N:2009 ENAM 0022 Ecole doctorale n 432 : Sciences des Mtiers de lIngnieur T H S E pour obtenir le grade de Docteur de lcole Nationale Suprieure d'Arts et Mtiers Spcialit Gnie mcanique procds de fabrication Jury : Ivan IORDANOFF, Professeur, LAMEFIP, Arts et Mtiers ParisTech................................ Examinateur Leonardo DE CHIFFRE, Professeur, Technical University of Danemark........................... Rapporteur Pierre MONTMITONNET, Directeur de Recherche, CEMEF, Mines ParisTech............... Rapporteur Jol RECH, Matre de Confrences, LTDS, ENISE.............................................................. Rapporteur Jean-Michel MARTIN, Professeur, LTDS, Ecole Centrale de Lyon ..................................... Examinateur Guillaume FROMENTIN, Matre de Confrences, LaBoMaP, Arts et Mtiers ParisTech ... Examinateur Clotilde MINFRAY, Matre de Confrences, LTDS, Ecole Centrale de Lyon .......................Arnaud RISS, Docteur, Ingnieur Produits Travail des mtaux, TOTAL Lubrifiants ...........Examinateur Invit Laboratoire Bourguignon des Matriaux et Procds Arts et Mtiers ParisTech, centre de Cluny Arts et Mtiers ParisTech (Ecole Nationale Suprieure dArts et Mtiers) est un Grand Etablissement dpendant du Ministre de lEnseignement Suprieur et de la Recherche, compos de huit centres :AIX-EN-PROVENCEANGERSBORDEAUXCHLONS-EN-CHAMPAGNECLUNYLILLEMETZPARIS prsente et soutenue publiquement par Aleksandra BIERLA le 24 septembre 2009 USINAGE DES ACIERS PRETRAITES A LHUILE ENTIERE - EFFETS PHYSICO-CHIMIQUES DES ADDITIFS SOUFRES Directeur de thse : Jean-Michel MARTIN Co-encadrement de la thse : Guillaume FROMENTIN Co-encadrement de la thse : Clotilde MINFRAY 1Laplusgrandercompensequ'unhommeobtiennepoursonlabeurn'estpascequ'ilenaretir,maisenquoicelal'atransform.JohnRuskin 2 3RemerciementsJetienstoutdabordremercierlesrapporteursdemathsepouravoiracceptdvaluercetravailet avoir fait des kilomtres pour assister ma soutenance Cluny, village cach dans le paysbourguignon.Je remercie Michel Lambertin, Michel Dessoly et Grard Poulachon pour leur accueil au sein duLaboratoireBourguignondesMatriauxetProcds(LaBoMaP)auxArtsetMtiersParisTechCluny,ainsiqueJeanMichelMartinpoursonaccueilauseinduLaboratoiredeTribologieetDynamiquedesSystmes(LTDS)lEcoleCentraledeLyon.Plusgnralement,jeremerciel'ensembledupersonneldelatelierduLaboratoireBourguignondesMatriauxetProcdsetduLaboratoiredeTribologieetDynamiquedesSystmespourlachaleurdeleur accueil. Un grand merci pour leur aide inestimable aux usineurs (jai tant dadmiration pour ceque vous faites tous les jours), en particulier: aux deux Gilles (allez lOL! allez Lisandro!), Romain,JeanCharles,SergeetRmy.Un merciparticulier PierreEtiennequiapassdesheurespourusermesfraisesetmepermettredeprsenterunepanopliedersultatssivaste!MerciPierreBarbier,Denis Lagadrillre et Denis Bonsembiante pour leur disponibilit lors de mes petites bricoles auxMatriaux!Mercitousmescamaradesquiontsupportmeschangementsdhumeurs,mesfolies,meslarmespendant ces trois ans:). Jespre que vous maimez toujours quand mme! Alors merci mespoissonsrougesadorsdubocalCluny:Vincent,Cdric,Julien,DimitrietgalementAlex,Chlo,Dominique. Merci mes collgues du LTDS: David, Vanessa, Fanny, Zlie, Liza, Gatan, Marion,Maxime,Romain,Anton,Christine,Johnny,Mathilde,Paule,Samuel,Kny,Caro,FranoisPierre(sijaioubliquelquun,cestuniquementparcequevoustestropnombreux!)Merci toute lquipe de TOTAL qui a suivi ce projet et particip toutes mes (longues) runionsdavancement!Je remercie particulirement Thierry Le Mogne et Clotilde Minfray pour leur disponibilit et leursconseils aviss. Japprcie normment votre implication dans cette tude et le temps consacr nos discussions scientifiques (mme si ctait des fois difficile du point de vue logistique). MerciClotildepourtacritiqueconstructivedemonrapportdethse(quelcouragedeliretouta!)ettonaidelorsdelaprparationdemaprsentationdesoutenance!Mercipourtonamabilit!Je voudrais remercier particulirement deux hommes extraordinaires sans qui ce travail nauraitjamaispuaboutirJe remercie Guillaume Fromentin, mon mentor, pour son encadrement dexception et ses conseilssurmontravailaucoursdecestroisannesdethse.Mercidemavoirfaitconfianceetdtrerestmoncoutetoutaulongdecetravail!Mmesijaiprisdutempspourtresurlammelongueurdondequetoi,jaiapprisnormmententravaillantavectoietjetenseraitoujoursreconnaissante.Je remercie Raphal, mon toulonnais chri (allez RCT! allez Wilko!), pour mavoir supporte les 36derniers mois:). Tu tais toujours ct de moi pour me motiver et me redonner de lespoir. Je teremercie davoir pass du temps corriger ce rapport et me poser des questions pointues(chiantes!) sur son contenu. (Merci la SNCF de ne pas avoir renonc au seul trajet ProvenceBourgogneexistant:DijonNice!Onatdesclientstrsfidles!). 40sinage ues acieis pitiaits lhuile entieie effets physicochimiques ues auuitifs soufis 5TabledesmatiresINTRODUCTIONGENERALE............................................................................................................................7BIBLIOGRAPHIEETPROBLEMATIQUEDELETUDE........................................................................................15I.1.GENERALITESSURLUSINAGE.............................................................................................................................16I.1.1.Introductiongnrale.........................................................................................................................16I.1.2.Coupeetoutilscoupants....................................................................................................................16I.2.FLUIDESDECOUPEDANSLUSINAGE....................................................................................................................24I.2.1.Introductiongnrale.........................................................................................................................24I.2.2.Rleetcompositiondesfluidesdecoupe...........................................................................................24I.2.3.Modlesdactiondeslubrifiantsvusparlesmcaniciens..................................................................26I.2.4.Evaluationdesfluidesdecoupe..........................................................................................................29I.2.5.Performancesactuellesbesoinsdufutur.........................................................................................31I.3.FLUIDESDECOUPEVUSPARLATRIBOCHIMIE.........................................................................................................34I.3.1.Introductiongnrale.........................................................................................................................34I.3.2.Rgimesdelubrification.....................................................................................................................34I.3.3.Additifsantiusure(AU)etextrmepression(EP)..............................................................................35I.3.4.Additifssoufrs,leurspropritsetnotiondusoufreactif.................................................................36I.3.5.Naturechimiquedesfilmsformsparlesadditifssoufrs.................................................................38I.3.6.Mcanismesdactiondesadditifssoufrs..........................................................................................39I.3.7.Paramtresprendreencompte.......................................................................................................43I.4.BUTSPOURSUIVISETSTRATEGIE..........................................................................................................................45ETUDEMECANIQUEETTRIBOCHIMIQUEDELAPERFORMANCELUBRIFIANTEDUNPOLYSULFUREDANSDIFFERENTESAPPLICATIONSDUSINAGE......................................................................................................49II.1.ANALYSESDESSURFACES(XPS,AES)APPLIQUEESALUSINAGE...............................................................................50II.2.EFFETDULUBRIFIANTENTOURNAGE(COUPECONTINUE)........................................................................................53II.2.1.Procdureexprimentale...................................................................................................................54II.2.2.Effetdulubrifiantentournage3Dsurleffortspcifiquedecoupe(Kc)............................................54II.2.3.Effetdulubrifiantentournage3Dsurlusuredeloutil....................................................................57II.2.4.Modlisationdeseffortsdecoupeencoupeorthogonale(tournage2D).........................................58II.2.5.Analysephysicochimiquedescopeauxetdesplaquettesdetournage............................................59II.2.6.Synthsedesrsultatsobtenusentournage.....................................................................................66II.3.EFFETDULUBRIFIANTENFRAISAGE(COUPEDISCONTINUE)......................................................................................69II.3.1.Procdureexprimentale...................................................................................................................69II.3.2.Effetdulubrifiantenfraisagesurlnergiespcifiquedecoupe(Wc)...............................................70II.3.3.Effetdulubrifiantenfraisagesurladuredeviedeloutil...............................................................72II.3.4.Analysephysicochimiquedescopeauxetdesfraises.......................................................................73II.3.5.Synthsedesrsultatsobtenusenfraisage.......................................................................................77II.4.EFFETDULUBRIFIANTENTARAUDAGEPARDEFORMATION......................................................................................80II.4.1.Procdureexprimentale...................................................................................................................80II.4.2.Effetdulubrifiantsurlecouplemoyendetaraudage.......................................................................81II.4.3.Analysephysicochimiquedesfiletsdetaraudage............................................................................83II.4.4.Synthsedesrsultatsobtenusentaraudagepardformation........................................................87II.5.PARAMETRESDESPERFORMANCESDULUBRIFIANTSUIVANTLESCONDITIONSDUSINAGE..............................................88EVALUATIONDELAPERFORMANCEDESADDITIFSSOUFRESENFRAISAGEETTARAUDAGEPARDEFORMATION............................................................................................................................................91III.1.INTRODUCTION.............................................................................................................................................92III.2.DESCRIPTIONDESADDITIFSSOUFRESTESTES........................................................................................................92III.2.1.Donnesdesfabricantssurlesadditifstests..................................................................................93III.2.2.Prparationetcaractristiquesdesmlangestests.......................................................................94III.2.3.Performancesdesmlangesselonlestestssurlestribomtres4billesetReichert.........................95III.3.COMPARAISONDESPERFORMANCESDEDIFFERENTSADDITIFSENFRAISAGE...............................................................96III.3.1.Procdureexprimentale..................................................................................................................960sinage ues acieis pitiaits lhuile entieie effets physicochimiques ues auuitifs soufis 6III.3.2.Evaluationdelefficacitdufluideparlnergiespcifiquedecoupe(Wc)......................................97III.3.3.Evaluationdelefficacitdufluideparlamesuredelusuredesfraises........................................100III.3.4.Analysephysicochimiquedescopeauxetdesfraises....................................................................102III.3.5.Corrlationdesmesuresmcaniquesaveclesrsultatsdelanalysedessurfaces........................113III.4.COMPARAISONDESPERFORMANCESDEDIFFERENTSADDITIFSENTARAUDAGEPARDEFORMATION...............................116III.4.1.Procdureexprimentale................................................................................................................116III.4.2.Evaluationdelefficacitdufluideparlamesureducouplemoyendetaraudage........................117III.4.3.Analysephysicochimiquedesfiletsforms....................................................................................119III.4.4.Corrlationdesmesuresmcaniquesaveclesrsultatsdelanalysedessurfaces........................125III.5.CONCLUSIONS.............................................................................................................................................128COMPREHENSIONDESMECANISMESANALYSEDESRESULTATSOBTENUSAVECLESDIFFERENTSADDITIFSSOUFRES...................................................................................................................................................131IV.1.INTRODUCTION:RAPPELDESPRINCIPAUXRESULTATS.........................................................................................132IV.2.COMPORTEMENTTHERMIQUEDESADDITIFSSOUFRES.........................................................................................133IV.2.1.Analysethermogravimtriquecouplelaspectroscopieinfrarouge(ATG/IR)desadditifs.........133IV.2.2.Analysecalorimtriquediffrentielle(ACD)desadditifs................................................................134IV.2.3.Rsistancedesadditifsladgradation........................................................................................135IV.3.COMPREHENSIONDUMODEDACTIONDESADDITIFSSOUFRES..............................................................................137IV.3.1.Lamemince(lameFIB)duncopeauobtenuenfraisage................................................................137IV.3.2.Modlisationautribomtreultrahighvacuum(UHV)EnvironmentContrl(TEC)...................139IV.3.3.NaturechimiquedesfilmssoufrsformsenmodlisationauTEC...............................................141IV.3.4.Mecanismesdactionphysicochimiquedesadditifsenfonctiondessollicitationsmcaniquesetthermiquesengendresdanslesprocdsdefabrication.........................................................................145CONCLUSIONSFINALES..............................................................................................................................157RFRENCESBIBLIOGRAPHIQUES..............................................................................................................163ANNEXES...................................................................................................................................................171ANNEXEI...........................................................................................................................................................172ANNEXEII(ASSOCIEEAUCONTENUDUCHAPITREII)...................................................................................................175ANNEXEIII(ASSOCIEEAUCONTENUDUCHAPITREIII).................................................................................................190ANNEXEIV(ASSOCIEEAUCONTENUDUCHAPITREIV)................................................................................................199 IntroductiongnraleIntiouuction gniale 8MARCHEGLOBALDESLUBRIFIANTSLes donnes statistiques montrent que la consommation de lubrifiants a baiss de 8,8kgjusqu 5,6kg par an par habitant entre les annes 1970 et 2004. La faible augmentation de lademandeenlubrifiantsde12,3%napassuivilahaussedelapopulationmondialede72,5%pendantcette priode [MAN_07]. Le dclin de la consommation volumique et la stagnation de la croissancegnrale du march des lubrifiants (de 0,5 2% par an) ne montre pas forcment une imagepertinentedelaralit.Leslubrifiantsdaujourdhuisecaractrisentpardemeilleuresperformancesqui leur apportent souvent une dure de vie plus longue quauparavant. La baisse de laconsommation en volume a t ainsi rcompense par des revenus et des marges sur les cots defabrication plus importants. Cependant, le besoin daugmentation de la dure utile du lubrifiant napas forcment pour origine la rduction des cots de sa production, mais essentiellement lancessitdediminuerlescotsdemaintenanceetderecyclage,quiontuneimportanceprimordialepourlindustrie.Lutilisation globale de lubrifiants (tout compris: automobile, industrie, fluides dits deprocess, marine) se situe dans une fourchette estime entre 37 et 40 millions de tonnes par an (en2004 37,4 millions de tonnes) [MAN_07]. La Figure 1 montre la distribution de la consommationmondiale de diffrents types de lubrifiants en pourcentages en 2004 et la position des lubrifiantsindustrielsdanscetterpartitiondontlesfluidesdecoupefontpartie.Lemarchdeslubrifiantsestun march trs contrast et diversifi (automobile/industrie, pays "dvelopps"/"en voie dedveloppement"). Il se caractrise par une croissance globale lente de l'ordre de 0,5 2% par an,sachant que la production des lubrifiants (en volumes) est en stagnation ou dcroissance dans lesmarchs "dvelopps", et en croissance dans les marchs mergents. En 2005, la moiti de laconsommation mondiale des lubrifiants tait centralise essentiellement sur deux continents: enAmrique du Nord et en AsiePacifique, en prenant en compte la quantit consomme (kg parhabitantsurlaFigure1)multiplieparlenombredhabitants.Figure1:Consommationmondialedeslubrifiantsen2004selonletypedelubrifianteten2005selonlazonegographique(touttypedelubrifiantsconfondu)[MAN_07]Les lubrifiants pour le travail des mtaux (huiles entires de coupe et mulsions)reprsentent environ 55% des lubrifiants industriels usags annuellement, soit au total environ 1,1millions de tonnes paran (650 000 tonnes de fluides solubles, 450000 tonnes dhuiles entires decoupe). Leur consommation, de la mme manire que celle de tous les lubrifiants, se distingue parune croissance nulle ou ngative (0,51% hors crise de 2008) dans les marchs "dvelopps", etfaiblement positive (quelques pourcents hors crise de 2008) pour les pays en voie dedveloppement; la Figure2 montre la rpartition de la consommation des lubrifiants industriels en2004,selonlesdiffrentstypesdefluidesutiliss.Intiouuction gniale 9Figure2:Consommationmondialedeslubrifiantsindustrielsen2004[MAN_07]USINAGEMODERNEETPERFORMANCEDESLUBRIFIANTSLusinage consiste enlever de la matire sur une pice afin de lui donner une forme, desdimensionsetuntatdesurfacedfinis.Ceprocddefabricationestprimordialpourlaralisationdenombreusespicesdestineslindustrieautomobile,aronautique,arospatiale,delnergieetrcemment lindustrie biomdicale et microlectronique ou lindustrie de luxe (montres,bijouterie).Grceauxdveloppementsdansledomainedesmatriaux,principalementpourloutillage,letravail des mtaux par coupe a connu un progrs incontournable au cours de la dernire dcennie.Lvnement le plus important dans lhistorique des procds de coupe est sans doute lapparitiondes outils en carbures mtalliques (dans les annes 30). A lpoque, cette dmarche innovatrice arvolutionn le rendement conomique des oprations de coupe. La vitesse de coupe a pu treaugmentede20m/minjusquplusde200m/min.Lvolutiondesmatriauxpourlesoutilscoupantsetdeleurgomtrie,entraneactuellementdemaniretrsimportante,commeellelafaitparlepass,lessortechnologiquedautressecteurslis ce procd de fabrication. Il sagit donc: du progrs dans la construction des machines outils(puissance, rigidit, moyens de lubrification), de lusinage de nouveaux matriaux mais aussi deloptimisation de lusinage des matriaux connus (inclusions dans les aciers pour une meilleureusinabilit), de lamlioration de fluides de coupe (baisse de toxicit et des cots lis lamaintenanceetautraitementdesfluidesdecoupeusags,formulationchimique)oudelarductiondetempsdusinageparautomatisationetinformatisationdutravail.Concernant les fluides de coupe, leurs formulations doivent voluer. Dune part, lesrglementations europennes sorientent vers lcolimination (suppression des composs chlorsou base de plomb) ou limitent lutilisation de certaines molcules pour des raisons cologiques(compossphosphorsousoufrs).Dautrepart,lesformulationsdoiventtreadaptesaumieuxlademandedunmarchindustrielexigeant,tantentermedeperformancesquentermedecots.Mme si les fonctions chimiques dune huile de coupe daujourdhui sont les mmes quecelles dil y a 50 ans comme par exemple celles des diffrents composs soufrs (polysulfuresdalkyles,acidesgrassoufrsetc.)pourletravaildesmtauxloptimisationdesformulationssefaithabituellement par lajustement du nombre dadditifs et de leurs concentrations ou par leremplacement danciens additifs par des molcules "amliores". Les processus de synthse de cesmolculesdites"amliores"sontsouventmieuxmatriss;ilenrsultelafabricationdadditifsdontla stabilit, la toxicit et les performances physicochimiques ou mcaniques sont davantageconnues. Mais le vritable problme repose sur leur niveau de performance dans les applicationsrelles, souvent inconnu et ce dautant plus lorsquils sont incorpors dans un mlange contenant"X"additifschimiquementactifs.Les huiles de coupe sont issues dune formulation complexe dans laquelle les rlesindividuelsdesadditifssontdifficilementidentifiables.Desinteractionsmconnuesentrelesadditifspeuventfacilementdtriorerlaperformancedunehuilecomplte.LacompositionchimiqueduneIntiouuction gniale 10huile de coupe reste sans doute llment cl de sa performance en usinage, mais celleci ne peuttre tudie et vrifie que dans lapplication pour laquelle le lubrifiant a t conu. En outre,lvolutiondestechniquesdusinage,appliquesdesmatriauxayantdescaractristiquestoujoursplus leves, ncessite dtudier de manire approfondie les actions des fluides de coupe car ellessavrentmalconnuesdanscesconditionsetnotammentgrandevitessedecoupe.Ilestprobablequeleslubrifiantscommetouslesautresparamtresenusinagepossdentleurdomainedevaliditetleurpointdeperformanceoptimale.COMPLEMENTARITEDESCOMPETENCESETCONTEXTEDELETUDECette thse sinscrit dans la thmatique de la comprhension du rle des lubrifiants et deleursadditifsdanslesapplicationsdusinageindustriel.Lidegnraledecettetudeestdassocierdans un seul projet des comptences trs varies et complmentaires. Il sagit de lexpertisescientifiqueetdesconnaissancesenmatirede(cf.Figure3):procd dusinage, reprsentes par lquipe Usinage du Laboratoire Bourguignon desMatriauxetProcds(LaBoMaP)desArtsetMtiersParisTechCluny,tribologie et analyse des surfaces, reprsentes par le Laboratoire de Tribologie etDynamiquedesSystmes(LTDS)delEcoleCentraledeLyon,lubrification,reprsentesparleCentredeRecherchedeSolaizedeTOTAL.Figure3:DmarcheglobaledeltudeLa configuration dusinage retenue porte sur lusinage des aciers prtraits ou ayant descaractristiquesmcaniqueslevesenprsencedeshuilesentires.Lesoutilsetlesparamtresdecoupe choisis, dans le cadre de cette tude, reproduisent les conditions industrielles. Lacaractristique cl tudie est la nature chimique des additifs soufrs; quatre additifs de familleschimiquesdiffrentes,utilissenformulationdeshuilesdecoupe,onttisolsdansdesmlangesdistincts.Cesadditifssontsolubilissdansunehuiledebasechimiquementinertecequipermetdesefocaliseruniquementsurlesractionstribochimiqueslieslactivitdecesadditifs.Comprhensiondurledeslubrifiantsetdeleursadditifsdanslesdiffrentesapplicationsd'usinageindustrielIntiouuction gniale 11ARCHITECTUREDURAPPORT Leprsentmanuscritcontientquatrechapitres:La premire partie du Chapitre I indique quelques gnralits concernant lusinage et permet deprendre connaissancesdesnotionsde basedelacoupe. La deuximepartiedecechapitre montreles fluides de coupe selon diffrents points de vue: le premier est celui des mcaniciens et desusineurs et le second celui des tribologues et des chimistes. La stratgie de cette tude et lesobjectifsvisssontexpossdanslapartiefinaleduChapitreI.LeChapitreIIapourobjectifdtudierlaperformancelubrifiantedunpolysulfurechoisientantquemolcule soufre modle dans diffrentes applications dusinage (tournage, fraisage, taraudage pardformation). Lapport de lanalyse des surfaces est mis en vidence pour la comprhension desphnomneschimiquesaccompagnantlutilisationdulubrifiant.Lemcanismedactiondulubrifiantenusinageestgalementdiscutensappuyantsurlesrsultatsdetestsmcaniquesetdelanalysede ses produits de raction sur les surfaces de pices relles issues de lopration de coupe.Finalement, en prenant en compte laspect physique et chimique de la lubrification, la rflexion estmene afin de dterminer limportance de diffrents paramtres du systme usin sur leffet dulubrifiant.DansleChapitreIII,lesperformancesmcaniquesdesquatreadditifssoufrschoisissontvaluesetcomparesenutilisantdeuxtechniquesdusinagequidiffrententermedemodedeformationdelasurface (coupe et dformation plastique) et de sollicitationsgnres. Les additifs sont mis enparallleenfraisage(conditionstrssvresdecoupe)etentaraudagepardformation(conditionsmodres proches de la mise en forme). Lefficacit individuelle de chaque additif est identifie etcomparecelleestimeautraversdeteststribologiquesclassiques.Uneanalyseapprofondiedelanaturechimiqueetdelaquantitdediversproduitsdeleursractionssurlessurfacesexaminesestralise.Le Chapitre IV est consacr la discussion des mcanismes daction et des diffrences entre lespouvoirs lubrifiants des additifs soufrs tests, en sappuyant sur les rsultats danalysescomplmentaires prsents dans la premire partie de ce chapitre et les rsultats dtaills duChapitre III. Un intrt tout particulier est port leffet de la structure chimique et de la stabilitthermiquedesmolculestudies.Lesscnariidelaformationdesdiffrentesespcessoufressurlessurfacesanalysesetdeleurcomportementtribologiquelorsdufrottementsontproposs.Lemanuscritsecltparunesynthsedesconclusionslespluspertinentesainsiquedesperspectivesvisantloptimisationdelaformulationdeshuilesentiresdecoupededemain.Intiouuction gniale 12NOMENCLATUREUTILISEEVcvitessedecoupe(m/min)Vfvitessedavance(mm/min)Nvitessederotation(tr/min)favancepartourentournage(mm/tr)fzavancepartouretpardentenfraisage(mm/tr/dent)Znombrededentsdelafraiseapprofondeurdepasse(mm)ouengagementaxialenfraisage(mm)aeengagementradialenfraisage(mm)Vevitessedvacuationducopeau(m/min)hpaisseurcoupe(mm)hcpaisseurducopeau(mm)angledecisaillement()angledecoupe()anglededpouille()angledetaillant()ranglededirectiondarte()sangledinclinaisondarte(ouhlice)()rrayondarte(mm)rrayonbec(mm)Kceffortspcifiquedecoupeoupressiondecoupe(MPa)ADairedelasectiondecoupe(mm2)Wcnergiespcifiquedecoupe(W/cm3/min)Pcpuissancedecoupe(W)Qcdbitdescopeaux(cm3/min)Feffortdecoupersultant(N)Fceffortdecoupe(outangentielFt)(N)Ffeffortdavance(ouaxialFa)(N)Fpeffortdepntration(ouradialFr)(N)VCusurefrontale(mm)Vbusureendpouille(mm)Vnusureenentaille(mm)Ktusureencratre(mm)Tduredeviedeloutil(min)netCvconstantesdumodledeTaylorsimplifitctempsdusinage(min)Fdc(ouFDC)facedecoupedeloutilFdd(ouFDD)facededpouilledeloutilFdccoefficientdufrottementsurlafacedecoupedeloutilFddcoefficientdufrottementsurlafacededpouilledeloutilAESSpectroscopiedlectronsAugerXPSSpectroscopiedephotolectronsXXANESSpectromtriedabsorptiondesrayonsXEDSSpectroscopieDispersiondEnergieMEBMicroscopelectroniquebalayageMETMicroscopelectroniqueentransmissionFIBFocusIonBeam(FaisceaudionsFocaliss)TECTribomtreEnvironnentContrlIntiouuction gniale 13ATG/IRAnalysethermogravimtriquecouplelaSpectroscopieInfrarougeACDAnalysecalorimtriquediffrentielleEPExtrmePressionAUAntiusureHBHuiledebaseHBYu4HuiledebaseYubase4HBSHuiledebasesoufreADDS1pentasulfureADDS2triglycridesoufrADDS3estermthyliquesoufrADDS4dithiocarbamateCPConfortPack(additifantioxydant+additifantibrouillard+corpsgrasnonsoufrs)%wt.%enmasseIntiouuction gniale 14 ChapitreIBibliographieetproblmatiquedeltudeChapitie I Bibliogiaphie et pioblmatique ue ltuue 16I.1.GENERALITESSURLUSINAGEI.1.1.INTRODUCTIONGENERALETournagedcolletage et alsage, fraisage, perage et forage, taraudage, sciage, brochage,taillageetarasagefontpartiedestechniquesconventionnellesdusinageparenlvementdecopeauxloutilcoupant.Lestechniquesdites"nonconventionnelles"tellesquelusinageparultrasons,parjet deau, lusinage chimique ou lectrothermique (laser, plasma, faisceaux dions) trouvent leurapplication, pour linstant, dans des domaines plus spcialiss que les techniques traditionnelles.Chacune de ces techniques se distingue par des outils ayant des gomtries diffrentes. De plus,pour un matriau donn, elle ncessite le choix de conditions de coupe particulires. Plusieurstechniques, en particulier conventionnelles, peuvent tre en concurrence pour une applicationdonne.Danscecas,laslectiondeluneparrapportlautresefaitauprofitdecelleopposantlemoins de contraintes dans la mise en uvre. Ce choix peut tre critique si lopration en questionintervientenfindegammedefabricationolavaleurajoutedelapiceusineestlaplusleve.Quelle que soit la technique dusinage, le cisaillement du copeau et les phnomnes dedformationquilaccompagnentainsiquelinfluencedesparamtresdecoupesursaformationsontcommuns.Danslaplupartdescas,lesgrandeursfondamentalesetleurnomenclature(dfinitiondesefforts de coupe, des paramtres de coupe ou de la gomtrie de larte de coupe) sontpratiquementlesmmes.I.1.2.COUPEETOUTILSCOUPANTSNotionsdebasezonesdecontactsLoutil en coupe est dfini par deux faces: face de coupe (Fdc) et face de dpouille (Fdd).Lintersection de ces deux faces constitue larte de coupe. Lattaque de loutil conduit lasparationdelamatireetlaformationdedeuxsurfacesfraches:lafaceusinedelapiceetlafaceducopeauauregarddelafacedecoupedeloutil(laspectlissedecettefaceducopeauestdaufrottementsurloutil).Defaongnrale,lactionquesubitloutilportesurlesdeuxzonesdecontacts,copeaufacede coupe de loutil et pice usineface de dpouille de loutil, pour lesquelles les sollicitationsthermiquesetmcaniquesnesontpaslesmmes(cf.FigureI1(1)).Leurgrandeurnestpasfixeetdpendradenombreuxparamtresdontcertainsserontvoqusdanslasuitedecechapitre.Atitredexemple,danslecasdelusinagedelacieravecloutilencarbure[DaS_99,TRE_00]: linterface entre le copeau et la face de coupe de loutil, la pression est trs intense,suprieure1GPa,etlestempratureslevesrsultantdelachaleurdeladformationetdufrottementducopeaudpassentsouvent600Cetpeuventmmealleraudelde800Cselon le type dacier usin. La temprature maximale est atteinte larrire de larte decoupedeloutillinterfacecopeaufacedecoupedeloutil. linterface entre la pice usine et la face de dpouille de loutil, les contraintes (V4...>V1. Pour les conditions dusinage dfinies, lvolution de lusure en fonction de la vitesseconnat trois tapes. Lusure initiale (rodage) apparat et augmente trs rapidement. Au bout duncertaintempsdusinage,lephnomnedusuresestabiliseetlendommagementdevientrgulieretprogresse de faon quasilinaire. Cependant, cette tape ne dure pas constamment. A un certainmoment,ltatdeloutilsaggraveetlusureacclre.Loutilestrformquandlavaleurdelusureatteintlecritredelusurechoisi(VbmaxouKtmax),cequidfinitladuredevie(T).LaFigureI6(2)montrelarelation,dtermineparvoieexprimentale,entreladuredeviedeloutilTetlavitessedecoupeVc.Lazone1correspondauxtechniquesdusinagebassesvitessesdecoupe,lazone2auxtechniquesdusinagevitessesdecoupemoyennesetleves.Enprenantencomptetouslesmcanismesdusure,laduredeviedeloutilenusinagesuitune loi gnrale, dans la zone 2, ltablissant comme principalement dpendant de la vitesse decoupeetdoncdelatemprature.CetteloipeuttreexprimeparlemodledeTaylorsimplifi:I =C IcnonetCvconstantesdumodle,Tduredeviedoutil,VcvitessedecoupeFigureI6:(1)TracdelacourbedeTaylor[BAL_01]et(2)Relationentreladuredeviedeloutiletlavitessedecoupe VnNBCVbVCVitessedecoupeVb(ouKt)Vbmax(ouKtmax)Duredeviedeloutil(1)(2)(rodage)V1V2V3V4V5KmKtangledecratrisationChapitie I Bibliogiaphie et pioblmatique ue ltuue 24I.2.FLUIDESDECOUPEDANSLUSINAGEI.2.1.INTRODUCTIONGENERALELa svrit des sollicitations que subit loutil pendant la coupe peut tre si importante quelutilisation de lubrifiant conditionne le succs de lopration. Mme si dans certaines applications,on cherche ouvertement liminer les fluides de coupe pour des raisons varies telles que ladiminutiondescotslisleurutilisationouleurtraitement,laspectenvironnementaloulascuritdes oprateurs de machines outils, toujours estil quils sont indispensables pour certains usages etquilsnepeuventtrecompltementremplacsoubannislheureactuelle[KLO_97,WEI_04].Lestestsdeperformancedesfluidesdecoupesontutilissdepuisdesannespourformulerdenouveauxlubrifiantsavecdescomposantsplusperformantsetmieuxadaptsauxapplicationsetainsi suivre lvolution technologique en usinage. Toutefois, les normes cologiques pour leslubrifiants deviennent de plus en plus contraignantes. Les rgles imposes, concernant surtout ladiminutiondelateneurencertainessubstanceschimiques nuisibles,obligentlesfabricantsdhuilesdecoupedvelopperdenouvellesformulationstoujoursmoinstoxiques.Lensemble des paramtressuivants: le matriau usin, le matriau coupant et la gomtriede loutil, les paramtres de coupe, la technique dusinage et donc les sollicitations engendres surles deux faces de loutil, constitue une configuration des facteurs qui ont un effet sur laction et laperformancedufluidedecoupe.Lesparamtresdecoupe,essentiellementlavitessedecoupeetlagomtrie de larte, semblent jouer un rle primordial en terme daccessibilit du lubrifiant auxinterfaces dans les deux zones de contacts. Par consquent, un intrt particulier est port dans lalittraturelavitessedecoupedanslesdiffrentsmodlesdactiondesfluidesdecoupeenusinage.I.2.2.ROLEETCOMPOSITIONDESFLUIDESDECOUPELesdeuxactionsprincipalesdunfluidedecoupeenusinagesontlalubrificationdunepartetlvacuationdelachaleurducopeau,deloutil,delapiceusineetdelamachinedautrepart.La lubrification consiste rduire la quantit de chaleur produite par la diminution dufrottement mtal/mtal et en facilitant lcoulement du copeau sur loutil. Le lubrifiant engendredes ractions physicochimiques dans la zone de coupe, sur loutil, sur les copeaux et la piceusine. Les produits de ces ractions linterface copeauoutil, sous forme dune couchefacilement cisaillable par exemple, viteront la soudure des surfaces, protgeront contre lusure,diminueront le frottement et par consquent le travail ncessaire pour enlever la matire et lachaleurgnrecetteinterface.Mmesiles propritslubrifiantesdu fluidedecoupeinfluencenthypothtiquement20%dutravail mcanique fourni (cf. Figure I2), en pratique, pour certaines applications, une actionlubrifiante russie peut se traduire par des gains trs importants (augmentation de la dure de viedesoutils,amliorationdeltatdessurfaces,baissedeseffortsdecoupe)parrapportlusinagesec. En effet, la rduction du frottement sur la face de coupe de loutil contribue de plus laformation dun copeau moins dform (angle de cisaillement plus grand), la rduction de la zonedecontactetfinalementlabaissedelnergieproduitedanslazoneprimairedecisaillement(zonedeformationducopeau).Lesraisonspourlesquellesonutiliselesfluidesdecoupesontmultiples,savoir:augmenterla dure de vie de loutil, protger loutil, la pice et la machine de la surchauffe et de la dilatationainsi que de la corrosion, vacuer les copeaux et nettoyer les surfaces, obtenir des dimensionsprcises pour la pice ralise et une bonne qualit de la surface usine [LEE_90, DeC_02, TRE_00,COR_03].Deplus,ilsdoiventsecaractriserparunefaibleagressivitettoxicitenverslhommeetlenvironnement, par une facilit dapplication et de maintenance, une bonne comptabilit avec leslubrifiantsetlesgraissesdemachinesoutils.Chapitie I Bibliogiaphie et pioblmatique ue ltuue 25Ondistinguedeuxgrandesfamillesparmilesfluidesdecoupe:leshuilesdecoupeentiresetlesfluidesdecoupebasedeau(fluidesaqueuxappelssouventmulsions).Leshuilesdecoupeentires sont des produits qui ne contiennent pas deau. Elles se composent dhuile de base(minrale, vgtale, animale ou synthtique) laquelle on ajoute diffrents additifs (antioxydant,antibrouillard, antiusure (AU), extrmepression (EP), onctuosit etc.) dans le but damliorer sesproprits naturelles et de lui en confrer de nouvelles. Les bases dorigine minrale sont le plussouvent utilises pour les huiles entires de coupe traditionnelles. Les bases dorigine vgtale, pasencore bien applique dans les formulations traditionnelles cause de leur stabilit thermiqueinfrieure par rapport aux huiles minrales, sont souvent utilises dans la microlubrification (cf.I.2.5. Performances actuelles besoins de futur). Les lubrifiants daujourdhui (toutes catgoriesconfondues)sontconstitusdenviron93%dhuiledebaseet7%dadditifsenmoyenne[MAN_07](cf.FigureI7).Cesontlesadditifsquisontlacldelaperformancechimiquedulubrifiant.Encequiconcernelesfluidesdecoupebasedeau,cesontdesproduitsquelonobtientparladispersiondhuileminraleousynthtique(etdadditifs)dansleaustabilisepardesmulsifiants.Ilexisteaussidessolutionsquisontentirementbasedeau,auxquellesonajoutedesagentsanticorrosion,desagentsmouillantsainsiquedesadditifs(biocides,extrmepression(EP),antimousse,etc.).FigureI7:CompositiongnraledulubrifiantIlestadmisquunseullubrifiantpolyvalentpourtouteslesapplicationsdusinagenexistepas.Le choix de lutilisation des diffrents fluides se fait par rapport la fonction du fluide recherchepour lapplication donne et la svrit des sollicitations envisage. Les fluides de coupe basedeau ont un trs grand pouvoir de rfrigration car ils contiennent de leau (la capacit thermiquede leau est gale 4,2 J/gK alors que celle de lhuile est de 1,9 J/gK). Ils sont utiliss par exemplepour les oprations grandes vitesses de coupe o la fonction de refroidissement estprpondrante.Leshuilesentires,fortementconcentresenadditifschimiques,sontutilisesdanslesapplicationsolafonctionlubrifiantepermettradamliorerlaqualitdelusinage.LeTableauI1comparelespropritsdesdeuxtypesdefluidesdecoupe.En fonction du matriau usin, de loutil coupant et des paramtres de coupe, le choix dufluide de coupe adquat pour une application donne peut tre ralis entre les huiles entires decoupeoulesfluidesaqueux.Additifs(510%)Huiledebase(9095%)Chapitie I Bibliogiaphie et pioblmatique ue ltuue 26 HuilesdecoupeentiresFluidesdecoupeaqueuxPrix +++Cotsdlimination ++ /0Cotsdemaintenance + Stabilit +++ Biostabilit +++ Protectioncontrelacorrosion +++ ++Capacitderefroidissement +++PropritsEP/AU +++ +Risquedinflammabilit +++Consommationdadditifs +/0 Consommationdhuile /0TableauI1:Comparaisondepropritsdediffrentstypesdefluidesdecoupe(+effetpositif,effetngatif,0effetindiffrent)I.2.3.MODELESDACTIONDESLUBRIFIANTSVUSPARLESMECANICIENSLubricantsseemtoactbylesseningthefrictionbetweenthefaceofthetoolandtheshavingandthedifficultyistoseehowthelubricantgetsthereA.MallockTheactionofcuttingtools188182La question de laccessibilit du lubrifiant linterface copeauoutil est une question posedepuislongtemps,enparticulierdanslecasdelacoupecontinue(outilarteuniqueengagdanslamatiretoutaulongdeloprationralise;cestlecasdutournageetdelalsage).Danslecasdela coupe discontinue (cas du fraisage) utilisant des outils artes multiples (plusieurs dents ouplaquettes), le nombre dartes engages simultanment dans le mouvement de coupe nest pasconstant. Ce type de coupe est considr moins gnant pour laction du lubrifiant du fait que lesinterfaces (copeauoutil, outilpice usine) peuvent tre "recharges" en lubrifiant entre chaquenouvelleentredunedesartesdanslamatire.Plusieurs modles ont t dvelopps au cours du dernier sicle pour expliquer leffetbnfiqueapportparlelubrifiant(fonctionlubrifiante)lorsdelacoupe.Touscesmodlesabordentles phnomnes qui ont lieu sur la face de coupe en usinage et avec un outil arte unique, et ladistinction entre laction du lubrifiant (huile de base + additifs) et celle des additifs y est rarementfaite.Autrementdit,onparlehabituellementdeleffetgnraldulubrifiantmmesilalubrificationestapporteuniquementparlesadditifs.Peu dintrt est port aux mcanismes de lubrification possibles sur les deux faces deloutil. Pourtant, cest sur la face de dpouille que les sollicitations mcaniques sont moinsimportantes (accs plus facile du lubrifiant) et cest aussi cette face dont on utilise le critredusure, dans la plupart des cas, pour dterminer la dure de vie de loutil. Certaines tudesexprimentales dmontrent que la fixation du jet de lubrifiant du ct de la face de dpouille peutconduiredesrsultatssignificativementdiffrentsparrapportceuxobtenusenlefixantductdelafacedecoupe[ATT_06].Les hypothses concernant laction possible des lubrifiants en coupe prennent trois voiesdistinctesquisesontplusaumoinssuccdesdanslalittrature:lelubrifiantliquideousousformegazeusepntrecompltementlinterfacecopeauoutiletformeunfilmfacilementcisaillablequiprotgecontreladhsiondessurfaces,lelubrifiantliquideousousformegazeusepntrepartiellementlinterfacecopeauoutil;ilprotgedonccontreladhsiondansceprimtreetpermetderduirelazonedecontactentrelessurfaces,Chapitie I Bibliogiaphie et pioblmatique ue ltuue 27FormationdunfilmlinterfacecopeauoutilPiceusineOutilCopeaulelubrifiantliquideousousformegazeusenepeutpaspntrerlinterfacecopeauoutil;ilagit donc seulement par la rduction de la zone de contact dans les endroits moins chargsentrelecopeauetloutil.LubrifiantliquideousousformegazeusepntrantcompltementlinterfacecopeauoutilLes premiers modles qui supposent la pntration du lubrifiant sous forme liquide ouvapeur linterface copeauoutil en usinage de lacier ont t proposs par Merchant en 1950[MER_50]etparErnsten1951[ERN_51].Cesmodlesprsumentquelecontactentrelecopeauetloutil ne peut pas tre parfait ce qui permet au lubrifiant dy accder. Un film mince dhuile ayantpntrsecomportecommenimportequellubrifiantdanslesconditionsdelubrificationlimite(cf.FigureI8).Merchant continue ses travaux et dmontre que la pntration du lubrifiant liquide jusqulartedecoupeestpossibleseulementconditionquelavitessedecoupenedpassepas20m/min[MER_57]. Certains auteurs trouvent des conditions encore plus restreintes [CHI_73]. Par suite,lhypothseestpostulequelactiondulubrifiantvaporestprpondranteauxvitessesdecoupepluslevesaudtrimentdulubrifiantliquide.FigureI8:Lelubrifiantpntrelinterfacecopeau/outilLubrifiantliquideousousformegazeusepntrantpartiellementlinterfacecopeauoutilPlusieurs expriences ont t ralises pour confirmer les limites defficacit du lubrifiantsousformeliquideetvapeur,avecetsansoxygne.RoweetSmarttrouventnanmoinsquemmesilesvapeursdelubrifiantagissentefficacement,leurperformanceestdetoutefaoninfrieurecelledulubrifiantliquide[ROW_64,ROW_66].Le modle daction des lubrifiants plus rcent et plus complet est celui de Williams quiavance lhypothse que le lubrifiant (liquide ou gazeux) pntre partiellement par un systme demicrocanaux (trs fins capillaires) entre le copeau et la face de coupe de loutil en rduisant leuradhsion et en formant le film protecteur [WIL_77]. Cette pntration peut tre facilite par laprsencedesrugositsdesurfacedansleszoneslgrementcharges.Leschmacidessousillustredefaonidalisedes"microcanaux"larriredelazonedecontactcopeauoutiletlalongueurLlelong de laquelle le lubrifiant a partiellement pntr sous forme gazeuse ou liquide (cf. Figure I9).Williamsseconcentreessentiellementsurletransfertetladiffusiondesmolculesdulubrifiantdansle rseau de capillaires interfaciaux en supposant que cest le facteur dcisif dans la performancefinaledulubrifiant.Ilsintresselaviscositetlamouillabilitdanslecasdeslubrifiantsliquideset la pression et la dimension des molcules dans le cas des vapeurs. Wakabayashi et al. suggrentnanmoinsquelactivitchimiquedulubrifiantestplusimportantequelemcanismedesadiffusiondans le rseau des capillaires [WAK_95]. Liew souligne galement limportance des phnomneschimiquesdanslecasdelacoupe[LIE_98].Un modle daction du lubrifiant similaire a t rcemment suggr par Godlevski qui, encontrepartie, propose lexistence du rseau des capillaires dont la gomtrie est diffrente de celledumodledeWilliams[GOD_98].Chapitie I Bibliogiaphie et pioblmatique ue ltuue 28FigureI9:Pntrationpartielledulubrifiantlinterfacecopeau/outilpar"lesmicrocanaux"(capillaires)[danslordreCHI_06,WIL_77,GOD_98]Liu et al. proposent les modles de pntration du lubrifiant liquide ou gazeux au traversdun capillaire [LIU_07]. Dans un cas du lubrifiant liquide, la pntration se ferait en deux tapesconscutives. Premirement, les gouttelettes du lubrifiant liquide accdent partiellement uncapillaire lintrieur de laquelle elles commencent svaporer (cf. Figure I10(a1)).Deuximement,lesvapeursremplissentprogressivementlecapillaireavecunecertainevitesseVg(cf.Figure I10(a2)). Dans le cas dun lubrifiant gazeux, la pntration serait facilite et directe: lesvapeurssedplaceraientautraversdurseaudecapillairesavecunecertainevitesseWg(cf.FigureI10(b)).FigureI10:Modlesdepntrationdulubrifiantliquideetgazeuxdansuncapillaire[LIU_07]Linfluence de la vitesse de coupe sur les limites de laction lubrifiante des fluides de couperevient rgulirement dans les diffrents modles. La plupart des auteurs constatent quelaugmentationdelavitessedecoupe conduitlarductiondeleffetdulubrifiant.En2006,Childsrappelle la problmatique de laction lubrifiante en rsumant ses travaux en tournage de laciersuivanttroiscasde"lubrification"observs[CHI_06]:aux basses vitesses de coupe, les fluides de coupe peuvent rduire le frottement par lapntrationpartielledanslazonedecontactcopeauoutil(modledeWilliams),aux vitesses leves de coupe, ladoucissement thermique peut faciliter l'coulement de lamatiredanslazonedecontactcopeauoutil(autolubrification),aux vitesses intermdiaires de coupe, les inclusions de lubrifiants solides dans certainsmatriaux peuvent s'accumuler dans la zone de contact copeauoutil et faciliter lecisaillementdelamatire.Lubrifiantliquideousousformegazeusenepntrantpaslinterfacecopeauoutiletagissantparlarductiondelazonedecontactcetteinterface Cemodleproposeunesolutionalternativeunmodledactiondulubrifiantreposantsursapntrationentrelecopeauetlafacedecoupedeloutil.Lelubrifiantpeutagirdefaonefficaceen rduisant la longueur de la zone de contact copeauoutil [DeC_80]. Il est concevable que lelubrifiant puisse se comporter de cette faon dans les conditions de coupe continue ou lorsqueModledeWilliamsModledeGodlevskiChapitie I Bibliogiaphie et pioblmatique ue ltuue 29ABOutilPiceusineCopeauRductionducontactentrelecopeauetloutillaccslinterfacecopeauoutilesttrslimit(hautevitessedecoupe).SelonDeChiffre,ilyatroismcanismesquicontribuentlarductionducontactentrelessurfaces:la contamination de la face de coupe de loutil par le lubrifiant au point A (cf. Figure I11);elle a pour consquence la rduction de ladhsion des surfaces loignes de larte decoupe. Cette action provoque dautres phnomnes qui ont lieu simultanment et quirenforcentlemcanismeenquestion.Ilsagitnotammentdelarductiondelacompressiondu copeau (copeau moins dform) qui limite encore plus la zone de contact et la pressiondansleszonesmoinscharges[DeC_77],lerefroidissementductextrieurdecopeauaupointB(cf.FigureI11);ilenrsulteunecourbure plus intense du copeau et donc un accs facilit pour le fluide de coupe en A. Lecopeausedtachegalementplusrapidementetaisment,la promotion de la dformation plastique en B par laction mcanochimique du lubrifiant(effet Rehbinder); cette action savre cependant tre beaucoup moins significative[BAR_67].Lapressionetledbitdulubrifiantpeuventfaciliterledgagementducopeauetdonclaider accder linterface copeauoutil. Leurs effets ainsi que celui de la fixation des buses delubrification semblent avoir un impact assez important sur la performance des fluides de coupesurtout dans le cas des oprations o la pntration du lubrifiant est difficile et incertaine [ATT_06,DIN_07].FigureI11:RductionducontactcopeauoutilparlelubrifiantIlestprobablequeplusieursphnomnesparmiceuxmentionnsdanslesmodlescidessusentrent en jeu en mme temps. Il est utile de rappeler que de nombreux paramtres tels que lesconditionsdecoupe,lacontinuitdelacoupe(coupecontinueoudiscontinue),lematriau,loutiloulasvritdescontactsvontdterminerlaccsetlactionpossibledulubrifiant.Sacompositionest un autre point important. La taille des molcules actives, la facilit de leur diffusion etessentiellement leur ractivit sont des facteurs qui comptent normment pour la performancefinale du lubrifiant. De plus en plus dtudes en usinage saccompagnent de techniques danalysesdessurfacespourclaircirlesphnomnesphysicochimiquesencoupe[BRI_04,WAK_03].I.2.4.EVALUATIONDESFLUIDESDECOUPELvaluation de la performance des lubrifiants se fait typiquement laide dessais delaboratoire qui sont conduits sur les machines dusure et de capacit de charge (tribomtres). Lesmthodes tribologiques les plus souvent utilises pour valuer les performances des fluides decoupe,enparticulierlespropritsAUetEP,sontlestribomtres4billesextrmepressionouusure,lamachineFalex"PinandVeeBlocks",lamachineTimken,lamachineAlmenWielandoulamachineChapitie I Bibliogiaphie et pioblmatique ue ltuue 30Reichert. Ces essais sont faciles mettre en uvre et nexigent pas beaucoup de temps. Ils sediffrencientparplusieursparamtres[GEO_00]:lanaturedesmouvementsrelatifsdessurfaces(leglissementpurestleplusfrquent),letypedecontact:ponctuel,linaireousurfacique,lagomtriedesprouvettes,gnralementtrssimple:bille/bille,bille/plan,cylindre/planetc.,lavitessedeglissementvariablede0,1m/splusieursdizainesdem/s,lachargeapplique,laquantitdelubrifiantmiseenjeuetsatemprature,lerenouvellementoupasdelasurfacefrotte.Le contact modlis et les paramtres utiliss pour les tests tribologiques traditionnels nepermettent pas vritablement de reproduire la zone du contact outilcopeaupice en coupe, etnotammentpourcequiconcernelessollicitationssurlafacedecoupeetsurlafacededpouilledeloutil. Cependant, un progrs important a t ralis dans la conception et la construction denouveaux tribomtres afin de sapprocher des conditions svres de la coupe [OLS_89, HED_91, ZEM_08, BON_08]. Mme si ces nouvelles machines sont essentiellement ddies pour linstant lvaluationdespropritsdesrevtementsoudesmatriauxdesoutilscoupants,ilestenvisageabledelesadopterpourcelledesfluidesdecoupe. Depuis les annes 70, une nouvelle approche pour tester les fluides de coupe dans lesconditions dutilisation a t dveloppe. Les premires tentatives dvaluation ont en effetdmontr que les rsultats obtenus par les essais tribologiques peuvent tre diffrents de ceuxraliss dans les vrais essais dusinage. Plusieurs auteurs confirment que seuls les essais dans lesconditions relles dusinage permettent dvaluer les lubrifiants de faon pertinente [HEN_73,WEB_74, BLA_74, RIC_77, DeC_80, LOR_85]. Ces tests ont nanmoins des inconvnients tels que laquantitimportantedematriauutilis,ladureetlecotlevsdesessais.Encequiconcerneleurdifficult, il est ncessaire de matriser parfaitement de nombreux paramtres pour que leffetvritabledulubrifiantpuissetretudi(problmederptabilitdesessais).Lestestsdvaluationdeslubrifiantsen usinagenontpaspourobjectif primordialdtudierlespropritsdeslubrifiantsmaisdedterminerqueltypedelubrifiantsconvientlemieuxpouruneapplication donne et permettre ainsi damliorer la qualit dusinage. Il est admis quun lubrifiantuniverselpourtouteslesapplicationsdusinagenexistepas.Ilestpossiblecependantdeclasserleslubrifiants selon les groupes doprations dusinage prsentant des sollicitations similaires. Laprocdure complte dvaluation des fluides de coupe devrait donc permettre de balayer lesdiffrentes combinaisons des oprations dusinage avec des paramtres de coupe diffrents[DeC_02(2)]. Un travail remarquable dans le domaine des tests dusinage pour lvaluation deslubrifiantsatralisparBellucoetDeChiffre,consistantmettreenplacedesprocduresdessaispour les diverses techniques dusinage en ralisant diffrents types de mesures (efforts de coupe,duredeviedesoutils,tatdesurface)[BEL_00].Trois types de mesures sont couramment utiliss pour lvaluation de fluides de coupe enusinage[COR_03]:laduredeviedesoutilsdecoupe,lamesuredeseffortsdecoupeetdelapuissancedecoupe,ltatdesurfaceobtenusurlespicesdelasriedessais.Laduredeviedesoutilsdecoupeestuncritretrsimportantpourlesindustriels.Lestestsdeduredeviedesoutilssontcependantdifficilesmettreenuvredufaitdeleurlonguedureetde leur rptabilit moyenne (effet de loutil important). En outre, les outils utiliss actuellementsont de plus en plus rsistants lusure suite lvolution des matriaux de coupe et de nouveauxrevtements. Par voie de consquence, le cot est le facteur qui pnalisera ce type de tests parrapportauxtestsdemesuredeffortsdecoupeoudelaqualitdesurface. Chapitie I Bibliogiaphie et pioblmatique ue ltuue 31Les mesures des efforts de coupe ou de la puissance consomme permettent dvaluer leslubrifiantsdefaonrapideparrapportauxessaisdeduredeviedesoutils.Cettemthodeesttrsavantageuse car moins coteuse, exigeant moins de matire et se caractrisant par une trs bonnerptabilitetsensibilitparrapportauparamtretudi.Ilestdonccomprhensiblequecetypedetest soit actuellement fortement utilis non seulement pour valuer les fluides de coupe mais aussipourraliserdiffrentestudescomparativesenusinage. Laqualitdesurfaceestunmoyendetesterleslubrifiantsentournage,alsage,perageettaraudage.Onmesurelarugositarithmtique(Ra),larugosittotale(Rt)oularugositduprofil.Lesrsultatsobtenuslorsdestestsdequalitdesurfacemontrentunesensibilitleveauxlubrifiantsmais une incertitude plus leve que dans le cas des efforts de coupe. Le cot des tests estgalementsouventassezlevdufaitdquipementsspcialisspourlesanalysesdelasurfacedespices.Lesindicateurs:rptabilit,incertitudeetcotestimspourlesmultiplesessaisenusinagerpertoris dans la littrature montrent diffrentes tendances selon les trois types dessais. Lesessais de mesure des efforts de coupe savrent avoir une meilleure rptabilit, une trs bonnesensibilitauxlubrifiants,uneincertitudedesrsultatsassezbasseetuncotmodr.Aucontraire,les essais de dure de vie se caractrisent par une rptabilit moyenne, une incertitude desrsultats et un cot lev. Quant aux tests de qualit de surface, ils ont une qualit intermdiaireentrelesdeuxautrestypesdessais[DeC_00,DeC_02(2)].Certaines procdures dessais dvelopps en usinage font lobjet de tests normaliss; lesessais de la dure de vie de loutil trouvent une application en tournage [ISO 3685, NT MECH 040],fraisage [ISO 8688] ou perage [NT MECH 038]. Les tests de mesures des efforts de coupe sontutiliss de faon standardiss pour valuer les lubrifiants en taraudage [NT MECH 039,ASTM D5619],perageoualsage.La diffrence importante entre les tests tribologiques et les tests mens en usinage reposedoncsurlesuivietltenduedelanalysequiestfaite.Sachantquelestestsenusinagesontdanslaplupartdescasdveloppspardesusineursetdesmcaniciens,leurstravauxcomparentlesfluidesde coupe en fonction de diffrents paramtres mais aboutissent rarement la comprhension dumode daction chimique du lubrifiant. Quant aux tribologues et aux chimistes utilisant les teststribologiques, ils sintressent lactivit chimique et aux mcanismes ractionnels des additifs enavanant lhypothse de travailler dans les conditions svres de coupe. Quelques tudesintressantes visant le couplage de deux domaines de comptences ont t ralises. Hong et al.valuent les sulfonates surbass pour les fluides de coupe en faisant appel aux tests de taraudagenormalisspourclasserleursperformancesetlestechniquesdanalysesdesurfacespourdterminerles produits de ractions et de dcomposition des additifs [HON_92, CAH_93, HON_93, HON_94].Haigang et al. utilisent les mmes moyens que Hong mais sintressent plus particulirement lusinage dalliage de titane avec les diffrents cations mtalliques et les composs organocuivreuxintroduitsdanslesadditifspourlesfluidesdecoupeaqueux[HAI_01,XUE_01].Mouldetal.ralisentles tudes consacres lactivit de diffrents additifs soufrs, organochlors et aux interactionsentre ces deux types dadditifs par des tests tribologiques classiques, des tests en taraudage et enperage[MOU_72,MOU_72(2),MOU_73].Ilseffectuentdestestsderactivitchimiquedesadditifsetdescalculsthermochimiquespourexpliquerlesdiffrentesperformancesdesadditifstests.I.2.5.PERFORMANCESACTUELLESBESOINSDUFUTURLedveloppementdediffrentscomposschimiquesprincipalementbasedesoufre,maisaussidephosphore,chlore,boreouplombpendantladerniremoitiduvingtimesicle,apermisdatteindre un niveau defficacit de fluides de coupe trs lev. Nanmoins jusqu aujourdhuiaucunlmentchimiquenestarrivsurpasserlesperformancesextrmepressionapportesparlesoufre, do finalement peu de nouveaux composants dans les formulations dhuiles de coupe.SachantquelescomposschimiquessoufrsetphosphorssonttoujoursirremplaablesdansleursChapitie I Bibliogiaphie et pioblmatique ue ltuue 32formulations, les mtaux lourds et les composs chlors ont t limins tant considrsextrmement nuisibles. Lintrt majeur dans la formulation dhuiles de coupe et par consquentdans leurs performances actuelles se porte donc sur leur optimisation et la baisse des cots lis leur production, leur traitement et leur entretien. Cependant, les efforts mis en uvre pouroptimiser les performances des fluides de coupe sont rapidement nivels par les nouvellesrglementationsimposantdetendreversdeslubrifiantsayantuntauxdebiodgradabilitpluslevet contenant moins de soufre et de phosphore. La difficult est ainsi de garder la performance defluidesdecoupeendiminuantleurteneurencomposstoxiquesdontcertainscomposssoufrsetphosphorsfontpartie.Dans le mme temps, plus que jamais, les fluides de coupe sont concurrencs par lesnombreuses solutions technologiques, souvent plus cologiques, dveloppes pour lusinage.Nanmoins,leslimitationsimportantes quiaccompagnent ces"coprocds" nepeuventqueviserlliminationdesfluidesdecoupedanscertainesapplications.En terme de besoins pour la coupe des mtaux dans le futur, deux voies dvolution sedmarquentclairement: 1\Solutionsauniveaudelaformulationdeshuilesdecoupe:Lubrificationtraditionnelle:Optimisation des formulations actuelles Une meilleure connaissance des mcanismesdaction des additifs et des interactions entre eux rend possible une diminution de leurnombreetunquilibragedeleurconcentrationdansleshuilesdecoupe(baissedetoxicit)etindirectementunebaissedescotsdesformulationscompltes.Utilisation des nouveaux additifs Les processus de synthse de nouveaux additifs sontsouvent mieux matriss donc leur stabilit thermique etleurs performances sont mieuxconnuesetpeuventtre,dansunecertainemesure,contrles.Recherchedessynergiesentrelesadditifsexistant.Lubrificationpourles"coprocds"enusinageadaptationlademandedumarch:Dveloppement de formulations biodgradables Lamlioration de la stabilit thermiquedeshuilesvgtales(parexempleparlajoutdecertainsadditifs)peutpermettredagrandirleurplagedefonctionnementdanslecasdelamicrolubrification(cf.cidessous2\Solutionsauniveaudesprocds).2\Solutionsauniveaudesprocds:Usinage sec (avec air comprim) Loptimisation du choix des paramtres de coupe, desdoutils et de la composition du matriau usin permet dans certains cas dliminerlutilisationdesfluidesdecoupeetdepasserainsilusinagesec[DIN_02].Microlubrification(MQLMinimalQuantityLubrication)Lamicrolubrificationconsisteenlutilisation de petites quantits dhuile, dmulsion ou deau disperses de faon localiseparjetdair(ousansair,avecousanseau)paruneouplusieursbuses;lenombredtudesexplorant cette application crot constamment [RAH_02, SUD_02, VAR_02, ITO_06]. Lamicrolubrification revt un grand intrt puisquelle permet de raliser une conomieimportanteentermededpensespourleslubrifiants(petitesquantitsutilises)maisexigeladaptation de la machine et lutilisation dquipements spciaux. Elle est galementconsidre plus cologique du fait dutiliser, dans la plupart de cas, des huiles doriginevgtaleoudesestersquisecaractrisentparunetrsbonnebiodgradabilitetunebassetoxicit. Les lubrifiants utiliss en microlubrification doivent tre galement rsistants loxydation et dmontrer des proprits stables pendant de longues priodes de stockageChapitie I Bibliogiaphie et pioblmatique ue ltuue 33(petites quantits utilises) [WEI_04]. Par ailleurs, les limitations au niveau de leur stabilitthermiquerestreignentplusamplementlapplicationdelamicrolubrification[ITO_07].ModedadministrationdesfluidesdecoupeDiffrentestudesciblentlamliorationdelaperformance de la lubrification conventionnelle en jouant sur son mode dadministration,entre autre: laugmentation de la pression, du dbit ou les diffrentes directionsdapplication du lubrifiant (fixation de buses de lubrification) [ATT_06, DIN_07], lutilisationdepetitesquantitsdelubrifiantsconventionnelsparlejetdair[MAC_97].Lubrification avec des lubrifiants "nonconventionnels" tels que lazote liquide (lubrificationcryognique)[HON_01,DHA_02],diffrentsgaz(dioxydedecarbone,azote,argon)[STA_07],particules de lubrifiants solides disperses dans lair [NAG_08] ou dans lhuile de base[VAM_08, RED_06] Ces mthodes, pour linstant exprimentales, sont en voie dudveloppement.Chapitie I Bibliogiaphie et pioblmatique ue ltuue 34I.3.FLUIDESDECOUPEVUSPARLATRIBOCHIMIEI.3.1.INTRODUCTIONGENERALELa coupe est un procd de fabrication considr comme lun de plus difficile modliser.Les phnomnes sy droulant sont accumuls dans une petite zone et lintensit des sollicitationsmcaniquesetthermiquesquisyproduisentnepeutqutredonneapproximativement.Dans le souschapitre prcdent, laction du lubrifiant en coupe a t discute. Plusieursmodles proposs dans la littrature mettent en vidence la diversit des paramtres qui grentlaccessibilit du lubrifiant dans les zones de contact. Parmi eux, on rappellera limportance, entreautres, des sollicitations mcaniques, de la continuit de la coupe, de la gomtrie de loutil et desparamtresdecoupe(principalementlavitessedecoupe).Cependant,laccsdulubrifiantnestpasune condition suffisante de sa performance. Cest laction physicochimique des additifs quilrenfermequidterminesonefficacitultime.Danslesconditionssvresdecoupe,dupointdevuedelatribochimie,ilestindispensabledesinterroger,enpremierlieu,sur:ltatdelasurface(sanaturechimique)etsaractivit(parexemplelessurfacesfrachesontune haute ractivit chimique alors que les surfaces oxydes sont moins ractives carstabilisesparlacouchedoxydesetlescontaminants),lesconditionstribologiquesquiactiventlesdiffrentscomposschimiquesdanslelubrifiant(enfonctiondestempratures,pressions,frottements),la structure chimique (ractivit chimique) et le taille des molcules actives (effet sur ladiffusion),lesinteractionsavecdautresespcescontenuesdanslaformulationcomplte(comptitionpour la surface entre des composs polaires agissant par adsorption ou chimisorptionchimique),lanaturechimiquedelhuiledebase,lenvironnementetlaprsencedoxygne.Afindeformulerdeslubrifiantsbienadaptsautravaildesmtaux,unebonneconnaissancedes mcanismes daction et des produits de ractions de certains groupes dadditifs (extrmepression et antiusure) utiliss dans toutes les formulations des fluides de coupe est ncessaire.Plusieurs tudes ont t ralises afin dclaircir le fonctionnement de ces diffrents additifs. Ellesfournissent des donnes trs intressantes sur les phnomnes tribochimiques. Nanmoins, ladifficult repose sur lextrapolation de ces rsultats aux conditions de coupe car la plupart de cestravauxexprimentauxateffectuedansdesconditionsloignesdecellesdelacoupeentermedepressionducontact,delavitesseetdelatemprature(teststribologiquesclassiques).I.3.2.REGIMESDELUBRIFICATIONOn parle de lubrification lorsque lon cherche sparer deux corps solides en contact par untroisimecorps,lelubrifiant,quipeuttreliquide,solideougazeux.LacourbedeStribeckpermetdereprsenterlestendancesdvolutionducoefficientdefrottementglobalenfonctiondelasvritdesconditionsdechargementetdelavitesseaucontact.Onydistinguetroisrgimesdelubrification[GEO_00]: lubrification hydrodynamique et lastohydrodynamique par un film fluide pais. Leparamtre le plus important est la viscosit du lubrifiant qui dfinit, avec la vitesse,lpaisseurdufilmdhuile(lusureestinexistante),lubrificationmixte(limiteethydrodynamique)lescontactssolidessontplusnombreuxquedanslecasdurgimehydrodynamique,Chapitie I Bibliogiaphie et pioblmatique ue ltuue 35lubrificationlimitelpaisseurdufilmdhuiledevientngligeableparrapportlarugositdes surfaces; la viscosit de lhuile nintervient plus, ce sont les additifs prsents danslhuile, en particulier les additifs antiusure et extrmepression qui joueront un rleprpondrant.LaFigureI12prsentelacourbedeStribecketlesquatrergimesdelubrificationenfonctionde la svrit du contact. Les conditions trs svres dusinage correspondent aux conditionsrencontresenrgimedelubrificationlimite.FigureI12:Lesrgimesdelubrification[Source:TribologieCDROM,LTDSEcoleCentraledeLyon]1Rgimehydrodynamique,2Rgimelastohydrodynamique3Rgimemixtelimite/hydrodynamique,4RgimelimiteI.3.3.ADDITIFSANTIUSURE(AU)ETEXTREMEPRESSION(EP)Laplusimportantefamilledadditifsutilisepourformulerlesfluidesdecoupeestcelledesadditifsdits "porteursdecharge" (loadcarryingadditives)cestdirelesadditifsantiusure(AU)etextrmepression (EP). La diversit chimique des additifs AU et EP repose sur trois lmentschimiques cl: le soufre, le phosphore et le bore. Le soufre tant llment chimique EP parexcellence, le phosphore et le bore les composs chimiques primordiaux des additifs AU; celapermetdebalayerunegammetrslargedapplicationsselonlasvritdessollicitations.Les additifs AU et EP sont ncessaires si les charges appliques sur les surfaces sont sileves que les contacts ne peuvent pas tre spars par un film dhuile. La couche doxydenaturelle commence tre enleve et les surfaces risquent dadhrer. Les additifs AU forment unecouche sacrificielle pour remplacer la couche manquante doxyde et diminuent le taux dusure defaon considrable. Si les conditions saggravent encore plus et que lusure est invitable,linterventiondesadditifsEPpermettraalorsdempcherlasouduredessurfaces.LesadditifsAUetEPagissentdemaniretrssimilaireenformantunfilmprotecteurappeltribofilmsur lasurfacemtalliquequiestsolliciteparlatemprature,lapressionetlefrottement.Les films forms se reforment de faon continue car consomms au cours du frottement. Ladistinction entre les additifs AU et les additifs EP se fait essentiellement par la temprature laquelle ils ragissent avec la surface. Cette temprature va dpendre directement des conditionsdechargeetdevitesseaucontact.LesadditifsAUsontractifstempratureambianteoumoyennealorsquelesadditifsEPvontragirtempratureleve.Deplus,letauxderactiondesadditifsEPest plus lev que celui des additifs AU; les films forms par les additifs EP sont alors plus pais[PAP_98].LaFigureI13montreledomainedactiondecesadditifs.Les additifs donctuosits forment un groupe dadditifs qui ragissent par adsorptionphysiqueouchimiquedansuneplagelimitedetempratures(nexcdantpas200C)maispouvantsupporter des pressions assez importantes. Ils permettent principalement de rduire le frottementparlaformationdesfilmsadsorbssurlessurfaceschimiquement(ractionchimiqueaveclasurface1234Chapitie I Bibliogiaphie et pioblmatique ue ltuue 36pour former le savon mtallique facilement cisaillable) ou physiquement (adsorption de molculespolairessurlasurfaceparlesforcesdattractiondeVanderWaals).FigureI13:Domainedactiondesadditifs[AYE_01] LesadditifsAUetEPutilisspourlaformulationdeslubrifiantssedivisentgnralementendeuxgroupes[PAP_98]:1.additifs chimiquement actifs ils fonctionnent par raction chimique avec les surfacesmtalliquesenformantdescouchesdelubrifiantssolides:lesadditifssoufrs(EP)lesadditifsphosphors(AU)lesestersboriques(AU)les additifs chlors (pratiquement plus utiliss cause de leur toxicit et de leur mauvaiseinfluencesurlenvironnement(EP))2.additifs chimiquement inactifs ils fonctionnent par dpt des produits de leurdcompositionlisauxsollicitations:"passive extremepressure": alkylsulfonates de Ca et Na surbasiques (ou superbasiques, ouencoresurbass)(EP)lesborates(EP)lenitruredeborehexagonal(EP)(par la formation deutectiques sur les surfaces mtalliques les naphtnates de plomb,pratiquement plus utiliss cause de leur toxicit et de leur mauvaise influence surlenvironnement(EP))I.3.4.ADDITIFSSOUFRES,LEURSPROPRIETESETNOTIONDUSOUFREACTIFLes additifs soufrs sont des composs polyvalents possdant des proprits extrmepression, des proprits antiusure et antioxydantes (surtout les dithiocarbamates). Toutefois, leurcaractre antiusure est beaucoup moins prononc que celui des additifs plus polaires (additifsphosphors), il est gnralement admis de leur associer essentiellement des proprits extrmepression. La qualit des proprits EP, AU et antioxydantes, apportes par un additif soufr donnseralienotammentsastructurechimique.Les additifs soufrs sont forms gnralement par raction du soufre sur les insaturationsdes chanes molculaires provoquant la polymrisation par le soufre et/ou une saturation deschanes carbones. Ces chanes jouent le rle de "vecteurs" du soufre en permettant lacompatibilisationdeladditifauxbaseslubrifiantestoutenconservantuneviscositcontrle.Chapitie I Bibliogiaphie et pioblmatique ue ltuue 37Parmi les additifs soufrs utiliss actuellement dans les formulations, on trouveprincipalement[HIL_81,PAP_98,NAJ_03]:lesolfinessoufres(trsbonsadditifsEP),deuxtypes:1)lesolfinesauxcourteschanes(parexemplelisobutylne(SIB)environ45%wt.desoufre),2)lesolfinesauxlongueschanes(parexemplelessulfuresdalkylesoulessulfuresdarylescontenantenviron1020%desoufre);lastructuregnraleestlasuivante:RSxRavecx=3ou5(optimum),lescorpsgrassoufrsetestersdacidesgrassoufrsilscontiennentengnralenviron1012%wt.desoufreetilssontdetrsbonsadditifsAUetEP,lesdithiocarbamatesilssecaractrisentpardebonnespropritsAU,EPetantioxydantes(parexempleledithiocarbamatedezinc),lesthiocarbonates(parexempleledithiole1,2thione3),lesterpnessoufrs(parexempleledipentnesoufr),lesxanthates(peuutilisscausedeleurodeur).Les proprits AU et EP des additifs soufrs dpendent de leur structure chimique, enparticulierdelafixationdelatomedesoufre.LactivitdeladditifestdonclieauxliaisonsSS,RSet aux groupes organiques renferms dans la molcule. La nature chimique de la surface (structurelectronique)ainsiquelesconditionstribologiquesjouentgalementunrledcisifdanslaractivitdecesadditifs.En tant quadditifs AU (conditions tribologiques moyennement svres), ils sont suppossagirsousformedefilmsadsorbsdemercaptatesmtalliques(RSM).LespropritsAUdesadditifssoufrs dpendront de la nature des groupes organiques attachs latome de soufre (la polarit).Hileyetal.suggrentquelesperformancesAUaugmententaveclalongueurdechanesoufrepourunesriedepolysulfuresdonne[HIL_81].Bornetal.remarquentlammetendance;ilssoulignentnanmoins lapparition dune usure corrosive pour les polysulfures de plus haut rang (S3) [BOR_87].Quant la structure chimique des chanes organiques, les drivs aromatiques sont plus efficacesquelesdrivscyclaniquesetlescomposslonguechanedonnentdesfilmsplusrsistantsquelescomposscourtechane[FOR_70,AYE_01].EntantquadditifsEP,lescomposssoufrsragissentpardcompositionchimique(rupturede la liaison RS) avec la surface en formant un film inorganique de sulfure de fer. Cettedcomposition se produit suite laugmentation de la temprature de surface due au frottement(collisions entre les asprits et enlvement de loxyde). Plus la liaison RS est faible, plus le soufreseralibrfacilementetragiraaveclasurfaceenformantunfilmprotecteur,cequiimpliqueaussilimportancedesgroupesorganiquesR.Pourlessulfuresdalkyles,lesstructuresorganiqueslesplusramifies et les plus courtes donnent les meilleures performances [AYE_01]. Les proprits EP desadditifs soufrs augmentent avec la longueur de la chane de soufre [MOU_72, HIL_81, PAP_98]. Laliaison SS est plus facile rompre que la liaison RS; ainsi donc, le disulfure sera plus actif que lemonosulfure, le trisulfure plus actif que le disulfure, et ainsi de suite [FOR_70]. Nanmoins, de lamme manire que pour les proprits AU, la grande labilit du soufre dans les polysulfurescontenantplusdetroisatomesdesoufredanslachanesoufrepeutconduiredelusurecorrosive(cf.FigureI14).EnparlantdespropritsAUetEPdesadditifssoufrs,onsoulignelimportancedelanotionde "soufre actif": cestdire que les additifs contenant du soufre "actif" sont ceux qui cdentfacilementtoutoupartiedusoufrequilscontiennent.Lesadditifssoufrsrenfermantdusoufredit"soufrecombin"ou"soufreinactif"nelibrentleursoufrequetrsdifficilement.LanormeASTMD1662 dfinit le taux de soufre actif dun additif temprature donne comme une diffrenceexprime en pourcentage pondral de teneur en soufre avant et aprs raction dun chantillon decet additif avec une quantit donne de cuivre pendant un temps fixe. Ce type de test permetdvaluer la disponibilit de la quantit du soufre "libre" en fonction de la temprature et parconsquent de mieux comprendre le comportement thermique de ladditif et son activit chimiquedansuneapplicationrelle.LatomedesoufreestattachdanslamolculediffremmentsuivantlaChapitie I Bibliogiaphie et pioblmatique ue ltuue 38nature et le degr de polymrisation de sa structure organique (olfine, ester, polysulfure,thiocarbamate);samaniredelibrerlesoufrevariedoncduncaslautre.IlestpourtantvraiquelaquantitdesoufreactifaugmenteaveclenombredatomesdesoufrecontenudansunemolculesoufrecarlaprobabilitdyavoirplusdeliaisonsSSfacilesrompreestplusgrande.Toutefois,lerisque dusure corrosive saccrot galement. Hiley et al. avancent une loi semiempirique pourprdirelesperformancesEPdesadditifssoufrsselonlaquellelactivitdelamolculesoufrepeuttre reprsente comme somme des activits des atomes de soufre quelle contient [HIL_81]. Lesoufre lmentaire S8 (facilement libr, mme basse temprature) est par dfinition le plus actifmais aussi le plus corrosif. La corrosion visvis du Cu et du Fe augmente avec la longueur de lachane soufre. Par consquent la recherche de lquilibre, tout en gardant la performancemaximale,entrelusurecorrosiveetlusureadhsivedessurfacesestundfipourlaformulationdeslubrifiantscontenantlesadditifssoufrs(cf.FigureI14). FigureI14:Equilibreentrelaractivitchimiquedeladditifetletypedusure[Source:coursTribologieDenisMazuyer,LTDSEcoleCentraledeLyon]Lesadditifssoufrs(surtoutlesdithiocarbamates)ontgalementuncaractreantioxydant.Le soufre dcompose les hydroperoxydes en composs plus stables protgeant ainsi contre laformationderadicauxlibresetdoncempchantloxydationdelabaselubrifiante[AYE_01].I.3.5.NATURECHIMIQUEDESFILMSFORMESPARLESADDITIFSSOUFRESMme si depuis les annes 50, laction des additifs soufrs est attribue la formation desulfuresmtalliques[BOW_50],plusieurstudesonttralisesafindedterminerlacompositionchimique exacte des films forms avec les additifs soufrs et expliquer leur performance. Troistechniques danalyse de surfaces apportent des informations particulirement riches sur la naturechimique des films forms en lubrification: Spectroscopie de photolectrons X (XPS), Spectroscopiedlectrons Auger (AES) et Spectromtrie dabsorption des rayons X (XANES). Quelques uns desrsultatslespluspertinentsdelalittraturesontprsentsparlasuite.Bird et Galvin sont parmi les premiers sintresser la nature chimique prcise des filmsforms lors du frottement en prsence dadditifs soufrs. En analysant avec la mthode XPS lessurfacesfrottes,ilsdtectentdeuxtypesdecomposssoufrs:lessulfuresetlessulfates[BIR_76].Ilsnesonttoutefoispasenmesuredidentifierprcismentletypedesulfuredtect.Danslecadrede la mme tude, ils analysent les films forms thermiquement par immersion dans des solutionsdadditifs chauffes et y trouvent uniquement des sulfates. Baldwin analyse galement en XPS lessurfaces issues du frottement avec les diffrents additifs soufrs. Dans tous les cas, il dtecte dessulfures de fer sur les surfaces frottes [BAL_75]. Wheeler ralise des tests de frottement dans lesconditions moins (domaine dutilisation des additifs AU) et plus svres (domaine dutilisation desadditifs EP) [WHE_78]. Lanalyse XPS des surfaces des films forms dans les conditions svresmontre la prsence de sulfures de fer et de faibles quantits de sulfates. Les films forms avec lesmmesadditifsmaisdanslesconditionsmoinssvrescontiennentdessulfuresetdessulfatesmaisuniquementsousformedetraces.AprsavoirlgrementabraslasurfacedesdeuxtypesdefilmsChapitie I Bibliogiaphie et pioblmatique ue ltuue 39analyss, Wheeler observe que les sulfures persistent uniquement sur la surface frotte dans lesconditionssvresalorsquelessulfatesdisparaissentdanslesdeuxcas.Denombreuxtravauxconfirmentlesrsultatsobtenusparcestroisprcurseursdelanalysechimique des films forms par le frottement avec les additifs soufrs. Il est gnralement reconnuquecesfilmssontprincipalementconstitusdessulfuresdefersouventaccompagnsdediffrentscomposs soufrs oxyds tels que les sulfates ou les sulfones, mais aussi doxydes (voir I.3.7.ParamtresprendreencomptePrsencedoxygne).Laprsencedessulfuresdeferestdautantplus marque si les conditions tribologiques sont plus svres. Le rle des composs organiquesdtectsdanscertainsfilmsfaitobjetdequelquesdiscussions.Il faut attendre jusquau dbut du XXI sicle pour tmoigner de la performance dunetechnique de pointe danalyse des surfaces le XANES dans la tribochimie, en loccurrence danslanalysedetribofilmsformsparlesdiffrentsadditifsutilissdanslalubrification.Cettetechnique,particulirement sensible la diffrenciation des composs soufrs, met en vidence la formation,jamais constate auparavant, de diffrents types de sulfures de fer selon la svrit des tests defrottement raliss. Najman et Kasrai rapportent des rsultats trs intressants [NAJ_03]. Dans lesconditions de frottement moyennement svres, les auteurs dtectent en effet sur les films formsdessulfuresdeferFeS2(possibilitdepetitesquantitsdesulfuredeferFeS)etdessulfates.Danslesconditions plus svres, ils remarquent essentiellement la prsence des sulfures de fer FeS. Ilslattribuent la dcomposition de FeS2 ou la raction directe du soufre provenant de ladditifdcompos avec le fer mtallique. En outre, les surfaces des prouvettes non frottes immergesdans les huiles contenant diffrents additifs soufrs chauffes 100C prsentent uniquementlexistence des sulfates de fer FeSO4, Fe2(SO4)3 ce qui correspond aux rsultats obtenusantrieurement dans la littrature. Cela prouve, de nouveau, limportance des conditionstribologiques (pression, temprature et frottement) sur lactivit de ces additifs. Rcemment, lamodlisationdelactiondesadditifssoufrsparvoiegazeuse(lacrationdutribofilmalieuenphasegazeuse)permetdedistinguerlesdiversesformesdessulfuresdeferformes(FeSetFeS2)pardeuxadditifs dont les efficacits sont distinctes dans les mmes conditions testes [TAN_07]. Toutes cesnouvellesdonnessontdautantplusimportantesquelessulfuresdeferFeSetFeS2secaractrisentnon seulement par une forme chimique diffrente mais aussi par des proprits mcaniquesdiffrentes [WAT_00, WAN_05]. A lheure actuelle, lexplication de la prsence des diffrentssulfures, nest toujours pas tabli avec certitude, sagitil dune tape intermdiaire dedcomposition des additifs [NAJ_03] ou estce plutt li la capacit dun additif soufr donn former "un bon sulfure" dans les conditions tribologiques dtermines [TAN_07]. La discussion surles mcanismes daction des additifs soufrs semble donc prendre une nouvelle direction. Il estpossiblequetouteslespistespourcequiconcernelecomportementtribochimiquedecesadditifsnesoientpasencoreexplores.I.3.6.MECANISMESDACTIONDESADDITIFSSOUFRESDepuis quil est gnralement admis que les additifs soufrs ragissent avec la surfacemtalliqueparlaformationdefilmsdesulfuresdefer,plusieursmcanismesderactiondesadditifssoufrs ont t proposs dans la littrature. De multiples travaux ont t raliss pour comprendrelemodedactiondescesadditifsenrgimelimite.Cependant,leursmcanismesractionnelsjusquaujourdhui ne sont pas entirement lucids. La difficult de modliser les conditions extrmepression dans lesquelles ces additifs deviennent extrmement performants est une raison majeuredelambigutpersistanteautourdeleurmodedaction.La plupart des tudes ralises, dont lobjectif est de clarifier les ractions chimiques desadditifssoufrs,esteffectueenprenantcommemolculemodlelesdiffrentspolysulfuresquisecaractrisentparunestructurechimiqueassezsimple.Lespolysulfuresseclassentgalementparmiles additifs soufrs EP les plus efficaces du fait de leur contenu lev en soufre. Les mcanismesprsentsciaprssontbasssurlanalysedersultatsissusdeteststribologiques(sauflemodledeChapitie I Bibliogiaphie et pioblmatique ue ltuue 40Mori) et constituent les tapes les plus significatives dans la comprhension du mode daction desadditifssoufrsdanslalittrature.Davey et al. trouvent que les disulfures sont plus performants que les monosulfures, et quelesgroupesorganiquespeuventavoirunimpactsurlaperformancedesadditifs.Danslesconditionstribologiques moyennement svres, ils supposent quils agissent sous forme de films adsorbs demercaptates mtalliques et leur donnent un rle similaire celui des savons mtalliques. Dans lesconditionstribologiquessvres,cesadditifssontparconsquentassocislacapacitdesespcesadsorbes tre transformes par dcomposition en couche de sulfures mtalliques. La Figure I15montre le mcanisme des ractions de mono et disulfures propos par Davey et al., qui suit deuxtapesconscutives(adsorptionetdcomposition)[DAV_57].FigureI15:McanismedesractionsdemonoetdisulfuresselonDaveyetal.[DAV_57]Allum et Forbes contribuent la comprhension du mode de fonctionnement des additifssoufrs en ralisant de nombreuses tudes [ALL_65, ALL_68, FOR_70, FOR_70(2), FOR_73]. Ilssintressent particulirement linfluence des groupes organiques sur les performances AU et EPdes mono et disulfures. Selon Forbes, la performance EP des composs soufrs augmente avec lafaiblesse de la liaison RS, contrairement la performance AU qui dpend de la facilit rompre laliaison SS, donc de la formation des films de mercaptates metalliques [FOR_70(2)]. Selon lui, deuxfacteurs diffrents grent donc les performances AU et EP des additifs soufrs. Le mcanisme deractiondesdisulfuresproposparForbesdiscriminelactionAUetEPdesadditifssoufrsmais,surleprincipe,restetrssimilaireceluideDaveyetal.(cf.FigureI16).FigureI16:McanismederactiondesdisulfuresselonForbes[FOR_70(2)]Aprs avoir ralis ltude de la ractivit chimique des additifs soufrs en prsence depoudre de fer, Forbes et al. reviennent sur leurs constats concernant les performances AU desadditifs soufrs et suggrent quelles soient finalement fonction de groupes organiques attachs latomedesoufre[FOR_73].IlsconsidrentquelhomolysedelaliaisonSSmnelaformationdesthioradicauxdontlaractivit(danslasolutionouaveclasurfacemtallique)dpendradelaliaisonCScommedanslecasdesperformancesEP(cf.FigureI17).Chapitie I Bibliogiaphie et pioblmatique ue ltuue 41FigureI17:McanismederactiondesdisulfuresselonForbesetal.[FOR_73]Kajdas propose un mcanisme bas sur les interactions ioniques entre la surface et ladditifsoufr [KAJ_85]. Le frottement et les dformations plastiques activent la surface qui met desparticules(exolectrons)secaractrisantpardefaiblesnergies(24eV)etuneduredevielimite.Lesaspritsdelasurfacefrottesontainsichargespositivementcausedeleurmission.Lesexolectronsionisentlesmolculessoufresqui,quantelles,acquirentunechargengative.DaprsKajdas,lemcanismedactiondeladditifsoufrpeuttreexpliquparlaractiondeladditifsoufrcharg ngativement sur la surface frotte possdant la charge positive. La cintique de la ractiondpendra de la facilit dune molcule soufre devenir un ion ngatif. La Figure I18 montre lestapesconscutivesdanslathoriedeKajdas.FigureI18:McanismeioniquedactiondesadditifsselonKajdas[KAJ_85]:(1)Emissiondexolectronslesaspritsdelasurfacedeviennentpositivementcharges,(2)Molculedadditiftransformeenion(radical)ngatif(MR)prsdelasurfacefrotte,(3)Ractionde(MR)aveclasurfaceetformationdufilmorganiqueetdespolymresdefriction,(4)(MR)oM=SoufreentantquefilmAU(conditionsEPlibrationdesradicauxR)Morietal.mettentenvidencelimportancedelanaturechimiquedessurfaces(mtauxdetransition,mtauxsimples,alliages)etdeleuractivitchimiqueentantquesurfacesfrachespourlemode daction des additifs soufrs [MOR_88]. Lexprience de Mori consiste rayer la surface dontlactivit chimique est teste, avec un outil coupant sous vide temprature ambiante, enintroduisantlesmolculesmodlesdediffrentslubrifiantssousformedegaz.Ladiffrenceentrelapression du gaz introduit dans lenceinte et celle du gaz restant au bout dun certain temps estmesure avec le spectromtre de masse (analyseur quadripolaire). Le delta de pression ainsidterminestattribulachimisorptiondugazparlasurfaceteste.Mori et al. dmontrent que les additifs soufrs sont plus actifs sur la surface viergemtallique tandis que les additifs phosphors sont chimisorbs sur les surfaces oxydes [MOR_88,MOR_95]. La ractivit des surfaces mtalliques oxydes est diffrente de celle des surfaces(4)(2) (1)(3)Chapitie I Bibliogiaphie et pioblmatique ue ltuue 42mtalliques fraches. Les mesures de la ractivit dune surface vierge montrent quelle est trsractive et effectivement plus particulirement visvis du soufre [MOR_83]. Ceci explique laprdominance des composs soufrs dans les conditions EP (les surfaces vierges majoritairement)maisleurinfrioritparrapportauxcompossphosphorsdanslesconditionsAU(loxydenestpasencore enleve entirement) (cf. Figure I19). Le mcanisme de Mori tablit quil existe une affinitchimiqueentrelescomposspolairesetlasurfaceoxydeainsiquentrelescompossnonpolaires(parexemplelesadditifssoufrs)etlasurfacemtalliquefrache.FigureI19:ModledadsorptionsurlasurfacefrachecreparlerayageetschmaderactionsdescomposssoufrsetphosphorsproposparMori[MOR_95]Mori explique ces rsultats par le concept de la duret chimique de Pearson (HSAB Hardand Soft Acids and Bases Principles [PER_96]). Daprs cette thorie, les liaisons chimiques entredeux espces se font par une raction acidobasique au sens de LEWIS. Les ractions chimiquessuiventunesimplergle:unacidedurragitdefaonprfrentielleavecunebasedureetunacidemou avec une base molle (cf. Figure I20). Le soufre (S2) est classifi en tant que la base molle etinteragit avec lacide mou tel que le fer mtallique (Fe0), et pas avec un acide dur tel que celuiprsentsurlasurfaceoxyde(Fe3+,Fe2+).FigureI20:ClassificationdecertainsacidesetbasesdursetmousselonPearson[NAJ_03]Une approche de la duret chimique de Pearson est souvent utilise pour expliquer lesractions tribochimiques. Rcemment, quelques auteurs ont utilis ce principe pour illustrer laformationprfrentielledediffrentssulfuresmtalliques[DeB_03,NAJ_03,TAN_07].Chapitie I Bibliogiaphie et pioblmatique ue ltuue 43I.3.7.PARAMETRESAPRENDREENCOMPTEHuiledebaseMme si, dans le cas de la lubrification limite, toute limportance est attribue lactionphysicochimique des additifs et que lhuile de base joue un rle secondaire, la nature de la baselubrifiante (composition chimique, puret, degr de raffinage ou viscosit) est dcisive pour lastabilitdulubrifiantvisvisdeloxydation,labonnesolubilitetlamobilitdesmolculesdadditifetdonc,dansunecertainemesure,saperformancefinale.Forbesaccentuelefaitquelechoixdelhuiledebaseestimportantlorsdelaformulationdeslubrifiants[FOR_70].Puisquecertaineshuilesdebasecontiennentloriginedeslmentsactifstelsque les rsidus soufrs ou phosphors, le problme de comptition pour la surface peut apparaitreentre ces lments et les additifs incorpors dans le lubrifiant. Cameron et al. dmontrent que labonne compatibilit de lhuile de base avec ladditif rsulte en la formation de films lubrifiants pluspaisetplusrsistantsauxsollicitations[CAM_77].PrsencedoxygneLa couche doxyde facilement renouvele est une premire barrire de protection dessurfaces qui entrent en contact. Quelques travaux raliss en usinage en prsence doxygnemontrentquesoneffetestbnfiquepourlacoupe(baissedeseffortsdecoupe)contrairementauxoprations ralises en prsence dazote ou dargon [ROW_66, MOU_72]. Loxygne peut provenirde lair ambiant, si lopration est ralise sec, ou du lubrifiant (oxygne sous forme dissoute).Nanmoins,saconcentrationdanslelubrifiant,danslecasdune saturation,estaumoins deuxfoismoinsimportantequecelledeladditif[MOR_95].Limportancedeloxygnepourlactiondesadditifssoufrsdanslalubrificationlimiteatsoulignepardenombreusestudes.Daprscertainsauteurs,saprsenceestmmeindispensablepourquelessulfurespuissenttreforms.Dailleurs,lanalysedessurfacesdefilmsformspendantle frottement avec les composs soufrs montre que les sulfures de fer sont toujours accompagnsdoxydesmtalliques.Godfreyetal.supposentquelaprsencedeloxydedeferestuneconditionncessairepourquelesadditifssoufrspuissentassurerleursperformancesextrmepression[GOD_62].Tomaruetal. suggrent que loxygne en prsence de ladditif soufr peut agir dans les conditions delubrification mixte et ainsi donc agir avec lui de faon synergique. Loxygne est galement lun desparamtreschimiquesquicontrleraitlaformationdufilmdesulfure[TOM_77].Danslemcanismedaction des additifs soufrs par ionisation daprs Kajdas, la prsence de loxyde (ou dautres filmsinorganiques)estncessairepourquelasurfacemettelesexolectronsquiconditionnenttoutelaractionetparconsquentlaformationdefilmsdesulfures(cf.FigureI18).Sakaietal.ralisentunetude dans laquelle ils dmontrent quune insuffisance ou un excs doxygne dans le lubrifiantbaissentdefaonimportantelaperformancedesadditifssoufrs[SAK_92].Delammemanirequela concentration de ladditif soufr dans le lubrifiant, la concentration de loxygne doit treoptimise. Selon certains auteurs, loxyde de fer protge aussi contre la sulfuration excessive dessurfacesquisontencontactaveclesadditifssoufrs[TOM_77(2),WHE_78].Toutes ces tudes dmontrent limportance de loxygne dans les ractions tribochimiquesaveclesadditifssoufrs.Ilsembleraitquelesconcentrationsdecesdeuxlmentsdanslelubrifiantdterminentsaperformancefinale.InteractionavecdautresadditifsLes lubrifiants sont constitus dun mlange dadditifs dont certains ragissent paradsorption ou ont besoin dtre adsorbs pour ragir avec la surface mtallique. Ce sontChapitie I Bibliogiaphie et pioblmatique ue ltuue 44essentiellementlesadditifsquisedistinguentparunepolaritleve,telsquecertainsadditifsantiusure, les dtergents ou les additifs donctuosit. Il existe donc une comptition entre ces diversadditifs tre adsorbs en priorit sur la surface. Cette rivalit est souvent lorigine desinteractions antagonistes entre les lments chimiquement actifs dans le lubrifiant et peuventengendrerunebaissedeperformance.Mme si certains additifs sont considrs comme ayant des domaines de fonctionnementdiffrentsetdesmomentsdipolairesplusoumoinslevstelsquelesadditifssoufrsetphosphors,il est quasiment impossible de prvoir le genre et lordre de grandeur des interfrences entre cesdiffrentes espces au niveau molculaire. En fonction de diffrentes associations entre desmolcules soufres et phosphores, la performance du lubrifiant peut tre dtriore (interactionantagoniste) ou amliore (synergie) [PAP_98]. Autrement dit, un l