25 Mai 2018  |  Matériaux
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 03/2018

Des aciers spéciaux pour des roulements performants

L’utilisation d’aciers adaptés aux applications, ainsi que les traitements de surface appropriés, permettent d’améliorer la fiabilité des roulements, contribuant ainsi à réduire les coûts de fonctionnement des machines et équipements.

La sélection et l’optimisation des matériaux 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 techniques clés de recherche et développement.
 
Fig. 1. Un mélange d’alliage spécial et de traitement thermique spécifique a été utilisé pour développer l’acier Super Tough de NSK.
 

La pureté du matériau
La durée de vie des alliages d’aciers de roulements, comme le 100 Cr6 - ou SUJ2 selon la norme japonaise -, dépend principalement de la teneur en inclusions. Les inclusions non métalliques ou d’oxydes, en particulier, ont des effets négatifs sous la surface de roulement. À 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. Cet effet a lieu parce que les inclusions d’oxydes d’aluminium sont relativement dures et susceptibles de se rompre au moment du traitement de l’acier, pendant la forge, par exemple. Lorsqu’une rupture se produit, les inclusions rétrécissent et affaiblissent la microstructure.
En partenariat avec un important aciériste, 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.
Fig. 2. Des roulements à billes à gorges profondes BNEQARTET sont utilisés dans les entraînements de machines électriques, comme les appareils ménagers.
 

Un 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 des 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 dans le 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 de 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.
 

Fig. 3. Type de dommages caractéristiques: zones de fissures de phase blanche sous la surface du matériau.
 

La différence réside dans l’alliage
Le troisième paramètre en quête d’une haute fiabilité 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, résultent de la combinaison d’un traitement thermique optimal avec un alliage spécial (fig. 1). La trempe des aciers au moyen d’un procédé de type carbonitruration, par exemple, 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 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. Voici deux exemples.
 
Fig. 4. Roulements à quatre rangées de rouleaux cylindriques chromatés utilisés comme roulements intégrés aux planétaires dans les éoliennes.
 
 
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 (fig. 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’un acier spécial, empêchant ainsi 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 environnementales 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 (fig. 3). 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, ce qui provoque des défauts de surface, tels que des piqûres et écaillage des structures blanches (WSF).
Les scientifiques n’ont jamais pu expliquer parfaitement l’origine de ces 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 et courants électriques, les facteurs chimiques, les mouvements de glissement, ainsi que la diffusion d’hydrogène.
 
Fig. 5. Avantages de l’acier Super-TF en cas d’utilisation d’un lubrifiant contaminé.
 

Le développement de contre-mesures
Grâce à la reproduction en laboratoire de fissures de phase blanche, NSK a pu élaborer des contre-mesures. Celles-ci incluent la chromatation des aciers de roulements à trempe martensitique, ainsi que d’autres matériaux spécifiques (fig. 4). Ce processus additionnel s’est avéré retarder sensiblement l’apparition de WEC.
L’emploi de bagues de roulements en acier Tough Steel est une autre méthode efficace pour réduire la probabilité de détérioration par WEC. 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.
 
La réduction des dommages par WEC
Quant à l’usure de surface due à une mauvaise lubrification ou à un lubrifiant contaminé, elle est fortement réduite par l’emploi de roulements STF (fig. 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.
L’emploi de roulements en acier AWS-TF (Anti-White Structure-Tough), un matériau NSK développé spécifiquement pour prévenir les dommages par WEC, représente une autre stratégie avantageuse. 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 de détériorations par WEC. La série de tests a ensuite été renouvelée avec l’AWS-TF. Après une durée de vie huit fois supérieure à celle des bagues de roulement en acier conventionnel, on n’a détecté aucune zone de fissures en phase blanche (WEA) dans le matériau.
 

Fig. 6. Les composants et revêtements céramiques des roulements constituent un autre domaine de recherche de NSK.
 
 
Matières synthétiques 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 ciblées aux caractéristiques des cages. Par ailleurs, la céramique et les revêtements céramiques (fig. 6) jouent un rôle croissant lorsque des ajustements s’imposent en termes de conductivité électrique et de résistance à l’usure des roulements. À ce sujet, NSK a récemment mis au point une céramique appelé HDY2, présentant des caractéristiques optimisées d’isolation et de conductivité thermique.
Enfin, chez NSK, la tribologie et les lubrifiants constituent un autre domaine d’intérêt prioritaire s’agissant du développement des matériaux.
 
À propos de NSK
Fondée il y a 100 ans, NSK (Nippon Seiko Kabushiki Kaisha) est une société japonaise cotée en bourse, passée du statut de fournisseur régional de roulements à billes à celui de spécialiste des roulements et de sous-traitance automobile, présent sur les marchés mondiaux. L’entreprise emploie actuellement plus de 31’500 personnes dans 30 pays. Au 31 mars 2017, NSK a réalisé un chiffre d’affaires de 950 milliards de yens. Ce résultat est le fruit d’investissements croissants en recherche et développement, grâce auxquels l’entreprise améliore sans cesse la qualité de ses produits et services.
Outre une gamme complète de roulements, NSK conçoit et fabrique des composants de précision et des produits mécatroniques, ainsi que des systèmes et composants destinés à l’industrie automobile, dont notamment des roulements de roue et des systèmes de direction assistée électrique.
En 1963, fut inaugurée la première filiale européenne à Düsseldorf et, en 1976, la première usine européenne à Peterlee, en Angleterre. Aujourd’hui, NSK Europe est en charge des ventes sur le continent européen, grâce à ses sites de production et ses centres de recherche situés en Angleterre, en Pologne et en Allemagne, ainsi qu’à ses centres de logistique implantés aux Pays-Bas, en Allemagne et en Angleterre. En 1990, NSK a racheté le groupe UPI, dont le fabricant de roulements européen RHP et son usine de Newark au Royaume-Uni. Au sein de cette organisation, les 3600 employés de NSK Europe ont réalisé un chiffre d’affaires de plus d’un milliard d’euros en 2017.
 
 
NSK France S.A.S.
78283 Guyancourt
Tél. +33 (0)1 30573939
www.nskeurope.fr


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