Matériaux à faible frottement pour paliers lisses
Dans un palier lisse, le frottement dépend du couple de surfaces en contact et de ce qui s’interpose entre elles. Une poignée de matériaux seulement présentent, par nature, un faible frottement contre l’acier, le PTFE, le graphite et le MoS₂ en tête ; concevoir un palier revient en grande partie à placer l’un d’eux à l’interface pendant qu’un matériau plus résistant porte la charge.
Les solides au frottement le plus faible contre l’acier sont le PTFE (μ ≈ 0,04–0,10 à sec), le graphite et le MoS₂ (≈ 0,05–0,15), suivis du POM et de l’UHMWPE (≈ 0,15–0,30) et du nylon (≈ 0,20–0,40). Le bronze sur acier se situe à ≈ 0,10–0,20 lubrifié. Aucun de ces solides à faible frottement n’est assez résistant pour porter seul de fortes charges ; les bagues les associent donc à une structure en bronze ou en acier : couches de PTFE et de POM sur acier, plots de graphite dans le bronze, huile dans le bronze fritté.
- Le coefficient de frottement est une propriété du couple de matériaux et des conditions (charge, vitesse, température, lubrifiant), pas d’un matériau seul
- Bagues composites PTFE : μ 0,02–0,20 à sec ; composite POM 0,05–0,25 graissé ; bimétal bronze 0,04–0,15 lubrifié ; bronze coulé 0,08–0,15 graissé
- Faible frottement et faible usure sont deux propriétés distinctes : le PTFE a le frottement le plus bas mais s’use vite non chargé, d’où son emploi en couche mince chargée
- Un film de lubrifiant bat n’importe quel solide : un film d’huile complet donne μ ≈ 0,001–0,01, c’est pourquoi les paliers rapides sont alimentés en huile
Les matériaux comparés
Plages représentatives contre l’acier, tirées de la littérature tribologique et des fiches techniques des bagues de ce site ; les valeurs réelles dépendent de la charge, de la vitesse, de la température, de l’état de surface et de la contamination.
| Matériau | μ à sec contre acier | μ lubrifié | Résistance à l’usure | Capacité de charge | Température | Emploi dans les bagues |
|---|---|---|---|---|---|---|
| PTFE (chargé) | 0,04–0,10 | 0,02–0,05 | Faible non chargé, bonne chargé | Faible seul | −200 à +260 °C | Couche de glissement des bagues composites PTFE |
| Graphite | 0,05–0,15 | — | Bonne | Faible seul | Jusqu’à 400 °C dans l’air | Plots des bagues en bronze graphite |
| MoS₂ | 0,05–0,10 | — | Bonne | Faible seul | Jusqu’à 350 °C dans l’air | Additif des couches de PTFE et des plots |
| POM (polyacétal) | 0,15–0,30 | 0,05–0,10 | Bonne | Modérée | Jusqu’à 100–130 °C | Couche de glissement des bagues composites POM ; bagues massives |
| UHMWPE | 0,10–0,20 | 0,05–0,10 | Très bonne (abrasion) | Faible | Jusqu’à 80 °C | Bagues plastiques massives et chemises |
| Nylon (PA) | 0,20–0,40 | 0,05–0,15 | Bonne | Modérée | Jusqu’à 100 °C | Bagues plastiques massives |
| Bronze (C93200) | 0,25–0,35 | 0,08–0,15 | Bonne | Élevée | Jusqu’à 250 °C | Bagues en bronze coulé, enroulé et fritté |
| Bronze fritté + huile | — | 0,05–0,15 | Bonne | Faible à modérée | Jusqu’à 90 °C | Bagues imprégnées d’huile |
| Bimétal CuPb10Sn10 | — | 0,04–0,15 | Très bonne | Très élevée | Jusqu’à 250 °C dans l’huile | Bagues bimétal |
| Acier trempé | 0,5–0,8 (grippe) | 0,10–0,15 | Excellente | Très élevée | Jusqu’à 350 °C | Bagues en acier trempé, graissées |
Pourquoi le matériau à faible frottement est toujours une couche
Le PTFE flue sous quelques N/mm², le graphite est fragile, et le POM se dilate et se ramollit à la chaleur. Employés seuls, ils font de mauvaises bagues. Lié en couche mince à un dos en acier par l’intermédiaire d’un bronze poreux, le PTFE porte 250 N/mm² en statique parce que la charge ne traverse la couche que sur quelques centièmes de millimètre ; logé en plots dans du bronze coulé, le graphite lubrifie une bague qui porte 50–100 N/mm² parce que c’est le bronze, et non le graphite, qui reprend la charge. Le concepteur de paliers sépare la fonction portante de la fonction antifriction et confie chacune au matériau qui la remplit le mieux.
Quand un film de lubrifiant bat tous les solides
En vitesse et avec une alimentation en huile, un palier lisse forme un film hydrodynamique qui sépare complètement les surfaces ; le frottement tombe à 0,001–0,01 et l’usure à zéro. C’est pourquoi les paliers rapides, coussinets de moteur, de boîte de vitesses et de pompe, sont alimentés en huile et réalisés en bimétal ou en bronze plutôt qu’en PTFE. Sous 0,5 m/s environ, aucun film ne se forme et le palier travaille en lubrification limite, sur ce qui se trouve à l’interface : la graisse et le bronze lui-même, ou un solide autolubrifiant. Les solides à faible frottement comptent dans le régime lent, sec, chaud et sans entretien, là où vivent la plupart des bagues.
Choisir une bague à faible frottement
Identifiez d’abord le régime, puis le matériau.
- À sec, toute température, charge modérée. Composite PTFE : le frottement le plus faible disponible dans une bague, 250 N/mm² en statique, −195 à +280 °C.
- À sec, lourd, lent, chaud. Bronze à plots de graphite : 50–100 N/mm², jusqu’à 400 °C, à ≤ 0,5 m/s.
- Graissé une fois, PV élevé, charge de bord. Composite POM : 22 N/mm²·m/s sous huile, couche tenace, jusqu’à 130 °C.
- Alimenté en huile, rapide. Bimétal : μ 0,04–0,12 sur film d’huile, 8–15 m/s.
- Léger, silencieux, économique, sans corrosion. Bagues massives en POM, nylon ou UHMWPE, ou bronze fritté.
Questions fréquentes
Quel matériau a le coefficient de frottement le plus faible ?
Parmi les solides techniques, le PTFE : environ 0,04–0,10 à sec contre l’acier, moins encore une fois chargé et rodé. Le graphite et le MoS₂ suivent de près. Un film d’huile hydrodynamique les bat tous, à 0,001–0,01.
Pourquoi ne pas faire toute la bague en PTFE ?
Le PTFE flue sous charge et conduit mal la chaleur. En couche mince sur un dos en acier, il porte 250 N/mm² ; en bague massive, il n’en porte qu’une petite fraction et flue à froid.
Faible frottement veut-il dire faible usure ?
Non. Le PTFE a le frottement le plus faible et, non chargé, l’un des taux d’usure les plus élevés. Les matériaux de bagues sont chargés, stratifiés ou garnis de plots pour obtenir les deux.
Quel est le coefficient de frottement d’une bague en bronze ?
Environ 0,08–0,15 graissée, en lubrification limite ; moins sur un film d’huile en vitesse ; 0,25–0,35 à sec, ce qui est un mode de défaillance, pas un point de conception.
Quelle bague a le frottement le plus faible ?
Parmi les types à sec, la bague composite PTFE (0,02–0,20 selon la charge et la vitesse) ; parmi les types lubrifiés, la bague bimétal alimentée en huile sur film complet.
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