Guide pour la sélection des matériaux de roulement communs

Le choix des matériaux de palier a un impact direct sur la fiabilité et la durée de vie des systèmes mécaniques, nécessitant une adéquation avec les conditions de fonctionnement (charge, vitesse, environnement). Les principaux matériaux de palier sont classés en trois types : métalliques, non métalliques et métalliques poreux. Ci-dessous, une analyse technique de leurs caractéristiques et de leurs scénarios d'application.

I. Matériaux métalliques : choix principal pour le support de charge à haute résistance

1. Alliages de palier (alliages Babbitt/métaux blancs)

• Composition et structure: Alliages à matrice tendre avec de l'étain ou du plomb comme base, contenant des grains durs d'antimoine-étain (Sb-Sn) et de cuivre-étain (Cu-Sn).
• Principaux avantages:
  • La matrice tendre offre une ductilité et une conformabilité élevées, tandis que les grains durs améliorent la résistance à l'usure ;
  • Excellente capacité d'encastrement (permet aux particules d'impuretés de s'encastrer, empêchant les rayures sur le tourillon) et propriétés anti-usure adhésive ;
  • Bonne conductivité thermique (réduit l'accumulation de chaleur due au frottement) et adsorption d'huile (améliore la lubrification).
• Limitations:
  ▪ Faible résistance, nécessitant une utilisation en tant que revêtement mince (0,5 à 5 mm) coulé sur des coquilles de palier en bronze, en acier ou en fonte ;
  ▪ Coût élevé, adapté aux applications à charge lourde et à vitesse moyenne avec des exigences de lubrification strictes (par exemple, turbines à vapeur, arbres principaux de moteurs à combustion interne).

2. Alliages de cuivre

• Types typiques:
  ▶ Bronze à l'étain: Excellentes propriétés antifriction, utilisé dans les scénarios à charge lourde et à vitesse moyenne (par exemple, paliers d'arbre d'hélice marine), mais avec une conformabilité inférieure à celle des alliages de palier ;
  ▶ Bronze au plomb: Capacité anti-grippage élevée, adapté aux charges lourdes à grande vitesse (par exemple, paliers de moteur d'avion) ;
  ▶ Bronze à l'aluminium: Résistance et dureté élevées, faible anti-grippage, utilisé dans les charges lourdes à basse vitesse (par exemple, paliers de machines minières).
• Avantages courants: Dureté et capacité de charge supérieures à celles des alliages de palier, offrant une meilleure rentabilité.

3. Alliages à base d'aluminium

• Caractéristiques techniques:
  • Faible densité (environ 1/3 des alliages de cuivre), forte résistance à la corrosion et résistance élevée à la fatigue ;
  • Peut être fabriqué en tant que composants monométalliques ou structures bimétalliques (revêtement à base d'aluminium + support en acier), remplaçant certains alliages de palier et bronzes.
• Applications: Paliers de moteur automobile, paliers de compresseur dans des scénarios à charge moyenne et à grande vitesse.

4. Fonte (fonte grise/fonte résistante à l'usure)

• Mécanisme de renforcement: Les flocons de graphite (lamellaires ou nodulaires) forment une couche lubrifiante solide, adsorbant les lubrifiants pour améliorer la lubrification aux limites.
• Restrictions:
  ▪ Fragile avec une faible conformabilité, ne convient qu'aux applications à faible charge et à basse vitesse (par exemple, machines agricoles, paliers d'outils à main) ;
  ▪ Nécessite une lubrification, ne convient pas aux environnements à charge d'impact.

II. Matériaux non métalliques : solutions pour environnements spéciaux

1. Matériaux polymères (plastiques)

• Types courants:
  ▶ Résine phénolique : Résistance aux hautes températures (150℃), haute résistance, utilisée dans les paliers de boîte de vitesses ;
  ▶ Nylon (PA) : Bonne autolubrification, absorption des chocs, adapté aux environnements poussiéreux ;
  ▶ Polytétrafluoroéthylène (PTFE) : Coefficient de frottement extrêmement faible (0,04), résistance à la corrosion, utilisable sans lubrification.
• Limitations d'application:
  ▪ Faible conductivité thermique (1/200 de l'acier), nécessitant un contrôle de la vitesse de fonctionnement (≤0,5 m/s) et de la pression (≤3 MPa) ;
  ▪ Coefficient de dilatation linéaire élevé (10 fois celui de l'acier), nécessitant des jeux d'ajustement 2 à 3 fois plus grands que les paliers métalliques ;
  ▪ Faible résistance et sujet au fluage, ne convient pas aux paliers à jeu de précision.

2. Matériaux carbone-graphite

• Avantages de performance:
  • L'autolubrification repose sur la vapeur d'eau adsorbée et les lubrifiants imprégnés (par exemple, métaux, PTFE, disulfure de molybdène) ;
  • Résistance aux hautes températures (plus de 600℃), résistance à la corrosion, adaptée aux environnements sous vide ou fortement corrosifs (par exemple, paliers de pompe chimique).
• Propriété du matériau: Une teneur en graphite plus élevée entraîne une dureté plus faible et un coefficient de frottement plus petit (aussi bas que 0,08).

3. Caoutchouc et bois

• Caoutchouc: Élasticité élevée, adsorption des impuretés, utilisé dans les environnements lubrifiés à l'eau ou pollués (par exemple, paliers d'équipement de traitement des eaux usées) ;
• Bois: Structure poreuse pour l'imprégnation d'huile, adaptée aux environnements poussiéreux (par exemple, machines textiles, paliers de machines agricoles), nécessitant un traitement de surface pour une résistance à l'usure améliorée.

III. Matériaux métalliques poreux : optimaux pour les scénarios autolubrifiants

1. Principe du matériau

• Processus de fabrication: Les poudres métalliques (principalement fer/bronze) sont pressées et frittées en une structure poreuse (porosité 10 % à 35 %), saturées d'huile avant utilisation pour former des paliers imprégnés d'huile.
• Mécanisme de lubrification:
  ▶ Pendant le fonctionnement : La rotation du tourillon et l'élévation de la température libèrent l'huile des pores vers la surface de frottement ;
  ▶ Pendant l'arrêt : L'action capillaire ramène l'huile dans le palier, permettant une autolubrification périodique.

2. Matériaux et applications typiques

• Fer poreux: Résistance plus élevée, utilisé dans les scénarios à charge moyenne et à basse vitesse tels que les revêtements de broyeur, les paliers d'arbre à cames de moteur à combustion interne ;
• Bronze poreux: Bonne résistance à l'usure, adapté aux ventilateurs électriques, aux machines textiles et aux paliers de générateurs automobiles (charge ≤10 MPa, vitesse ≤2 m/s).
• Recommandations d'utilisation: Remplissage d'huile régulier pour des performances optimales, ne convient pas aux charges d'impact ou aux vitesses élevées (>3 m/s).

Référence de décision de sélection

Conclusion

1. Charge lourde et grande vitesse: Privilégier les alliages de palier ou le bronze au plomb avec des systèmes de lubrification forcée ;
2. Environnements corrosifs/sans huile: Utiliser des plastiques PTFE ou des matériaux carbone-graphite, en échangeant une certaine capacité de charge pour une adaptabilité environnementale ;
3. Autolubrification à faible coût: Les matériaux métalliques poreux sont idéaux pour les scénarios à faible vitesse et à faible charge.
   En évaluant de manière exhaustive des paramètres tels que la charge, la vitesse, la température et les milieux environnementaux, et en combinant les propriétés physico-mécaniques des matériaux avec le coût, la durée de vie des paliers et la fiabilité opérationnelle des équipements peuvent être considérablement améliorées.