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Choisir le bon matériau de roulement et comment cela affecte la performance

~ Comment les différents types de paliers peuvent affecter les performances des paliers ~

Bien que les roulements soient mécaniquement très simples, le choix du matériau de roulement adapté aux conditions de chargement et d'environnement peut considérablement affecter les performances des roulements.

Richard Huber - spécialiste des matériaux, Matmatch

Richard Huber - spécialiste des matériaux, Matmatch

Ici, Richard Huber, spécialiste des matériaux au site de comparaison de matériaux Matmatch, explique ce que les ingénieurs de conception devraient prendre en considération lors du choix du matériau pour leurs roulements.

Que ce soit dans une usine de fabrication d'aliments, sur une chaîne de montage automobile ou même dans des produits de consommation comme les planches à roulettes et les outils électriques, les roulements jouent un rôle essentiel dans la réduction des frottements entre les pièces mécaniques.

Les roulements sont de toutes formes et tailles, cependant, les types les plus courants comprennent les paliers lisses, qui consistent simplement en un arbre tournant dans un trou aidé par une section gainée, et des roulements, constitués de billes ou de cylindres entre les anneaux intérieurs et extérieurs. En plus de cela, les roulements contiennent d'autres éléments tels que des chemins de roulement pour guider les billes et les cages afin d'assurer un alignement et un espacement corrects.

Le corps de palier et la structure sont le plus souvent en acier, les chemins de roulement et les cages (ou éléments de retenue) étant généralement faits d'acier ou de plastique et les billes peuvent être en acier, en céramique ou en plastique.

Pour permettre aux ingénieurs de conception de sélectionner facilement le bon matériau pour le travail, Matmatch vise à devenir la plus grande base de données de biens matériels librement accessible sur Internet aujourd'hui. Dans cette base de données, plusieurs types de matériaux peuvent être sélectionnés pour les roulements.

Matériau de palier en acier

L'acier est largement disponible et fonctionne bien sous forte charge grâce à sa capacité de charge radiale et statique élevée, lui permettant d'atteindre une grande vitesse de rotation sans risque de déformation permanente des billes.

C'est parce que la plupart des roulements dans les applications industrielles sont fabriqués en acier au chrome (SAE 52100). Cela a des niveaux plus élevés de teneur en carbone et environ 1.5 pour cent de chrome. Le processus de fabrication implique une étape de traitement thermique contrôlée qui prend la dureté de surface autour de 60-64 sur l'échelle de dureté Rockwell (HRc). Cela donne non seulement à l'acier chromé une finition plus lisse et plus dure, mais cela signifie également qu'il peut supporter des températures plus élevées allant jusqu'à 120 degrés Celsius.

Cependant, l'acier est lourd, bruyant et la faible teneur en chrome de l'acier chromé lui confère une faible résistance aux produits chimiques et à la corrosion. Cela signifie que, malgré la dureté élevée, toute exposition à l'eau et aux composés acides présents dans le lubrifiant, ou même la poussière et les débris, peuvent entraîner une usure accrue et une fatigue sur les billes d'acier et le chemin de roulement; l'impact prolongé de celui-ci, si rien n'est fait, conduira à la rupture catastrophique ultime du roulement.

Ceci est particulièrement important pour les environnements de production alimentaire, par exemple, où les niveaux ambiants de chaleur et d'humidité changent régulièrement. Une machine peut frire et cuire des aliments, tandis qu'une autre machine située plus bas dans la chaîne peut refroidir et congeler le produit.

À cette fin, les utilisateurs de roulements peuvent envisager de choisir un acier inoxydable qui contient généralement une teneur en chrome supérieure à 18%, ce qui lui confère un niveau de résistance à la corrosion plus élevé.

L'acier inoxydable AISI 440C est fabriqué en utilisant un processus de fabrication standard qui implique un chauffage rapide et une trempe, ce qui rend l'acier martensitique, ce qui signifie qu'il donne à l'acier une structure cristalline dure.

Ainsi, bien que l'acier inoxydable 440C ait une dureté légèrement inférieure - et une capacité de charge inférieure - à celle de l'acier chromé, il peut supporter des températures allant jusqu'à 250 degrés Celsius. Ceci est utile pour les applications de roulements où une vitesse élevée doit être maintenue en permanence.

Matériel de roulement

L'un des inconvénients de ces deux types d'acier est que leur teneur en carbone leur confère des propriétés magnétiques qui les rendent impropres à l'utilisation dans des équipements médicaux tels que les appareils d'imagerie IRM. Ici, les ingénieurs devraient considérer les aciers inoxydables austénitiques tels que AISI 316 (carbone - 0.08% Max).

La faible teneur en carbone rend ce type d'acier non magnétique. Cependant, il est important de noter que ceci empêche également que l'acier soit durci de manière efficace, donc il a une faible capacité de charge et est donc limité à des vitesses de rotation inférieures.

Matériau de roulement en céramique

Pour les applications pharmaceutiques, alimentaires et de traitement chimique, les roulements peuvent être exposés à des niveaux élevés de produits chimiques, de détergent et d'acides et placés sous de lourdes charges. Ici, les ingénieurs peuvent être mieux servis par des roulements qui utilisent des billes en céramique. Bien que les bagues et les bagues puissent encore être en acier, les billes seront en céramique.

Les roulements à billes fabriqués à partir de matériaux céramiques tels que le nitrure de silicium (Si3N4) offrent des surfaces plus lisses, une dilatation thermique plus faible, une dureté élevée (sur 70 HRc), une faible corrosion et une faible conductivité électrique.

Les roulements à billes en céramique peuvent être environ 60 pour cent plus légers, 120 pour cent plus durs et près 70 pour cent plus rigides que leurs homologues en acier, tout en atteignant encore une température nominale beaucoup plus élevée de plus de 700 degrés Celsius.

Les billes en céramique nécessitent également moins de lubrification - souvent en mesure de fonctionner sans lubrification - offrent des niveaux de friction plus bas et restent froides à haute vitesse. Fondamentalement, les roulements en céramique peuvent être utilisés dans des applications non magnétiques.

L'inconvénient est que les paliers en céramique peuvent souffrir de faibles capacités de charge et sont plus sensibles aux chocs thermiques, ce qui peut entraîner des fissures. Dans ces situations, le choix d'autres types de céramique comme la zircone (ZrO2) et le carbure de silicium (SiC) peut offrir le meilleur résultat.

Matmatch portant la base de données de matériaux

Matériau de palier en plastique

Le plastique est idéal pour les zones non magnétiques, non conductrices et très corrosives. Ici, les roulements offrent une alternative très légère et très résistante. Les plastiques utilisés dans les roulements peuvent être très variés, notamment polyoxyméthylène (POM-C), polyamide général (PA6 / 66), polyétheréthercétone (PEEK), polyfluorure de vinylidène (PVDF), polytétrafluoroéthylène (PTFE, Téflon) et fibres imprégnées de phénol.

Les plastiques sont bons à des vitesses normales et élevées; Elles sont autolubrifiantes, résistantes à la corrosion et fonctionnent en douceur et en douceur, pouvant atteindre des températures allant jusqu'à 150 degrés Celsius. Ceci est obtenu grâce au faible coefficient de frottement (COF) du plastique, qui reste constant avec le temps, car le plastique présente une usure réduite.

Cependant, il faut faire preuve de prudence à des températures très élevées et dans des applications où le roulement est soumis à des charges élevées, car cela peut entraîner une déformation permanente des billes et de la cage.

Au fur et à mesure que les applications industrielles et grand public deviennent plus complexes, il est important que les ingénieurs choisissent non seulement le bon type de roulement, mais également le bon matériau de roulement pour l'application. L'utilisation d'une base de données sur les matériaux est la première étape vers un meilleur rendement, des économies de coûts et une meilleure durée de vie du produit.

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