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Nouvelles méthodes d’essai pour les éléments roulants en céramique

Auteurs :
Oskar Schöppl, spécialiste produits céramiques de haute technologie, SKF Österreich, Steyr (Autriche).
Michael Böttger, spécialiste produits céramiques de haute technologie, SKF Österreich, Steyr (Autriche).

Roulements hybrides Autres industries Recherche et théorie

Les roulements constitués de bagues en acier associés à des éléments roulants en céramique, appelés roulements hybrides, offrent indéniablement la meilleure solution pour les applications les plus exigeantes.
Le matériau céramique utilisé, un nitrure de silicium de qualité roulements, se distingue des autres céramiques courantes par une dureté, une ténacité et une résistance extrêmement élevées, des propriétés déterminantes sur le plan des performances. Les spécifications SKF pour ce matériau exigent également des tolérances serrées.

En matière de fabrication des billes et rouleaux en nitrure de silicium pour roulements hybrides, des process différents conduisent à des microstructures différentes et, par conséquent, à des propriétés mécaniques différentes [1]. Il est donc nécessaire de soumettre les billes ou rouleaux à des essais pour s’assurer que les exigences minimales, en termes de résistance, de tenue à la rupture et de propriétés de la microstructure, sont satisfaites sur l’élément de roulement réel et non uniquement sur des échantillons de barres spécialement préparées pour des essais de flexion.

Cet article présente plusieurs nouvelles méthodes pour tester les propriétés de matériaux céramiques spéciaux. Ces méthodes, développées au sein de SKF en collaboration avec des partenaires de recherche, sont déjà en partie utilisées dans le cadre de la production et définies dans des normes internationales. L’objectif est de générer des données utiles pour prédire et garantir les performances des éléments céramiques dans les roulements hybrides.

Essai par rayures sur des échantillons en céramique
Il a été montré que des nuances différentes de nitrure de silicium présentent des différences significatives en termes d’aptitude à la rectification, d’initiation et de propagation des fissures. Il est possible d’employer un dispositif d’essai par rayures pour l’étude systématique des effets de l’usure par glissement sur des matériaux à base de nitrure de silicium. À l’origine, les essais par rayures ont été mis au point pour tester l’adhérence des revêtements, mais ils ont également trouvé des applications dans le domaine des essais sur échantillons. Pour cet essai, une pointe en diamant de géométrie définie est guidée sur une surface, à une vitesse définie comprise entre 1 et 20 mm/s et sous une charge qui augmente linéairement. La trace qu’elle laisse peut être évaluée à l’aide d’un microscope. Le montage de l’essai est illustré par la Fig. 1, tandis que la Fig. 2 montre des exemples de rayures.

Lorsque la charge est appliquée, des fissures elliptiques se forment sous la pointe. Quand elle est relâchée, des fissures latérales apparaissent sous l’effet de la libération des contraintes dans la zone de contact. À un certain niveau de charge, des fissures apparaissent, puis s’allongent avec l’augmentation de la charge. À des niveaux de charge élevés, c’est le début de l’écaillage. Un certain nombre de facteurs et de propriétés des matériaux, on le sait, influent sur ce comportement relatif à l’usure par glissement : dureté, transformation de phase, élasticité, résistance à la propagation des fissures, frottement, humidité, lubrification et le glissement répété jouent un rôle dans l’aspect de l’empreinte [2–4]. Cette empreinte laissée par une pointe définie soumise à une charge spécifique n’est pas sans rappeler les essais de dureté classiques du fait de la corrélation entre la largeur de la rayure et la dureté, comme sur la Fig. 3.

Un facteur important pour une mise en œuvre efficace et réussie d’un nouveau matériau est son aptitude à la rectification. Il s’agit d’un terme général qui englobe taux d’enlèvement de matière, écaillage, force de rectification, fini de surface, tolérances et intégrité de la sous-couche [4]. L’évaluation statistique des différents matériaux de nitrure de silicium à partir de l’essai par rayures permet de les classer sur la base de la taille moyenne des fragments en fonction de la charge exercée sur la pointe en diamant, comme le montre la Fig. 4. Cela est en parfaite corrélation avec des paramètres de rectification comme la pression et la vitesse.

Essai de résistance à la rupture quasi-statique
Pour les billes finies, la première approche adoptée au sein de l’industrie des roulements consistait en un simple essai de compression sur deux ou trois billes, disposées les unes sur les autres. Cet essai fournissait une estimation très approximative de la « capacité de charge statique ». La résistance du matériau aux fissures et à la détérioration dans les contacts hertziens était testée par indentation avec des billes en carbure de tungstène ou par des essais de résistance au choc.

Grâce à des outils modernes et à l’analyse des données, il est possible d’évaluer la rupture fragile de la céramique sur des billes en céramique. Cette méthode est actuellement en cours de développement au sein de SKF. Trois billes en céramique sont alignées dans une cellule de mesure mécanique, comme illustré par la Fig. 5. On augmente la charge de compression lentement et linéairement pendant la mesure de la déformation et des émissions acoustiques. Des essais similaires ont été réalisés précédemment, mettant l’accent sur l’analyse de la formation des fissures [5].

Il apparaît que la déformation plastique permanente est liée à la charge maximale par une fonction pratiquement linéaire et caractéristique des différentes catégories de matériaux céramiques (Fig. 6). En outre, la charge minimale pour la déformation plastique permanente et la charge critique pour la formation de fissures (d’après l’analyse du signal d’émission acoustique) permettent de classer différentes nuances d’un matériau de même composition chimique et sont en parfaite corrélation avec la solidité et la résistance aux chocs.

Essai sur bille entaillée et sur rouleau entaillé
La résistance, propriété clé des matériaux, est généralement mesurée sur des éprouvettes de flexion spécialement fabriquées à cette fin. Cela peut poser problème dans la mesure où ces éprouvettes doivent être coupées et finies différemment par rapport aux éléments roulants. C’est pourquoi SKF, en partenariat avec l’université Montan de Leoben, en Autriche, a mis au point une nouvelle méthode d’essai alternative baptisée « essai sur bille entaillée ». Dans cet essai, un élément fini est entaillé dans le plan équatorial, ce qui simplifie la procédure et permet d’obtenir des valeurs plus pertinentes pour le composant réel en céramique.

L’essai de résistance proprement dit consiste à appliquer une charge au niveau des pôles de la bille entaillée, perpendiculairement à l’entaille, à l’aide de deux enclumes parallèles (Fig. 7). Les faces entaillées sont ainsi compressées l’une contre l’autre, ce qui génère des contraintes sur la surface opposée au fond de l’entaille. La charge est ensuite augmentée de manière uniforme jusqu’à la rupture. La résistance du matériau est calculée à partir de la force de rupture [6–9]. Les résultats de résistance de 30 échantillons généralement sont représentés graphiquement sur une courbe résistance-probabilité de défaillance appelée diagramme de Weibull, représentée à la Fig. 8. D’après la loi de Weibull, la résistance est liée au volume effectif ou à la surface effective. Par conséquent, ces derniers doivent être calculés pour permettre d’établir des comparaisons avec d’autres méthodes de mesure de la résistance. L’« essai sur sphère C », mis au point par le Laboratoire national d’Oak Ridge, aux USA [10], a servi de point de départ dans ces travaux de développement. La différence réside dans le fait que, pour l’essai sur bille entaillée, la géométrie de l’entaille est mince (5–15 % du diamètre de la bille), contre 50 % dans l’essai sur sphère C. L’échantillon est ainsi plus facile à préparer puisque la découpe à réaliser dans le matériau céramique haute résistance utilisé pour les billes de roulements en céramique est plus petite.

Pour l’essai sur rouleau, une entaille similaire longue et étroite, d’une profondeur d’environ 80 % du diamètre d’un rouleau cylindrique, est réalisée symétriquement dans le plan médian le long de l’axe du rouleau perpendiculaire aux extrémités. Dans l’essai de résistance réalisé avec ce type de rouleau entaillé, une charge est appliquée au niveau des contacts linéaires du rouleau entaillé (Fig. 9). Du fait de la géométrie plus complexe, le modèle sous-jacent est plus pointu, mais la réalisation pratique est relativement similaire à celle de l’essai sur bille entaillée [11, 12].

Conclusion
L’utilisation de céramiques haute performance dans des applications de roulements exige des connaissances approfondies sur le comportement du matériau lors de la transformation du produit et au stade du produit fini. Ensemble, les essais présentés ci-dessus permettent une analyse complète et complémentaire des propriétés des éléments roulants réels et l’identification de différences subtiles en termes d’aptitude à la rectification, de tenue à la rupture et de résistance en fonction de la microstructure du matériau, de la taille et du fini de surface de l’élément ­roulant.

Fig. 1. Montage d’essai avec une pointe diamant (A), un échantillon de céramique intégré (B) et un capteur acoustique (C). Fig. 2. En haut : rayures multiples traitées avec un agent d’imprégnation fluorescent pour rendre les fissures et l’écaillage plus visibles ; en bas : topographie 3D d’une rayure montrant la déformation et la libération des contraintes à travers les fissures latérales.Fig. 3. Corrélation entre largeur des rayures et dureté pour différents matériaux de nitrure de silicium.Fig. 4. L’analyse statistique de la taille moyenne des fragments en fonction de la charge appliquée permet de classer différents matériaux de nitrure de silicium en termes d’aptitude à la rectification et de paramètres de rectification. Fig. 5. Montage de l’essai de tenue à la rupture avec trois billes en céramique dans une cellule de mesure équipée d’un capteur d’émissions acoustiques (entouré en rouge). Fig. 6. Courbe de la déformation typique des billes céramiques en fonction de la charge.Fig. 7. Distribution des contraintes (à g.) et montage pour l’essai sur bille entaillée (au centre) ; bille après rupture (à d.). À l’intérieur de l’entaille, une feuille de caoutchouc mince est destinée à amortir le choc après la fissuration. Fig. 8. Courbe de Weibull de l’essai sur bille entaillée réalisé sur des billes en nitrure de silicium de 31,75 mm. L’évaluation statistique permet d’extraire la valeur de résistance moyenne (σ0) et la distribution de la résistance (m).Fig. 9. Distribution des contraintes (à g.) et montage pour l’essai sur rouleau entaillé (au centre) ; rouleau cylindrique après rupture (à d.).

[1] G. Ziegler et al., Journal of Materials Science 22 (1987) 3041—3086
[2] D. M. Kennedy et al., Journal of Materials Processing Technology 77 (1998) 246—253
[3] M. G. Gee, Wear 250 (2001) 264—281
[4] O. Desa & S. Bahadur, Wear 225 (1999) 1264—1275
[5] S. K. Lee, Journal of the American Ceramic Society 80 (1997) 2367—2381
[6] P. Supancic et al., Ceramic Transactions  210 (2010) 327—36
[7] P. Supancic et al., Journal of the European Ceramic Society 29 (2009) 2447—2459
[8] P. Supancic et al., Key Engineering Materials 409 (2009) 193—200
[9] ÖNORM M 6341:2013, Notched ball test
[10] A.A. Wereszczak et al., Journal of the American Ceramic Society 90 (2007) 1843—1849
[11] S. Strobl et al., Journal of the European Ceramic Society 34 (2014) 2575—2584
[12] S. Strobl et al., Journal of the European Ceramic Society 34 (2014) 4167—4176

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