Propriétés mécaniques de tribofilms formés dans un contact frottant CuDLC / acier

Mechanical properties of tribofilms formed in a CuDLC / steel rubbing contact

¹ Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes, UMR 5513 CNRS/ECL/ENISE, École Centrale de Lyon, Ecully, France
sandrine.bec@ec-lyon.fr
² Graduate School of Engineering, Tohoku University, 6-6-01 Aoba, Aramaki, 980-8579 Sendai, Japan
³ Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences, Tohoku University, 6-3 Aoba, Aramaki, 980-8577 Sendai, Japan

Reçu : 11 Février 2013
Accepté : 23 Juillet 2013

Résumé

Les couches minces Diamond-Like Carbon (DLC) permettent d’obtenir des frottements et usures faibles dans les contacts secs. Il est aussi possible de contrôler les propriétés électriques du contact en réalisant des couches nanocomposites métal/DLC. Dans ce travail, nous nous intéressons à la caractérisation mécanique des surfaces en contact à l’issue d’essais de frottement linéaires alternatifs entre un plan recouvert d’une couche nanocomposite Cu/DLC et une bille en acier. En particulier, dans certaines conditions, ces essais conduisent à la formation d’un tribofilm sur les surfaces, dû aux échanges de matière entre les surfaces en contact lors du frottement. L’observation des surfaces frottées permet de corréler l’évolution du coefficient de frottement et de la résistance électrique de contact à la formation ou non d’un tribofilm adhérent sur la bille. Lorsqu’un tribofilm est formé, celui-ci est conducteur, et la couche mince ne subit qu’une usure progressive. Néanmoins, le coefficient de frottement évolue au cours de l’essai. Afin de mieux comprendre cette évolution, nous avons mesuré les propriétés mécaniques par nanoindentation dans et hors des traces d’usure sur le plan et sur la bille, pour des essais réalisés à différents nombres de cycles. Les propriétés élastoplastiques du tribofilm se révèlent être différentes de celles des matériaux initiaux et semblent pouvoir être corrélées à l’évolution du coefficient de frottement.

Abstract

Diamond-Like Carbon (DLC) coatings are used to obtain low friction and low wear in dry rubbing contacts. Electrical properties of the contact can be controlled by designing metal/DLC nanocomposite. In this study, mechanical properties of rubbed surfaces were investigated after linear reciprocating friction tests where a steel ball is rubbed onto a Cu/DLC nanocomposite plane. It was observed that a tribofilm might grow depending on the test conditions, due to material exchanges between the two contacting solids during friction. And it was possible to correlate the evolution of friction coefficient and contact electrical resistivity with the build-up of a tribofilm on the steel ball. When a tribofilm is formed, it is conductive and the wear of the coating progresses slowly. However, the friction coefficient value is not constant versus time. In order to better understand the origin of these variations, the mechanical properties of the tribofilm and the coating were measured at different tribotest durations, inside and outside the wear track. The mechanical properties of the tribofilm were found to be different from those of the initial rubbing material and some correlation could be done with the evolution of the friction coefficient.