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Applications de la tribologie

Ce texte est une partie de l'article tribologie

Idées générales

Force est de reconnaître que dans le domaine des applications du frottement, de la lubrification et de l'usure, bien peu de progrès fondamentaux ont été accomplis depuis deux siècles : les Anciens disposaient déjà de corps gras, du bronze « marine », des alliages antifriction brevetés plus tard par Babbit, ils savaient comment sauver un palier en passe de gripper avec du soufre ...

Les armes supplémentaires doivent être recherchées parmi les matériaux, leurs traitements, les lubrifiants, ainsi que dans le remplacement des guidages lisses par les roulements. En même temps, d'innombrables questions et problèmes nouveaux sont apparus. On retiendra entre autres ces quelques innovations :

• les dopes des lubrifiants dus à Evans,
• le graphite (c'est encore à voir),
• le disulfure de molybdène,
• les matières plastiques, Nylon, Rilsan... et surtout PTFE,
• les alliages d'aluminium,
• les matériaux complexes frittés, imprégnés ou non,
• de très nombreux traitements de surfaces.

Il a paru intéressant de faire un point, non exhaustif, sur des solutions ou des tendances actuelles dans un grand nombre de domaines : c'est ce que l'on trouvera dans les pages suivantes, où les différents sujets traités sont classés par ordre alphabétique.

Aciers inoxydables

Ils font partie des matériaux qui grippent beaucoup plus rapidement dans l'eau que dans l'air, ce phénomène étant retardé par galetage et accéléré par polissage électrolytique.

Articulations

Il en existe beaucoup sur les engins de chantier, les machines agricoles, etc. On peut remplacer le bronze des bagues de guidage par de l'acier traité, éventuellement sous forme de coussinets spéciaux.

Boîtes de vitesses

Les synchroniseurs doivent avoir un coefficient de frottement élevé dès l'essorage (évacuation de l'huile d'entre les deux cônes) et une bonne résistance à la compression. On utilise les couples de matériaux suivants :

• bronze-acier pour les synchroniseurs de type Borg-Wagner peu chargés,
• acier-molybdène, ce dernier déposé par plasma. Ce couple convient aux systèmes Borg-Wagner très chargés car il résiste bien à l'usure et supporte un frottement de longue durée. Il y a un risque de destruction rapide en cas d'oxydation du molybdène, particulièrement en cas de présence d'eau dans l'huile,
• acier-aluminium, utilisé pour les systèmes New-Process malgré sa sensibilité à la chaleur qui interdit un frottement trop prolongé,
• acier-matériau de frottement organique (collé sous forme de « papier ») : le coefficient de frottement est élevé mais le matériau est compressible,
• acier-matières plastiques : le polyimide Kinel donne de bons résultats dans le cas du New-Process.

Les paliers lisses ou à roulements doivent être compatibles avec les lubrifiants pour engrenages, à l'état neuf ou usagé. En général les roulements sont lubrifiés par projection d'huile mais on emploie de plus en plus des roulements étanches pour éviter l'entrée de débris métalliques ou autres impuretés.

Pour les fourchettes de commande, le bronze et le laiton sont remplacés par l'aluminium, ou plus souvent l'acier ou la fonte revêtus de molybdène ou de matières synthétiques.

La lubrification est essentielle pour la durée de vie. Il faut prévoir assez d'huile pour ralentir l'inévitable perte de caractéristiques et spécifier la périodicité des vidanges. Un point capital est la propreté au niveau de la fabrication. On doit prévoir autant que possible un bouchon magnétique pour retenir les impuretés ferreuses, assurer la montée progressive en puissance lors du rodage et prévoir après celui-ci une vidange complète, avant la mise en service à la puissance nominale.

Boulonnerie

La maîtrise du frottement permet de diminuer l'incertitude sur les efforts de serrage à couple imposé. Ceci est particulièrement important pour la boulonnerie serrée à la limite d'élasticité comme celle des culasses, surtout sur les moteurs diesel.

Transmissions par chaînes

L'usure augmente le pas des chaînes à rouleaux, ce qui finit par les mettre hors service. En même temps, elle diminue le pas des roues. Une chaîne abondamment lubrifiée par de l'huile propre ne subit pratiquement pas d'usure, mais si elle est sèche, même avec des conditions de fonctionnement peu sévères, elle sera rapidement mise hors d'usage. On rencontre également beaucoup d'usure abrasive pour des chaînes peu ou pas protégées.

une roue dentée « un peu » usée, évidemment la chaîne a fini par sauter définitivement !

Cette usure se traduit par une perte de métal de l'axe ou de la douille et un accroissement du jeu. Une chaîne en fonctionnement normal est entraînée par les flancs des dents, si l'usure est trop forte, elle saute sur les sommets des dents. On tolère un allongement U % tel que U = 180/Z, Z étant le nombre de dents de la plus grande roue.

Il existe une vaste panoplie de produits lubrifiants spéciaux. La difficulté est de les introduire entre l'axe et la douille, particulièrement avec les graisses et les produits bitumineux. La première imprégnation est faite par les fabricants à chaud et sous vide. Les produits les mieux adaptés semblent être dans la majorité des cas les huiles minérales.

Construction aéronautique et spatiale

De nombreux organes doivent pouvoir fonctionner à sec dans les commandes de vol, articulations de trains d'atterrissage, glissières de lancement d'engins, paliers de satellites à longue durée de vie ..

L'usure induite par de petits débattements (autre façon plus correcte de désigner la corrosion de contact) se manifeste sur les alliages aéronautiques : dégradation avec formation de débris dont une partie peut être éjectée, apparition de microfissures qui participent à la formation de débris plus importants, propagation de ces fissures et rupture à une durée de vie réduite lorsque l'une d'elles atteint une dimension critique liée à la ténacité du matériau concerné. Cette forme d'usure concerne entre autres :

• les aciers à très haute résistance des axes d'éléments d'atterriseurs,
• les alliages légers dans les assemblages rivés ou boulonnés des cellules, au niveau des interfaces tôle/tôle et des fixations tôle/suppport,
• les alliages de titane et les superalliages dans les liaisons disques/aubes sur les turbomachines,
• les aciers à moyenne résistance des pièces tournantes de rotors d'hélicoptères.

On retarde ce phénomène par des traitements et protections de surface, des mastics intercalaires, le baguage de certaines pièces, le graissage.

Dans les commandes de vol on trouve beaucoup de rotules sphériques autolubrifiantes, généralement à base de PTFE et de tissus de fibres de verre ou organiques ou en graphite-céramique pour les parties chaudes. Ces matériaux tiennent mal en présence de poussières abrasives, d'où l'utilisation de rotules étanches avec lèvres d'élastomères.

Construction automobile en général

Voir Boîtes de vitesses, Moteurs thermiques.

Construction nucléaire

Dans les centrales nucléaires on trouve de nombreux cas de frottement en atmosphère neutre à faible vitesse. Faute de films d'oxydes, les risques de grippage sont élevés. Les dilatations provoquent beaucoup de petits déplacements à faible vitesse (quelques mm/h) et assez forte charge (3 N/mm²).

Jusqu'à 400°C, le problème est résolu par des aciers nitrurés et jusqu'à 800°C par des revêtements de carbure de chrome avec un liant en nickel-chrome. On trouve aussi de nombreux couples en graphite, mais attention au coefficient de frottement qui atteint couramment 1 !

Contacts électriques

Les connecteurs prennent une part très importante dans les défaillances des systèmes. Les principaux agents de corrosion dans les milieux industriels sont SO₂ et H₂S. L'augmentation des pressions de contact évite la corrosion de contact mais augmente les efforts d'enfichage et de désenfichage, ce qui est rédhibitoire si le nombre des contacts actionnés simultanément est très élevé. La fiabilité d'un connecteur est avant tout une question de frottement et d'usure. Les revêtements de nitrure de titane Ti₂N donnent des résultats médiocres en raison de la structure cubique de ce matériau, mais le carbure de nickel donne de très bons résultats. On peut aussi remplacer la solution traditionnelle nickel-or par étain-plomb avec un lubrifiant spécialisé.

Électroérosion

La perturbation de la surface est liée directement à la façon dont on utilise le générateur, en particulier la puissance mise en jeu et la durée de l'opération. Plus le temps d'opération est long, meilleur est le résultat final.

On note l'existence d'une couche blanche et d'une couche thermiquement affectée. La première est saturée en carbone par des ruptures de molécules des hydrocarbures constituant le diélectrique. La couche blanche est plus importante à la périphérie des cratères qu'au centre. La couche affectée thermiquement l'est d'autant plus qu'il y a resolidification du métal enlevé et non vaporisation, que l'énergie de décharge est élevée et aussi que le métal usiné dissipe plus difficilement les calories. Les contraintes de traction peuvent provoquer des craquelures. Le travail de l'acier et des métaux apparentés provoque un durcissement de la surface.

Lors de la fabrication d'outillages (matrices de forge, moules pour matières plastiques ...), il n'est pas certain que l'enlèvement de la couche blanche et de la couche thermiquement affectée lors d'opérations de polissage, par exemple, donne de meilleurs résultats.

On cite cet exemple : une matrice de forge en acier rapide usinée par fraisage a tenu 4000 pièces. Une autre ébauchée par fraisage et finie par électroérosion a produit 12 000 pièces. Une troisième usinée par fraisage, finie par électroérosion puis soumise à un traitement thermique de stabilisation a permis de produire le nombre impressionnant de 400 000 pièces !

Embrayages

Si les garnitures des embrayages automobiles frottent à sec, beaucoup d'embrayages industriels fonctionnent dans l'huile.

Un « bon » coefficient de frottement pour le fonctionnement d'un embrayage n'est pas forcément très élevé, on préfère qu'il dépende peu de la pression de contact et de la température, et qu'il croisse légèrement quand la vitesse de glissement augmente afin de diminuer la tendance au stick-slip.

L'amiante était un excellent constituant des garnitures d'embrayages et son remplacement par d'autres matériaux moins dangereux pose de gros problèmes, pas toujours bien résolus à l'heure actuelle.

Engrenages

Les curieux (dans le bon sens du terme) sauront tout ou presque sur l'usure des engrenages en se reportant à l'excellent ouvrage de Louis Faure, du CETIM : Aspect des dentures d'engrenage après fonctionnement.

Les engrenages étaient déjà utilisés sous une forme rudimentaire au VIe siècle avant notre ère mais ce n'est qu'au XVIIe siècle que leur fonctionnement commença à être étudié de manière véritablement scientifique. Il existe encore d'anciennes installations possédant des dentures en bois (roues à « alluchons »).

Les problèmes de lubrification ne sont devenus primordiaux qu'au début du XXe siècle. On a longtemps considéré que les meilleurs lubrifiants étaient les plus épais mais aujourd'hui on utilise toute une gamme d'huiles, de graisses, de produits solides ... et même l'air !

Sur les engrenages lents lubrifiés à la graisse et tournant toujours dans le même sens, l'excès de lubrifiant est transféré au bout de quelques tours et ne peut plus revenir dans la zone de contact. On a donc intérêt à utiliser une graisse relativement molle, filante, et à en remettre souvent de petites quantités plutôt qu'une grosse quantité amenée une fois pour toutes. La graisse doit présenter une très haute tenue sur les surfaces, être apte à circuler et ne pas durcir lors des périodes d'arrêt.

Dans le cas d'engrenages peu chargés, fonctionnant à des vitesses moyennes, lubrifiés avec une huile relativement visqueuse, les dentures sont séparées par un film suffisamment épais pour supprimer tout contact métal sur métal. L'usure sera insignifiante, sauf lors des périodes de démarrage et d'arrêt qui sont toujours les plus dangereuses. Les stries d'usinage d'origine se retrouvent intactes sur la denture, même après de longues périodes de fonctionnement.

Il est à noter que l'on ne peut parler d'avarie que lorsque l'usure est telle que l'engrenage est inapte à remplir sa fonction avant d'avoir atteint la durée pour laquelle il a été prévu.

• L'usure normale (normal wear) est une perte lente et régulière de l'épaisseur des dents, sans dégradation de l'état de surface. Ce n'est pas une avarie mais au contraire le signe d'un fonctionnement normal des dentures, et la tenue de l'engrenage n'est pas affectée pendant la durée prévue pour l'utilisation.

• L'usure courante (current wear) est une abrasion à deux corps caractérisée par un amincissement des zones de glissement (les sommets et les pieds des dents) tandis que la perte de matière est à peu près nulle au niveau du primitif. Il en résulte une déformation du profil, mais sans dégradation notable de l'état de surface. L'aspect de la zone usée est en général gris et mat.

• Le poli-miroir (polishing) traduit une plastification superficielle des flancs de dents. Il est peu évolutif et témoigne d'un bon fonctionnement : on n'a jamais à la fois usure importante et poli miroir. Par ailleurs cette modification de la surface des dentures favorise leur portée.

Cependant, en cas de surcharge ou de lubrification défectueuse, la température de surface peut devenir suffisante pour permettre la formation de microsoudures localisées, alors le grippage n'est pas loin. Pour éviter un tel risque, on peut augmenter quelque peu la viscosité du lubrifiant. De même on prendra soin d'éviter toute surcharge, même brève, qui ne manquerait pas de provoquer des dégâts irrémédiables.

Le poli-miroir apparaît communément sur les dentures durcies en surface comme celles des boîtes de vitesses ou des différentiels automobiles.

• Le grippage localisé correspond à des arrachements ou des adhérences (adhesures) qui modifient soudain l'état d'une petite partie de la surface des dents, 5 % par exemple. Il concerne souvent les dentures neuves ou dans l'état de poli-miroir et il peut disparaître à la longue.

Les causes de ce phénomène sont multiples : imperfection d'usinage, défaut d'alignement des dentures, déformation en charge, passage d'une particule étrangère dans la denture, surcharge brutale, défaut temporaire de lubrification. Dans tous les cas il y a surcharge locale, rupture du film d'huile et formation d'une micro-soudure immédiatement cisaillée.

On pense souvent, mais à tort, que ce n'est pas forcément une avarie grave ; en réalité les arrachements s'accompagnent souvent de fissures qui partent de la surface et risquent, en s'étendant à toute l'épaisseur de la dent, de provoquer sa rupture rapide. Sur des engrenages traités en surface, un contrôle par ressuage est souvent utile. Par contre, les engrenages traités dans la masse présentent un risque bien moindre.

Il est parfois possible de « réparer » les dentures pas trop sévèrement grippées en les faisant fonctionner quelque temps avec une graisse de rodage appropriée.

• Le grippage généralisé (scuffing) est une avarie très brutale attribuée à une rupture du film lubrifiant par suite de températures de surface trop élevées. Sa gravité a accéléré le développement des additifs extrême pression. Il est reconnaissable au fait que le cisaillement des microsoudures amène des transferts de métal d'une denture sur l'autre, ou l'émission de débris.

Le grippage généralisé est une usure catastrophique qui détruit typiquement les dentures non traitées, de gros module, fonctionnant à des vitesses faibles. Il produit une modification soudaine de la surface de toutes les dents : sur des engrenages durcis, on note un changement de coloration et de fines rayures, à ne pas confondre avec une usure abrasive, car il y a peu de perte de cote. Sur des aciers peu durcis, les surfaces sont détruites par écoulement plastique et marquées de sillons grossiers parallèles au profil. Lors du grippage apparaissent aussi des charges radiales anormales et des vibrations. Le facteur de frottement augmente et devient irrégulier.

Il n'est pas forcément nécessaire d'atteindre de très hautes températures pour former des soudures. On distingue en fait deux sortes de phénomènes :

• • Le grippage à chaud (hot scuffing) est lié à une rupture de film d'huile par échauffement excessif. Les traces sont généralement plus importantes dans les zones à forte vitesse de glissement. Tant que ces traces restent fines et peu profondes, elles peuvent être tolérées car elles finiront par s'amenuiser avec le temps. Si elles sont au contraire grossières, elles évolueront vers des arrachements et généralement, à court terme, vers la rupture des dents. Ces dernières prennent des teintes caractéristiques brunes, bleues ou violacées.
  • Le grippage à froid (cold scuffing) résulte de pressions de contact très élevées accompagnées de vitesses de glissement extrêmement faibles. Le désastre commence par quelques arrachements plus ou moins localisés qui ne tardent pas à se propager de proche en proche à toute la périphérie de la denture. La destruction totale peut se produire en quelques minutes.

Le grippage à froid est très souvent associé à un manque de lubrifiant et se produit le plus souvent sur des dentures lubrifiées à la graisse. Il est favorisé aussi par un état de surface médiocre, qui facilite la formation des microsoudures et le développement du grippage en profondeur.

• Les usures à trois corps (wear with three bodies) résultent de la présence dans l'huile de corps abrasifs : rouille, sable de moulage, calamine, copeaux ... On peut distinguer plusieurs formes :
  • Les rayures, griffures, sillons (scratching) se manifestent sous la forme de cavités isolées ou de sillons plus ou moins profonds mais toujours bien individualisés et irréguliers, orientés dans le sens du glissement. Il s'agit de l'effet de grosses particules introduites dans l'engrènement.

Ce type d'usure se rencontre dès la mise en route d'un mécanisme, ou juste après une réparation faite dans des conditions de propreté insuffisantes.

Contrairement aux arrachements qui mettent en cause le fonctionnement de l'engrenage, les rayures ne constituent pas une avarie grave à condition que le constat soit fait à temps et que des mesures curatives soient prises : d'une part, l'élimination des corps étrangers, d'autre part, la réparation des dentures par polissage des surépaisseurs causées par les griffures et désincrustation des particules dures.

• • L'usure abrasive proprement dite (abrasive wear) est due à la présence dans le lubrifiant de petites particules d'origine externe ou interne : débris d'usure par exemple. On remarque des rayures très fines, un aspect mat, un épaulement au fond de la denture et des dents érodées en lame de couteau.

Le phénomène d'abrasion est souvent très rapide, il ne s'accompagne jamais d'adhésions locales ou de microsoudures, et ne résulte pas d'un manque de lubrifiant. Ce dernier est au contraire le vecteur des particules abrasives. On assiste à la formation de dents pointues et souvent très affaiblies à la base.

Dans de nombreux cas, les dents finissent par se rompre, ou si elles sont traitées, par subir d'autres formes d'usure fatales comme l'écaillage étudié plus loin.

L'usure abrasive produit une augmentation du jeu de fonctionnement des dentures et une forte déformation des profils génératrice de bruit et de vibrations.

• L'usure modérée (moderate wear) est caractérisée, comme son nom l'indique, par une perte de matière plus forte que lors de l'usure normale. Elle apparaît le plus souvent lorsque les limites de la lubrification sont atteintes, et concerne presque tous les engrenages très chargés tournant à faible vitesse et réalisés en acier traité dans la masse.

Il est à noter que si des traces notables d'enlèvement de matière sont visibles là où se produit le glissement, au sommet et au pied des dents, en revanche la surface primitive de fonctionnement n'est pratiquement pas altérée.

L'usure modérée peut en général être tolérée à condition d'améliorer la lubrification par refroidissement de l'huile ou par augmentation de sa viscosité, ou encore en remplaçant la graisse par de l'huile. Le niveau de bruit et de vibrations peut toutefois devenir inacceptable.

• L'usure excessive et destructrice (excessive and destructive wear) est un processus qui aboutit à la mise hors service des dentures. On constate une très importante déformation des profils qui résulte de l'action, conjointe ou non, d'autres processus : abrasion, adhésion, piqûres ...

Il va de soi qu'une usure excessive amène à une recherche approfondie de ses causes, avant tout remplacement des organes détruits, sinon on peut être à peu près sûr qu'elle se reproduira sur les nouvelles pièces. On s'intéressera en particulier à la nature du lubrifiant, à son onctuosité et à sa viscosité, sans oublier son mode d'introduction dans les contacts. On examinera l'efficacité de la filtration et/ou du refroidissement, l'étanchéité du carter. D'autres causes sont à rechercher sur les dentures elles-mêmes : choix des matériaux, de leurs traitements, qualité du taillage, détermination des déports ...

On n'oubliera pas que parfois une mauvaise portée des dentures provient de déformations excessives des arbres, de leurs appuis (roulements ...), voire du carter. Les dilatations différentielles sont aussi à prendre en compte, de même que les surcharges ou encore les vibrations transmises par les organes voisins. Parfois, c'est la conception d'ensemble de l'engrenage qu'il faudra revoir !

• La corrosion chimique et la rouille (chemical corrosion, rusting) provoquent des taches de couleur brun rouge, des irrégularités de surface, des piqûres souvent foisonnantes, plus ou moins bien réparties sur tout ou partie des zones exposées. Il s'agit évidemment d'attaques chimiques ou électrochimiques.

Souvent, cette attaque résulte de produits contaminants introduits dans le carter, mais très fréquemment elle est due à la présence d'eau amenée par des fuites ou par la condensation. Le lubrifiant peut lui aussi être incriminé, pour diverses raisons :

• • acidification due au vieillissement,
  • présence d'additifs extrême pression trop agressifs,
  • activation de ces additifs par la présence d'eau ou par une température excessive.

Parfois (souvent ?) les engrenages sont corrodés avant même leur introduction dans le carter, à cause d'un nettoyage avec des substances agressives, ou d'un mauvais stockage, ou encore du simple contact avec des mains en sueur ...

Les dentures corrodées ont un aspect peu engageant mais leur fonctionnement n'est que rarement altéré. Toutefois il faut se méfier des résidus d'oxydation qui peuvent être très durs et engendrer une usure abrasive.

• Le pelage (scaling) est dû à une oxydation lors du traitement thermique. Il apparaît après fonctionnement une surface inégale comportant des zones en léger relief, très irrégulières, qui supportent les charges et prennent vite un aspect brillant. La portée des dentures est alors mauvaise.

• La corrosion de contact (fretting corrosion) concerne
  • d'une part les dentures ordinaires soumises, pendant le transport ou l'arrêt, à des vibrations d'origine extérieure,
  • d'autre part les accouplements à denture soumis, avec une protection insuffisante, à des vibrations de torsion ou à de petits mouvements dus au désalignement.

La corrosion de contact produit des quantités importantes d'oxydes abrasifs qui vont polluer les lubrifiants et provoquer, dans les cas graves, une usure destructrice.

• La surchauffe et les brûlures (overheating, burning) résultent d'un échauffement anormal consécutif à une surcharge, une survitesse, un défaut de lubrification. Les plages colorées que l'on constate ne doivent pas être confondues avec le résultat d'une oxydation ou d'une corrosion. La chute des caractéristiques mécaniques favorise l'apparition du grippage et dans les cas les plus graves, elle peut conduire à un écrasement de la denture par fluage à chaud.

• La cavitation peut se manifester au niveau des dentures lorsque celles-ci se meuvent perpendiculairement à leur surface. Un tel mouvement se produit lors de l'engrènement sous l'effet de vibrations. Il en résulte une alternance de surpressions et de dépressions au sein du lubrifiant. Si ce dernier contient un produit susceptible de se vaporiser (eau, essence ...) et si les conditions s'y prêtent, alors des bulles se forment, puis implosent en provoquant des ondes de choc. Il constate alors l'apparition des micro-cratères caractéristiques de la cavitation.

• L'érosion par impact peut endommager les dents d'engrenages à haute vitesse lubrifiés par un jet d'huile alimenté sous une pression excessive.

• L'étincelage est caractérisé par la formation d'une multitude de petits cratères résultant du passage intempestif d'un courant électrique, cratères qu'il ne faut pas confondre avec des piqûres provoquées par la fatigue des couches superficielles. Les traces sont ici en forme de cupules présentant, juste après leur formation, un rebord provenant de l'éjection du métal fondu. L'examen métallographique montre fréquemment des structures de trempe et de revenu.

Si ces cratères sont provoqués par des courants vagabonds, ils sont généralement répartis sur l'ensemble de la denture.

Comme dans le cas des roulements (voir plus loin), les cratères peuvent aussi avoir pour origine des travaux de soudage à l'arc au cours desquels le retour du courant s'est effectué à travers les roues dentées : mise à la masse mal choisie ! Dans ce cas, les dégâts sont bien sûr localisés.

• La fatigue de surface est une dégradation progressive, comme tous les phénomènes de fatigue. Contrairement aux autres formes d'usure, celle-ci concerne les engrenages bien lubrifiés. Les endommagements peuvent rester longtemps cachés avant de se manifester brutalement, ou bien se révéler de façon spectaculaire et précoce. Il y a donc diverses formes possibles, que nous allons passer en revue.

D'une manière générale, cette fatigue se produit sous l'effet des contraintes tangentielles alternées. Si le frottement est très faible ces contraintes sont maximales en profondeur, ce qui peut être le cas avec des dentures très bien lubrifiées. Par contre, si les forces de frottement ne sont plus négligeables, le cisaillement est maximal en surface. Selon les circonstances, l'amorçage des fissures de fatigue se fera en sous-couche ou bien de façon apparente sur la peau de la pièce.

• Les micro-piqûres (micropitting, frosting, gray staining, microspalling) sont de très petits endommagements de 10 à 25 micromètres de côté et de 10 à 20 micromètres de profondeur. Ils concernent surtout les engrenages traités superficiellement et finis par rectification. Les divers termes correspondent à des aspects différents : taches grises, gerçures ... mais les dégâts sont identiques. Cette usure est évolutive, le métal est éliminé progressivement sous forme de petites écailles.

• Les piqûres (pitting) sont des trous peu profonds en forme d'éventail dont la pointe est tournée vers le pied des dents motrices ou vers le sommet des dents menées. La taille de ces trous est bien plus forte que pour les micro-écailles (de 0,3 à 2 mm) tandis que la profondeur est de l'ordre de 0,1 mm.

Le piquage ne se produit que si le mouvement de roulement est plus important que le mouvement de glissement, c'est pourquoi on le trouve surtout au niveau du diamètre primitif.

Le piquage apparaît souvent sur des dentures neuves traitées à cœur. Généralement il ralentit au fur et à mesure que le rodage améliore les portées et parfois même les traces disparaissent à la longue. Les piqûres diminuent si l'acier est durci et si la viscosité du lubrifiant croît.

La fissuration démarre à partir d'un petit défaut superficiel et se propage ensuite en profondeur jusqu'à l'élimination d'une parcelle de métal. On considère généralement que la présence d'huile accélère très nettement la dégradation, car les très hautes pressions dues à l'engrènement sont transmises jusqu'au fond des fissures.

Les piqûres naissantes sont généralement d'assez petites dimensions. Elles apparaissent d'abord là où la charge est maximale et en particulier, elles révèlent vite les défauts d'alignement, les déformations anormales des pièces, les distorsions dues aux traitements thermiques. La présence de quelques piqûres ne présente pas un risque immédiat et souvent le phénomène cesse spontanément.

Cependant une évolution catastrophique est toujours possible et une fissuration grave peut dégrader très vite la totalité des surfaces, surtout dans le cas des dentures droites : c'est alors le piquage destructif.

• L'écaillage (spalling) est une dégradation qui commence toujours à l'intérieur du métal, puis se propage jusqu'à rejoindre la surface, ce qui libère des fragments plus ou moins irréguliers aux dépens de la peau de la pièce. Cette avarie est beaucoup plus fréquente sur des dentures traitées superficiellement par cémentation ou trempe superficielle que sur celles qui sont traitées à cœur. L'écaillage est rare sur les aciers de faible dureté et dépend peu de la viscosité du lubrifiant.

Les zones écaillées font apparaître une surface irrégulière, voire accidentée. On distingue facilement les piqûres des trous provoqués par l'écaillage : les premières ont des parois en pente plus ou moins douce, les seconds sont limités par des « falaises » à angles vifs, sur toute leur périphérie.

Au début, l'écaillage semble n'affecter que quelques dents, ou même une seule. Il ne faut jamais oublier qu'il s'agit d'un phénomène de fatigue qui s'amorce très sournoisement en sous-couche. D'une part, cette fissuration est invisible tant qu'elle n'a pas débouché à la surface, d'autre part, elle provoque à court terme la rupture des dents concernées car elle s'étend dans la masse du métal en même temps qu'elle migre vers la surface.

L'écaillage se situe le plus souvent en dessous du diamètre primitif, le creux des dentures est en effet plus sollicité que les sailles, et plus longtemps.

La cause la plus fréquente de l'écaillage est une surcharge de longue durée et/ou une profondeur de traitement insuffisante : on sait que la couche traitée devrait avoir une épaisseur telle qu'elle dépasse de 50 à 100 % la profondeur à laquelle se produisent les contraintes maximales de cisaillement. L'écaillage survient de façon quasi systématique en cas de portée défectueuse des dentures, il se localise alors dans des zones bien déterminées des dents, le plus souvent à leur extrémité. Les dentures-bateaux sont un bon moyen d'éviter ces mauvaises portées.

La dislocation de la couche traitée (case crushing) est une avarie très grave typique des engrenages traités en surface et qui les met immédiatement hors service. Comme pour l'écaillage, les fissures naissent en sous-couche, avant que des fragments de métal soient éliminés sous forme de grosses écailles. C'est en fait toute la couche traitée qui se trouve rapidement décollée d'un substrat de résistance insuffisante.

On sait aujourd'hui déterminer la profondeur à laquelle règne le cisaillement maximal dans un contact localisé essentiellement roulant. Si l'on traite en-deçà de cette profondeur par cémentation, nitruration, trempe superficielle, le traitement sera sans effet. Si l'on traite à une profondeur exagérée l'opération sera certes efficace mais inutilement coûteuse. Si l'on s'arrête au niveau de la zone de cisaillement maximal, non seulement le traitement sera inefficace, mais en introduisant une discontinuité de structure là où les contraintes sont les plus importantes, on a toutes les chances d'accélérer la dégradation. La bonne profondeur se situe entre 1,5 fois et 2 fois la profondeur à laquelle se produit le cisaillement maximal. Il faut de plus obtenir une dureté suffisante en sous-couche pour que la surface traitée soit solidement ancrée sur le substrat.

• Les empreintes (indentation) résultent du passage d'un corps étranger entre deux dents. Ce corps peut provenir des dents elles-mêmes, d'un roulement à billes voisin, d'un défaut de propreté au montage ... Ces empreintes sont souvent accompagnées d'autres défauts : déformation des dents ou formation de fissures pouvant faciliter un écaillage ultérieur.

• la déformation plastique par roulage (rolling) provoque des déplacements de matière accompagnés le plus souvent de la formation de bavures. On observe sur les roues menantes un creusement au niveau du primitif et un gonflement du sommet et du pied des dents, tandis que sur les roues menées la matière est repoussée vers le primitif où elle forme un bourrelet.

pignon pour crémaillère

Cette avarie est propre aux dentures non traitées ou traitées à cœur. Sur des dents traitées en surface peuvent exister des phénomènes analogues mais jamais avec la même ampleur. Les profils sont progressivement détruits, tandis que l'engrenage devient bruyant. En général, cela conduit à brève échéance à une rupture des dents. Le remède consiste à éliminer les surcharges et surtout à réduire le frottement sur les dents en adoptant une huile plus visqueuse.

La photo montre un morceau de la roue dentée qui permet à un petit train à crémaillère de monter au sommet de la Rhune, une des montagnes mythiques du Pays basque. On voit très bien que le métal a été écrasé au niveau du diamètre primitif et refoulé non seulement vers la tête et le pied de dent, mais aussi latéralement. La roue complète avait un diamètre de l'ordre de 2 m. On notera :

• • que l'on a choisi délibérément un acier relativement mou, non traité, de façon qu'il ne soit surtout pas fragile. Chacun comprendra qu'il vaut mieux, pour ce genre d'application, que les dents périssent par leur surface plutôt qu'en se rompant brutalement,
  • que pour la même raison, la base des dents est creusée par des cylindres de grands rayons. Il s'agit ici d'éviter les ruptures de fatigue en diminuant autant que faire se peut l'éffet d'entaille.
  • qu'après qu'elle a été usée d'un côté (c'est toujours le même flanc des dents qui travaille, aussi bien à la montée du train qu'à sa descente), la roue a été retournée.

• Les déformations plastiques par martelage (peening) forment des sillons longitudinaux correspondant aux zones de portée. La cause en est généralement une surcharge brutale qui peut concerner toutes les dents ou seulement quelques-unes, si cette surcharge se produit toujours pour une certaine position angulaire de la roue dentée. Cette avarie se produit fréquemment, lorsqu'une dent a été rompue, sur la ou les dents suivantes.

Dent cassée sur une roue spiro-conique

En général, les chocs s'accompagnent d'une fissuration de fatigue qui provoquera, au bout d'un certain temps, le bris partiel ou total de la denture. La photo montre des taches de martelage sur la roue spiro-conique d'une transmission de Renault 4, après la rupture par fatigue d'une dent et des extrémités des dents voisines. Le propriétaire du véhicule et l'auteur de ces lignes ne faisant qu'un, vous pouvez admettre que ces taches se sont formées en peu de temps, le bruit de fonctionnement étant de nature à dissuader quiconque d'entreprendre un voyage au long cours. La R4 a toutefois bravement supporté une brève excursion pour se rendre chez son garagiste préféré, excursion de nature à faire réfléchir le conducteur alors jeune à la valeur du concept d'élan.

• Le broutage provoque la formation de petites rides (rippling) ou de stries (ridging) plus ou moins ondulées, perpendiculaires à la direction du glissement et rappelant à petite échelle les « ripple marks », ondulations bien connues provoquées dans le sable ou la boue par le vent ou l'eau. Ce phénomène présente également des analogies avec le « stick-slip ».

Le broutage se produit essentiellement sur les dentures traitées en surface, par exemple cémentées-trempées, et rarement dans le cas d'un traitement dans la masse. Les facteurs qui le favorisent sont de fortes pressions, des vitesses faibles, des vibrations de torsion et une lubrification limite.

Il ne s'agit généralement pas d'une véritable avarie, mais plutôt d'une sorte de signal d'alarme précédent la survenue de dégradations beaucoup plus graves, sauf si le fonctionnement est trop perturbé.

• Les sillons (ridging) forment sur certaines dentures, à faible vitesse et fort glissement des bourrelets et des creux parallèles à la direction de ce dernier. Les engrenages hypoïdes sont particulièrement sensibles à ce processus comparable au stick-slip et qui altère profondément l'état de surface.

La formation des sillons est liée à l'existence de fortes pressions de contact combinées à une dureté et à une lubrification insuffisantes. On peut souvent régler le problème en utilisant une huile de plus forte viscosité contenant des additifs extrême pression.

pignon pour crémaillère

• Les bavures (burr) sont des excroissances de métal, souvent grossières et plus ou moins acérées, formées par déformation plastique du métal. Il ne faut pas les confondre avec les bavures que laisse parfois l'usinage. Les bavures latérales de la roue du petit train de la Rhune, déjà montrée précédemment, relèvent de ce processus.

On rappelle que les bavures qui se sont formées en tête et en pied de dent relèvent du phénomène de roulage.

Roue creuse pour pont arrière automobile à vis

Roue creuse pour pont arrière automobile à vis

Roue creuse pour pont arrière automobile à vis

• Des processus d'usures combinées apparaissent parfois, ils sont systématiques pour certains mécanismes et liés à des conjonctions de paramètres difficiles à maîtriser. Ainsi, les roues pour vis sans fin en bronze présentent souvent à la fois un fluage, une abrasion et une fatigue qui, associées probablement avec une certaine forme de cavitation, provoquent la formation de cavités très caractéristiques sur le côté le plus chargé de la denture.

On voit ici trois vues d'une roue creuse utilisée dans le pont arrière à vis d'une automobile.

Ces roues ont des dentures très inclinées. On sait en effet que le meilleur rendement d'un système roue et vis sans fin est obtenu lorsque l'angle d'inclinaison d'hélice de la vis, égal à l'angle d'inclinaison de denture de la roue, vaut 45°-φ/2, φ étant l'angle de frottement. On a donc ici une inclinaison de denture de l'ordre de 43°.

• Des fissurations (cracks) de diverses sortes, liées à des défauts de fabrication, peuvent altérer l'état des surfaces, comme par exemple : des fissures dues au forgeage (initial or thermal cracks), des tapures de tremps (quenching cracks), des criques de rectification (grinding cracks), des criques d'origine thermique (thermal cracks), des fissures de fatigue (fatigue cracks), ...

Naturellement il ne faut pas oublier que les dentures sont exposées non seulement aux phénomènes d'usure qui dégradent leur surface, mais aussi à d'autres processus de mise hors service comme les ruptures par surcharge, par chocs ou par fatigue.

On traite contre l'usure et la fatigue superficielle par la nitruration, la carbonitruration ou la cémentation. Une décarburation superficielle est toujours très défavorable.

Pour la pignonnerie automobile on utilise beaucoup l'acier 16 CD 4 cémenté trempé pour les pignons à dentures assez grosses et les couronnes spiroconiques, ou l'acier 27 CD 4 carbonitruré pour les pignons à dents plus petites, les baladeurs à denture et les couronnes de ponts à denture droite.

Pour les réducteurs à roue et vis sans fin la roue est parfois encore en fonte et la vis en acier mi-dur, si les vitesses et les pressions sont faibles. En général la roue est en bronze phosphoreux du genre U E12 P et la vis en acier trempé ou cémenté trempé. Les bronzes centrifugés sont ceux qui ont les meilleures qualités de frottement et de résistance. Pour des applications particulières (réducteurs silencieux, graissage impossible), on utilise parfois pour la roue des matières plastiques autolubrifiantes (Céloron).

À noter un phénomène assez étrange qui détériore parfois les engrenages mixtes plastique:métal, comme ceux que l'on peut rencontrer dans les programmateurs électromécaniques qui équipent beaucoup d'appareils ménagers : la dissolution du pignon métallique dans la matière plastique de la roue (usure par dissolution).

Étanchéité

La fiabilité des appareils pneumatiques dépend beaucoup de la qualité des joints. Il faut réaliser le meilleur compromis entre les efforts de friction, l'usure et l'absence de fuite, tout en évitant le « collage » à l'arrêt qui demande une énergie supplémentaire au démarrage.

Le graphite revêtu de carbure de silicium SiC par CVD permet de construire des glaces d'étanchéité relativement bon marché. Le nitrure de silicium est un bon matériau de frottement pour des joints avec glaces en fonctionnement hydrodynamique. Pour des joints d'étanchéité d'arbres frottant en présence d'eau on a de bons résultats avec le graphite, le composite polyamide-PTFE (Kinel), assez bons avec les matériaux à base d'amiante et de résine phénolique (Railko). En présence d'eau chargée de matières abrasives le polyéthylène à haute densité convient (Cestidur).

Pour les segments, voir « Moteurs thermiques ».

Attention aussi à la détérioration des arbres par les joints, particulièrement ceux en feutre, qui créent facilement une abrasion à trois corps.

Fabrication mécanique

• coupe des métaux : pendant l'usinage des alliages légers, le copeau emmagasine bien plus de chaleur que l'outil, il faut réduire le frottement et le temps de contact outil-copeau. En usinage extérieur, on tourne très vite pour éliminer les copeaux, en usinage intérieur on peut traiter l'outil par sulfinuzation pour diminuer la quantité de chaleur produite.

• extrusion et filage à chaud : lors de l'extrusion du cuivre les filières en acier non traité sont immédiatement détruites à 15 000 bars et 780°C, mais elles supportent 50 extrusions sans dommage avec un traitement enrichissant la surface en chrome : l'acier à au moins 3 % de carbone est placé pendant 15 heures à 980°C dans un cément à base d'alumine et de chrome, activé par des chlorures, en atmosphère d'hydrogène, puis trempé à l'huile à 1 050 °C. Il en résulte des couches de 10 micromètres de carbures de chrome Cr₇C₃, Cr₂₃C₆, dont la dureté dépasse 1500 HV.

L'acier peut être lubrifié par le verre, mais pas le cuivre en raison des couches d'oxydes.

• forgeage des métaux : les outillages de travail à chaud seraient probablement inutilisables sans les couches d'oxydes qui les protègent. Dans les matrices de forgeage un film d'oxyde FeO se forme lors du « rodage », après exécution d'une dizaine de pièces. Les outillages, soumis à la fatigue thermique qui craquelle leur surface, doivent être refroidis.

La lubrification réduit les efforts en abaissant le coefficient de frottement mais augmente du même coup le glissement du métal et l'usure par abrasion. Les huiles graphitées stabilisent le frottement après quelques dizaines de pièces, des lubrifiants à base d'eau, d'hydrocarbures ou même de sciure, facilitent l'éjection de la pièce en fin de forgeage par effet diesel.

• formage des métaux : les contraintes doivent provoquer l'écoulement du métal pour obtenir, avec ou sans perte, des formes nouvelles, des propriétés mécaniques particulières, des états de surface voulus. Les outils voient défiler à leur contact un métal qui se renouvelle. Le frottement qui gène son écoulement est en général néfaste, mais utile pour le laminage.

Un film épais de lubrifiant très visqueux ou plastique évite les contacts, abaisse le frottement et l'usure. La rugosité du produit augmente, il est d'aspect mat à la sortie des outils. En lubrification par film mince, le frottement et l'usure sont forts et il faut veiller à la compatibilité des matériaux pour éviter les transferts. Le lubrifiant évacue les calories. La rugosité de la pièce, matée par l'outil très dur, s'améliore et le produit qui sort est brillant.

Il est très difficile de prévoir les rugosités exactes et de calculer les épaisseurs de film. Les modifications de la surface doivent être prises en compte pour les traitements ultérieurs.

• Les lubrifiants pour le travail des métaux en feuilles sont relativement nombreux :
  • solutions savonneuses d'oléate et stéarate de sodium ou de potassium déposées à la brosse et rincées ultérieurement,
  • émulsions grasses comprenant de 25 à 60 % de graisse dans l'eau, avec éventuellement du talc, de la craie, du mica.
  • huiles solubles qui ne supportent qu'une faible pression, avec adjonction de composés de lubrification onctueuse ou extrême pression, mais dans ce dernier cas il faut bien nettoyer sous peine de corrosion,
  • huiles minérales avec éventuellement des huiles chlorurées ou sulfurées pour permettre le régime onctueux, ou des composés phosphorés,
  • huiles végétales plus onctueuses et efficaces que les huiles minérales mais plus coûteuses et difficiles à nettoyer,
  • huiles extrême pression chlorurées ou sulfurées, qui se révèlent souvent très difficiles à éliminer : attention au nettoyage !
  • revêtements de phosphates ou d'oxalates, ou de films solides, savons, polymères, PTFE en feuilles,
  • suspension de lubrifiants solides dans l'eau,
  • voire ... une simple feuille de papier entre le flan et l'outil, pour des travaux peu sévères.

• traitement des outillages : un usinage par électroérosion mal conduit peut causer des dommages à la surface des outils, par exemple une retrempe du métal conduisant à l'écaillage. La trempe à cœur est totalement proscrite car elle donne des contraintes résiduelles de traction rendant l'acier inapte non seulement au travail, mais encore à la rectification par suite de sensibilité exagérée à l'échauffement par meulage. Il faut faire les revenus à une température aussi élevée que le permet la dureté voulue pour l'outillage. Pour éviter la décarburation ou la surcarburation, on peut empaqueter les pièces à traiter dans de minces feuilles d'acier inoxydable.

• rectification : si la meule est incorrectement dressée ou mal choisie, elle ne coupe pas et des frottements intenses apparaissent, allant jusqu'à provoquer des tapures dans les cas graves, avec éventuellement des couches de métal retrempé. On estime que 70 à 80 % de l'énergie mise en jeu est dissipée dans la pièce rectifiée.

Hydroélecticité

La lubrification des axes des distributeurs hydrauliques, des turbines et des vannes est très aléatoire car les vitesses sont insuffisantes. Le PTFE s'impose, en présence d'axes chromés ou métallisés par de l'acier à 13 % de chrome, par sa facilité de montage et d'accommodement. Les frottements sont diminués dans un rapport de 3 à 6. La rugosité ne doit pas dépasser 0,8 micromètre. Le PTFE chargé de bronze ou associé aux tissus de verre est également utilisable.

Machines agricoles

La résistance des losanges de charrues est améliorée par des traitements de diffusion métallique.

Micromécanique

C'est un domaine spécial en tribologie par les très faibles énergies disponibles et la nécessité d'un fonctionnement sous très faible charge, sans entretien, pendant plusieurs années. Les matériaux ont souvent un très haut module d'élasticité, comme le rubis, ou un très bas comme les plastiques. Les pressions de Hertz très élevées provoquent un fort accommodement en début de fonctionnement, les atmosphères sont souvent difficiles.

Les effets physico-chimiques prennent le pas sur les effets mécaniques. Les problèmes essentiels sont le maintien en place et la stabilité de très faibles quantités de lubrifiants dont la très grande propreté des pièces favorise l'étalement. Les coefficients de frottement en lubrification sèche ne sont pas assez bas, on est presque toujours en conditions limites et la viscosité joue un rôle négligeable. Pour des questions de tension superficielle, la tenue des huiles est heureusement rendue possible par la présence d'impuretés et celle, dans les lubrifiants, d'acides gras polaires.

On peut utiliser avec succès les silicones : méthylalkoylspolysiloxanes et diméthylpolysiloxanes. La présence d'oxydes métalliques est un facteur favorable à la formation de couches adhérentes.

Moteurs électriques

Les balais en graphite artificiel frottent sur le cuivre des collecteurs sous faible pression, 0,2 bar, avec une densité de courant de quelques dizaines d'ampères par cm². Le frottement est plus faible pendant le passage du courant. Il faut éviter une trop faible densité de courant qui conduit au glaçage des surfaces avec une très grande résistance électrique et de risques mécaniques : l'usure faible au début, avec production de bruit et de vibrations, devient vite catastrophique. Pour les moteurs destinés à tourner souvent à vide, on doit utiliser des balais légèrement abrasifs pour maintenir une certaine rugosité.

L'aluminium cuivré est insuffisant pour les applications industrielles. Les collecteurs en aluminium traité Zinal ont donné des résultats assez dispersés, le coefficient de frottement tend vers 0,2, celui du frottement graphite sur graphite. Avec un collecteur en AU4G le coefficient de frottement diminue avec l'intensité, ce qui semble dû à l'échauffement. L'usure des balais dépend directement de la rugosité de la bague collectrice. Inversement, l'usure de la bague est indépendante de sa rugosité, ceci sans courant.

L'utilisation de collecteurs en aluminium est possible à condition d'utiliser un revêtement de surface composé de 60 % de cuivre et 40 % d'indium. Cette solution est meilleure que celle du cuivre massif pour l'usure et la résistance à l'étincelage, à peine un peu moins bonne sur le plan de la conduction électrique.

Moteurs thermiques

L'une des causes importantes de dégradation est le phénomène de cliquetis dû à l'auto-inflammation brutale dans les cylindres de la partie des gaz comprimés en avant du front de flamme. Il dépend de la construction du moteur, de la position de la bougie, du taux de compression, de la nature du carburant et de la richesse du mélange, du régime moteur, des températures, etc.

Les ondes de pression ainsi créées peuvent détruire la couche limite de lubrifiant qu recouvre les parois dont la température augmente par suite de l'intensification des échanges thermiques. De plus, à force de marteler les grains métalliques superficiels, ceux-ci se déchaussent et des cratères d'érosion apparaissent généralement dans la zone à l'opposé de la bougie. Le joint de culasse, le segment de feu, l'isolant des électrodes centrales de bougies peuvent également être endommagés.

Le frottement a un effet considérable sur le rendement : un très bon moteur de poids lourd y perd 20 % de sa propre puissance. La longévité est très diminuée par les dépôts dus aux lubrifiants et essentiellement par le gommage du segment de feu, et limitée par l'usure progressive des éléments et des surfaces frottantes vitales.

• Le contact segment-cylindre subit l'usure adhésive douce ou sévère (rayage ou scuffing), l'usure abrasive et l'usure corrosive. Le polissage du cylindre augmente la consommation d'huile et va jusqu'au grippage.

• Les segments de feu sont maintenant en fonte GS ou semi-malléable durcie par des carbures, plutôt qu'en fonte à graphite lamellaire. Ils sont généralement chromés, mais le chrome qui fond à 1860°C devient insuffisant, en particulier sur les moteurs diesel suralimentés, et se fissure facilement. On le remplace de plus en plus par le molybdène qui fond à 2620°C et que l'on dépose généralement au chalumeau, malgré les progrès du dépôt par plasma. Les couches sont poreuses, feuilletées, riches en oxydes, et retiennent l'huile. Le plasma en atmosphère neutre donne des couches moins oxydées, moins poreuses, plus denses et adhérentes, qui résistent mieux à l'abrasion mais peuvent user les cylindres. Le molybdène a toutefois atteint ses limites et sera probablement remplacé dans les prochaines années par des matériaux déposés au plasma : cermets, céramiques, métaux réfractaires.

• Les segments râcleurs ou étancheurs sont le plus souvent en fonte grise phosphoreuse à graphite lamellaire.

• Cylindres et chemises : les cylindres sont généralement non chemisés, sauf en France où l'on trouve beaucoup de chemises mobiles humides.

Les chemises sont souvent en fonte perlitique à graphite lamellaire non traitée ou en fonte au titane. Aux États-Unis et en Grande-Bretagne, on utilise beaucoup la fonte bainitique trempée. La fonte à graphite lamellaire a des propriétés optimales si le graphite est uniformément réparti ; la centrifugation donne un grain fin plus sensible à l'usure adhésive que les structures grossières. L'eutectique phosphoreux donne une bonne résistance à l'usure et au grippage et peut emmagasiner une certaine quantité d'huile dans son réseau, mais il est fragile, sensible à la corrosion et plus ou moins incompatible avec les revêtements de molybdène au plasma. On limite la teneur des fontes en éléments d'alliage à cause du coût de revient.

Outre le grippage qui a comme on s'en doute des conséquences catastrophiques pour la vie du moteur, l'une des causes d'usure fréquentes des chemises est la délamination, qui est le déchaussement suivi de l'élimination de plaques minuscules limitées par des lamelles de graphite.

• L'usinage de finition des cylindres ou des chemises se fait au mieux par pierrage ou par honing avec des outils en carbure de silicium (carborundum) dans un liant relativement friable. La coupe est franche car les grains renouvelés par l'usure des pierres ont des arêtes vives, les lamelles de graphite et l'eutectique phosphoreux affleurent à la surface, mais les outils doivent être fréquemment reprofilés.

Les outils diamantés, presque inusables, sont très appréciés, mais les grains de diamant bien implantés dans un métal fritté s'émoussent et refoulent le métal plutôt qu'ils ne le coupent. Les surfaces littéralement « tartinées » perdent l'influence favorable des lamelles de graphite, ces dernières étant recouvertes. La surface « tôlée » frotte mal, la rétention d'huile est mauvaise et la consommation de lubrifiant croît mais le revêtement de molybdène du segment de feu s'en accommode.

Pour accélérer le rodage, on préconise des états de surface dits en plateau où se superposent deux rugosités, la courbe de portance d'Abbott-Firestone présente alors un point anguleux. Les chemises peuvent subir des traitements comme l'imprégnation de carbures, surtout de silicium, le durcissement par trempe au laser, la nitruration ionique ou le Sur-sulf, ou encore des dépôts ioniques tels que la boruration.

• Contact flanc de segment-gorge de piston : on y trouve de l'usure adhésive et du matage.

• Contact piston-cylindre : l'usure normale produit des rayures, l'usure abrasive fine polit les surfaces, l'usure adhésive sévère peut engendrer le grippage. Le revêtement chimique de plomb sur les pistons, fréquemment utilisé en Allemagne, est condamné à terme pour des raisons d'hygiène du travail.

• Contact came-poussoir ou patin de basculeur : il est le siège d'une usure adhésive douce ou sévère (scuffing), ou de piquage par fatigue.

• Les cames en fonte coulées sur refroidisseurs ont une structure de fonte blanche très riche en cémentite sur 3 à 4 mm d'épaisseur, le reste, non trempé, est en fonte perlitique. La résistance à l'usure abrasive et adhésive est bonne malgré une certaine fragilité et une sensibilité au piquage. Généralement il n'y a pas d'autre traitement de surface. Les cames en fonte grise perlitique trempées au chalumeau ou par induction résistent moins à l'usure mais mieux à la fatigue. Très souvent, on pratique une nitruration douce ou le Tenifer après la trempe par induction.

• Les poussoirs coulés sur refroidisseurs comportent alors de 2 à 4 mm de fonte blanche sur le plateau. On utilise également la fonte GS trempée superficiellement et phosphatée, les aciers XC 42 traité, XC 8 cémenté, ou 32 CDV 13 plus noble, trempé et presque toujours traité superficiellement par nitruration gazeuse, cémentation, phosphatation ou ferroxage.

• Les paliers des têtes de bielles et des lignes d'arbre peuvent subir l'usure adhésive sévère (grippage), le rayage et l'érosion par abrasion, le piquage et l'écaillage par fatigue, la corrosion, la cavitation, la corrosion de contact au dos.

De nouveaux alliages aluminium-plomb contenant de 8 à 8,5 % de plomb, 4 % de silicium, 1,5 % d'étain et 1 % de cuivre, seraient supérieurs en fatigue aux coussinets classiques aluminium-étain et aussi résistants à la corrosion.

Les vilebrequins en acier sont souvent remplacés par de la fonte traitée superficiellement.

Outils de coupe

En 1990, 35 % des outils de coupe utilisés au Japon sont des cermets contre 5 % en Europe. Les cermets progressent en Europe au détriment des carbures, au Japon c'est l'inverse. Sandvik Coromant et Norton exploitent une technique basée sur la CVD : des plaquettes en carbure métallique ou nitrure de silicium sont revêtues d'une fine couche de diamant (de 2 à 50 micromètres).

Deux familles de céramiques sont utilisées dans les outils de coupe :

• l'alumine sous forme « blanche » (pure), « noire », avec 15 à 30 % de carbure de titane, de nitrure de titane, parfois de zircone, ou sous forme de « wiskers », alumine renforcée par des fibres de carbure de silicium
• le nitrure de silicium.

Le carbure de bore est très cher et son utilisation est très rare.

On recherche le meilleur couple métal à usiner/céramique. Il n'existe à ce jour aucune règle précise et chacun a sa recette. Avec les céramiques, on peut atteindre des vitesses de coupe de 500 m/min dans l'acier au lieu de 120 pour les outils carbure, et de 600 m/min dans la fonte grise. Il faut des machines à la fois très puissantes et très rigides, et veiller à un équilibrage dynamique soigné des broches et des outils. Problème : comment déceler l'usure des plaquettes ?

Une plaquette de wisker coûte trois fois plus cher qu'un carbure mais l'usinage est trois fois plus rapide. On diminue non pas le coût de l'usinage mais le temps machine.

Outillages d'extrusion

En Europe, les outillages d'extrusion ont été les premiers à bénéficier de la technologie PVD. Deux micromètres de nitrure de titane ont permis, par exemple, de tripler la durée de certains outillages. On note aussi la possibilité de réaliser des outillages de types inconnus auparavant. Utilisations possibles sur engrenages, roulements à billes, ...

Outils de poinçonnage et de relevage de collerettes

Dans des conditions industrielles définies, des outils de poinçonnage revêtus de nitrure de titane ou carbonitrure de titane (par PVD) ou de carbure de titane (par CVD) peuvent produire jusqu'à 35000 pièces dont la qualité est supérieure à celle produite par des outils conventionnels non revêtus.

L'usure des parties actives des outils dégrade progressivement la qualité des pièces découpées : variation des cotes, apparition de défauts de forme, modification de l'aspect du bord découpé, augmentation du volume écroui limitant les possibilités de formage ultérieur du bord découpé, variation de la hauteur des bavures.

Toutefois, un faible niveau d'usure des arêtes de coupe ne correspond pas nécessairement à la qualité optimle des pièces découpées. Cette qualité est meilleure avec des outils revêtus jusqu'à 35 000 coups de presse, après la tendance s'inverse.

Le principal mode de dégradation des outils est l'écaillage. L'amélioration de leur tenue s'obtient en évitant soigneusement les défauts de surface, en traitant correctement l'acier de base, en « mouchant » les outils. Du reste les hauteurs de bavure minimales sont obtenues avec des outils dont l'arête de coupe présente un arrondi de l'ordre du dixième de l'épaisseur des tôles poinçonnées.

Pneumatiques automobiles

Une partie considérable des pertes par frottement lors du roulement d'un véhicule automobile provient des pneumatiques : pour une voiture particulière roulant à 90 km/h dans des conditions ordinaires, les pneumatiques consomment de 25 à 35 % de la puissance fournie par le moteur !

La résistance à l'avancement des pneus varie énormément :

• elle est maximale lorsqu'ils sont froids et se stabilise au bout d'une dizaine de minutes de roulage,
• pour une température ambiante voisine de 20°C, la résistance augmente d'environ 1% pour une baisse de 1°C,
• elle reste pratiquement constante jusqu'à 100 km/h et augmente très vite au-delà pour doubler vers 180 km/h,
• un sous-gonflage de 20 % l'augmente de 8 %,
• un pneu neuf dépense 40 % d'énergie de plus qu'un pneu en fin d'usure,
• elle varie dans un rapport de 1 à 1,5 selon l'état de la route, les plus faibles valeurs étant obtenues sur des sols lisses un peu mouillés.

Ainsi, on comprend mieux pourquoi, dans les compétitions automobiles, on monte des pneus lisses quand la piste est sèche, et pourquoi on pratique un « tour de chauffe » ou même le « brûlage » des pneus avant le début de la course. Les conditions de roulage sont évidemment très différentes pour le véhicule de « monsieur Toutlemonde ».

Les pertes d'énergie sont dues pour 85 à 95 % au frottement de roulement et interviennent donc, par hystérésis, dans la matière même. Si l'échauffement qui s'ensuit est trop important, il peut dégrader énormément les caractéristiques du pneu et provoquer son éclatement.

Prenons pour base 100 la résistance au roulement pour une vitesse stabilisée à 90 km/h depuis une quinzaine de minutes, sur une bonne route lisse, avec une température ambiante de 30°C et des pneus en fin d'usure normalement gonflés : on passera à 140 avec des pneus neufs, à 190 si la température ambiante descend à 0°C, à 280 si le sol devient très rugueux, à 330 si la mesure est réalisée en début de roulage ... et bien davantage si l'on roule à 130 km/h avec des pneumatiques insuffisamment gonflés.

Les fabricants de pneumatiques ont fait des progrès sur le plan de la résistance au roulement depuis quelques dizaines d'années, mais les améliorations sont limitées par la nécessité de conférer aux pneumatiques bien d'autres qualités parfois contradictoires : adhérence, résistance à l'usure, longévité, confort, etc.

Prothèses

Prothèses de la hanche

La première prothèses de hanche de R.Judet était en résine acrylique, matériau qui fut rapidement abandonné en raison de son usure et des débris produits. Les premières prothèses utilisables étaient en acier inoxydable, toujours utilisé dans certains cas.

Les débris d'usure sont responsables en grande partie des complications à long terme.

Les alliages en chrome-cobalt résistent mieux et produisent moins de débris mais ils ne sont pas toujours bien tolérés et on les tient pour les responsables principaux des descellements.

Les alliages de titane, d'utilisation plus récente, sont particulièrement intéressants pour les prothèses sans ciment en raison de leur module d'élasticité plus proche de celui de l'os. On sait depuis peu que si la prothèse est cimentée, la surface de la prothèse fémorale en alliage de titane doit impérativement être lisse.

Les surfaces frottantes doivent être choisies en fonction des débris d'usure engendrés par le frottement. La prothèse de Mac Kee faisait frotter une tête en acier sur un cotyle en acier, elle fut abandonnée à la suite de très nombreux descellements.

Charnley trouva une autres solution, toujours utilisée. Il fit frotter une tête métallique en alliage chrome-cobalt (meilleur dans ce cas que l'acier inoxydable) sur un cotyle en polyéthylène haute densité. L'usure de ce dernier est de l'ordre de 0,1 mm par an

Boutin fut le premier à utiliser une tête en céramique (alumine) et un cotyle en polyéthylène. Le frottement céramique-polyéthylène est excellent et produit peu de débris d'usure. La céramique de zircone tend aujourd'hui à remplacer l'alumine.

Le frottement céramique-céramique produit peu de débris mais se révèle fragile. Grâce à de nouvelles techniques de polissage des chirurgiens suisses et allemands ont mis au point pour le cotyle, une coque en alliage de chrome-cobalt encastrée dans un cotyle en polyéthylène, avec un frottement métal-métal. Ce système est expérimental et doit encore faire ses preuves.

Depuis 1985, les travaux se sont orientés vers un nouveau couple de frottement : métal-céramisé contre métal-céramisé: le Plasma-Ceram est obtenu par projection à la torche plasma d'oxyde de chrome. La vitesse des particules en sortie de torche est de 1800 m/sec et la température de 15000°C ; un refroidissement très brutal assure une hypertrempe de 15000 à 60°C en 10 µsec. Il en résulte un véritable encastrement à chaud de cristaux hexagonaux dont la tenue mécanique est largement supérieure aux cristaux tétragonaux habituels pour les céramiques. Propriétés du revêtement :

• Résistance d'ancrage de la céramique sur le substrat : 4 MPa
• Dureté : 1800 Vickers
• Module d'élasticité 280000 MPa
• Densité 5,41
• Biocompatibilité confirmée sur cultures cellulaires, petits et gros animaux.
• Coefficient de frottement à sec : 0,075.

Roulements

Un schéma de roulement par Léonard de Vinci

Entre les deux guerres mondiales, dans le lac Nemi, en Italie, deux épaves de vaisseaux datant du début de l'Empire romain ont été repêchées. On y a retrouvé plusieurs roulements à billes ou à rouleaux en bois et en métal. Leur utilisation n'a pas été expliquée à ce jour.

Léonard de Vinci nous a laissé un certain nombre de dessins de roulements, nous en retrouverons quelques-uns dans le chapitre spécialisé.

Richard Stribeck et John Goodman sont, avec Hertz, les pères des roulements modernes. Signalons que les premiers roulements que l'on puisse considérer comme de véritables composants industriels ont été montés sur des bicyclettes. Le nom d'un Français, Suriray, et la date de 1870, ont été retenus par certains chroniqueurs, mais ces éléments sont plus ou moins controversés.

Bien des progrès ont évidemment été accomplis depuis l'époque héroïque, en particulier sur la qualité des matériaux utilisés. L'un des derniers en date concerne les roulements en céramique. Par rapport à l'acier, le module d'Young et la dureté sont beaucoup plus élevés, d'où une plus grande rigidité ainsi qu'une meilleure résistance aux températures élevées. En 1991, on admet que les ventes de roulements céramique vont décupler sur 5 ans. Sont concernées pour l'instant les industries aérospatiales, l'armement, la machine-outil, l'instrumentation.

Ce sont les billes qui sont en céramique, mais parfois aussi les bagues. Le nitrure de silicium est la céramique des roulements par excellence : faible densité, grande dureté, résistance à l'usure, à la fatigue et aux températures élevées, grande stabilité chimique. Le phénomène de grippage est très retardé par rapport à l'acier et il est possible de fonctionner avec une lubrification médiocre ou temporairement nulle pour les roulements tout céramique. Cette solution est chère mais quelquefois irremplaçable !

L'un des problèmes posés par les roulements est la rigidité. Cette dernière est souvent obtenue par une précharge, dont il est toujours difficile de connaître ou d'imposer la valeur exacte. Le couple de frottement d'un roulement préchargé chute très rapidement pendant la période de rodage. On ne peut donc s'en servir pour contrôler la précharge que sur des roulements neufs. Attention aussi à l'utilisation de roulements surdimensionnés dans le but d'augmenter la rigidité : des dégâts peuvent en effet survenir lors d'un fonctionnement sous faibles charges. En effet, les billes ou les rouleaux ont alors tendance à glisser au lieu de rouler. Paradoxalement, des roulements surdimensionnés n'accroissent pas forcément la sécurité.

Dans les conditions les plus courantes, un roulement bien calculé et bien utilisé a 90 % de chances d'être encore en service à l'expiration de la durée de vie prévue, et 10 % de chances d'avoir été mis hors d'usage par le processus d'écaillage qui en constitue en quelque sorte le mode de dégradation naturel.

C'est sur cette base que les ingénieurs des bureaux d'études peaufinent leurs calculs par des méthodes aussi rigoureuses que normalisées mais qui n'empêchent pas les techniciens des services d'entretien de s'arracher ce qui leur reste de cheveux : en effet, parmi les roulements endommagés, seul un tout petit pourcentage (9 %) est effectivement détruit par écaillage au bout du temps normal ...

De nombreux roulements périssent en effet prématurément à cause d'une mauvaise lubrification (43 %) ou d'un mauvais montage (27 %) : on le voit, le calcul ne suffit pas ... d'autant que beaucoup d'avaries pourraient être facilement évitées ! Comme dit le proverbe : un meilleur acier ne peut compenser ni un défaut de graissage, ni une trop grande déformation de l'arbre ! (voir les coefficients a₁, a₂, a₃, ...).

Un défaut de lubrification entraîne, comme manifestation immédiate, un échauffement brutal. Le grippage n'est alors pas loin. Dans les situations extrêmes, la graisse peut s'enflammer et mettre le feu à l'environnement (ceci s'est déjà produit sur des essieux de wagons de marchandises circulant de nuit).

Un auteur distingue les causes de détériorations extérieures au roulement : mauvais choix de ce dernier, mauvais montage, manque d'entretien, mauvaises conditions de fonctionnement, et celles qui proviennent du roulement lui-même : mauvaise qualité des aciers, géométrie interne incorrecte, cages et joints défectueux ... Les causes extérieures provoqueraient, selon lui, plus de 90 % des défaillances prématurées.

Remplacer un roulement détruit prématurément sans avoir étudié auparavant les causes de cette destruction est évidemment un non-sens. Malheureusement l'étude des avaries n'est pas facile : si un incident donne en général à son début un faciès typique de l'une ou l'autre des formes d'usure connues, il sera bien difficile, même pour un spécialiste, de tirer des conclusions à partir de petits morceaux de roulements complètement défigurés. Quoi qu'il en soit, si un incident grave survient, il faut suivre une méthode rigoureuse pour permettre l'expertise :

• fournir une bonne photographie en couleurs du roulement avant démontage,
• prélever un échantillon du lubrifiant en service, éventuellement les joints d'étanchéité voisins,
• extraire le roulement avec précaution pour éviter toute détérioration supplémentaire, conserver autant que possible la position des divers éléments s'il s'agit d'un roulement démontable ou s'il est brisé,
• ne jamais nettoyer le roulement, au contraire, laisser en place le maximum de graisse,
• placer les pièces à conviction dans un emballage qui ne modifie pas les données (sac en plastique par exemple).

Il faut maintenant analyser les principales causes d'avaries ou de destruction des roulements :

Ecaillage sévère sur une bague extérieure de roulement

• Écaillage de fatigue (flaking) : c'est la cause normale de destruction des roulements correctement montés et utilisés.

Si la pression de Hertz ne dépasse pas 2 000 N/mm², les roulements ont une durée de vie pratiquement illimitée à condition que la lubrification et la propreté soient bonnes. En fait, les pressions entre les éléments roulants et les bagues atteignent couramment 3 000 à 3 500 N/mm² et des dégâts surviennent sous l'effet de la fatigue due aux contraintes de cisaillement alternées qui sévissent en sous-couche.

Le fonctionnement élastohydrodynamique crée, par dépassement de la limite d'élasticité, des microdéformations permanentes et des criques qui cheminent vers la surface et provoquent l'élimination de particules de métal. La dégradation cyclique de la martensite crée des « papillons », amas lenticulaires de carbures parallèles à la direction du cisaillement maximal, sous l'effet des déformations qui produisent un échauffement à la température d'austénisation. Il se forme par la suite, toujours par décomposition de la martensite sous la surface de roulement, des bandes blanches de ferrite très écrouie.

Les mécanismes de la fatigue par roulement sont à la fois très étudiés et très mal connus.

Toutes les études confirment cependant l'influence très néfaste sur la fatigue des roulements des inclusions non métalliques ou autres phases dispersées dans l'acier : carbures non dissous, précipités d'oxydes et de sulfures, débris de produits réfractaires et de laitiers entraînés lors de la coulée, silicoaluminates de calcium ...

L'écaillage est un processus continu qui s'accélère plus ou moins après l'apparition des premières fissures. L'écaillage localisé et prématuré résulte d'anomalies caractérisées telles que mauvais montage, surcharge, défaut d'alignement, mauvaise forme de logement.

Une limite d'élasticité élevée augmente l'endurance, en ce qu'elle diminue les risques liés à la présence d'inclusions non métalliques. L'utilisation d'aciers de très haute qualité dégazés sous vide, et mieux refondus sous vide, est aujourd'hui généralisée.

• L'écaillage superficiel (pelling) est un enlèvement superficiel de métal, plus ou moins étendu, sous forme de paillettes très fines. Il est attribué à une épaisseur de lubrifiant trop faible par rapport à la rugosité, ce qui provoque des contacts métal sur métal. Le remède consiste essentiellement à diminuer la rugosité et à augmenter la viscosité du lubrifiant.

• Le grippage (smearing) est un transfert de matière arrachée sur les surfaces et redéposée par microsoudure. On voit, au début, des zones mates, où les stries de rectification ont disparu, et des traces brunes indicatrices d'échauffement. Plus tard, il y a déformation des éléments roulants par arrachement de matière, fusion localisée, les éléments roulants et les cages sont plus ou moins détruits ou laminés, voire totalement soudés. Il faut retenir que le grippage est inévitable en l'absence de lubrification. Contrairement à ce que beaucoup imaginent, celle-ci ne permet pas vraiment de diminuer les frottements, c'est même le contraire si le lubrifiant est trop abondant !

Le grippage est fréquent dans les roulements coniques si le frottement de glissement entre le collet de la bague intérieure et la grande base des rouleaux est défectueux : il survient souvent dès les premiers tours si l'on n'a pas pris soin d'assurer une bonne lubrification dès le démarrage.

Les autres causes sont :

• • une lubrification avec des produits incapables de reconstituer les couches superficielles détruites par la pression,
  • une quantité de lubrifiant insuffisante pour assurer l'évacuation des calories,
  • une vitesse excessive provoquant un trop grand échauffement,
  • un mauvais choix du type de roulement à utiliser, en particulier en ce qui concerne le matériau des cages.

Le choix du lubrifiant et le mode de lubrification sont d'une extrême importance. En particulier, il ne faut pas qu'un lubrifiant trop visqueux ou trop abondant fasse glisser billes ou rouleaux sur les bagues pendant le démarrage ou le freinage du roulement.

• Les empreintes par déformation (indentation) sont très fréquentes : des traces de coups, des fissures, ou des cassures traduisent généralement un manque de précautions : chute accidentelle, montage par percussion ou en transmettant les efforts par l'intermédiaire des éléments roulants, surcharge.

Les déformations plastiques des bagues donnent des dépressions sans enlèvement de matière, avec des bourrelets de métal refoulé ou des arrachements. Ces avaries ne sont pas toujours immédiatement visibles, des fêlures peuvent éventuellement donner une destruction différée.

• L'incrustation de particules étrangères résulte d'un manque de propreté au montage ou de l'entrée accidentelle d'impuretés. Elle se traduit par des empreintes, un rodage marqué des bagues avec des sillons longitudinaux continus ou non. On assiste à l'apparition de jeux anormaux, de balourds, de vibrations. Le roulement émet des bruits anormaux.

La plus grande propreté s'impose lors du montage des roulements.

Les empreintes provoquées par des particules molles sont peu profondes et présentent des rebords peu marqués. Si les particules sont dures les trous deviennent relativement profonds, avec des bords en saillie. Si les particules étrangères sont cassantes, alors elles éclatent lorsqu'elles se trouvent concées et il en résulte de nombreuses petites empreintes présentant des bords en saillie.

• La corrosion se manifeste par des taches colorées allant du rougeâtre au noir, puis par des zones attaquées avec élimination de matière. Elle peut être chimique, sous l'effet du lubrifiant acidifié par oxydation, de produits agressifs ayant pénétré grâce à un défaut d'étanchéité ..., ou électrochimique avec formation de rouille par entrée d'eau ou condensation excessive. Le meilleur remède contre la corrosion est la suppression des causes capables de la provoquer et le choix d'un lubrifiant approprié. Dans les cas difficiles on doit faire appel à des roulements en acier inoxydable, en céramique, etc.

Le risque est important quand les roulements viennent d'être nettoyés, c'est ainsi que l'on y relève souvent des marques d'empreintes digitales provoquées par l'acidité de la transpiration. Signalons aussi que les attaques de la corrosion favorisent la destruction ultérieure du roulement par fatigue ou écaillage.

• La corrosion de contact se manifeste par des taches roses, brunes ou noires plus ou moins étendues sur les zones d'appui extérieures du roulement. Elle provient de petits mouvements de rotation ou de vibration des bagues par rapport à leurs portées, et l'attention avait été attirée sur ce phénomène dès 1930 quand on constata que les roulements de véhicules transportés sur des wagons avaient subi des avaries graves.

La corrosion de contact ne cause pas toujours des dégâts irrémédiables, du moins lorsqu'elle débute, mais si elle aboutit à la destruction du logement ou de l'arbre, il en résulte de mauvaises portées et l'on peut craindre la fissuration des bagues. Dans la plupart des cas elle est la conséquence d'un mauvais choix d'ajustements entre les bagues et les logements ou les arbres. Il importe de respecter très soigneusement les tolérances prescrites dans chaque cas de montage.

• Le faux brinnellage (false brinnelling) est une variante de la corrosion de contact entre, cette fois, les éléments roulants et les bagues qui portent des dépressions plus ou moins brillantes, écartées à intervalles réguliers comme le sont les corps roulants. Il ne faut pas confondre ces marques avec de simples empreintes, la matière étant érodée puis éliminée par le lubrifiant et non repoussée pour former des bourrelets.

Cette avarie affecte les roulements à l'arrêt, toujours en présence de vibrations : moteur électrique arrêté sur une machine qui tourne, groupe électrogène de secours placé sur le même socle que le groupe principal en fonctionnement, matériel transporté, etc. L'influence du lubrifiant est très importante. Les roulements marqués deviennent bruyants et ne tardent pas à périr sous l'effet de l'écaillage.

Les causes et les remèdes sont les mêmes que pour la corrosion de contact « ordinaire » : il faut réduire le jeu radial, augmenter les déplacements, éviter les charges statiques vibrantes, utiliser des graisses appropriées. Le choix du lubrifiant est très important.

• La cratérisation (electrical pitting) provoque des cavités microscopiques relativement profondes. Elle est due à des courants électriques intenses qui traversent le roulement et créent de petits arcs accompagnés d'une fusion locale et d'une trempe. En général, le défaut provient de ce que l'on a utilisé l'arbre comme masse lors d'une opération de soudage.

Cannelures

Cannelures, détail

• Les cannelures (fluting) se forment par action simultanée de courants relativement faibles et de vibrations. Ce phénomène bien plus fréquent qu'on ne le croit concerne les groupes électrogènes, les machines-outils, les locomotives électriques ou encore des machines qui reçoivent des charges électrostatiques de la part de courroies ou de produits en bandes (films plastiques ...).

On ne sait pas relier la fréquence des ondulations aux autres paramètres du fonctionnement du roulement, c'est-à-dire la vitesse de rotation, la fréquence du courant, les charges, ... Il semble que les cannelures se forment essentiellement par creusement mais dans au moins un certain nombre de cas, les reliefs sont accentués par dépôt de la matière arrachée au voisinage. Le jeu interne peut être alors réduit de façon importante.

Les deux photos ci-contre montrent un roulement à rotule sur deux rangées de rouleaux monté sur une locomotive électrique. On voit parfaitement les ondulations, dont on perçoit facilement le relief en passant un ongle sur les surfaces endommagées.

Les remèdes résident dans la mise à la terre des organes, l'isolation électrique des roulement dans leur logement, le court-circuitage des paliers, l'utilisation de graisses conductrices (qui ne sont pas excellentes pour la lubrification).

• Les criques (cracks), les fissures étroites ou autres amorces de cassures, que l'on rencontre parfois, ont pour causes possibles des contraintes exagérées au montage ou au démontage, ou encore des tapures de rectification ou de trempe.

• L'usure par abrasion (weat) donne aux roulements un aspect gris, givré. Elle relève d'un fonctionnement en milieu abrasif, d'une lubrification insuffisante, ...

• La coloration en brun, bleuâtre ou noirâtre est due à une oxydation superficielle en présence d'un lubrifiant polymérisé à haute température. L'échauffement anormal peut être d'origine interne, excès de lubrifiant par exemple, ou externe.

• La détérioration des cages est généralement le résultat d'un montage sans précaution.

Les signes extérieurs de détérioration sont nombreux :

• les vibrations, détectées à la main, ou avec un bâtonnet, ou encore par un appareillage électronique, peuvent le cas échéant provoquer l'arrêt de la machine. Elles témoignent de dégâts par écaillage, abrasion, corrosion, de balourds résultant de pertes de masse par usure, de jeux excessifs ou du serrage insuffisant d'une bague,
• les bruits anormaux résultent du passage des éléments roulants sur un corps étranger ou sur une empreinte due à un mauvais montage ou au faux brinnellage, d'un écaillage, d'une corrosion, de l'annulation fautive du jeu interne, d'une rupture de cage ou de corps roulant,
• l'élévation de température peut dénoter aussi bien une absence qu'un excès de lubrifiant, une absence de jeu interne, une surcharge accidentelle ou un mauvais montage,
• un couple de frottement anormal peut provenir d'une détérioration de cage, de la détérioration du lubrifiant, de la mutilation d'un joint.

On évitera bien des catastrophes en surveillant le fonctionnement des roulements en mesurant la température, le bruit, les vibrations, ou encore en analysant périodiquement le lubrifiant.

On en évitera tout autant en gardant à l'esprit quelques idées simples que rappelle ainsi la firme I.S.O. :

• un roulement est un organe sensible aux chocs,
• c'est un ensemble de précision qui demande des précautions et qui appelle de la précision au montage,
• c'est un organe d'une très grande finition que les impuretés détruisent,
• c'est un organe fiable, certes, mais qui doit être utilisé dans les limites de ses possibilités,
• c'est un ensemble de pièces mobiles finement ajustées donc exigeantes pour la lubrification,
• s'il existe un grand nombre de types et de dimensions de roulements, c'est que n'importe quel roulement ne peut pas faire n'importe quel travail,
• on ne peut pas exiger d'un roulement de fabrication courante les performances d'un roulement de haute précision. La grande fiabilité, le silence de fonctionnement, le poids réduit demandent des roulements spéciaux.

Les aciers à roulements sont dans 90% des cas des aciers trempés à cœur, dans 10 % des cas des aciers cémentés.

Pour les roulements de gyroscopes, un dépôt de carbure de titane évite les microsoudures entre les billes et les bagues. On revêt les unes ou les autres, jamais les deux. Par rapport aux fabrications classiques, la durée de vie est multipliée par 20.

On fabrique des roulements en céramique, essentiellement à partir de nitrure de silicium Si₃N₄ pressé à chaud. Les avantages techniques des céramiques sont le faible poids, la faible dilatation thermique, la haute dureté, la résistance à la chaleur, la stabilité dimensionnelle, la haute résistance à la corrosion, en particulier à la plupart des acides, le module d'élasticité très élevé, l'absence de magnétisme, l'isolation électrique. La supériorité des billes en céramique ne se révèle qu'aux vitesses très élevées, essentiellement à cause de la diminution de la pression de contact par effet centrifuge, ou en cas de fonctionnement à sec, ou encore à cause de leur meilleure rigidité.

Les roulements pour hélicoptères sont conditionnés pour pouvoir tourner une heure sans lubrification.

Roulements, lubrification

Comme on l'a vu, la lubrification a pour premier rôle de prévenir le grippage. Elle doit en outre participer au refroidissement et favoriser un état d'équilibre thermique laissant un jeu positif.

La lubrification se fait en régime limite au niveau des contacts et en régime hydrodynamique dans les zones de centrage des cages. Les cages en plastique ne nécessitent pas une grande lubrification, contrairement à celles en alliages cuivreux.

Les additifs antifatigue jouent un rôle essentiel, ils sont surtout bénéfiques dans les roulements lubrifiés à vie par la graisse, comme ceux des roues d'automobile pour lesquels la durée de vie est atteinte normalement par fatigue.

Il est recommandé de ne jamais laver les roulements neufs avec un solvant sans une raison impérative.

La lubrification à la graisse est recommandée à chaque fois qu'elle est possible. La graisse protège mieux contre la corrosion que l'huile car elle reste en place. Jusqu'à 160°C des graisses avec bentonite et huile minérale conviennent, au-delà, on fait appel aux graisses synthétiques et aux silicones.

Trop de graisse freine la rotation, provoque un échauffement anormal et des glissements entre les billes et les bagues qui peuvent détériorer l'état de surface. Il ne faut pas remplir plus de la moitié de l'espace libre ; pour les gros roulements, on fait couler un peu d'huile minérale avant de mettre la graisse pour assurer la lubrification dès la mise en mouvement des pièces.

On ne saurait trop souligner l'importance pour la longévité d'une propreté méticuleuse.

Il est important, lorsque l'on réalise des introductions périodiques de graisse, qu'il subsiste de l'espace pour recevoir la graisse usée et que la graisse neuve soit toujours la même.

La lubrification à l'huile permet aussi d'évacuer la chaleur mais elle donne souvent un échauffement plus fort que la graisse car il est difficile de limiter la quantité qui participe effectivement à la lubrification. Généralement l'huile sert simultanément à d'autres organes, comme les engrenages des réducteurs de vitesse. Les paliers indépendants lubrifiés à l'huile sont plus onéreux que ceux qui sont graissés car ils doivent être dotés d'un système d'étanchéité approprié.

L'huile ne protège pas autant que la graisse contre l'oxydation, surtout si les roulements sont à l'arrêt. Elle doit posséder des propriétés anti-rouille et extrême-pression, et ne doit ni s'émulsionner ni être miscible avec l'eau. Des huiles du genre SAE 10 avec divers additifs conviennent pour les températures ordinaires, les produits synthétiques couvrent une gamme plus large de -50 à 200°C. Au-delà de 260°C le craquage des huiles synthétiques les fait abandonner au profit des lubrifiants solides ou de l'éther polyphényle.

La lubrification par brouillard d'huile donne les coefficients de frottement les plus bas en raison des faibles doses de produit introduites dans le roulement. Les pulvérisateurs fournissent de l'air huilé à raison de 2 à 5 g/m³. On obtient aussi un bon refroidissement et, grâce à la surpression, une protection efficace contre l'entrée de poussières abrasives ou de gaz nocifs. Cette solution est intéressante pour les machines-outils, les broches de rectifieuses, les concasseurs, broyeurs, paliers de fours rotatifs ou de laminoirs, etc.

La lubrification à sec concerne essentiellement les satellites et sondes spatiales, mais aussi certaines applications sous vide ou à haute température. L'efficacité des lubrifiants solides est conditionnée par la stabilité du film de transfert.

Au début, on a utilisé du bisulfure de molybdène déposé par brunissage, des dépôts d'or ou d'argent, les résultats n'ont pas été très convaincants. Des dépôts de plomb de 0,1 micromètre se sont montrés assez fiables. Des cages autolubrifiantes permettent d'établir un film de transfert indirect et sont généralement faites de composites à base de fibres de verre chargés de PTFE ou de bisulfure de molybdène, elles servent de -185 à 300°C. Des matériaux composites MoS2/Cobalt/Argent, MoS₂/Tantale/Fer, MoS₂/Tantale/Molybdène ont été développés par Boeing et ont donné des résultats moyennement encourageants.

Toutes les solutions intéressantes passent aujourd'hui par le bisulfure de molybdène.

Transports

Le trottoir roulant accéléré Trax est équipé de galets de guidage en acier recouvert de poyuréthanne surmoulé.

Vis d'extrudeuses

Elles travaillent dans des conditions difficiles : fortes contraintes mécaniques, entre autres de torsion, gradient de température important, conditions d'usure abrasive, possibilité de corrosion. Après quelques semaines les vis non traitées présentent une usure à la fois abrasive et corrosive. On peut utiliser divers revêtements durs, tels que : céramiques à base d'oxyde de chrome, carbure de tungstène avec liant métallique nickel-chrome, ou carbure de chrome avec liant métallique.