Brevet FR2709311A1 — publié le 19950303

Organe de roulement à résistance améliorée, notamment rouleau de palier de roulement La présente invention concerne un organe de rou- lement tel qu'un rouleau cylindrique d'un palier à con- tact de roulement ou d'un anneau extérieur d'une contre- came ou d'un rouleau suiveur. Deux facteurs importants qui influencent la lon- gévité d'un rouleau tel que les rouleaux d'un palier à contact par roulement sont leur résistance à la fatigue et leur lubrification. Une solution connue pour prolonger la vie d'un palier à contact par roulement est de réaliser les par- ties du palier dans un acier pour palier et de soumettre ces parties à un traitement thermique pour accroître la résistance de leur surface de roulement pour l'amener à la valeur HRC 58 ou d'avantage et de réaliser une super- finition de leur surface de roulement de manière à20 réaliser une rugosité de surface d'environ 0,1 gm Ra. Un problème que soulève une telle structure de surface est que, s'il est difficile d'alimenter la sur- face de roulement avec une quantité suffisante de lubri- fiant, il est nécessaire d'utiliser un lubrifiant de fai- ble viscosité. De plus, dans les situations o la tempé- rature ambiante est si élevée que la viscosité du lubri- fiant, pendant le fonctionnement, devient inférieure à 13 mm2/s et que la surface en regard ou correspondante qui doit être amenée en contact de roulement avec le rou- leau cylindrique ou l'anneau extérieur d'une came sui- veuse présente une valeur de rugosité supérieure à 1,6 gm Rmax, un film d'huile ne peut être suffisamment formé. Il en résulte que le rouleau cylindrique ou l'anneau exté- rieur de contre-came présenteront un écaillage ou un35 pelage sur leur surface de roulement dans une période de 2 2709311 temps extrêmement courte comparée à leur durée de vie calculée. Dans le but de résoudre ces problèmes, il fut proposé de soumettre le rouleau en acier tel qu'un acier de palier à une trempe dans un traitement thermique au cours duquel de l'azote est introduit dans la surface de roulement de sorte que la quantité d'austénite résiduelle dans la zone de surface augmente pour atteindre environ % lorsque le produit complet est formé, ce qui amé- liore la résistance à la fatigue. Il fut également pro- posé de former des minuscules cavités d'environ 1 gm de profondeur dans la surface de roulement du rouleau de manière à améliorer l'aptitude à la formation d'un film d'huile pendant la rotation du rouleau et de prolonger15 ainsi la durée de vie. Mais le traitement thermique ne peut améliorer la vitesse de formation du film d'huile et ne peut donc amé- liorer la résistance à la fatigue du rouleau sur sa cou- che de surface. Ainsi, dans les conditions de fonction-20 nement mentionnées précédemment ce procédé ne peut pro- longer suffisamment la durée de vie d'un rouleau. Dans le dernier procédé dans lequel la surface de roulement est finement rugueuse, la vitesse de formation du film d'huile augmente jusqu'à un niveau suffisant pour ce qui concerne les conditions de fonctionnement préci- tées. Mais la résistance à la fatigue du rouleau lui-même reste faible, de sorte qu'il est difficile de prolonger suffisamment la durée de vie du palier malgré une aptitude élevée à la formation d'un film d'huile.30 Un objet de la présente invention est de proposer un rouleau qui présente à la fois une grande résistance à la fatigue et une vitesse de formation de film d'huile élevée, ainsi qu'une longue durée de vie même si les con- ditions de lubrification ou la rugosité de la surface de l'élément en regard correspondant ne sont pas favorables. 3 2709311 Selon la présente invention, il est proposé un rouleau qui a été soumis à un traitement thermique pen- dant la nitruration et dont la surface comprend des minuscules cavités de façon que la surface présente une valeur RMS non inférieure à 0,10 gm et une valeur SK négative, et dont la contrainte de compression résiduelle ne soit pas inférieure à 600 MPa. En soumettant le rouleau à un traitement pour accroître la contrainte de compression résiduelle sur sa couche de surface, on obtient une résistance à la fatigue élevée sur sa zone de surface. De plus, en formant des minuscules cavités sur sa surface de sorte que la surface présente un paramètre RMS (valeur quadratique moyenne) de rugosité non inférieur à 0,10 gm et une valeur SK néga- tive, on améliore la vitesse à laquelle un film d'huile est formé entre les surfaces de roulement. De tels avan- tages se conjuguent pour réduire l'apparition d'un écail- lage ou d'un pelage et pour prolonger la durée de vie du rouleau même si les conditions de lubrification ne sont pas bonnes ou que la surface en regard est rugueuse. D'autres objets et caractéristiques de la pré- sente invention apparaîtront clairement à la lecture de la description suivante faite en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe d'un palier à contact par roulement comportant des rouleaux en tant qu'organes de roulement; la figure 2A est une vue frontale en section ver- ticale d'une contre-came comportant un anneau extérieur en tant qu'organe de roulement; la figure 2B est une vue de côté en section verticale de la contre-came; la figure 3 est un graphique montrant une distri- bution de Weibull qui représente le taux de défaillance 4 2709311 cumulé et la durée de vie de rouleaux à aiguille dont les surfaces ont été soumises à un traitement thermique; la figure 4 est un graphique d'une distribution de Weibull montrant le taux cumulé de défaillance et la durée de vie des rouleaux à aiguille présentant une surface super-finie. La figure 5 est un graphique d'une distribution de Weibull montrant le taux cumulé de défaillance et la durée de vie des rouleaux à aiguille présentant une10 surface avec des minuscules cavités; et La figure 6 est un graphique d'une distribution de Weibull montrant le taux cumulé de défaillance et la durée de vie des rouleaux à aiguille selon la présente invention et présentant une surface soumise à un trai-15 tement thermique et comportant des minuscules cavités. La figure 1 représente un palier à contact par roulement comprenant des rouleaux en tant qu'organes de roulement par exemple. Il comprend un anneau extérieur 1, une pluralité de rouleaux cylindriques 2 montés sur la surface circonférentielle interne de l'anneau extérieur 1, et une cage 3 pour maintenir les rouleaux 2 séparés les uns des autres à des intervalles égaux. L'anneau 1 est monté dans un logement 4. Un arbre 5 est inséré dans le palier à contact par roulement et supporté par les rouleaux cylindriques 2. Les figures 2A et 2B représentent un exemple de contre-came ou suiveur de came. Elle comprend un arbre 6, un anneau extérieur 7 qui est monté autour de l'arbre 6 et une pluralité de rouleaux à aiguille 8, disposés entre eux. Une came 9 est amenée en contact avec la périphérie externe de l'anneau extérieur 7. Les organes de roulements du palier à contact par roulement sont constitués par les rouleaux 2, et ceux de la contre-came sont constitués par l'anneau extérieur 7 et les rouleaux à aiguille 8. Ces organes de roulement 2709311 sont réalisés en un acier à forte teneur en carbone tel que l'acier pour palier et sont soumis à un traitement thermique pour accroître la contrainte de compression résiduelle sur la couche de surface. Au cours du traitement thermique, l'objet est durci à une température comprise entre 820 et 860 C pen- dant quatre heures. Pendant le durcissement, l'objet est nitruré pour amener de l'azote à pénétrer dans la surface de l'objet afin d'augmenter les teneurs en carbone et en10 azote dans la couche de surface de l'objet. L'objet subit ensuite un revenu à une température comprise entre 150 et C pour augmenter la teneur de l'austenite résiduelle dans la couche de surface, d'environ 30 %, afin d'accroî- tre ainsi la contrainte de compression résiduelle sur la couche de surface, augmentant, de ce fait, la résistance à la fatigue et la longévité vis-à-vis de la fatigue du roulement. Les surfaces des organes de roulement sont ren- dues rugueuses après le traitement thermique de sorte que des minuscules ou fines cavités soient formées sur les surfaces de manière aléatoire, dans toutes les directions. Après qu'ils ont été rendus rugueux, les organes de roulement doivent présenter une contrainte de compres- sion non inférieure à 600 MPa. Une telle rugosité de la surface doit présenter une valeur RMS non inférieure à 0,10 gm et une valeur SK négative, de préférence inférieure ou égale à -1,6 à la fois dans les directions axiale et circonférentielle.30 La rugosité de la surface, formée par les minus- cules cavités, doit être telle que, lorsqu'elle est exprimée avec des paramètres RMS, RMS ne soit pas infé- rieure à 0,10 gm et que la valeur SK, qui est un autre paramètre de rugosité de surface, soit négative, de préférence égale ou inférieure à -1,6. 6 2709311 Pour obtenir une telle rugosité de surface sur une surface de roulement, on peut utiliser une meule à barres pour avoir la surface finie souhaitée. L'indice SK ci-dessus mentionné représente le gauchissement ou dissymétrie de la courbe de distribution de la rugosité de surface. Lorsque la courbe de distri- bution est symétrique comme dans une distribution de Gauss, l'indice SK sera égal à zéro. Dans la présente invention, lorsque la rugosité de surface présente un indice SK inférieur ou égal à -1,6 à la fois dans les directions axiale et circonférentielle, les cavités dans la surface seront formées et distribuées d'une telle manière avantageuse qu'un film d'huile pourra se former. On a préparé des rouleaux à aiguille dont les surfaces ont été traitées de façons différentes. Ils furent soumis à des tests de durée de vie en utilisant un appareil de test de la durée de vie par fatigue de con- tact de roulement. Les résultats de ce test sont main- tenant discutés. Huit rouleaux à aiguille furent préparés pour chaque type, chaque rouleau présentant un diamètre D de 5 mm et une longueur L de 13 mm. L'anneau extérieur, dans lequel les rouleaux à aiguille sont montés, présentait un diamètre externe Dr de 38 mm et un diamètre interne dr de 28 mm. Quatre types différents de rouleaux furent pré- parés en les soumettant à différentes sortes de trai- tement de surface i.e. 1) superfinition, 2) traitement thermique, 3) formation de minuscules cavités et 4) selon la présente invention, traitement thermique et formation de minuscules cavités. Les figures 3 à 6 représentent la durée de vie et le taux cumulé de défaillances de chaque type de rouleaux à aiguille testé. Le tableau 1 indique les résultats des tests. 7 2709311 Comme cela apparaît, d'après les résultats des tests, les durées de vie des rouleaux à aiguille soumis au traitement de surface selon la présente invention, sont plusieurs fois plus longues que celles des rouleaux5 soumis aux autres traitements de surface. De telles longues durées de vie sont considérées comme étant dues à une résistance à la fatigue améliorée en raison de l'accroissement de la contrainte de compres- sion sur-la zone de surface et à la vitesse de formation d'un film d'huile qui est due à la formation des minuscules cavités. 8 2709311 Tableau 1 Traitement de Nombre de Llo L50 e L 10 surface rouleaux rapport testés *1 *2 *3 * 4 Super- 8 1.01 x 107 1.95 x 107 2.89 1 finition Traitement 8 2.72 x 107 7.28 x 107 1.91 2.6 thermique Formation 8 4.26 x 107 9.03 x 107 2.51 4.2 minuscules cavités Traitement thermique + 8 9.28 x 107 1.78 x108 2.90 9.2 Formation minuscules cavités * 1 Durée de vie à 10 % (10 % défaillances sous charge appliquée x fois) * 2 Durée de vie à 50 % (50 % défaillances sous charge appliquée x fois) * 3 Pente Weibull * 4 Rapport entre des valeurs de durées de vie à 10 % 9 2709311 REVENDICATION 1. Organe de roulement (2) caractérisé en ce qu'il est soumis à un traitement thermique pendant une nitruration, en ce que sa surface comprend de minuscules cavités, de telle sorte que la surface présente une valeur RMS non inférieure à 0,10 gm et un indice SK négatif, et une contrainte de compression résiduelle dans10 la couche de surface non inférieure à 600 MPa.