La stiction d’un couple disque/garniture de friction – etude bibliographique

Présentation du phénomène de stiction

Le terme de stiction est formé de deux mots qui sont static et friction [17] (ou stick et friction [18]). Il est utilisé dans plusieurs domaines comme par exemple pour la sauvegarde de données informatiques [19], les microsystèmes électroniques[20], les valves[21], etc. Dans ces domaines la stiction est définie comme étant le seuil de force tangentielle qu’il est nécessaire d’appliquer sur un objet solide « A » en contact avec un autre objet solide « B » pour permettre le mouvement relatif du premier objet solide « A » [18], [22].

Les mécanismes à l’origine de ce phénomène ont été largement discutés dans les domaines de la sauvegarde des données informatique (tête de lecture dans les disques durs) et des microsystèmes électroniques (accéléromètres, capteurs de pression…) [19], [22]–[24]. En effet, l’origine de ces forces de stiction est attribuée à la présence de lubrifiants liquides et d’humidité adsorbés à l’interface de deux objets solides en contact. La Figure 1.1 présente le schéma de l’aspérité d’un solide « A » en contact avec un solide « B ». A l’interface de ces deux objets, l’humidité (condensation capillaire), permet leur stiction.

Dans le cas d’une tête de lecture en contact avec un disque dur, Homola et al. [19] proposent de décrire cette force de stiction (Fs), d’après les analyses de Matthewson [25], par :

𝐹𝑠 = 𝜇(𝐹𝑚 + 𝑃) + 𝐹𝑣

Où µ est le coefficient de friction statique, P, la force appliquée sur l’objet en mouvement, Fm, la force du ménisque et Fv, la force due à la viscosité du liquide.

Les têtes de lecture possèdent une surface de contact de l’ordre du mm² les valeurs de la force stiction sont de l’ordre de 1 N [26].

Dans le cas des freins automobiles, le phénomène de stiction se produit à l’interface disque-patin de frein et se traduit par l’adhésion du patin au disque lors du serrage du frein de parking. La surface du patin est de quelques dizaines de cm² et les forces de stiction mesurées dans la majorité des cas varient de quelques centaines de N à quelques milliers de N [27]. Cette force nécessite alors des efforts importants pour le décollement du patin et peut générer dans certains cas une immobilisation temporaire du véhicule et/ou des arrachements de matière au niveau du patin.

Les mécanismes à l’origine de ce phénomène dans les freins automobiles sont, à ce jour, inexpliqués et la littérature concernant ce sujet est peu abondante [10]–[13]. Toutefois, lors d’études précédentes réalisées par CBI [28] et par l’un de ses fournisseurs de patins [29], les analyses de la surface d’un patin ayant subi une stiction, ont montré la présence d’oxydes de fer provenant de la corrosion du fer présent dans le disque de frein. L’hypothèse selon laquelle la corrosion du disque serait à l’origine de ce phénomène est, de ce fait, privilégiée. Les oxydes de fer produits à l’interface disque-patin pourraient, du fait de l’espace confiné, s’incruster dans les pores du matériau de friction et ainsi créer des liaisons assez fortes pour que le patin adhère au disque. C’est d’ailleurs une analyse partagée par de nombreux auteurs ayant traité ce sujet [10]–[13].

La fréquence d’apparition et l’intensité du phénomène de stiction dépendent du comportement électrochimique (corrosion) du disque et du patin. Ce comportement dépend à son tour de plusieurs paramètres, dont la composition des patins, des disques ainsi que d’autres propriétés physicochimiques (porosité, état de surface…). Il peut également dépendre de paramètres tels que l’environnement extérieur (humidité, oxygène, pH, sels utilisés sur les routes…). De ce fait, il nous semble nécessaire de nous attarder d’abord sur la composition des disques et des freins, pour ensuite discuter de l’influence des autres paramètres sur leur comportement électrochimique et en stiction.

Composition d’un frein automobile 

L’utilité première d’un frein, quel que soit son domaine d’application (automobile, aviation, ferroviaire…), est de ralentir un corps en mouvement, de l’arrêter ou de le maintenir immobile (stationnement). Il existe plusieurs technologies de freins, dont celle qui nous concerne dans ce travail, à savoir, celle transformant idéalement l’énergie cinétique en chaleur par frottement entre deux solides. Dans le domaine automobile, ce couple de solides est constitué soit, d’un disque et des plaquettes ou patins (frein à disque), soit d’un cylindre creux et des segments (frein à tambour). Actuellement le couple de friction tambour/segments n’est plus monté qu’à l’arrière du véhicule, tandis que le couple patin/disque peut être monté à l’avant comme à l’arrière [30]. On note cependant qu’actuellement le frein à tambour tend de plus en plus à être remplacé par le frein à disque, notamment pour des raisons de performance et de sécurité [31]. Dans ce qui suit nous nous limitons uniquement à la présentation du couple de friction patin/disque.

Le disque de frein

Lors du freinage, le frottement entre la surface du patin et la surface du disque appelée piste de frottement (Figure 1.3), produit de la chaleur qu’il est nécessaire de dissiper le plus rapidement possible, la température à la surface du disque pouvant atteindre 500°C [32]. De plus, le patin et le disque subissent au moment du freinage des efforts de flexion, de compression et une certaine usure [33]. Le matériau composant le disque de frein, doit alors résister à ces différentes sollicitations, dans le but d’assurer le meilleur freinage qui soit et ce, d’une manière durable. Depuis son apparition sur les véhicules de tourisme, au milieu du siècle dernier, le disque de frein (Figure 1.3), composé de fonte grise moulée (fonte à graphite lamellaire), n’a vu sa composition changer que très peu [34].

Hormis le fer et le carbone, quatre autres éléments entrent principalement dans la composition de la fonte grise : le silicium (1 à 3 % en masse), le manganèse (0,1 à 1 %), le soufre (< 0,15 %) et le phosphore (< 1,3 %). La concentration élevée de silicium fait qu’en réalité, les fontes sont des alliages fer-carbonesilicium. La composition de la fonte compte également des éléments à l’état de traces, parfois volontairement ajoutés. Ils peuvent être utiles, nocifs ou sans effet identifié selon la qualité de la fonte recherchée ; les principaux de ces éléments sont le nickel, le chrome, le molybdène, le cuivre, l’étain, le vanadium et l’aluminium [35].

Le patin

Le disque étant solidaire du moyeu, c’est le patin qui vient presser le disque lors du freinage . A ce jour, on ne trouve dans le domaine automobile que le patin « partiel ». Ce type de patin ne recouvre qu’une portion restreinte de la piste de frottement du disque (environ 10 à 15% [38]), ce qui permet une meilleure évacuation de la chaleur [33].

Lors du passage du disque sur le patin, ce dernier doit subir une usure faible et constante sur l’ensemble de sa surface [33]. Cette condition détermine la forme, les dimensions du patin (Figure 1.7), ainsi que les matériaux qui le composent. En plus de ce critère, le patin doit avoir un coefficient de frottement constant. En moyenne, ce coefficient est égal à environ 0,4 sur les véhicules étasuniens et il dépasse souvent 0,5 sur les véhicules européens [39]. Le patin doit également produire le moins de bruits et de vibrations possibles [40]. Ces propriétés doivent être stables sous différentes sollicitations: basse et haute températures, forte pression, humidité, etc. [41].

Pour répondre à toutes ces contraintes, le matériau de friction et la sous-couche des patins (parties a et b de la Figure 1.7) peuvent contenir plus de dix constituants [6], [7] formant ainsi un matériau composite complexe. Cependant, sa composition exacte, ainsi que les teneurs de ses différents constituants, ne sont jamais communiquées par les fabricants. De plus, cette composition a souvent été modifiée au cours des quarante dernières années, pour diverses raisons liées aux coûts de fabrication, à la disponibilité des matières premières, aux performances et particulièrement pour des raisons sanitaires ; l’amiante qui représentait l’un des principaux constituants des patins, a été interdit à partir des années 1980, 1990 et a été remplacé progressivement par d’autres matériaux [5]. Egalement pour des raisons sanitaires [42], [43], le cuivre dans les patins tend à être graduellement remplacé dans certains pays. C’est le cas, par exemple, de l’Etat de la Californie, aux Etats-Unis [44].

Il existe dans la littérature des études qui fournissent des informations partielles sur la composition du patin. Ces études décrivent également les rôles qu’exercent les différents constituants du patin sur ses propriétés. On peut alors classer ces constituants, selon leurs rôles, en cinq catégories différentes [5], [9], [42] :
1- Les liants (la matrice) : la fonction première de ces matériaux, est d’assurer la cohésion de l’ensemble des constituants du patin [45]. Les liants les plus communément utilisés sont les résines phénoliques. Selon les types de patin, elles représentent 20 à 40% de leur volume total [5], [42]. De plus, ces résines sont stables à haute température [9]. Elles influencent également le comportement tribologique du matériau de friction en augmentant son coefficient de frottement [6] et déterminent la porosité du patin [10]. Cette dernière représente environ 5 à 10% du volume total, voire plus dans certains cas [30].
2- Les fibres de renforcement : ces fibres ont pour rôle essentiel d’améliorer les propriétés mécaniques de la matrice [46], [47]. Après l’interdiction des fibres en amiante dans les patins, des fibres de substitution ont été incorporées dans la composition du patin. On peut classer ces fibres, selon leur nature, en trois groupes [5], [9], [42], [46] : les fibres organiques, les fibres inorganiques non métalliques et les fibres métalliques [48]. Elles peuvent également servir à améliorer les propriétés de conduction thermique du patin [49] ; c’est le cas des fibres métalliques. Toutefois, la corrosion de ce dernier type de fibres peut être un inconvénient à leur utilisation [46].
3- Les modificateurs de friction : les fabricants de patin utilisent ces constituants afin d’atteindre les propriétés frictionnelles finales du patin en terme d’usure et de coefficient de frottement [46]. Selon leur nature, les modificateurs de frictions peuvent soit abaisser le coefficient de frottement (ce sont les lubrifiants) comme par exemple le graphite [50], soit augmenter ce coefficient (alumine, zircone [9], [50]).
4- Les abrasifs : ces constituants, tels que la zircone [50] ou l’alumine [9] ont pour rôle de « nettoyer » la surface de frottement [5] en limitant l’accumulation des produits d’usure du patin sur cette surface [42]. Indirectement, ils améliorent aussi les performances tribologiques des patins [51].
5- Les charges diverses : ces matériaux, de faibles coûts, sont ajoutés à la composition globale du patin pour en augmenter le volume [52], tout en réduisant son prix. Ils peuvent aussi venir renforcer certaines propriétés autres que les propriétés tribologiques du patin, thermiques par exemple. On les appelle alors, charges fonctionnelles [9], [53].

Les différents types de patins 

L’évolution de la réglementation sanitaire concernant l’amiante et les avancées technologiques dans le domaine des freins automobiles fait qu’actuellement, il existe au moins trois types de patins [5], [59], [66], [67]. Cette classification s’articule autour de la nature des matériaux de renforcements (qu’ils soient sous forme de fibre ou de poudre) composant le patin [8], [9]. On peut alors distinguer :
– Les patins NAO (Non-Asbestos Organics) : les premiers patins présents sur les véhicules de tourisme, au milieu du siècle dernier, étaient essentiellement composés d’amiante noyé dans une résine organique [8], [9]. L’utilisation de ce type de patin s’est prolongée jusqu’à son interdiction graduelle dans les années 1980 et son interdiction complète dans les années 1990s. Ce n’est alors que progressivement, qu’on a vu émerger l’utilisation de patins organiques sans amiante (Non Asbestos Organic – NAO) [68]. L’amiante était présente sous forme de fibres de différentes longueurs, ce qui permettait à ce matériau de réunir plusieurs propriétés comme le renforcement mécanique, une bonne stabilité thermique, un coefficient de friction élevée et une bonne résistance à l’usure [9], [59].  Pour pallier à l’interdiction de l’amiante, il a fallu aux fabricants de patins utiliser plusieurs autres matériaux afin d’élaborer des patins ayant de bonnes propriétés frictionnelles, mécaniques et thermiques [5]. On peut alors trouver dans les patins NAO plus d’un constituant ayant comme fonction le renforcement mécanique du matériau composite [9]. Cependant, on observe une large utilisation des fibres d’aramide et peu ou pas de fibres en acier dans les patins NAO actuels [66], [67].
– Les patins semi-métalliques (Semi-met) : La production de véhicules plus légers et plus petits, qui s’est répandue à partir des années 1960 [69], s’est accompagnée de la réduction de la taille des freins et a eu pour effet d’augmenter les températures atteintes à la surface des disques [59], [70]. On voit alors, en parallèle aux patins en amiante, les patins semi-métalliques être utilisés pour des applications à plus haute température [59]. Ces patins peuvent contenir jusqu’à plus de 50% de leur poids en métaux, sous forme de fibres et poudres de renforcement à base d’acier [45], [68], [71]. De plus, les patins semi-métalliques se caractérisent par une très forte teneur en graphite [72]. Cependant, l’utilisation de ce type de patin tend à être remplacée par les patins NAO, notamment, du fait de leur coût supérieur à celui des patins organiques [59], [73].
– Les patins low steel et les patins low metal (low met) : l’absence de fibres en acier dans les patins NAO peut être un inconvénient dans la mesure où, ce type de fibres possède de bonnes propriétés thermiques [67]. Les patins low steel et les patins low met ont été, à ce titre, commercialisés plus récemment, afin d’apporter une solution à cet inconvénient. Dans la majorité des cas, les low steel sont utilisés dans les freins avant des véhicules, tandis que les low met sont davantage utilisés à l’arrière. Autre différence notable, la teneur totale en matériaux métalliques est comprise entre 5 et 35% dans les patins low met [74], tandis que les patins low steel contiennent des fibres en acier à hauteur de 5 à 15% [66] et moins de matériaux abrasifs que les patins low met [73].

Phénomène de stiction, quelques hypothèses

Le serrage 

Le frein de parking électrique est composé de trois éléments essentiels : un moteur à courant continu, un système vis-écrou et un étrier flottant [2]. Du fait de la présence d’un espace entre le patin et le disque lors de l’actionnement du frein de parking, l’opération de serrage s’effectue en deux temps. Dans un premier temps, la force de serrage (F) est appliquée et l’espace entre le patin et le disque est mécaniquement supprimé. La force de serrage continue d’être appliquée jusqu’à un certain seuil de courant moteur correspondant à une force limite. La force de réaction (F’), perpendiculaire à la surface de contact, est alors engendrée, entraînant une augmentation soudaine de la force de friction, ce qui provoque le verrouillage mécanique et la position P est alors conservée.

Evolution après le serrage

Avant la mise en fonction du frein de parking, le patin qui est un matériau poreux, peut piéger un certain volume de solution électrolytique. Cette solution peut contenir des sels tels que le NaCl (provenant des sels de déneigement [75]) qui peuvent augmenter sa conductivité. A l’arrêt du véhicule et après la mise en fonction du frein de parking, le patin est « serré » contre le disque et l’interface patin-disque est en contact avec le volume d’électrolyte, initialement « emmagasiné » dans le patin. La corrosion du disque est alors amorcée et s’accompagne d’une accumulation des produits de corrosion à l’interface du disque. L’existence d’une zone occluse à l’interface disque-patin occupée par une couche mince d’électrolyte provoquerait une corrosion par aération différentielle [76], [77] dont la conséquence serait une redistribution de potentiel s’accompagnant d’une redistribution de la réactivité. De plus, le contact direct des différents matériaux métalliques présents dans le patin et la surface du disque en présence d’un volume d’électrolyte, pourrait dans ce cas engendrer une corrosion galvanique et une aggravation de la dissolution du fer que contient le disque, si toutefois le potentiel de corrosion des métaux du patin est plus positif que celui du disque. De tels scénarios provoqueraient une exacerbation de la dissolution du fer et une plus large accumulation des produits de corrosion.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I – LA STICTION D’UN COUPLE DISQUE/GARNITURE DE FRICTION – ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
1. Présentation du phénomène de stiction
2. Composition d’un frein automobile
2.1. Le disque de frein
2.2. Le patin
2.2.1. Les différents types de patins
3. Phénomène de stiction, quelques hypothèses
3.1. Le serrage
3.2. Evolution après le serrage
3.3. La stiction
4. La stiction des freins : vers un phénomène contrôlé par l’électrochimie
4.1. La corrosion généralisée : cas du disque seul
4.2. Corrosion localisée : cas du disque en contact avec un patin
4.2.1. Corrosion en milieu confiné (cellule occluse)
4.2.2. Corrosion galvanique
4.2.3. Corrosion galvanique en couche mince d’électrolyte
5. Paramètres influençant la stiction dans les freins automobiles
5.1. Effet du pH sur la stiction
5.2. Effet de la porosité sur la stiction
5.3. Effet des fibres métalliques sur la stiction
5.4. Effet de l’état de surface sur la stiction
5.5. Effet de la composition de la solution corrosive sur la stiction
5.6. Effet de la pression sur la stiction
6. Objectifs de la thèse
CHAPITRE II – MATERIAUX, DISPOSITIF EXPERIMENTAL ET METHODES
1. Matériaux
1.1. Disques analysés
1.2. Patins analysés
1.3. Préparation des échantillons de disque
1.4. Préparation des échantillons de patin
1.5. Microstructure des échantillons de disque
1.6. Microstructure des échantillons de patin
2. Dispositifs expérimentaux
2.1. Montage électrochimique sans force de serrage
2.2. Montage électrochimique avec force de serrage
2.3. Montage électrochimique avec patins instrumentés
2.3.1. Patin instrumenté pour étudier l’influence du cuivre contenu dans le patin commercial
3. Techniques de caractérisation
3.1. Les techniques électrochimiques
3.1.1. Mesures de potentiel de circuit ouvert (potentiel de corrosion)
3.1.2. Mesures de voltampérométrie
3.1.3. Estimation de la vitesse de corrosion au voisinage du potentiel de corrosion
3.1.4. Mesures d’impédance électrochimique
3.1.5. Mesure de densité de courant local avec bi-électrodes
3.1.6. Mesures de spectroscopie d’impédance électrochimique locale (SIEL)
3.2. Les techniques d’analyse de surface
3.2.1. Analyse MEB/EDS, Cartographie X
4. Simulations sous COMSOL®
4.1. Présentation de la simulation
4.1.1. Description du modèle
4.1.2. Paramètres d’entrée
CHAPITRE III – ETUDE DU COMPORTEMENT ELECTROCHIMIQUE DE COUPLES DISQUE-PATIN
1. Introduction
2. Analyse du couple disque-patin
2.1. Influence de la présence du patin (Cas du couple disque B2 – Patin NAO 1)
2.1.1. Influence de la présence du patin sur l’évolution de Ecorr
2.1.2. Influence de la présence du patin sur la cinétique de corrosion
2.1.3. Analyse des produits de corrosion
3. Influence de la composition du patin sur la réponse électrochimique du disque
3.1. Influence de la composition du patin sur Ecorr
3.2. Influence de la composition du patin sur Rp et Rt
3.3. Influence de la composition du patin sur Jcorr – Vers un premier critère de sélection de couple disquepatin
4. Conclusion
CHAPITRE IV – ETUDE DES MECANISMES DE CORROSION A L’INTERFACE DISQUE-PATIN
1. Introduction
2. Origine du déplacement de Ecorr du couple disque B2 patin NAO 1
3. Rôle du cuivre
3.1. Mécanisme de dépôt du cuivre proposé
3.2. Thermodynamique associée à la dissolution et du dépôt du cuivre
3.3. Suivi du potentiel du disque et du fil de Cu
3.4. Identification des zones cathodiques et anodiques à l’aide d’indicateurs colorés
4. Effet de la couche mince d’électrolyte sur la réponse électrochimique du disque
5. Distribution de courant et de potentiel sur la surface du disque
5.1. Simulations sous Comsol® : Effets de la distance patin-disque sur les caractéristiques de polarisation électrochimiques
5.2. Mesures électrochimiques locales avec bi-électrode
5.2.1. Suivi de la densité de courant locale jloc en fonction du temps
5.2.2. Cartographie de la densité de courant locale jloc après 3 heures
5.2.3. Mesures de spectroscopie d’impédance locales (SIEL ou LEIS pour Local Electrochemical Impedance Scpectroscopy)
6. Conclusions
CHAPITRE V – EFFET DE LA PRESSION SUR LES PHENOMENES DE CORROSION DU COUPLE DISQUE-PATIN
1. Introduction
2. Essais de corrosion en brouillard salin
3. Mesures électrochimiques avec force de serrage
3.1. Mesures de suivi du potentiel de corrosion
3.1.1. Suivi du potentiel de corrosion sur des temps courts
3.1.2. Suivi du potentiel de corrosion sur des temps longs
3.2. Mesures de spectroscopie d’impédance électrochimique
3.2.1. Suivi de l’impédance sur des temps courts
3.2.2. Suivi de l’impédance sur des temps longs
3.3. Observations des produits de corrosion
4. Conclusion
CONCLUSIONS GENERALES ET PERSPECTIVES
BIBLIOGRAPHIE

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