Brevet FR2590947A1 — publié le 19870605

i La nrgsente invention concerne les paliers à roulement et elle vise plus particulièrement un pa- lier à roulement ayant une longue durée de vie, même sous charge élevée et dans le cas de lubrification, avec une huile renfermant des matières étrangères. L'acier cémenté, utilisé comme matériau pour les paliers à roulement, apporte une durée de résis- tance à la fatigue plus longue que l'acier trempé à coeur pour roulements. En conséquence, on utilise dans la pratique l'acier cémenté pour les roulements à longue durée de vie. On peut estimer que la longue durée de vie des roulements en acier cémenté provient du fait qu'une grande quantité d'austénite retenueestprodui- te dans la couche superficielle par la carburation et qu'il existe des contraintes résiduelles en com- pression dans la couche superficielle. En d'autres termes, de nombreuses inclusions non métalliques, qui constituent la source de concen- trations de contraintes, existent dans les matériaux en aciers conventionnels, et les contraintes résiduel- les en compression ainsi que l'austénite produites par la carburation agissent pour relâcher les concen- trations de contraintes. Mais, avec les récents progrès de la métallur- gie des aciers, la qualité des aciers s'est grandement améliorée. Ceci a causé des changements dans le com- portement des aciers. Le tableau 1, ci-dessous, montre l'évolution de la durée de vie en service de roule- ments en acier trempé à coeur, suivant les années de fabrication. Le tableau 1 donne les résultats d'essais de longévité effectués annuellement, dans des conditions déterminées, sur des échantillons de roulements faits en acier trempé à coeur et fabriqués dans les années indiquées. Comme on peut le voir, au cours des années , la durée de vie pour des aciers cémentés était environ le double de celle des aciers trempés à coeur. Mais cette différence a été en diminuant et, en 1983-1984, la durée de vie pour des aciers cémentés était d'environ 1,2 fois plus longue que pour les aciers trempés à coeur. TABLEAU 1 Type 10 % vie Années de fabrication d'acier (x104) 1961-1966 1967-1971 1972-1976 1977-1982 1983-1984 Acier à Plage 680-2120 459-2760 678-3620 1310-2930 1790-11900 roulement troempe Moyenne 990 1430 1510 2170 5390 trempé coeur SUJ2 Nombre de (n=9) (n=28) (n=28) (n=23) (n=10) lots Acier Plage 1250-4460 1800-4000 2930-4680 5420-10500 cémenté Moyenne - 2710 2810 3470 6620 SCR 420 Nombre de (n=19) (n=11) (n=7) (n=3) lots w ru) %A 1\> VI o o Pour mieux situer l'état de la technique, on va utiliser dans ce qui suit certains des dessins joints à la présente description. La figure 1 montre la relation qui existe en- tre la profondeur de la couche durcie par cémentation (à la dureté HRC 50) et la durée de vie, dans le cas de l'acier cémenté. La figure 2 montre la relation en- tre la dureté du coeur et la durée de vie, pour l'acier cémenté. Les échantillons utilisés étaient fabriqués en acier cémenté dans la première moitié des années 70. La courbe montre qu'il existe une valeur opti- male pour la profondeur de la couche cémentée et que, si la couche est moins profonde ou plus profonde que cette valeur optimale, la durée de vie en service diminue. La figure 3 montre la relation entre les dis- tributions des contraintes au cisaillement suivant la direction de la profondeur pour chaque contrainte de contact, et la distribution de la dureté elle-même. La fatigue au roulement est engendrée par les contrain- tes au cisaillement produites, dans la couche superfi- cielle, par les contraintes de contact. En conséquence, un acier cémenté devrait avoir une distribution de la dureté similaire à sa distribution des contraintes au cisaillement. La couche cémentée doit avoir une certaine profondeur, mais, si elle est trop profonde, la durée de vie sera abrégée. Egalement, plus élevée est la dureté du coeur, plus courte sera la durée de vie (figure 2). Ceci provient sans doute du fait que les contraintes résiduelles en compression, dans la couche superficielle, seront faibles; les effets de la cémentation (en ce qui concerne l'amélioration de la durée de vie) seront perdus. Des essais identiques ont été effectués sur des roulements en acier cémenté plus récemment produits (1983-1984). Les résultats sont portés sur les figu- res 4 et 5. On voit que ces résultats sont complète- - ment différents de ceux des figures 1 et 2. En effet, suivant ces essais, plus profonde est l'épaisseur de la couche cémentée et plus la dureté du coeur est éle- vée, plus longue est la durée de vie obtenue. Ceci provient sans doute du fait que des inclusions non mé- talliques, qui agissent comme source de concentration des contraintes, n'existent pas et que l'effet des contraintes résiduelles en compression et de l'austé- nite retenue, sur le relachement des concentrations de contrainte, est plus faible que précédemment. Comme on le voit sur le tableau 1, un roule- ment fait en acier cémenté présente une durée de vie plus longue qu'un roulement fait en acier à roulement trempé à coeur, dans des conditions de lubrification avec une huile propre. Mais un tel roulement ne pré- sente plus une longue durée de vie s'il est lubrifié avec une huile renfermant des matières étrangères, telles que des particules provenant par exemple de l'usure d'engrenages, comme dans une transmission pour automobile. On connait certains traitements thermiques spéciaux utilisés comme moyens pour obtenir un roule- ment fait en acier trempé à coeur et présentant une longue durée de vie, même en cas de lubrification avec de l'huile contenant des matières étrangères. Parmi ces moyens, on peut citer les traitements dits "marstressing" dans lesquels de l'azote est chargée dans la couche superficielle pendant le chauffage de l'acier en vue de la trempe, ainsi que des traite- ments thermiques ayant pour but de réduire la sensibi- lité aux fissures par un contrôle de la vitesse de refroidissement pendant la trempe. Le premier traite- ment thermique accroîtrait trop l'austénite retenue et abaisserait la dureté, si on l'appliquait à l'acier cémenté. Le second traitement thermique a montré qu'il n'avait pas un effet suffisant pour les aciers cémentés, d'après les résultats d'essais sur la durée de vie qui ont été effectués. On peut penser que la diminution de la durée de vie, dans le cas des roulements en acier cémenté lubrifiés avec de l'huile contenant des matières étrangères, est provoquée par d'autres facteurs que la sensibilité aux fissures, vraisemblablement par l'influence de fortes contraintes résiduelles en com- pression engendrées dans la couche superficielle tra- vaillante. La présente invention a pour but de permettre la réalisation d'un palier à roulements ayant une longue durée de vie, même dans le cas de lubrifica- tion au moyen d'une huile renfermant des matières étrangères, en utilisant de l'acier cémenté. La présente invention a pour objet un palier à roulement qui comprend des couronnes extérieure et intérieure ainsi qu'une pluralité d'éléments roulants disposés entre les couronnes intérieure et extérieure, les couronnes et les éléments roulants étant faits en acier cémenté ayant une teneur en oxygène non supérieu- re à 15 ppm et une teneur en carbone comprise entre 0,15 et 0,4 %, les couronnes et les éléments roulants ayant une couche superficielle cémentée dont la dure- té n'est pas inférieure à 58 HRC et ayant un coeur dont la dureté est comprise entre 48 et 58 HRC, la profondeur de la couche superficielle cémentée n'étant pas inférieure à 0,05 pour les couronnes et n'étant pas inférieure à 0,07 pour les éléments rou- lants, ces valeurs représentant le rapport "Profon- deur/Diamètre des éléments roulants". Suivant l'invention, on utilise des aciers cémentés ayant une teneur en carbone comprise entre 0,15 % et 0,3 % environ, ainsi que des aciers mi- durs cémentés ayant une teneur en carbone d'environ 0,3 % à 0,4 %. De tels aciers seront désignés sous le terme de "aciers cémentés" dans la présente descrip- tion. Suivant l'invention, on produit une couche durcie épaisse sur les surfaces des couronnes de rou- lement et des éléments roulants par cémentation et on donne au coeur une dureté aussi élevée que 48 à 58 HRC. Il en résulte que la quantité d'austénite rete- nue dans la couche superficielle cémentée est environ la même que dans une cémentation conventionnelle, alors que les contraintes résiduelles de compression diminuent. Ainsi qu'il sera indiqué ci-dessous, l'in- fluence des matières étrangères dans l'huile de lubri- fication, sur la portion intérieure passablement épaisse du matériau, décroît, si bien qu'on peut évi- ter une chute appréciable de la durée de vie du rou- lement dans le cas de lubrification avec une huile renfermant des matières étrangères. D'autres aspects de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit et à l'exa- men des dessins annexés. Sur ces dessins: La figure 1 est un graphique montrant la re- lation entre la profondeur de cémentation (épaisseur de la couche cémentée) et la durée de vie pour des roulements en acier cémenté fabriqués dans la premiè- re moitié des années 70. La figure 2 est un graphique montrant la rela- tion entre la dureté (HRC) du coeur et la durée de vie pour des échantillons en acier cémenté faits à la même époque. La figure 3 est un graphique montrant la relation entre la distribution des contraintes de ci- saillement et celle de la dureté elle-même. La figure 4 est un graphique montrant la rela- tion entre la durée de vie et la profondeur de cémen- tation pour des roulements en acier cémenté fabriqués en 1983-1984. La figure 5 est un graphique montrant la rela- tion entre la dureté du coeur et la durée de vie, pour les mêmes roulements qu'à la figure 4. La figure 6 est une vue en coupe d'un roule- ment ayant subi un traitement de cémentation. La figure 7 est un graphique montrant la re- lation entre la dureté et la profondeur à partir de la surface pour des pièces d'essai de roulements. Les figures 8 à 10 sont des graphiques mon- trant la distribution des probabilités de détériora- tion en fonction des durées de vie. La figure 11 est un graphique montrant la relation entre la dureté du coeur et la durée de vie d'un roulement en acier cémenté fabriqué dans la pre- mière moitié des années 70. Le palier à roulement suivant la présente invention est fait en acier cémenté et comprend des couronnes de roulement 11, 12 et des éléments roulants 13 interposés entre ces couronnes (figure 6). Les cou- ronnes 11, 12 ainsi que les éléments roulants 13 sont soumis à un traitement de cémentation, dans le but d'obtenir une longue durée de vie dans le cas de lu- brification avec une huile contenant des matières étrangères. La cémentation produit une couche superficiel- le durcie 14. La dureté de chaque coeur 15 est choisie de façon à ne pas être inférieure à HRC 48 et à ne pas être supérieure à 58 HRC, de préférence entre HRC 48 et HRC 55. L'acier cémenté utilisé pour les couronnes 11, 12 et pour les éléments roulants 13 doit avoir une teneur en oxygène non supérieure à 15 ppm et de préférence non supérieure à 12 ppm, la teneur en car- bone étant avantageusement comprise entre 0,25 et 0,35 %. La profondeur de la couche superficielle cé- mentée doit être déterminée en fonction de l'épais- seur de paroi des couronnes 11, 12 et du diamètre des éléments roulants 13. La profondeur de la couche superficielle cé- mentée 14 des couronnes de roulement 11, 12 doit être de 0,05 ou plus en considérant le rapport "Profondeur/ Diamètre de l'élément roulant" et de 0,07 ou plus pour les éléments roulants 13. Dans le cas de lubrification avec une huile contenant des matières étrangères, des contraintes résiduelles en compression élevées apparaissent dans les couches superficielles de roulement des couronnes 11, 12 et des éléments roulants 13. Des mesures de contraintes résiduelles après servide, faites aux rayons X, montrent que l'influence des matières étran- gères atteint des couches intérieures passablement profondes sous charge élevée. En d'autres mots, on peut penser que, par suite de l'influence des con- traintes résiduelles de compression (désignées ici sous le terme de "contraintes résiduelles de con- tact") produites, dans la couche superficielle, par les contraintes de contact en service, et par suite des vibrations et de l'élévation de température pro- voquées par un fonctionnement avec lubrification par une huile chargée en matières étrangères, la valeur de la résistance au cisaillement (désignée sous le terme de "résistance critique au cisaillement"), qui s'oppose au cisaillement des matériaux, diminue. Il est admis que la zone o se produit la con- trainte résiduelle de contact atteint une profondeur appréciable (par exemple une profondeur de 0,5 mm ou plus). Une diminution de la résistance critique au cisaillement correspond, relativement, à une diminu- tion sensible de la dureté du matériau. En conséquen- ce, il est nécessaire de régler la profondeur de la couche superficielle cémentée 14 à la valeur ci-dessus. De plus, la dureté de la couche doit être à peu près la même que celle de l'acier à roulement trempé à coeur, c'est-à-dire HRC 60 ou plus. Bien que les couronnes de roulement soient influencées seulement par les surfaces de roulement 16, et non pas par la périphérie extérieure 17 (dans le cas de la couronne extérieure) ou par la périphé- rie intérieure 18 (dans le cas de la couronne inté- rieure), les éléments roulants 13 sont affectés, eux, des deux côtés. Ainsi, la couche superficielle cémen- tée des éléments roulants doit être plus profonde que celle des couronnes de roulement. Pour vérifier l'influence de la distribution de la dureté sur la durée des-matériaux soumis à une lubrification avec de l'huile renfermant des matières étrangères, des essais de durée ont été conduits pour trois sortes d'échantillons de roulements faits en acier cémenté ayant différentes distributions de dure- té, comme il est représenté sur la figure 7. On voit sur le tableau 2 (cidessous) que l'échantillon C a la plus longue durée de vie. Les résultats d'essais montrent que ce qui est important ce n'est pas seulement la profondeur de la couche cémentée mais aussi la dureté du coeur. On pense généralement qu'un brusque changement dans la distribution de la dureté produit un effet néfas- te sur la résistance. La différence de durée de vie entre les échantillons B et C. est supposée provenir de la raison ci-dessus. Mais il semble aussi être nécessaire de pré- voir une dureté suffisante pour le coeur afin de réa- gir contre les contraintes résiduelles en tension pro- duites dans le coeur en réponse à une contrainte rési- duelle de contact (contrainte en compression) élevée qui se développe dans la couche superficielle. Ainsi, en augmentant la profondeur de la couche superficiel- le cémentée et en augmentant la dureté du coeur, on peut obtenir une longue durée de vie en présence d'une lubrification avec de l'huile contenant des matières étrangères. TABLEAU 2 TABLEAU 3 1 5..1... à1! - - nuorllicazion avec nulle contenant matières étrangères % vie Roulement A 92 heures Roulement B 120 heures Roulement C 339 heures Lubrification avec huile propre Les figures 8 à 10 illustrent les résultats d'un essai d'endurance dans lequel un roulement à rou- leaux coniques A (dureté du coeur HRC 40-45) fait en acier cémenté, qui a été soumis à une cémentation con- ventionnelle, et un roulement à rouleaux coniques C, fait en acier cémenté selon la présente invention, ont été essayés dans trois conditions différentes. Dans n'importe laquelle de ces conditions, le roulement C a la plus longue durée de vie. % vie Roulement A 671 heures Roulement B 700 heures Roulement C 800 heures 12 - Comme le montrent les résultats de l'essai de durée (tableau 3) se rapportant aux échantillons A, B, C de la figure 7, l'échantillon C a montré la plus longue durée de vie dans le cas de lubrification avec de l'huile propre, bien que la différence ne soit pas si importante que dans le cas de la lubrifi- cation avec une huile dans laquelle sont mélangées des matières étrangères. Ces résultats d'essais, dans lesquels l'échantillon C a présenté la plus longue durée de vie, diffèrent des résultats d'un essai de durée effectué sur des roulements faits en acier cémenté dans la première moité des années 70, comme représen- té sur la figure 11, qui montrent qu'un roulement ayant une dureté élevée du coeur a une durée de vie courte. Si on utilise un acier cémenté à grande pure- té, ayant une teneur en oxygène de 15 ppm ou moins, en augmentant l'épaisseur de la couche superficielle cémentée et en augmentant la dureté du coeur, on peut obtenir un roulement ayant une longue durée de vie même dans le cas de lubrification avec de l'huile propre. Suivant la présente invention, les couronnes de roulement et les éléments roulants faits en acier cémenté ayant une teneur en oxygène de 15 ppm ou moins ont une couche superficielle cémentée plus pro- fonde et ont une dureté élevée pour le coeur. Ainsi, ces roulements peuvent non seulement supporter un service prolongé dans le cas de lubrification avec de l'huile propre, mais ils peuvent réduire l'étendue de la déformation plastique produite dans la couche su- perficielle en venant à bout de la diminution de la résistance critique au cisaillement provenant du déve- loppement d'une contrainte résiduelle de contact élevée dans la couche superficielle, des vibrations ou des élévations de température provoquées par la lubrification avec des huiles contenant des matiè- res étrangères. Ces roulements peuvent avoir une lon- gue durée de vie, non seulement dans le cas de lubri- fication avec de l'huile propre mais encore sous char- ge élevée et dans le cas de lubrification avec une huile contenant des matières étrangères, également du fait qu'on évite un changement brusque dans la distribution de la dureté. REVENDICATION 1. Palier à roulement qui comprend des cou- ronnes extérieure (11) et intérieure (12) ainsi qu'une pluralité d'éléments roulants (13) disposés entre les dites couronnes intérieure et extérieure, caractérisé en ce que: lesdites couronnes et lesdits éléments roulants sont faits en acier cémenté ayant une teneur en oxygène non supérieure à 15 ppm et une teneur en carbone comprise entre 0,15 et 0,4 %; les couronnes (11, 12) et les éléments roulants (13) ont une couche superficielle cémentée (14) dont la dureté n'est pas inférieure à 58 HRC et ont un coeur (15) dont la dureté est comprise entre 48 et 58 HRC, la profondeur de la couche superficielle cémentée n'étant pas inférieure à 0, 05 pour les couronnes et n'étant pas inférieure à 0,07 pour les éléments rou- lants, ces valeurs représentant le rapport "Profon- deur/Diamètre des éléments roulants".