Optimisation de systèmes colloïdaux en phase aqueuse pour la lubrification en conditions extrêmes : application au tréfilage

Optimisation of colloïdal systems to lubrication in extreme conditions. Application to wire drawing

• Auteur / Autrice : Christelle Genin
• Direction : Denis Mazuyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lubrifiants

Tréfilage

Lubrification

Mots clés libres

Systèmes colloïdaux

Résumé

Les lubrifiants à base aqueuse sont très largement utilisés dans les procédés de mise en forme des métaux, en particulier en tréfilage, car ils combinent d'excellentes capacités calorifiques à une bonne efficacité tribologique. C'est au cours du procédé de tréfilage humide que le Steelcord, à savoir les fils en acier laitonné qui composent la nappe des pneumatiques à structure radiale, acquiert ses propriétés mécaniques finales. La volonté constante d'augmenter la productivité impose l'utilisation de vitesses de plus en plus rapides et d'aciers ayant une limite élastique de plus en plus élevée. Pour répondre à ces exigences, la mise au point d'un nouveau type de lubrifiant a été nécessaire. Alors que les émulsions huile dans eau sont aujourd'hui largement utilisées, cette étude s'intéresse au comportement de dispersions aqueuses de cire en conditions extrêmes. Des essais sur une tréfileuse analytique ont prouvé l'efficacité de systèmes simples constitués d'eau, de particules de cire et de tensioactif à lubrifier les contacts rencontrés lors du tréfilage. La simulation expérimentale du processus de tréfilage sur un tribomètre ElastoHydroDynamique, complétée par des analyses de surfaces, a mis en évidence qu'une simple adsorption des particules de cire sur les surfaces, sans effet tribochimique, assure la formation de films lubrifiants. Un mécanisme de lubrification a été proposé : une couche limite de particules de tensioactif se forme instantanément sur les surfaces en contact et permet d'éviter leur usure le temps que des particules de cire viennent progressivement s'adsorber en surface. Ceci conduit à la formation d'un film lubrifiant plus ou moins épais selon le débit de particules de cire entrant dans le contact. Ce dernier sera fonction de la quantité de particules présente dans le convergent et de la capacité des particules à entrer dans le contact. Selon la nature des particules et les conditions tribologiques du contact (température, la vitesse d'entraînement du fluide, vitesse de glissement entre les deux solides), les films lubrifiants auront des caractéristiques propres. L'importance des interactions entre les particules elles-mêmes et les surfaces vis à vis des propriétés tribologiques et mécaniques des films formés a été mis en évidence. Ce travail constitue une première étape dans la mise au point d'un nouveau type de lubrifiant à base de particules d'EGDS simplement dispersées dans l'eau.

Water based lubricants are widely used in metal forming process, particularly during drawing process because they combine good cooling and lubrication capabilities. Wet drawing is a key step in steelcord manufacturing. Lubrication must ensure good mechanical properties of the steelcord, brass coated steel wires composing the casing of radial tires. The will to improve the productivity of the metal working hardest materials leads to increase loads and drawing speed. So, the development of a new range of lubricant is necessary. This study focuses on the behaviour of aqueous wax dispersions under extreme conditions. The efficiency of fluids, containing only wax particles dispersed in water by a surfactant has been proved and was confirmed in industrial conditions. The experimental simulation of wire drawing process on an EHD tribometer, completed with surfaces analyses, shows that particles adhere to surfaces and ensures film formation only by simple adsorption without any tribochemical reactions. Thanks to all this observations, a lubrication mechanism has been established : A monolayer of surfactant appears quasi instantaneously and is progressively replaced by particles which enter in the contact. A lubricating film was gradually created by particles that are crushed under pressure contact. Particles nature seems to determine the capacities of wax dispersion to form a shear resistant film. EGDS wax particles are more efficient than EBS wax particles, may be because interactions generated by EGDS particles are stronger. This work constitutes a first step in the development of a new range of water based lubricant containing EGDS wax particles.