Matériaux pour paliers lisses

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1 Matériaux pour paliers lisses par Jean-Louis LIGIER Ingénieur de l École Nationale Supérieure de Mécanique et Microtechnique Docteur de l Université de Franche-Comté Responsable de Recherches et Développement de la Société Glacier Vandervell Europe 1. Généralités... B Différents modes de frottement Phénomènes thermiques en lubrification Phénomènes d avarie en lubrification Propriétés des matériaux antifriction Lubrifiants Arbres et logements Arbres Logements Matériaux antifriction pour fonctionnement à sec (M1) Structure des matériaux Détermination du palier à sec Conclusion Matériaux antifriction pour régime mixte (M2) Structure des matériaux Dispositifs de lubrification Détermination d un palier en régime mixte Conclusion Matériaux antifriction pour régime hydrodynamique (M3) Matériaux de base Détermination d un palier en régime hydrodynamique Matériaux pour conditions particulières Applications sous vide Basses températures Hautes températures Applications fonctionnant dans l eau Applications supportant des matériaux durs Conclusion Pour en savoir plus... Doc. B L e principal objectif de cet article est de fournir les idées directrices qui doivent motiver l utilisateur de paliers dans le choix d un matériau antifriction. Du fait de la complexité et de la diversité des problèmes de palier, il n est pas possible de traiter le sujet de façon exhaustive. Toutefois si, à la lecture de cet article, l utilisateur potentiel possède les principales clefs pour définir la famille de produit antifriction qu il doit utiliser, alors nous estimerions l objectif que nous nous étions fixé comme atteint. Pour des problèmes délicats, il y aura lieu de contacter des spécialistes. Suivant les auteurs, le terme palier peut avoir différentes définitions. Nous utiliserons la définition de la norme ISO 4378/1 qui est : support ou guide déterminant la position d une pièce mobile par rapport aux autres pièces du mécanisme. Du fait de la liberté laissée par cette définition, nous considérerons que le palier est constitué par l ensemble de l arbre, du logement, du matériau antifriction et de son support, et du lubrifiant, car ce sont ces quatre éléments qui donnent les performances de l organe palier. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique B

2 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES De façon intentionnelle, nous avons limité la présentation des matériaux antifriction pour paliers lisses au cas des paliers cylindriques soumis à des charges radiales. Cependant, la majorité des remarques peuvent s appliquer à d autres types de paliers qui utilisent les mêmes types de matériaux comme, par exemple, les patins de glissières, les butées sphériques, les flasques de butée d embrayage, etc. Toutefois, certaines précautions doivent être prises pour extrapoler les résultats obtenus pour les paliers cylindriques. On peut distinguer deux familles de paliers : les paliers à charges radiales et les paliers à charges axiales ou butées. Les paliers à charges radiales sont généralement constitués par deux éléments de 180 o d arc, appelés plus communément demi-coussinets, et un élément de 360 o d arc, appelé bague. Les paliers à charges axiales sont généralement constitués de demi-flasques (demi-flasques de vilebrequin) ou de rondelles complètes. Quel que soit le type de palier considéré, il est monocouche (exemple d un palier en bronze massif) ou multicouche (exemple d un cuproplomb sur un support acier). Pour des applications sévères, les propriétés nécessaires au bon fonctionnement du palier sont bien souvent antagonistes et le moyen le plus élégant de contourner cette difficulté est d utiliser des matériaux multicouches qui apportent à cœur ou en surface les propriétés recherchées. Il nous a semblé intéressant pour parfaitement appréhender les problèmes liés au matériau antifriction de consacrer plusieurs paragraphes aux notions de base que nous considérons comme fondamentales qui sont : les régimes de fonctionnement des paliers, car ces régimes sont parmi les paramètres les plus importants dans la définition d un matériau ; les aspects thermiques dans les paliers, qui conditionnent un certain nombre de limites de fonctionnement du palier ; les principaux types d avaries rencontrés et les propriétés du matériau antifriction nécessaire pour éviter ces dommages ; les lubrifiants (esquissés), afin de mettre en évidence les mécanismes physiques qui justifient la réduction du frottement. Le rappel de ces mécanismes permettra au lecteur de mieux appréhender les liens qui existent entre ces propriétés et les limites d existence des différents régimes de fonctionnement du palier, et de percevoir ainsi la fragilité et la stabilité de ceux-ci. La suite de cet article sera consacrée aux qualités géométriques et mécaniques que doivent posséder l arbre et le logement du palier, ainsi qu aux matériaux antifriction à utiliser vis-à-vis des différents régimes de lubrification. Une attention particulière a été portée sur la structure de ces matériaux et leurs conditions d utilisation. 1. Généralités 1.1 Différents modes de frottement Depuis les travaux de Stribeck on classe les régimes possibles de fonctionnement d un palier en quatre types principaux, à savoir : le régime de frottement sans interposition de lubrifiant liquide ; le régime de lubrification limite ; le régime de lubrification mixte ; le régime de lubrification hydrodynamique. Dans la pratique, la caractérisation la plus fréquemment adoptée pour différencier les différents régimes de fonctionnement des paliers est fondée sur l étude de la courbe donnant le coefficient de friction global du système en fonction des paramètres suivants : la vitesse de déplacement relatif entre les deux surfaces antagonistes, la viscosité et la température du lubrifiant, la charge appliquée au palier, l épaisseur du film de lubrifiant fluide. Historiquement, c est Richard Stribeck qui, le premier, obtint ce type de courbe en 1902 ; ce graphe est toujours utilisé et a pris le nom de courbe de Stribeck. Il semble que celle-ci ait été initialement établie pour définir la relation qui existe entre le coefficient de friction d un palier et l épaisseur de film, puis ultérieurement le coefficient de friction f vis-à-vis de la variable µn/p variable de Hershey (figure 1), avec µ viscosité dynamique, N vitesse de rotation et p pression diamétrale, pour un palier soumis à une charge fixe en intensité et direction. Nota : dans les conditions d obtention de cette courbe, il faut noter que le lubrifiant est supposé sans débris. Il n y a donc pas de frottement ou d usure générée par l érosion due à des particules dures. Cette hypothèse n est bien entendu pas vérifiée dans le cas d un palier de moteur mais peut cependant l être dans des conditions de laboratoire. B Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

3 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES Figure 1 Évolution du coefficient de friction en fonction de la variable N p (courbe de Stribeck) Cette courbe a permis de différencier les quatre principaux régimes de lubrification d un palier. Ceux-ci sont identifiés en fonction du type de contact qui survient entre la surface du matériau antifriction et la surface antagoniste. La figure 1 illustre ces quatre grandes familles de contact : la région ➀ correspondant à la région où le contact s effectue sans interposition de lubrifiant liquide ou frottement sec (indépendant de µ ) ; la région ➁ est définie comme étant un régime de lubrification limite ; la région ➂ correspond à un régime de lubrification dit mixte ; la région ➃ correspond à un régime de lubrification hydrodynamique Frottement sec Ce régime existe seulement lorsque le palier est très peu chargé ( pv 1 MPa m s, 1.2). Les limites de ce mode de frottement sont intéressantes à considérer, car elles sont produites par des mécanismes présents dans les autres modes de frottement. À l échelle microgéométrique, même les surfaces les mieux usinées ne sont pas parfaitement planes. Le contact entre deux surfaces réelles se fait donc par un nombre limité d aspérités. Lorsqu il n y a pas de déplacement, il est intéressant de connaître comment les aspérités des surfaces antagonistes sont en contact. Ainsi, lorsque l on évalue le ratio entre l aire de la surface réelle de contact et l aire de la surface apparente ou surface nominale, on obtient des valeurs qui oscillent entre 1/ et quelques centièmes en fonction de la pression de contact [57]. Il existe différentes approches pour modéliser cet aspect du contact, en particulier lorsque l on désire connaître si les microcontacts d aspérités génèrent de la plasticité dans celles-ci (critère de Greenwood-Williamson) [54]. De même, McWaid et Marshall [60] ont proposé un modèle pour estimer la résistance thermique que créent ces microcontacts au passage d un flux thermique entre deux corps en contact. Dans certaines applications où le contact entre l élément antifriction et son logement est faible, la modélisation précédente prend toute son importance puisqu elle permet d évaluer rapidement la chute de flux provoquée par cette discontinuité géométrique d interface. Lorsque l on déplace deux surfaces en contact l une par rapport à l autre, les tribologues ont établi que les différents modes d interaction suivants peuvent survenir : a ) déformation élastique des aspérités ; b ) déformation plastique des aspérités ; c ) soudure. La transition entre ces modes est fonction du degré d interpénétration des aspérités. Les premiers contacts s effectuent sous le régime a ) pour ensuite évoluer vers le régime b ). Dans ce régime, il existe des sous-régimes qui sont : le labourage des aspérités, la formation en avant de l aspérité d un coin de matière (équivalent à une vague d étrave) et, finalement, la coupe avec rejet de la matière sur les bords des sillons formés le long du parcours des aspérités. Dans le cas d aspérités ayant des profils sphériques, ces sousrégimes ont été parfaitement décrits par les travaux de différents auteurs, en particulier ceux de Hokkirigawa et Kato [55]. Pour le régime c ), les interactions atomiques sont au contraire déterminantes. De manière très schématique, l explication courante donnée pour la première fois par Bowden et Tabor [46] peut se résumer de la manière suivante : une soudure de surface s (prise dans un plan parallèle au plan de glissement) supporte une charge égale à s fois la résistance en compression du matériau antifriction. Pour rompre cette soudure, il faut appliquer un effort tangentiel égal à s fois la résistance au cisaillement de la soudure. Pour la quantité de charge ainsi supportée, on obtient un coefficient de friction f égal à : s résistance au cisaillement de la soudure f = s résistance en compression du matériau Du fait des relations existant entre la résistance au cisaillement et la résistance à la compression, le coefficient de friction se situe entre 0,5 et 1. Lors de la rupture des microsoudures, deux cas sont à nouveau à considérer : la microsoudure formée est moins résistante que le matériau le moins résistant mécaniquement et, dans ce cas, les soudures se détruisent immédiatement ; la soudure formée est plus résistante que le matériau le plus tendre, il y a alors transfert de matière du matériau antifriction sur le matériau de l arbre, ce qui conduit à terme à un grippage total. Bien que cette théorie explique les transferts de matière, elle possède des limitations dont J.J. Caubet [48] a donné une présentation synthétique, en particulier la nécessité d une rupture des manteaux d oxydes sur les surfaces antagonistes permettant la formation des microsoudures. Afin d éviter les problèmes de frottement mentionnés ci-dessus, on introduit un lubrifiant solide à l interface des pièces en contact ; la fonction de celui-ci est de supprimer les contacts directs entre l arbre et le logement. Les lubrifiants solides se caractérisent par une très faible résistance au cisaillement ou par une très grande inertie chimique, d où résultent un très bas coefficient de friction. Le bon fonctionnement tribologique d un lubrifiant solide ne peut survenir que si les deux surfaces sont couvertes d une couche de lubrifiant solide. Les rugosités des surfaces antagonistes sont alors réduites, de même que les pressions locales de contact, et les déplacements relatifs s effectuent au sein d un matériau à très bas coefficient de friction. Le dépôt sur l arbre est obtenu, pendant la phase de rodage, par un transfert d une partie du lubrifiant solide du matériau antifriction sur l arbre. On devine aisément que, pendant la phase de rodage du palier, l usure du matériau peut être importante et cela d autant plus si l arbre présente un mauvais état de surface (voir encadré État de surface ) Lubrification limite Ce régime est habituellement caractérisé par le fait que la charge appliquée sur le palier est totalement supportée par les aspérités en contact, ces aspérités étant recouvertes d un film complet ou partiellement rompu de lubrifiant adsorbé. Lorsque le film adsorbé est rompu, voire inexistant sur les aires de contact, cette non-continuité donne dans la représentation de la courbe de Stribeck un coefficient de friction plus élevé conformément au tracé en pointillé de la figure 1. Physiquement, Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique B

4 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES celui-ci traduit le fait que les aspérités des deux surfaces antagonistes viennent s entrechoquer et rompre, sous l intensité du contact, le film adsorbé. L accroissement de friction et d usure peut alors être provoqué par adhérence des matériaux en contact qui peut entraîner le transfert de matériau selon le mécanisme de rupture, de Bowden et Tabor [46], décrit précédemment. À titre indicatif, le coefficient de friction entre deux pièces en acier est de l ordre de 0,15 lorsque le film adsorbé est non rompu et de 0,3 à 0,5 lorsque le film adsorbé est rompu Lubrification mixte En lubrification mixte, le mouvement relatif entre les deux surfaces n est pas encore suffisant pour engendrer une pression hydrodynamique assurant complètement la portance de la charge qui tend à mettre en contact les deux surfaces antagonistes. La partie de la charge supportée par les aspérités en contact ne donne pas lieu au niveau de celles-ci à des ruptures du film de lubrifiant adsorbé. La position intermédiaire de ce régime par rapport à la lubrification limite et la lubrification hydrodynamique rend celui-ci difficilement représentable de manière précise sur le diagramme de Stribeck (figure 1), surtout en ce qui concerne le passage entre lubrification limite et mixte. Pour la limite entre les régimes mixte et hydrodynamique, on considère le plus souvent que le régime mixte commence (à partir du régime hydrodynamique) lorsque le paramètre λ est inférieur à 3 [50], λ étant le rapport entre l épaisseur minimale de film de lubrifiant et la valeur de l écart-type des rugosités cumulées de chaque surface. À titre indicatif, le coefficient de friction varie de 0,20 à 0,001. La construction de cette partie de la courbe peut être effectuée en considérant que le coefficient de friction f est égal à : f = αf m + (1 α) f h avec f m coefficient de friction en régime mixte, f h α coefficient de friction en régime hydrodynamique, coefficient de répartition en fonction de la charge supportée par le film hydrodynamique vis-à-vis de celle supportée par les aspérités. La stabilité de ce régime au niveau des aspérités est fonction des différents phénomènes suivants : l élasticité des contacts concentrés ; la présence dans le lubrifiant de film de polymères produit lorsque la température au sein de celui-ci est supérieure à sa température d oxydation ; l adsorption de l huile à la surface du matériau ; la formation d oxydes par l oxygène présent dans le milieu ou dissous dans le lubrifiant. Dans la suite du texte, nous ne différencierons plus le régime de lubrification limite du régime mixte car, en pratique, il est difficile de les distinguer ; seul le régime mixte sera mentionné Lubrification hydrodynamique Lorsqu un fluide lubrifiant présent entre deux surfaces en mouvement relatif l une par rapport à l autre (glissement ou rotation) engendre une pression en son sein et maintient ainsi distantes les deux surfaces antagonistes, on dit qu il y a lubrification hydrodynamique. Dans certains cas, pour mieux la différencier de la lubrification mixte, on parle de lubrification hydrodynamique parfaite ou totale. Il existe deux modes d actions pour engendrer ce phénomène de portance : l effet de coin convergent et l effet d écrasement de film. Ces deux effets peuvent survenir dans un palier. Le premier est le résultat du décalage du centre de rotation de l arbre vis-à-vis du centre du logement ; le second résulte d un déplacement rapide du centre de l arbre sans rotation propre de celui-ci, cas rencontré dans les paliers de pied de bielle de moteurs thermiques. À titre indicatif, le coefficient de friction varie le plus souvent de 0,001 à 0,005. Ce mode de lubrification a fait et fait encore l objet de nombreuses études. On trouve ainsi un grand nombre d ouvrages qui traitent de l équation aux dérivées partielles (ou équation de Reynolds) qui régit localement dans le palier l évolution spatiale temporelle de la pression hydrodynamique (cf. article Butées et paliers hydrodynamiques [B 5 320] dans ce traité, [47] [53]). Remarque : lorsque la vitesse relative entre les deux surfaces est trop faible pour générer une pression dans le fluide susceptible de séparer les surfaces en contact, on peut introduire une pression dans le fluide par un système extérieur au palier, d où la lubrification dite hydrostatique (cf. article Butées et paliers hydrostatiques [B 5 325] dans ce traité). Lorsque cette vitesse génère une pression hydrodynamique mais qu il existe toujours une source de pression extérieure pour parfaire la portance de la charge appliquée sur le palier, on parle de lubrification hybride. 1.2 Phénomènes thermiques en lubrification Indépendamment des problèmes d avaries qui peuvent survenir dans un palier, son fonctionnement est régis par des phénomènes thermiques et ce quel que soit le régime de lubrification. Une des difficultés qui pénalise la qualité de l approche thermique ou de la prédiction de fonctionnement est que l évaluation fine de la température en tout point du palier est conditionnée par la précision des coefficients thermiques employés, en particulier des coefficients d échanges thermiques entre paroi et milieu ambiant qui sont établis à partir de formules semi-empiriques (cf. article Notions de transfert thermique par convection [A 1 540], dans le traité Génie énergétique). L importance de ces coefficients est liée au fait que, dans les systèmes thermiques examinés, ce sont eux qui imposent la plus importante restriction de flux thermique entre la zone chaude (zone de portance dans le palier) et la zone froide (milieu ambiant) Aspect thermique en régime non hydrodynamique Lorsque l on considère un palier fonctionnant en régime non hydrodynamique (frottement sec et lubrification mixte), soumis à des conditions de charge et de vitesse constantes dans le temps, le frottement dans le palier engendre une production d énergie thermique d une puissance P p telle que : avec D diamètre du palier, L W P p = Wvf = pldvf longueur axiale du palier, charge appliquée sur le palier, v vitesse de déplacement. Lorsque le palier présente un fonctionnement quasi stable dans le temps, c est-à-dire que les phénomènes d usure ne modifient quasiment pas la géométrie du palier, on admet qu il y a égalité entre la puissance thermique produite par frottement et la puissance thermique évacuée, cette évacuation s effectuant à l extérieur du logement et de l arbre par convection et rayonnement. Pour déterminer cette puissance, on peut considérer, en première approximation, que : l aire de la surface d échange est proportionnelle au produit LD ; les phénomènes thermiques peuvent être linéarisés en fonction de l écart de température θ entre la zone chaude et la zone froide, hypothèse justifiable par le fait que les écarts thermiques et la température absolue la plus élevée sont faibles. B Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

5 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES Il résulte de ces simplifications que la puissance thermique évacuée peut s exprimer sous la forme : P e = hld θ avec h (W/m 2 K) coefficient d échange thermique par unité de surface, tenant compte de : l aire de la surface d échange par l intermédiaire du produit LD ; la conductivité des milieux entre la zone chaude et la zone froide ; l intensité par unité de surface des échanges thermiques, dépendant elle-même de la nature du fluide dans lequel baigne le palier. Dans l hypothèse de fonctionnement stable du palier, l écriture de l équilibre entre les puissances thermiques conduit à l égalité suivante : pvf = h θ soit encore, si l on admet que l écart de température est imposé par le niveau de température maximale supportée par le matériau antifriction : h θ ( pv) max = f Ce terme de pv maximal admissible est très souvent mentionné dans les plaquettes commerciales décrivant les performances des matériaux antifriction pour régimes sec et mixte. L emploi de ce terme pv traduit de façon indirecte les limites du palier vis-à-vis des phénomènes thermiques. En pratique, lorsque l on désire une estimation plus fine de la puissance thermique évacuée par un palier fonctionnant à une certaine température θ 1 et baignant dans un fluide à une température θ 2, on peut utiliser la relation suivante : P e = K( θ ) 1 avec K(W/K) coefficient d échange thermique. Cette relation est écrite pour un palier type dont le logement et l arbre sont en acier ordinaire et dont la géométrie est décrite sur la figure 2. Pour tout autre palier de longueur L 1 et de diamètre D 1 supérieurs respectivement aux dimensions L 0 = 20 mm et D 0 = 20 mm du palier de référence, on effectuera la correction suivante pour obtenir la nouvelle valeur de K, telle que : Figure 2 Géométrie d un palier type K corrigée K 1 0,07 D D 0 1 0,1 L 1 = L 0 Pour les différents cas possibles de situation du palier, K peut prendre les valeurs suivantes : pour un palier situé dans l air : avec un échange thermique par l arbre seul : 0,15 W/K, avec un échange thermique par l arbre et le logement : 0,4 W/K ; pour un palier baigné par de l huile : avec un échange thermique par l arbre seul : 1,2 W/K, avec un échange thermique par l arbre et le logement : 2,2 W/K. Nota : une pratique courante de contrôle de la température dans un palier est de placer un couple thermoélectrique au dos du matériau antifriction, c est-à-dire contre le support. Le point de contact du couple thermoélectrique est décalé d un angle égal à l arctangente du coefficient de friction par rapport à la direction de la charge, de façon à se situer au point d échauffement maximal. Pour affiner la précision de la mesure, on peut utiliser un microcapteur de flux afin de défalquer la chute de température survenue entre la zone de frottement et la zone de mesure. Lors d un fonctionnement instationnaire du palier, la correction de température précédente devient plus importante et doit être augmentée de l atténuation thermique que subit le flux thermique en utilisant en premier lieu un modèle monodimensionnel de transfert thermique Aspect thermique en régime hydrodynamique En régime purement hydrodynamique et lorsque celui-ci est stable, une grande partie de l énergie thermique générée au sein du palier par cisaillement du film de lubrifiant est évacuée par celui-ci. Même dans les applications les plus sévères en termes d échauffement, comme par exemple dans les paliers de moteurs automobiles de compétition (30 à 40 m/s), les paliers de turbines (largement supérieur à 30 m/s), l élévation de température du palier ne dépasse pas 30 o C. Cependant, la majorité des fluides employés dans les applications hydrodynamiques présentent une très forte variation de leur viscosité vis-à-vis de la température. Il s ensuit que, bien que les élévations de température de l arbre et indirectement du fluide soient de faibles amplitudes, les variations de viscosité qu elles occasionnent ne peuvent être négligées. Pour plus de commodité d analyse, il est intéressant de modifier la courbe de Stribeck pour lier entre elles des variables telles que les puissances thermiques produite et évacuée avec la température. En fixant les variables N et p du nombre de Hershey et en utilisant une loi de viscosité fonction de la température, la courbe de Stribeck peut alors être tracée en fonction de la température du fluide dans le palier, portée sur l axe des abscisses au lieu du nombre de Hershey ; l axe des ordonnées peut représenter la densité de puissance thermique produite car, lorsque l on multiplie le coefficient de friction f par le terme pv, on obtient celle-ci. Sur ce même graphe, il est possible de tracer, en fonction de la température, la puissance thermique évacuée. Ces modifications étant faites, on peut alors se livrer à l analyse thermique du palier. Sur la figure 3, on peut observer trois courbes de type Stribeck, notées de ➀ à ➂, représentant différents modes de fonctionnement du palier lorsque celui-ci subit ou non des aléas de fonctionnement, et une courbe d évacuation de chaleur, notée ➃, permettant de rechercher les points d équilibres thermiques du palier. La courbe 1 caractérise le flux thermique produit en fonction de la viscosité du fluide lorsque le palier fonctionne dans des conditions idéales (alignement, lubrification, formes géométriques parfaites, état de surface). Le point d équilibre thermique noté A se trouve à l intersection des courbes ➀ et ➃. La courbe 2 prend en compte le passage d une impureté qui augmente le coefficient de friction, donc l énergie thermique produite. Cela se traduit par une translation de la courbe ➀. Le point d équilibre thermique initial avant le passage de l impureté se trouve déplacé sur cette deuxième courbe. Pour retrouver l équilibre, la température du palier s élève jusqu au point d équilibre A 1. Après le passage de l impureté, la courbe ➁ revient sur la courbe ➀ laissant le point d équilibre Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique B

6 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES Généralement pour s assurer de l adéquation entre le risque de grippage et la température de fusion du matériau, on impose à celui-ci d avoir une température de fusion inférieure à la température critique (figure 3). Remarque : bien que cette approche ait été simplifiée par souci de clarté, on conçoit bien l importance de la fusibilité des matériaux de paliers hydrodynamiques fortement chargés. À titre d exemple, un palier de moteur automobile fonctionnant à 300 MPa m/s et ayant un diamètre de 45 mm et une longueur de 20 mm peut dégager en cas de problème de lubrification une puissance thermique de l ordre 27 kw Conséquence des phénomènes thermiques sur le choix des paliers Figure 3 Cheminement à suivre pour prédire le risque d un palier vis-à-vis du phénomène de grippage redescendre le long de la courbe d évacuation de chaleur jusqu au point A. On peut donc conclure, suite à cet aléa de fonctionnement, à une bonne stabilité du système. La courbe 3 prend en compte un aléa plus conséquent tel que l arrêt de la lubrification ou une contamination soudaine du lubrifiant. Comme précédemment, le point A se déplace et se retrouve en B. Par contre, la recherche de l équilibre thermique entre puissance produite et puissance évacuée est stoppée par la fusion superficielle du matériau au point B 1. Cette fusion redonne des conditions de régime quasi fluide au palier. Ce phénomène est particulièrement important car il explique pourquoi il est nécessaire en hydrodynamique d avoir une phase fusible dans les matériaux antifriction ( 5). Succinctement, on estime que les mécanismes mis en jeu par la fusion et qui vont permettre un retour à l équilibre sont les suivants : suppression des contacts par retrait du matériau antifriction lorsque celui-ci commence à fluer sous l effet de la chaleur. Cette modification de géométrie permet dans certains cas au palier de s adapter à l arbre et à ses conditions de fonctionnement, comme c est par exemple le cas pour les paliers soumis à des charges d angles (zone préférentielle de pression vers l un des bords du palier qui peut être créée par un défaut angulaire d alignement ou par un couple de basculement) ; création d un film liquide par le métal fondu lors de forts échauffements et réduction de la friction du fait que le régime est à nouveau de type hydrodynamique ; incrustation complète des particules, qui ont généré la friction supplémentaire, par la chute de dureté de la phase fusible, résultant de l échauffement. Ainsi, après fusion de la phase fusible et suppression de l aléa de fonctionnement, la courbe de Stribeck se rapproche de la courbe ➀ (des sillons peuvent avoir être formés, la courbe de friction minimale est alors légèrement modifiée), tandis que le point de température du palier revient plus lentement à l équilibre A en suivant la courbe d évacuation de chaleur. Le bon positionnement de la température de fusion du matériau antifriction permet au phénomène de fusion d assurer la stabilité du palier. En effet, dans le cas où cette température de fusion se trouve à gauche de la zone de régime mixte sur la courbe de Stribeck, on n obtient jamais l égalité entre la puissance produite et la puissance évacuée pour un palier fonctionnant avec un coefficient de friction modéré. Le grippage survient alors, courbe en traits mixtes parallèle à la courbe ➂. Sous réserve de calculs plus poussés correspondant à chaque condition particulière de dissipation thermique et prenant en compte les propriétés spécifiques des éléments constitutifs des paliers, les possibilités de fonctionnement telles qu elles découlent de l équilibre thermique établi pour les régimes non hydrodynamiques sont déterminées dans le tableau 1. Toutes ces valeurs constituent les limites approximatives des diverses solutions classées dans un ordre croissant de sophistication et d impératifs d entretien (relubrification). Elles correspondent de plus à un palier de 20 mm de diamètre et de 20 mm de longueur et sont donc sujettes, pour des pièces de dimensions différentes, à révision en fonction des calculs thermiques mentionnés au paragraphe En régime hydrodynamique, la limitation de fonctionnement n est plus fournie par le produit pv mais par la nécessité de l existence d un film dont l épaisseur est liée à la variable adimensionnelle µn /p, sous réserve que le matériau antifriction du palier possède de bonnes caractéristiques antigrippage. Toutefois, lorsque le palier est étudié de façon sommaire, on limite le produit pv aux alentours de 300 MPa m/s pour des questions d échauffement d huile dans la zone d épaisseur minimale de film. Ce régime suppose par ailleurs une rotation continue de l arbre ou de la charge. Or, les mouvements oscillants assez fréquents dans les applications mécaniques n autorisent pas ce régime. Ainsi, les applications à mouvements oscillants ne peuvent au mieux fonctionner qu en régime mixte (excepté pour les paliers hybrides ou hydrostatiques) et sont ainsi limités par les phénomènes thermiques. En pratique, le produit pv est, en première évaluation, limité à 8 MPa m/s. Dans le cas où le chargement cyclique du palier n autorise qu un fonctionnement temporaire en régime hydrodynamique, on limite la phase non hydrodynamique à cette précédente valeur. Toutefois, le produit pv global moyenné peut être plus élevé ; c est, par exemple, le cas pour les bagues de pied de bielle où le produit pv peut atteindre 25 MPa m/s. (0) 1.3 Phénomènes d avarie en lubrification L étude des avaries qui peuvent survenir dans un palier et en particulier au niveau de l antifriction a permis d établir des propriétés spécifiques du matériau antifriction. Ainsi, de nouveaux matériaux sont développés pour répondre aux nouvelles exigences d une application où l ensemble des matériaux disponibles n ont pas donné satisfaction. Il existe de multiples mécanismes élémentaires d avarie dans les paliers qui, en réalité, sont combinés entre eux et deviennent de ce fait plus délicats à analyser, en particulier dans le cas de l usure. Toutefois, au niveau des utilisateurs, il existe trois grands types d avarie à savoir le grippage, l usure et la fatigue Grippage Le grippage d un palier survient lorsque, pour une augmentation de la puissance thermique due au frottement dans le palier, celui-ci n a pu évacuer ce supplément de puissance que ce soit par B Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

7 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES Tableau 1 pv limite admissible en fonction des matériaux et des conditions ambiantes Matériau admis h f pv ( o C) (MW/m 2 ) (MPa m/s) Matériau à base de lubrifiant solide à sec dans l air 100 0,15 0,15 1 Matériau fonctionnant à la graisse 60 0,10 0,07 1,5 Matériau à base de lubrifiant solide dans un liquide non lubrifiant 60 0,45 0,15 3 Matériau dans un liquide lubrifiant sans régime hydrodynamique 60 0,48 0,06 8 Matériau dans un liquide lubrifiant avec régime hydrodynamique (1) 30 10,50 0, (1) En régime hydrodynamique, la relation pvf = h θ ne s applique pas. conduction, convection ou par l écoulement du fluide lubrifiant caloporteur. Cela conduit alors à un processus thermique qui diverge : en quelques secondes, le palier atteint des températures égales à la température de fusion de l élément constituant le plus fusible. En pratique, il donne lieu à la destruction du coussinet qui peut soit être détruit complètement, soit avoir fluer de façon très importante. Sur certains gros moteurs, il n est pas rare de voir un coussinet avec un support acier de quelques millimètres d épaisseur se transformer en quelques secondes en une feuille de papier à cigarettes qui épouse les formes du vilebrequin. C est sans doute l un des modes d avarie le plus craint par les utilisateurs. Du fait de la multitude de phénomènes qui peuvent produire le grippage, il est impossible de définir un critère de risque de grippage pour les paliers en général. Toutefois, pour les paliers hydrodynamiques, il a été possible d établir un critère de risque de grippage relativement précis [59]. La façon la plus répandue pour retarder le risque de grippage est soit d utiliser des matériaux fusibles, soit d avoir dans le matériau antifriction des réserves de lubrifiant solide ou liquide Usure L usure que l on considère en tant que praticien est celle que l on observe après test sur la pièce. Elle est donc le résultat de tous les mécanismes élémentaires qui conduisent à une perte de matière. Les principaux inconvénients que présente l usure dans le palier sont : pour tous les régimes de lubrification, la perte du matériau antifriction et donc la possibilité de risquer le grippage dès la disparition du matériau ; cette perte revient aussi à réduire la durée de vie du palier ; pour les régimes à sec, l échauffement notoire et/ou la modification de la position de l arbre qui, dans le cas d ajustement soigné, peut être préjudiciable au mécanisme intégrant le palier. Dans ce cas, l usure résulte du fonctionnement imparfait des surfaces antagonistes du palier vis-à-vis du film de lubrifiant solide ; pour les régimes mixtes, ne plus posséder un matériau antifriction et donc s exposer au risque de grippage ; du fait du mécanisme d usure mis en jeu, il y aura surconsommation d énergie. Ce mécanisme est lié à la perte d affinité du lubrifiant adsorbé par les surfaces antagonistes, ce qui augmente ainsi le frottement ; pour les régimes hydrodynamiques, un accroissement du jeu de fonctionnement. Si le palier fonctionnait avant avaries dans des conditions optimales, il fonctionne après avaries avec : une pression maximale dans le film plus élevée, donc un risque de fatigue plus grand, une épaisseur minimale de film d huile plus faible, se traduisant par un risque de contact entre l arbre et le matériau antifriction plus élevé donc un risque de grippage plus élevé, une durée de vie diminuée du fait de la perte du matériau antifriction. En général, les modifications effectuées sur les propriétés du matériau antifriction pour réduire l usure sont suivant les régimes de fonctionnement : l accroissement de dureté, qui va à l encontre de l incrustabilité; l introduction de particules à forte résistance à l usure, dont l une des principales actions est de réduire l agressivité des surfaces en contact ; l augmentation de l adhérence du lubrifiant en surface, en améliorant par exemple l affinité du matériau antifriction avec le lubrifiant ; l épaississement de la couche antifriction pour obtenir, après adaptation des deux surfaces antagonistes, une pression de contact (régime non hydrodynamique) ou un champ de pression plus étendus et plus uniformes Fatigue Dès qu un solide est sollicité de manière cyclique, les phénomènes de fatigue surviennent, c est-à-dire que la résistance mécanique du matériau antifriction n est plus liée à sa limite de rupture mais à une certaine limite, dite de fatigue, qui est notamment fonction du nombre de cycles de sollicitations. En pratique, la limite de fatigue est inférieure à la limite d élasticité du matériau. Au niveau du matériau, les solutions les plus souvent adoptées pour atténuer les contraintes de fatigue sont : l optimisation des épaisseurs de couches constituant le matériau antrifriction, en particulier en cherchant à avoir, selon l épaisseur, des variations monotones et les plus régulières possibles des modules d Young des couches constituantes ; l accroissement des propriétés mécaniques des couches qui peut, dans certains cas, impliquer un accroissement de dureté allant à l encontre de certaines propriétés, comme, par exemple, la capacité à incruster des particules. Ce dernier point est en partie contourné lorsque l on dispose d un matériau biphasique, car c est la phase dure que l on renforce tout en gardant à la phase fusible sa capacité d exsudation par phénomène thermique ou déformation plastique et sa capacité d incrustation par déformation plastique Autres avaries Il existe d autres types d avarie qui peuvent être des combinaisons de mécanismes élémentaires d avaries. Pour mémoire, citons : la cavitation, qui peut survenir dans tous les systèmes lubrifiés par un fluide ; le flow-érosion, qui délamine le matériau antifriction de son support ; les phénomènes de corrosion induits par des microdébattements (fretting-corrosion), qui surviennent dans les mécanismes fonctionnant avec de très faibles oscillations et un lubrifiant interstitiel oxydant (ou pouvant comporter des éléments oxydants) ; le fluage, qui provoque l écoulement du matériau lorsque la température de fusion du matériau antifriction est trop basse alors que la palier fonctionne dans des conditions normales. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique B

8 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES 1.4 Propriétés des matériaux antifriction Ces matériaux possèdent des caractéristiques spécifiques bien souvent ignorées des non-spécialistes car elles découlent en grande partie des avaries que l on désire supprimer dans les paliers. Cette méconnaissance des dommages de palier peut conduire certains spécialistes à proposer des matériaux antifriction qui n ont aucune chance de succès. Il est donc utile de développer quelque peu ces aspects Propriétés spécifiques Compatibilité Comme il a été rappelé au paragraphe sur la base du concept de soudure, il est nécessaire en cas de contact entre les surfaces antagonistes d un palier qu il ne survienne pas de soudure plus résistante que le matériau le plus faible en résistance au cisaillement. Il existe deux types d approche pour résoudre ce problème : soit accroître la résistance de la couche de lubrifiant adsorbée sur la surface, soit essayer d améliorer la non-adhésion. Pour la première approche, on peut : diminuer la rugosité des surfaces afin de rendre moins agressives les aspérités en contact et donc diminuer le risque de rompre le film adsorbé ; chercher une température de surface conforme à la présence d un oxyde qui améliore le frottement et l accroche du film adsorbé ; utiliser un matériau qui forme lui-même sa couche protectrice, par exemple les fontes à graphite nodulaire ou lamellaire ; revêtir la pièce d une couche protectrice, par exemple un sulfure de fer. Pour la seconde approche, on peut : choisir des matériaux constitutifs de l interface de contact sur la base des travaux de Rabinowicz [62] qui a étudié la relation entre la solubilité des matériaux entre eux et la tendance à la formation de soudure ; éviter les structures cristallines à mailles de fortes dimensions ; effectuer en surface un écrouissage pour obtenir une couche de Beilby plus importante [48] ; introduire des additifs extrême pression dans le lubrifiant Adaptabilité ou conformabilité C est la propriété qui doit permettre au matériau de s adapter pour compenser : les défauts d alignement de l arbre et du logement ; les flexions de l arbre et du logement ; les défauts de forme de l arbre et du logement ; les couples de basculement. Cette adaptation se fait : par usure, lorsque le produit pv est faible. L inconvénient est la nécessité d un temps d usure voisin en fait d un temps de rodage ; par fusion, lorsque le produit pv est élevé ; par déformation élastique ou plastique du matériau antifriction et du logement Incrustabilité Les lubrifiants ne sont jamais exempts d impuretés issues de l usure des organes adjacents, de débris d usinage, etc. Les problèmes engendrés par de telles particules sont la rupture des films de lubrifiant et la destruction de la géométrie des éléments du palier. L incrustabilité doit donc enliser les particules étrangères sans modifier de manière sensible les performances du palier. En général, l épaisseur minimale de la couche devant posséder la propriété d incrustabilité doit être en rapport avec le seuil nominal de filtration du circuit de lubrification. Par exemple, les coussinets de moteurs de tourisme possèdent une épaisseur de revêtement sensiblement égale au seuil de filtration nominal, le plus souvent de l ordre de 10 à 15 µm. En régime hydrodynamique et à des vitesses élevées, il est impératif que l incrustation se fasse très rapidement, c est-à-dire que la particule ne puisse provoquer une élévation notable de la température par sa présence dans le film d huile. Dans le cas de revêtement antifriction en matières plastiques, on cherche à ce que le matériau possède le seuil de plasticité le plus bas possible afin que le retour élastique après incrustation soit le plus faible possible. On évite ainsi que le matériau antifriction ne se transforme en émeri après multiples incrustations possibles ; en effet, il n est pas rare de voir des joints toriques en caoutchouc user des arbres en acier avec lesquels ils sont en contact Résistance à l usure C est un des sujets les plus mal connus, car il est complexe et compliqué : complexe, car certains mécanismes ne sont pas parfaitement compris ; compliqué, car il existe de multiples formes d usure. En pratique, dans le cas d une bague ou d un coussinet, on constate qu il y a eu usure par l apparition d une perte d épaisseur ou d une perte de masse. De plus, l usure la plus souvent considérée dans les paliers résulte de : la fatigue d aspérités qui survient essentiellement pendant la phase de rodage du palier ; l érosion provoquée par un lubrifiant chargé d impuretés ; l abrasion par contact entre l arbre et le matériau antifriction ; pour les matériaux corrodables, l usure est largement due aux phénomènes de tribocorrosion [61] qui surviennent lorsque les manteaux protecteurs sont rompus par les phénomènes d abrasion provoqués par les contacts entre aspérités. D autres types d usure comme la fatigue, la corrosion et la cavitation, traités ci-après, sont considérés comme des mécanismes d avaries à part entière, du fait de la facilité à les identifier Résistance à la fatigue Dans de nombreuses applications, les sollicitations qui sont appliquées sur le palier varient en intensité et en direction. Le matériau antifriction est donc soumis de ce fait à des phénomènes de fatigue. Bien que la détermination des contraintes internes dans le matériau antifriction ne soit que très approchée, on utilise des relations de même type que celles traduites par la courbe de Wöhler (limite de fatigue en fonction du nombre de cycles) et par la courbe de Gerber (variation de la contrainte scalaire alternée en fonction de la contrainte scalaire moyenne au cours du cycle). Nota : le terme scalaire est employé pour souligner le fait que l on ne considère que des contraintes monodimensionnelles ou équivalentes au sens de Tresca ou de von Mises. Il est, de plus, important de noter que la définition géométrique du palier peut induire des phénomènes de fatigue si, par exemple, l élément antifriction possède des zones de non-portées dans son logement (trou, gorge, défaut de forme, etc.) Résistance à la corrosion Dans de nombreuses applications, par exemple les applications hydrauliques, les dégradations du lubrifiant ou du milieu ambiant (brouillard) peuvent induire des problèmes de corrosion. Plus généralement, ce sont les produits antifriction contenant du plomb et les supports en acier non traités qui sont les plus sensibles. Pour lutter contre la corrosion des lubrifiants solides associant du plomb et du PTFE (par exemple, cas des bagues en régime sec ou mixte), on utilise des traitements de surface du type bichromate de zinc, cataphorèse, etc. Dans le cas où le plomb est largement majoritaire dans des revêtements de coussinets ou bagues en régime hydrodynamique, on introduit dans la composition de celui-ci des inhibiteurs de corrosion (étain ou indium) qui le protège dès qu ils sont présents à un taux massique supérieur à 4 %. B Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

9 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES Résistance à la cavitation Ce phénomène ne survient que dans le cas de paliers fonctionnant en régime hydrodynamique. Bien que les avaries engendrées par la cavitation n aient pas un caractère fondamental pour la plupart des paliers à durée de vie moyenne (2 000 h), elles peuvent devenir importantes dans le cas de paliers où l on désire une grande durée de vie ( h et plus) car la perte de revêtement peut permettre la corrosion du substrat (généralement non résistant à la corrosion). Le phénomène de cavitation est le résultat de variations brusques de pression au sein du fluide. Ainsi, au moment de la dépression, le fluide se vaporise autour des germes de nucléation ; le retour rapide à la pression normale provoque l implosion de bulles de la phase gazeuse du lubrifiant : lorsque cette implosion se fait de manière dissymétrique, elle provoque des microjets à très haute vitesse (jusqu à plusieurs centaines de mètres par seconde) ou des ondes de chocs qui peuvent percuter les parois et les endommager. En pratique, les variations de pression dans un palier sont provoquées par des mouvements latéraux rapides de l arbre ou par des variations brutales de section dans le film d huile du palier. La façon d amoindrir les dommages occasionnés par ce phénomène est d accroître la dureté du revêtement Résistance au grippage Comme il a été mentionné au paragraphe 1.3.1, le grippage traduit un déséquilibre thermique qui n a pu être supprimé. Dans le cas des paliers hydrodynamiques, une des solutions la moins coûteuse est d utiliser un matériau biphasique dont l une des phases est facilement fusible. En cas de contact non élastique, donc de plastification de la couche en surface, la phase fusible se disperse à la surface du matériau (phénomène mis en évidence par Alexeyev et Jahanmir [42]). On se trouve alors en présence d un système tribologique optimal avec un bas coefficient de friction. En effet, la résistance en compression est donnée par la phase dure alors que la résistance au cisaillement est donnée par la phase fusible. Une aspérité en contact avec un tel système ne peut pénétrer profondément du fait de la présence de la phase dure ; en revanche, le déplacement en surface s effectue aisément. En cas de contact intense à vitesse élevée, il se produit un échauffement important qui liquéfie la phase fusible. Cette dernière joue alors le rôle de lubrifiant liquide et permet au système de fonctionner avec un coefficient de friction encore plus faible. Le palier produit alors un échauffement moindre et peut donc revenir à l équilibre existant antérieurement au contact Propriétés thermiques Étant donné l importance de l aspect thermique dans le fonctionnement du palier, il est utile de rappeler quelles sont les propriétés les plus importantes que le matériau doit posséder : la résistance au fluage ; dans certains cas de fonctionnement extrêmes de paliers de moteurs thermiques, le coussinet peut atteindre des températures de l ordre de 180 o C. Il est alors impératif que les matériaux plastiques ou à base de matériaux fusibles utilisés supportent les charges qui leur sont appliquées sans fluage notable ; la température de fusion, qui doit être inférieure à environ 350 o C (sécurité vis-à-vis des phénomènes de grippage, ( 1.2.2) mais cependant supérieure à environ 200 o C (risque de fluage du revêtement antifriction à des températures normales de fonctionnement) ; les caractéristiques thermiques, influant sur l évacuation de la chaleur du palier : la conductivité thermique λ la plus élevée possible, afin que la résistance thermique de conduction soit la plus faible possible, l effusivité thermique, définie par λ c p ρ, la plus élevée possible, afin d abaisser la température éclair de l interface lors d un contact de très courte durée, la diffusivité thermique élevée, définie par λ/c p ρ, qui lors de variations brutales de température ou de flux thermique, assure la propagation de la chaleur la plus rapide possible. Suivant le type et l épaisseur des couches constituantes du matériau antifriction, on privilégie soit l effusivité thermique, soit la diffusivité thermique, ces deux propriétés étant fonction inverse du produit ρc p. Remarque : il est utile dans la définition d un matériau antifriction de tenir compte du coefficient linéarisé de dilatation thermique linéique, car un écart important de ce coefficient avec les coefficients d expansion des autres éléments constitutifs du palier peut entraîner soit des problèmes thermomécaniques, soit des problèmes dus à des réductions de jeux trop importantes Calibrabilité Une des exigences de plus en plus courantes dans les paliers nécessitant des bagues est la réduction et la maîtrise du jeu diamétral. Parmi les solutions envisageables, on peut citer : le tri des logements et des bagues en différentes classes de diamètre. Cette technique a deux inconvénients, elle est coûteuse et, de plus, donne des distributions de diamètres dans chaque classe qui ne sont plus gaussiennes mais quasi uniformes ; le calibrage. Lorsque le matériau est adapté à cette technique, il est possible d obtenir des résultats excellents. En effet, pour une interférence suffisante de calibrage, la pièce peut, dans tous les cas, être d un diamètre très proche (dans une tolérance de quelques micromètres) du diamètre du calibre défalqué d un certain retour élastique. Toutefois, pour obtenir ce niveau de précision, l interférence minimale est élevée. Lorsque l on tient compte des variations d épaisseur de la bague et des variations du diamètre du logement, l interférence de calibrage peut correspondre à une déformation en épaisseur de l ordre de quelques pour-cent. À ce niveau de déformation, les propriétés tribologiques de l antifriction sont affectées, et ce particulièrement en usure où la durée de vie peut être réduite d un facteur de 3 à 5. Il y a donc un compromis à trouver entre la qualité du calibrage et la dégradation acceptable des propriétés de la bague Propriétés annexes Trois autres propriétés peuvent influer sur les performances du matériau antifriction : le coût : la concurrence internationale qui existe sur les marchés automobiles, grands consommateurs de paliers lisses, rend le facteur coût de plus en plus important. Dans certains cas, il est même prédominant sur les paramètres techniques lorsque ceux-ci ne diffèrent que sur la durée de vie de l application. De plus, pour certains matériaux à base de plomb, la législation de plus en plus sévère sur les rejets d effluents et les polluants rendra ces matériaux inutilisables ; la mouillabilité : il s agit d une caractéristique physique difficile à appréhender. Les paramètres qui influent sur cette propriété sont l état de surface du solide mouillé et les tensions de surface solide/liquide/gaz. Il semble, de plus en plus, que les matériaux antifriction réagissent avec certains composants de l huile (acide gras, oxygène dissous, soufre) en donnant un film semi-solide et adhérant. Il a été constaté que plus l attaque du matériau antifriction par les acides gras est forte, meilleure est sa mouillabilité. Ainsi, des matériaux très réactifs tels que le cadmium, le zinc, donnent les plus bas coefficients de friction et la plus faible usure. En vertu du mode d action d adsorption des molécules, il est utile de chercher à améliorer cette tendance, étant donné qu elle définit localement la pression de contact limite qui va rompre ce film ; l adhérence du matériau antifriction au support : dans les bagues et les coussinets, le matériau antifriction est relativement mince afin de posséder en partie les propriétés mécaniques du support. Pour ce faire, il est lié le mieux possible à ce dernier. En général, cette liaison est assurée par une très fine couche (quelques dizaines de micromètres) de cuivre, de nickel ou d aluminium. On devine aisément qu une mauvaise liaison donne lieu à des pertes de matériau, de la fatigue voire du grippage. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique B

10 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES Synthèse relative aux différents types de matériaux Afin de faciliter la présentation des principales différences caractérisant les divers types de matériaux, nous avons codifié ceux-ci en fonction des régimes de fonctionnement avec les symboles : M1 en fonctionnement à sec ; M2A en lubrification mixte avec bain d huile ; M2B en lubrification mixte sans bain d huile ; M3 en lubrification hydrodynamique. Dans le tableau 2, ces matériaux sont répertoriés par rapport aux différents types d ambiance du palier. La limite usuelle du produit pv rappelle les niveaux de performance que l on peut espérer pour ces matériaux. Comme ces derniers ne requièrent pas systématiquement les mêmes propriétés spécifiques, celles-ci sont rappelées dans le tableau 3, avec des qualificatifs d inutile, avantageuse, utile, nécessaire ou impérative. Le lieu où celles-ci doivent exister est repéré par les symboles S et C qui signifient respectivement en surface ou à cœur du matériau antifriction. Afin de satisfaire aux multiples propriétés que doivent posséder les éléments antifriction, il est nécessaire de constituer ceux-ci avec plusieurs couches ayant chacune des propriétés spécifiques. La figure 4 donne une représentation des différentes sections des trois principales familles d éléments antifriction. Quel que soit le type de famille considéré, on trouve : un support, qui fournit à l élément sa résistance mécanique. Cette dernière est le plus souvent nécessaire pour assurer un frettage correct de l élément dans son logement ou parfois pour la manipulation de celui-ci ; des couches protectrices au dos : pour les produits sous forme de bague, ce sont le plus souvent les problèmes de corrosion que l on tente de résoudre. Pour les produits de type coussinet, ce sont les problèmes de fretting que l on tente d annihiler (c est-à-dire tout problème induit par des microdébattements entre l élément antifriction et le logement). Seuls quelques micromètres de glissement peuvent suffire pour générer ces dommages ; une couche de liaison entre le support et le substrat : lorsque cette couche est en aluminium, elle assure une parfaite liaison avec le substrat mais non avec le support, alors que la liaison directe entre support et substrat est impossible avec les moyens techniques traditionnels (colaminage) ; le substrat antifriction : il peut constituer un matériau antifriction suffisant pour certaines applications. On emploie alors des couches en aluminium-étain, bronze, aluminium-plomb, cuproplomb, etc. Dans le cas où un revêtement à base de polymères doit constituer la couche antifriction, le substrat est poreux ; cette porosité est essentielle car elle permet d avoir une accroche parfaite entre le support quasi rigide et la couche à très bas module d Young. De plus, lorsque le revêtement commence à s user, l apparition en surface du réseau poreux produit une réduction notoire du taux d usure ; une couche de rodage dans l alésage : celle-ci est très mince. On trouve soit un dépôt anticorrosion sur les bagues quand le dépôt unique au dos de la pièce n est pas possible, soit un dépôt sacrificiel pour améliorer les phases de rodage des coussinets (étain) pour réduire l échauffement du palier lors de démarrages à très fortes charges et accélérations (lubrifiant solide MoS 2, etc.). Dans le cas où l on utilise un revêtement électrolytique à base de PbSn, on dispose le plus souvent d une barrière antidiffusion entre le substrat et le revêtement ; cette barrière de dureté élevée permet d améliorer la liaison mécanique entre ces deux couches. (0) 1.5 Lubrifiants Suivant les impératifs de l application à laquelle est soumis le palier, on utilise deux types de lubrifiants, fluide ou solide. L intérêt évident du lubrifiant fluide réside dans son aptitude à évacuer la Figure 4 Représentation des différentes sections des trois principales familles d éléments antifriction chaleur alors que les principaux avantages du lubrifiant solide sont la propreté et l entretien inutile. (0) (0) B Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

11 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES Tableau 2 Choix du type de matériau et limites d utilisation en fonction des conditions ambiantes Gaz ou vide Liquide à faible viscosité Liquide à forte viscosité pv (MPa m/s) Graisse non acceptée M 1 Graisse acceptée M 2 A Régime non hydrodynamique M 1 Régime hydrodynamique M 1 Régime non hydrodynamique M 2 B Régime hydrodynamique M 3 M 3 ou M 2 B Tableau 3 Propriétés essentielles des différents matériaux Matériau M1 M2A M2B M3 Affinité pour les lubrifiants S inutile nécessaire nécessaire avantageuse Compatibilité S nécessaire nécessaire nécessaire nécessaire à avantageuse Incrustabilité C inutile inutile utile nécessaire Conformabilité C utile utile utile impérative Calibrabilité C utile utile inutile à avantageuse inutile Résistance à la corrosion S inutile à avantageuse inutile à avantageuse inutile à avantageuse nécessaire Résistance à la fatigue S C inutile à avantageuse inutile à avantageuse utile nécessaire Résistance à l usure S utile à avantageuse utile à avantageuse nécessaire nécessaire Fusibilité S C inutile inutile inutile nécessaire Lubrifiant solide S nécessaire inutile à avantageux inutile à avantageux inutile Réserve d huile ou de graisse inutile nécessaire inutile inutile S en surface, C à cœur Lubrifiants fluides : huiles et graisses Du fait que les graisses ne sont en fait que des huiles épaissies par du savon et que le savon n intervient que très peu dans les mécanismes de lubrification, on peut considérer que ces deux types de produits possèdent les mêmes modes d action qui sont : adsorption de molécules à groupements polaires ; réaction entre le lubrifiant et le matériau antifriction Adsorption Résultant de la présence dans l huile de molécules à groupements polaires, l adsorption a pour conséquence de lier au moins à l un des matériaux une couche de molécules à longues chaînes orientées perpendiculairement à la surface. Une telle couche évite les contacts entre les aspérités des surfaces antagonistes en substituant au contact arbre/élément antifriction un contact de type arbre/lubrifiant, voire lubrifiant/lubrifiant : cette substitution a pour conséquence de réduire notablement le coefficient de friction. Les principaux inconvénients sont dus au fait que : vers 150 o C la résistance mécanique des liaisons polaires chute même si les effets de la pression au sein du lubrifiant peuvent retarder quelque peu cette perte d accrochage ; l adhérence de ce film moléculaire ne résiste pas à des pressions de contact locales très élevées d où l intérêt d avoir les surfaces les moins agressives possible. Les molécules à groupements polaires sont plus particulièrement présentes dans les acides gras. L addition de tels acides aux huiles minérales pures est nécessaire pour leur conférer de bonnes propriétés antifriction Réaction entre le lubrifiant et le matériau antifriction Ce processus résulte de la réaction entre les additifs extrême pression et le matériau antifriction. Cette réaction est thermiquement activée et forme des couches superficielles dans les zones les plus chaudes (zones de contact) ; ces couches sont le plus souvent composées de sulfures, chlorures ou phosphates qui présentent la particularité d avoir une bonne résistance en compression du fait de leur minceur mais une faible résistance au cisaillement, ce qui leur confère un bas coefficient de friction. En pratique, la réaction commence aux environs de 150 o C. Il résulte que l association des phénomènes d adsorption et de réactions chimiques avec les additifs extrême pression fournit au palier sur une plage étendue de température un bas coefficient de friction. En plus bas coefficient de friction, la réaction du lubrifiant avec le matériau antifriction améliore la résistance à l usure et ce pour deux raisons principales : la première est que la réaction est thermiquement activée, c est-à-dire qu elle se produit sur les zones chaudes. Si la pression de contact n est pas trop élevée, l usure issue de ce contact n est qu une usure sur le composé de réaction qui se formera à nouveau. Le fait qu une réaction chimique se produise implique qu il y ait une Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique B

12 B Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique Tableau 4 Matériaux pour frottement à sec M1 Matériau Graphite PTFE Résine Vernis Polyimide PTFE PTFE polyester (MoS 2 ) PTFE chargé + bronze + treillis Bronze Bronze Fibres PTFE Fibres PTFE + graphite en bronze + graphite + PTFE + autres tissée + plomb + époxy + support + époxy ( ) ( ) ( ) ( a ) ( b ) ( 3.1.2) ( a ) ( b ) ( a ) ( b ) ( a ) ( b ) Support (1) M M M T T M M feuilles M S M S Épaisseurs usuelles de la paroi pour un diamètre intérieur de : 10 mm... (mm) 4 0,2 à 1,5 0,2 à 1,5 0,6 à 1,2 bandes 1 1 1,5 à 2 25 mm... (mm) 5,5 0,5 à 3,75 0,5 à 3,75 0,010 0,002 à 0,02 1,5 à 3 de 1,5 1,5 2,5 à 5 1,5 à 2,5 100 mm... (mm) 13 2 à 15 2 à 15 6 à 12,5 0,5 mm 3 2,5 2,5 à 5 5 Température minimale admissible.. ( o C) non connue non connue Température maximale admissible. ( o C) à Coefficient de dilatation linéique de l élément antifriction... ( o C 1 ) 3 à , Pression admissible à 80 o C... (MPa) (2) limitée par la résistance du substrat > Vitesse maximale recommandée.. (m/s) 10 à ,5 non connue non connue 2 à 3 0,5 3 non connue 2 0,15 < 0,20 Conductivité thermique... (W/m o C) 84 à 167 0,25 à 0,50 0,29 0,84 0, ,7 Densité... 1,50 à 1,85 2,15 1,40 1,50 3,40 4,65 6,5 7,5 1,90 Coefficient de frottement (3)... 0,10 à 0,15 0,05 à 0,15 0,20 à 0,30 0,04 à 0,06 0,02 à 0,06 0,10 à 0,25 0,15 à 0,25 0,04 à 0,12 0,10 à 0,16 0,05 à 0,25 0,03 à 0,20 0,02 à 0,08 pv limite recommandé... (MPa m/s) 0,50 0,07 0,10 non connu non connu non connu 0,35 0,50 1,70 0,70 0,50 0, statique 20 à 30 dyn. pv de surchauffe (4)... (MPa m/s) 1,30 0,50 0, ,42 0,50 1,50 1,00 1,00 0,70 1,50 non connu non connu Taux d usure relatif (5)... non connu 40 non connu 0,80 0,15 à 0,80 0,50 à 1,00 non connu 0,05 0,15 0,10 à 0,20 mais bon mais moyen Réusinable... oui oui oui non non oui oui non oui non non non Arbres déconseillés ( 2)... D1 ; D2 D1 ; D2 D1 D1 R2 ; D1 Coefficient de prix (6) à à (1) Support : M produit massif, S couche mince sur support métallique, T traitement de surface. (2) Pression admissible : ces valeurs ne prennent pas en compte pour tous les produits l aspect fatigue qui conduit à une réduction importante des pressions admissibles citées. (3) Coefficient de frottement : les valeurs faibles correspondent aux pressions élevées et réciproquement. (4)Le pv de surchauffe est calculé à partir de la formule pv = h θ /f avec θ = 100 o C. (5) Le taux d usure relatif est donné en millimètres pour h et pour un produit pv de 0,6 MPa m/s. (6)Le coefficient de prix est donné par rapport à une bague du type bague roulée en bronze au plomb sur un support en acier de dimension identique. MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES

13 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES certaine perte de matière du matériau antifriction ; cependant, cette perte est sans commune mesure avec la perte que le contact sans composé de réaction aurait pu entraîner ; la seconde est que, pour des pressions de contact élevées, il se produit un certain polissage de la surface avant que le composé de réaction chimique ne se forme ; ce polissage uniformise la pression de contact et permet alors au système tribologique de fonctionner essentiellement en usure sur les composés selon le mécanisme précédemment décrit. Comme on peut le pressentir, le type de film adsorbé revêt une importance considérable dans le cas du régime limite. Une des particularités du régime limite concerne les mesures de frottement donnant des coefficients de friction faibles par rapport à l intuition physique qui consiste à supposer que les corps en contact peuvent se souder. En effet, deux pièces métalliques propres et planes plaquées l une contre l autre sous un vide poussé présentent un coefficient de friction pouvant atteindre des valeurs très importantes (de l ordre de 100) [48] ; ces valeurs sont dues à des soudures dites froides qui surviennent entre les deux métaux. Mais, dans le cas du régime limite, cela ne survient généralement pas, car une surface quelconque exposée à l air est rapidement contaminée, et plus rapidement encore lorsqu elle est dans l huile. Grâce au film adsorbé en surface, le coefficient de friction reste à des niveaux faibles. Cette adhésion d un film lubrifiant est généralement le résultat de trois phénomènes. Dans le cas d une surface ne réagissant pas avec le lubrifiant, il y a adsorption physique (forces électrostatiques) ; cette explication découle d une théorie due à Langmuir rappelée par Rowe [63]. Cette adhésion au métal n est produite que si l huile contient des groupements polaires tels que COOH ou OH, ou si elle contient des doubles liaisons. Ce type de liaison est réversible ; en effet, au-dessus d une certaine température de paroi (fonction de la pression), il y a désorption. Lee [58] a montré que, pour les niveaux de pression dans les paliers hydrodynamiques, cela commençait autour de 200 o C et que la désorption était complète vers 300 o C. L épaisseur du film adsorbé est considérée comme étant monomoléculaire. Elle correspond à la hauteur de la macromolécule de lubrifiant adsorbé, soit quelques centaines d angströms. Rappelons qu une des particularités des molécules à groupements polaires de lubrifiant est de s orienter perpendiculairement à la surface. Elles forment ainsi une espèce de tapis brosse dont les performances sont définies par l adhésion du groupement attractif au support. La consistance du tapis ainsi formé est aussi assurée par les forces d attraction qui agissent latéralement entre les chaînes hydrocarbonées. Lorsque la surface présente une couche d oxyde pouvant réagir chimiquement avec le lubrifiant, il y a adsorption chimique (liaison ionique). La couche d oxyde constitue alors un support ayant une bonne affinité avec le lubrifiant comme les additifs extrême pression, pour former à nouveau un tapis de molécules orientées. Dans l air, cette couche existe et empêche les soudures froides entre les métaux en contact contrairement à l exemple cité précédemment. L oxydation thermique s effectue en deux étapes : il y a tout d abord adsorption de l oxygène de l air sous l action des forces de Van der Waals, puis diffusion dans le métal des atomes d oxygène qui produisent alors une couche d oxyde en surface où le développement est possible. Lorsque le lubrifiant contient un additif extrême pression (composés à base de soufre, phosphore, chlore, etc.), l adhésion de la molécule est obtenue par une réaction chimique de l additif extrême pression avec la surface, qui a pris place dans la chaîne moléculaire. Ce processus est irréversible. Il existe toutefois une réactivité de surface optimale vis-à-vis du lubrifiant et de ses additifs qui permet, lors de la réaction chimique, d optimiser le départ de molécules de métal de la surface au profit de molécules d additifs. On parle aussi de films réactifs. C est ce processus qui contrôle la tendance entre usure corrosive ou usure adhésive. Ce type d adhésion présente les films adsorbés les plus épais, les plus stables et les plus résistants. Les additifs les plus employés sont le TCP (tricrésylphosphate), l acide stéarique, qui peut être formé lors de la réaction du stéarate ferrique, le ZDDP (zinc-dialkyldithiophosphate). Les additifs TCP et ZDDP ne réagissent à la surface d un acier que lorsque le film d huile n est plus adsorbé physiquement Lubrifiants solides Principales familles Ces lubrifiants sont le plus souvent utilisés sous forme de poudres ou de films minces. Ce sont : les corps à structure lamellaire, comme le bisulfure de molybdène, le graphite, le fluorure de graphite ou le bisulfure de tungstène. L intérêt de cette structure est dans sa résistance à la compression importante mais avec une résistance au cisaillement faible. De plus, ces composés possèdent une très bonne adhérence au support sur lequel ils ont été déposés ; les oxydes et céramiques, comme l oxyde de plomb, l oxyde de zinc ou le fluorure de calcium, qui offrent d excellentes propriétés antisoudure ; les métaux fusibles à basses températures ou bas coefficient de friction, comme le cuivre, le zinc, le bismuth, l argent, l indium ou, pour les alliages, le cuproplomb, le plomb-étain, l aluminium-étain, l aluminium-plomb. L utilisation de ces alliages est fréquente dans les métaux de coussinets [51]. La désignation de lubrifiant solide pour ces métaux est due au rôle que l on désire qu ils jouent lorsque le lubrifiant liquide est localement absent du palier. La faible température de fusion entraîne qu en cas de contact, les échauffements générés conduisent le matériau à fondre ; ce dernier se comporte alors en tant que lubrifiant liquide. De plus, la résistance au cisaillement de tels produits peut être très faible vis-à-vis de la résistance à la compression lorsque ces matériaux sont déposés sur un substrat rigide ; les composés plastiques, comme le PTFE (polytétrafluoroéthylène), le FEP (polyéthylène perfluoré), les polyacétals, polyamides, polyimides ou polyéthylènes. Le PTFE est vraisemblablement le matériau le plus employé du fait de sa très grande inertie chimique et de son très bas coefficient de friction, favorisé par son mécanisme de transfert sur les surfaces antagonistes. Tous ces lubrifiants sont le plus souvent utilisés sous forme de revêtement ayant pour support soit la pièce (arbre ou logement), soit une base poreuse de métaux antifriction (bague ou coussinet). Les procédés de mise en œuvre peuvent être la voie chimique, le marouflage, la voie électrochimique, les dépôts sous vide (PVD, CVD, etc.), le frittage, la coulée (pour les métaux), la pulvérisation de vernis de glissement Lubrifiants les plus employés Les caractéristiques de ces lubrifiants sont rappelées dans le tableau 4. Bisulfure de molybdène Produit à structure lamellaire, le bisulfure de molybdène (MoS 2 ) doit être dans un état de pureté presque parfait pour présenter de bonnes propriétés lubrifiantes. Cependant, ce n est que sous l effet de la pression de contact que la structure cristalline s organise et présente un plan cristallin préférentiel de cisaillement qui confère au matériau un bas coefficient de friction. Il se présente sous forme d une poudre finement broyée et calibrée, la taille du grain constituant par ailleurs un paramètre essentiel de qualité. Cette poudre peut être fixée au substrat par divers liants, incorporée dans le matériau antifriction ou, le cas échéant, additionnée à un lubrifiant classique, mais il faut noter que les atomes de soufre assurent une forte liaison moléculaire, en particulier sur les aciers. Le film lubrifiant de MoS 2 est donc très adapté aux fortes pressions spécifiques. Sa température d emploi va de 200 à o C, voire au-delà. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique B

14 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES Ce matériau existe à l état naturel et ses propriétés tribologiques sont connues de longue date. Il a, par exemple, été longtemps utilisé par marouflage sur les axes de chariot. Actuellement, les principaux types de dépôts de MoS 2 sont le marouflage, les vernis de glissement ou les dépôts sous vide en phase vapeur (PVD). Graphite Il est connu de longue date que le carbone est favorable au frottement. Lorsque le carbone passant de la phase amorphe à une structure lamellaire devient graphite, certaines propriétés et en particulier celle de frottement sont encore améliorées. Le graphite se trouve à l état naturel ou peut être élaboré à partir de produits carbonés par traitement à des températures de à o C. On obtient alors l électrographite. De façon analogue au MoS 2, il peut être employé sous forme de poudre comme lubrifiant solide. Sa température d emploi va de 200 à o C. Il est déconseillé dans le vide, la présence d oxygène ou de vapeur d eau étant nécessaire à l obtention d un bon coefficient de friction. Il présente une bonne inertie chimique vis-à-vis de la plupart des produits sauf les acides forts. Pour les paliers, il est courant de produire des pièces pour frottement à sec en graphite massif. Elles sont obtenues par compression ou extrusion à partir d une pâte composée d un liant et de carbone. Après la cuisson, les pièces subissent un traitement de graphitisation. On peut aussi ajouter du graphite dans la pâte pour éviter ce traitement. On obtient alors des pièces en carbographite. Polytétrafluoroéthylène (PTFE) De couleur blanche, de densité 2,1 à 2,3, le PTFE est une molécule à longue chaîne. L énergie de liaison entre les atomes de fluor et de carbone donne à ce corps une inertie chimique exceptionnelle. Il est donc extrêmement difficile de le lier à un autre matériau et cela explique ses propriétés de frottement. Son domaine d utilisation va de 250 à o C. L emploi du PTFE sous forme de lubrifiant solide se fait en incorporant celui-ci avant polymérisation à certains matériaux antifriction. Il peut aussi constituer le matériau de base dans lequel on ajoute des charges diverses (fibres de verre, par exemple). Comme le graphite, il peut aussi être utilisé sous forme massive dans un rôle de bague. Ses inconvénients principaux sont alors sa faible résistance à l usure, à la charge, et sa mauvaise conductivité thermique. 2. Arbres et logements L arbre et le logement sont des éléments constitutifs du palier qui influent sur le fonctionnement de cet organe. À ce titre, la nature de l arbre ainsi que son état de surface conditionnent le choix du matériau antifriction, de même que la nature et la rigidité du logement sont des paramètres influant dans la définition de la bague ou du coussinet. 2.1 Arbres Pour que l arbre remplisse sa fonction dans le palier, à savoir supporter et transmettre les efforts et les couples, il doit posséder les propriétés suivantes Propriétés requises Bien que leur examen n entre pas dans le cadre de cet article, il est utile de citer pour mémoire quelques-unes des propriétés considérées comme importantes : l arbre ne doit pas se déformer sous l effet de la pression existant dans l interface arbre/matériau antifriction. Cela condamne en particulier l emploi de tubes minces comme arbres dans les applications en régime hydrodynamique ; l arbre ne doit pas fléchir sous peine d engendrer des charges d angle néfastes au bon fonctionnement du palier. Une flèche maximale de 4 µm par centimètre axial de palier peut être tolérée sous réserve d une certaine élasticité du logement ; l arbre doit posséder la conductivité thermique la meilleure possible de même que la plus grande valeur de diffusivité thermique, afin de minimiser les variations circonférentielle et axiale de température ( ) ; la nature de l arbre doit être compatible avec celle du matériau antifriction ; la dureté superficielle de l arbre doit être supérieure à celle du matériau antifriction. En général, l élément antifriction est l élément fusible du palier mais aussi l élément sur lequel doivent se produire les avaries et que l on doit changer du fait de sa taille et de son coût. Il s ensuit que l arbre doit avoir une dureté très élevée si l on veut conserver celui-ci intact. En pratique, on adopte une dureté de l ordre de 4 à 5 fois celle des constituants les plus durs dans le matériau antifriction ; dans le cas où il y a possibilité de couples électrolytiques et présence d un film conducteur, la nature de l arbre doit être adaptée à l environnement. Si l arbre ne peut respecter cette condition, l adaptation doit être assurée par le lubrifiant ou par le matériau antifriction ; l arbre doit présenter un bon état de surface. Alors que les conditions de fonctionnement dans les paliers sont devenues de plus en plus sévères au cours des dernières décennies, les critères d état de surface (Ra ou Rt rugosité) couramment employés ne permettent plus de caractériser parfaitement la surface vis-à-vis de la fonction tribologique qu elle doit assurer. Aussi, l emploi de critères normalisés plus élaborés est-il recommandé (voir encadré État de surface ). Nota : le lecteur se reportera utilement aux articles Tolérances et écarts dimensionnels, géométriques et d états de surface [B 7 010] dans ce traité, et Caractérisation et mesure des microgéométries de surface [R 1 230] dans le traité Mesures et Contrôle Différents types d arbres Il n est pas possible de faire un inventaire exhaustif de toutes les nuances de matériaux d arbres qui peuvent être employées. L énumération suivante ne mentionne que les nuances les plus usuelles Arbres en fonte (F) Ils présentent un avantage en termes de prix, surtout si l arbre est de forme complexe. Le graphite peut jouer le rôle de lubrifiant solide mais crée des discontinuités dans la surface qui, lors du non-respect des modes de finition de l arbre [52], conduisent à des surfaces excessivement agressives. Dans l industrie automobile, les arbres en fonte sont souvent durcis par des procédés de trempe à haute fréquence Arbres en acier ordinaire (A) On peut distinguer trois grandes classes d arbres en fonction de leur dureté : A1, les arbres de dureté comprise entre 120 et 150 HB, qui ne peuvent être utilisés que face à des matériaux antifriction très tendres (par exemple, les métaux blancs) ; A2, les arbres de dureté comprise entre 270 et 300 HB, qui ont subit une trempe et un revenu et présentent un avantage appréciable en termes de dureté et de structure cristalline. Ils peuvent être utilisés B Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

15 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES vis-à-vis de la plupart des matériaux antifriction excepté si ces derniers possèdent des particules de rodage de forte dureté ; A3, les arbres de dureté comprise entre 50 et 55 HRC, qui ont subit une trempe haute fréquence ; ils sont utilisables face à la totalité des revêtements antifriction Arbres en acier ayant subi un traitement de surface (AT) Ces traitements insèrent par diffusion des atomes étrangers dans le réseau cristallin de surface. Outre le fait que ces atomes peuvent améliorer les qualités antifriction de la pièce, la distorsion du réseau cristallin augmente la dureté de surface et réduit les risques de miscibilité avec un autre matériau. Les différents traitements sont : AT1, cémentation, c est-à-dire diffusion d atomes de carbone sur une profondeur de l ordre du millimètre. Sur les aciers bas carbone, ce traitement suivi d une trempe conduit à des duretés de l ordre de 60 HRC ; AT2, nitruration, c est-à-dire diffusion d atomes d azote sur une profondeur de l ordre de 0,3 mm. La dureté de surface peut atteindre 70 HRC à 0,2 mm de profondeur. Ce traitement est réservé à des aciers spécifiques dits de nitruration ; de plus, un polissage destiné à supprimer la couche friable formée pendant le traitement est impératif ; AT3, carbonitruration, c est-à-dire combinaison des deux traitements précédents. Bien que la profondeur de traitement soit inférieure à 0,3 mm et qu il soit toujours nécessaire de retirer la couche friable, ce traitement donne des propriétés antifriction très intéressantes à la surface ; AT4, carbonitrosulfuration, plus connu sous le nom commercial de sulfinuz. L ajout de soufre dans les éléments diffusants apporte une amélioration notoire en termes de grippage Autre types d arbres On utilise parfois : des arbres avec des revêtements durs tels que des revêtements de chrome dur (R1), de nickel électrolytique (R2) ou de nickel chimique (R3) ; des arbres en aciers inoxydables dont les types les plus courants sont : les aciers inoxydables ferritiques AI1 (X6Cr17, peu adapté au frottement), les aciers inoxydables martensitiques AI2 (X12Cr13 à X30Cr13), les aciers inoxydables austénitiques AI3 (X2CrNi19-11 ; sans traitement mécanique de durcissement superficiel ils sont peu adaptés au frottement) ; des arbres en alliages de cuivre D1 (utilisés pour résoudre des problèmes de corrosion), d aluminium D2 sur lesquels il est nécessaire de pratiquer un durcissement comme une anodisation pour être employés dans les paliers, ou en matières plastiques D3. Remarque : outre les procédés de dépôts électrolytiques ou chimiques, il existe des procédés de régénération des arbres comme le rechargement par projection de métal fondu, qui possède l inconvénient de produire une surface poreuse non parfaitement adaptée au frottement, ou le rechargement par soudure. 2.2 Logements Les conséquences d un logement de qualité médiocre sont trop souvent sous-estimées ; il est donc nécessaire de prendre en compte celui-ci dans le fonctionnement du palier Propriétés thermiques Conformément au paragraphe 1.2 où a été mis en évidence le rôle limitatif de la température, il est nécessaire dans l écriture du bilan thermique du palier, pour la recherche de la température moyenne d équilibre, de tenir compte : de la résistance thermique que présente l interface de l élément antifriction avec le logement. Sa valeur est régie par les trois principaux paramètres suivants : la qualité microgéométrique des états de surface du matériau antifriction et du logement [43] [60], la qualité macrogéométrique des surfaces, c est-à-dire les défauts géométriques d ordre 1 et 2. Très peu de modélisations ont été proposées pour représenter cet aspect. En pratique, après quelques simplifications, on utilise la loi de Newton, la pression de contact qui, lorsqu elle est suffisamment élevée, annihile les effets de la résistance thermique créée par les microcontacts mais non celle occasionnée par les défauts macrogéométriques. En pratique, pour annuler l effet de la rugosité, la pression doit être supérieure ou égale à environ 3 MPa [65] ; de la conductivité thermique du matériau du logement. Bien que la quantité de chaleur transitant par le logement soit faible, on cherche, dans la mesure du possible, à ce que le matériau du logement ait la plus forte conductivité thermique ; du coefficient d échange thermique du logement avec l extérieur. Dans de nombreux cas, ces échanges se font par convection. Il résulte que, dans l association de ces résistances thermiques, c est le coefficient d échange qui conditionne l intensité du transfert. Ainsi, pour des paliers particulièrement chargés, il est judicieux d augmenter la valeur du coefficient d échange que ce soit par création de pseudo-ailettes sur la surface extérieure du logement, ou par utilisation d un fluide caloporteur mis en vitesse baignant le logement Propriétés mécaniques La principale caractéristique mécanique que l on exige est une rigidité élevée sauf pour les cas de paliers hydrodynamiques qui fonctionnent avec un chapeau de type membrane (plus communément appelé foil ). En cas de rigidité insuffisante, trois types de problèmes peuvent survenir : le logement s enroule autour de l arbre : il s ensuit qu en vertu des lois de l élastohydrodynamique on a deux pics de pression hydrodynamique décalés de part et d autre de la direction de la charge. Ce décalage implique un accroissement de la valeur maximale des pics et conduit, de ce fait, à une augmentation du risque de fatigue du matériau antifriction ; la souplesse du logement conduit le long des génératrices à avoir localement des épaisseurs de film minimales réduites. On observe d ailleurs des zones d usure localisées différentes de celles que l on observe dans le cas d un logement rigide ; on observe, lors de chargements dynamiques, des phénomènes de microsoudures induites par des petits débattements à l interface du logement avec le matériau antifriction (appelé plus communément fretting ). Les inconvénients de ces microsoudures sont qu elles détruisent la qualité géométrique des surfaces en contact et, lorsqu elles sont suffisamment nombreuses, initialisent des ruptures de logement. Les différentes solutions possibles pour lutter contre ce phénomène de fretting peuvent être la rigidification du logement, l augmentation de la pression de contact entre le logement et l élément antifriction, la diminution de la fréquence de vibration, la modification des rugosités, l interposition d un dépôt ne donnant pas de microsoudures avec les matériaux des deux éléments constituant l interface, la modification de la structure cristalline des métaux en contact (par écrouissage, grenaillage ou shoot peening ) État de surface Étant donné que la bague ou le demi-coussinet est emmanché ou serré dans le logement, la géométrie de ces pièces est directement liée à celle du logement. Cependant, les imperfections géométriques du logement peuvent être plus fortes que celles de l arbre car, lors Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique B

16 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES de sa mise en place, le matériau antifriction se comporte comme un filtre passe-bas vis-à-vis des ordres de défauts de surface (voir encadré État de surface ). Les recommandations sont les suivantes : pour les ordres 1 et 2 : les tolérances préconisées en général sont : une circularité de C 2 (µm) = 2D (mm)/10, une rectitude de 3 µm par cm de longueur axiale de palier, une ondulosité d amplitude inférieure à 10 µm. En cas de problème d origine thermique sur le palier, on réduit l amplitude admissible comme, par exemple, lorsque l on rectifie le dos des bagues de pied de bielle ; pour les ordres 3 et 4 : mis à part pour les phénomènes thermiques et les problèmes éventuels de fretting, la rugosité du logement ne revêt pas un degré d importance aussi élevé que pour l arbre car la rugosité du logement n est pas reproduite en surface de l élément antifriction contrairement, par exemple, aux défauts de conicité. Une rugosité Ra comprise entre 0,63 et 1,6 µm est généralement suffisante. 3. Matériaux antifriction pour fonctionnement à sec (M1) 3.1 Structure des matériaux Ces matériaux antifriction comportent toujours une phase de lubrifiant solide qui peut dans certains cas constituer le matériau lui-même. La structure et les propriétés mécaniques des lubrifiants solides ne permettent généralement pas d utiliser ces matériaux sans introduire au sein de ceux-ci un autre matériau rigidifiant. Suivant le type de matériau d ajout employé, on privilégie le comportement en usure, en fatigue ou en résistance mécanique de l ensemble suivant les nécessités du matériau antifriction. Généralement, ces matériaux se présentent sous l une des formes suivantes Revêtements de surface en couche mince Du fait de leur minceur, ces revêtements ne posent pas de problème de résistance mécanique, de conductivité ou de dilatation, étant donné que la plupart de leurs caractéristiques sont celles du support à l exception, par exemple, des facteurs affectant la température éclair. Ils peuvent associer un bon coefficient de friction à un taux d usure modéré mais, pour la même raison, donnent une capacité pv temps de service de toute manière limitée. Rappelons que le principe de fonctionnement des matériaux à lubrifiant solide est un transfert du lubrifiant. Comme il y a obligatoirement une lente élimination du lubrifiant vers l extérieur, l usure est inévitable. À titre d exemple : a ) la société Dow Corning propose divers vernis de glissement constitués de poudre de bisulfure de molybdène et d un liant (souvent une résine). Ces vernis peuvent être appliqués par trempe, au pinceau, ou mieux par pulvérisation. Les couches sont de l ordre de la dizaine de micromètres. La température d utilisation de ces vernis est limitée par celle du liant. Le tableau 4 donne l exemple du vernis Molykote 3 400A, l un des plus résistants en température ; b ) malgré les grandes difficultés de liaison déjà citées ( ) et grâce à des attaques chimiques préalables, il est maintenant possible de lier du PTFE additionné de quelques charges sur des supports métalliques. Le tableau 4 donne l exemple du revêtement Microflon de la société Saimap ; c ) l évolution des techniques de dépôts chimiques permet d effectuer des codépositions de métal et de PTFE, en particulier de nickel et de PTFE, d où une nette amélioration du coefficient de friction du nickel tout en conservant une durée de vie correcte de ce dépôt Résines chargées de lubrifiant solide L incorporation de lubrifiant solide dans diverses résines permet d améliorer leurs performances à sec. On obtient un produit moulable permettant l obtention de pièces massives, de tubes ou de plaques d un prix faible à modéré. Les inconvénients restent une faible capacité de charge, une mauvaise conductivité thermique, un coefficient de friction et un taux d usure moyens. Toutes les combinaisons de résines thermoplastiques ou thermodurcissables avec les PTFE, MoS 2 ou graphite, ont pratiquement été essayées. Certaines compositions incorporent même deux ou trois lubrifiants solides simultanément. Par exemple, la société Rhône-Poulenc commercialise sous le nom de Kinel des poudres à mouler en polyimides chargées de PTFE, MoS 2 et de graphite, qui se situent parmi les versions les plus performantes de cette classe de produits (tableau 4). Certaines versions sont livrées en bandes, qui peuvent être roulées au moment de l utilisation ou qui sont plus ou moins liées à un support métallique avec une possibilité de préroulage avant utilisation PTFE massifs chargés Par opposition à la version précédente, c est le PTFE lui-même qui est utilisé comme matière de base avec un avantage de tenue en température et en corrosion. Pour freiner l usure (au détriment souvent du coefficient de friction) et pour favoriser l évacuation thermique, on incorpore des charges diverses comme la fibre de verre, le bronze, le graphite, etc. État de surface Les défauts géométriques d une surface se classent sous quatre numéros d ordre conformément à la norme E (ISO 4287/1) : l ordre 1 correspond aux défauts de forme et de position, l ordre 2 représente les défauts d ondulation tels que les lobes circonférentiels sur un arbre circulaire comme cela peut se produire sur un maneton de vilebrequin dont la souplesse a occasionné des vibrations à la rectification, les ordres 3 et 4 sont les défauts de stries, de sillons, de piqûres, de pentes, occasionnés par l usinage de la surface et constituent en fait ce que l on appelle la rugosité d une surface. Les mesures d état de surface s effectuent le plus souvent de manière bidimensionnelle. Afin d avoir un aperçu tridimensionnel, il est nécessaire de considérer l état de surface le long des génératrices et des circonférences de l arbre. Les préconisations données ultérieurement sont valables pour des paliers dont la partie active de l arbre ou de la bague a un rapport L/D variant dans des limites de 0,25 à 2. Il est utile de mentionner cette limite de validité car la lubrification d un palier très court ou très long n est pas modifiée de la même façon par la rugosité. En effet, pour un palier infiniment court (rapport L/D proche de zéro), une gorge axiale réduirait l épaisseur de film de lubrifiant de manière dramatique alors qu une gorge circonférentielle de même section n aurait en comparaison qu un effet très faible. Pour un palier infiniment long, des effets opposés seraient constatés. B Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

17 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES État de surface (suite) Deux types de préconisations sont possibles : soit on utilise les critères employés depuis plusieurs dizaines d années dans l industrie automobile, à savoir des recommandations sur les défauts d ordre 1 en génératrices et circonférences et sur les défauts d ordre 3 et 4 en termes de rugosité CLA le long des génératrices de l arbre. L avantage de ces critères est que la majorité des connaissances acquises est formulée avec ceux-ci. L inconvénient est que, pour tout nouveau mode d usinage, la connaissance de la rugosité Ra axiale sur un arbre, qui donnait indirectement une information sur la rugosité circonférentielle, n est plus valable ; soit on utilise des critères plus élaborés tels que les moments d ordre 3 et 4, les fonctions d autocorrélation, voire aussi les limites portées sur la courbe d Abbott-Firestone. Il convient toutefois de noter que ces critères ne s adressent qu aux arbres de palier hydrodynamique pour lesquels les calculs de film d huile montrent des épaisseurs minimales du même ordre de grandeur que les défauts microgéométriques. En ce qui concerne les autres régimes de fonctionnement, on peut en premier lieu se contenter de respecter les préconisations formulées dans les paragraphes 3 et 4. Critères classiques Défauts d ordre 1 : Sur les circonférences : le fonctionnement hydrodynamique du palier accepte des défauts importants de ce type. La limite de défaut de circularité C 1 retenue est définie par : C 1 (µm) = 1 + D (µm)/ Il est aussi possible de définir des contraintes géométriques sur l enveloppe de l arbre, c est-à-dire en termes de cylindricité. Lorsque ce type de cotation est utilisé, on adopte une tolérance de cylindricité égale à celle de circularité précédente. Sur les génératrices : pour les variations monotones de profil, la situation recommandée est celle d une ligne ne possédant qu une pente très faible. En général, la rectitude de 2 µm sur 10 mm de long est la limite supérieure d acceptation. Exceptionnellement, pour certains vilebrequins souples sollicités de manière dissymétrique, il peut parfois être intéressant de produire des surfaces en forme de tonneau ou en forme de tronc de cône ; ces formes permettent alors d éviter les charges d angle sur les coussinets, occasionnées par des flexions importantes du vilebrequin. Défauts d ordre 3 et 4 sur les génératrices : il est particulièrement important que, dans les applications hydrodynamiques à faibles épaisseurs de film de lubrifiant, dans les applications avec lubrifiant solide et dans les cas de fonctionnement face à des matériaux antifriction tendres, on respecte une rugosité Ra 0,4 µm, parfois cette valeur peut être réduite à 0,02 µm, par exemple pour les arbres de pompes à engrenages. Critères actualisés État de surface (suite) Défauts d ordre 1, en ce qui concerne les défauts d ordre 1, on se reportera aux critères classiques. Défauts d ordre 2 (lobes) Sur les circonférences : l effet des lobes à la surface d un arbre vis-à-vis de la lubrification hydrodynamique fait l objet de travaux, comme ceux de Bayada et Chambat [45]. Bien qu il existe des positions optimales des lobes vis-à-vis de la direction de la charge, on se place dans une situation conservative lorsque l on cherche à tolérancer l amplitude et le nombre de lobes, les lobes étant préjudiciables au bon fonctionnement du palier [49]. Les définitions classiques d ondulosité données par les normes ne sont pas parfaitement adaptées pour décrire cet aspect. Les préconisations que l on peut toutefois formuler sont : AW µm et W 2,5 µm avec AW i distance entre deux pics d ondulation consécutifs, W i hauteur selon une normale à la surface entre un pic et un creux d ondulation consécutifs, AW et W étant les moyennes arithmétiques de AW i et W i. Pour une valeur de AW supérieure à µm, le défaut n est plus considéré comme de l ondulosité. Sur les génératrices : l ondulosité des génératrices est nettement plus pénalisante que celle sur les circonférences. L ondulosité peut être décrite par l amplitude des lobes et le nombre de lobes sur la surface. En général, la valeur recommandée est : pour AW µm, W 1 µm dans le cas d une surface en frottement avec un fluide. Défauts d ordre 3 et 4 : une approche correcte de ces défauts de surface serait de considérer l aspect tridimensionnel. Les principaux résultats obtenus lors de la prise en compte de ces défauts dans la résolution de problèmes hydrodynamiques ont montré qu il était préférable d avoir une rugosité réduite dans le sens axial (coussinets de rapport L/D < 4). Lorsque l on utilise des analyses profilométriques en deux dimensions, les critères sont : sur les circonférences : actuellement, on se contente de R 1,0 µm. Avec des applications plus sévères, il est vivement conseillé de définir des critères sur les pentes montantes et descendantes des rugosités, sur les moments d ordre 3 et 4 par le biais de coefficient S k et E k, et sur des enveloppes de la fonction d autocorrélation ; sur les génératrices : étant donné que les défauts ont beaucoup d effet sur l épaisseur du film d huile, on préconise de respecter les critères suivants : S k 2 ± 1 E k 5 ± 1,5 Sur les courbes de portance d Abott-Firestone, la tendance générale est d avoir le plateau de la courbe de portance le plus grand possible avec une pente comprise entre 0 et 5 %, de minimiser le pic situé en amont de ce plateau tout en conservant une zone minimale en aval, dite zone de réserve d huile. À titre d exemple : a ) la société Glacier commercialise sous forme de jets (de matière) pleins, de tubes ou de pièces moulées des compositions désignées commercialement DQ constituées par un PTFE chargé en bronze et en graphite (tableau 4) ; b ) des bandes minces constituées par un treillis de fils de bronze noyés dans un moulage de PTFE sont produites par la société Pampus Fluorplast (tableau 4). Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique B

18 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES Matrices métalliques poreuses imprégnées d un lubrifiant solide Les avantages d une telle solution sont une capacité de charge élevée correspondant à la résistance de la matrice métallique, une résistance à l usure accrue par la matrice, une bonne conductivité thermique, une faible dilatation. En revanche, le coefficient de friction se trouve augmenté par la présence de métal. Le lubrifiant solide peut être du graphite, du MoS 2 ou du PTFE, ou encore un mélange de ces produits. À titre d exemple : a ) on trouve des produits de cette classe sous forme massive comme le Deva Metal de la société Deva Werke, constitué par une matrice en bronze dans laquelle est incorporé du graphite. Ces pièces sont livrées sous forme monolithique analogue à celle des bagues en bronze (tableau 4) ; b )le DU, produit en France par la société Glacier SIC, est constitué d un support en acier ou en bronze de 0,5 à 2 mm d épaisseur et d une structure poreuse de bronze imprégnée d un mélange PTFE-Pb ; il est représentatif de cette classe de matériaux dans sa version produits minces, fabriqués en bandes et permettant l obtention de bagues roulées ou de coussinets (tableau 4) PTFE tissés Les PTFE sous forme de fibres présentent un avantage du point de vue tenue en usure. On réalise des tissages avec alternance de fils de PTFE et de fils de fibres de verre ou fils métalliques, etc. Souvent, une face riche en PTFE mais dans laquelle les autres fils jouent le rôle de charge constitue la face de contact. La face arrière est utilisée comme agent de liaison et peut être soit moulée dans une résine thermodurcissable constituant le support, soit collée ou soudée à une bande métallique support. Ces matériaux combinent une bonne résistance à l usure et souvent un bon coefficient de friction avec une capacité de charge élevée. À titre d exemple : a ) le Garmax de la société Garlock, composé de fils de PTFE liés à un support en résine époxyde (tableau 4) ; b )le Fiberglide, produit en Europe sous licence américaine et distribué en France par la société Angst Pfister, est constitué par un tissu de PTFE et de fils de liaison collés sur un support métallique par une résine époxyde (tableau 4). 3.2 Détermination du palier à sec Charges et vitesses acceptables Outre les questions de compatibilité et de résistance à la corrosion, ce sont surtout les aspects de vitesses et de charges qui vont déterminer les possibilités de fonctionnement du palier. Certains matériaux sont mieux adaptés que d autres à la vitesse. Le tableau 4 donne les recommandations à ce sujet. En règle générale, les vitesses élevées sont à proscrire sauf quand le matériau produit lui-même un film lubrifiant sur sa surface, comme c est le cas avec le bronze chargé d inclusions de graphite. Par ailleurs, la pression maximale doit être inférieure à celle qui risque d engendrer le fluage. Le cas échéant, si les charges appliquées sont dynamiques, on est limité par la résistance à la fatigue. Enfin, il faut considérer le produit pv pour les aspects de température et d usure. Pour l aspect thermique, nous avons vu au paragraphe 1.2 qu il existait un pv limite lorsque le palier fonctionne en marche continue égal à pv = h θ/f. Dans cette expression, la valeur de h est largement dépendante des propriétés thermiques de l arbre, du matériau antifriction et du logement. Comme ces propriétés sont limitées, il existe une valeur limite au-delà de laquelle on risque la destruction rapide du palier par surchauffe. Pour l aspect usure, pour la plupart des matériaux à sec le taux d usure est sensiblement égal au terme pv. Cela se conçoit relativement bien si l on considère que l aire des zones de contact est proportionnelle à la pression p et que le nombre d arrachements de jonction arbre/matériau antifriction est proportionnel au chemin parcouru. C est d ailleurs sur la base d hypothèses de ce type que Archard [44] a construit son modèle d usure qui établit que le volume usé est égal au produit du taux d usure par la distance parcourue. Il arrive que l on rencontre dans des publications ou des documents techniques le taux d usure (noté le plus souvent k ) comme une caractéristique du matériau Préconisations sur le jeu Par opposition aux paliers lubrifiés, les paliers à sec ne nécessitent pas de jeu pour assurer la circulation du lubrifiant. En revanche, il y a nécessité d un jeu entre l arbre et le matériau antifriction pour tenir compte : du champ de pression résultant du contact qui ne doit pas être de type hertzien lors des premières utilisations du palier. Pour ce faire, on privilégie un jeu réduit afin de ne pas avoir de trop fortes concentrations de contraintes dans la couche de lubrifiant solide. Après la phase de rodage, l arbre a en général façonné son logement et le jeu initial a ainsi peu d importance si le chargement est monotone ; de la dilatation préférentielle de l arbre ; de manière usuelle, et pour un élément antifriction qui ne se dilaterait pas, il y a lieu de prévoir un jeu diamétral minimal de 0,3 D/1 000 ; de la variation d épaisseur de l élément antifriction due à la dilatation. D assez nombreux matériaux à sec ne sont pas réusinables et conduisent à des tolérances de jeu de l ordre de plus de D / Cela n est qu un inconvénient modéré si l on considère que le jeu initial peut être sévèrement accru par l usure. Nota : le jeu comme le diamètre sont exprimés en micromètres Qualité de l arbre Une caractéristique commune à tous les matériaux antifriction est qu ils réclament un état de surface d arbre extrêmement soigné qui est probablement lié à l épaisseur de la couche de lubrifiant transférable. Des états de surface Ra < 0,35 µm doivent être respectés. Une amélioration de la qualité du fini n apporte pas d avantage significatif en terme de coefficient de friction. En contrepartie, le taux d usure croît sensiblement dans le rapport Ra /0,35 lorsque l on dépasse la valeur de 0,35 µm. Une dureté élevée de l arbre n est généralement pas requise du strict point de vue fonctionnel, mais à sec il est difficile d empêcher la pénétration des abrasifs dans le palier ; il est conseillé d utiliser des arbres durs. Pour des problèmes de corrosion, on est souvent conduit à adopter des arbres en aciers inoxydables ou avec un dépôt de protection (chrome dur ou nickel chimique). Tous sont en général excellents. Des arbres en alliages d aluminium anodisé dur donnent eux aussi de bons résultats Exemple de calcul Méthode de calcul Sur la base des diverses considérations relatives aux pressions et vitesses acceptables, le calcul d un palier à sec peut être conduit de la manière suivante. 1) Calculer p en vérifiant que cette valeur est acceptable pour le matériau antifriction en termes de résistance au fluage et/ou en fatigue. 2) Vérifier que v est dans le domaine de vitesse recommandé. (0) B Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

19 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES Tableau 5 Exemples de calcul d un palier à sec Charge totale W... (en N) Vitesse de rotation N...(en tr/s) Cycle arrêt-marche (pendant périodes de service) (1) s arrêt, 30 s marche 70 s arrêt, 30 s marche 70 s arrêt, 30 s marche Palier : diamètre D... (en m) 0,04 0,04 0,04 longueur L... (en m) 0,02 0,02 0,03 Matériau... PTFE pur ( ) bronze + PTFE-plomb ( b ) bronze + PTFE-plomb ( b ) Température ambiante... (en o C) Vie souhaitée de la machine (1)...(en h) W Calcul de p : p = p = D L 0,04 0,02 = 2,5 MPa p = 2,5 MPa p = 1,67 MPa p admissible (tableau 4) > p... p admissible = 5 MPa > 2,5 p admissible = 140 MPa > 2,5 p admissible = 140 MPa > 1,67 Calcul de v : v = πnd... v = 3,14 5 0,04 = 0,628 m/s v = 0,628 m/s v = 0,628 m/s v maximale recommandée (tableau 4) > v v max = 2 m/s > 0,628 v max = 2 m/s > 0,628 v max = 2 m/s > 0,628 Évaluation de f (tableau 4)... f = 0,05 à 0,15 soit arbitrairement f = 0,12 Calcul du pv (2) : pv instantané... pv instantané = 2,5 0,628 = 1,57 MPa m/s pv moyen sur durée du cycle... pv moyen = 1,57 0,3 f = 0,05 à 0,25 soit arbitrairement f = 0,18 pv instantané = 1,57 MPa m/s pv moyen = 0,47 MPa m/s f = 0,05 à 0,25 soit arbitrairement f = 0,18 pv instantané = 1,047 MPa m/s pv moyen = 0,314 MPa m/s = 0,47 MPa m/s Calcul de pv limite de surchauffe première approximation : pv de surchauffe (tableau 4) coefficient correcteur ( 1.2.1)... 0,5 0,8 = 0,4 MPa m/s 1 0,8 = 0,8 MPa m/s 1 0,8 = 0,8 MPa m/s calcul plus affiné : θ admis pour raison de dilatation o C 150 o C 150 o C K c ( θ) Évaluation de Q = (3)... cas de l air pour un arbre seul : cas de l air pour un arbre + logement : cas de l air pour un arbre + logement : LD 0,028 MW/m 2 0,3 MW/m 2 (3) 0,3 MW/m 2 Q /f = pv... 0, = 0,23MPa m s 0,12 1,66 MPa m/s 1,66 MPa m/s pv coefficient correcteur ( 1.2.1) 0,23 0,8 = 0,18 MPa m/s 1,33 MPa m/s 1,33 MPa m/s donc pv moyen < pv calculé... pv moyen > 0,23 MPa m/s pv moyen < 1,66 MPa m/s pv moyen < 1,66 MPa m/s donc solution non acceptable Évaluation du taux d usure et durée de vie (4) : calcul approximatif : usure h à pv = 0, ,05 mm 0,05 mm usure h à pv réel ,47 0,314 0, = 0,04 mm 0, = 0,026 mm 0,6 0,6 usure pour h (vie souhaitée) , = 0,06 mm 0, = 0,04 mm usure maximale tolérable : imposée par matériau (tableau 4) ,05 mm 0,05 mm admissible en service ,10 mm 0,10 mm donc usure calculée < usure maximale ,06 > 0,05 trop limité 0,04 < 0,05 mm Solution... nécessité d essayer un autre matériau essayer une majoration de longueur solution satisfaisante (1) Le temps de service de la machine ne correspond pas toujours au temps de rotation du palier ; dans ce cas particulier, le temps de marche effectif du palier est ,3 = 450 h. (2) Le calcul de la surchauffe sur pv moyen n est valable que parce que le temps de marche en continu est faible (30 s). (3) L évaluation du flux de chaleur est obtenue en tenant compte de l expression de K corrigé ( 1.2.1). (4) Le calcul du taux d usure peut être plus affiné à partir d éléments spécifiés par le fournisseur. 3) Déterminer f à partir de p et v. L ordre de grandeur de f est donné dans le tableau 4. Une approche plus précise consiste à utiliser, si l on en dispose, un abaque fourni par le fabricant relatif à chaque matériau antifriction. 4) Calculer le produit pv limite de surchauffe. L ordre de grandeur est donné par le tableau 4 ou bien par les relations du paragraphe si θ diffère de 100 o C, ou encore plus précisément par le calcul de la dissipation thermique à partir de la géométrie du palier. En cas de marche discontinue, on évalue la température moyenne par le calcul de la valeur moyenne de pv et l on estime ensuite la valeur maximale que peut atteindre la température afin d avoir une limite supérieure et conservative des échauffements possibles du palier. 5) Évaluer le taux d usure soit de manière approximative à partir du tableau 4, soit de façon plus précise à partir d abaques fournis par le fabricant tenant compte en particulier de la température de la zone de frottement et de l arbre. On vérifie ensuite que le taux d usure correspond à la durée de vie espérée du palier. Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique B

20 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES Remarque : dans cette description, on n a pas tenu compte des cas de fonctionnement avec un fluide lubrifiant ou non. Les capacités du palier en termes de pv sont notablement augmentées du fait de la meilleure dissipation thermique que le fluide apporte et d éventuels phénomènes de portance hydrodynamique. Du fait de la complexité des calculs qu impliquent de telles situations, il est alors préférable de consulter un spécialiste Application numérique On veut réaliser un palier lisse de diamètre D = 0,04 m et de longueur L = 0,02 m capable de supporter une charge totale de N avec 30 % du temps de marche, pour une vitesse de rotation de 5 tr/s. Suivant le principe de calcul précédant, nous pouvons étudier dans le tableau 5 le cas de deux matériaux, en augmentant pour le second cas la longueur du palier. 3.3 Conclusion Tous les produits passés en revue permettent de fonctionner sans huile et graisse dans la plage des limites qui viennent d être définies. Ce type de matériau s impose donc chaque fois que les lubrifiants liquides sont prohibés ou non fonctionnels, c est-à-dire : à très basse température ; dans le vide ; en présence de fluide non lubrifiant ; dans les applications où les lubrifiants sont considérés comme polluants (agro-alimentaire, textile, imprimerie, etc.). Toutefois, dans certains cas, l expérience montre que la construction d un palier sec nécessite de multiples précautions en termes de résistance à la corrosion et de pénétration d abrasifs et que la solution la plus économique peut conduire au maintien du graissage. 4. Matériaux antifriction pour régime mixte (M2) Les matériaux utilisés pour ce type de régime sont très nombreux en raison de la diversité des situations pratiques où ce régime existe. Afin d englober les principaux aspects à connaître, les matériaux antifriction sont tout d abord présentés en fonction de leurs propriétés et de la nature des composants, puis en fonction des différents types de lubrification rencontrés dans l industrie. 4.1 Structure des matériaux Avant de mentionner les différentes familles, rappelons que les deux principales caractéristiques ( 1.4.1) sont : une bonne compatibilité avec le matériau de l arbre ; une grande affinité pour les lubrifiants. De plus, pour les applications hors bain d huile ou de graisse, les matériaux doivent constituer par eux-même une réserve de lubrifiant. La présence de lubrifiant solide qui n est pas nécessaire dans le matériau antifriction peut être un avantage en certaines occasions. Les principaux matériaux de base utilisés dans l élaboration de produits destinés à fonctionner en régime de lubrification mixte sont les matériaux à base de lubrifiant solide, à base de matières plastiques et métalliques Matériaux à base de lubrifiant solide Les matériaux à base de graphite ou de PTFE et les résines chargées par un ou des lubrifiants solides constituent, en général de bons matériaux pour un régime mixte, car ils possèdent une grande affinité pour les lubrifiants. Le lubrifiant solide assure en outre un meilleur fonctionnement lors du démarrage après un long arrêt sous charge lorsque le film mixte peut être rompu. Pratiquement, tous sont parfaitement satisfaisants, donc très souvent employés. Les bagues en graphite voient leur coefficient de friction descendre au-dessous de 0,10 et même atteindre 0,03 (tableau 6). Le même effet favorable est obtenu sur les résines chargées de lubrifiants solides et sur les PTFE chargés. Des coefficients de friction de 0,02 et même 0,015 ont été mesurés sur la couche de rodage de bagues DU (société Glacier) en mouvement alternatif à faible vitesse et en bain d huile avec des arbres de rugosité Ra = 0,1 µm. Avec des arbres de 0,35 µm, ce coefficient ne descend pas au-dessous de 0,03. (0) Le taux d usure est réduit à une valeur très faible par l interposition des molécules de lubrifiant et n est pratiquement plus fonction du produit pv. Le pv de surchauffe est notablement accru, d une part, par l abaissement du coefficient de friction, et, d autre part, par l amélioration de l échange thermique engendré par la présence du bain d huile Matériaux plastiques Toutes les matières plastiques présentent une excellente affinité avec les lubrifiants, ce qui assure la pérennité du film adsorbé dans des conditions de charge et de vitesse bien supérieures à ce qui serait acceptable avec des matériaux métalliques. Cette affinité améliore également leur aptitude à garder ces derniers en réserve pendant de longues périodes. La plupart des résines thermoplastiques sont peu résistantes aux températures élevées et aux attaques corrosives par les acides ; il ne faut pas perdre de vue que, par oxydation, il se forme des acides dans les huiles minérales. En revanche, les résines thermodurcissables présentent des avantages en ce qui concerne ces deux derniers aspects. Le comportement des matières plastiques non chargées de lubrifiant solide est, en bain d huile, très voisin de celui des matériaux à base de lubrifiant solide ( 4.1.1). La seule différence notable vient du fait qu après un long arrêt sous charge le coefficient de friction au départ est moins satisfaisant qu avec les matériaux à base de lubrifiant solide. De plus, les lubrifiants solides ont l avantage d assurer sur les matériaux plastiques un coefficient de friction statique inférieur ou égal au coefficient de friction dynamique. On évite ainsi les phénomènes de mouvement saccadé (ou stick-slip ). Le tableau 6 donne les performances moyennes des résines polyamides, acétals et polyéthylènes. Les valeurs correspondent à des bagues massives, présentant les inconvénients d un mauvais transfert thermique vers le logement, d une fixation difficile par simple serrage et conduisant à des variations importantes de jeu par dilatation. Pour pallier ces inconvénients, des produits multicouches ont été développés. Le plus souvent, ils comprennent un support métallique de 0,5 à 2 mm d épaisseur revêtu d une résine. Dans certains cas, la liaison peut être améliorée par la présence d une couche d accrochage. Les résines thermodurcissables du type époxy ou phénolique donnent des performances comparables avec une garantie plus grande en termes de température et en risque d attaque corrosive. Le tableau 6 donne également les performances d une résine en polysulfure de phénylène (PPS) directement fixée sur un support en aluminium et d une résine acétal fixée sur un support en acier par l intermédiaire de billes de bronze frittées Matériaux métalliques Les matériaux métalliques présentent une moins bonne affinité pour les lubrifiants que les matières plastiques. À défaut d un fonctionnement en bain d huile, des relubrifications à intervalles nettement plus rapprochés sont nécessaires. Même en présence de fluide lubrifiant et a fortiori en cas de fonctionnement à la graisse, ce niveau d affinité conduit à une rupture du film adsorbé à une plus basse pression de contact et donc à un coefficient de friction et un taux d usure accrus par rapport à ceux des matières plastiques. Leur compatibilité vis-à-vis des arbres métalliques n est pas excellente. B Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

21 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES Tableau 6 Matériaux pour régime mixte M2 Matériau Graphite Bronze imprégné de PTFE + plomb Polyamides Acétals Polythylènes Polysulfure de phénylène Acétals + support en acier Bronze Bronze au plomb Acétal avec alvéoles + support acier Bronze poreux imprégné d huile Métal blanc + graissage Permawick ( 4.1.1) ( 4.1.2) ( 4.1.3) ( 4.2.2) Support (1) M S M M M S S M S S M S Épaisseurs usuelles de la paroi pour un diamètre intérieur de : 10 mm...(mm) 4 1 0,2 à 1,5 0,2 à 1,5 0,2 à 1, à ,5 à mm...(mm) 5,5 1,5 0,5 à 3,75 0,5 à 3,75 0,5 à 3,75 1,5 1,5 2,5 à 7,5 1,5 1,5 2,5 à 3,5 1,5 100 mm...(mm) 13 2,5 2 à 15 2 à 15 2 à 15 2,5 2,5 5 à 15 2,5 2,5 10 Température de fusion ou destruction.. ( o C) > à > > > Température maximale usuelle d utilisation (2)...( o C) à Coefficient de dilatation linéique de l élément antifriction...( o C 1 ) 3 à à Pression admissible à 80 o C...(MPa) > 100 > usuelle < 3 Pression en fatigue à 10 5 /10 7 cycles...(mpa) non connue 30 /15 non connue non connue non connue 50/25 50 /25 /80 /80 40/20 non connue Vitesse maximale recommandée...(m/s) Large expérience limitée à vitesses faibles < m/s 6 4 Conductivité thermique... (W/m o C) 84 à ,25 0,25 0,25 1,25 1, Densité... 1,50 à 1,85 7,5 1,15 1,40 0,95 7,5 7,5 8,5 8 7,5 6 7,5 Fonctionnement à la graisse (ou à l huile hors bain d huile) (4) : coefficient de frottement... 0,03 à 0,12 0,03 à 0,12 0,05 à 0,12 0,05 à 0,12 0,05 à 0,12 0,05 à 0,12 0,05 à 0,12 0,06 à 0,12 0,06 à 0,12 0,05 à 0,12 0,03 à 0,06 0,03 à 0,06 pv limite recommandé... (MPa m /s) 1,7 0,42 0,42 2,5 1,35 1,7 1,7 1,35 1,7 2,5 pv de surchauffe (3)... (MPa m /s) 2,7 2,7 0,25 0,25 2,5 1,35 1,7 1,7 1,35 1,7 2,5 périodicité de lubrification... non connue 1 jour à 1 semaine 1 semaine non connue 1 mois 1 semaine 1 heure à 1 heure à 1 année à vie à vie 1 semaine à 1mois à 1mois à 1mois 1 jour 1 jour à vie Fonctionnement en bain d huile (4) : coefficient de frottement... 0,02 à 0,08 selon le type d huile, la nature de l arbre et la température de fonctionnement 0,04 à 0,12 non utilisé pv de surchauffe (3)... (MPa m/s) ,35 1,35 13,5 8, Arbres déconseillés ( 2)... D1 ; D2 D1 D1 ; D2 D1 ; D2 D1 ; D2 État de surface... (µm Ra au maximum) 0,2 à 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,8 0,8 0,2 à 0,35 0,35 à 0,8 0,35 à 0,8 Coefficient de prix (5) à à à (1) Support : M produit massif, S couche mince sur support métallique. (2) Température maximale usuelle d utilisation : température prenant en compte les propriétés du matériau et des lubrifiants usuels mais éventuellement spéciaux pour une température θ supérieure à environ 100 o C. (3) Le produit pv de surchauffe est calculé à partir de la formule pv = h θ/f à la température ambiante de 50 o C. (4) La pression de rupture de film dans un fonctionnement en régime mixte est donnée au paragraphe (5) Le coefficient de prix est donné par rapport à une bague du type bague roulée en bronze au plomb sur un support en acier de dimension identique. En revanche, les matériaux métalliques offrent moins de limitation en température et les risques de corrosion sont plus faibles. Ils sont moins exigeants en ce qui concerne la qualité du fini de l arbre. L expérience montre que, dans la gamme des matériaux métalliques dits de frottement (le plus souvent à base de cuivre ou d aluminium), seuls certains matériaux sont bien adaptés au régime mixte soit par leur affinité issue de réactions chimiques avec le lubrifiant, soit par la présence d éléments d addition qui modifie leurs possibilités de mise en solution dans le matériau de l arbre et améliore leur compatibilité lorsque l on arrive au contact métallique arbre/matériau antifriction. Alliages à base de cuivre Matériaux massifs : un alliage particulièrement représentatif de la catégorie des bronzes massifs est l UE9P (tableau 6) mais de nombreux matériaux avec addition de plomb, nickel, zinc, aluminium, etc. sont utilisés. Certains laitons spéciaux, comme l UZ36M3A2S, présentent aussi de bonnes propriétés antifriction. Bronzes et laitons sont disponibles sous forme de profils divers et plus particulièrement de tubes fabriqués par exemple par la société le Bronze Industriel. Matériaux multicouches : les bronzes peuvent être coulés ou frittés sur acier et, dans ce cas, on peut leur ajouter jusqu à 10 % Pb sans que cela soit une gêne pour leur résistance mécanique. La composition UPb10Sn10 est largement utilisée dans cette version sur acier et sert à la fabrication de bagues roulées dans lesquelles l épaisseur de bronze est de l ordre de 0,3 mm (tableau 6). Alliages à base d aluminium : on peut retenir par exemple les alliages d aluminium à 11 % Si, 1 % Cu et 1 % Ni, utilisés pour des applications de bagues de pied de bielle de moteur à fortes charges et bas produit pv. Alliages à base de zinc : le zinc sert de base à la fabrication de matériaux tels que l alliage de zinc à 36 % Al, 3 % Cu et 0,5 % Si, produit de substitution pour des matériaux plus nobles mais qui, compte tenu de son prix intéressant, continue d être employé dans le cas de charges modérément sévères. Métaux blancs : à base d étain ou de plomb, ils sont utilisés dans les applications peu chargées mais pouvant fonctionner à très grande vitesse. Ils ont l avantage de présenter une très bonne conformabilité, une très bonne incrustabilité et une fusion complète du revêtement. 4.2 Dispositifs de lubrification Il existe différentes manières pour lubrifier un palier en régime mixte. Parmi celles-ci, nous pouvons différencier les dispositifs conduisant à : un fonctionnement qualifié en bain d huile, c est-à-dire que le lubrifiant est présent par l intermédiaire de conduits alimentés sous pression, de gorges, de rainures, ou qu il y a des relubrifications très Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique B

22 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES fréquentes, en particulier lorsque l on emploie de la graisse ; les matériaux correspondants sont de type M2B ; un fonctionnement dit hors bain d huile, c est-à-dire que le lubrifiant, bien que présent, ne joue pas un rôle caloporteur dans le palier ; les matériaux correspondants sont de type M2A Dispositifs pour fonctionnement en bain d huile Ce type de dispositif est simple. Il nécessite essentiellement une arrivée sous pression d un lubrifiant. En général, on dispose de gorges, de rainures, de pattes d araignées dont les sections en relation avec le milieu ambiant sont restreintes afin de limiter le débit de fuite du lubrifiant. Ces particularités géométriques sont disposées de façon à ce que : pour des mouvements continus de déplacement, toute la surface de l alésage puisse être lubrifiée ; pour des mouvements oscillants, tout point de la surface de l arbre soit, au cours d un cycle d oscillation, en vis-à-vis d une gorge. L exemple le plus courant est celui des bagues d axe de linguet ou de culbuteur où des gorges hélicoïdales sont disposées dans la zone de charge du palier. Ce dispositif présente les avantages de donner une réduction du coefficient de friction dans le palier et d accroître les échanges thermiques par le rôle caloporteur du fluide. Il s ensuit que le pv de surchauffe ou pv limite peut s accroître sans occasionner le grippage du palier Dispositifs pour fonctionnement hors bain d huile Dans ce type de dispositif, le lubrifiant est lentement éliminé. Pour éviter des graissages à intervalles trop rapprochés, on cherche à ce que le palier comporte sa propre réserve de lubrifiant (tableau 6). Matériaux antifriction avec indentations Lorsque l on réalise le palier par roulage d une bande, il est relativement facile d exécuter sur celle-ci, par laminage, des indentations qui sont remplies au montage d huile ou de graisse. Notons tout d abord que certaines bandes du type bronze au plomb sur acier, voire bronze massif, sont indentées avant le roulage à l aide d aiguilles dont l extrémité est hémisphérique. Dans le cas où le palier est lubrifié en service par projection les poches ainsi formées servent à retenir l huile pour les démarrages ultérieurs (par exemple pour des bagues de pignon fou de boîte de vitesses). Matériaux lubrifiés par capillarité Par capillarité, on peut retenir de façon efficace un lubrifiant liquide. Les bagues dites autolubrifiantes consistent en des bagues monolithiques poreuses réalisées par frittage, puis remplies de lubrifiant. Bien qu acceptant des pressions jusqu à 20 MPa, ces bagues sont surtout bien adaptées au fonctionnement à grande vitesse et faible charge (tableau 6). Certaines sont même exécutées sur le même principe à partir de poudre de fer. On peut objecter que la compatibilité n est alors pas du tout satisfaisante, mais certaines applications peu chargées s accommodent de cette solution intéressante par son prix. Matériaux graissés par mèche Bien que sortant du domaine des matériaux antifriction, le système de graissage par mèche mérite d être ici mentionné parce qu il permet de réaliser des graissages à vie. Le procédé consiste à ménager autour du palier une réserve de lubrifiant retenue par capillarité dans un tissu spongieux et de conduire ce lubrifiant toujours par capillarité au travers d une mèche jusqu à l arbre. Une version plus moderne consiste à remplacer le tissu spongieux et la mèche par une préparation d huile et de fibre de coton qui peut être injectée automatiquement et qui, de ce fait, réduit considérablement le coût de montage (procédé Permawick) (tableau 6). Des solutions de ce type sont très largement employées dans la fabrication des moteurs électriques de basse puissance. 4.3 Détermination d un palier en régime mixte Charge et vitesse acceptables Les déterminations d un palier en régime mixte ou à sec étant similaires, il est nécessaire de considérer comme précédemment la pression p, la vitesse v et le produit pv. Pression maximale acceptable : cette pression ne dépend pas uniquement de la résistance mécanique du matériau antifriction ; elle doit aussi prendre en compte les risques de rupture de film onctueux. Afin d évaluer ces risques, on calcule la pression locale de contact en utilisant un modèle de support de type Winkler représentant l élasticité du matériau antifriction [56]. Une fois ce modèle corrélé avec l expérience, on obtient des pressions limites de rupture de film de l ordre de plusieurs dizaines de MPa. Cette limite est fonction du matériau antifriction ; par exemple, la pression maximale supportée par un métal blanc avant rupture du film d huile (SAE 10W40) est de l ordre de 15 MPa à 100 o C. De manière générale, on peut en première estimation, pour une huile standard à température inférieure à 100 o C (supérieure à la température ambiante), considérer que la pression limite pour les matériaux métalliques est de l ordre de 10 MPa alors que pour les matériaux plastiques cette limite atteint 40 voire 50 MPa. Vitesse admissible : étant donné que, dans ce régime, il y a présence d un lubrifiant liquide entre l arbre et le revêtement antifriction, la vitesse doit être limitée. En effet, celle-ci agit directement sur le taux de cisaillement du fluide, donc sur l échauffement de ce dernier. Lorsque le lubrifiant possède : une forte viscosité (graisse), la vitesse est limitée à 5 m/s ; une viscosité moyenne (huile), la limite s élève à 20 m/s ; une viscosité faible (eau), les vitesses maximales peuvent se situer autour de 100 m/s. Produit pv limite de surchauffe : la température limite est le plus souvent conditionnée par la résistance mécanique des résines, mais les risques d oxydation et de formation d acide dans le lubrifiant ne doivent pas être négligés. Ainsi, pour les résines acétals, il est nécessaire de faire fonctionner le palier à des températures inférieures à 90 o C si l on ne veut pas produire une attaque corrosive de l acétal par le lubrifiant. Au-delà, il faut des lubrifiants possédant des additifs antioxydants ou synthétiques. Avec les matériaux métalliques, c est principalement la température limite supportée par le lubrifiant qui constitue la température à ne pas dépasser. Les applications où le graissage est effectué en bain d huile peuvent avoir des valeurs de pv maximales majorées du fait de leur meilleure capacité à évacuer la chaleur. Risque d usure : l usure est très faible tant qu il ne survient pas de rupture du film de lubrifiant. Au-delà de cette condition, on n est plus en condition d usage industriel. Dans les autres cas, c est le produit pv qui détermine la vitesse d élimination du lubrifiant et donc qui détermine la durée des intervalles de graissage Préconisations sur le jeu De même que pour le fonctionnement à sec, le jeu doit prendre en compte : la dilatation préférentielle de l arbre ; la dilatation possible du palier surtout s il est en matière plastique ; en outre, il faut prévoir la circulation du lubrifiant. En lubrification à la graisse, il faut prévoir un jeu diamétral complémentaire de D /1 000 et en lubrification à l huile de 0,7 D / B Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

23 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES Lorsque l on utilise des matériaux retenant l huile par capillarité, il faut limiter le plus possible le jeu pour réduire les fuites. Les jeux conseillés sont de l ordre de 0,3 D à 0,5 D/ Nota : le jeu comme le diamètre sont exprimés en micromètres. Lorsque des arbres en acier sont employés avec des matériaux antifriction métalliques, il se produit un rodage des deux surfaces antagonistes. Dans ce cas, l état de surface de l arbre peut être de qualité modérée par rapport aux préconisations précédentes Qualité de l arbre Dans le cas de fonctionnement temporaire en régime hydrodynamique, la qualité de l arbre doit être celle décrite au paragraphe Pour les autres cas, il est recommandé de respecter les préconisations faites au paragraphe Toutefois, le fait que dans ce régime de lubrification il y ait circulation de lubrifiant favorise le passage d impuretés. On veille donc à avoir une dureté élevée de l arbre, de même que l on cherche dans la mesure du possible à protéger le palier du milieu extérieur Exemple numérique On veut réaliser un palier lisse de diamètre D = 0,04 m et de longueur L = 0,02 m capable de supporter une charge totale de N pour une vitesse de rotation de 1 tr/s. Suivant le principe de calcul précédent, nous pouvons étudier dans le tableau 7 le cas de deux matériaux, en changeant les conditions de lubrification. (0) Tableau 7 Exemples de calcul d un palier à lubrifiant liquide Charge totale W...(en N) (statique) (statique) (statique) Vitesse de rotation N... (en tr/s) Cycle arrêt-marche (pendant périodes de marche) continu continu continu diamètre D...(en m) 0,04 0,04 0,04 Palier : longueur L...(en m) 0,02 0,02 0,02 Matériau... bronze au plomb ( 4.1.3) acétal avec alvéoles ( 4.2.2) acétal sans alvéoles ( 4.1.2) Température ambiante... (en o C) Condition de lubrification... graisse graisse bain d huile Vie souhaitée...(en h) W Calcul de p : p = p = D L = 0,04 0,02 p = 40 MPa p = 40 MPa risque de rupture de film : p < 10 MPa avec les matériaux métalliques... p > 10 MPa donc solution non acceptable p < 50 MPa avec les matières plastiques p < 50 MPa p < 50 MPa p admissible (tableau 6) p admissible = 100 MPa p admissible = 100 MPa p < p admissible p < p admissible en charge statique : pas de fatigue p < p admissible en charge statique : pas de fatigue Calcul de v : v = πnd v = 3,14 1 0,04 = 0,125 m/s v = 0,125 m/s v maximale recommandée (tableau 6) > v v max < 2 m/s v max > 0,125 m/s v max > 0,125 m/s Évaluation de f (tableau 6) f = 0,05 à 0,12 soit arbitrairement f = 0,10 Calcul du pv instantané pv instantané = 40 0,125 f = 0,02 à 0,08 soit arbitrairement f = 0,06 pv instantané = 5 MPa m/s = 5 MPa m/s Calcul de pv limite de surchauffe : première approximation : pv (tableau 6) coefficient correcteur ( 1.2.1)... 1,35 0,8 = 1,08 MPa m/s 8,5 0,8 = 6,8 MPa m/s calcul plus affiné : θ admissible et estimation de : K c ( θ) 1,25 Q = LD ( 1.2.1) calcul inutile car 5 > 1,08 Arbitrairement θ = 50 o C Cas de l huile pour un arbre + logement : Q = 0,41 MW/m 2 Q /f = pv , = 6,83MPa m s 0,06 pv coefficient correcteur ( 1.2.1) ,83 0,8 = 5,46 MPa m/s donc : pv instantané < pv limite de surchauffe solution non acceptable limite Évaluation de l usure ( 4.3.1) Pratiquement pas d usure Solution... essayer un matériau à revêtement en matière plastique nécessité de passer en bain d huile solution acceptable car la légère portance hydrodynamique a diminué la charge de contact direct Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique B

24 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES 4.4 Conclusion Lorsque le graissage (huile ou graisse) est admis, on a le choix entre certains matériaux fonctionnant à sec, les matières plastiques sans aptitude particulière pour un fonctionnement à sec et les matériaux métalliques pour régime mixte. En fonctionnement à la graisse, il est souvent avantageux de retenir les produits de la première catégorie qui donnent une garantie supplémentaire en cas d élimination totale du lubrifiant, mais ils peuvent se révéler moins performants en termes de pv admissible et surtout en durée d intervalle de relubrification que les produits de la deuxième catégorie avec réserve de lubrifiant. Il peut toutefois survenir que, lors de la mise en route d une application ou pendant le cycle de fonctionnement de celle-ci, le régime de lubrification ne soit pas mixte ; il est alors très utile d avoir un matériau possédant un bas coefficient de friction. Citons, par exemple, le cas des paliers de moteur hydraulique à engrenages externes et des guides de tige d amortisseur, qui respectivement ne sont plus en régime mixte lors du démarrage du moteur, d efforts latéraux importants ou lors de l inversion du déplacement de la tige. Les matériaux métalliques ne se justifient que si l on ne veut pas faire les sacrifices suffisants en qualité d arbre et si, en contrepartie, on accepte des intervalles de graissage notablement plus réduits. En fonctionnement en bain d huile, les applications en basse pression peuvent s accommoder de matériaux métalliques à nouveau peu exigeants en qualité d arbre. Ces matériaux peuvent s imposer pour les très hautes pressions dynamiques où la fatigue est un problème, mais pour lesquelles cette pointe de pression dangereuse est absorbée par un film d huile hydrodynamique. Citons, par exemple, les bagues de pied de bielle pour moteurs à quatre temps. Cela étant, les matériaux de la première et de la seconde catégories s imposent en performances s ils ne sont pas limités en température et en corrosion. Si l on veut éviter le phénomène de stick-clip, on s en tient aux matériaux de la première catégorie. Dans le cas contraire, on adopte les matériaux de la deuxième catégorie. La possibilité de réalésage est à considérer puisque le faible taux d usure donne un sens à la recherche d un jeu initial bien contrôlé (pour maîtriser les débits de fuite à travers la bague, par exemple). 5. Matériaux antifriction pour régime hydrodynamique (M3) Ce régime de fonctionnement nécessite des propriétés particulières de la bague ou du coussinet qui sont bien souvent contradictoires. Une manière d éviter cette difficulté est d utiliser tout d abord des matériaux multicouches mais aussi des matériaux à structures multiphasiques. 5.1 Matériaux de base Étant donné la grande variété de matériaux disponibles pour ce régime, seules sont mentionnées les grandes familles de matériaux et leur propriétés spécifiques. On trouvera dans l ouvrage de Cazaud [49] une présentation plus détaillée. Compte tenu de l ancienneté des premières utilisations de matériau antifriction pour les paliers, il est intéressant de retracer un bref historique de l évolution de ceux-ci par le biais duquel sont mises en évidence les principales raisons techniques qui ont amené les fabricants de paliers à concevoir les différents types de matériaux encore disponibles actuellement. Parmi les premiers matériaux de paliers utilisés de manière industrielle, on peut citer le bronze (connu depuis l antiquité) et la fonte (principalement employée à l époque de l essor industriel anglais). Ces matériaux ont très rapidement atteint leurs limites dans les multiples applications naissantes de la révolution industrielle, en particulier pour des raisons d augmentation de charge spécifique et de vitesse. En effet, le moindre contact accidentel entre arbre et coussinet conduisait au grippage. La solution à ce problème a été obtenue grâce à l emploi de matériaux fusibles dans leur masse comme les métaux blancs. Bien que répondant de manière parfaite au problème du grippage, ces matériaux ont à nouveau rencontré leur limite d emploi lorsqu il y a environ une cinquantaine d années les pressions spécifiques dans les paliers se sont accrues, en particulier pour les paliers de bielles de moteurs thermiques où ces pressions sont devenues supérieures à 25 MPa. Il survenait alors des pertes du matériau antifriction provoquées par des phénomènes de fluage (charge trop élevée vis-à-vis de la température du matériau) ou de fatigue (charge trop élevée vis-à-vis du grand nombre de cycles de sollicitations). Étant donné qu aucune solution n était possible avec un matériau bicouche (support et antifriction) à une phase, les matériaux à deux phases ont été développés, avec : une phase fusible destinée à conserver en partie les caractéristiques antigrippage des métaux blancs ; une phase rigide ayant pour fonction de supporter la charge tout en ayant la capacité de se déformer plastiquement lors de contacts intenses afin de permettre l expugnation de la phase fusible à la surface des contacts. C est l apparition des matériaux cuproplomb et de bronze au plomb. Cependant, la faible résistance aux attaques acides du plomb, en particulier dans les applications de paliers de moteurs thermiques, a imposé le développement de matériaux tels que les alliages d aluminium-étain et les revêtements de surface résistant à la corrosion sur des cuproplombs. Ces deux développements ont été menés pour répondre plus particulièrement à l emploi de vilebrequin en fonte et en acier dans les moteurs thermiques. L évolution continuelle des conditions de fonctionnement des paliers que connaissent ces organes dans les moteurs automobiles a imposé de rechercher des solutions encore plus résistantes en termes de fatigue et d usure. C est ainsi que l on a eu recours à des dépôts sous vide d aluminium et d étain. Le procédé qui est le plus souvent choisi pour sa fiabilité est la pulvérisation cathodique sous vide assistée par magnétron, plus communément nommée sous le vocable d origine anglaise sputter. L intérêt de tels dépôts réside dans le fait que ceux-ci sont insensibles à la tribocorrosion et mécaniquement plus résistants (c est-à-dire en fatigue, en fluage et en usure) et, de plus, que l épaisseur de ces dépôts est parfaitement contrôlée par le procédé de fabrication. Le tableau 8 présente les caractéristiques de nombreux matériaux antifriction pour régime hydrodynamique, étudiés ci-après Métaux blancs Ces matériaux sont aussi dénommés régules ou Babitt, du nom de la personne qui a mis au point l un de ces alliages. Ils sont composés par des alliages à base de plomb ou d étain, renforcés par quelques cristaux formés à partir d éléments d addition tels que le cuivre ou l antimoine. Ces cristaux ont parfois été désignés sous le terme de grain porteur, en raison d une théorie qui attribuait la portance de la charge appliquée sur le palier à ces cristaux. Les principaux avantages de ces matériaux sont dus à ce que ceux-ci sont parfaitement fusibles dans leur masse et à leur excellente insolubilité dans les matériaux ferreux. Ce type de matériau est déposable par coulée centrifuge ou statique sur des supports en acier doux, en bronze ou sur fonte après traitement spécial de celle-ci. Le principal inconvénient est qu ils ne supportent pas la charge. En effet, dans le cas d applications où la pression diamétrale est de l ordre de 20 B Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

25 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES à 25 MPa, il est nécessaire d utiliser les métaux blancs sous forme de revêtements minces de l ordre de 0,05 mm. La parfaite fusibilité de ce matériau lui donne une excellente résistance au grippage, autorisant des vitesses de glissement périphériques supérieures à 100 m/s Cuproplomb et bronze au plomb Le bronze originellement utilisé à l époque de l Antiquité a été amélioré en incluant une phase tendre et fusible : le plomb. Cependant, la forte dureté de la matrice a conduit le concepteur de palier à réduire la teneur en étain afin d abaisser la résistance mécanique du bronze et de permettre ainsi l expugnation de la phase fusible lors des contacts qui déforment et échauffent le matériau. Le phénomène d exsudation du plomb est particulièrement bien mis en évidence dans les bagues de pied de bielle où les zones chaudes passent d une teinte rosée à l état neuf à une teinte grisâtre après service. Initialement produits par coulée unitaire sur de l acier doux, les cuproplombs et les bronzes au plomb sont maintenant coulés en bandes en continu sur de l acier doux ou fritté, sur un support en acier doux ou mi-dur. Le handicap des cuproplombs est le risque de la corrosion du plomb en présence d huiles oxydées. Cela a conduit au développement des revêtements électrolytiques possédant un inhibiteur de corrosion tels que les alliages plomb-étain ou plomb-indium. En version sans revêtement électrolytique, les vitesses sont généralement limitées à 10 ou 12 m/s. Des matériaux cuproplombs avec revêtements électrolytiques fonctionnent couramment avec des vitesses de l ordre de 15 à 20 m/s. Toutefois, lorsque la couche de revêtement est usée le fonctionnement devient plus délicat. Sans risque d usure du revêtement, on trouve des applications fonctionnant à plus de 40 voire 50 m/s, et ce lorsque les performances des métaux blancs se révèlent insuffisantes en fatigue Alliages aluminium-étain Initialement, ces alliages étaient produits sous forme de logements massifs. Ils se sont ensuite développés dans des versions plus tendres (dureté < 50 HB) et donc plus performantes après que le procédé de colaminage sur acier eut été mis au point (laminage et soudure à froid d une feuille d aluminium et d un feuillard d acier). Par rapport aux cuproplombs : ces alliages présentent l avantage d être insensibles aux corrosions alcalines ; il est nécessaire de déposer un revêtement électrolytique sur ces alliages à teneur d étain inférieure à 10 % ; les vitesses admises avec ce type de matériau sont du même ordre de grandeur Revêtements de surface Les revêtements de surface de faibles duretés et fusibles dans leur masse à basses températures améliorent notablement les performances de la sous-couche frottante. Cependant, certaines de ces améliorations, comme la résistance à la fatigue, sont fonction de l épaisseur du dépôt. En effet, un dépôt très mince tend à posséder les caractéristiques mécaniques du substrat alors qu un dépôt épais, à partir de 15 µm, voit ses propriétés mécaniques tendre vers les caractéristiques du revêtement seul en fonction de l augmentation d épaisseur. (0) Tableau 8 Matériaux pour régime hydrodynamique M3 Désignation (Normes ISO/DIS 4383 ou 6279) Matériaux Revêtements électrolytiques Revêtements Sputter SnSb8Cu4 PbSb10Sn6 CuPb30 CuPb24Sn CuPb24Sn4 AlSn40 AlSn20Cu AlSn6CuNi PbSn10Cu2 PbSn10 PbIn10 AlSn40 ( 5.1.1) ( 5.1.2) ( 5.1.3) ( 5.1.4) ( 5.1.4) Support acier acier acier acier acier acier acier massif Composition chimique (% en masse) : Sn... reste 5 à 7 0,6 à 2 3 à 4,5 35 à 40 17,5 à 22,5 5,5 à 7 8 à 12 8 à à 42 Sb... 7 à 8 9 à 11 Cu... 3 à 4 reste reste reste 0,35 à 0,50 0,7 à 1,3 0,7 à 1,3 1 à 3 Pb... reste 26 à à à 27 reste reste reste Al... reste reste reste reste Ni... 0,7 à 1,3 In... 8 à 12 Pourcentage (en volume) de la phase fusible Température de fusion de la phase fusible...( o C) Dureté...(HB) 17 à à à à à à à à 20 Capacité de charge relative en régime statique, sans revêtement électrolytique. 1,00 1,00 0,65 0,60 0,40 0,80 0,70 0,40 1,00 1,00 1,00 1,00 Résistance relative en fatigue... 1,00 1,00 2,60 3,40 4,20 1,70 2,60 2,60 suivant épaisseur Généralement employé avec un revêtement électrolytique... non non oui oui oui non non oui ou non Arbres déconseillés ( 2)... D ; M1 D ; M1 A1 ; F A1 ; F A1 ; A2 ; F R1 ; D R1 ; D A1 ; R1 D ; M1 D ; M1 D ; M1 M1 M1 D ; M1 à adapter en fonction de la sous-couche Exemple d application palier palier de 1) en charge statique : palier turbine palier de laminoir intermédiaire de distribution pompes à engrenages pression...(mpa) vitesse...(m/s) à 3 2) en charge dynamique : coussinets de moteurs automobiles pression...(mpa) vitesse...(m/s) Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique B

26 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES Trois types principaux de dépôts sont utilisés : les dépôts d étain : afin de profiter au mieux des propriétés du substrat, on procède à des dépôts d étain par voie chimique ou électrolytique, d une épaisseur de 1 à 2 µm sur les coussinets à base d alliages aluminium-étain. Ce type de revêtement est le plus souvent utilisé pour favoriser les premières périodes de démarrage du palier ; les dépôts à base de plomb : ces dépôts sont en général obtenus par voie électrolytique. Initialement, ils ont été développés pour protéger les matériaux de type cuproplomb de la corrosion. Ce revêtement confère au substrat des propriétés antifriction nettement améliorées, en particulier le coefficient de friction, l incrustabilité, la résistance au grippage du fait de la fusibilité du revêtement, la résistance à la fatigue en raison de l uniformisation qu il peut donner au champ de pression. Les principaux éléments qui rentrent dans la composition de ce type de revêtement sont, hormis le plomb, l étain (jusqu à 20 %), l indium (jusqu à 12 %) et le cuivre (jusqu à 10 %). L emploi de tels revêtements se fait sur des substrats de type cuproplomb, bronze au plomb et alliages d aluminium à haute résistance. La tendance actuelle est d introduire des particules dures dans le revêtement afin que celles-ci puissent roder la surface de l arbre. les dépôts d aluminium-étain : ces dépôts sont obtenus par pulvérisation magnétique sous vide le plus souvent assistée par magnétron ; ils ont été développés récemment pour répondre aux exigences d applications particulièrement chargées, en particulier sur les paliers de bielle de moteurs diesels turbocompressés. Bien que non totalement fusibles dans la masse, ils présentent les avantages : d être mécaniquement plus résistants que les revêtements électrolytiques, d être non affectés par les phénomènes de tribocorrosion de type acide. Cela se traduit aussi par une moindre résistance au grippage, une faible conformabilité mais, par contre, une meilleure résistance à la fatigue, à l usure, à la cavitation et la corrosion. 5.2 Détermination d un palier en régime hydrodynamique Les calculs de lubrification en régime hydrodynamique se font par résolution d une équation aux dérivées partielles de type elliptique l équation de Reynolds qui, dans le cas général, ne peut se faire que par des méthodes numériques de type éléments finis, volumes finis, différences finies. Nous invitons le lecteur à se reporter à l article Butées et paliers hydrodynamiques [B 5 320] de ce traité ou à l un des ouvrages de base sur le sujet [53]. Du fait de la pluralité et de la complexité des phénomènes mis en jeu dans le fonctionnement du palier, il est nécessaire dans l étude de celui-ci d utiliser le plus possible des corrélations déjà validées entre calcul et expérience Charge et vitesse acceptables La phase la plus délicate du calcul consiste à définir l épaisseur minimale du film d huile au cours du cycle de sollicitations du palier et la température du film d huile dont dépendent directement les caractéristiques précédentes et les performances du matériau Préconisations sur le jeu Le jeu est un paramètre important dans le fonctionnement du palier. Il intervient par plusieurs aspects qui sont : le débit d huile et la consommation de puissance, d où découlent la température du film d huile et donc la viscosité du fluide : un fort jeu est souhaitable pour diminuer les échauffements ; la convergence du palier et la portance hydrodynamique du palier : un jeu faible favorise la portance. À partir de ces deux aspects, un certain compromis est à trouver sur la valeur du jeu. Il y a lieu également de prévoir du jeu pour la dilatation préférentielle de l arbre. De même, les phénomènes de bruit et de cavitation sont conditionnés par le jeu dans le palier. La définition optimale du jeu n est pas chose aisée ; toutefois, la sensibilité du palier au jeu est relativement faible jusqu à des vitesses périphériques d arbre de 15 m/s. Dans cette plage, un jeu ayant pour valeur 0,75 D /1 000 donne en général de bons résultats. Nota : le jeu comme le diamètre sont exprimés en micromètres Qualité de l arbre L épaisseur de film minimale que peut accepter le palier doit prendre en compte de nombreux paramètres tels que les défauts d alignement et les déformations thermiques, mais aussi les défauts géométriques de l arbre ; elle doit être inférieure à l épaisseur de film minimale calculée afin d éviter tout risque de contact entre les surfaces antagonistes. Plus l épaisseur de film calculée est faible, plus il convient de se montrer exigeant en ce qui concerne ces paramètres. En pratique, dans les applications très chargées, on calcule des épaisseurs de film minimales submicroniques qui sont du même ordre de grandeur que la rugosité de l arbre, en particulier si celui-ci a une rugosité Ra = 0,4 µm. Il est à noter qu un rodage de l arbre peut se produire et il est souhaitable de faire une mise en charge progressive lors de la mise en service de l application. Le rodage n est pourtant efficace que si le revêtement présente, relativement à l arbre, une dureté assez élevée localement, comme c est le cas avec des particules dures incluses dans le revêtement Exemple numérique Il nous est impossible de donner un exemple numérique qui mette l accent sur tous les aspects importants de la démarche dans le choix d un matériau antifriction en régime hydrodynamique. En revanche, les indications fournies précédemment permettent, pour l étude d un palier ayant subi des dommages, d établir les axes d améliorations à suivre pour éviter le renouvellement de l avarie. 6. Matériaux pour conditions particulières En plus des différents types de fonctionnement précédents, il existe des applications spécifiques qui nécessitent une attention particulière. Citons pour mémoire les suivantes. 6.1 Applications sous vide Le fonctionnement d un palier sous vide implique dans la plupart des cas l absence de liquide et donc l impossibilité de régime de type hydrodynamique, de même que la présence de lubrifiant liquide ou semi-fluide tel que la graisse. La solution consiste donc à utiliser des lubrifiants solides, dont les principaux constituants sont le PTFE, le graphite et le bisulfure de molybdène ( ). Les deux principaux procédés de réalisation de palier sont : la déposition de matériaux antifriction par marouflage, par vernis de glissement ou mieux, pour les applications très sévères, par dépôt sous vide du lubrifiant solide (en particulier, pulvérisation magnétique) ; B Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique

27 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES l emploi de produits à lubrifiants solides déjà mis en forme ; on trouve des bagues à base de PTFE dans des engins spatiaux ou plus couramment dans des vannes où des pressions de l ordre de 10 4 à 10 5 Pa sont atteintes. Toutefois, l emploi de telles solutions reste limité à des cas faiblement chargés, c est-à-dire des applications où le produit pv reste faible ( 0,02 MPa). Cette limitation tient au fait que la faible possibilité d évacuation thermique sous vide impose un circuit annexe et étanche pour le refroidissement du palier. Pour contourner cette difficulté, on utilise des roulements ou des paliers magnétiques (cf. articles spécialisés dans ce traité). 6.2 Basses températures Du fait de la solidification qui survient dans les huiles et les graisses aux environs de 40 o C (voire 60 o C pour certaines huiles particulières), il est nécessaire d employer des matériaux à lubrifiants solides. L avantage que l on peut noter par rapport aux applications sous vide est la meilleure dissipation thermique que procure cette situation. On peut citer par exemple le cas de certains paliers de vanne en présence d oxygène ou d azote liquide équipés de bagues à base de PTFE. 6.3 Hautes températures Au-delà de 150 à 180 o C, les lubrifiants classiques se dégradent. Des lubrifiants de synthèse tels que les fluides à base de silicone peuvent être utilisés (jusque vers 270 o C), mais leurs propriétés lubrifiantes sont modérées. Les graisses de qualité courante sont valables suivant leur nature jusqu à des températures de 60 o C (savon de calcium) et 150 o C (savon de lithium) ; des graisses spéciales peuvent atteindre 260 o C. Pour plus d information, on pourra se reporter aux articles [B 5 348] [BM 5 341] [B 5 340] dans ce traité. Au-delà de 260 o C, on est ramené au seul emploi de lubrifiants solides tels que le graphite ou le bisulfure de molybdène. Il existe même des lubrifiants à structure lamellaire tels que le biséléniure de niobium ou le biséléniure de tungstène qui conservent de bonnes propriétés lubrifiantes jusque vers o C. Dans des applications très spéciales, on peut obtenir le régime hydrodynamique sur des métaux fondus tels que le sodium, le potassium, le lithium ou le mercure. Il faut alors des arbres très durs, par exemple en carbure de tungstène. Une autre solution à adopter lorsque les charges sont faibles est l emploi de paliers à gaz hydrodynamiques ou hydrostatiques (cf. articles spécialisés dans ce traité). 6.4 Applications fonctionnant dans l eau résine thermodurcissable, sachant que ces derniers donnent en présence d eau de très bas coefficients de friction. Parmi les applications les plus courantes, citons les paliers de laminoir en résine phénolique lubrifiés à l eau et les paliers en bronze massif d étambot d arbre d hélice de bateau (palier hydrodynamique de type infiniment long). 6.5 Applications supportant des matériaux durs L usage de matériaux durs tels que le carbure de tungstène ou la céramique se développe, par exemple, pour les butées d arbres à grande vitesse et faible charge. Le carbure de tungstène qui présente un coefficient de friction de l ordre de 0,1 en présence des lubrifiants a donc une affinité raisonnable pour ceux-ci. Il bénéficie d une bonne conductivité thermique et d un faible coefficient de dilatation. C est toutefois sa dureté qui constitue le principal avantage dans les applications où des abrasifs sont présents. Il accepte des températures élevées jusque vers 550 o C. Compte tenu de son manque de fusibilité, il ne peut pas être employé dans des applications hydrodynamiques à haut pv (50 MPa m/s). Dans le même ordre d idées, pour les applications à très faibles pv et en présence d abrasifs, on peut citer l emploi conjoint de bagues et arbres en acier trempé (exemple des articulations de godet d engins de terrassement). 7. Conclusion Dans cet article, le palier lisse est considéré sous différents angles mais ceux-ci ne sont pas exhaustifs. Le lecteur désireux d aborder ou de traiter un problème de paliers lisses dans un cas particulier, par exemple en milieu alimentaire, devra prendre contact avec les spécialistes. Cependant, pour tous les cas standards, le tableau 9, très utilisé en pratique, donne une bonne synthèse des différentes possibilités d emploi des matériaux antifriction en fonction des régimes de fonctionnement du palier. (0) L évolution des techniques industrielles et la recherche constante de la réduction de consommation d énergie accroissent l importance de la tribologie et plus particulièrement l emploi de matériaux antifriction. Actuellement, les technologies de dépôts sous vide connaissent un véritable essor grâce au contrôle du procédé, à la maîtrise aisée des effluents et à la possibilité d emploi de matériaux non polluants. Des matériaux tels que le DU (et ses équivalents), des dépôts de haute technicité (MoS x par PVD, par exemple), seront des composants antifriction encore plus couramment utilisés qu actuellement. Du fait des phénomènes de corrosion qui surviennent en milieu aqueux, on cherche à utiliser des matériaux non corrodables à lubrifiants solides, des matériaux de type polyuréthane ou de type Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique B

28 MATÉRIAUX POUR PALIERS LISSES Tableau 9 Choix des matériaux en fonction des régimes de lubrification B Techniques de l Ingénieur, traité Génie mécanique