Atteindre des performances et une fiabilité élevées dans les roulements de précision à grande vitesse : traitement de surface avancé et dimensionnel

Le durcissement de surface et la stabilisation dimensionnelle sont des processus critiques dans la fabrication de roulements de précision à grande vitesse, largement utilisés dans l'aérospatiale, la robotique, les dispositifs médicaux et les machines-outils. Ces processus améliorent la résistance des roulements à l'usure, à la fatigue et à la déformation à des vitesses de rotation élevées (par exemple, valeurs *d*m*n* supérieures à 1,0×10⁶ mm·r/min) et dans des conditions de fonctionnement extrêmes. En combinant des traitements thermiques avancés, des revêtements de surface et des techniques de renforcement mécanique, les fabricants obtiennent une durée de vie prolongée, une friction réduite et une précision maintenue dans des applications exigeantes. Cet article examine les méthodologies, les mécanismes sous-jacents et les mises en œuvre industrielles de ces processus, en s'appuyant sur des recherches évaluées par des pairs et des normes industrielles.

1. Techniques de durcissement de surface

Le durcissement de surface améliore la dureté et la résistance à l'usure des composants de roulement tout en conservant un cœur résistant et tenace à la rupture. Les principales méthodes comprennent :

1.1. Traitements thermochimiques

Cémentation et carbonitruration : Ces processus diffusent du carbone ou du carbone-azote dans les surfaces en acier à faible teneur en carbone à des températures élevées (par exemple, 850–950 °C), formant une couche durcie (0,5–2 mm de profondeur) avec des contraintes de compression résiduelles. Les applications incluent les roulements de boîte de vitesses soumis à des chocs.

Effectuer à la plage de contrainte hertzienne (charge unitaire) de 50 à 600 MPa, comparer le comportement tribologique du même acier à faible teneur en carbone et à faible alliage 1HGT après deux traitements thermochimiques différents, la nitruration et la cémentation.

Nitruration : En utilisant de l'ammoniac ou du plasma, la nitruration crée une couche dure et résistante à l'usure (par exemple, couche de 10 µm de FeS via sulfuration ionique à basse température) sans transformations de phase, minimisant la distorsion. Ceci convient aux bagues de roulement à parois minces.

1.2. Revêtements et dépôts de surface

Revêtements de carbone amorphe (DLC) : Les revêtements DLC (par exemple, W-aC:H) présentent une dureté élevée (1 200+ HV), un faible frottement (comparable au PTFE) et des propriétés autolubrifiantes. Ils réduisent l'usure dans les contacts mixtes de roulement-glissement et assurent une lubrification d'urgence en cas de manque d'huile transitoire. SKF utilise des roulements revêtus de DLC dans les compresseurs et les systèmes automobiles pour prolonger la durée de vie en cas de lubrification limite.

Dépôt physique en phase vapeur (PVD) : Les revêtements céramiques comme TiN ou CrN déposés par PVD améliorent la résistance à la fatigue de contact. Par exemple, les revêtements TiC/a-C:H sur les billes de roulement réduisent le couple et atténuent les dommages induits par les débris.

1.3. Traitements mécaniques de surface

Modification de surface nanocristalline par ultrasons (UNSM) : Cette technique utilise des impacts à fréquence ultrasonore pour induire une déformation plastique sévère, affinant les grains de surface à des échelles nanocristallines. Des études rapportent une augmentation de 70,1 % de la durée de vie à la fatigue des roulements à aiguilles après UNSM en raison d'une dureté de surface plus élevée (de 58 à 62 HRC), d'une rugosité réduite (Ra 0,550 µm à 0,149 µm) et de l'introduction de contraintes résiduelles de compression.

Durcissement au laser : Le chauffage localisé avec des lasers crée des microstructures martensitiques fines sur les pistes de roulement, minimisant la distorsion thermique.

2. Processus de stabilisation dimensionnelle

La stabilisation dimensionnelle atténue les changements géométriques causés par la relaxation des contraintes résiduelles, les fluctuations de température ou les transformations de phase. Les méthodes comprennent :

2.1. Traitements thermiques

Recuit de stabilisation : Les roulements sont chauffés à 200–300 °C pendant plusieurs heures pour soulager les contraintes d'usinage. Pour les applications à haute température (par exemple, aérospatiale), le recuit cyclique entre –70 °C et 150 °C simule les conditions de fonctionnement pour anticiper les changements dimensionnels.

Traitement cryogénique : Le refroidissement des composants à –80 °C transforme l'austénite résiduelle en martensite, réduisant l'instabilité dimensionnelle à long terme. Ceci est essentiel pour les roulements en céramique en nitrure de silicium utilisés dans les broches à grande vitesse.

2.2. Sélection et conception des matériaux

Aciers pour roulements : Les alliages comme M50 ou Cronidur® 30 offrent une résistance élevée au revenu et une stabilité dimensionnelle à la chaleur. L'acier SHX de NSK permet des valeurs *d*m*n* allant jusqu'à 3 millions en combinant la stabilité thermique et la résistance à l'usure.

Roulements céramiques hybrides : Les billes en nitrure de silicium (Si₃N₄) présentent une densité plus faible, une dilatation thermique réduite et une rigidité plus élevée que l'acier, minimisant les forces centrifuges et la croissance thermique à grande vitesse.

3. Améliorations des performances et effets synergiques

La combinaison du durcissement de surface et de la stabilisation donne des avantages multiplicatifs :

Durée de vie à la fatigue :L'UNSM avec des revêtements DLC augmente la durée de vie à la fatigue de plus de 70 % dans les roulements à rouleaux.

Réduction du frottement et de la chaleur :Les surfaces DLC polies réduisent le couple de traînée, tandis que les micro-dents générées par UNSM améliorent la rétention du lubrifiant.

Résistance à la corrosion et à l'érosion électrique :Les revêtements isolants (par exemple, à base d'alumine ou de polymère) empêchent le passage du courant dans les moteurs de véhicules électriques.

4. Applications industrielles et études de cas

Aérospatiale et robotique : Les roulements hybrides avec des bagues revêtues de DLC et des billes en Si₃N₄ supportent *d*m*n* > 2,2 millions dans les moteurs de turbines.

Machines-outils : La série ROBUSTDYNA™ de NSK utilise un traitement thermique optimisé et des billes en céramique plus grandes pour obtenir une résistance aux chocs supérieure de 30 % et une capacité de charge supérieure de 15 %.

Dispositifs médicaux : Les roulements en acier inoxydable stabilisés par traitement cryogénique maintiennent la précision dans les robots chirurgicaux.

5. Tendances émergentes

Revêtements intelligents : Des capteurs intégrés dans les revêtements surveillent l'état des roulements en temps réel.

Procédés écologiques : La carburation électrolytique au plasma à basse température réduit la consommation d'énergie de 40 % par rapport aux méthodes conventionnelles.

Modélisation multi-échelle : L'analyse par éléments finis prédit la distribution des contraintes résiduelles après UNSM ou dépôt de revêtement.