Lubrification par les composés organo-soufrés en phase gazeuse : Approche de la lubrification dans la coupe dees métaux

Gas phase lubrification of sulphur compounds : lubrification approach in cutting metals

• Auteur / Autrice : Johny Tannous
• Direction : Jean-Michel Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux. Tribochimie
• 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

Usure (mécanique)

Travail de l'acier

Soufre -- Composés organiques

Frottement

Mots clés libres

Tribochimie

Extrême pression

Tribomètre UHV

Résumé

Les composés organo-soufrés sont utilisés comme additifs extrême pression (EP) et anti-usure (AW) dans plusieurs applications industrielles et en particulier dans la lubrification du travail des métaux. Dans ces types d’applications en régime limite, les conditions sévères de frottement (températures et pressions importantes) engendrent des phénomènes de grippage et provoquent des usures importantes ainsi que des soudures entre les surfaces en contact. Pour remédier à ces problèmes, des additifs AW/EP comme les composés soufrés sont ajoutés aux huiles de base afin de réduire l’usure, le frottement et l’effet de pression entre les surfaces en contact. Ces molécules soufrées agissent sur la surface métallique pour former des tribofilms de sulfures métalliques. La composition chimique de ces tribofilms n’est pas clairement identifiée et les mécanismes d’action de ces molécules ne sont pas encore totalement compris. Pour répondre à ces questions, nous avons développé une démarche originale qui modélise expérimentalement la lubrification limite des composés soufrés en phase liquide par la phase gazeuse au moyen d’un tribomètre sous environnement contrôlé. L’approche par la lubrification en phase gazeuse permet de confirmer les résultats obtenus en lubrification liquide mettant en évidence des différences de comportements tribologiques entre les alcanethiols et les polysulfures. Ces composés organo-soufrés (alcanethiols et polysulfures) se décomposent sous l’effet de cisaillement uniquement sur une surface métallique active, pour former un tribofilm. Les propriétés tribologiques sont gérées par les tribofilms formés, composés de sulfure de fer (FeS/Fe1-xS) dans le cas des alcanethiols et d’un mélange de sulfures de fer (FeS/Fe1-xS) et de disulfure de fer (FeS2) dans le cas des polysulfures. La différence de comportement tribologique semble liée à la structure des tribofilms formés. Les sulfures de fer (FeS/Fe1-xS) adoptent une structure lamellaire qui leur confère des bonnes propriétés réductrices de frottement en comparaison au disulfure de fer (FeS2) qui adopte une structure orthorhombique, cette dernière n’ayant pas d’effet réducteur de frottement. Le disulfure de fer (FeS2) semble avoir un rôle important dans des conditions très sévères en empêchant la soudure des surfaces. Ces nouveaux résultats significatifs n’ont pas été observés auparavant par les approches classiques.

The organo-sulphur compounds are used as extreme pressure (EP) and anti-wear (AW) additives in several industrial applications and particularly in metal working lubrication. In these kinds of applications in boundary lubrication, the severe conditions of friction (high temperatures and pressures) generate phenomena of seizing and thus cause important wear and welding between the contact surfaces. To solve these problems, AW/EP additives as the sulphur compounds are added to the base oils in order to reduce wear, friction and the pressure effect between the contact surfaces. These sulphur molecules act on metal surface to form metal sulphides containing tribofilms. The chemical composition of these tribofilms is not clearly identified and the reactions mechanisms are still largely unknown. In this work, we develop an original approach to simulate the boundary lubrication of the sulphur compounds in liquid phase by the gas phase lubrication with an environmentally controlled tribometer. The approach by gas phase lubrication confirms the results obtained in liquid lubrication showing a difference of tribological behaviours between the alkanethiols and polysulphides. These organo-sulphur compounds (alkanethiols and polysulphides) decompose under shearing effect, only on activated metallic surface, to form a tribofilm. The tribological properties are related to the nature of tribofilms composed of iron sulphides (FeS/Fe1-xS) in the case of the alkanethiols, a mixture of iron sulphides (FeS/Fe1-xS) and iron disulphide (FeS2) in the case of polysulphides. The difference in behaviour seems related to the tribofilms structure. The iron sulphides (FeS/Fe1-xS) have a lamellar structure which confers to them good friction reducing properties in comparison with iron disulphide (FeS2) which has an orthorhombic structure, the latter does not give any effect on friction reducing. The iron disulphide (FeS2) seems to have an important effect under severe conditions in order to prevent welding of surfaces. These new results are significant and have never been observed before by traditional approaches.