Tribologie/Guidage par roulement/Endommagement des roulements

Généralités

Dans les conditions les plus courantes, un roulement bien calculé et bien utilisé a 90 % de chances d'être encore en service à l'expiration de la durée de vie prévue, et 10 % de chances d'avoir été mis hors d'usage par le processus d'écaillage qui en constitue en quelque sorte le mode de dégradation naturel.

C'est sur cette base que les ingénieurs des bureaux d'études peaufinent leurs calculs par des méthodes aussi rigoureuses que normalisées mais qui n'empêchent pas les techniciens des services d'entretien de s'arracher ce qui leur reste de cheveux : en effet, parmi les roulements endommagés, seul un tout petit pourcentage (9 %) est effectivement détruit par écaillage au bout du temps normal ...

De nombreux roulements périssent en effet prématurément à cause d'une mauvaise lubrification (43 %) ou d'un mauvais montage (27 %) : on le voit, le calcul ne suffit pas ... d'autant que beaucoup d'avaries pourraient être facilement évitées ! Comme dit le proverbe : un meilleur acier ne peut compenser ni un défaut de graissage, ni une trop grande déformation de l'arbre ! (voir les coefficients a₁, a₂, a₃, ...).

Un défaut de lubrification entraîne, comme manifestation immédiate, un échauffement brutal. Le grippage n'est alors pas loin. Dans les situations extrêmes, la graisse peut s'enflammer et mettre le feu à l'environnement (ceci s'est déjà produit sur des essieux de wagons de marchandises circulant de nuit).

Un auteur distingue les causes de détériorations extérieures au roulement : mauvais choix de ce dernier, mauvais montage, manque d'entretien, mauvaises conditions de fonctionnement, et celles qui proviennent du roulement lui-même : mauvaise qualité des aciers, géométrie interne incorrecte, cages et joints défectueux ... Les causes extérieures provoqueraient, selon lui, plus de 90 % des défaillances prématurées.

Remplacer un roulement détruit prématurément sans avoir étudié auparavant les causes de cette destruction est évidemment un non-sens. Malheureusement l'étude des avaries n'est pas facile : si un incident donne en général à son début un faciès typique de l'une ou l'autre des formes d'usure connues, il sera bien difficile, même pour un spécialiste, de tirer des conclusions à partir de petits morceaux de roulements complètement défigurés. Quoi qu'il en soit, si un incident grave survient, il faut suivre une méthode rigoureuse pour permettre l'expertise :

• fournir une bonne photographie en couleurs du roulement avant démontage,
• prélever un échantillon du lubrifiant en service, éventuellement les joints d'étanchéité voisins,
• extraire le roulement avec précaution pour éviter toute détérioration supplémentaire, conserver autant que possible la position des divers éléments s'il s'agit d'un roulement démontable ou s'il est brisé,
• ne jamais nettoyer le roulement, au contraire, laisser en place le maximum de graisse,
• placer les pièces à conviction dans un emballage qui ne modifie pas les données (sac en plastique par exemple).

Il faut maintenant analyser les principales causes d'avaries ou de destruction des roulements :

Écaillage de fatigue (flaking)

C'est la cause normale de destruction des roulements correctement montés et utilisés.

Si la pression de Hertz ne dépasse pas 2 000 N/mm², les roulements ont une durée de vie pratiquement illimitée à condition que la lubrification et la propreté soient bonnes. En fait, les pressions entre les éléments roulants et les bagues atteignent couramment 3 000 à 3 500 N/mm² et des dégâts surviennent sous l'effet de la fatigue due aux contraintes de cisaillement alternées qui sévissent en sous-couche.

Le fonctionnement élastohydrodynamique crée, par dépassement de la limite d'élasticité, des microdéformations permanentes et des criques qui cheminent vers la surface et provoquent l'élimination de particules de métal. La dégradation cyclique de la martensite crée des « papillons », amas lenticulaires de carbures parallèles à la direction du cisaillement maximal, sous l'effet des déformations qui produisent un échauffement à la température d'austénisation. Il se forme par la suite, toujours par décomposition de la martensite sous la surface de roulement, des bandes blanches de ferrite très écrouie.

Les mécanismes de la fatigue par roulement sont à la fois très étudiés et très mal connus.

Toutes les études confirment cependant l'influence très néfaste sur la fatigue des roulements des inclusions non métalliques ou autres phases dispersées dans l'acier : carbures non dissous, précipités d'oxydes et de sulfures, débris de produits réfractaires et de laitiers entraînés lors de la coulée, silicoaluminates de calcium ...

L'écaillage est un processus continu qui s'accélère plus ou moins après l'apparition des premières fissures. L'écaillage localisé et prématuré résulte d'anomalies caractérisées telles que mauvais montage, surcharge, défaut d'alignement, mauvaise forme de logement.

Une limite d'élasticité élevée augmente l'endurance car elle diminue les risques liés à la présence d'inclusions non métalliques. L'utilisation d'aciers de très haute qualité dégazés sous vide, et mieux refondus sous vide, est aujourd'hui généralisée.

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  Écaillage sévère sur une bague extérieure de roulement
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  Roulement écaillé provenant d'une roue de bicyclette

Écaillage superficiel (peeling)

L'écaillage superficiel est un enlèvement superficiel de métal, plus ou moins étendu, sous forme de paillettes très fines. Il est attribué à une épaisseur de lubrifiant trop faible par rapport à la rugosité, ce qui provoque des contacts métal sur métal. Le remède consiste essentiellement à diminuer la rugosité et à augmenter la viscosité du lubrifiant.

Grippage (smearing)

Le grippage est un transfert de matière arrachée sur les surfaces et redéposée par microsoudure. On voit, au début, des zones mates où les stries de rectification ont disparu et des traces brunes indicatrices d'échauffement. Plus tard, il y a déformation des éléments roulants par arrachement de matière, fusion localisée, les éléments roulants et les cages sont plus ou moins détruits ou laminés, voire totalement soudés. Il faut retenir que le grippage est inévitable en l'absence de lubrification. Contrairement à ce que beaucoup imaginent, celle-ci ne permet pas vraiment de diminuer les frottements, c'est même le contraire si le lubrifiant est trop abondant !

Le grippage est fréquent dans les roulements à rouleaux coniques si le frottement de glissement entre le collet de la bague intérieure et la grande base des rouleaux est défectueux : il survient souvent dès les premiers tours si l'on n'a pas pris soin d'assurer une bonne lubrification dès le démarrage.

Les autres causes sont :

• une lubrification avec des produits incapables de reconstituer les couches superficielles détruites par la pression,
• une quantité de lubrifiant insuffisante pour assurer l'évacuation des calories,
• une vitesse excessive provoquant un trop grand échauffement,
• un mauvais choix du type de roulement à utiliser, en particulier en ce qui concerne le matériau des cages.

Le choix du lubrifiant et le mode de lubrification sont d'une extrême importance. En particulier, il ne faut pas qu'un lubrifiant trop visqueux ou trop abondant fasse glisser billes ou rouleaux sur les bagues pendant le démarrage ou le freinage du roulement.

Empreintes par déformation (indentation)

Les empreintes par déformation sont très fréquentes : des traces de coups, des fissures, ou des cassures traduisent généralement un manque de précautions : chute accidentelle, montage par percussion ou en transmettant les efforts par l'intermédiaire des éléments roulants, surcharge.

Les déformations plastiques des bagues donnent des dépressions sans enlèvement de matière, avec des bourrelets de métal refoulé ou des arrachements. Ces avaries ne sont pas toujours immédiatement visibles, des fêlures peuvent éventuellement donner une destruction différée.

Incrustation de particules étrangères

L'incrustation de particules étrangères résulte d'un manque de propreté au montage ou de l'entrée accidentelle d'impuretés. Elle se traduit par des empreintes, un rodage marqué des bagues avec des sillons longitudinaux continus ou non. On assiste à l'apparition de jeux anormaux, de balourds, de vibrations. Le roulement émet des bruits anormaux.

La plus grande propreté s'impose lors du montage des roulements.

Les empreintes provoquées par des particules molles sont peu profondes et présentent des rebords peu marqués. Si les particules sont dures, les trous deviennent relativement profonds avec des bords en saillie. Si les particules étrangères sont cassantes, alors elles éclatent lorsqu'elles se trouvent coincées et il en résulte de nombreuses petites empreintes présentant des bords en saillie.

Corrosion

La corrosion se manifeste par des taches colorées allant du rougeâtre au noir, puis par des zones attaquées avec élimination de matière. Elle peut être chimique, sous l'effet du lubrifiant acidifié par oxydation, de produits agressifs ayant pénétré grâce à un défaut d'étanchéité ..., ou électrochimique avec formation de rouille par entrée d'eau ou condensation excessive. Le meilleur remède contre la corrosion est la suppression des causes capables de la provoquer et le choix d'un lubrifiant approprié. Dans les cas difficiles on doit faire appel à des roulements en acier inoxydable, en céramique, etc.

Le risque est important quand les roulements viennent d'être nettoyés, c'est ainsi que l'on y relève souvent des marques d'empreintes digitales provoquées par l'acidité de la transpiration. Signalons aussi que les attaques de la corrosion favorisent la destruction ultérieure du roulement par fatigue ou écaillage.

Corrosion de contact (fretting corrosion)

La corrosion de contact se manifeste par des taches roses, brunes ou noires plus ou moins étendues sur les zones d'appui extérieures du roulement. Elle provient de petits mouvements de rotation ou de vibration des bagues par rapport à leurs portées ; l'attention avait été attirée sur ce phénomène dès 1930 quand on constata que les roulements de véhicules transportés sur des wagons avaient subi des avaries graves.

La corrosion de contact ne cause pas toujours des dégâts irrémédiables, du moins lorsqu'elle débute, mais si elle aboutit à la destruction du logement ou de l'arbre, il en résulte de mauvaises portées et l'on peut craindre la fissuration des bagues. Dans la plupart des cas elle est la conséquence d'un mauvais choix d'ajustements entre les bagues et les logements ou les arbres. Il importe de respecter très soigneusement les tolérances prescrites dans chaque cas de montage.

La société FAG a pu doubler la durée de vie de roulements utilisés sur des plateaux vibrants servant au tri de pièces ou de matériaux grâce à un traitement de chromage en couche mince des alésages. Ce revêtement est particulièrement intéressant dans le cas de fonctionnement à sec ou avec une lubrification aléatoire. Il résiste par ailleurs aux infiltrations dues aux conditions atmosphériques, à l'eau, aux vapeurs, aux solutions alcalines, aux produits photographiques, etc. La corrosion de contact est très réduite, voire totalement supprimée. Le traitement est intimement lié au matériau de base et il supporte des charges très élevées. Les cotes des roulements traités sont exactement les mêmes que celles des roulements standards et la substitution peut se faire sans aucun changement des pièces adjacentes.

Faux brinnellage (false brinnelling)

Faux brinnellage sur une bague de butée

Le faux brinnellage est une variante de la corrosion de contact entre, cette fois, les éléments roulants et les bagues qui portent des dépressions plus ou moins brillantes, écartées à intervalles réguliers comme le sont les corps roulants. Il ne faut pas confondre ces marques avec de simples empreintes, la matière étant érodée puis éliminée par le lubrifiant et non repoussée pour former des bourrelets.

Cette avarie affecte les roulements à l'arrêt, toujours en présence de vibrations : moteur électrique arrêté sur une machine qui tourne, groupe électrogène de secours placé sur le même socle que le groupe principal en fonctionnement, matériel transporté, etc. L'influence du lubrifiant est très importante. Les roulements marqués deviennent bruyants et ne tardent pas à périr sous l'effet de l'écaillage.

Les causes et les remèdes sont les mêmes que pour la corrosion de contact « ordinaire » : il faut réduire le jeu radial, augmenter les déplacements, éviter les charges statiques vibrantes, utiliser des graisses appropriées. Le choix du lubrifiant est très important.

Cratérisation (electrical pitting)

La cratérisation provoque des cavités microscopiques relativement profondes. Elle est due à des courants électriques intenses qui traversent le roulement et créent de petits arcs accompagnés d'une fusion locale et d'une trempe. En général, le défaut provient de ce que l'on a utilisé l'arbre comme masse lors d'une opération de soudage.

Cannelures (fluting)

Cannelures

Cannelures, détail

Les cannelures se forment par action simultanée de courants relativement faibles et de vibrations. Ce phénomène bien plus fréquent qu'on ne le croit concerne les groupes électrogènes, les machines-outils, les locomotives électriques ou encore des machines qui reçoivent des charges électrostatiques de la part de courroies ou de produits en bandes (films plastiques ...).

On ne sait pas relier la fréquence des ondulations aux autres paramètres du fonctionnement du roulement, c'est-à-dire la vitesse de rotation, la fréquence du courant, les charges, ... Il semble que les cannelures se forment essentiellement par creusement mais dans au moins un certain nombre de cas, les reliefs sont accentués par dépôt de la matière arrachée au voisinage. Le jeu interne peut être alors réduit de façon importante.

Les deux photos ci-contre montrent un roulement à rotule sur deux rangées de rouleaux monté sur une locomotive électrique. On voit parfaitement les ondulations, dont on perçoit facilement le relief en passant un ongle sur les surfaces endommagées.

Les remèdes résident dans la mise à la terre des organes, l'isolation électrique des roulements dans leur logement, le court-circuitage des paliers, l'utilisation de graisses conductrices (qui ne sont pas excellentes pour la lubrification). Les roulements hybrides de la série XL proposés par la société SKF possèdent des bagues en acier à roulement classique et des billes de nitrure de silicium, un bon isolant électrique qui s'oppose au passage des courants vagabonds. Ces roulements sont tout spécialement destinés aux aérogénérateurs

Criques (cracks)

Les criques, les fissures étroites ou autres amorces de cassures que l'on rencontre parfois ont pour causes possibles des contraintes exagérées au montage ou au démontage, ou encore des tapures de rectification ou de trempe.

Usure par abrasion (wear)

L'usure par abrasion donne aux roulements un aspect gris, givré. Elle relève d'un fonctionnement en milieu abrasif, d'une lubrification insuffisante, ...

Coloration

La coloration en brun, bleuâtre ou noirâtre est due à une oxydation superficielle en présence d'un lubrifiant polymérisé à haute température. L'échauffement anormal peut être d'origine interne, excès de lubrifiant par exemple, ou externe.

Détérioration des cages

La détérioration des cages est généralement le résultat d'un montage sans précaution.

Signes extérieurs de détérioration

Les signes extérieurs de détérioration sont nombreux :

• les vibrations, détectées à la main, ou avec un bâtonnet, ou encore par un appareillage électronique, peuvent le cas échéant provoquer l'arrêt de la machine. Elles témoignent de dégâts par écaillage, abrasion, corrosion, de balourds résultant de pertes de masse par usure, de jeux excessifs ou du serrage insuffisant d'une bague,
• les bruits anormaux résultent du passage des éléments roulants sur un corps étranger ou sur une empreinte due à un mauvais montage ou au faux brinnellage, d'un écaillage, d'une corrosion, de l'annulation fautive du jeu interne, d'une rupture de cage ou de corps roulant,
• l'élévation de température peut dénoter aussi bien une absence qu'un excès de lubrifiant, une absence de jeu interne, une surcharge accidentelle ou un mauvais montage,
• un couple de frottement anormal peut provenir d'une détérioration de cage, de la détérioration du lubrifiant, de la mutilation d'un joint.

Prévention et surveillance

On évitera bien des catastrophes en surveillant le fonctionnement des roulements en mesurant la température, le bruit, les vibrations, ou encore en analysant périodiquement le lubrifiant.

On en évitera tout autant en gardant à l'esprit quelques idées simples que rappelle ainsi la firme I.S.O. :

• un roulement est un organe sensible aux chocs,
• c'est un ensemble de précision qui demande des précautions et qui appelle de la précision au montage,
• c'est un organe d'une très grande finition que les impuretés détruisent,
• c'est un organe fiable, certes, mais qui doit être utilisé dans les limites de ses possibilités,
• c'est un ensemble de pièces mobiles finement ajustées donc exigeantes pour la lubrification,
• s'il existe un grand nombre de types et de dimensions de roulements, c'est que n'importe quel roulement ne peut pas faire n'importe quel travail,
• on ne peut pas exiger d'un roulement de fabrication courante les performances d'un roulement de haute précision. La grande fiabilité, le silence de fonctionnement, le poids réduit demandent des roulements spéciaux.

Les aciers à roulements sont dans 90% des cas des aciers trempés à cœur, dans 10 % des cas des aciers cémentés.

Pour les roulements de gyroscopes, un dépôt de carbure de titane évite les microsoudures entre les billes et les bagues. On revêt les unes ou les autres, jamais les deux. Par rapport aux fabrications classiques, la durée de vie est multipliée par 20.

On fabrique des roulements en céramique, essentiellement à partir de nitrure de silicium Si₃N₄ pressé à chaud. Les avantages techniques des céramiques sont le faible poids, la faible dilatation thermique, la haute dureté, la résistance à la chaleur, la stabilité dimensionnelle, la haute résistance à la corrosion, en particulier à la plupart des acides, le module d'élasticité très élevé, l'absence de magnétisme, l'isolation électrique. La supériorité des billes en céramique ne se révèle qu'aux vitesses très élevées, essentiellement à cause de la diminution de la pression de contact par effet centrifuge, ou en cas de fonctionnement à sec, ou encore à cause de leur meilleure rigidité.

Les roulements pour hélicoptères sont conditionnés pour pouvoir tourner une heure sans lubrification.