Quelles sont les principales limitations de performances des roulements en acier inoxydable dans les applications à charge élevée ou à vitesse élevée

Roulements en acier inoxydable sont largement utilisés dans des applications spécialisées telles que la transformation des aliments, les équipements médicaux et l'ingénierie maritime en raison de leur excellente résistance à la corrosion. Cependant, lorsqu'ils sont utilisés sous des charges extrêmes ou des vitesses élevées, les propriétés matérielles inhérentes aux roulements en acier inoxydable, en particulier la nuance d'acier inoxydable martensitique AISI 440C, limitent leurs performances.

I. Limites des applications à charges élevées : fatigue et fragilité

1. Capacité de charge et durée de vie en fatigue de contact

Bien que les roulements en acier inoxydable AISI 440C puissent atteindre une dureté élevée (généralement 58-60 HRC) grâce à un traitement thermique, offrant une excellente résistance à l'usure, ils sont toujours à la traîne des aciers pour roulements au chrome à haute teneur en carbone standard (tels que GCr15/52100) en termes de performances de base.

Capacité de charge dynamique : La charge dynamique de l’acier 440C est généralement inférieure à celle de l’acier 52100. Cela est principalement dû à la teneur élevée en chrome de l'acier 440C, qui forme une grande quantité de carbures. Ces particules de carbure, réparties dans la matrice, peuvent devenir des sources de fissures dans les zones de concentration de contraintes, affectant la pureté interne et l'uniformité de l'acier.

Résistance à la fatigue de contact : dans des conditions de charge élevées, les chemins de roulement sont soumis à des contraintes hertziennes extrêmement élevées. Lorsqu'il est soumis à des contraintes de contact élevées et répétées, la durée de vie en fatigue par contact de roulement de l'acier 440C est inférieure à celle de l'acier 52100. Cela signifie que dans les mêmes conditions de charge, la durée de vie attendue (L10) d'un roulement 440C est considérablement réduite.

2. Robustesse et résistance aux chocs

440C est un acier inoxydable martensitique typique. Sa dureté élevée se fait au détriment de la ténacité.

Tendance à la fragilité : en raison de sa teneur élevée en carbone, le 440C a une structure relativement fragile après durcissement. Dans les applications soumises à des charges de choc ou à de fortes vibrations, ce matériau est plus sensible à la rupture fragile ou à l'effritement des chemins de roulement, en particulier dans les zones de concentration de contraintes.

Résistance à l'indentation : malgré sa dureté élevée, le 440C peut ne pas être aussi résistant au Brinelling que les aciers alliés spécialement traités lorsqu'il est soumis à des charges statiques ou d'impact soudaines, affectant sa précision géométrique sous des charges élevées.

II. Défis de performances dans les applications à grande vitesse : augmentation de la température et stabilité dimensionnelle

1. Dissipation thermique et limites de température de fonctionnement

Lors d'un fonctionnement à grande vitesse, la friction à l'intérieur du roulement génère une quantité importante de chaleur. L'acier inoxydable présente les défis thermodynamiques suivants :

Conductivité thermique : L'acier inoxydable, en particulier 440 C, a généralement une conductivité thermique inférieure à celle de l'acier à roulements ordinaire. Cette conductivité thermique plus faible rend difficile la dissipation rapide de la chaleur générée à l’intérieur du roulement, ce qui entraîne une accumulation rapide d’échauffement.

Effet de trempe : lorsque la température de fonctionnement du roulement dépasse la température de trempe supérieure de 440 C (généralement inférieure à 200 °C), un ramollissement secondaire se produit, entraînant une diminution de la dureté du matériau, réduisant ainsi considérablement sa résistance à l'usure et sa capacité de charge. La chaleur générée par les vitesses élevées peut facilement déclencher ce type de défaillance thermique.

2. Gestion de la lubrification et caractéristiques de friction

Les vitesses élevées imposent des exigences extrêmement élevées en matière de lubrification, et les caractéristiques des roulements en acier inoxydable rendent la gestion de la lubrification encore plus complexe.

Friction de glissement : À des vitesses élevées, la friction de glissement entre les billes et les chemins de roulement, ainsi qu'entre les billes et les cages/retenues, s'intensifie. Une lubrification inadéquate ou une mauvaise sélection de lubrifiant peut provoquer une grave usure de l'adhésif sur la surface en acier inoxydable.

Jeu des roulements : en raison de la différence du coefficient de dilatation thermique linéaire (CTE) de 440 C par rapport aux aciers pour roulements ordinaires, associée à l'effet de l'augmentation de la température, le jeu interne des roulements fonctionnant à des vitesses élevées peut fluctuer de manière imprévisible, entraînant une perte de contrôle de précharge ou une augmentation du frottement, limitant davantage la vitesse limite.

3. Limitations complètes dans les environnements complexes

Les roulements en acier inoxydable sont souvent utilisés dans des environnements corrosifs. Dans des conditions de fonctionnement complexes, avec des charges élevées, des vitesses élevées et la présence de corrosion, les performances du matériau se détériorent encore davantage.

Synergie de fatigue par corrosion : les milieux corrosifs accélèrent les piqûres sur la surface du chemin de roulement. Ces points de corrosion deviennent des sources de concentration de contraintes. Sous des charges élevées et répétées, ils peuvent facilement provoquer une fatigue par corrosion, entraînant une défaillance prématurée des roulements.

Limites des nuances non 440C : les aciers inoxydables austénitiques (tels que 304 et 316), qui sont plus résistants à la corrosion mais ont une dureté et une résistance inférieures, ont une capacité portante et des vitesses de fonctionnement bien inférieures à celles des nuances 440C dans des conditions de charge ou de vitesse élevées. Ils ne conviennent généralement qu'aux environnements à faible vitesse, à faible charge et extrêmement corrosifs et ne conviennent pas aux applications à charge élevée ou à vitesse élevée.