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Étude de la transition tribologique entre le fretting et le meso-fretting pour des matériaux de contact électrique

Gagnon, Daniel (2005). Étude de la transition tribologique entre le fretting et le meso-fretting pour des matériaux de contact électrique. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Dans les installations électriques, les contacts sont toujours soumis à des contraintes alternées ou à des micro-déplacements. Il en résulte une corrosion par fretting, phénomène défini comme un type de détérioration de la surface qui se produit lorsque deux matériaux en contact sont soumis à des mouvements microscopiques d'oscillations de très faible amplitude (0 à 100 μm). Ceci a pour effet de provoquer une dégradation de la résistance de contact et une interruption du passage du courant. Ce phénomène a des répercussions considérables sur le plan pratique puisque les micro-déplacements de pièces en contact peuvent être causés par la dilatation thermique différentielle des métaux, par des vibrations mécaniques, par la relaxation des contraintes ou par l'échauffement des contacts lorsqu'on interrompt et rétablit le courant.

Nous avons donc dans le cadre de cette thèse étudié plusieurs aspects du fretting (0-100 μm) et du meso-fretting (100 à 1000 μm) pour différents matériaux de contact électrique. Des travaux expérimentaux ont été réalisés à partir de deux montages reproduisant divers aspects de la dégradation par le fretting. Un premier montage de fretting de type bille-plaque a été entièrement développé à l'ÉTS et un second montage, de type fil-plaque a été utilisé en collaboration avec Hydro Québec IREQ à Varennes. Plusieurs techniques de mesures et d'analyse relevant tant du domaine de la mécanique du contact que de la métallurgie ont été utilisées pour traiter les résultats.

L'influence du courant sur le taux d'usure et la force de friction a été examinée pour divers matériaux de contacts. Des essais de fatigue thermique et électrique ont été réalisés sur divers matériaux et lubrifiants de contact. Il a été démontré que pour le domaine entre 100 μm et 1000 μm, le taux d'usure n'est pas le même de 0 à 100 μm et au delà de 1000 μm. La plupart des matériaux évalués montrent un stade de comportement intermédiaire dont le début se situe entre 100 μm et 300 μm. Lorsque l'on substitut le courant CC à un courant CA de 60 Hz ou 400 HZ, la morphologie des débris aux abords de la zone de contact est différente. De plus, lors de la comparaison du vieillissement thermique par conduction versus par chauffage électrique de certains alliages sans plomb, il a été montré qu'il pourrait y avoir une différence entre les deux en ce qui concerne le taux de croissance des phases intermétalliques.

Titre traduit

Study of the tribology transition domain between fretting and macro-fretting wear phenomenas for electrical contact materials

Résumé anglais

Fretting in electrical contacts is a common problem of significant practical importance that can affect a wide range of electrical equipment, incur costly component replacement and even more expensive equipment downtime. The process is defined as accelerated surface damage occurring at the interface of contacting materials subjected to small oscillatory movements of 0 to 1 00 um in displacement. The fretting motion can be produced by mechanical vibrations, differential thermal expansion, load relaxation, and also by junction heating as the power is switched on and off. It is generally accepted that fretting is limited to slip amplitudes not greater than 100 um. A considerable amount of rapidly oxidizing debris is usually generated in the contact area. This will lead to the build-up of an electrically insulating layer, which will gradually increase the contact resistance and will eventually lead to the electrical contact failure.

One the main goal of this study was to examine the wear behaviour of different electrical contact materials in the transition zone between a pure fretting regime (motion amplitude from 0-100 um) to a macro-fretting regime (motion amplitude from 100 à 1000 um). Beyond the 1000 um, it is generally accepted that the regime is of the domain of general wear. Fretting tests were conducted on a variety of experimental setups. One of them was especially constructed for this purpose at ÉTS. The second experimental fretting set-up is located at Hydro Quebec IREQ and uses wire on plate samples. The ÉTS set-up developed for this study and uses ball on flat specimens. lt was also constructed to permit measurement of the friction force and coefficient during the fretting motion of 5 individual samples. The wear rate of the plate samples was measured using both optical and electron microscopy. Various other surface analysis techniques such as techniques such as EDX, thermo-gravitometry and micro-resistance measurements were used to analyze the samples. With regards to the advent of new materials in the electrical utilities industry, some thermal degradation testing was carried out in the course of our study. The fretting behaviour of high temperature contact aid compounds and some new lead-free alloys, were evaluated. Intermetallic layer growth has also been investigated for a variety of lead-free alloys.

Results have shown that the presence of a 50 mA electrical current in the contact zone is affecting the wear rate and friction force of most materials tested. lt was shown that the onset of loss of contact in the copper-to-copper samples coïncides with a change in the friction coefficient for ball on flat samples. The wear rate in the transition domain from a pure fretting regime (<100 um) to a pure wear regime (>1 000 um) is specific to that fretting amplitude bracket. Depending on the material tested, a distinctive macrofretting wear rate starts around 100 to 300 um. When an AC current is injected instead of a DC current in copper-to-copper samples, a different debris morphology is observed for 60 Hz and 400 Hz AC current. Thermal aging tests on lead free alloys has shown a potential difference in the mechanism of formation of intermetallic layers between the electrically heated samples and the oven heated ones. A model for the degradation mechanism under the influence of fretting is proposed for the lead free alloys.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliogr.: f. [211]-219. Chap. 1. Principaux objectifs et hypothèses de travail -- Chap. 2. Mécanismes de dégradation des contacts électriques -- Chap. 3. Le meso-fretting -- Chap. 4. Montages expérimentaux -- Chap. 5. Résultats -- Chap. 6. Discussions -- Recommandations pour la poursuite des travaux.
Mots-clés libres: Contact, Degradation, Electrique, Frottement, Materiau, Macro-Usure, Micro-Frottement, Surface, Tribologie, Usure.
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Masounave, Jacques
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Braunovic, Milenko
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 31 janv. 2011 21:27
Dernière modification: 01 nov. 2016 23:17
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/341

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