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Ce texte est une partie de l'article consacré à la tribologie.
Le choix d'un matériau de frottement est un problème d'optimisation de d'équilibre entre des qualités souvent contradictoires :
Il faut signaler que plusieurs matériaux dotés de propriétés tribologiques très intéressantes sont désormais interdits
ou en passe de l'être, en raison de leur toxicité pour l'homme ou des risques qu'ils font courir à l'environnement. Parmi ces
matériaux, on peut citer l'amiante, le cadmium, le plomb ... La chasse aux solutions de substitution est ouverte
...
Le lecteur trouvera ci-après des indications sur l'usage, dans le domaine du frottement, de divers matériaux spécifiques ou non. La liste n'en est évidemment pas exhaustive ! Un choix judicieux de matériaux de frottement doit tenir compte de facteurs très divers :
Pour les mécanismes courants, on dispose d'un catalogue de solutions éprouvées par une longue pratique, ce qui n'interdit cependant pas d'avoir des idées. Il en va tout autrement pour les problèmes nouveaux : seule une vaste culture technique permet alors d'imaginer des solutions qu'il faudra toujours confronter aux dures réalités du service. Une riche documentation est d'autant plus indispensable que des nouveautés apparaissent chaque jour.
Il faut aussi se méfier des idées reçues, par exemple confondre dureté et résistance à l'usure. En fait les matériaux durs sont toujours plus ou moins fragiles (céramiques, polymères, composites) et leur utilisation en frottement est contrariée par une inéluctable tendance à la fissuration. La dureté est donc loin d'être le seul critère intéressant et en outre, on risque des erreurs importantes en voulant la déduire de la limite d'élasticité.
Au contraire, le plomb qui paraît sans intérêt (il est mou, se coupe aisément, laisse des traces) possède de précieuses qualités : bas module d'élasticité, absence de fragilité, température de fusion modérée, excellente malléabilité, parfaite mouillabilité par l'huile, facilité de dépôt sur des surfaces dures, libération d'oxydes non abrasifs au contraire de ceux de l'étain. En l'associant convenablement on peut profiter à fond de ces avantages ...
Un certain nombre de matériaux jouent ici des rôles particuliers : le plomb, que nous retrouverons souvent (rappelons que l'on peut détecter sa présence dans un alliage par l'odeur que prend un doigt frotté à la surface), le chrome et, en ce qui concerne les traitements, le soufre.
Les aciers créent aisément des solutions solides. À sec, deux pièces d'acier non traité grippent quasi immédiatement. Il faut proscrire les structures homogènes, ferrite et surtout austénite. Cette dernière s'accompagne souvent de tensions résiduelles favorables à l'usure. Il faut préférer la bainite, la martensite et ses dérivés après revenu : sorbite, troostite, perlite fine. . .
Si la température de rodage est suffisante, l'austénite se transforme en une structure proche de la martensite, d'où l'intérêt de provoquer un certain échauffement pendant cette opération. Les traitements de galetage, brunissage, sont recommandés, la présence d'une épaisse couche de Beilby étant souvent souhaitable.
Pour faire frotter deux alliages ferreux on utilise des variétés allotropiques différentes, comme les structures martensitique de l'acier allié et ferrito-perlitique de la fonte grise non alliée. Les structures continues, de type solution solide, sont a priori défavorables et il faut absolument proscrire tout contact ferrite sur ferrite et surtout austénite sur austénite.
Les aciers peuvent être traités de multiples façons.
Parmi les plus couramment utilisés en frottement, citons les XC 38 f, XC 80, 35 CD 4, 100 C 6 trempés, XC 18 f, ou 18 CD 4 cémentés et trempés. Il en existe bien d'autres. La plupart contiennent un peu de chrome dont l'oxyde joue un rôle bénéfique. La plus grande dureté s'obtient avec des aciers de nitruration comme 30 CAD 6-12.
Parmi les aciers moulables résistant à l'usure, notons :
Il faut réserver une place à part à l'acier Hadfield. Avec 12 % de manganèse et 1,2 % de carbone, cet acier austénitique inapte au frottement sans un conditionnement particulier adopte une structure martensitique par écrouissage. Il se protège en fait de l'usure moyennant ... une usure préalable ! Il faut donc prévoir une procédure spéciale pour l'utiliser avec profit ; on préconise la séquence suivante : moletage, galetage qui parachève l'écrouissage, sulfuration à basse température. Ses applications sont nombreuses : articulations de ressorts à lames, de bennes de camions, de pelles mécaniques, de machines de fonderie, de machines agricoles ...
On ne peut pas toujours éviter l'usage d'aciers austénitiques. À chaud ou dans des ambiances corrosives, marines ou alimentaires, des aciers martensitiques tels que Z 100 C 17 ou austénitiques comme Z 8 CNDT 18-12 sont utilisables malgré les risques de grippage. Autant que possible, les zones frottantes doivent alors être revêtues de chrome dur.
Les phénomènes intervenant lors de l'usinage sont liés au frottement interne du matériau qui se déforme et au frottement sur l'outil. Le plomb et le soufre facilitent le fractionnement des copeaux et lubrifient les surfaces de coupe des outils. On utilise, surtout en décolletage, des aciers resulfurés (S = 0,075 %) avec contrôle de la forme des inclusions de sulfures, des aciers au plomb (Pb = 0,2 %) ou des aciers resulfurés au plomb.
La fonte grise possède d'intéressantes propriétés de frottement à condition qu'elle soit correctement usinée et non revêtue d'un « manteau de tôle » (fish-scale skin en anglais) provoqué par un écrouissage excessif. Les risques de grippage sont minimisés car la fonte n'est pas auto-soudable. C'est aussi un matériau intéressant par son coût de revient très bas.
Le graphite libéré par l'usure est un bon lubrifiant solide. La meilleure teneur avoisine 3,2 %. On ne sait sous quelle forme le préférer, lamellaire ou globulaire, mais sa répartition doit être homogène et sa structure fine. Arraché par l'usinage, il laisse des micro-réserves de graissage. La surface doit être d'autant mieux finie que la fonte est plus dure. La présence d'eutectique phosphoreux améliore la résistance à l'usure, surtout quand il a une structure en réseau continu.
La meilleure structure pour une fonte de frottement semble être la perlite de la fonte grise lamellaire. Les fontes GS à structure ferritique grippent très facilement. Préférer par conséquent les fontes perlitiques, sorbitiques ou mieux martensitiques à graphite lamellaire avec trempe superficielle. Sous fortes charges, on peut utiliser la fonte bainitique à graphite lamellaire ou la fonte GS aciculaire. Certaines fontes spéciales avec du chrome, de l'aluminium ou du molybdène ont une meilleure résistance à l'usure. Les fontes blanches martensitiques, parfois alliées avec du molybdène, du vanadium ou du carbure de chrome, sont préconisées contre l'abrasion.
Les pièces de frottement en fonte sont rigides et en cas de doute sur les déformations des mécanismes il faut les monter sur rotules. Les charges et les vitesses de glissement doivent rester modérées. Le rodage est long, et amélioré si l'on a pratiqué un traitement du type Sulfinuz ou Tenifer. La fonte est compatible avec les pièces chromées dur.
De 6 à 15 % d'étain donnent au cuivre dureté et résistance à l'usure grâce au constituant Cu4Sn dont la dureté Brinnell atteint 300. Davantage d'étain donnerait un métal fragile. Les propriétés des bronzes varient selon leur composition et leur microstucture. À teneur en étain égale, les structures grossières obtenues en moulage au sable s'usent moins que celles, plus fines, obtenues en moules métalliques. La conductivité thermique décroît très vite quand la proportion d'étain augmente.
La présence obligée de 0,05 à 0,5 % de phosphore élimine l'oxyde Cu2O qui favorise l'écaillage. Elle améliore le frottement, la résistance à l'usure et la sécurité vis-à-vis du grippage. On trouve aussi des traces de zinc, de plomb, de nickel ou de fer. Le frottement sur l'acier est fondamentalement régi par deux sortes de phénomènes :
Les bronzes à l'étain ne donnent de bons résultats que si on observe certaines prescriptions : l'acier antagoniste doit être très dur et les vitesses de glissement rester plutôt faibles. Il ne faut pas dépasser une température de 150 à 200 °C et tenir compte d'une assez grande incompatibilité avec les arbres chromés et la plupart des aciers inoxydables. En régime lubrifié, la présence d'acides gras réduit beaucoup le taux d'usure. Le moulage au sable des bronzes fournit, toutes choses égales par ailleurs, des pièces qui frottent mieux que si le moulage se fait en coquille.
Un grand avantage des bronzes est qu'on les trouve sous toutes sortes de formes et de dimensions : jets, barres, tubes ... Ceci explique en grande partie leur utilisation fréquente pour les mouvements auxiliaires des machines.
Le plomb a un rôle déterminant, augmentant la capacité de charge, la tenue en température et la résistance à l'usure. Il doit être sous forme de fins globules séparés les uns des autres et non de « virgules » reliées les unes aux autres, pour prévenir la corrosion par les huiles de graissage. On relève de nombreux brevets et de remarquables fabrications.
Les bronzes au plomb contiennent au moins 3 % d'étain pour élever la résistance mécanique et jusqu'à 8 % de plomb. Ce dernier, insoluble dans le cuivre, tend à se séparer lors de la coulée et contrairement aux bronzes à l'étain, l'élaboration est affaire de spécialistes. Les pièces en bronze au plomb doivent être très minces pour se refroidir vite et il faut vérifier la répartition du plomb en fines gouttelettes. La dureté des pièces antagonistes doit être très élevée, le comportement est excellent avec des arbres nitrurés. En cas de défaut de graissage, l'arbre est abîmé, ce qui n'arrive pas avec les « métaux blancs » que nous verrons plus loin.
Les bronzes au plomb supportent assez bien le frottement à grande vitesse sous forte charge, mais la température ne doit pas dépasser 180 °C sous peine de déformations prohibitives. Ils sont très indiqués en face d'aciers inoxydables.
Le Bearium Metal est un bronze au plomb avec une dispersion beaucoup plus fine que dans les fabrications traditionnelles. La cohésion est maintenue même à 800 °C
Le cupro-plomb ou « métal rose » a une teneur en plomb très élevée, 25 à 45 %, avec une très faible teneur en étain (moins de 1 %). Une composition typique est Cu 70 %, Pb 29 %, Fe 1 %. Cet alliage, qui peut être refondu en conservant ses qualités, est homogénéisé par des additions de graphite et de terres rares.. En raison de la tendance du plomb et du cuivre à se séparer, l'utilisation se fait exclusivement sous forme de couches minces déposées sur un corps massif en acier. Attention, ces matériaux sont facilement corrodés à chaud par l'huile dégradée.
Les cupro-plombs prennent un beau poli et en cas d'échauffement, le plomb exsude à la surface, empêchant le grippage. La dureté à froid est comparable à celle des antifrictions mais à chaud elle est bien supérieure. On les utilise, par exemple, dans les moteurs d'avions et de camions.
Les bronzes à l'aluminium en contiennent de 9 à 10 %, avec 2,5 à 5 % de fer et des traces de manganèse, plomb ou nickel. Ces alliages peuvent être forgés ou moulés en coquille grâce à la formation d'une peau d'alumine, la coulée en sable est délicate et possible seulement avec des refroidisseurs.
Les bronzes à l'aluminium ont une limite d'élasticité élevée. Ils résistent bien à de nombreux agents chimiques, y compris l'acide sulfurique à 10 % bouillant, et permettent de résoudre certains problèmes de frottement en milieu corrosif. Leur grande dureté oblige à employer des arbres en acier à haute résistance, éventuellement nitrurés. Il est très difficile des les étamer et on ne peut pas les garnir d'antifriction à base de plomb ou d'étain.
Les bronzes au zinc en contiennent couramment de 4 à 5 %, mais parfois jusqu'à 30 %, avec de l'étain, du plomb, du phosphore. Ils se présentent le plus souvent sous forme de bagues minces roulées, mais on trouve aussi divers types de profilés (Carobronze).
Les bronzes au silicium ne méritent plus guère le nom de bronzes. On y trouve jusqu'à 5 % de silicium avec du zinc, du plomb, du fer, du manganèse. Leurs propriétés variées sont voisines de celles des cupro-aluminiums, dont ils n'ont pas les inconvénients : certains de ces alliages se moulent très bien en sable, d'autres sont très résistants à l'usure ou à la corrosion.
Les bronzes au béryllium en contiennent 2,3 %. Ils se distinguent par leur durcissement structural après trempe, et des propriétés de grand intérêt : grande résistance à la traction, bonne conductibilité thermique, excellente résistance à l'usure avec fortes pressions et faibles déplacements. Il exigent des axes en acier à haute résistance, ou mieux cémentés ou nitrurés.
Leur teneur en zinc varie de 15 à 40 %, avec parfois un peu de plomb. Ces alliages se trouvent sous forme de barres profilées de diverses formes, qui permettent par exemple d'obtenir des roues dentées de petites pompes à huile par simple tronçonnage.
Les alliages cuivre-étain-zinc n'ont pas grand intérêt par rapport aux bronzex si ce n'est leur faible coût de revient.
À propos des alliages cuivre-étain-antimoine, beaucoup de sottises auraient été écrites sur l'influence de l'antimoine, s'il faut en croire les spécialistes.
Les cupro-étain-silicium, intéressants par leur bas coût de revient (2,7 % de Si et 3 % d'étain remplacent 12 % d'étain), nécessitent des précautions spéciales lors du moulage.
Les cupro-étain-nickel possèdent des propriétés mécaniques élevées après traitement. On y trouve de 2,3 à 5 % de nickel dans une composition de bronze. Les propriétés frottantes sont analogues à celles des bronzes classiques.
Les alliages cuivre-nickel-silicium sont aptes au frottement sous très fortes charges et particulièrement résistants à l'usure. Ils servent par exemple pour les guides de soupapes de moteurs d'avions.
Les alliages cuivre-cobalt-béryllium possèdent une très bonne conductivité électrique et une tenue remarquable au frottement, ils sont utilisés pour les distributeurs d'alimentation pour turboréacteurs, les couronnes de rotor d'hélicoptères, ... Généralement les exigences de qualité imposent de les livrer sous forme de pièces forgées et non moulées.
Les alliages cuivre-argent sont particuliers : l'argent est soluble dans le cuivre jusqu'à 7 % et insoluble ensuite. Un film d'argent créé par le frottement à la surface du matériau se reconstitue en cas d'attaque.
Les cupro-antimoine, délicats à élaborer, ont des propriétés de frottement voisines de celles des bronzes à l'étain.
Les antifrictions à base de zinc ont été connus avant 1900 mais beaucoup de compositions sont maintenant abandonnées. Ceux qui contiennent de l'aluminium ne se soudent pas sur l'acier.
Les alliages antifriction zinc-aluminium-cuivre et zinc-aluminium, connus avant 1939 sous le nom de Zamak, frottent bien grâce à la formation de savons avec les huiles de graissage. Le zinc réagit en effet nettement avec l'acide stéarique. Avec 30 à 35 % d'aluminium et un peu de cuivre, on obtient des alliages moulables en coquille ou sous pression. Les charges peuvent être importantes, la densité est inférieure de 30 % à celle des bronzes avec une meilleure conductivité thermique et un coût de revient beaucoup plus faible.
Le coefficient de dilatation est toutefois très élevé et la température en service ne doit pas dépasser 90 °C. Le rodage doit être prolongé pour éviter le grippage. La présence d'impuretés, plomb et étain en particulier, produit une corrosion intercristalline et un gonflement qui peut aller jusqu'à la désagrégation.
Les antifrictions zinc-antimoine-étain ont une résistance à la compression voisine de celle des bronzes. L'alliage allemand Glycometall contient 85,4 % de zinc, 2,4 % de cuivre, 5,5 % d'étain, 4,7 % de plomb, 2 % d'aluminium.
Ils ont été d'abord utilisés dans les périodes de pénurie où certains métaux comme le cuivre et l'étain étaient devenus introuvables ou hors de prix. Actuellement ils sont très répandus, en particulier dans l'industrie automobile, depuis qu'on sait les souder sur des feuillards d'acier pour fabriquer des coussinets roulés. Dans ce dernier cas, en effet, le coefficient de dilatation très élevé passe inaperçu. Dans les carters en aluminium, il faut au contraire les utiliser sous forme d'éléments massifs pour conserver la qualité des ajustements.
Ces alliages sont très économiques. Leur dureté et leur capacité de charge élevée sur les aciers impose que ces derniers soient traités, voire cémentés ou nitrurés. Ils ont une excellente conductivité thermique, leur basse limite d'élasticité dans le cas de pièces massives leur donne une capacité d'absorption des particules étrangères comparable à celle des cupro-plombs. Ils ne doivent pas contenir de silicium libre qui est très dur et qui raye les pièces antagonistes !!!
Les alliages aluminium-étain permettent de bénéficier des qualités de l'aluminium (bas module de Young, excellente conductivité thermique) en évitant par incorporation d'étain sa fâcheuse tendance aux soudures épidermiques. On sait aujourd'hui en incorporer de 5 à 20 % tout en conservant des caractéristiques mécaniques correctes, et l'on y trouve aussi un peu de cuivre, de nickel, de silicium, d'antimoine ou de magnésium.
Les alliages américains sont nommés Alcoas, en France la Société Industrielle des Coussinets commercialise les Sical. Ces alliages peuvent remplacer systématiquement les bronzes en régime onctueux. Accrochés sur l'acier pour la garniture de coussinets multicouches, ils subissent un premier dépôt électrolytique de plomb et d'étain, lui-même recouvert d'un film d'argent ou d'indium que l'on fait diffuser.
Le Main-Metall est un alliage d'aluminium, zinc, cuivre et silicium, d'obtention allemande, qui possède un système cristallin fin et homogène. Il associe à des qualités de frottement intéressantes des qualités mécaniques supérieures à celles des fontes ordinaires et des alliages légers classiques. Il peut être coulé en coquille ou sous pression, ce qui est un énorme avantage sur les bronzes en raison des économies de copeaux. L'antagoniste idéal semble être un acier nitruré et sulfinuzé. Il ne faut pas dépasser 100 °C en service.
On trouve encore des alliages antifriction de types divers : aluminium-cuivre, aluminium-silicium et aluminium-cuivre-nickel-magnésium.
Babbitt breveta en 1835 des alliages qui sont encore très utilisés malgré la concurrence de matériaux plus modernes.
Un alliage antifriction devrait être plastique pour s'adapter aux défauts d'alignement et aux déformations tout en étant dur et résistant en compression, ce qui est antagoniste. Charpy indiqua en 1898 que la structure idéale était une matrice molle enrobant des grains durs. La première permet l'adaptation et l'incrustation de débris abrasifs, les seconds supportent les charges, leur enfoncement dans la matrice égalisant les pressions.
Encore appelés métaux blancs ou alliages Babbitt, ces matériaux à bas point de fusion, relativement mous, sont utilisés en couches épaisses de plusieurs mm sur des pièces massives en bronze, fonte ou acier. L'accrochage se fait facilement par soudure, au besoin sur un dépôt d'étain. Il faut autant que possible éviter l'accrochage par des retenues en queue d'aronde qui provoquent une déformation et une usure irrégulières.
Les régules se rodent vite et supportent les défauts d'alignement et les déformations des pièces antagonistes plus dures dont ils épousent les moindres détails (l'acier non traité suffit). Ils ont une bonne capacité de charge dynamique, une bonne résistance à l'usure, à la fatigue, à la corrosion et au grippage, une bonne conductivité thermique. Ils sont bien mouillés par les lubrifiants et peuvent absorber d'éventuelles impuretés abrasives. Leur coefficient de dilatation et leur retrait de solidification sont toutefois assez élevés.
Ces alliages ont une bonne sécurité de fonctionnement : en cas de problème majeur, ils fondent, ce qui évite souvent de graves avaries en particulier sur les portées d'arbres. On peut facilement recharger les pièces usées ou détériorées.
Les innombrables variétés d'antifrictions appartiennent pour l'essentiel à trois familles : les alliages à base de plomb, ceux à base d'étain et les plombs durcis.
Les alliages à base de plomb sont généralement plus fragiles, moins durs mais aussi moins chers que ceux à base d'étain. Ils sont aussi beaucoup plus sensibles à la corrosion par les huiles acides et il est bon de les protéger par un dépôt d'indium. La base étain est préférable quand les charges statiques sont élevées, la base plomb quand la vitesse est faible. Si l'on craint les efforts alternés, il faut employer les antifrictions sensibles à la fatigue sous forme de couches minces de 0,6 à 0,8 mm d'épaisseur. Leur température limite d'utilisation se situe aux environs de 100 à 150 °C.
Ils contiennent de 50 à 95 % de plomb et toujours de l'antimoine, de 4 à 22 %, pour augmenter la dureté. On trouve ensuite jusqu'à 40 % d'étain, moins de 4 % de cuivre, parfois 1 à 3 % d'arsenic pour améliorer la tenue à chaud et un peu de nickel, de cadmium ou de bismuth.
Alliages plomb-étain-antimoine : l'étain forme avec l'antimoine la combinaison SbSn en cristaux cubiques relativement durs et enchâssés dans une matrice tendre. L'étain, de 5 à 12 %, améliore les caractéristiques mécaniques et l'antimoine, de 12 à 18 %, la dureté. On ajoute souvent du nickel, mais pas trop sous peine de graves mécomptes par usure abrasive. La présence de sodium procure une structure plus fine et un peu de graphite, des propriétés autolubrifiantes utiles en cas de panne de graissage. Le cadmium, à raison de 1 à 2 %, donne aux eutectiques formés une grande finesse. Moins de 1 % de cuivre suffit à augmenter la dureté.
Une composition type serait : Pb 80 %, Sn 6 %, Sb 14 %. À titre d'exemple, le Lager Metal Thermit contient : Pb 75 %, Sn 6,5 %, Sb 15 % avec des additions faibles de Cd, Cu, Ni, As.
Alliages plomb-antimoine : ils contiennent au moins 12 % d'antimoine pour être assez durs mais jamais plus de 25 % pour ne pas être cassants.
On y trouve de 60 à 90 % d'étain, presque toujours avec de l'antimoine, de 4 à 11 %, et de 1 à 10 % de cuivre. On y trouve assez souvent du nickel et parfois un peu de plomb. Ces alliages ont une bonne plasticité qui leur permet d'absorber les particules abrasives, résistent bien à la corrosion et se polissent facilement par usinage. On note comme inconvénients un manque de dureté à chaud et de résistance à la fatigue, et un prix prix élevé.
Une composition type ressemble par exemple à Sn 88 %, Cu 4 %, Sb 8 %. Un alliage excellent pour les ambiances poussiéreuses contient : Sb 20 %, Sn 75 %, Pb 2-3 %, Cu le solde.
Ils sont surtout répandus en Allemagne. Un très fort pourcentage de plomb (de 96 à 99 %) est allié avec des métaux alcalins ou alcalino-terreux : toujours un peu de calcium pour la dureté, du baryum, du sodium, du lithium, du potassium, éventuellement du magnésium ou même de l'aluminium.
La préparation de ces alliages est délicate mais ils ont d'excellentes qualités frottantes et une assez grande dureté. Ils sont très économiques mais facilement attaqués par les huiles. Notons aussi qu'ils perdent l'essentiel de leurs propriétés par refusion à cause de la perte au feu. Voici quelques exemples :
- FRARY : Ca 1 %, Ba 2 %, - SATCO : Sn 2,4 %, Ca 0,15 %, K 0,07 %, - SATCO : Sn 1,5-2 %, Ca 0,5 %, Ni 0,5 %, traces d'Al, Li, Hg, - LURGI : Ca 0,4 %, Ba 2,8 %, Ni 0,3 %, - BAHNMETAL : Ni 0,6 %, Ca 0,7 %, Li 0,06 %, Al 0,02 %, - AKRON : Ca 0,75 %, Ni 0,5 %, Li 0,04 %, Pb le solde.
On ne peut les citer tous. Parmi eux :
* plusieurs alliages de titane sont irremplaçables pour certains problèmes de corrosion ou de température élevée.
* le cadmium employé à partir de 1935 comme base d'alliages antifriction avait alors un prix très inférieur à celui de l'étain, actuellement c'est tout le contraire et de plus, il est très toxique ! Le cadmium adhère bien sur l'acier, le bronze et le laiton. Facilement attaqué par certaines huiles de graissage, on le protège comme le plomb par une couche d'indium. Les alliages contiennent du nickel, de 1,35 % (Arsarcalloy américain) à 3 %, ou 3 % de cuivre. Ce dernier est très oxydable à la fusion, ce que l'on corrige par un peu d'argent ou, au détriment de l'adhérence sur l'acier, par de l'aluminium.
* les antifrictions à base d'argent, étudiés pendant la guerre en Allemagne. L'argent allié au cadmium ou mieux au plomb ou à l'antimoine, résiste mieux au grippage que s'il est pur et possède alors une capacité de charge supérieure à celle du cupro-plomb. Malgré leur prix élevé, ces alliages ont été employés aux USA sur des moteurs d'avions et de chars sous forme de coussinets d'acier plaqués par coulée et laminage.
Les carbones sont traités vers 1000 à 1200 °C, les graphites vers 2500-3000 °C. Ces produits très divers, massifs, composites, souples, ... caractérisés par leur grande inertie chimique et leur capacité de fonctionner à sec, sont inégalables dans de multiples circonstances :
On a coutume de distinguer les graphites selon leur origine, naturelle ou de synthèse mais il existe dans chacune de ces deux catégories des produits fort différents :
Seuls les graphites naturels macromoléculaires et les graphites synthétiques primaires sont utilisables dans le domaine du frottement. Encore faut-il qu'ils ne contiennent d'impuretés abrasives telles que le quartz, l'alumine, etc. Notons cependant que pour certaines applications très particulières, on introduit volontairement dans des graphites synthétiques spéciaux un faible pourcentage de particules abrasives de manière à créer une usure douce qui va se révéler protectrice vis-à-vis d'autres formes d'usure beaucoup plus destructrices.
Les carbones et graphites sont de bons lubrifiants grâce aux produits adsorbés. Le coefficient de frottement sur les métaux atteint 0,5 après dégazage, ce qui est très élevé, mais il s'abaisse très fortement en présence d'oxygène et surtout de vapeur d'eau. Ceci vaut également pour l'usure : à haute altitude, la vitesse de dégradation des balais de moteurs électriques est multipliée par 100 ou plus. Malgré cela, il n'y a jamais de véritable grippage.
Le graphite est indiqué en cas de frottement sec mais aussi avec lubrification. On peut par exemple construire des roulements avec des billes en acier et des billes en carbone qui procurent une certaine lubrification avec ou sans graisse.
Le graphite polycristallin traité contre l'oxydation est utilisé à sec sous forme de blocs jusque vers 400-600°C dans l'air et, en atmosphère réductrice, jusqu'à 1 000°C. Les freins d'avions atteignent cette température sans traitement dans l'air mais pendant des temps très courts. Il s'agit là de composites carbone-carbone dont le comportement est excellent contre l'acier.
Les carbones et graphites permettent de réaliser d'excellents joints d'étanchéité capables de remplir leur fonction à sec et à haute température. Les formes possibles sont des anneaux, mis en contact axialement sur la pièce antagoniste également annulaire, ou alors un ensemble de segments rappelés en contact sur un arbre par des ressorts, avec des formes qui peuvent être passablement compliquées.
Les carbones sont rarement utilisés purs dans les coussinets, mais plutôt en combinaison avec du plomb et du cuivre. Il faut toujours prendre garde aux dilatations différentielles : en effet, ils se dilatent très peu et il faut prévoir des fixations spéciales pour les pièces massives si la température est élevée.
Divers auteurs font remarquer que les utilisations des céramiques en frottement ne reposent aujourd'hui que sur des critères subjectifs : par exemple, leur dureté est souvent considérée comme synonyme de bonne résistance à l'usure et au frottement, mais c'est loin d'être évident.
En fait, de nombreuses questions n'ont pas encore reçu de réponse et la bibliographie est parfois totalement contradictoire et en tous cas très insuffisante. Soyez circonspects à propos des informations publiées à partir de certaines sources, car les céramiques sont des matériaux « sensibles » sur lesquels, entre autres, les militaires gardent un œil attentif. Il peut se faire que les données mises à disposition du « public » soient volontairement tronquées ou biaisées. Si pour un même matériau, utilisé dans les mêmes conditions, vous trouvez des conclusions différentes, vous pouvez déduire assez facilement que l'une au moins de vos deux sources ment.
On a la certitude que l'oxydation des céramiques joue un grand rôle dans le frottement. Toutefois, les mécanismes d'adhésion sont encore très mal élucidés, en particulier les transferts métal-céramique et céramique-céramique qui peuvent former des 3e corps utiles ou au contraire nuisibles au frottement ...
Les céramiques sont utilisées sous forme de placages ou de blocs, ou encore sous forme de mélanges comme les cermets. Elles sont caractérisées par leur grande dureté, leur bonne tenue en température et leur inertie chimique.
Le frottement céramique sur céramique est mis à profit pour les problèmes d'abrasion et/ou de température élevée et/ou d'ambiance chimique agressive : joints à glace de robinets mélangeurs, systèmes d'étanchéité sur fours de calcination, joints et paliers pour l'industrie chimique, prothèses articulaires ...
On utilise les céramiques contre d'autres matériaux surtout pour lutter contre l'usure : outils, filières, guide-fils, appareils de sablage, pistons ou têtes de pistons automobiles, butées, coussinets, ... Leur emploi en couches minces est délicat en raison de leur fragilité et des dilatations différentielles. De nombreux problèmes nécessitent actuellement le recours à des pièces frittées en carbure de tungstène ou en matériaux analogues.
Le matériau Sealide développé par Sealol est réalisé selon un procédé spécial à partir de carbures. Il est très dur et capable de frotter avec des valeurs du produit pression x vitesse (pV) très élevées sur lui-même ou mieux sur du carbure de tungstène. Applications : essentiellement garnitures mécaniques d'étanchéité avec risque d'abrasion par des liquides chargés.
Bien se rappeler que l'utilisation de matériaux plus ou moins fragiles, céramiques, polymères, composites est toujours contrariée en frottement par une inéluctable tendance à la fissuration.
Elles sont utilisées sous forme de matériaux purs massifs, de composites chargés de poudres, de tissus de frottement ... Leur comportement est fonction de phénomènes particuliers :
Grosch a montré que pour la plupart des matières plastiques le coefficient de frottement augmente avec la vitesse pour passer par un maximum puis redescendre : les radicaux superficiels s'oxydent et donnent des composés qui modifient le comportement physico-chimique des surfaces, d'où l'augmentation de ces coefficients de frottement. Au-delà du maximum survient une dégradation accélérée et irréversible. Le coefficient de frottement varie aussi beaucoup avec les pressions superficielles.
On ne lubrifie les plastiques que par des fluides parfaitement résistants à l'oxydation et dont la tension superficielle est inférieure à celle de la matière plastique à lubrifier, par exemple des huiles silicone bien choisies. Le classement en fonction de la tension critique de mouillage correspond à la qualité du frottement. L'usure est régie par l'état de l'antagoniste et la composition du troisième corps formé dans l'interface.
Les thermoplastiques utilisables sont très variés : polyéthylène à haute densité, polyacétals, polyamides, polytétrafluoroéthylène, polyoxyde de phénylène, polycarbonate, polyphénylène sulfure, polyaryl sulfone, poly(amide-imide) ...
Parmi les thermodurcissables on trouve : résines phénoliques, polyesters, résines époxydes, silicones, polyimides ...
Les polymères sont rarement utilisés purs, mais avec des charges appropriées : on peut considérablement réduire le frottement en incorporant du graphite, du bisulfure de molybdène, du fluorure de graphite (CFx), du PTFE. On améliore les propriétés thermiques par des poudres de bronze, d'argent ou de graphite et les caractéristiques mécaniques avec des fibres d'amiante, de verre, de carbone, de textiles, du mica, des métaux, des oxydes ...
Connu sous le nom de Teflon (marque déposée Du Pont de Nemours), il peut être utilisé à sec jusqu'à 250 °C. Le coefficient de frottement peut descendre jusqu'à quelques centièmes seulement si la vitesse ne dépasse pas quelques mm par minute. Si l'on dépasse cette vitesse il augmente et si ensuite on la diminue, la valeur initiale n'est retrouvée (quand elle l'est) qu'après un certain temps de « récupération ».
Le coefficient de frottement du P.T.F.E. sur la neige est particulièrement bas, d'où son emploi pour les skis. Chargé de fibres de verre, il donne sur des surfaces chromées un coefficient de frottement qui varie de 0,02 à 0,04, l'une des applications classiques étant le lancement des ponts par poussage. Avec des charges à base de bisulfure de molybdène ou de polyimides, sur des pièces chromées ou en PVC, on trouve f=0,008 sous fortes pressions et à vitesses très lentes.
L'inconvénient majeur du P.T.F.E. est son important fluage sous charge. Les coussinets Eleslide de Edlan Elekem pallient cet inconvénient : sur une carcasse métallique roulée, épaisse de 3 mm, le P.T.F.E. graphité à 25 % est retenu par des rainures et collé au métal par un adhésif puissant. Il supporte alors des charges de 30 N/mm2 et vieillit bien.
Utilisés sous forme massive ou en revêtements, ils donnent de très bas coefficients de frottement et possèdent une tenue intéressante aux températures élevées. Pour des applications telles que les glissières de machines-outils, il ne faut pas dépasser une pression de 200 N/cm2.
Des matériaux composés à base de polymères fluorés ont été employés abusivement ces années dernières, souvent sans essais préalables. Il en est résulte de bien cuisants échecs.
Pour la plupart, elles ont une bonne résistance au grippage, une grande inertie chimique et peuvent fonctionner avec peu ou pas de lubrifiant. Leur élasticité permet d'amortir les chocs et les vibrations mais leur résistance mécanique modeste interdit de leur appliquer des charges importantes.
Attention ! les matières plastiques ne sont pas forcément des matériaux très bon marché ...
Parmi les thermoplastiques, on trouve les polyamides plus connus sous leurs appellations commerciales. Le Nylon utilisé pour réaliser de petits coussinets et des plaques de glissement est relativement peu coûteux mais présente l'inconvénient d'une reprise d'humidité qui entraîne une dilatation importante : aussi, les coussinets en Nylon sont-ils fendus. On utilise aussi des pièces en Rilsan et la famille des résines acétal donne d'intéressants matériaux comme le Delrin. Le Rilsan voit sa vitesse d'usure diminuer de 250 fois lorsqu'il est chargé de fibres de verre. S'il est chargé de bronze, avec du bisulfure de molybdène, il évacue bien mieux la chaleur.
Dans la famille des plastiques thermodurcissables, on trouve les résines phénoliques. Le Celoron ou la Textolite
sont des matériaux de frottement faits de tissus de coton imprégnés de résines. On les trouve sous forme de plaques et de ronds
usinables à la forme souhaitée. On peut les lubrifier à la graisse mais aussi avec l'eau ou les émulsions aqueuses et on en fait
aussi bien de petits engrenages que des coussinets de laminoirs ou des paliers de sortie d'arbre d'hélice de bateaux.
Outre les problèmes de frottement qu'il faut résoudre, les joints fonctionnent dans des milieux chimiques plus ou moins agressifs, à des températures très basses ou au contraire très élevées, etc. Le choix du bon matériau est dont très important.
Aux États-Unis et en U.R.S.S., mais très peu en France, on utilise encore des coussinets en bois dur de noyer ou de chêne imprégné après séchage de cires ou de graisses, et des coussinets en bois comprimé puis imprégné de résines phénoliques. Ces matériaux ne sont pas forcément archaïques !
Le gaïac, bois tropical très dense et très dur, est appelé « bois de fer ». Malgré son prix très élevé, on l'a longtemps utilisé pour les paliers de sortie d'arbres d'hélice de bateaux. L'eau le lubrifie car il contient une huile naturelle qui exsude par frottement. L'azobé est un autre bois tropical, un peu moins dur que le précédent mais très résistant à l'usure. L'une de ses applications a été les pistes de roulement du métro sur pneus.
Des poudres métalliques sont comprimées à la forme voulue dans une matrice puis chauffées jusqu'à obtenir des micro soudures, mais en dessous cependant de la température de fusion. Cette méthode de fabrication est appelée frittage. Selon les conditions, la porosité peut atteindre 35 %. Pour l'usage en frottement, les pores sont remplis par un lubrifiant, huile ou graisse, amené par capillarité au contact de la pièce antagoniste.
La température d'utilisation ne dépasse généralement pas 70 °C. La charge de lubrifiant convient généralement pour quelques centaines d'heures, après il faut la renouveler.
Contrairement aux affirmations de certaines publicités, on n'obtient pas de lubrification hydrodynamique car un film d'huile sous haute pression, s'il pouvait exister, serait chassé dans les pores. Par contre, la présence d'une réserve de lubrifiant rend les frottements bien plus faibles que dans le cas du graissage onctueux. On a pu qualifier ce mode de fonctionnement de « pseudo-hydrodynamique ».
Les matériaux les plus couramment utilisés sont la poudre de fer pure ou additionnée pour améliorer la cohésion de 5 à 10 % de cuivre, et la poudre de bronze à 10 % d'étain. On trouve toute une gamme de coussinets standardisés que l'on emmanche dans des alésages précis, afin que la contraction radiale qui en résulte laisse avec l'arbre un jeu bien déterminé.
On trouve aussi des blocs frittés usinables à la demande. Cette opération qui bouche les pores et réduit l'arrivée d'huile dans les zones chargées est déconseillée. L'usure aussi peut boucher les pores, ce qui explique de sérieux grippages dans le cas de charges tournantes, ou si après avoir fait fonctionner avec succès un coussinet dans des conditions données, on change ces dernières : par exemple, si on inverse la rotation de l'arbre ou si on remonte un coussinet démonté dans une autre position angulaire.
Signalons un emploi de coussinets en fer fritté, cémenté, trempé et cadmié comme antagoniste d'axes chromés (machines à calculer Olivetti). Cette solution diminue la corrosion de contact.
Dans de nombreuses situations, les matériaux homogènes ne présentent pas toutes les caractéristiques nécessaires pour résister au frottement et à l'usure ; les ingénieurs et chercheurs se sont orientés très tôt vers des matériaux polyphasiques ou composites. Par exemple, le PTFE pur est très décevant contre un métal si la vitesse de glissement dépasse quelques cm/s. Les propriétés s'améliorent notablement si on lui incorpore des charges.
La liste des matériqux composés est longue et non limitative !
Un organe de friction, tel qu'un frein, est un appareil transformant l'énergie mécanique en chaleur. On rapporte qu'en 1897 Herbert Frood essaya divers matériaux comme garnitures de friction, entre autres des sections de courroies de transmission. C'est à lui que revient l'idée d'imprégner des tissus d'amiante par des liants à base de résines phénoliques. La fabrication industrielle des nouvelles garnitures commença en 1902 et le nom de Frood est à l'origine de la marque Ferodo, presque devenue un nom commun, et que les étudiants mal informés traduisent par « fer au dos ».
Les critères de choix des garnitures sont aujourd'hui:
La composition des garnitures comporte :
La majorité des garnitures en service actuellement sont de type organo-métallique. On appelle garnitures minérales celles qui sont à base de liants minéraux et semi-métalliques celles qui contiennent plus de 50% de métaux (en masse). Certaines garnitures sont obtenues par frittage sans utilisation des liants habituels. Les garnitures au graphite sont dites grasses.
La valeur habituelle des coefficients de frottement est de 0,35 à 0,45. Plutôt que des coefficients très élevés, on préfère des coefficients de frottement constants malgré les nombreux facteurs de variation : pression, vitesse, température, poussière, humidité ... Les bruits de freinage sont des crissements à haute fréquence (squeal noise), des grognements à basse fréquence (groan), et des martèlements ou broutements (judder). On les évite, ou on les réduit, en adoptant des matériaux dont le coefficient augmente légèrement quand la vitesse de glissement augmente.
Une certaine dose d'abrasion, provoquée volontairement sur les disques par les garnitures, permet de réduire les surépaisseurs génératrices de bruit et surtout d'éviter un excès de polissage.
Les meilleurs contre-matériaux sont les fontes lamellaires perlitiques, pratiquement exemptes de cémentite et d'eutectique phosphoreux. On essaie actuellement des disques composites où la partie utile en fonte est soutenue par un substrat d'aluminium plus léger, mais on n'a pas encore résolu les problèmes de dilatation différentielle.
On continue d'expérimenter actuellement des couples de matériaux de type carbone/composite carbone et céramique/céramique, qui sont encore loin d'avoir atteint le domaine « grand public ».
Les freins du TGV Thalys comportent des disques en acier au chrome-molybdène-vanadium 28 CrMoV5-08 et des garnitures composites à matrice métallique Ceramatal G35. Ce couple produit un troisième corps en forme de « plaques planes » qui permettent l'accomodation de la vitesse par un mécanisme de cisaillement.
La solution des problèmes de frottement est toujours difficile. Elle ne se résume pas à déterminer un matériau, mais un couple de matériaux ainsi que leur traitement et le lubrifiant adéquat. Les principaux points à examiner sont :
