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Tout ce que vous devez savoir sur les matériaux de roulement
Bearings sont essentiels à la fabrication et sont utilisés dans de nombreux types d’équipements et de machines. Des équipements industriels de base aux machines complexes, les roulements réduisent la friction et leur permettent de supporter différents types de charges. Par conséquent, l’utilisation de matériaux fiables et de qualité est cruciale pour le processus de fabrication des roulements.
Différents matériaux sont utilisés pour produire différents types de roulements de haute qualité et leurs nombreux composants. Ces matériaux sont soumis à un processus spécifique pour obtenir les propriétés souhaitées qui augmentent la durée de vie et les performances du roulement. Les équipes de l'AUB peuvent discuter des différents matériaux utilisés dans la fabrication des roulements et de la manière dont chacun affecte l'utilisation, l'intégrité et la fonction du roulement.
Les performances de tout roulement dépendent des propriétés de l'alliage choisi et de son traitement thermique. La sélection d'un matériau avec la dureté, la résistance à la corrosion et la résistance à la fatigue correctes garantit que le roulement fonctionnera de manière fiable dans les paramètres de fonctionnement et environnementaux de l'application. AUB utilise différents matériaux pour produire divers composants de roulement. Ces matériaux sont traités pour obtenir des caractéristiques idéales afin de maximiser les performances et la durée de vie des roulements. Les matériaux décrits ici sont les plus couramment utilisés. Le matériau du roulement est traité thermiquement en interne pour une dureté et une stabilité dimensionnelle optimales.
L'inspection automobile matériel commun utilisé pour la production de composants porteurs dans les roulements à billes de précision, les roulements à rouleaux et les roulements à rouleaux coniques est l'acier chromé 52100. Ces composants font référence aux bagues intérieures et extérieures des roulements, aux billes et aux rouleaux. La composition chimique de cet acier est riche en carbone et contient environ 1.5 % de chrome. Grâce à des méthodes d'usinage et de traitement thermique contrôlées, les composants de roulement finis ont une résistance élevée pour résister aux fissures et des surfaces dures pour résister à la fatigue de contact de roulement souterrain. Les duretés de surface typiques des composants de roulement fabriqués à partir de ce matériau vont de 60 à 64 sur l'échelle Rockwell C (Rc).
Il a un coût acceptable, un niveau de dureté élevé et un bruit de fonctionnement plus silencieux. Par conséquent, les avantages de l'utilisation de roulements en acier chromé sont une dureté élevée, une capacité de charge élevée, un faible décibel et une large accessibilité. Cependant, il doit rester lubrifié et ne résiste pas à la corrosion ou aux produits chimiques. Il est conseillé aux utilisateurs de protéger les roulements en acier chromé avec un revêtement d'huile ou antirouille pour éviter la corrosion.
Acier chromé 52100 ultra propre
L'acier brut utilisé pour produire des roulements de haute précision est traité avec une étape de fusion supplémentaire, ce qui donne un acier avec une structure très uniforme de matériau à grain fin - l'acier au chrome 52100 ultra-propre. Les surfaces de contact des roulements peuvent être super-finies très lisses, de sorte que les roulements fonctionnent très silencieusement.
La méthode de traitement thermique la plus courante pour les aciers au chrome consiste à tremper l'acier dans un four à atmosphère contrôlée. Les roulements en acier chromé peuvent fonctionner à des températures continues jusqu'à 120°C. Lorsque des températures plus élevées sont rencontrées, l'ensemble de roulement peut être thermiquement stabilisé. En faisant varier le processus de traitement thermique, il est possible de produire des roulements capables de fonctionner à 220°C ou plus. Pour ces applications, les composants des roulements doivent être trempés à des températures plus élevées correspondant aux températures de fonctionnement. Ce revenu accru a un effet négatif sur la dureté du matériau et la capacité de charge du roulement est réduite.
Comme le montre le tableau ci-dessous, la composition chimique standard des aciers au chrome varie d'un pays à l'autre.
Un autre matériau couramment utilisé pour fabriquer des roulements est l’acier inoxydable. L'acier inoxydable est un matériau de choix pour les roulements en raison de sa teneur élevée en chrome et en carbone, qui résiste à la corrosion de surface par rapport à l'acier chromé. Il existe plus de 60 qualités d’acier inoxydable, chacune variant en fonction de sa composition et de ses propriétés physiques. En général, la composition de l’acier inoxydable comprend diverses quantités de chrome, de carbone, de phosphore, de nickel, de manganèse et de molybdène. De plus, les nuances aident à décrire les propriétés des alliages d'acier inoxydable, notamment la résistance à la corrosion et à la température, la réponse magnétique, la ténacité, la ductilité, la soudabilité et l'écrouissage.
En plus de contenir au moins 18 % de chrome, l'acier inoxydable contient également du nickel. Le chrome de l'acier inoxydable réagit chimiquement lorsqu'il est exposé à l'oxygène, formant une couche d'oxyde de chrome à la surface des composants du roulement. Ce film chimique passivant apporte une protection supplémentaire au roulement. Cependant, les roulements en acier inoxydable sont moins durs en raison de leur teneur en carbone. En conséquence, ils ont une capacité de charge inférieure de 20 % à celle des roulements en acier chromé 52100.
Il existe deux types courants de roulements en acier inoxydable : martensitique et austénitique. Les roulements en acier inoxydable martensitique (SV30) subissent souvent une détérioration lors du traitement de l'acier d'origine, ce qui entraîne une réduction de la teneur en carbone et une augmentation de la teneur en azote dans le matériau. Le résultat est un acier à haute résistance, dureté et résistance à la corrosion améliorée. Les roulements en acier inoxydable austénitique (AISI316), quant à eux, sont amagnétiques et hautement résistants à la corrosion en raison de leur faible teneur en carbone. Cependant, ils ne peuvent être utilisés que pour des applications à faible charge et à faible vitesse.
La teneur en carbone de l'acier inoxydable de la série 400 est suffisamment élevée pour pouvoir être durcie à Rc58 en utilisant des méthodes de traitement thermique standard. Les roulements fabriqués dans ce matériau ont une capacité de charge inférieure de 20 % à celle des roulements en acier chromé 52100 en raison de leur dureté inférieure. Le niveau de teneur en carbone signifie que le composant est magnétique. La résistance à la corrosion est « bonne » lorsque le matériau 440C est exposé à de l'eau douce et à des produits chimiques doux. Ce matériau est très populaire parmi les fabricants de roulements américains.
Les roulements fabriqués en acier inoxydable 440C conventionnel seront légèrement bruyants car les carbures, qui se concentrent généralement aux joints de grains, sont exposés lors de la finition du chemin de roulement. Les roulements avec des alésages plus grands ne sont pas affectés par cette condition. Les roulements en acier inoxydable de la série 400 peuvent fonctionner à des températures plus élevées que l'acier chromé, jusqu'à 250°C en continu. Les roulements fabriqués dans ce matériau sont généralement plus chers que les roulements en acier chromé.
Acier inoxydable AISI 440 - Excellente ténacité et dureté avec une bonne résistance à la corrosion. Ce matériau est largement utilisé dans les applications de roulements où des tolérances et des finitions de surface précises sont requises. Un traitement thermique ordinaire peut être effectué conformément à la norme MIL-H-6875. Les roulements en acier inoxydable sont disponibles dans une variété de qualités et de compositions de matériaux en acier inoxydable. Les avantages des roulements en acier inoxydable incluent : Résiste aux conditions corrosives difficiles, ce qui prolonge la durée de vie, réduit les coûts de maintenance et les temps d'arrêt de l'équipement. L'exposition à l'eau de mer est l'une des applications les plus difficiles dans le monde des roulements. Des qualités spéciales d'acier inoxydable sont disponibles pour les applications en eau de mer.
Roulements en acier inoxydable martensitique – ACD34 / KS440 / X65Cr13
De nombreux fabricants de roulements utilisent de l'acier inoxydable avec une teneur en carbone et en chrome légèrement inférieure à l'AISI 440C, connu sous divers noms tels que ACD34, KS440 et X65Cr13, pour leurs bagues et billes. Lorsqu'il est traité thermiquement, ce matériau a des carbures plus petits, de sorte que le roulement aura d'excellentes caractéristiques de faible bruit tout en offrant la même résistance à la corrosion que le 440C. Certains fabricants publient les mêmes capacités de charge que l'acier au chrome pour les roulements fabriqués à partir de ce matériau. Cela est dû à l'utilisation d'un traitement thermique étroitement contrôlé avec une dureté allant jusqu'à Rc 60. Bien qu'il s'agisse de l'un des aciers inoxydables les plus utilisés pour les roulements à billes, ce matériau n'a pas de désignation AISI.
Roulements en acier inoxydable martensitique – SV30
Les aciers inoxydables martensitiques peuvent être modifiés lors du traitement de l'acier brut en réduisant la teneur en carbone et en introduisant de l'azote comme élément d'alliage. L'azote augmente la saturation du chrome, qui se transforme en nitrure de chrome au lieu du carbure de chrome. Le résultat est un acier à haute résistance et dureté élevée avec une excellente microstructure qui peut augmenter la durée de vie en fatigue jusqu'à 100 % (le double) dans certaines applications. Ce matériau présente également une résistance à la corrosion améliorée, même 5 fois supérieure à celle du 440C et de l'ACD34. Les roulements fabriqués dans ce matériau peuvent coûter entre 20 et 40 % plus cher, mais cela est généralement compensé par les avantages de performances supérieures.
Acier inoxydable austénitique
Les aciers inoxydables austénitiques de la série 300 sont utilisés pour les pièces non porteuses. Les composants de roulement en acier inoxydable de la série 300 sont résistants à la corrosion et sont non magnétiques en raison de leur faible teneur en carbone. Cependant, le compromis est que ce matériau ne peut pas être durci, de sorte que les roulements ne peuvent fonctionner qu'à de faibles charges et vitesses. La réaction chimique de la surface d'appui avec l'oxygène est appelée processus de passivation ; le film de passivation formé en surface protège le roulement de la corrosion. La résistance à la corrosion est meilleure lorsque le roulement n'est pas complètement immergé dans le liquide, comme dans les applications sous-marines. Les roulements fabriqués à partir de ce matériau sont généralement des articles de commande spéciale qui nécessitent une quantité minimale ; en plus, ils sont chers.
Généralement, les roulements en acier inoxydable de la série 300 ont un boîtier de qualité 304 et un dispositif de retenue de roulement de qualité 302. Le grade 304 est très résistant à la rupture (haute ductilité) et présente une très haute résistance à la corrosion. Le 302 a une teneur en carbone légèrement plus élevée – ce qui augmente la dureté – ce qui le rend adapté aux composants du roulement lui-même. Un roulement complet en acier inoxydable de la série 300 a environ la moitié de la capacité de charge d'un roulement en acier à roulement 52100.
AUB fabrique des roulements en acier inoxydable 316, qui offre une résistance à la corrosion supérieure à celle des roulements en acier conventionnel et en acier inoxydable 440. L'acier inoxydable 316 est plus résistant aux conditions atmosphériques et corrosives générales que tout autre acier inoxydable standard. L'acier inoxydable 316 est largement utilisé dans les industries alimentaires et médicales. Les roulements fabriqués dans cet acier peuvent fonctionner dans des liquides ou sécher à basse vitesse. L'acier inoxydable 316 est un acier inoxydable contenant du molybdène. Le molybdène offre au 316 une meilleure résistance globale à la corrosion que le grade 304, en particulier une résistance plus élevée aux piqûres et à la corrosion caverneuse dans les environnements chlorés.
Principales caractéristiques:
La teneur en molybdène augmente la résistance aux environnements marins.
Haute résistance au fluage et bonne résistance à la chaleur à haute température.
Biocompatible.
Les caractéristiques de fabrication sont similaires aux Types 302 et 304.
Applications : Équipement de transformation alimentaire et pharmaceutique, environnements marins, équipement médical chirurgical et équipement industriel manipulant des produits chimiques agressifs utilisés dans la production d'encres, de rayonne, de produits chimiques photographiques, de papier, de textiles, d'eau de Javel et de caoutchouc.
Résistance à la corrosion: La résistance à la corrosion est meilleure que l'acier inoxydable 440c, 302, 304. Résistant aux solutions de sels de sodium et de calcium, aux solutions d'hypochlorite, à l'acide phosphorique, aux solutions de sulfite et à l'acide sulfureux couramment utilisés dans l'industrie de la pâte.
Composition du matériau en acier inoxydable 316
Autres roulements en acier inoxydable de la série 300
Les flasques de roulement, les rondelles d'étanchéité et les cages à billes sont parfois fabriqués en acier inoxydable AISI303 ou AISI304 car ils ont une résistance modérée à la corrosion et peuvent être façonnés sous diverses formes.
Roulements en acier allié au carbone
Les matériaux en acier au carbone sont utilisés pour produire divers composants de roulements, et il existe deux types de base, l'acier allié à moyenne teneur en carbone et l'acier allié à faible teneur en carbone.
Roulements en acier allié au carbone moyen
Les roulements fabriqués à partir d'aciers alliés à teneur moyenne ou faible en carbone sont souvent appelés roulements de « semi-précision » ou « de qualité commerciale ». Les matériaux typiques sont AISI8620 ou AISI4320. Les bagues intérieure et extérieure sont cémentées dans un processus de traitement thermique appelé cémentation ou cémentation. Les roulements faits de ces matériaux ne peuvent pas supporter des charges élevées ou des vitesses élevées et ne sont pas résistants à la corrosion. Les roulements fabriqués à partir de ces matériaux sont généralement peu coûteux.
Roulements en acier allié à faible teneur en carbone
L'acier doux est utilisé pour produire des cages de roulements, des boucliers métalliques et des rondelles métalliques autour desquels du caoutchouc est moulé pour être utilisé comme joints. Les matériaux couramment utilisés sont AISI C1008 et C1010. Un revêtement d'huile/graisse (cage) ou un placage (bouclier) est nécessaire pour protéger le matériau de la corrosion. Pour plus d'informations sur les dispositifs de retenue et les fermetures, voir les bulletins techniques respectifs.
Traitement thermique de l'acier à roulement
Lorsque l’acier à roulement est dans son état mou (non durci), les métallurgistes appellent sa structure l’état perlitique. Pour durcir l’acier, il doit être chauffé à des températures très élevées puis refroidi très rapidement. Lorsqu'il est chauffé à 1,750 XNUMX °F dans un traitement thermique four, la structure passe de la perlite à ce qu'on appelle l'austénite. Après trempe (refroidissement rapide), la structure passe de l'austénite à la martensite. Une fois transformé en martensite, l'acier devient très dur. Cependant, il n’est pas considéré comme « thermiquement stable » pour le moment. En effet, la totalité de l'austénite n'est pas transformée en martensite lors du processus de trempe. Ce phénomène est appelé « austénite retenue ».
Si l'acier n'est pas thermiquement stable, l'austénite retenue se transformera en martensite sur une longue période de temps (éventuellement des années). Cette transformation s'accompagne d'une augmentation de volume et est appelée croissance métallurgique (à ne pas confondre avec la croissance thermique). La croissance métallurgique peut entraîner des modifications de la taille et de la forme de tout composant en acier, tel qu'un roulement, même à température ambiante.
Bien qu'il ne s'agisse pas d'un problème dans les roulements standard de faible précision, ce manque de stabilité dimensionnelle peut causer des problèmes dans les roulements miniatures de haute précision (ABEC 5P, 7P, 9P). Pour éliminer cette croissance métallurgique indésirable, l'acier doit être stabilisé thermiquement. Ceci est accompli par un refroidissement et un revenu répétés à -120 F pour transformer la majeure partie de l'austénite retenue en martensite.
