Influence de la température sur les mécanismes de frottement et d’usure des aciers X12NiCrMoSi25-20 et 25CrMo4 glissant sur du carbure de tungstène

Nous étudions le frottement et l’usure des aciers X12NiCrMoSi25-20 et 25CrMo4 lors du glissement lubrifié sur un disque en CW-Co. Nous déterminons l’influence de : la préparation de l’éprouvette, la dilution du lubrifiant, la force normale et la température entre 20 et 150 °C. Après essai, les éprouvettes sont observées par microscopies optique et électronique avant et après attaque métallographique. Une première série d’essai sur les deux aciers avec lubrifiant dilué montre que l’usinage des éprouvettes introduit une couche superficielle écrouie qui diminue fortement la vitesse d’usure et augmente le frottement. L’augmentation de température atténue ce phénomène et provoque une augmentation du frottement et de la vitesse d’usure, la lubrification s’avérant très difficile au-dessus de 20 °C pour X12NiCrMoSi25-20. Une seconde série d’essais a été effectuée sur le 25CrMo4 avec le lubrifiant non dilué pour deux forces normales. Ces essais montrent qu’après rodage de la contre-pièce, la vitesse d’usure est indépendante de la force normale, augmente entre 20 °C et 100 °C et décroît entre 100 et 150 °C. Les éprouvettes subissent un écoulement plastique sur une profondeur de l’ordre de 40–70 µm et le métal est extrudé à la limite du contact sous formes de feuillets. Ce mécanisme semble être le mécanisme d’usure dominant dans nos conditions d’essai : il serait favorisé par la capacité d’écrouissage de l’acier. L’évolution de la vitesse d’usure avec la température pourrait être causée par l’effet de la température sur la contrainte d’écoulement plastique de l’acier

Plastic deformation of 25CrMo4 steel during wear: Effect of the temperature, the normal force, the sliding velocity and the structural state

International audienceThis article follows a previous study on friction and wear of 25CrMo4 steel [N. Khanafi-Benghalem, K. Loucif, E. Felder, F. Delamare, Influence de la température sur les mécanismes de frottement et d'usure des aciers X12NiCrMoSi25-20 et 25CrMo4 glissant sur du carbure de tungstène, Matériaux et techniques 93 (2005) 347-362]. The aim of our work is to study in more details the process of plastic deformation and the wear rate of this steel in lubricated sliding against cemented tungsten carbide, process observed in the previous work. The considered parameters are the temperature T (from 20 to 200 °C), the normal force P (from 500 to 1500 N), the steel structure (normalised HV 220 and quenched/tempered HV 480 states) and the sliding velocity v (from 0.05 to 0.3 m/s). We measured the friction coefficient and the sample total volume loss. A displacement sensor follows the volume loss evolution during the test; this follow-up is approximate because of the sample plastic flow which leads to the formation of peripheral burrs. All the tests conditions generate a significant plastic deformation of the sample steel, even in the quenched/tempered state: it produces a marked increase of the surface hardness, the work hardened layer being much finer for the quenched/tempered state (15 μm) than for the normalised state (40 μm at 20 °C). For temperatures T ≤ 100 °C in normalised state, the wear follows the Archard's law with an increasing rate with temperature. For T ≥ 120 °C, the wear rate decreases during the test, the global volume of wear being a decreasing function of T. For the quenched/tempered state, the wear rate decreases with the increase of the normal force, this decrease is less than 30% of the normalised state value. The material heating during the wear tests is well correlated with the friction dissipated power, but remains small, except in extreme cases (v maximum, great friction at high temperatures). These results suggest the existence of two wear mechanisms: abrasion by sample debris and burrs emission by plastic flow. The abrasion is probably the dominating mechanism for the tests carried out at the lowest temperatures. The plastic flow becomes a significant component at the highest temperatures. Using a contact model, we discuss to what extent the influence of the temperature and the strain rate on the steel hardness and ductility could explain the temperature and the sliding velocity effect on wear. Other phenomena are probably present: the influence of the steel microstructure and the lubricant on the size and/or the number of particles responsible for abrasion

Contrôle de la température durant le processus de dégradation d'un acier Z12CNS20 en frottement avec un acier Z200C13

La température de contact lors des essais d'usure varie d'une manière spontanée et aléatoire. Cette température de contact dépend essentiellement de la nature du couple des matériaux en contact de la charge et de la vitesse. Cependant la mesure de la température est très difficile à effectuer compte tenu du choix de l'endroit de prise de la température et des phénomènes d'évacuation de la chaleur et de la dissipation de l'énergie. Dans ce travail nous exposons une méthode très simple de mesure de la température et nous étudions par conséquent la variation de la température du Z12CNS20 $/$ Z200C13.
Au cours des essais d'usure pour différentes vitesses de glissement, nous montrons en effet que la température augmente d'une manière progressive en fonction de la vitesse puis elle s'élève brutalement au fur et à mesure qu'on se rapproche du point de contact, et enfin nous prouvons par observation métallographique que l'échantillon subit un écoulement plastique provoqué par l'élévation de la température en fonction de la vitesse