Les réponses en frottement et en usure d'un composite PTFE/Bronze/MoS2 utilisé dans les bagues de guidage de vérins hydrauliques sont analysées en conditions de glissement sec et lubrifié. Un tribomètre bille/plan a mouvement linéaire alterné est utilisé pour la caractérisation expérimentale du comportement tribologique du composite. Le passage du contact sec au contact lubrifié engendre une réduction importante du coefficient de frottement. Le coefficient de frottement présente une croissance rapide au-delà de 20. ; cycles en condition de glissement sec alors qu'il présente une croissance progressive dès le début de l'essai pour se stabiliser à partir de 20. ; cycles en condition de glissement lubrifié. La sévérité de l'usure est largement réduite avec la lubrification. Pour les deux conditions de glissement, le volume d'usure présente initialement une croissance progressive pour se stabiliser vers la fin de l'essai. En condition de glissement sec, un mécanisme d'usure initialement adhésif cède la place vers la fin de l'essai à un mécanisme abrasif suite à la production de particules et/ou aspérités dures dans le contact. En condition de glissement lubrifié, la présence de l'huile dans le contact empêche l'oxydation des particules de MoS2 en particules dures de MoO3, ce qui permet d'améliorer les réponses en frottement et en usure

Dammak, Maher

Kharrat, Mohamed

Trabelsi, Mohamed

I-Revues

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Congrès Français de Mécanique                                               Lyon, 24 au 28 Août 2015 
 
 
Etude du comportement tribologique d’un composite 
PTFE/Bronze/MoS2 en glissement sec et lubrifié 
 
M. TRABELSI
a
, M. KHARRAT
b
 et M. DAMMAK
c
 
 
a.Laboratoire des Systèmes Electromécaniques, Ecole Nationale d’Ingénieurs de Sfax, Route 
de Soukra km 3,5, B.P. 1173, 3038 Sfax, TUNISIE,medtrabelsi.enis@yahoo.com. 
b. Laboratoire des Systèmes Electromécaniques, Ecole Nationale d’Ingénieurs de Sfax, Route 
de Soukra km 3,5, B.P. 1173, 3038 Sfax, TUNISIE,mohamed.kharrat@ipeis.rnu.tn. 
c. Laboratoire des Systèmes Electromécaniques, Ecole Nationale d’Ingénieurs de Sfax, Route 
de Soukra km 3,5, B.P. 1173, 3038 Sfax, TUNISIE,maher.dammak@ipeis.rnu.tn. 
 
Résumé : 
Les réponses en frottement et en usure d’un composite PTFE/Bronze/MoS2 utilisé dans les bagues de 
guidage de vérins hydrauliques sontanalysées en conditions de glissement sec et lubrifié. Un 
tribomètre bille/plan a mouvement linéaire alterné est utilisé pour la caractérisation expérimentale du 
comportement tribologique du composite.Le passage du contact sec au contact lubrifié engendre une 
réduction importante du coefficient de frottement. Le coefficient de frottement présente une croissance 
rapide au-delà de 20.000 cycles en condition de glissement sec alors qu’il présente une croissance 
progressive dès le début de l’essai pour se stabiliser à partir de 20.000 cycles en condition de 
glissement lubrifié. La sévérité de l’usure est largement réduite avec la lubrification. Pour les deux 
conditions de glissement, le volume d’usure présente initialement une croissance progressive pour se 
stabiliser vers la fin de l’essai.En condition de glissement sec, un mécanisme d’usure initialement 
adhésif cède la place vers la fin de l’essai à un mécanisme abrasif suite à la production de particules 
et/ou aspérités dures dans le contact. En condition de glissement lubrifié, la présence de l’huile dans 
le contact empêche l’oxydation des particules de MoS2 en particules dures de MoO3, ce qui permet 
d’améliorer les réponses en frottement et en usure. 
 
Abstract : 
Friction and wear responses of PTFE/Bronze/MoS2 composite used in guide rings of hydraulic 
actuators are analyzed in dry and lubricated sliding conditions. A ball-on-flat tribometer with linear 
alternated motion is used for the experimental characterization of the tribological behavior of the 
composite. The transition from the dry contact to the lubricated contact leads to an important 
decrease of the friction coefficient. The friction coefficient experiences a rapid increase beyond 20.000 
cycles in dry sliding condition while it experiences a progressive increase from the beginning of the 
test to stabilize since 20.000 cycles in lubricated condition.The wear severity is largely reduced with 
lubrication. For both sliding conditions, the volume loss shows an initial progressive increase to 
stabilize toward the end of the test. In dry sliding condition, initially adhesive wear mechanism gives 
way to an abrasive wear mechanism as a consequence of the production of hard particles and/or 
asperities in the contact. In lubricated sliding condition, the presence of oil in the contact prevents the 
oxidation of MoS2 particles in MoO3 hard particles, thereby improving the friction and wear 
responses. 
 
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Mots clefs : PTFE; Composite; Bronze; MoS2; Frottement; Usure; Glissement sec, Glissement 
lubrifié. 
 
1 Introduction 
Les composites à matrice polytétrafluoroéthylène (PTFE) renforcés par des charges particulaires sont 
largement utilisés dans différents secteurs d’ingénierie grâce à leurs propriétés mécaniques et 
tribologiques intéressantes. Ces propriétés sont largement dépendantes du type et de la fraction des 
charges [1]. Il a été montré que les particules de charges préservent la destruction de la structure en 
bande du PTFE et ainsi la formation de larges particules d’usure durant le glissement [2-3]. En 
particulier, les particules de bronze sont utilisées à chaque fois où l’amélioration de la réponse 
tribologique de la matrice PTFE est recherchée [4-6]. En effet, le mécanisme d’usure du PTFE est 
caractérisé par la formation d’un film de transfert sur la surface de l’antagoniste et l’adhésion de ce 
film est améliorée par les particules de bronze [7]. Cependant, les particules de bronze peuvent 
conduire à une augmentation du coefficient de frottement, à l’activation de l’abrasion et à la réduction 
de l’intégrité mécanique et de la résistance chimique du composite durant le glissement [8]. Des 
particules de lubrifiants solides comme le bisulfure de molybdène (MoS2) sont parfois rajoutées avec 
les particules de bronze à la matrice PTFE. Cependant, l’association de ces deux types de charges ne 
conduit pas au renforcement des performances tribologiques du composite pour toutes les conditions 
opératoires. En effet, l’interaction des particules de lubrifiant solide avec la matrice en polymère est 
sensible à l’environnement du contact et donc la réponse tribologique du composite devrait être 
explorée pour différents environnements [9, 10]. La réponse tribologique en glissement sec des 
composites à matrice PTFE chargés par des particules de bronze et/ou de MoS2 a fait alors l’objet de 
nombreuses recherches [2, 4-7, 11]. Cependant, le champ d’application de ces composites a été élargi 
pour des utilisations dans des environnements lubrifiés à l’huile ce qui nécessite la caractérisation de 
la réponse en frottement et en usure de ces matériaux dans des conditions de glissement lubrifiées. 
Dans cette étude, notre intérêt est porté à l’analyse du comportement tribologique d’un composite 
PTFE/Bronze/MoS2 utilisé dans les bagues de guidage de vérins hydrauliques. Les évolutions du 
coefficient de frottement et du volume d’usure avec le nombre de cycles ainsi que les mécanismes 
d’usure en conditions de glissement sec et lubrifié ont été analysés et comparés. 
 
2 Matériaux et méthodes 
2.1 Matériaux 
Un matériau composite à matrice PTFE, disponible sur le marché et utilisé dans les bagues de guidage 
de vérins hydrauliques, a été considéré dans cette étude. Le matériau est fourni sous forme de bande de 
section 15×3 mm
2
. Le Tableau 1 donne les fractions massiques des constituants du composite. La 
microstructure du matériau composite a été analysée au moyen d’un microscope électronique à 
balayage (MEB) de type JSM-5400. Une micrographie typique est donnée par la figure 1 et montre 
clairement une répartition homogène des charges particulaires dans la matrice PTFE. Toutefois, la 
micrographie montre une mauvaise adhésion entre les charges et la matrice. Les caractéristiques 
mécaniques en traction du matériau de l’étude sont rassemblées dans le tableau 2. 
 
PTFE (% massique) Bronze (% massique) MoS2 (% massique) 
55 40 5 
Tableau 1 Composition du composite à base de PTFE. 
 
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Figure 1 Microstructure du composite à base de PTFE. 
 
Module d’élasticité (MPa) Contrainte à la rupture (MPa) Déformation à la rupture (%) 
582±2 16,5±0,2 512±7 
Tableau 2 Caractéristiques mécaniques en traction du composite à base de PTFE. 
 
2.2 Caractérisation tribologique 
Des échantillons composites de 15 mm de longueur ont été découpés dans la bande fournie pour la 
conduite des essais de frottement et d’usure. La surface de ces échantillons présente une rugosité 
arithmétique moyenne de 16 µm. Les essais de frottement et d’usure ont été conduits contre une bille 
en acier au chrome (100Cr6) de 18mm de rayon dont la surface présente une rugosité de 0,06 µm. Un 
tribomètre bille/plan à mouvement linéaire alterné développé dans notre laboratoire est utilisé (Fig. 2). 
L’échantillon composite est d’abord collé au fond du bain d’huile.Avant le début de l’essai, l’huile de 
lubrification est rajoutée jusqu’à ce que la surface de l’échantillon soit totalement recouverte. Cette 
huile est choisie parmi les huile synthétiques commerciales les plus utilisées avec les vérins 
hydrauliques (Densité à 15°C : 0,87 Kg l
-1
, Viscosité à 40°C : 31,2 mm
2
s
-1
, Indice de viscosité : 100, 
Point d’éclair : 202 °C).Le tribomètre permet le contact entre la bille en acier et la surface plane de 
l’échantillon composite sous un effort normal constant de 81,3N. La bille en acier est maintenue fixe 
alors qu’un mouvement tangentiel cyclique, d’amplitude 7,5mm et de fréquence 1Hz, est appliqué à 
l’échantillon composite au moyen d’un système bielle-manivelle commandé par un groupe moto-
réducteur électrique équipé d’un variateur électronique de vitesse. L’effort tangentiel de frottement est 
mesuré à l’aide d’un capteur placé entre le support de l’échantillon composite et la glissière du 
système bielle-manivelle. La sortie de ce capteur d’effort est enregistrée en continue à l’aide d’un 
système d’acquisition. Avant chaque essai, les surfaces de la bille d’acier et de l’échantillon composite 
sont soigneusement nettoyées à l’éthanol puis séchées. Les essais ont été conduits pour différents 
nombres de cycles : 7.200, 18.000, 25.200, 36.000 et 79.200 cycles. Pour chaque nombre de cycles, 
trois essais ont été développés au minimum. A la fin de chaque essai, la morphologie de la trace 
d’usure sur la surface de l’échantillon composite est examinée à l’aide du microscope électronique à 
balayage alors que la trace d’usure sur la surface de la bille d’acier est explorée au moyen du 
microscope optique.Un rugosimètre de type « SJ-210 Hand-heldRoughness Tester » est utilisé pour 
établir le profil de la trace d’usure sur l’échantillon composite dans la direction transversale. Sur la 
base de ce profil, la section transversale S (mm
2) du sillon d’usure est calculée, ce qui permet de 
déduire le volume d’usure V (mm3). Le même tribomètre ainsi que le même protocole expérimental 
ont été utilisés pour la caractérisation de la réponse tribologique du composite à base de PTFE en 
condition de glissement sec. 
 
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Figure 2 Tribomètre bille/plan à mouvement rectiligne alterné. 
 
3 Résultats et discussions 
La figure 3 donne des évolutions typiques du coefficient de frottement avec le nombre de cycles pour 
les deux conditions de glissement sec et lubrifié. Il apparait clairement que la réponse en frottement du 
composite a été améliorée avec la lubrification. En effet, après 36.000 cycles le coefficient de 
frottement atteint une valeur de 0,26 en condition de glissement sec alors qu’en condition de 
glissement lubrifié la valeur atteinte après le même nombre de cycles est de 0,07 seulement. De plus, 
en condition de glissement sec, le coefficient de frottement présente une croissance rapide au-delà de 
20.000 cycles est ce jusqu’à la fin de l’essai (36.000 cycles). Cependant, en condition de glissement 
lubrifié le coefficient de frottement présente une croissance progressive dès le début de l’essai pour 
atteindre une valeur stable à partir de 20.000 cycles. 
 
Figure 3 Evolution du coefficient de frottement avec le nombre de cycles. 
 
L’évolution du volume d’usure avec le nombre de cycles est illustrée dans la figure 4 pour les deux 
conditions de glissement sec et lubrifié. La figure montre que le passage du contact sec au contact 
lubrifié engendre une décroissance significative de la sévérité de l’usure. De plus, pour les deux 
conditions de glissement, le volume d’usure présente initialement une croissance progressive pour se 
stabiliser vers la fin de l’essai. 
0.0 2.0x10
4
4.0x10
4
6.0x10
4
8.0x10
4
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
C
o
ef
fi
ci
en
t 
d
e 
fr
o
tt
em
en
t
Nombre de cycles
 Glissement sec
 Glissement lubrifié
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Figure 4 Evolution du volume d’usure avec le nombre de cycles. 
 
 
Une micrographie MEB de la surface usée du composite et une micrographie optique de la contreface 
d’acier sont données par la figure 5, pour la condition de glissement sec, et par la figure 6 pour la 
condition de glissement lubrifié. Il a été trouvé qu’après 36.000 cycles de glissement sec,un réseau de 
microfissures est développé en surface du composite conduisant à une structure en faïençage (Fig. 5 
(a)). Cependant, une série de stries parallèles à la direction de glissement a été observée sur la 
contreface en acier (Fig. 5 (b)). Ces résultats peuvent être associés à un mécanisme d’usure 
initialement adhésif (réseau de faïençage) qui cède la place vers la fin de l’essai à un mécanisme 
abrasif (série de stries) suite à la production de particules et/ou aspérités dures dans le contact durant le 
glissement sec. En effet, il a été montré dans d’autres travaux [12, 13] que les particules de lubrifiant 
solide MoS2 peuvent donner lieu à des particules dures de MoO3sous l’effet des sollicitations 
thermiques et mécaniques. Après 36.000 cycles de glissement lubrifié, les traces d’usure sur 
l’échantillon composite et sur la contreface en acier sont caractérisées par un aspect lisse avec la 
présence de débris (Fig. 6 (a) et (b)). Dans ces conditions, la lubrification et le refroidissement assurés 
par l’huile empêchent l’oxydation des particules de charges, en particulier la transformation du MoS2 
en MoO3, et permettent de réduire la destruction de la matrice PTFE et de la contreface en acier. En 
conséquence, les réponses en frottement et en usure du composite à base de PTFE en condition de 
glissement lubrifié se trouvent nettement améliorées. 
 
Figure 5 (a) Micrographie MEB de la trace d’usure sur la surface du composite ; (b) 
Micrographie optique de la surface de l’antagoniste en acier (Glissement sec, 36 000 cycles). 
0 1x10
4
2x10
4
3x10
4
4x10
4
10
-1
10
0
10
1
V
o
lu
m
e
 d
'u
su
re
 (
m
m
3
)
Nombre de cycles 
 Glissement sec 
 Glissement lubrifié 
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Figure 6 (a) Micrographie MEB de la trace d’usure sur la surface du composite ; (b) 
Micrographie optique de la surface de l’antagoniste en acier (Glissement lubrifié, 36 000 cycles). 
 
4 Conclusions 
 La réponse en frottement du composite à base de PTFE a été largement améliorée avec la 
lubrification. 
 En condition de glissement sec, le coefficient de frottement présente une croissance rapide au-
delà de 20.000 cycles. 
 En condition de glissement lubrifié, le coefficient de frottement présente une croissance 
progressive dès le début de l’essai pour atteindre une valeur stable à partir de 20.000 cycles. 
 Le passage du contact sec au contact lubrifié engendre une décroissance significative de la 
sévérité de l’usure. 
 Pour les deux conditions de glissement, le volume d’usure présente initialement une 
croissance progressive pour se stabiliser vers la fin de l’essai. 
 Durant le glissement sec, un mécanisme d’usure initialement adhésif cède la place vers la fin 
de l’essai à un mécanisme abrasif suite à la production de particules et/ou aspérités dures dans 
le contact. 
 La lubrification et le refroidissement assurés par l’huile empêchent l’oxydation des particules 
de MoS2 en particules dures de MoO3, ce qui permet d’améliorer les réponses en frottement et 
en usure. 
 
Références 
 
[1] A. Khoddamzadeh, R. Liu, X. Wu, Novel polytetrafluoroethylene (PTFE) composites with newly 
developed tribaloy alloy additive for sliding bearings, Wear 266 (2009) 646-657. 
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Wear 230 (1999) 61-69. 
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polytetrafluoroethylene composite, Materials & Design 27 (2006) 694-699. 
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[7] Y. Wang, F. Yan, A study on tribologicalbehaviour of transfer films of PTFE/bronze composites, 
Wear 262 (2007) 876-882. 
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oxide and copper oxide fillers, Wear 27 (1974) 19-34. 
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reinforcement on wear behaviour of polyethersulphone, Tribology International, 33 (2000), 697-706. 
[10] J. H. Jia, H. D. Zhou, S.Q. Gao, J. M. Chen, A comparative investigation of the friction and wear 
behavior of polyimide composites under dry sliding and water-lubricated condition, Materials Science 
and Engineering A 356 (2003) 48-53. 
[11] K. Tanaka, S. Kawakami, Effect of various fillers on the friction and wear of 
Polytetrafluoroethylene-based composites, Wear 79 (1982) 221-234. 
[12] H. J. Zhang, Z. Z. Zhang, F. Guo, Studies of the influence of graphite and MoS2 on the 
tribological behaviors of hybrid PTFE/Nomex fabric composite, Tribology Transactions54(2011) 417-
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[13] X. Li, Y. Gao, J. Xing, Y. Wang, L. Fang, Wear reduction mechanism of graphite and MoS2 in 
epoxy composites, Wear 257(2004) 279-283. 


Etude du comportement tribologique d'un composite PTFE/Bronze/MoS2 en glissement sec et lubrifié

http://documents.irevues.inist.fr/bitstream/2042/57337/1/65781.pdf

Etude du comportement tribologique d'un composite PTFE/Bronze/MoS2 en glissement sec et lubrifié

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