Couches minces pour les contacts lubrifiés en slip-rolling (glissement-roulement) sous haute pression hertzienne initiale

Thin film coatings for lubricated slip-rolling contacts under high initial Hertzian contact pressure

C.-A. Manier¹, G. Theiler¹, D. Spaltmann¹, M. Woydt¹, E. Proß² et H. Ziegele²

¹ BAM Institut Fédéral pour la Recherche et l’Essai des Matériaux, 12200 Berlin, Allemagne
e-mail: charles-alix.manier@laposte.net ; geraldine.theiler@bam.de ; dirk.spaltmann@bam.de ; mathias.woydt@bam.de
² BMW Group, 80788 Munich, Allemagne
e-mail: evelyn.proß@e-prima.de ; holger.ziegele@bmw.de

Reçu : 5 Octobre 2009
Accepté : 4 Décembre 2009

Résumé

Le secteur automobile doit faire face actuellement à de nouveaux challenges au niveau de la construction allégée, des économies de carburant et des coûts. Ces exigences motivent la mise au point de tribosystèmes pouvant résister à des pressions de contact de plus en plus élevées avec de faibles coefficients de frottement. L’optimisation de systèmes existants par l’application de revêtements de surface performants représente une alternative intéressante. Ce texte présente les performances de couches minces dans des conditions d’essais de slip-rolling (roulement à composante de glissement) en présence de lubrifiants liquides. Après une première sélection à température ambiante, les revêtements les plus performants ont été testés à 120 °C. Il s’agit de revêtements DLC en carbone hydrogéné (a-C:H) et en carbone tétraédrique (ta-C) de dernières générations ainsi qu’un nouveau système « revêtement/substrat ». Certains des revêtements DLC développés récemment sont résistants en slip-rolling au moins jusqu’à 10 millions de cycles à 120 °C dans l’huile moteur sous des pressions hertziennes de contact de P_0max = 2600 / 2940 MPa. De plus, le nouveau système revêtement Zr(C,N)_x/substrat peut résister au moins à 1 million de cycles sous des pressions hertziennes initiales de contact allant jusqu’à P_0max = 3500 MPa et à des températures de lubrifiant d’au moins 120 °C.

Abstract

The light-weight approach and fuel economy targets in today’s automotive engineering require tribosystems, which can withstand higher contact pressures associated with low coefficients of friction. The application of surface coatings represents one approach among others. This paper presents thin film coatings performances in a bench mark test procedure exerting slip-rolling conditions in the presence of liquid lubricants. After a first selection at room temperature, the most resistant coatings were evaluated at 120 °C. These are newly developed DLC coatings (a-C:H & ta-C) as well as a novel coating-substrate system. Some of the newly developed DLC-coatings are slip-rolling resistant for at least up to 10 million cycles at 120 °C oil temperature) under Hertzian contact pressures of P_0max = 2600 / 2940 MPa. Furthermore, this novel Zr-based thin film coating can withstand at least 1 million cycles under initial Hertzian contact pressures of up to P_0max = 3500 MPa and oil temperatures of at least 120 °C associated with low coefficients of friction under mixed/boundary conditions.