Résistance à l'usure des billes de roulement sous forte charge avec un tribomètre

Un roulement à billes utilise des billes pour réduire le frottement de rotation et supporter des charges radiales et axiales. Les billes qui roulent entre les bagues produisent un coefficient de frottement (COF) bien plus faible que deux surfaces planes glissant l'une contre l'autre. Les roulements à billes sont souvent soumis à de fortes contraintes de contact, à l'usure et à des conditions environnementales extrêmes comme les hautes températures. La résistance à l'usure des billes sous forte charge et en conditions extrêmes est donc essentielle pour prolonger la durée de vie du roulement et réduire le coût et le temps des réparations et remplacements.

On trouve des roulements à billes dans presque toutes les applications comportant des pièces mobiles. Ils sont couramment utilisés dans les transports, comme l'aéronautique et l'automobile, ainsi que dans l'industrie du jouet, qui fabrique par exemple des hand spinners et des skateboards.

Les roulements à billes peuvent être fabriqués dans de très nombreux matériaux. Les plus courants vont des métaux, comme l'acier inoxydable et l'acier au chrome, aux céramiques comme le carbure de tungstène (WC) et le nitrure de silicium (Si₃N₄). Pour s'assurer que les roulements fabriqués ont la résistance à l'usure requise par les conditions de l'application, des évaluations tribologiques fiables sous forte charge sont nécessaires. Les essais tribologiques permettent de quantifier et de comparer le comportement en usure de différents roulements de façon contrôlée et suivie, afin de choisir le meilleur candidat pour l'application visée.

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Le coefficient de frottement (COF) et la résistance à l'usure des billes de roulement en différents matériaux ont été évalués avec un tribomètre NANOVEA. Un papier abrasif de grain P100 a servi d'antagoniste. Les calottes d'usure des billes ont été examinées avec un profilomètre 3D sans contact NANOVEA à la fin des essais. Les paramètres d'essai sont résumés dans le Tableau 1. Le taux d'usure, K, a été calculé avec la formule K = V/(F × s), où V est le volume usé, F la charge normale et s la distance de glissement. Les calottes d'usure des billes ont été évaluées avec un profilomètre 3D sans contact NANOVEA pour garantir une mesure précise du volume d'usure.

La fonction de positionnement radial motorisé automatique permet au tribomètre de réduire le rayon de la trace d'usure pendant l'essai. Ce mode, appelé essai en spirale, garantit que la bille glisse toujours sur une surface neuve du papier abrasif (Fig. 2). Il améliore nettement la répétabilité de l'essai de résistance à l'usure de la bille. Le codeur 20bit avancé pour le contrôle interne de la vitesse et le codeur 16bit pour le contrôle externe de la position fournissent en temps réel des informations précises de vitesse et de position, ce qui permet d'ajuster en continu la vitesse de rotation pour obtenir une vitesse de glissement linéaire constante au contact.

Notez que le papier abrasif de grain P100 a été utilisé pour simplifier le comportement en usure des différents matériaux de bille dans cette étude ; il peut être remplacé par toute autre surface. Tout matériau solide peut être utilisé pour simuler les performances d'un large éventail de couples de matériaux dans les conditions réelles d'application, par exemple en milieu liquide ou lubrifié.

Le taux d'usure est un facteur clé de la durée de vie d'un roulement à billes, tandis qu'un COF faible est souhaitable pour améliorer ses performances et son rendement. La Fig. 3 compare l'évolution du COF des différentes billes contre le papier abrasif pendant les essais. La bille en acier au chrome présente un COF accru d'environ 0,4 pendant l'essai, contre environ 0,32 et 0,28 pour les billes SS440 et Al₂O₃. La bille WC, elle, présente un COF constant d'environ 0,2 tout au long de l'essai. Des variations visibles du COF apparaissent dans chaque essai ; elles sont dues aux vibrations causées par le glissement des billes sur la surface rugueuse du papier abrasif.

Les Fig. 4 et Fig. 5 comparent les calottes d'usure des billes mesurées respectivement au microscope optique et au profilomètre optique sans contact NANOVEA, et le Tableau 2 résume les résultats de l'analyse. Le profilomètre 3D NANOVEA détermine précisément le volume d'usure des billes, ce qui permet de calculer et de comparer leurs taux d'usure. On observe que les billes en acier au chrome et SS440 présentent des calottes d'usure aplaties bien plus grandes que les billes en céramique, c'est-à-dire Al₂O₃ et WC, après les essais. Les billes en acier au chrome et SS440 ont des taux d'usure comparables, de 3,7×10⁻³ et 3,2×10⁻³ mm³/N·m respectivement. En comparaison, la bille Al₂O₃ montre une meilleure résistance à l'usure, avec un taux de 7,2×10⁻⁴ mm³/N·m. La bille WC ne présente que de légères rayures sur une zone d'usure peu profonde, d'où un taux d'usure nettement plus faible de 3,3×10⁻⁶ mm³/N·m.

La Fig. 6 montre au microscope les traces d'usure laissées sur le papier abrasif par les quatre billes. Il est évident que la bille WC a produit la trace la plus sévère (en arrachant presque toutes les particules de sable sur son passage) et possède la meilleure résistance à l'usure. En comparaison, les billes en acier au chrome et SS440 ont laissé une grande quantité de débris métalliques sur la trace du papier abrasif.

Ces observations confirment l'intérêt de l'essai en spirale. Il garantit que la bille glisse toujours sur une surface neuve du papier abrasif, ce qui améliore nettement la répétabilité de l'essai de résistance à l'usure.

La résistance à l'usure des billes de roulement sous forte pression joue un rôle essentiel dans leurs performances en service. Les billes en céramique offrent une résistance à l'usure nettement supérieure sous fortes contraintes et réduisent le temps et le coût liés à la réparation ou au remplacement des roulements. Dans cette étude, la bille WC présente une résistance à l'usure bien supérieure à celle des billes en acier, ce qui en fait un candidat idéal pour les roulements soumis à une usure sévère.

Un tribomètre NANOVEA est conçu avec un couple élevé pour des charges jusqu'à 2000 N et un moteur précis et contrôlé pour des vitesses de rotation de 0,01 à 15 000 rpm. Il offre des essais d'usure et de frottement répétables en modes rotatif et linéaire conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules optionnels d'usure à haute température et de lubrification dans un seul système pré-intégré. Cette gamme inégalée permet de simuler différents environnements de travail sévères des roulements à billes, dont les fortes contraintes, l'usure et les hautes températures. C'est aussi un outil idéal pour évaluer quantitativement le comportement tribologique de matériaux très résistants à l'usure sous forte charge.

Un profilomètre 3D sans contact NANOVEA fournit des mesures précises du volume d'usure et permet d'analyser en détail la morphologie des traces d'usure, apportant des éclairages supplémentaires sur la compréhension fondamentale des mécanismes d'usure.