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Les alliages à base de plomb sont généralement plus fragiles, moins durs mais aussi moins chers que ceux à base d'étain. Ils sont aussi beaucoup plus sensibles à la corrosion par les huiles acides et il est bon de les protéger par un dépôt d'indium. La base étain est préférable quand les charges statiques sont élevées, la base plomb quand la vitesse est faible. Si l'on craint les efforts alternés, il faut employer les antifrictions sensibles à la fatigue sous forme de couches minces de 0,6 à 0,8 mm d'épaisseur. Leur température limite d'utilisation se situe aux environs de 100 à 150 °C.
Antifrictions à base de plomb.
Ils contiennent de 60 à 95 % de plomb et toujours de l'antimoine, de 4 à 22 %, pour augmenter la dureté. On trouve ensuite jusqu'à 40 % d'étain, moins de 4 % de cuivre, parfois 1 à 3 % d'arsenic pour améliorer la tenue à chaud et un peu de nickel, de cadmium ou de bismuth.
Alliages plomb-étain-antimoine : l'étain forme avec l'antimoine la combinaison SbSn en cristaux cubiques relativement durs et enchâssés dans une matrice tendre. L'étain, de 5 à 12 %, améliore les caractéristiques mécaniques et l'antimoine, de 12 à 18 %, la dureté. On ajoute souvent du nickel, mais pas trop sous peine de graves mécomptes par usure abrasive. La présence de sodium procure une structure plus fine et un peu de graphite, des propriétés autolubrifiantes utiles en cas de panne de graissage. Le cadmium, à raison de 1 à 2 %, donne aux eutectiques formés une grande finesse. Moins de 1 % de cuivre suffit à augmenter la dureté.
Une composition type serait : Pb 80 %, Sn 6 %, Sb 14 %. À titre d'exemple, le Lager Metal Thermit contient : Pb 75 %, Sn 6,5 %, Sb 15 % avec des additions faibles de Cd, Cu, Ni, As.
Alliages plomb-antimoine : ils contiennent au moins 12 % d'antimoine pour être assez durs mais jamais plus de 25 % pour ne pas être cassants.
Antifrictions à base d'étain.
On y trouve de 60 à 90 % d'étain, presque toujours avec de l'antimoine, de 4 à 11 %, et de 1 à 10 % de cuivre. On y trouve assez souvent du nickel et parfois un peu de plomb. Ces alliages ont une bonne plasticité qui leur permet d'absorber les particules abrasives, résistent bien à la corrosion et se polissent facilement par usinage. On note comme inconvénients un manque de dureté à chaud et de résistance à la fatigue, et un prix élevé.
Une composition type ressemble par exemple à Sn 88 %, Cu 4 %, Sb 8 %. Un alliage excellent pour les ambiances poussiéreuses contient : Sb 20 %, Sn 75 %, Pb 2-3 %, Cu le solde.
Plombs durcis.
Ils sont surtout répandus en Allemagne. Un très fort pourcentage de plomb (de 96 à 99 %) est allié avec des métaux alcalins ou alcalino-terreux : toujours un peu de calcium pour la dureté, du baryum, du sodium, du lithium, du potassium, éventuellement du magnésium ou même de l'aluminium.
La préparation de ces alliages est délicate mais ils ont d'excellentes qualités frottantes et une assez grande dureté. Ils sont très économiques mais facilement attaqués par les huiles. Notons aussi qu'ils perdent l'essentiel de leurs propriétés par refusion à cause de la perte au feu. Voici quelques exemples :
- FRARY : Ca 1 %, Ba 2 %,
- SATCO : Sn 2,4 %, Ca 0,15 %, K 0,07 %,
- SATCO : Sn 1,5-2 %, Ca 0,5 %, Ni 0,5 %, traces d'Al, Li, Hg,
- LURGI : Ca 0,4 %, Ba 2,8 %, Ni 0,3 %,
- BAHNMETAL : Ni 0,6 %, Ca 0,7 %, Li 0,06 %, Al 0,02 %,
- AKRON : Ca 0,75 %, Ni 0,5 %, Li 0,04 %, Pb le solde.
Métaux de frottement divers.
On ne peut les citer tous. Parmi eux :
* plusieurs alliages de titane sont irremplaçables pour certains problèmes de corrosion ou de température élevée.
* le cadmium employé à partir de 1935 comme base d'alliages antifriction avait alors un prix très inférieur à celui de l'étain, actuellement c'est tout le contraire et de plus, il est très toxique ! Le cadmium adhère bien sur l'acier, le bronze et le laiton. Facilement attaqué par certaines huiles de graissage, on le protège comme le plomb par une couche d'indium. Les alliages contiennent du nickel, de 1,35 % (Arsarcalloy américain) à 3 %, ou 3 % de cuivre. Ce dernier est très oxydable à la fusion, ce que l'on corrige par un peu d'argent ou, au détriment de l'adhérence sur l'acier, par de l'aluminium.
* les antifrictions à base d'argent, étudiés pendant la guerre en Allemagne. L'argent allié au cadmium ou mieux au plomb ou à l'antimoine, résiste mieux au grippage que s'il est pur et possède alors une capacité de charge supérieure à celle du cupro-plomb. Malgré leur prix élevé, ces alliages ont été employés aux USA sur des moteurs d'avions et de chars sous forme de coussinets d'acier plaqués par coulée et laminage.
Carbones, graphites et diamant.
Carbones.
Les carbones sont traités vers 1000 à 1200 °C, les graphites vers 2500-3000 °C. Ces produits très divers, massifs, composites, souples, ... caractérisés par leur grande inertie chimique et leur capacité de fonctionner à sec, sont inégalables dans de multiples circonstances :
Graphites.
On a coutume de distinguer les graphites selon leur origine, naturelle ou de synthèse mais il existe dans chacune de ces deux catégories des produits fort différents :
Seuls les graphites naturels macromoléculaires et les graphites synthétiques primaires sont utilisables dans le domaine du frottement. Encore faut-il qu'ils ne contiennent d'impuretés abrasives telles que le quartz, l'alumine, etc. Notons cependant que pour certaines applications très particulières, on introduit volontairement dans des graphites synthétiques spéciaux un faible pourcentage de particules abrasives de manière à créer une usure douce qui va se révéler protectrice vis-à-vis d'autres formes d'usure beaucoup plus destructrices.
Les carbones et graphites sont de bons lubrifiants grâce aux produits adsorbés. Le coefficient de frottement sur les métaux atteint 0,5 après dégazage, ce qui est très élevé, mais il s'abaisse très fortement en présence d'oxygène et surtout de vapeur d'eau. Ceci vaut également pour l'usure : à haute altitude, la vitesse de dégradation des balais de moteurs électriques est multipliée par 100 ou plus. Malgré cela, il n'y a jamais de véritable grippage.
Le graphite est indiqué en cas de frottement sec mais aussi avec lubrification. On peut par exemple construire des roulements avec des billes en acier et des billes en carbone qui procurent une certaine lubrification avec ou sans graisse.
Le graphite polycristallin traité contre l'oxydation est utilisé à sec sous forme de blocs jusque vers 400-600°C dans l'air et, en atmosphère réductrice, jusqu'à 1 000°C. Les freins d'avions atteignent cette température sans traitement dans l'air mais pendant des temps très courts. Il s'agit là de composites carbone-carbone dont le comportement est excellent contre l'acier.
Les carbones et graphites permettent de réaliser d'excellents joints d'étanchéité capables de remplir leur fonction à sec et à haute température. Les formes possibles sont des anneaux, mis en contact axialement sur la pièce antagoniste également annulaire, ou alors un ensemble de segments rappelés en contact sur un arbre par des ressorts, avec des formes qui peuvent être passablement compliquées.
Les carbones sont rarement utilisés purs dans les coussinets, mais plutôt en combinaison avec du plomb et du cuivre. Il faut toujours prendre garde aux dilatations différentielles : en effet, ils se dilatent très peu et il faut prévoir des fixations spéciales pour les pièces massives si la température est élevée.
La firme américaine Graphite Metallizing Corporation propose sous la marque Graphalloy ® une série de matériaux capables de frotter à sec dans une large gamme de températures (de -240º à 800º C). Ces matériaux sont vendus sous forme de pièces standard comme des coussinets ou des frotteurs et sont utilisables pour de très nombreuses applications. Voir http://www.graphalloy.com/
Une autre firme, Metallised Carbon Corporation, propose des matériaux à base de carbone et de graphite imprégnés de cuivre. On peut en faire des coussinets et autres pièces de guidage capables de fonctionner à sec, sans aucune lubrification, y compris dans des ambiances poussiéreuses. Les températures admissibles peuvent atteindre 200 à 400 °C, ces matériaux possèdent une bonne stabilité dimensionnelle, une grande résistance à la compression et une conductivité électrique élevée.
Les nuances Metcar M-343 and M-346 sont des graphites imprégnés d'antimoine destinés aux environnements interdisant ou limitant sérieusement l'usage des huiles et des graisses ; ils sont destinés aux applications à haute température ou en immersion, y compris dans divers produits chimiques. Leur résistance à l'usure est très bonne et ils sont utilisables pour réaliser des coussinets, des joints d'étanchéité, etc.
Voir http://www.metcar.com/
Diamant.
Le diamant n'est pas un matériau de frottement au sens habituel du terme mais il n'en possède pas moins d'intéressantes propriétés tribologiques, entre autres un coefficient de frottement remarquablement faible.
Alors que l'on explique de façon satisfaisante les propriétés frottantes du graphite, il n'en est pas de même pour le diamant, dont la structure cristalline ne constitue pas a priori un avantage. On avançait jusqu'ici l'hypothèse d'un changement de phase en surface, qui transformerait localement le diamant en graphite, créant ainsi une couche lubrifiante, mais aucune étude n'a pu confirmer cette hypothèse. Les dernières études montrent que le très bas coefficient de frottement est plutôt dû à la présence d'une couche de molécules d'eau adsorbées ; d'ailleurs, le coefficient de frottement est plus élevé lorsque l'humidité du milieu devient insuffisante.
Cependant, même dans des conditions de sécheresse relative, le coefficient de frottement de deux films nanocristallins de diamant frottant l'un contre l'autre est d'environ 0,01, plus faible que celui d'un patin sur la glace. Les recherches en cours sont orientées vers la mise au point d'une nouvelle génération de matériaux industriels très durs et à faible frottement.
Silicium.
Ce matériau est capable de fonctionner sans lubrification, on l'utilise pour cela en horlogerie de luxe (Montres Patek Philippe) pour réaliser les roues d'ancre.
Céramiques.
Un chapitre spécial est consacré à l'étude de ces matériaux :
Divers auteurs font remarquer que les utilisations des céramiques en frottement ne reposent aujourd'hui que sur des critères subjectifs : par exemple, leur dureté est souvent considérée comme synonyme de bonne résistance à l'usure et au frottement, mais c'est loin d'être évident.
En fait, de nombreuses questions n'ont pas encore reçu de réponse et la bibliographie est parfois totalement contradictoire et en tous cas très insuffisante. Soyez circonspects à propos des informations publiées à partir de certaines sources, car les céramiques sont des matériaux « sensibles » sur lesquels, entre autres, les militaires gardent un œil attentif. Il peut se faire que les données mises à disposition du « public » soient volontairement tronquées ou biaisées. Si pour un même matériau, utilisé dans les mêmes conditions, vous trouvez des conclusions différentes, vous pouvez déduire assez facilement que l'une au moins de vos deux sources ment.
On a la certitude que l'oxydation des céramiques joue un grand rôle dans le frottement. Toutefois, les mécanismes d'adhésion sont encore très mal élucidés, en particulier les transferts métal-céramique et céramique-céramique qui peuvent former des 3e corps utiles ou au contraire nuisibles au frottement ...
Les céramiques sont utilisées sous forme de placages ou de blocs, ou encore sous forme de mélanges comme les cermets. Elles sont caractérisées par leur grande dureté, leur bonne tenue en température et leur inertie chimique.
Le frottement céramique sur céramique est mis à profit pour les problèmes d'abrasion et/ou de température élevée et/ou d'ambiance chimique agressive : joints à glace de robinets mélangeurs, systèmes d'étanchéité sur fours de calcination, joints et paliers pour l'industrie chimique, prothèses articulaires ...
On utilise les céramiques contre d'autres matériaux surtout pour lutter contre l'usure : outils, filières, guide-fils, appareils de sablage, pistons ou têtes de pistons automobiles, butées, coussinets, ... Leur emploi en couches minces est délicat en raison de leur fragilité et des dilatations différentielles. De nombreux problèmes nécessitent actuellement le recours à des pièces frittées en carbure de tungstène ou en matériaux analogues.
Le matériau Sealide développé par Sealol est réalisé selon un procédé spécial à partir de carbures. Il est très dur et capable de frotter avec des valeurs du produit pression x vitesse (pV) très élevées sur lui-même ou mieux sur du carbure de tungstène. Applications : essentiellement garnitures mécaniques d'étanchéité avec risque d'abrasion par des liquides chargés.
Bien se rappeler que l'utilisation de matériaux plus ou moins fragiles, céramiques, polymères, composites est toujours contrariée en frottement par une inéluctable tendance à la fissuration.
Matières plastiques.
Elles sont utilisées sous forme de matériaux purs massifs, de composites chargés de poudres, de tissus de frottement ... Leur comportement est fonction de phénomènes particuliers :
Grosch a montré que pour la plupart des matières plastiques le coefficient de frottement augmente avec la vitesse pour passer par un maximum puis redescendre : les radicaux superficiels s'oxydent et donnent des composés qui modifient le comportement physico-chimique des surfaces, d'où l'augmentation de ces coefficients de frottement. Au-delà du maximum survient une dégradation accélérée et irréversible. Le coefficient de frottement varie aussi beaucoup avec les pressions superficielles.
On ne lubrifie les plastiques que par des fluides parfaitement résistants à l'oxydation et dont la tension superficielle est inférieure à celle de la matière plastique à lubrifier, par exemple des huiles silicone bien choisies. Le classement en fonction de la tension critique de mouillage correspond à la qualité du frottement. L'usure est régie par l'état de l'antagoniste et la composition du troisième corps formé dans l'interface.
Les thermoplastiques utilisables sont très variés : polyéthylène à haute densité, polyacétals, polyamides, polytétrafluoroéthylène, polyoxyde de phénylène, polycarbonate, polyphénylène sulfure, polyaryl sulfone, poly(amide-imide) ...
Parmi les thermodurcissables on trouve : résines phénoliques, polyesters, résines époxydes, silicones, polyimides ...
Les polymères sont rarement utilisés purs, mais avec des charges appropriées : on peut considérablement réduire le frottement en incorporant du graphite, du bisulfure de molybdène, du fluorure de graphite (CFx), du PTFE. On améliore les propriétés thermiques par des poudres de bronze, d'argent ou de graphite et les caractéristiques mécaniques avec des fibres d'amiante, de verre, de carbone, de textiles, du mica, des métaux, des oxydes ...
Polytétrafluoroéthylène ou P.T.F.E..
Connu sous le nom de Teflon (marque déposée Du Pont de Nemours), il peut être utilisé à sec jusqu'à 250 °C. Le coefficient de frottement peut descendre jusqu'à quelques centièmes seulement si la vitesse ne dépasse pas quelques mm par minute. Si l'on dépasse cette vitesse il augmente et si ensuite on la diminue, la valeur initiale n'est retrouvée (quand elle l'est) qu'après un certain temps de « récupération ».
Le coefficient de frottement du P.T.F.E. sur la neige est particulièrement bas, d'où son emploi pour les skis. Chargé de fibres de verre, il donne sur des surfaces chromées un coefficient de frottement qui varie de 0,02 à 0,04, l'une des applications classiques étant le lancement des ponts par poussage. Avec des charges à base de bisulfure de molybdène ou de polyimides, sur des pièces chromées ou en PVC, on trouve f=0,008 sous fortes pressions et à vitesses très lentes.
L'inconvénient majeur du P.T.F.E. est son important fluage sous charge. Les coussinets Eleslide de Edlan Elekem pallient cet inconvénient : sur une carcasse métallique roulée, épaisse de 3 mm, le P.T.F.E. graphité à 25 % est retenu par des rainures et collé au métal par un adhésif puissant. Il supporte alors des charges de 30 N/mm2 et vieillit bien.
Thermoplastiques fluorés.
Utilisés sous forme massive ou en revêtements, ils donnent de très bas coefficients de frottement et possèdent une tenue intéressante aux températures élevées. Pour des applications telles que les glissières de machines-outils, il ne faut pas dépasser une pression de 200 N/cm2.
Des matériaux composés à base de polymères fluorés ont été employés abusivement ces années dernières, souvent sans essais préalables. Il en est résulte de bien cuisants échecs.
Autres matières plastiques.
Pour la plupart, elles ont une bonne résistance au grippage, une grande inertie chimique et peuvent fonctionner avec peu ou pas de lubrifiant. Leur élasticité permet d'amortir les chocs et les vibrations mais leur résistance mécanique modeste interdit de leur appliquer des charges importantes.
Attention ! les matières plastiques ne sont pas forcément des matériaux très bon marché ...
Thermoplastiques.
La famille des résines acétal donne d'intéressants matériaux comme le Delrin..
Ces résines de type « polyoxyméthylène » se distinguent particulièrement dans les environnements humides en raison de leur faible reprise d'humidité. Elles conviennent particulièrement pour la fabrication de pièces mécaniques lorsque la stabilité dimensionnelle est très importante, car elles supportent des contraintes mécaniques élevées, y compris dans le cas du fluage, et leur rigidité est relativement élevée. D'une manière générale les compositions de type homopolymère sont plus rigides que les compositions de type copolymère.
Les résines acétal sont faciles à usiner, elles résistent bien aux chocs, à la fatigue et aux solvants organiques. Ce sont par ailleurs de bons isolants électriques. Elles présentent en général des facteurs de frottement plutôt faibles vis-à-vis des métaux et une bonne résistance à l'usure.
Lorsqu'elles sont mises en œuvre à l'état pur, les résines acétal sont aptes au contact alimentaire et à certaines applications médicales. On peut leur adjoindre des fibres de verre pour améliorer leurs caractéristiques mécaniques ou des résines fluorées pour abaisser le frottement.
Principales utilisations : pièces de guidage, coussinets, cages de roulements, roues dentées, supports isolants, etc.
Thermodurcissables.
Dans la famille des plastiques thermodurcissables, on trouve les résines phénoliques. Le Celoron ou la Textolite sont des matériaux de frottement faits de tissus de coton imprégnés de résines. On les trouve sous forme de plaques et de ronds usinables à la forme souhaitée. On peut les lubrifier à la graisse mais également avec l'eau ou les émulsions aqueuses et on en fait aussi bien de petits engrenages que des coussinets de laminoirs ou des paliers de sortie d'arbre d'hélice de bateaux.
Élastomères.
Élastomères pour joints d'étanchéité.
Outre les problèmes de frottement qu'il faut résoudre, les joints fonctionnent dans des milieux chimiques plus ou moins agressifs, à des températures très basses ou au contraire très élevées, etc. Le choix du bon matériau est donc très important.
Contrairement à ce que l'on pourrait penser, les élastomères laissés sous charge pendant de longues périodes peuvent être le siège de déformations permanentes entraînant une dégradation de leurs propriétés frottantes ; les joints toriques sont fréquemment victimes de ce phénomène.
Bois.
Aux États-Unis et en U.R.S.S., mais très peu en France, on utilise encore des coussinets en bois dur de noyer ou de chêne imprégné après séchage de cires ou de graisses, et des coussinets en bois comprimé puis imprégné de résines phénoliques. Ces matériaux ne sont pas forcément archaïques !
Le gaïac, bois tropical très dense et très dur, est appelé « bois de fer ». Malgré son prix très élevé, on l'a longtemps utilisé pour les paliers de sortie d'arbres d'hélice de bateaux. L'eau le lubrifie car il contient une huile naturelle qui exsude par frottement. L'azobé est un autre bois tropical, un peu moins dur que le précédent mais très résistant à l'usure. L'une de ses applications a été les pistes de roulement du métro sur pneus.
Les coussinets en bois durs POBCO-B Bearings peuvent être usinés à toutes les formes possibles avec une précision de l'ordre de 0.02 mm. Ils ne contiennent aucune substance toxique, résistent bien à l'eau, aux acides faibles et à la plupart des produits alcalins. Les particules qui parviennent jusqu'à la surface frottante sont rapidement « noyées » dans la structure du bois ; ces matériaux résistent donc très bien à l'usure et à la corrosion.
Métaux frittés.
Des poudres métalliques sont comprimées à la forme voulue dans une matrice puis chauffées jusqu'à obtenir des micro soudures, mais en dessous cependant de la température de fusion. Cette méthode de fabrication est appelée frittage. Selon les conditions, la porosité peut atteindre 35 %. Pour l'usage en frottement, les pores sont remplis par un lubrifiant, huile ou graisse, amené par capillarité au contact de la pièce antagoniste.
La température d'utilisation ne dépasse généralement pas 70 °C. La charge de lubrifiant convient généralement pour quelques centaines d'heures, après il faut la renouveler.
Contrairement aux affirmations de certaines publicités, on n'obtient pas de lubrification hydrodynamique car un film d'huile sous haute pression, s'il pouvait exister, serait chassé dans les pores. Par contre, la présence d'une réserve de lubrifiant rend les frottements bien plus faibles que dans le cas du graissage onctueux. On a pu qualifier ce mode de fonctionnement de « pseudo-hydrodynamique ».
Les matériaux les plus couramment utilisés sont la poudre de fer pure ou additionnée pour améliorer la cohésion de 5 à 10 % de cuivre, et la poudre de bronze à 10 % d'étain. On trouve toute une gamme de coussinets standardisés que l'on emmanche dans des alésages précis, afin que la contraction radiale qui en résulte laisse avec l'arbre un jeu bien déterminé.
On trouve aussi des blocs frittés usinables à la demande. Cette opération qui bouche les pores et réduit l'arrivée d'huile dans les zones chargées est déconseillée. L'usure aussi peut boucher les pores, ce qui explique de sérieux grippages dans le cas de charges tournantes, ou si après avoir fait fonctionner avec succès un coussinet dans des conditions données, on change ces dernières : par exemple, si on inverse la rotation de l'arbre ou si on remonte un coussinet démonté dans une autre position angulaire.
Signalons un emploi de coussinets en fer fritté, cémenté, trempé et cadmié comme antagoniste d'axes chromés (machines à calculer Olivetti). Cette solution diminue la corrosion de contact.
Matériaux composés.
Dans de nombreuses situations, les matériaux homogènes ne présentent pas toutes les caractéristiques nécessaires pour résister au frottement et à l'usure ; les ingénieurs et chercheurs se sont orientés très tôt vers des matériaux polyphasiques ou composites. Par exemple, le PTFE pur est très décevant contre un métal si la vitesse de glissement dépasse quelques cm/s. Les propriétés s'améliorent notablement si on lui incorpore des charges.
La liste des matériaux composés est longue et non limitative !
Utilisation de nanoparticules.
Le brevet US Patent 7429418 (Porous friction material incorporating nanoparticles) déposé par la société BorgWagner décrit un nouveau type de matériau de friction destiné aux applications automobiles. On y trouve :
Garnitures de friction.