Matériaux de roulements essentiels à une fiabilité accrue

L´utilisation d´aciers de roulements adaptés aux applications et les traitements de surface permettent d´améliorer la fiabilité des roulements, laquelle à son tour contribue à la réduction du coût total de fonctionnement (CTF) des machines et équipements.


La sélection et l´optimisation des matériaux (acier) jouent un rôle capital dans le développement de roulements de hautes performances. C´est la raison pour laquelle l´ingénierie des matériaux constitue chez NSK l´une des quatre technologies clés de recherche et développement.

 

Pureté du matériau

La durée de vie en des alliages d’aciers de roulements comme le 100 Cr6 (ou SUJ2 selon la norme japonaise), par exemple, dépend principalement de la teneur en inclusions. Les inclusions non métalliques ou d´oxydes, en particulier, promeuvent des effets négatifs sous la surface de roulement. A titre d´exemple, on sait que les inclusions d´oxydes d´aluminium, formées par le processus d´oxydation lors de la fusion, peuvent entraîner une réduction importante de la durée de vie des roulements.

This effect is created because aluminium oxide inclusions are relatively hard and can break up when the steel is being processed, such as during forging. When break-up occurs, the inclusions shrink and weaken the microstructure.

Cet effet se crée car les inclusions d´oxydes d´aluminium sont relativement dures et susceptibles de se rompre au moment du traitement de l´acier, comme par exemple pendant la forge. Lorsqu´une rupture se produit, les inclusions rétrécissent et affaiblissent la microstructure.

En partenariat avec un aciériste majeur, NSK a développé des matériaux comme les aciers Z-steel, EP-steel et BNEQUARTET afin de prévenir ce type d´effet négatif. Certains de ces matériaux sont fabriqués au moyen de procédés de fusion qui réduisent la teneur non métallique et prolongent la durée de vie.

Traitement thermique adapté aux applications

Le traitement thermique constitue un autre paramètre qui influe sur les caractéristiques spécifiques des aciers et affecte par conséquent aussi les roulements. C´est la raison pour laquelle les matériaux comme l´acier SHX de NSK font l´objet d´un traitement thermique spécifique particulièrement résistant à l´usure à haute température. Les roulements de ce type sont indispensables non seulement là où la chaleur est présente comme partie intrinsèque du processus, mais aussi dans les applications de machines-outils où les hautes vitesses de broches génèrent des températures élevées dans les composants d´entraînement.

Lors du développement, les caractéristiques l´acier SHX ont été démontrées au moyen de tests exhaustifs de résistance à l´usure, dont notamment des tests à quatre billes et à rouleaux, ainsi que de durée de vie du matériau et de la surface.

 

La différence réside dans l´alliage

Le troisième paramètre en quête d´une fiabilité supérieure des roulements, c´est l´alliage. Les alliages peuvent prévenir ou du moins réduire la formation de fissures dans la microstructure du roulement. Là encore, en collaboration avec des aciéristes, NSK a développé différents alliages spéciaux pour ce profil d´application..

Les matériaux comme l´acier Super Tough de NSK résultent de la combinaison d´un traitement thermique optimal avec un alliage spécial (Image 1). Par exemple, la trempe des aciers à l´aide d´un procédé de type carbonitruration multiplie par deux la durée de vie par rapport à la longévité estimée dans des conditions de lubrification contaminées. Dans les environnements où le lubrifiant a une teneur normale en impuretés, la durée de vie du roulement peut même être multipliée par dix. Cette amélioration de la performance est imputable à la réduction sensible de l´usure induite en surface provoquée par une lubrification insuffisante ou une contamination du lubrifiant. En retour, tout dommage potentiel causé par des fissures de phase blanche (WEC) est retardé.

 

Exemple 1

Le développement de nouveaux matériaux intervient généralement en fonction des tendances industrielles ou des modifications apportées aux exigences de l´application. Ce fut le cas pour la technologie BNEQUARTET, introduite il y a deux ans par NSK. (Image 2) et créée au départ en réponse à l´augmentation régulière de la taille des tambours de machines à laver. Les roulements à billes à gorges profondes très répandus en Europe dans les machines à laver à chargement frontal sont soumis à une charge inégale et asymétrique. Avec l´augmentation de taille des tambours, les charges de lavage supérieures sollicitent encore davantage les roulements. Face à cette situation, les experts en matériaux de NSK se sont efforcés d´améliorer la composition d´alliage d´un acier spécial empêchant la formation de fissures et d´indentations dans les pistes de roulement et, surtout, stoppant leur propagation. En outre, cet acier spécial est particulièrement pur. La série de mesures appliquées à la technologie BNEQARTET s´est traduite par le doublement de la durée de vie des roulements soumis à de fortes charges dans des conditions d´environnement défavorables.

 

Exemple 2

Autre exemple de développement de matériaux axés sur les applications, la technologie éolienne. Ici, une détérioration des roulements prenant la forme de WEC peut se produire sous la surface du matériau (Image3). Ces structures blanches de ferrite friable, formées par des modifications dans la microstructure, sont observables dans les sections transversales attaquées et polies du matériau. Les structures modifiées ne sont plus en mesure de supporter les fortes charges appliquées. Des WEC se forment et s´étendent, conduisant à des défauts de surface tels que piqûres et écaillage des structures blanches (WSF).

Les scientifiques n´ont jamais pu expliquer entièrement les raisons des fissures de phase blanche. Dans l´état actuel des réflexions, on suppose que les conditions sont dues aux effets de l´interaction des composants au sein de la motorisation. On entend par là notamment la dynamique, les frottements mixtes, les charges/courants électriques, les facteurs chimiques, les mouvements de glissement et la diffusion d´hydrogène.

Développement de contre-mesures : Grâce à la reproduction réussie en laboratoire de fissures de phase blanche, NSK a pu ensuite élaborer des contre-mesures comprenant la chromatation des aciers de roulements à trempe martensitique, ainsi que d´autres matériaux spécifiques (Image 4). Ce processus additionnel s´est avéré retarder sensiblement l´apparition de WEC.

Autre méthode efficace pour réduire la probabilité de détérioration par WEC : l´emploi de bagues de roulements en acier Tough Steel de NSK. Grâce à cette combinaison de traitement de matériau et de surface, la capacité de charge dynamique peut en général être améliorée de 23%, ce qui équivaut pour les roulements à multiplier par deux la durée de vie. Réduction des dommages par WEC - Quant à l´usure de surface due à une mauvaise lubrification ou à un lubrifiant contaminé, elle est grandement réduite par l´emploi de roulements STF (Image 5), tandis que les dommages potentiels par WEC sont retardés. La série de tests réalisée a démontré que la période antérieure à l´apparition de dommages était multipliée par deux.

Autre stratégie avantageuse : l´emploi de roulements en acier AWS-TF (Anti-White Structure-Tough), un matériau exclusif NSK développé spécifiquement pour prévenir les dommages par WEC. Au cours d´une série complète de tests, la durée de vie des bagues de roulement en acier conventionnel a été mesurée jusqu´à la détection d´apparition de détériorations par WEC. La série de tests a ensuite été renouvelée avec l´AWS-TF. A l´issue d´une durée de vie huit fois supérieure à celle des bagues de roulement en acier conventionnel, aucune zone de fissures en phase blanche (WEA) n´a été détectée dans le matériau.

 

Plastique et céramique

Chez NSK, le développement de matériaux ne concerne pas uniquement l´acier. Les matériaux plastiques, ainsi que les métaux non ferreux comme le laiton, font également l´objet de tests afin d´apporter des améliorations bien ciblées aux caractéristiques des cages. Par ailleurs, la céramique et les revêtements céramiques (Image 6) jouent un rôle grandissant lorsque des ajustements s´imposent en termes de propriétés de conductivité électrique et de résistance à l´usure des roulements. A ce sujet, NSK a récemment mis en place un développement céramique appelé HDY2, présentant des caractéristiques optimisées d´isolation et de conductivité thermique.

Enfin, les lubrifiants constituent un autre domaine d´intérêt prioritaire s´agissant du développement des matériaux. La tribologie est une compétence essentielle distincte dans l´organisation de recherche & développement de NSK, parallèlement à la technologie des matériaux..

 

Des roulements à billes à gorges profondes BNEQARTET sont utilisés dans les entraînements des machines électriques telles que les appareils ménagers.

Type de dommages caractéristiques : zones de fissures de phase blanche sous la surface du matériau

Roulements à quatre rangées de rouleaux cylindriques chromatés utilisés comme roulements intégrés aux planétaires dans les éoliennes.

 Avantages de l´acier Super-TF en cas d´utilisation d´un lubrifiant contaminé.


Les composants et revêtements céramiques des roulements constituent un domaine de recherche supplémentaire chez NSK.