Dans cet article, nous parlerons de roulements en céramique, ou plus précisément de roulements céramiques en zircone, en mettant l’accent tout particulier sur le matériau dont ces roulements sont constitués.
Matériaux céramiques à ténacité améliorée
Depuis la découverte et le développement de la zircone stabilisée dans les années 1960, la tenacification par transformation de phase (décrite dans l’article précédent) a été considérée comme une propriété caractéristique de la zircone partiellement stabilisée (PSZ), dopée avec des oxydes tels que l’yttria, la céria ou la magnésie. En résumé, dans la PSZ, les particules ou grains de phase tétragonale sont homogènement dispersés dans la phase cubique. Cette phase tétragonale, métastable donc instable, se transforme en phase monoclinique lorsqu’elle est soumise à des sollicitations mécaniques excessives, ce qui déclenche un mécanisme de tenacification du matériau.
Par la suite, on a compris que ce phénomène pouvait être reproduit dans d’autres matériaux dont la matrice est constituée d’oxydes différents, comme par exemple l’alumine (oxyde d’aluminium), au sein de laquelle sont dispersées des particules de zircone jouant le rôle d’agent de tenacification. En d’autres termes, il existe toute une famille de matériaux céramiques qui peuvent être tenacifiés grâce à l’ajout de particules de zircone, via la transformation de phase (tétragonale → monoclinique) en présence de sollicitations thermo-mécaniques.
Au sein de la communauté technique et scientifique internationale, ces matériaux céramiques tenacifiés par la zircone sont désignés par le sigle ZTC (Zirconia Toughened Ceramics), et sont parfois appelés « aciers céramiques ».
La principale difficulté de leur élaboration réside toutefois dans la capacité à maintenir les particules de zircone en dessous d’une taille critique, condition nécessaire pour conserver la zircone dans sa phase tétragonale métastable qui, comme expliqué plus haut et dans l’article précédent, se transforme en phase monoclinique sous l’effet des sollicitations, déclenchant ainsi le mécanisme de tenacification.
Terminologia della Zirconia
Une terminologie spécifique a été développée pour décrire la zircone stabilisée et les céramiques tenacifiées par la zircone.
Un matériau contenant des particules de phase tétragonale dans une matrice cubique est appelé zircone partiellement tenacifiée, ou plus simplement PSZ (Partially Stabilized Zirconia), précédée du préfixe de l’élément utilisé comme agent stabilisant (par exemple Ca-PSZ, stabilisée avec CaO, Y-PSZ, stabilisée avec Y₂O₃, ou Mg-PSZ, stabilisée avec MgO).
Si l’on ajoute une quantité suffisante d’agent stabilisant, le matériau ne contient plus que la phase cubique et est appelé zircone complètement stabilisée, ou fully stabilized zirconia. Les matériaux qui présentent uniquement la phase tétragonale sont, quant à eux, désignés sous le nom de polycristaux de zircone tétragonale.
Le tableau 1 présente les sigles des différentes variantes de céramiques tenacifiées par la zircone
| Matériaux | Abréviation |
| Zircone tétragonale (polycristalline) | TZP |
| Zircone partiellement stabilisée | PSZ |
| Zircone complètement stabilisée | FSZ |
| Céramiques tenacifiées à la zircone | ZTC |
| Alumine tenacifiée à la zircone | ATZ |
| Zircone tenacifiée par transformation de phase | TTZ |
Comme indiqué dans le tableau 2, chaque composition possède ses propres caractéristiques et peut constituer la solution la plus adaptée à une application donnée
| Propriété | Y-TZP | Ce-TZP | ZTA | Mg-PSZ | 3Y20A |
| Densità (g.cm-3) | 6.05 | 6.15 | 4.15 | 5.75 | 5.51 |
| Durezza (HV30) | 1350 | 900 | 1600 | 1020 | 1470 |
| Résistance à la flexion (MPa) | 1000 | 350 | 500 | 800 | 2400 |
| Résistance à la compression (MPa) | 2000 | – | – | 2000 | – |
| Module de Young (GPa) | 205 | 215 | 380 | 205 | 260 |
| Coefficient de Poisson | 0.3 | – | – | 0.23 | – |
| Ténacité à la rupture (MPa.m-1/2) | 9.5 | 15 – 20 | 4 – 5 | 8 – 15 | 6 |
| Coeff. de dilatation thermique (x10-6 °C-1) | 10 | 8 | 8 | 10 | 9.4 |
| Conductivité thermique (W.m-1.K-1) | 2 | 2 | 23 | 1.8 | 3 |
Pour résumer, on peut distinguer trois familles de matériaux céramiques tenacifiés à la zircone grâce à la transformation de phase tétragonale → monoclinique
1. Céramiques tenacifiées par particules dispersées
Les matériaux de ce type comportent une matrice (par exemple en alumine, ZTA) à laquelle on ajoute un pourcentage d’environ 15% de zircone. Dans ce cas, la stabilisation de la phase tétragonale ne se fait pas par des oxydes dopants comme l’yttria ou la chaux, mais par un traitement thermique associé à un contrôle précis de la taille des particules de zircone. Le traitement thermique permet de conserver la phase tétragonale à température ambiante, en empêchant les particules de se transformer en phase monoclinique pour des raisons de contraintes dimensionnelles. La transformation tétragonale → monoclinique doit, bien entendu, se produire lorsque le matériau est soumis à des sollicitations mécaniques en service. Ce comportement rappelle les traitements thermiques et les transformations martensitiques observés dans les aciers.
2. Zircone partiellement stabilisée
Zircone dopée ou stabilisée avec des agents tels que l’oxyde d’yttrium, de calcium, de magnésium ou de cérium. L’agent dopant favorise la stabilisation de la phase tétragonale, responsable de la tenacification du matériau. En général, on obtient ainsi une matrice majoritairement cubique contenant un pourcentage de phase tétragonale métastable.
3. Zircone polycristalline entièrement tétragonale
Dans les années 1970, il a été montré que des grains inférieurs à un demi-micron, avec de très faibles teneurs en yttria comme agent stabilisant, permettaient d’obtenir des matériaux dans lesquels la fraction de phase tétragonale stabilisée dépassait 98%. Pour bénéficier pleinement de l’effet de tenacification, il est essentiel que la taille des grains ne dépasse pas environ 0,3 µm.
Plus récemment, une autre famille de matériaux céramiques tenacifiés à base de zircone s’est imposée : les nanomatériaux, dans lesquels il est crucial de maintenir la taille des grains en dessous d’environ 110 nm afin d’atteindre des propriétés mécaniques, notamment une ténacité à la rupture, supérieures aux performances des matériaux actuels.
Résistance à la traction de la zircone en fonction de la teneur en yttria
Un aspect fondamental dans l’utilisation des matériaux céramiques est leur faible résistance à la traction. Lorsqu’un roulement est monté par frettage sur un arbre en rotation, il subit la dilatation thermique de celui-ci et se retrouve sollicité en traction ; si cette contrainte dépasse les limites du matériau, elle conduit à la rupture.
La résistance à la traction de la zircone en fonction de la teneur en yttria suit une évolution similaire à celle illustrée par le graphique de la figure 1, avec un maximum autour de 3% en mol (teneur en pourcentage molaire) et des valeurs de résistance à la traction comprises entre 600 et 800 MPa.
Figure 1. Résistance à la traction de la zircone stabilisée en fonction de la teneur en yttria.
Les roulements en oxyde de zirconium
Les propriétés de base des roulements en oxyde de zirconium sont les suivantes:
- Isolation électrique
- Faible conductivité thermique
- Résistance élevée à la corrosion et aux acides, à l’exception des acides fluorés (HF)
- Frottement moyen (HV > 1400)
Résistance aux hautes températures:
- Sans cage (« full complement ») : 500 °C
- Avec cage en PEEK : 300 °C
- Avec cage en PTFE : 250 °C
La figure 2 illustre un programme typique de frittage pour une pièce en zircone. Après une première rampe de chauffage plus lente, destinée à la combustion degli eventuali residui organici, si raggiunge la temperatura di sinterizzazione ottimale, per poi procedere a un raffreddamento controllato fino alla temperatura ambiente.
Figure 2. Programme de frittage de la zircone
La frittage ou cuisson permet aux particules de poudre de subir une transformation de leur arrangement à l’état solide, sans fusion. La migration atomique activée par la température permet la formation de « cols » de liaison entre les particules, qui s’épaississent progressivement jusqu’à ottenere une microstructure dans laquelle les vides (pores) entre les particules sont éliminés, donnant lieu à un matériau à très haute densité.
La figure 3 montre une zone d’un composant en zircone après frittage. On peut y observer la microstructure du matériau céramique, avec les grains et leurs zones de séparation caractéristiques, appelées joints de grain
Figure 3. Micrographie d’un composant en zircone frittée
Le choix des meilleurs composants passe par une connaissance approfondie des matériaux !
