Avec l'avancement continu de la recherche sur les matériaux modernes, la demande de réduction de friction a été progressivement satisfaite, et les défis liés à l'entretien difficile et à la nécessité de démonter de nombreux composants pour la maintenance ont été résolus. En conséquence, les gens ont commencé à appliquer de nombreux matériaux durables avec des propriétés d'auto-lubrification sur des pièces mobiles, telles que les roulements, les bushes, bride et les rails de guidage. Ci-dessous, je vais expliquer les principes de l'auto-lubrification et les matériaux impliqués.
Qu'est-ce que l'auto-lubrification
L'auto-lubrification fait référence à la capacité d'un matériau ou d'un composant à réduire la friction et à minimiser l'usure lors de l'utilisation grâce à ses propriétés matérielles inhérentes ou à sa conception structurelle, sans besoin d'application manuelle périodique de lubrifiants.
Méthodes courantes d'auto-lubrification
Matériaux auto-lubrifiants en coating/enfouis : Des matériaux lubrifiants (tels que le graphite ou la disulfure de molybdène) sont pré-enfouis dans le matériau ou appliqués par revêtement. Lors de la friction, le lubrifiant est progressivement libéré sur les surfaces de contact, formant un film lubrifiant qui réduit la friction et l'usure. Des exemples incluent des bushes en bronze rempli de graphite, du nylon imprégné d'huile, et des roulements en poudre métallurgique imprégnés d'huile.
Auto-lubrification intrinsèque au matériau : Sous friction, la surface du matériau génère un film lubrifiant, comme on le voit dans des matériaux tels que le bronze, POM, PTFE, Nylonet PEEK.
Conception structurelle pour l'auto-lubrification : Grâce à des conceptions structurelles spécialisées (telles que micro-pore ou micro-grooves), la lubrification est obtenue lors de la friction en utilisant la déformation élastique du matériau ou des effets hydrodynamiques, comme la conception de pore reteneur d'huile dans les roulements auto-lubrifiants.
Importance de l'auto-lubrification
1. Coûts de maintenance faibles : Pas besoin de réapprovisionnement périodique en graisse ou huile, ce qui réduit les dépenses de maintenance. Adapté aux composants d'équipement difficiles d'accès ou difficiles à entretenir, minimisant les temps d'arrêt et améliorant l'efficacité de la production. Idéal pour les équipements nécessitant un fonctionnement continu dans des industries telles que l'exploitation minière, la métallurgie et la chimie.
2. Convient pour une utilisation dans des environnements à basse température, haute température, vide et à forte poussière. Maintient un fonctionnement stable dans des conditions extrêmes, ce qui le rend adapté aux applications dans l'aérospatiale, la fabrication de semi-conducteurs et l'équipement médical.
3. Aucun système de lubrification complexe n'est requis, simplifiant la conception structurelle et l'usinage, ce qui réduit les coûts de fabrication.
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Matériaux métalliques auto-lubrifiants
Ceux-ci incluent principalement le bronze, le laiton et les alliages à base de zinc.
Les alliages auto-lubrifiants à base de bronze comprennent le bronze à l'étain, le bronze d'aluminium et le bronze au plomb :
Le bronze à l'étain offre d'excellentes propriétés de réduction de friction, de conformabilité et de résistance à la corrosion, ce qui le rend adapté aux applications de friction en glissement impliquant des charges et des vitesses modérées, telles que la machinerie générale, les composants automobiles et l'équipement de transformation alimentaire;
Le bronze d’aluminium offre une grande résistance, une bonne résistance à l’usure et une excellente résistance à la corrosion, ce qui le rend particulièrement adapté aux conditions de forte charge, de forte usure et aux environnements corrosifs, tels que les paliers de tube d’étambot de navire et les composants aérospatiaux ;
Le bronze au plomb possède de bonnes propriétés antifriction et une bonne usinabilité, il convient au travail à froid et est couramment utilisé dans les paliers lisses en atmosphère et en eau douce, mais il est sujet à la fragilité à chaud lors du travail à chaud.
Les alliages de laiton utilisent le zinc comme principal élément d’alliage, avec des éléments de renforcement tels que l’aluminium, le manganèse et le fer ajoutés. Ils offrent une grande résistance et une bonne résistance à l’usure, peuvent supporter d’importantes charges d’impact et conviennent aux paliers autolubrifiants dans les équipements lourds tels que les engins de chantier, les machines minières et les machines de métallurgie.
Les alliages à base de zinc ont une faible densité et une bonne conductivité thermique, ainsi que d’excellentes propriétés autolubrifiantes et des capacités anti-grippage. Ils conviennent aux applications à forte charge et à faible vitesse, bien que la température de fonctionnement ne doive pas dépasser 100°C. Ils sont idéaux pour les applications sensibles au poids et au coût.
Plastiques autolubrifiants
Les plastiques dotés de propriétés autolubrifiantes incluent le POM, le PTFE, le PA, le PEEK, le PPS, et UHMWPE
Le PTFE présente un faible coefficient de frottement à la fois à haute et basse température, une excellente stabilité chimique, et possède des propriétés autolubrifiantes et anti-adhérentes. Il est principalement utilisé dans les joints, les rails de guidage, les paliers et les revêtements de casseroles antiadhésives.
Le POM possède une grande rigidité et dureté, un faible coefficient de frottement et une bonne résistance à l’usure. Il peut fonctionner en continu à des températures allant de -40°C à 100°C et offre une grande stabilité dimensionnelle. Il est couramment utilisé dans les engrenages lubrifiés sans huile, les paliers, les glissières et les pièces mécaniques de précision.
Le PA/Nylon présente un faible coefficient de frottement et une bonne résistance à l’usure. La lubrification par immersion dans l’huile peut encore réduire le frottement, et il peut supporter des températures à long terme jusqu’à 160°C. Cependant, il est hygroscopique et est couramment utilisé dans des composants autolubrifiants tels que les engrenages, les paliers, les joints et les bagues d’étanchéité.
Les composants autolubrifiants en PEEK offrent une résistance élevée à la température, une résistance chimique, une grande solidité et une excellente résistance à l’usure. Le coefficient de frottement peut être encore réduit par l’ajout de graphite ou de PTFE. Ils sont couramment utilisés dans les paliers autolubrifiants, les joints, les engrenages et d’autres composants dans les secteurs de l’aérospatiale, du médical et des semi-conducteurs.
Les pièces autolubrifiantes en PPS se caractérisent par leur résistance à la chaleur, à la corrosion, leur forte cristallinité et leur excellente résistance à l’usure. Le taux d’usure peut être encore réduit par l’ajout de poudre de cuivre ou de PTFE au matériau PPS. Elles sont couramment utilisées dans les vannes, les joints et les paliers dans les industries automobile, électronique et chimique, et conviennent aux environnements à haute température et corrosifs.
L’UHMWPE (polyéthylène de masse molaire très élevée) offre une résistance exceptionnelle à l’usure par glissement et une résistance aux chocs contre les fractures entaillées. Il présente un faible coefficient de frottement, une excellente autolubrification et une bonne résistance chimique, bien que sa résistance soit relativement faible. Il est couramment utilisé dans les paliers, les rails de guidage et les revêtements soumis à une forte usure et à de faibles charges.
Applications des composants autolubrifiants
Grâce à leur caractère sans entretien, leur résistance aux conditions de fonctionnement difficiles et leur conception légère, les composants autolubrifiants sont largement utilisés dans de nombreux secteurs. Voici les principaux domaines d’application :
Nouvelles énergies et automobile : charnières de sièges et de portes, systèmes de direction, ensembles de pédales, amortisseurs, transmissions, plateaux de batteries, systèmes de propulsion électrique et autres composants.
Engins de chantier : composants clés tels que godets, bielles, systèmes hydrauliques, galets porteurs, galets de roulement et roues de guidage dans les pelles, chargeuses, machines à béton et chariots élévateurs.
Robotique : articulations de robots, poignets, chevilles, actionneurs linéaires et autres pièces.
Machines agricoles : systèmes de transmission, ensembles de suspension et composants de travail dans les tracteurs, moissonneuses, semoirs et autres équipements.
Machines pour plastiques : systèmes de transmission et composants de support de moule pour presses à injecter, extrudeuses et équipements similaires.
Machines de transformation alimentaire : composants tels que mélangeurs, bandes transporteuses et machines d’emballage dans les équipements de transformation alimentaire, répondant aux exigences d’hygiène de qualité alimentaire pour éviter la contamination par les lubrifiants.
Revêtements auto-lubrifiants
1. Revêtement DLC
Présente une grande dureté, une friction ultra-faible, une résistance à l’usure et à la corrosion, permettant un fonctionnement dans des environnements sans huile ou à faible teneur en huile.
Principalement utilisé dans la machinerie de précision, les composants de moteurs, les outils de coupe et les moules pour semi-conducteurs.
2. Revêtement CrN
Caractérisé par une bonne ténacité, des propriétés anti-soudure et une résistance à la corrosion, il convient aux applications de friction métal sur métal.
Couramment utilisé dans les matrices d’emboutissage, les outils de coupe et les moules d’injection.
3. Revêtement AlTiN
Présente une dureté ultra-élevée, une résistance à haute température et une résistance à l’oxydation, ce qui le rend adapté à la coupe à sec à grande vitesse.
Largement utilisé dans les outils de coupe, les moules à haute température et les composants aérospatiaux.
4. Revêtement MoS₂
Présente un faible coefficient de friction et une excellente lubrification, ce qui le rend particulièrement adapté aux environnements sous vide, bien que sa stabilité dans des conditions humides et chaudes soit généralement limitée.
Couramment utilisé dans l’aérospatiale et les systèmes de transmission de précision.
5. Revêtements polymères auto-lubrifiants
Principalement composés de matériaux tels que le PTFE (Téflon), ces revêtements offrent une faible friction et une résistance à la corrosion chimique, mais ont une capacité de charge et une résistance à l’usure relativement faibles.
Couramment utilisés dans les joints, les machines de transformation alimentaire et les équipements de traitement chimique.
6. Revêtement par micro-arc oxydation (MAO)
Forme une couche céramique sur les surfaces en alliage léger, offrant une résistance à l'usure, une résistance à la corrosion et des capacités de lubrification avec rétention d'huile.
Couramment utilisé dans les pièces automobiles, les équipements offshore et les composants légers.
En résumé :
Les revêtements DLC et MoS₂ excellent en performance à faible friction ; les revêtements AlTiN et les composites à matrice métallique sont préférés pour les applications à haute température ; et les revêtements par micro-arc d'oxydation (MAO) sont les mieux adaptés pour le renforcement de surface des alliages légers.
Les composants auto-lubrifiants nécessitent-ils de l'huile de lubrification ?
Lors de l'assemblage de composants auto-lubrifiants, une graisse lubrifiante peut être appliquée dans les interstices entre les pièces finies. Cela facilite un meilleur rodage lors de la première utilisation et prévient les dommages dus au rodage. Par la suite, les composants génèrent un film lubrifiant plus épais grâce à la friction, prolongeant ainsi leur durée de vie.
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