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Comment la lubrification améliore le travail des métaux : perspective tribologique

Rôle de la lubrification lors des procédés de mise en forme des métaux

Pour comprendre le rôle de la lubrification dans la mise en forme des métaux, il est essentiel de connaître la tribologie de la lubrification. La tribologie englobe le frottement de frontière, présent dans presque toutes les opérations de mise en forme. Il résulte du mouvement relatif de deux surfaces adjacentes sous pression. Durant ces procédés, le mouvement relatif entre cylindres et pièce est amélioré par la différence de vitesse superficielle des cylindres.

Frottement

Le frottement joue un rôle crucial. Il est défini comme la résistance au mouvement relatif entre deux corps en contact. C'est un processus dissipatif d'énergie, provoquant une élévation de température à l'interface et, s'il est excessif, des dommages de surface. Il influence aussi la déformation lors de la mise en forme. Selon les théories initiales, le frottement résulte de l'imbrication de deux surfaces rugueuses glissant l'une sur l'autre. En réalité, il dépend de nombreuses variables : charge, vitesse, température, matériaux du couple glissant, effets des fluides et gaz à l'interface.

La théorie la plus acceptée repose sur l'adhésion entre les aspérités des corps en contact. Quelle que soit la finesse des surfaces, elles ne se touchent qu'à une fraction de leur surface apparente. La charge est donc supportée par quelques aspérités en contact, créant des contraintes normales élevées aux jonctions. Sous faibles charges, les contraintes restent élastiques. Mais aux charges élevées de la mise en forme, une déformation plastique des aspérités se produit et les jonctions forment un lien adhésif (microsoudures).

La nature et la force du lien adhésif dépendent de : (i) solubilité et diffusion mutuelles des surfaces, (ii) température et temps de contact, (iii) nature et épaisseur des couches d'oxydes ou contaminants à l'interface, (iv) présence d'un film lubrifiant.

Avec des surfaces neuves propres (produites par coupe, ou opérations avec grandes extensions de surface) et sans contaminants ni film lubrifiant, la résistance des jonctions est élevée par soudage à froid sous pression. La résistance au cisaillement est donc élevée, d'où un frottement élevé. L'introduction de contaminants, lubrifiants, ou le développement de couches d'oxydes (quelques secondes suffisent) abaisse la résistance des jonctions car un lien fort ne peut se former. Le frottement diminue.

Le frottement élève la température de surface. L'augmentation dépend de : (i) la vitesse, (ii) le coefficient de frottement, (iii) la diminution de conductivité thermique et chaleur spécifique des matériaux. Plus la conductivité est élevée, plus la chaleur est conduite vers le volume de la pièce. Plus la chaleur spécifique est élevée, plus l'élévation de température est faible. L'élévation peut suffire à fondre l'interface ou causer transformations de phases, contraintes résiduelles, dommages de surface (brûlure métallurgique).

Usure

L'usure est la perte ou l'enlèvement de matière d'une surface. Elle peut survenir sous différentes conditions : (i) usure sèche ou lubrifiée, (ii) usure par contact glissant ou roulant, (iii) usure par fracture, (iv) usure par déformation plastique. Quatre types fondamentaux : (i) usure adhésive, (ii) usure abrasive, (iii) usure par fatigue, (iv) usure corrosive. Les trois premiers sont les plus pertinents en mise en forme. Le quatrième peut aussi survenir par interaction cylindre-pièce en présence de liquides/gaz ; le choix de la chimie du lubrifiant doit alors tenir compte de la composition du cylindre pour éviter l'usure corrosive excessive.

Mécanismes de lubrification

Il est évident que frottement et usure peuvent être réduits ou éliminés en maintenant les surfaces glissantes séparées. Si dans les éléments de machine (paliers lisses lubrifiés, paliers à air) cela est aisément réalisable, en mise en forme, les charges, vitesses et géométries des interfaces outil-pièce ne permettent généralement pas l'existence facile d'un film lubrifiant. Les lubrifiants servent aussi de refroidissants pour dissiper la chaleur du frottement ou du laminage, et pour évacuer particules (oxydes de fer, éclats). Mais leur fonction première reste la lubrification, d'où le terme « fluide de coupe » plutôt que « refroidissant ». Les principaux mécanismes pour le laminage :

Rôle de la tension superficielle et de la mouillabilité

Outre la viscosité et les propriétés chimiques des lubrifiants vis-à-vis de la pièce et de l'outil, la tension superficielle et la mouillabilité jouent un rôle important. La mouillabilité, liée à la tension superficielle (expression de l'énergie de surface), détermine comment le lubrifiant s'étale sur la pièce en film continu – aspect crucial de la lubrification. Il peut être souhaitable que le lubrifiant reste dans une zone précise de l'interface (ex. pivot de montre nécessitant un lubrifiant non migrant). La forme d'une goutte de fluide sur un métal solide dépend des tensions interfaciales métal-fluide-air. L'angle que fait le pourtour de la goutte avec la surface est l'angle de contact. Plus il est petit, meilleure est la mouillabilité. Celle-ci est améliorée par l'ajout d'agents mouillants (alcools, glycols) ou par l'augmentation de la température. La rugosité accrue améliore aussi la mouillabilité.

La lubrification en mise en forme fait intervenir différents mécanismes selon : (i) la chimie de l'interface outil-lubrifiant-pièce, (ii) la méthode d'application du lubrifiant, (iii) la géométrie du procédé, (iv) la mécanique de l'opération. Le mode de lubrification varie fréquemment durant le cycle, selon les changements de vitesse, de déformation, pressions et contraintes.

Sélection des lubrifiants

Cinq familles de lubrifiants pour mise en forme sont utilisées aujourd'hui sur diverses surfaces et matériaux. Le choix doit assurer bonne productivité et conformité aux restrictions environnementales. Les types : (i) composés évaporatifs, (ii) solutions chimiques (synthétiques), (iii) micro-émulsions (semi-synthétiques), (iv) macro-émulsions (solubles), (v) lubrifiants à base de pétrole. Propriétés physiques et chimiques réactives de chaque groupe décrites ci-dessous. Comparatif au Tableau 1.

Comment la lubrification améliore le travail des métaux : perspective tribologique
Fig 1 : Types de lubrifiants de laminage
Tableau 1 : Comparatif des lubrifiants de mise en forme
N°FonctionComposés évaporatifsSolutions chimiques (synthétiques)Micro-émulsions (semi-synthétiques)Macro-émulsions (émulsion)Huileux (solutions)
1Réduire frottement cylindre-pièce33321
2Réduire chaleur déformation plastique vers cylindre11225
3Réduire usure et grippage cylindre-pièce par activité chimique surfacique41224
4Action rinçage pour éviter accumulation saletés sur cylindres11234
5Minimiser coûts traitements ultérieurs soudage et peinture11245
6Lubrification à hautes pressions conditions limites43321
7Coussin entre pièce et cylindre pour réduire adhérence et pickup44321
8Non tachant pour protéger finition surface11235
9Minimiser problèmes environnementaux contamination air et élimination41235
Note : 1 = Plus efficace, 5 = Moins efficace.

Additifs pour lubrifiants

Les propriétés des lubrifiants sont modifiées et adaptées à des applications spécifiques par des additifs. Ceux-ci améliorent les propriétés lubrifiantes, protègent la surface métallique, et remplissent d'autres fonctions. Inhibiteurs de rouille/corrosion : nitrates ou phosphates. Additifs EP : composés soufrés, chlorés, phosphorés. Ils réduisent le soudage à froid des métaux sous pression et empêchent l'« accumulation » métallique, mais peuvent réduire les propriétés lubrifiantes. Additifs (esters, graisses animales, acides gras) ajoutés aux huiles pour réduire la tension superficielle ou améliorer l'étalement. Lubrifiants synthétiques modifiés avec composés phosphorés ou autres chimiques comme détergents de lubrification. La tension superficielle réduite permet au lubrifiant d'atteindre la zone de contact plus uniformément et rapidement.

Méthodes d'application

Quatre méthodes principales : (i) goutte-à-goutte, (ii) rouleau applicateur, (iii) systèmes de recirculation, (iv) pulvérisation airless. Chaque méthode a ses avantages :

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