L'utilisation d'aciers pour roulements et de traitements de surface spécifiques à l'application permet d'augmenter considérablement la fiabilité des roulements, ce qui contribue à son tour à la réduction du TCO des machines et des équipements (coût total de possession).
Pour les roulements hautes performances, la sélection et l'optimisation des matériaux (acier) joue un rôle central dans leur développement. Pour cette raison, l'ingénierie des matériaux est l'une des quatre principales technologies de recherche et développement de NSK.
Une combinaison d'un alliage spécial et d'un traitement thermique spécifique a été utilisée pour développer l'acier Super Tough de NSK
Pureté du matériau
La résistance à la fatigue des aciers alliés pour roulements tels que le 100 Cr6 (ou SUJ2 dans la norme japonaise), par exemple, dépend principalement de la teneur en inclusion. Les inclusions oxydées ou non métalliques en particulier, favorisent des effets négatifs sous la surface du chemin de roulement. A titre d'exemple, on sait que les inclusions d'oxyde d'aluminium, qui sont formées par le processus d'oxydation lors de la fusion, peuvent conduire à une réduction importante de la résistance à la fatigue des roulements. Cet effet est créé parce que les inclusions d'oxyde d'aluminium sont relativement dures et peuvent se briser lorsque l'acier est en cours de traitement, par exemple pendant le forgeage. Lors de la rupture, les inclusions rétrécissent et affaiblissent la microstructure.
Les roulements rigides à billes BNEQARTET sont utilisés dans les entraînements de machines électriques telles que les appareils ménagers
En partenariat avec un fabricant d'acier leader, NSK a développé des matériaux comme l'acier Z, l'acier EP et le BNEQUARTET pour éviter ce type d'effet négatif. Certains de ces matériaux sont fabriqués à l'aide de procédés de fusion spéciaux qui réduisent la teneur en matières non métalliques et prolongent la durée de vie en fatigue.
Traitement thermique spécifique à l'application
Le traitement thermique est un autre paramètre qui impacte les caractéristiques spécifiques des aciers et par conséquent affecte également les roulements. C'est pourquoi des matériaux tels que l'acier SHX de NSK sont soumis à un traitement spécifique à la chaleur, particulièrement résistant à l'usure à des températures de fonctionnement élevées. Des roulements de ce type sont nécessaires non seulement là où la chaleur est présente en tant que partie inhérente du processus, mais dans des applications telles que les machines-outils, où des vitesses de broche rapides génèrent des températures élevées dans les composants d'entraînement.
Au cours du développement, les caractéristiques de l'acier SHX ont été prouvées au moyen de tests complets de résistance à l'usure, y compris des tests à quatre billes et à rouleaux, ainsi que des tests de résistance à la fatigue des matériaux et de la surface.
Motif de dommage typique: zones de gravure blanches sous la surface du matériau
La différence réside dans l'alliage
Le troisième paramètre dans la recherche d'une plus grande fiabilité des roulements est l'alliage. Les alliages peuvent empêcher, ou du moins minimiser, la formation de fissures dans la microstructure du roulement. Toujours en collaboration avec des fabricants d'acier, NSK a développé divers alliages spéciaux pour ce profil d'application.
Roulements à rouleaux cylindriques brunis à quatre rangées utilisés comme paliers planétaires intégrés dans les éoliennes
Des matériaux tels que l'acier Super Tough de NSK proviennent de la combinaison d'un traitement thermique optimal avec un alliage spécial (Image1). Par exemple, le durcissement des aciers par un procédé tel que la carbonitruration augmente la durée de vie d'un facteur deux par rapport à la durée de vie estimée dans des conditions de lubrification contaminées. Dans les environnements où le lubrifiant contient des impuretés normales, la durée de vie du roulement peut même être augmentée d'un facteur 10. La raison de cette performance améliorée est que l'usure induite par la surface causée par une lubrification insuffisante ou une contamination du lubrifiant est considérablement réduite. À son tour, tout dommage potentiel causé par des «fissures de gravure blanche» (WEC) est retardé.
Exemple 1
Le développement de nouveaux matériaux répond généralement à des tendances industrielles ou à des changements dans les exigences de l'application. C'était le cas de la technologie BNEQUARTET, que NSK a introduite pour la première fois il y a deux ans (Image2). BNEQUARTET a été initialement créé en réponse à l'augmentation constante de la taille des tambours de lavage. Les roulements rigides à billes que l'on trouve fréquemment dans les lave-linge à chargement frontal à travers l'Europe sont soumis à des charges inégales et asymétriques. Avec l'augmentation des tailles de tambour, des charges de lavage plus élevées imposent des exigences encore plus grandes aux roulements.
Avantages du Super-TF lors de l'utilisation avec un lubrifiant contaminé
En réponse, les experts en matériaux de NSK ont entrepris d'améliorer la composition de l'alliage d'un acier spécial qui empêche la formation de fissures et d'indentations dans les chemins de roulement et, surtout, les empêche de se propager. De plus, cet acier particulier est particulièrement pur. L'ensemble des mesures appliquées dans la technologie BNEQARTET a permis de doubler la durée de vie des roulements sous des charges élevées et dans des conditions environnementales défavorables.
Exemple 2
Un autre exemple de développement de matériaux orienté application provient de la technologie des éoliennes. Ici, des dommages aux roulements sous forme de WEC peuvent survenir sous la surface du matériau (Image3). Ces structures blanches de ferrite cassante, qui sont formées par des changements dans la microstructure, peuvent être observées dans des sections transversales gravées et polies du matériau. Les structures modifiées ne sont plus capables de résister aux fortes charges appliquées. Les WEC se forment et s'étalent, ce qui entraîne des défauts de surface tels que des piqûres ou des WSF (écaillage de la structure blanche).
Les composants céramiques et les revêtements pour roulements sont un domaine de recherche supplémentaire chez NSK
Les scientifiques n'ont jamais été en mesure d'expliquer pleinement les raisons du WEC. La pensée actuelle suppose que les conditions sont causées par les effets de l'interaction des composants au sein du groupe motopropulseur. Ceux-ci incluent la dynamique, la friction mixte, les charges / courants électriques, les facteurs chimiques, les mouvements de glissement / glissement et la diffusion d'hydrogène.
Développer des contre-mesures
Grâce au succès de la réplication du WEC en laboratoire, NSK a par la suite pu développer des contre-mesures qui incluent le brunissage des aciers pour roulements durcis à la martensite, ainsi que d'autres matériaux spécifiques (Image4). Il a été démontré que ce processus supplémentaire retarde considérablement la survenue des dommages causés par le WEC.
Une autre méthode efficace pour réduire la probabilité d'endommagement du WEC est l'utilisation de bagues de roulement en acier résistant de NSK. En utilisant cette combinaison de matériau et de traitement de surface, la capacité de charge dynamique peut généralement être améliorée de 23%, ce qui dans les roulements équivaut à un doublement de la durée de vie en fatigue.
Réduire les dommages du WEC
En ce qui concerne l'usure de surface due à une mauvaise lubrification ou à un lubrifiant contaminé, celle-ci est considérablement réduite avec l'utilisation de roulements STF (Image5), tandis que les dommages potentiels au WEC sont retardés. Une série de tests NSK a montré que le délai avant l'apparition des dommages était doublé.
Une autre stratégie avantageuse consiste à utiliser des bagues de roulement en «Anti-White Structure-Tough» (AWS-TF), un matériau NSK propriétaire qui a été développé spécifiquement pour éviter les dommages WEC. Dans une série d'essais extensifs, la durée de vie des bagues de roulement en acier conventionnelles a été mesurée jusqu'au moment où WECdamage a été détecté. Ensuite, la série de tests a été répétée avec AWS-TF. Après huit fois plus de durée de vie que les bagues de roulement en acier conventionnelles, aucune WEA (zones de gravure blanche) n'a été détectée dans le matériau.
Plastiques et céramiques
Le développement des matériaux chez NSK ne concerne pas uniquement l'acier. Les matières plastiques, ainsi que les métaux non ferreux comme le laiton, sont également testés afin d'apporter des améliorations précisément ciblées aux caractéristiques des cages.De plus, la céramique et les revêtements céramiques (Image6) jouent un rôle croissant lorsque des ajustements sont nécessaires aux propriétés de conductivité électrique des roulements et leur résistance à l'usure. À ce sujet, NSK a récemment introduit un développement céramique appelé HDY2, qui présente des caractéristiques d'isolation et de conductivité thermique optimisées.
Enfin, un autre domaine d'intérêt pour le développement des matériaux concerne les lubrifiants. La tribologie est une corecompétence distincte dans l'organisation de recherche et développement de NSK, aux côtés de la technologie des matériaux.