Selon le rapport de 2023 d'ASM International, environ 72 % de toutes les défaillances de boîtes de vitesses sont dues à la fatigue des matériaux et aux problèmes d'usure. Le lien entre le comportement des matériaux et les raisons de la défaillance des engrenages est assez direct lorsqu'on l'analyse attentivement. La résistance à la traction indique fondamentalement si un engrenage peut supporter ces forces de flexion constantes sans se rompre, tandis que la dureté de surface détermine s'il résistera aux écaillages ou à l'abrasion dans le temps. Prenons par exemple des engrenages fabriqués en acier faiblement carboné, comme l'acier AISI 1020. Ceux-ci présentent souvent des signes de fatigue en flexion bien avant terme, car leur cœur n'est pas suffisamment dur pour supporter des applications de couple élevé. Lorsqu'il existe ce type d'écart entre les exigences du matériel et ce que les matériaux sont réellement capables d'offrir, certains modes de défaillance ont tendance à se reproduire régulièrement. Les ingénieurs avisés savent que ces phénomènes se produisent de manière prévisible au point que le choix minutieux des matériaux devient presque une seconde nature pour éviter ces problèmes courants.
La défaillance des matériaux due à la fatigue par flexion se produit lorsqu'un matériau n'est pas assez résistant pour supporter des charges de choc soudaines, ce que l'on observe fréquemment avec les aciers entièrement trempés qui manquent tout simplement de souplesse. Lorsque les engrenages ne sont pas correctement durcis, les problèmes d'écaillage s'aggravent rapidement. Des essais le montrent clairement avec des engrenages en acier 1045 classique non traité. La dureté de surface doit être supérieure à 55 HRC pour que ces pièces aient une durée de vie acceptable. La cémentation et d'autres méthodes de durcissement superficiel peuvent porter la dureté de surface au-delà de 60 HRC, mais si la couche durcie n'est pas suffisamment profonde (moins de 0,8 mm), les charges élevées provoquent la formation de petits éclats agaçants appelés écaillages. Et voici un autre point à retenir : l'usure devient très importante lorsque le matériau n'est pas au moins 1,5 fois plus dur que les contaminants présents dans les environnements industriels.
Dans un abattoir du Nebraska, leurs boîtiers de vitesse tombaient régulièrement en panne tous les quelques mois, bien qu'ils utilisaient des composants standards en acier allié AISI 4140. Lorsque des ingénieurs ont cherché à comprendre la cause de ce phénomène, ils ont découvert que la structure de martensite revenue se dégradait rapidement dès que la température dépassait 150 degrés Celsius. En réalité, les pièces d'origine n'avaient pas du tout subi un traitement thermique adéquat. Après avoir remplacé ces pièces par de l'acier 8620 fondu sous vide et traité superficiellement par cémentation, portant la dureté jusqu'à 62 HRC, ces nouveaux engrenages ont duré impressionnant 54 mois avant d'avoir besoin d'être remplacés. L'entreprise a dépensé environ un quart de million de dollars pour cette mise à niveau, mais a économisé près de 18 000 dollars chaque mois en évitant ces pannes coûteuses. Ce résultat est logique quand on y pense, comme le montre l'étude publiée l'année dernière dans le Reliability Engineering Journal sur les matériaux industriels.
Les matériaux utilisés pour les engrenages doivent supporter des contraintes cycliques très intenses sans se déformer de manière permanente. En ce qui concerne les propriétés des matériaux, la résistance à la traction indique essentiellement la quantité de contrainte qu'un matériau peut supporter avant de se rompre complètement, tandis que la limite d'élasticité indique le seuil à partir duquel le matériau commence à se déformer de façon irréversible. Prenons l'exemple de l'acier AISI 4140 : cet alliage en particulier possède une limite d'élasticité d'environ 950 MPa, ce qui signifie qu'il peut supporter des charges dynamiques supérieures à 85 000 Newtons selon les normes d'essai ASTM A370-22. Les directives industrielles de l'AGMA montrent qu'il existe une corrélation entre la dureté de surface et la durée de vie des engrenages soumis à des forces de flexion répétées. La plupart des fabricants visent des aciers traités thermiquement ayant une dureté d'au moins 500 HB, car ces matériaux ont tendance à mieux résister aux cycles extrêmement longs d'exploitation observés dans les boîtes de vitesses industrielles lourdes présentes dans les usines du monde entier.
La cémentation confère aux surfaces une dureté d'environ 58 à 62 sur l'échelle Rockwell, ce qui permet de résister aux éraflures et rayures, tout en maintenant la partie interne du métal plus tendre, d'environ 28 à 32 HRC, afin qu'elle puisse supporter des chocs brusques sans se rompre. Toutefois, lorsque la surface devient trop dure, au-delà de 64 HRC, elle devient fragile et commence à présenter de micro-pièges lorsque des éléments glissent rapidement contre elle. Certaines recherches menées sur des systèmes d'engrenages utilisés dans les mines ont révélé un résultat intéressant : les engrenages traités par cémentation présentaient des variations progressives de dureté entre la surface et le centre, et cette conception a permis de réduire les problèmes de piqûres d'environ trois quarts après 10 000 heures de fonctionnement ininterrompu. C'est ce qu'indique le document de norme AGMA 925-A23 pour ceux qui souhaitent consulter les détails.
| Propriété | AISI 8620 | AISI 4140 | AISI 1045 |
|---|---|---|---|
| Dureté (HRC) | 60 (Cémentation) / 32 | 55 (Traitement intégral) | 25 (Non traité) |
| Résistance aux chocs | 55 J (Charpy) | 28 J | 45 J |
| Indice de coût | 1,8x | 1,3x | 1,0x |
L'acier 8620 trempé en surface offre une ténacité supérieure pour des applications à fort impact, comme les boîtes de vitesses d'éoliennes, tandis que l'acier 4140 trempé dans la masse assure une résistance plus élevée à la flexion pour les systèmes à couple élevé. L'acier 1045 non traité, bien qu'économique, subit une rupture catastrophique sous des charges cycliques dépassant 40 % de sa limite d'élasticité — un facteur critique à prendre en compte dans la conception des transmissions automobiles.
Lors du choix des matériaux pour les composants mécaniques, les ingénieurs doivent prendre en compte des facteurs tels que la résistance, la résistance à l'usure et le type d'environnement auquel la pièce sera exposée. Les aciers alliés tels que l'AISI 4140 et l'8620 sont des options privilégiées pour les pièces soumises à de fortes contraintes, car ils peuvent supporter des efforts de traction compris entre 1 200 et 1 500 MPa, et leurs surfaces peuvent être durcies par cémentation à plus de 60 HRC. Les aciers au carbone comme le 1045 conviennent pour supporter des charges lorsque le budget est une priorité plus que la protection contre la corrosion, bien qu'ils soient moins résistants aux dommages par piqûres que les alliages au nickel-chrome. L'acier inoxydable se distingue dans les environnements chimiques agressifs où d'autres métaux subiraient une corrosion, mais il a une durée de vie moindre sous des cycles répétés de contraintes comparé aux aciers alliés correctement traités thermiquement. Pour les boîtiers nécessitant une atténuation des vibrations, la fonte reste populaire malgré ses problèmes de poids. Par ailleurs, les ingénieurs ont parfois recours au nylon et à des plastiques similaires pour un fonctionnement plus silencieux dans les systèmes où les exigences de couple ne sont pas trop élevées.
| Matériau | Résistance | Résistance à l'usure | Efficacité en termes de coûts | Meilleur usage |
|---|---|---|---|---|
| Acier allié | Extrême | Élevé | Modéré | Engrenages industriels lourds |
| Fonte | Modéré | Moyenne | Élevé | Carter, engrenages à faible vitesse |
| Plastique d'ingénierie | Faible | Variable | Élevé | Léger, non critique |
Les aciers alliés coûtent effectivement environ 30 à 50 pour cent de plus initialement par rapport aux aciers au carbone classiques, mais ils ont tendance à durer beaucoup plus longtemps en utilisation continue, ce qui signifie moins de remplacements dans le temps. Pour les boîtes de vitesses fixes, la fonte grise s'avère en réalité le choix le plus économique à long terme, malgré ce que certains pourraient penser. Ces composants peuvent rester en service 15 à 20 ans dans des conditions normales de fonctionnement sans problème majeur. En revanche, les plastiques techniques semblent très intéressants sur le papier car ils permettent d'économiser environ 40 % au départ pour des pièces légères, mais les coûts de maintenance ont tendance à augmenter dans les environnements soumis à une abrasion constante. De nombreux ateliers se retrouvent à dépenser plus d'argent pour réparer des composants en plastique ultérieurement qu'ils n'avaient économisé au départ.
Les matériaux utilisés pour les boîtes de vitesses doivent bien résister aux variations de température dépassant 150 degrés Celsius dans des environnements industriels réels. Les composants en acier au carbone s'usent plus rapidement lorsqu'ils sont soumis à des cycles constants de charge et de décharge. Lorsque des chocs soudains atteignent un niveau de couple trois fois supérieur au niveau normal, les matériaux ordinaires ne conviennent plus. C'est pourquoi des alliages résistants tels que l'AISI 4340 deviennent nécessaires dans ces situations. Un autre problème courant survient lorsqu'il existe un désaccord entre les taux de dilatation thermique des différentes pièces. Le boîtier se dilate différemment des engrenages eux-mêmes, ce qui provoque parfois un blocage complet. C'est en réalité l'une des principales causes de défaillance des boîtes de vitesses planétaires lorsqu'elles ne sont pas correctement conçues pour leur application spécifique.
Les aciers inoxydables et les alliages à base de nickel empêchent la fissuration par corrosion sous contrainte induite par les chlorures dans les boîtes de vitesses marines, où l'exposition à l'eau salée réduit la durée de vie des aciers au carbone de 63 % (ASM International 2023). Dans le traitement chimique, les aciers super duplex surpassent les variantes standard en acier inoxydable 304 en résistance à la piqûre causée par les fluides de refroidissement acides.
Lorsqu'il est utilisé dans les boîtes de vitesses d'éoliennes fonctionnant à des vitesses supérieures à 20 mètres par seconde, l'acier AISI 8620 trempé maintient les taux d'usure en dessous de 0,1 %. Qu'est-ce qui rend ce matériau si efficace ? Eh bien, il possède des couches superficielles durcies dépassant 60 HRC tout en conservant un cœur d'environ 30 HRC. Cela crée un bon équilibre entre résistance à l'usure et empêchement de la propagation des fissures dans le métal. Pour les opérations minières concernant les systèmes de convoyage exposés à la poussière abrasive de silice, l'application de revêtements en carbure peut faire toute la différence. Les engrenages traités de cette manière durent environ huit fois plus longtemps que leurs homologues non revêtus fabriqués en acier allié ordinaire. Ce niveau de durabilité se traduit directement par moins de remplacements et une réduction des temps d'arrêt pour maintenance dans certains des environnements industriels les plus sévères existants.
Les techniques de durcissement de surface augmentent la longévité des composants en rendant les surfaces extérieures résistantes à l'usure sans compromettre la flexibilité des matériaux internes. En ce qui concerne la cémentation, ce procédé ajoute du carbone aux aciers faiblement alliés généralement aux alentours de 900 à 950 degrés Celsius, créant ainsi des couches superficielles résistantes nécessaires pour les engrenages soumis à de fortes charges. Une autre méthode est la nitruration, lors de laquelle de l'azote est absorbé par la surface métallique à des températures comprises entre 500 et 600 degrés Celsius. Selon une recherche publiée dans Tribology International en 2022, cela peut rendre les pièces environ 40 pour cent plus résistantes à la fatigue lors d'opérations à haute vitesse. Pour les pieds de dent d'engrenage spécifiquement, le trempage par induction se distingue comme une solution efficace. Il utilise des champs électromagnétiques pour cibler des zones précises à durcir, et s'est révélé particulièrement efficace contre les problèmes de fatigue en flexion apparaissant lors de cycles de chargement répétés.
Le traitement thermique modifie les structures cristallines afin d'optimiser les performances. La cémentation transforme l'austénite de surface en martensite, atteignant une dureté de 60-65 HRC tout en conservant un cœur ductile. Un revenu excessif réduit l'austénite résiduelle à moins de 15 %, minimisant ainsi l'initiation de microfissures. Un refroidissement contrôlé empêche la précipitation des carbures aux joints de grains, prolongeant la durée de vie du train planétaire de 30 à 50 % par rapport aux composants non traités.
Lorsque le grenaillage de précontrainte est appliqué, il crée des contraintes de compression importantes d'environ -800 MPa, ce qui aide à empêcher la formation de fissures dans les pignons solaires soumis à des chocs torsionnels soudains. Pour la finition de surface, le polissage de précision atteint des valeurs Ra inférieures à 0,4 micron. Cela revêt une grande importance, car des surfaces plus lisses réduisent les problèmes de lubrification dans les applications de vis sans fin à haute vitesse, où l'huile ne reste pas suffisamment longtemps en place. Les nouveaux revêtements minces, comme le DLC (carbone de type diamant) dopé au tungstène, font chuter les coefficients de friction entre 0,08 et 0,12. Ces revêtements modernes surpassent largement les traitements phosphatés traditionnels en matière de protection contre les rayures pendant la période critique de rodage initial des engrenages.
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