Céramique technique en pratique – Vis en céramique, roulements en céramique et roulements hybrides

Les céramiques techniques sont des céramiques utilisées dans des applications techniques spécialisées. En raison de leurs propriétés spéciales, telles que la résistance aux températures élevées et aux produits chimiques, elles sont souvent optimales dans certaines applications, par exemple, les composants en métal. Cet article présente certaines des applications possibles et traite de la composition et de la production des céramiques techniques.

Que sont les céramiques techniques ?

Les céramiques techniques, également appelées céramiques spécialisées ou céramiques hautes performances, sont optimisées pour les applications techniques. Elles diffèrent des céramiques conventionnelles de par leur pureté, leurs procédés de four et leur taille de grain tolérée, par exemple.

Standardisation des céramiques techniques

Les céramiques techniques sont soumises à diverses normes. Par exemple, les normes suivantes existent pour les céramiques oxydes :

• DIN EN 60672 : définit la classification du groupe, les conditions et les procédures de test. Les exigences minimales pour les propriétés, telles que la résistance à la flexion, sont également spécifiées.
• DIN 40680 : définit les tolérances générales pour les composants en céramique dans le domaine de l’ingénierie électrique.
• DIN EN 14232 : traite les céramiques haute performance et répertorie les termes, y compris les définitions.
• ISO 15165 : contient un système de classification céramique haute performance.

Certaines méthodes de test sont également normalisées. La norme DIN EN 725 contient, par exemple, des spécifications pour les impuretés et la densité, entre autres pour les poudres céramiques haute performance.

Matériaux pour céramiques techniques

La céramique est un terme générique désignant divers matériaux non métalliques et inorganiques. En règle générale, un mélange de poudre de céramique, de liant organique et de liquide est utilisé pour générer un composé brut, qui doit ensuite être durci (par ex. dans un processus de frittage à haute température). Les céramiques peuvent être divisées en trois catégories principales : céramique, céramique frittée et composés céramiques à usage spécifique. Les céramiques techniques font partie des composés céramiques à usage spécifique. En général, les céramiques techniques peuvent être subdivisées en céramiques oxydes et non oxydes, dans lesquelles les céramiques oxydes telles que l’oxyde d’aluminium sont utilisées plus fréquemment. Les céramiques oxydes sont constituées d’oxydes métalliques et se caractérisent par leur stabilité chimique, leur résistance et leur capacité d’isolation électrique. Les céramiques non oxydes présentent une résistance élevée à l’usure (résistance à l’abrasion), une conductivité thermique potentiellement meilleure et une résistance mécanique à la charge. On les divise ensuite en :

• Céramiques de nitrure : Les céramiques de nitrure contiennent de l’azote. Le nitrure de silicium, par exemple, a une résistance élevée aux chocs thermiques et à l’usure. Le nitrure de bore possède un bon pouvoir lubrifiant.
• Céramique de carbure : Les céramiques de carbure contiennent du carbone. Elles sont particulièrement dures, le carbure de bore étant l’un des matériaux les plus durs. Le carbure de silicium possède un point de fusion élevé (environ 2 700 °C) et est chimiquement stable.
• Céramiques de silice : Les céramiques de silice sont à base de dioxyde de silicium. Par exemple, la porcelaine et la stéatite. La stéatite possède de bonnes propriétés diélectriques et est souvent utilisée comme isolant en ingénierie électrique.

Le tableau suivant présente un aperçu de la classification des différents types de céramiques :

Procédés de fabrication des céramiques techniques

Il existe différents procédés de fabrication des céramiques techniques. Le pressage isostatique à chaud (HIP), également appelé frittage à haute pression, est utilisé pour fabriquer des céramiques à très haute densité et à faible porosité.

Cependant, il est également possible d’imprimer des composants en céramique technique directement sur une imprimante. Le processus LCM (fabrication de céramique basée sur la lithographie) utilise par exemple un monomère sensible aux UV et une poudre de céramique comme matière première. Le processus LDM (modélisation par dépôt liquide) implique l’humidification et le compactage de la matière première de la céramique, puis l’application de cette dernière couche par couche à l’aide d’une imprimante.

Propriétés des céramiques techniques

Les propriétés des céramiques techniques en font un choix privilégié dans les applications spécialisées. En raison de leur haute résistance à la température, elles sont adaptées à une utilisation dans des applications à haute température, telles que la production d’énergie. Elles ne perdent pas leur intégrité structurelle lorsqu’elles sont chauffées. Les céramiques techniques sont également chimiquement plus résistantes que les autres matériaux, car elles peuvent être chimiquement inertes.

Cependant, la dureté et la densité élevées de la céramique s’accompagnent d’une résistance réduite à la rupture, qui doit être prise en compte dans la conception :

• les bords tranchants, les angles et les encoches doivent être évités ou au moins minimisés. Ils peuvent entraîner des fissures et des contraintes. Les bords arrondis peuvent, par exemple, être utilisés à la place.
• Les ajustements trop serrés doivent être évités, car ils entraînent également des fissures.
• Lors du perçage, un rayon suffisamment grand doit être prévu pour éviter les contraintes.
• Les céramiques techniques isolent très efficacement l’énergie électrique. Leur utilisation doit être évitée si elle ne correspond pas à l’objectif souhaité.

Les tableaux suivants donnent un aperçu des différentes propriétés des céramiques techniques, en particulier les oxydes d’aluminium, ainsi qu’une comparaison avec d’autres matériaux :

Utilisation des céramiques techniques

Les céramiques techniques sont généralement utilisées pour des exigences spécialisées. En règle générale, les matériaux céramiques sont résistants à la corrosion et à la température, réalisent une isolation électrique et sont relativement légers, résistants à la compression et à l’usure. Si l’on tient compte de l’augmentation de la friabilité de la céramique dans la conception, la résistance mécanique des céramiques haute performance permet non seulement d’économiser du poids et d’utiliser à des températures plus élevées, mais également de réduire la production de chaleur et le bruit de fonctionnement et de prolonger la durée de vie des roulements. Des pièces standard telles que des vis et des rondelles sont également disponibles en céramique technique.

Roulements en céramique et roulements hybrides

Les roulements en céramique sont résistants aux produits chimiques et conviennent aux applications à fonctionnement à sec sans lubrification. Grâce aux excellentes propriétés de roulement des corps de rouleaux en céramique, ils sont parfaitement adaptés aux vitesses de rotation élevées. Les roulements entièrement céramiques ne rouillent pas et ne peuvent pas être influencés par les champs magnétiques, par contre, ils sont sensibles aux chocs et aux contraintes de traction. Parmi leurs applications, on compte notamment les équipements de nettoyage, les équipements de galvanoplastie et les équipements de gravure.

Les roulements en céramique sont disponibles sous forme de roulements entièrement céramiques et hybrides. Les éléments roulants en céramique haute performance ainsi que les bagues de roulement en acier de roulement sont installés dans des roulements hybrides. Par conséquent, un roulement hybride associe les avantages des deux matériaux, améliorant ainsi les performances. Les roulements hybrides sont adaptés à une utilisation à des vitesses de rotation élevées et dans des conditions de lubrification difficiles. Les roulements céramiques et hybrides sont également recommandés à des températures élevées allant jusqu’à 1 000 °C, dans des environnements inducteurs de corrosion, dans une construction légère (jusqu’à 60 % plus légère que les roulements en acier) et lorsqu’une isolation électrique est requise. Cependant, lorsque l’on utilise des roulements en céramique, il est important de noter que ceux-ci se dilatent dans une moindre mesure que les roulements en acier, par exemple. Si des conceptions exposées à des influences de température élevée sont spécifiées pour l’utilisation de roulements en céramique, ils est difficile de les remplacer par des roulements en acier.

Vis en céramique

Outre les propriétés susmentionnées pour les céramiques en général, les vis en céramiques sont également particulièrement convaincantes en raison des propriétés suivantes : électriquement isolantes, non magnétiques et légères, ce qui les différencie des vis métalliques. Elles peuvent être utilisées, par exemple, dans des assemblages électroniques ou dans des applications dans lesquelles les interférences magnétiques ne sont pas souhaitables (par ex. l’électronique, l’équipement médical).

Les vis en céramique sont, par exemple, disponibles dans les variantes suivantes :

• Vis en oxyde de zirconium : très dures, résistantes à l’usure, résistantes aux chocs thermiques
• Vis en oxyde d’aluminium : très dures, résistantes à la température
• Vis en nitrure de silicium : particulièrement légères en raison de leur faible densité

Instructions de montage

Les remarques suivantes doivent être observées pour s’assurer que le composant en céramique est incorporé le mieux possible dans la conception :

• Les composants en céramique sont très sensibles aux chocs ; il convient donc de faire preuve d’une prudence particulière lors de l’installation.
• Toujours serrer les vis en céramique avec un couple de serrage. Elles sont plus fragiles que les vis métalliques, donc le couple doit être inférieur, par exemple 0,04 pour M3, 0,05 pour M4, 0,30 pour M8 et 0,50 pour M10.
• Il est recommandé d’utiliser des rondelles pour une meilleure répartition de la charge.
• L’alignement est particulièrement important pour les roulements à rouleaux : Des charges inégales peuvent entraîner une défaillance prématurée.