Tribologie de systèmes d'étanchéïté en mouvement alternatif linéaire pour vérins hydrauliques

The construction business is a field where heavy weight displacement is a major activity.
Hydraulic cylinders are a way to overcome these states. The environment of a hydraulic cylinder
is varied and could be extreme in some cases. Heavy loads, speed, heat and contamination
challenged engineers. In some applications, severe wear is observed at critical mechanical contact
of a hydraulic cylinder.
This thesis is about tribology of mechanical dynamical linear contact of industrial and telescopic
hydraulic cylinders. Amongst all contacts of hydraulic cylinder, those forms by a seal and an
antagonist are object of this project. The antagonist can be rod or tube of a hydraulic cylinder.
The first aim reach during this work is the definition of the present contact. By this, the
characterisation of material and measurement of work's conditions of a hydraulic cylinder have
been done. To conduct studies of seal's contact in lab, the use of a tribometer is a good way to
achieve reproducible measurement. After reproduction of the contact of interest, new couples of
material would be try to improve sealing ability of the contact.
The thesis begins by the presentation of actuals challenges for designer of industrial and
telescopic hydraulic cylinder. The art of literature present, after this introduction, general
tribology studies of rod seal contact. Documentation continues with presentation of actual and
new rod and tube coating. Before showing the results, experimental techniques and the operation
mode of tribometer are introduced.
The surface treatment, the most studied during this research, is nitriding. This technology is used
by Mailhot group to improve the mechanicals properties of these parts. Characterisations indicate
a harness of 793 HV for the white layer. Microscopic analysis indicates presence of porosity
growth during the surface treatment. Roughness's parameters also measured this feature of the
microstructure (Ra=0,22 μm, Rp=0,47 μm, Rk=0,71 μm). Concurrent coating, hard chrome, is
measured to have a hardness of 926 HV by nano indentation. Its surface finish is defined by
polishing scratches. Specimens of hard chrome on the market show a surface finish of (Ra = 0,18
μm, Rp=0,66 μm, Rk =0,60 μm).

Résumé

L'environnement de travail de vérins hydrauliques est varié et peut devenir extrême au niveau de
certaines applications. Des contraintes de charge, de vitesse, de température et de contamination
font partie des préoccupations des ingénieurs du domaine. Certains phénomènes d'usure sont
rencontrés au niveau des contacts mécaniques d'un vérin hydraulique.
Ce mémoire étudie la tribologie de contacts mécaniques dynamiques linéaires s'établissant au
niveau des vérins hydrauliques industriels et télescopiques. Plus précisément, le frottement entre
un joint d'étanchéité et une tige de vérin ou un tube sont les contacts étudiés plus en détails.
L'objectif de ces travaux de maîtrise est, dans un premier temps, de définir et d'étudier le
problème tribologique posé. La définition du contact s'effectue notamment par la caractérisation
des matériaux et de l'environnement du contact. L'étude du contact entre un joint et un
antagoniste s'effectue notamment à partir d'un tribomètre permettant de reproduire le contact. Par
la suite, un banc hydraulique est mis à contribution afin de vérifier la performance de nouveaux
couples de matériaux. L'innovation au niveau des matériaux s'est développée tant du côté des
joints d'étanchéité que des revêtements appliqués aux tiges et aux tubes.
Le présent mémoire débute par la présentation de la problématique au niveau de différents
secteurs industriels où les vérins hydraulique sont utilisés. Par la suite, une revue de la littérature
présente les diverses études entourant la tribologie d'un joint d'étanchéité lubrifié. On aborde
également les revêtements actuels de l'industrie et ceux en développement. Avant d'introduire les
résultats, les procédures expérimentales entourant la caractérisation des revêtements et l'emploi
des tribomètres sont décrites.
Ainsi, la caractérisation des couches nitrurées, revêtement utilisé par les Industries Mailhot,
indique une dureté de 793 HV au niveau de la couche blanche. Le fini de surface de ce type de
revêtement est caractérisé par la présence de porosité. Les paramètres de rugosité, recueillis au
niveau de tige de vérin en service, font d'ailleurs état de cette porosité (Ra=0,22 μm, Rp=0,47 μm,
Rk=0,71 μm, Rv=1.19 μm). Le revêtement concurrent, le chrome dur a également été caractérisé.
Sa dureté a été mesurée à 926 HV par nano indentation. Son fini de surface est défini par les
stries de polissage. Une tige de vérin chromée en service présente un fini de surface sans porosité
(Ra=0,18 μm, Rp=0,66 μm, Rk=0,60 μm, Rv=0,67 μm).