fonctionnement hydrodynamique. Pour des joints d'étanchéité d'arbres frottant en présence d'eau on a de bons résultats avec le graphite, le composite polyamide-PTFE (Kinel), assez bons avec les matériaux à base d'amiante et de résine phénolique (Railko). En présence d'eau chargée de matières abrasives le polyéthylène à haute densité convient (Cestidur).

Pour les segments, voir « Moteurs thermiques ».

Attention aussi à la détérioration des arbres par les joints, particulièrement ceux en feutre, qui créent facilement une abrasion à trois corps.

Fabrications mécaniques

Les applications de la tribologie sont nombreuses dans des domaines tels que la coupe des matériaux, la mise en forme par déformation plastique, par frittage, le travail des métaux en feuilles, l'emboutissage, etc.

pour en savoir plus : Fabrications mécaniques

Feu (production)

Dans de nombreux sites archéologiques (grotte de l'Escale, de Nice, de Tautavel, de Lunel-Viel) on a retrouvé des traces de foyers prouvant qu'une parfaite maîtrise du feu a été obtenue depuis 250 000 à 300 000 ans. En revanche on ne sait pas si ce feu était fabriqué ou « récolté », puis conservé et transporté, à l'occasion d'incendies de forêts allumés par la foudre.

Pendant très longtemps, en effet, on a préféré transporter le feu plutôt que de l'allumer. Au XIX^e siècle, en Europe, il était encore fréquent que l'on emprunte un tison à son voisin lorsque le feu de la maison s'éteignait.

Les briquets à percussion

Les plus anciens briquets connus remontent à l'âge du fer. L'époque romaine nous en a laissé beaucoup, ainsi que divers sites en Bulgarie (IXe - X^e siècle). Un peu partout dans le monde, les briquets ont stimulé la créativité des hommes et certains sont de véritables œuvres d'art constituées de métaux précieux et richement ornées de pierres ou de corail.

Les briquets à silex ont été rapidement oubliés en Europe mais ils étaient très répandus dans les régions isolées au milieu du XX^e siècle et on les trouve encore en Afrique. Une lame métallique frappant le silex, ou frappée par lui, provoque la formation d'étincelles. Les aciers nitrurés, parfois par l'action de l'urine, donnent les meilleurs résultats.

Contrairement à une idée fausse mais très répandue, le frottement de deux silex n'est pas très efficace et les briquets préhistoriques utilisaient plutôt le choc d'un morceau de silex sur un bloc de pyrite ou de marcassite (sulfures naturels de fer FeS₂ cristallisés respectivement dans le système cubique et dans le système orthorhombique). Les étincelles engendrées par le choc du silex et de la marcassite, ou de la marcassite contre elle-même, persistent longtemps à cause de la présence du soufre. Des éléments de briquets à marcassite, datés de 13 000 ans environ, ont été retrouvés en Belgique. L'homme retrouvé récemment dans un glacier autrichien portait sur lui un morceau de pyrite et un amadouvier, le champignon qui fournit la matière inflammable appelée amadou.

Dans tous les cas, le frottement brutal du silex sur l'acier ou la marcassite arrache des particules combustibles qui constituent des étincelles. Ces dernières, tombant sur des matériaux faciles à enflammer, permettent d'obtenir le feu recherché. Les étincelles produites par le silex, matériau incombustible, ne durent pas assez longtemps et sont trop «froides» pour obtenir ce résultat.

En France on a "battu le briquet" jusqu'à la guerre de 1914-1918. Le feu se faisait à l'aide d'une boîte de fer blanc contenant un morceau de silex (la pierre à feu ou pierre à fusil), un morceau d'acier ou briquet (le fusil) et un produit inflammable comme l'amadou ou plus communément des chiffons calcinés. Une fois assis, on serrait la boîte entre les genoux. La main gauche tenait fermement la pierre, dans la boîte, le plus près possible des chiffons. On frappait la pierre avec le briquet jusqu'à ce qu'une étincelle plus forte que les autres vienne s'accrocher aux chiffons et y former un point incandescent sur lequel il fallait alors souffler adroitement.

Le véritable amadou est tiré de l'amadouvier, un champignon de type polypore qui pousse sur les vieux troncs d'arbres. Industriellement, on l'imprégnait de salpêtre (nitrate de potassium) pour en faciliter la combustion. D'autres traitements plus artisanaux étaient également utilisés, selon les ressources locales.

Les briquets à friction

La transformation par frottement de l'énergie mécanique en chaleur a été largement utilisée un peu partout dans le monde pour la production du feu. Cependant, contrairement à l'utilisation des chocs, elle est largement associée, dans beaucoup de civilisations, à des rites festifs, familiaux, religieux ou sexuels.

La prétendue nécessité de faire frotter un bois dur sur un bois tendre (l'un «mâle» et l'autre «femelle») relève en grande partie du mythe et l'expérience la contredit largement. En fait deux pièces de bois de même nature donnent de meilleurs résultats mais font moins appel aux fantasmes et au symbole du feu associé à l'acte sexuel. Les bois tendres, surtout s'ils ont une structure très fibreuse comme le saule et le tilleul, sont préférables aux autres.

La rotation d'une baguette verticale sur une planchette horizontale est le procédé le plus courant. De la sciure est produite, elle se trouve rassemblée dans une encoche de la planchette et c'est elle que la chaleur produite par le frottement va embraser. Elle joue en même temps le rôle d'un isolant thermique pour conserver les calories dans la zone frottante. La rotation par action directe des mains est très fatigante, peu efficace, la production du feu demande plusieurs minutes. Avec un archet on obtient une rotation bien plus rapide et le feu apparaît au bout de 20 à 30 secondes.

L'utilisation de planchettes et de forets à feu est attestée par des vestiges datant de 10 000 ans dans les Andes péruviennes.

Freins

disque de frein usé

Systèmes de commande

Les recherches sur les freins automobiles électro-hydrauliques semblent abandonnées.

Tous les équipementiers automobiles travaillent actuellement au remplacement des freins à commande hydraulique par des dispositifs électromécaniques. Dans les freins EMB (Electro Mechanical Brake), les plaquettes ne seront plus serrées par des pistons mais par des actionneurs électriques placés directement dans les étriers. On en attend une augmentation générale des performances et l'élimination des éléments hydrauliques, qui sont une importante source de pollution.

Le principal problème à résoudre est de concilier une fiabilité quasi absolue avec un coût de revient acceptable. L'équipementier allemand Bosch estime qu'il n'existe pas en 2005 d'actionneur électrique développant des efforts suffisants pour le pincement des plaquettes et n'envisage pas le développement de ce mode de freinage avant 2010. Il travaille sur des étriers auto-serrants, dans lesquels les efforts de frottement participent eux-mêmes au serrage. Un autre équipementier, Delphi, confirme l'insuffisance des actionneurs électriques actuels et s'oriente vers des systèmes à deux disques flottants. Ces freins dits MTB (Maximum Torque Brake) possèdent donc quatre surfaces de freinage. Ils devraient procurer des couples de freinage très élevés avec un refroidissement meilleur que pour les freins conventionnels et des masses diminuées.

Les recherches actuelles se poursuivent sur des systèmes fonctionnant en 12 V, le passage en 42 volts étant sans cesse repoussé. Les freins électromécaniques ne devraient pas être vraiment industrialisés avant 2010-2012.

Mode d'action des freins

D'autres études concernent le freinage d'urgence des automobiles. Le Professeur Peter Reimann et ses collaborateurs, de l'Université de Bielfeld en Allemagne, constatant que les techniques actuelles de freinage se fondent essentiellement sur des lois empiriques et non sur la théorie, espèrent améliorer notre compréhension des phénomènes de frottement à l'échelle moléculaire. Le modèle qu'ils ont établi suggère qu'au fur et à mesure que la vitesse de glissement de deux corps augmente, les forces de frottement commencent par croître, puis atteignent un maximum et ensuite décroissent. La conséquence immédiate est que la plus courte distance d'arrêt n'est obtenue ni en écrasant la pédale de frein et en bloquant les roues, ni en utilisant le système ABS qui empêche tout blocage (limite le bocage en relâchant périodiquement les freins). Un compromis entre ces deux méthodes semble bien être la solution la plus pertinente pour s'arrêter le plus rapidement possible.

Il n'est peut-être pas inutile de rappeler ici que contrairement à une idée reçue et plus ou moins entretenue par certaines publicités, le système ABS est parfaitement incapable de raccourcir les distances de freinage (ceci dépend en fait des caractéristiques de frottement des pneus sur le sol. Sur sol sec, il est souvent observé une diminution de la distance de freinage avec l'ABS. Ceci n'est pas vrai pour la neige) ; en revanche il permet au conducteur inexpérimenté de conserver une certaine maîtrise de sa trajectoire.

Matériaux nouveaux

Disque de frein en carbone-céramique

D'autres recherches concernent les matériaux, en particulier les céramiques. Leur coût élevé les réserve pour l'instant à la compétition et à quelques automobiles de grand luxe (Audi, Ferrari, Porsche). Le matériau le mieux approprié pour la fabrication des disques est le carbure de silicium, matériau très dur, résistant à l'abrasion, dont la structure est similaire à celle du diamant. La résistance de ces disques est améliorée par l'incorporation de fibres de carbone. Il en résulte un coefficient de frottement très stable, peu sensible aux conditions météorologiques ou à l'échauffement. Audi annonce que les disques de l'A8 dureront 300 000 km, soit quatre fois la durée de vie de disques conventionnels en acier, avec un niveau sonore très abaissé. Il s'agit d'un équipement optionnel, compte tenu du coût.

L'équipementier états-unien TRW offre en 2009 environ 1.400 références de garnitures et de plaquettes de freins, ce qui constitue la gamme la plus vaste du marché. Les plaquettes commercialisées répondent à une formule « minérale-céramique » qui, d'après le fabricant, est exempte de métaux lourds tels que plomb, mercure, cadmium, chrome, antimoine, cuivre, laiton, molybdène, etc. ; les composants essentiels sont des fibres aramides, du graphite, des résines, des gommes et des fibres céramiques.

Hydro-électricité

La lubrification des axes des distributeurs hydrauliques, des turbines et des vannes est très aléatoire car les vitesses de glissement sont insuffisantes. Le PTFE s'impose, en présence d'axes chromés ou métallisés par de l'acier à 13 % de chrome, par sa facilité de montage et d'accommodement. Les frottements sont diminués dans un rapport de 3 à 6. La rugosité ne doit pas dépasser 0,8 micromètre. Le PTFE chargé de bronze ou associé aux tissus de verre est également utilisable.

Machines agricoles

La résistance des losanges de charrues est améliorée par des traitements de diffusion métallique.

Matières plastiques (composants pour la mise en forme)

Éjection des pièces moulées

L'éjection des pièces moulées est toujours une opération délicate, les pièces encore chaudes n'ont pas atteint leurs performances mécaniques optimales et il faut les faire sortir avec précaution hors du moule grâce à de petits poussoirs appelés éjecteurs.

Ces éjecteurs fonctionnent dans des conditions souvent délicates : les matériaux moulés contiennent souvent des charges abrasives, certains de leurs composants peuvent être corrosifs, par ailleurs ils doivent pouvoir coulisser à chaud dans le corps du moule sans lubrification, du moins au sens courant du terme. Des températures de l'ordre de 200 °C leur sont souvent fatales.

La Société Rabourdin fabrique diverses sortes d'éjecteurs. Les plus élaborés sont constitués d'acier inoxydable à 17 % de chrome traité par carbonitruration, puis ils subissent une finition par rodage. D'autres sont conçus pour présenter les plus bas coefficients de frottement possible en l'absence de lubrification permanente. Les éjecteurs RINOX supportent des températures de fonctionnement allant jusqu’à 500 °C, leur surface est entièrement rectifiée.

Moules de soufflage des bouteilles

Le frottement qui règne entre les éléments des moules de soufflage nécessitent habituellement diverses opérations de maintenance et de graissage. Il est possible de supprimer le graissage grâce à l'utilisation de matériaux adaptés. La société Sidel (http://www.sidel.com/fr) propose un nouveau matériau, baptisé Kohlox™, pour résoudre ce problème. Il s'agit d'un thermo composite capable de fonctionner sans aucune lubrification et de remplacer des pièces telles que les rondelles d'usure des moules et les pions femelles. L'absence de graissage améliore la propreté des moules et par ailleurs, comme ce matériau est beaucoup moins dense que l'acier, les moules sont allégés et les souffleuses peuvent fonctionner à des cadences plus élevées.

Micro-mécanique

C'est un domaine spécial en tribologie par les très faibles énergies disponibles et la nécessité d'un fonctionnement sous très faible charge, sans entretien, pendant plusieurs années. Les matériaux ont souvent un très haut module d'élasticité, comme le rubis, ou un très bas comme les plastiques. Les pressions de Hertz très élevées provoquent un fort accommodement en début de fonctionnement, les atmosphères sont souvent difficiles.

Les effets physico-chimiques prennent le pas sur les effets mécaniques. Les problèmes essentiels sont le maintien en place et la stabilité de très faibles quantités de lubrifiants dont la très grande propreté des pièces favorise l'étalement. Les coefficients de frottement en lubrification sèche ne sont pas assez bas, on est presque toujours en conditions limites et la viscosité joue un rôle négligeable. Pour des questions de tension superficielle, la tenue des huiles est heureusement rendue possible par la présence d'impuretés et celle, dans les lubrifiants, d'acides gras polaires.

On peut utiliser avec succès les silicones : méthylalkoylspolysiloxanes et diméthylpolysiloxanes. La présence d'oxydes métalliques est un facteur favorable à la formation de couches adhérentes.

Moteurs électriques

Balais et collecteurs

Collecteur d'un moteur d'aspirateur

Les balais en graphite artificiel frottent sur le cuivre des collecteurs sous faible pression, 0,2 bar, avec une densité de courant de quelques dizaines d'ampères par cm². Le frottement est plus faible pendant le passage du courant. Il faut éviter une trop faible densité de courant qui conduit au glaçage des surfaces avec une très grande résistance électrique et de risques mécaniques : l'usure faible au début, avec production de bruit et de vibrations, devient vite catastrophique. Pour les moteurs destinés à tourner souvent à vide, on doit utiliser des balais légèrement abrasifs pour maintenir une certaine rugosité.

L'aluminium cuivré est insuffisant pour les applications industrielles. Les collecteurs en aluminium traité Zinal ont donné des résultats assez dispersés, le coefficient de frottement tend vers 0,2, celui du frottement graphite sur graphite. Avec un collecteur en AU4G le coefficient de frottement diminue avec l'intensité, ce qui semble dû à l'échauffement. L'usure des balais dépend directement de la rugosité de la bague collectrice. Inversement, l'usure de la bague est indépendante de sa rugosité, ceci sans courant.

L'utilisation de collecteurs en aluminium est possible à condition d'utiliser un revêtement de surface composé de 60 % de cuivre et 40 % d'indium. Cette solution est meilleure que celle du cuivre massif pour l'usure et la résistance à l'étincelage, à peine un peu moins bonne sur le plan de la conduction électrique.

Roulements

Les roulements pour moteurs électriques constituent une part importante du marché et leurs défaillances sont très coûteuses. Steve Wilkinson, de la société NSK Bearings Europe, avance le chiffre de 150.000.000 $ pour les États-Unis et probablement autant pour l'Europe. Outre le remplacement des roulements eux-mêmes, les principaux dégâts concernent le stator et le rotor des moteurs, ainsi que les équipements voisins.

Compte tenu de l'amélioration de la qualité des roulements, les défaillances par fatigue sont aujourd'hui moins nombreuses que celles que l'on peut attribuer aux problèmes de lubrification, d'échauffements anormaux, de contamination par des solvants, de l'eau, de la poussière ou encore à la corrosion. Le choix de roulements étanches graissés à vie permet de résoudre la plupart des problèmes rencontrés dans les applications courantes mais lorsque les conditions sont difficiles cette solution ne convient pas, il faut alors prendre les mesures appropriées :

• bien respecter les intervalles de graissage,
• utiliser la meilleure graisse pour roulements disponible,
• veiller à éviter toute introduction d'humidité, y compris en installant des réchauffeurs pour combattre la condensation,
• éviter toute intrusion de poussière et de souillures,
• toujours choisir des moteurs présentant les protections appropriées à l'usage prévu, et non pas les moins chers.

Moteurs thermiques

Généralités

L'une des causes importantes de dégradation est le phénomène de cliquetis dû à l'auto-inflammation brutale dans les cylindres de la partie des gaz comprimés en avant du front de flamme. Il dépend de la construction du moteur, de la position de la bougie, du taux de compression, de la nature du carburant et de la richesse du mélange, du régime moteur, des températures, etc.

Les ondes de pression ainsi créées peuvent détruire la couche limite de lubrifiant qui recouvre les parois dont la température augmente par suite de l'intensification des échanges thermiques. De plus, à force de marteler les grains métalliques superficiels, ceux-ci se déchaussent et des cratères d'érosion apparaissent généralement dans la zone qui se trouve à l'opposé de la bougie. Le joint de culasse, le segment de feu, l'isolant des électrodes centrales de bougies peuvent également être endommagés.

Le frottement a un effet considérable sur le rendement : un très bon moteur de poids lourd y perd 20 % de sa propre puissance. La longévité est très diminuée par les dépôts dus aux lubrifiants et essentiellement par le gommage du segment de feu, et limitée par l'usure progressive des éléments et des surfaces frottantes vitales.

Plusieurs processus conduisent à la formation de dépôts sur les pistons : oxydation, nitration de l'huile de base et des additifs, neutralisation des additifs basiques, volatilisation, dégradation thermique, circulation des suies et des débris d'usure.

Les dépôts sont constitués d'une partie organique (dégradation oxydative et thermique des bases de l'huile) et d'une partie inorganique (dégradation oxydative et thermique des additifs de l'huile).

Des études récentes ont montré que ces dépôts se forment déjà au bout de cinq heures d'utilisation du moteur. Leur dureté n’évolue pas durant le fonctionnement du moteur, elle est acquise dès leur formation, ils n'ont aucune évolution chimique ou morphologique en fonction du temps ou de la nature du lubrifiant utilisé. Les dépôts et suies sont plus durs que les pièces du moteur, ce qui explique leur caractère abrasif.

• Le contact segment-cylindre subit l'usure adhésive douce ou sévère (rayage ou scuffing), l'usure abrasive et l'usure corrosive. Le polissage du cylindre augmente la consommation d'huile et va jusqu'au grippage.

• Les segments de feu sont maintenant en fonte GS ou semi-malléable durcie par des carbures, plutôt qu'en fonte à graphite lamellaire. Ils sont généralement chromés, mais le chrome qui fond à 1860°C devient insuffisant, en particulier sur les moteurs diesel suralimentés, et se fissure facilement. On le remplace de plus en plus par le molybdène qui fond à 2620°C et que l'on dépose généralement au chalumeau, malgré les progrès du dépôt par plasma. Les couches sont poreuses, feuilletées, riches en oxydes, et retiennent l'huile. Le plasma en atmosphère neutre donne des couches moins oxydées, moins poreuses, plus denses et adhérentes, qui résistent mieux à l'abrasion mais peuvent user les cylindres. Le molybdène a toutefois atteint ses limites et sera probablement remplacé dans les prochaines années par des matériaux déposés au plasma : cermets, céramiques, métaux réfractaires.

• Les segments racleurs ou étancheurs sont le plus souvent en fonte grise phosphoreuse à graphite lamellaire.

• Cylindres et chemises : les cylindres sont généralement non chemisés, sauf en France où l'on trouve beaucoup de chemises mobiles humides.

Les chemises sont souvent en fonte perlitique à graphite lamellaire non traitée ou en fonte au titane. Aux États-Unis et en Grande-Bretagne, on utilise beaucoup la fonte bainitique trempée. La fonte à graphite lamellaire a des propriétés optimales si le graphite est uniformément réparti ; la centrifugation donne un grain fin plus sensible à l'usure adhésive que les structures grossières. L'eutectique phosphoreux donne une bonne résistance à l'usure et au grippage et peut emmagasiner une certaine quantité d'huile dans son réseau, mais il est fragile, sensible à la corrosion et plus ou moins incompatible avec les revêtements de molybdène au plasma. On limite la teneur des fontes en éléments d'alliage à cause du coût de revient.

Outre le grippage qui a comme on s'en doute des conséquences catastrophiques pour la vie du moteur, l'une des causes d'usure fréquentes des chemises est la délamination, qui est le déchaussement suivi de l'élimination de plaques minuscules limitées par des lamelles de graphite.

• L'usinage de finition des cylindres ou des chemises se fait au mieux par pierrage ou par honing avec des outils en carbure de silicium (carborundum) dans un liant relativement friable. La coupe est franche car les grains renouvelés par l'usure des pierres ont des arêtes vives, les lamelles de graphite et l'eutectique phosphoreux affleurent à la surface, mais les outils doivent être fréquemment reprofilés.

Les outils diamantés, presque inusables, sont très appréciés, mais les grains de diamant bien implantés dans un métal fritté s'émoussent et refoulent le métal plutôt qu'ils ne le coupent. Les surfaces littéralement « tartinées » perdent l'influence favorable des lamelles de graphite, ces dernières étant recouvertes. La surface « tôlée » frotte mal, la rétention d'huile est mauvaise et la consommation de lubrifiant croît mais le revêtement de molybdène du segment de feu s'en accommode.

Pour accélérer le rodage, on préconise des états de surface dits en plateau où se superposent deux rugosités, la courbe de portance d'Abbott-Firestone présente alors un point anguleux. Les chemises peuvent subir des traitements comme l'imprégnation de carbures, surtout de silicium, le durcissement par trempe au laser, la nitruration ionique ou le Sur-sulf, ou encore des dépôts ioniques tels que la boruration.

• Contact flanc de segment-gorge de piston : on y trouve de l'usure adhésive et du matage.

• Contact piston-cylindre : l'usure normale produit des rayures, l'usure abrasive fine polit les surfaces, l'usure adhésive sévère peut engendrer le grippage. Le revêtement chimique de plomb sur les pistons, fréquemment utilisé en Allemagne, est condamné à terme pour des raisons d'hygiène du travail.

• Contact came-poussoir ou patin de basculeur : il est le siège d'une usure adhésive douce ou sévère (scuffing), ou de piquage par fatigue.

• Les cames en fonte coulées sur refroidisseurs ont une structure de fonte blanche très riche en cémentite sur 3 à 4 mm d'épaisseur, le reste, non trempé, est en fonte perlitique. La résistance à l'usure abrasive et adhésive est bonne malgré une certaine fragilité et une sensibilité au piquage. Généralement il n'y a pas d'autre traitement de surface. Les cames en fonte grise perlitique trempées au chalumeau ou par induction résistent moins à l'usure mais mieux à la fatigue. Très souvent, on pratique une nitruration douce ou le Tenifer après la trempe par induction.

• Les poussoirs coulés sur refroidisseurs comportent alors de 2 à 4 mm de fonte blanche sur le plateau. On utilise également la fonte GS trempée superficiellement et phosphatée, les aciers XC 42 traité, XC 8 cémenté, ou 32 CDV 13 plus noble, trempé et presque toujours traité superficiellement par nitruration gazeuse, cémentation, phosphatation ou ferroxage.

• Les paliers des têtes de bielles et des lignes d'arbre peuvent subir l'usure adhésive sévère (grippage), le rayage et l'érosion par abrasion, le piquage et l'écaillage par fatigue, la corrosion, la cavitation, la corrosion de contact au dos.

De nouveaux alliages aluminium-plomb contenant de 8 à 8,5 % de plomb, 4 % de silicium, 1,5 % d'étain et 1 % de cuivre, seraient supérieurs en fatigue aux coussinets classiques aluminium-étain et aussi résistants à la corrosion.

Les vilebrequins en acier sont souvent remplacés par de la fonte traitée superficiellement.

Problèmes particuliers des moteurs deux temps à essence

Pour les petits moteurs, la méthode traditionnelle de lubrification fait appel à un mélange d'huile et d'essence dont la teneur en huile peut varier de 1,5 à 5 %. Cette alimentation continue en huile fraîche rend inutile toute vidange périodique et aucun dispositif particulier n'est à prévoir pour la circulation du lubrifiant.

Cette méthode de lubrification est à la fois très simple et sûre car toute l'huile introduite dans le moteur via le carburant aboutit dans le carter du moteur, en revanche le remplissage du réservoir est plus fastidieux qu'avec les moteurs 4 temps et la remise en route après un temps d'arrêt prolongé est délicate car l'huile a tendance à se séparer de l'essence. Par ailleurs, le mélange ayant une teneur en huile constante, l'adaptation aux conditions de fonctionnement variables n'est pas toujours idéale.

Pour les moteurs de puissance moyenne, on trouve souvent une alimentation en huile à l'aide d'une pompe séparée qui permet au moins théoriquement un meilleur dosage et une meilleure adaptation aux conditions de fonctionnement.

Oléoducs

L'industrie pétrolière consomme des quantités d'énergie considérables pour extraire le pétrole brut mais aussi pour le transporter, en particulier dans les oléoducs où la viscosité élevée du produit crée des frottements fluides très importants.

Des additifs réducteurs de frottement (DRAs, pour Drag Reducing Agents) permettent de diminuer les pertes d'énergie et donc contribuent à la réduction du coût de transport du pétrole. Ce sont des polymères synthétiques de poids moléculaire élevé.

On ne sait pas bien comment ces produits agissent et il est difficile d'estimer la quantité idéale qui doit être utilisée. Un institut de recherche espagnol étudie actuellement deux modèles complémentaires ; le premier permet de simuler le comportement des DRAs et leur dégradation au fil du temps, le second d'optimiser les quantités à utiliser et le nombre de points d'injection à prévoir.

Outillages d'extrusion

En Europe, les outillages d'extrusion ont été les premiers à bénéficier de la technologie PVD. Deux micromètres de nitrure de titane ont permis, par exemple, de tripler la durée de certains outillages. On note aussi la possibilité de réaliser des outillages de types inconnus auparavant. Utilisations possibles sur engrenages, roulements à billes, ... La société allemande OMT a mis au point depuis 1990 une technique de revêtements PVD + galvanoplastie multi-couche dédiée aux outillages d'extrusion. Les objectifs sont de 3 niveaux :

• La protection du substrat de base contre la corrosion et les phénomènes de piquages pouvant détériorer le revêtement, ces dégâts étant bien souvent causés par la mauvaise qualité des eaux de refroidissement.
• L'augmentation de la durée de vie de l'outil subissant une très grande abrasion par contact avec le produit extrudé chaud.
• Offrir une surface le plus lisse possible avec un coefficient de frottement faible en fonction de la nature du produit transformé.

Cette technique offre une épaisseur comprise entre 15 et 20 microns en fonction du substrat de base. L'empilement de molécules forme des couches à base de NiCr/CrN/Cr₂NO/CrCN.

Outils de poinçonnage et de relevage de collerettes

Modes d'usure

Le principal mode de dégradation des outils est l'écaillage. L'amélioration de leur tenue s'obtient en évitant soigneusement les défauts de surface, en traitant correctement l'acier de base, en « mouchant » les outils. Les hauteurs de bavure minimales sont obtenues avec des outils dont l'arête de coupe présente un arrondi de l'ordre du dixième de l'épaisseur des tôles poinçonnées.

L'usure des parties actives des outils dégrade progressivement la qualité des pièces découpées : variation des cotes, apparition de défauts de forme, modification de l'aspect du bord découpé, augmentation du volume écroui limitant les possibilités de formage ultérieur du bord découpé, variation de la hauteur des bavures.

Toutefois, un faible niveau d'usure des arêtes de coupe ne correspond pas nécessairement à la qualité optimale des pièces découpées. Avec des outils revêtus, par exemple, cette qualité est meilleure jusqu'à 35 000 coups de presse, après la tendance s'inverse.

Mesure de l'usure des poinçons

Le plus souvent, on l'évalue par l'examen du profil de l'outil ou indirectement par la mesure des cotes de la pièce découpée. Cette dernière méthode a pour inconvénient de nécessiter le démontage du poinçon et l'on n'est jamais sûr, lors du remontage, de ne pas l'ébrécher et de retrouver exactement sa position initiale.

Des chercheurs de l'École Nationale Supérieure de Mécanique et des Micro-techniques de Besançon (ENSMM), dans le cadre d'un contrat mettant en jeu les organismes officiels de la Région Franche-Comté et diverses entreprises comme Augé Découpage, Crylas SAS, Alstom Transports et ITT Industries, ont proposé une méthode permettant de mesurer l'usure des poinçons in situ. Par action d'un rayonnement approprié, le tungstène entrant dans la composition du poinçon est transmuté en rhénium radioactif sur une profondeur d'environ 5O µm. Le rhénium émet des rayons γ dont l'intensité dépend de la perte de matière par usure et aussi du temps, puisque la radioactivité décroît naturellement selon une loi exponentielle.

Pour en savoir plus sur ce procédé, on peut prendre contact avec Guy Monteil, Laboratoire de micro-analyse des surfaces ENSMM, Tél. 03 81 40 28 67, guy.monteil@ens2m.fr ou Fabien Gréban, Société Augé Découpage, Tél. 03 81 40 22 00, recherche@augedecoupage.com

Réalisations pratiques

Dans des conditions industrielles définies, des outils de poinçonnage revêtus de nitrure de titane ou carbonitrure de titane (par PVD) ou de carbure de titane (par CVD) peuvent produire jusqu'à 35000 pièces dont la qualité est supérieure à celle produite par des outils conventionnels non revêtus.

Perçage thermique ou fluo-perçage

Un outil rotatif spécial permet de fondre localement le métal d'une paroi, sous l'effet combiné de la vitesse de rotation et de la pression. Le métal ramolli forme des bourrelets, en général devant et derrière la paroi, constituant ainsi une sorte de tube rapporté. Ce « tube » peut ensuite être travaillé, on peut par exemple le tarauder.

Pneumatiques automobiles et autres

pour en savoir plus : pneumatiques

Produits chimiques et frottement

L'action du frottement sur certains produits chimiques n'est pas toujours anodine.

L'acide picrique entre dans ce cadre. Ce produit est un réactif qui a été couramment utilisé dans les laboratoires voici quelques années, mais dont on se sert beaucoup moins aujourd'hui à cause du développement de nouvelles techniques plus efficaces. Cet acide, sous sa forme solide, est en fait un explosif connu sous le nom de mélinite et qui se révèle très instable sous l'effet de la chaleur ou du frottement. Le simple fait d'ouvrir un flacon peut suffire à provoquer une explosion, surtout si le produit n'a pas été utilisé depuis longtemps et si, avec le temps, la poudre s'est plus ou moins agglomérée sous le bouchon. Il est alors plus que fortement conseillé de faire appel à un service spécialisé dans la neutralisation des explosifs pour procéder à son élimination, qui consiste presque toujours à provoquer l'explosion du flacon dans des conditions de sécurité appropriées. En cas de doute, il ne faut ni déplacer, ni toucher, ni surtout ouvrir les flacons.

Prothèses articulaires

pour en savoir plus : les sciences de la vie

Revêtements routiers

Problèmes d'usure

Pour une large part, l'usure des revêtements routiers est comparable à l'écaillage des pistes des roulements à billes ou à rouleaux. Le passage répété d'éléments roulants endommage progressivement les sous-couches et provoque, à terme, le décollement de la couche superficielle ou « couche de roulement ».

On montre que l'usure des revêtements est proportionnelle à la quatrième puissance de la charge à l'essieu. Ainsi, compte tenu de la répartition des charges entre les roues avant et arrière, un camion de 13 tonnes à deux essieux use autant les routes que 100 000 automobiles. Lorsque l'on calcule un revêtement d'autoroute, on tient compte à peu près uniquement du passage des poids lourds, celui des automobiles n'intervenant que pour un faible pourcentage, presque toujours largement inférieur à 5 %.

Au Canada, la nouvelle répartition du produit des taxes sur les carburants tient compte de cet état de fait, en considérant que le carburant diesel est utilisé par les véhicules lourds responsables de la majeure partie de l'usure des routes.

Le remplacement aujourd'hui généralisé des essieux « tandem » à roues jumelées par des essieux « tridem » à trois roues simples comporte des avantages pour les transporteurs mais constitue un facteur aggravant pour l'usure des routes. Le risque d'orniérage est en effet aggravé, particulièrement sur les voies lentes. L'accroissement du trafic poids lourd a conduit à mettre au point des bitumes spéciaux à haut module d'élasticité comme les produits Biturigid fabriqués par la société Mobil.

Problèmes de bruit

Le bruit de roulement des pneumatiques sur les chaussées est une importante source de nuisances pour les riverains. La société Colas a étudié ce problème avec des acousticiens et mis au point un nouveau revêtement baptisé « Nanosoft ».

Ce revêtement est déposé en surface lors de la création de chaussées nouvelles ou de l'entretien de chaussées existantes. Dans ce second cas, la chaussée est préalablement fraisée, reprofilée si besoin est et les ouvrages annexes (écoulement des eaux, etc.) sont remis aux cotes. Selon Colas, les bruits de roulement sont divisés par 8 (diminution de 9 db). Ce résultat est dû en grande partie à la faible taille des granulats, environ 0,4 mm.

Revêtements de sols

Beaucoup de revêtements de sols posent des problèmes de sécurité en raison de leur caractère plus ou moins glissant, en particulier lorsqu'ils sont mouillés. Cela concerne aussi bien les lieux de travail ou les locaux des services publics que les logements.

Bois

Il est à la mode pour des cheminements extérieurs mais il devient souvent particulièrement glissant par temps de pluie. Cet effet est dû en grande partie à un processus décrit dans le paragraphe consacré au guidage par couches minces « spongieuses ». On y remédie avec plus ou moins de succès par diverses méthodes, la plus courante étant la réalisation de rainures profondes permettant l'évacuation du « lubrifiant ». Des pavés de bois dur disposé « de bout » et non jointifs donnent de meilleurs résultats que des planches horizontales.

Dans les ateliers, l'usage de pavés de bois « de bout », dont les fibres sont disposées verticalement, présente un certain nombre d'avantages. L'un d'entre eux, et non des moindres, est que si un compagnon laisse échapper une pièce métallique, celle-ci a beaucoup moins de chance de sortir endommagée de sa chute que si elle était tombée sur un sol en béton.

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  Pavés de bois « de bout »

PVC

On le trouve très communément sous forme de rouleaux ou de dalles à coller. Il n'est pas très facile de concilier le caractère antidérapant avec d'autres propriétés telles que la facilité de nettoyage et la résistance à l'usure. La « glissance » peut être diminuée en créant des reliefs ou en incorporant des particules dures au matériau de base mais cela a pour premier effet de faciliter l'encrassement et de compliquer l'entretien.

Certains revêtements récemment apparus associent des particules dures et une matrice plus molle. Sous l'effet de la pression du pied, tout se passe comme si les particules dures remontaient à la surface pour y créer des reliefs qui disparaissent lorsque le contact cesse. On concile alors la sécurité d'un sol rugueux avec la facilité de nettoyage d'un sol lisse. Ces surfaces doivent être bien rincées après lavage pour éviter la présence de détergents et il ne faut pas les cirer.

Les couches d'usure des revêtements destinés à des usages intensifs (halls de gares, d'aéroports ou d'autres bâtiments publics, magasins, hôtels), comportent des inclusions de particules très dures à base d'alumine ou de carbure de tungstène.

Roulements à billes, à rouleaux et à aiguilles

Les formes de dégradation sont diversifiées et complexes,

pour en savoir plus : endommagement des roulements

Pour ce qui concerne la lubrification des roulements,

pour en savoir plus : lubrification des roulements

Sciences de la vie

La tribologie a des applications particulières dans le domaine du monde vivant, la médecine, la vie quotidienne, etc.

pour en savoir plus : les sciences de la vie

Soudage par friction

On utilise la chaleur produite sous l'effet du frottement dans l'interface de deux éléments à assembler pour ramollir ou pour fondre localement les matériaux en présence. L'énergie peut être apportée par un frottement à l'échelle macroscopique (machines à souder) ou à l'échelle microscopique (soudage par ultrasons). On soude ainsi de nombreux métaux, des matières thermoplastiques et même ... le bois.

pour en savoir plus : le soudage par friction

Sports

Ski

Dans la course aux performances, en particulier dans les épreuves de descente, on cherche évidemment à diminuer toutes les forces susceptibles de freiner le mouvement. De nombreux chercheurs travaillent aujourd'hui sur ces questions et la préparation des sportifs et des équipements se fait depuis quelques années en laboratoire. On peut penser que les sommes énormes investies dans ces recherches, afin de gagner quelques millièmes de seconde, pourraient être mieux utilisées ailleurs ; mais c'est ainsi.

Aux vitesses élevées, la résistance de l'air, que l'on traduit par un coefficient de traînée aérodynamique (Cx), est l'ennemi numéro un. C'est en soufflerie, dans des veines d'air pouvant atteindre 200 à 250 km/h, que l'on recherche la meilleure posture possible pour chaque skieur ; cette posture est celle qui facilite au mieux la pénétration dans l'air tout en laissant au skieur une liberté de mouvements suffisante pour qu'il puisse contrôler sa trajectoire. On teste aussi par la même occasion les caractéristiques aérodynamiques des combinaisons, des casques et des chaussures.

Le frottement des skis sur la neige est également l'objet de recherches tribologiques approfondies. On sait que ce problème est complexe : le glissement est favorisé par la fusion superficielle de la neige au contact du ski, mais cette fusion utilise l'énergie dépensée lors du frottement que l'on veut justement combattre. Il y a donc là un point d'équilibre, un optimum entre ces deux facteurs contradictoires, en-deçà et au-delà duquel les résistances augmentent.

Contrairement à ce que l'on pourrait penser, des semelles de skis parfaitement lisses ne donnent pas les meilleurs résultats. Une légère rugosité est nécessaire et on a constaté que des stries très fines, de quelques µm, évitent que le ski colle sur la neige par un effet de ventouse. Les chercheurs étudient la meilleure configuration de ces stries selon la température de la neige.

Les combinaisons trop lisses ne sont pas non plus les meilleures. Comme pour les balles de golf, qui vont plus loin si on ménage des alvéoles sur leur surface, un certain relief est favorable à une diminution du Cx. De plus, ce relief freine efficacement les glissages en cas de chute et se révèle très utile pour la sécurité des skieurs, dont on sait que la trajectoire se termine souvent dans les filets de protection.

Patinage artistique

La société Thermablade [1] propose des patins chauffants. L'énergie électrique fournie par des batteries échauffe les lames jusqu'à environ 5°C, ce qui permet d'augmenter l'épaisseur du film d'eau qui sert de lubrifiant entre la glace et l'acier et de faciliter le glissement. La société Thermablade revendique une diminution de moitié du coefficient de frottement.

Motocyclisme

Parmi les risques encourus par les motards en cas de chute, les brûlures par frottement à grande vitesse sur le sol ne doivent pas être négligées ; ces brûlures sont de plus très souvent aggravées par la fusion de doublures de vêtements inadaptées. Les tenues portées par les pilotes doivent les protéger contre ce risque. Les sous-vêtements à base de résine Kermel (fibre polyamide-imide créée par Rhône-Poulenc vers la fin des années 1960) sont déjà utilisés comme protection contre la chaleur et le feu par les pompiers, les pilotes d'avions de chasse, d'hélicoptères ou d'engins blindés, le personnel des usines pétrochimiques, etc. La société SKEED met désormais de tels vêtements et sous-vêtements à la disposition des motards. Il en existe deux gammes, l'une destinée aux motards « ordinaires », l'autre aux pilotes de compétition.

Transports

Le trottoir roulant accéléré Trax est équipé de galets de guidage en acier recouvert de polyuréthane surmoulé.

Vis d'extrudeuses

Elles travaillent dans des conditions difficiles : fortes contraintes mécaniques, entre autres de torsion, gradient de température important, conditions d'usure abrasive, possibilité de corrosion. Après quelques semaines les vis non traitées présentent une usure à la fois abrasive et corrosive. On peut utiliser divers revêtements durs, tels que : céramiques à base d'oxyde de chrome, carbure de tungstène avec liant métallique nickel-chrome, ou carbure de chrome avec liant métallique.

Voies ferrées

Parmi les formes d'usure caractéristiques, l'usure ondulatoire est particulièrement nuisible. Comme son nom l'indique, elle se manifeste par des ondulations de la surface des rails, particulièrement dans les courbes et dans les zones d'accélération ou de freinage. Il peut en résulter des nuisances importantes, à la fois pour le matériel roulant qui est soumis à des vibrations importantes et pour le voisinage en raison des bruits qui accompagnent le passage des convois dans les zones concernées. Faute d'une compréhension des mécanismes qui provoquent ce type d'usure, on ne possède actuellement aucun moyen de prévention et aucune autre solution que le meulage périodique des surfaces de roulement. Des études sont actuellement menées à l'INSA de Lyon, en collaboration avec la RATP, Railtech, Lucchini et le Politecnico di Milano.