Les engrenages forgés sont essentiels dans les secteurs éolien, minier et maritime pour leur robustesse et leur durabilité. Le choix du matériau approprié dépend de facteurs tels que la charge appliquée, l’environnement d’exploitation, les conditions de lubrification et la durée de vie prévue de l’engrenage.
Cet article examine les principales exigences de performance et compare les meilleurs matériaux pour engrenages en termes de résistance, de résistance à l’usure, de protection contre la corrosion et de durée de vie en fatigue.
Introduction aux engrenages forgés
La fabrication des engrenages forgés repose sur un procédé appelé forgeage, qui consiste à chauffer et à façonner le métal sous haute pression. Ce procédé aligne la structure granulaire du métal sur les contours de l’engrenage, ce qui permet d’obtenir des pièces présentant une résistance, une résistance aux chocs et une durée de vie en fatigue supérieures à celles des engrenages moulés ou usinés.
Les techniques de forgeage couramment utilisées comprennent :
- Forgeage à matrice ouverte (pour les ébauches d’engrenages de grande taille)
- Forgeage à matrice fermée (pour les engrenages de précision)
- Laminage de bagues (pour les couronnes dentées de grand diamètre)
Applications :
- Éoliennes (réducteur principal, mécanismes d’orientation et de pas)
- Équipements miniers (pelles, concasseurs, draglines, convoyeurs)
- Systèmes marins (engrenages de propulsion principaux, propulseurs, treuils)
Exigences clés pour les engrenages forgés dans les industries exigeantes
Les engrenages forgés utilisés dans les secteurs éolien, minier et marin sont soumis à des conditions extrêmes. Pour une fiabilité à long terme et une efficacité opérationnelle optimale, les performances et les qualités de matériaux suivantes sont essentielles :
Capacité de charge
Les engrenages haute performance doivent supporter des couples extrêmement élevés et des charges mécaniques cycliques sans se plier, se fissurer ni se déformer plastiquement. Ceci requiert une résistance à cœur élevée et une structure granulaire optimisée.
Résistance à l’usure
Les engrenages effectuent des millions de rotations au cours de leur durée de vie. Les matériaux doivent conserver leur intégrité de surface sous l’effet du frottement et des contraintes de contact, minimisant ainsi l’usure des dents et la corrosion par piqûres.
Résistance à la fatigue
Des microfissures se propageant avec le temps peuvent être causées par des cycles de contrainte répétés. Les matériaux doivent résister à la rupture par fatigue pour garantir leur longévité dans des environnements soumis à des cycles élevés ou à des chocs.
Résistance à la corrosion
L’exposition à l’humidité, aux produits chimiques ou aux embruns salés, fréquente dans les applications marines et éoliennes offshore, exige des matériaux résistants à l’oxydation, à la corrosion par piqûres et à la corrosion caverneuse sur de longues périodes.
Résistance à la température
Les engrenages forgés utilisés dans les éoliennes, les foreuses minières ou les moteurs sous-marins doivent fonctionner sur une large plage de températures, en conservant leur résistance et leur stabilité dimensionnelle sous l’effet des cycles thermiques.
Matériaux courants pour engrenages forgés et leurs propriétés
Voici un tableau comparatif des matériaux couramment utilisés pour les engrenages forgés dans ces secteurs :
| Matériau | Résistance à la traction (MPa) | Dureté (HRC) | Résilience | Résistance à la corrosion | Résistance à la fatigue | Coût ($/kg) |
| 42CrMo4 (4140) | 655–1100 | 28–38 | Haute | Faible | Très élevée | 2.0–2.5 |
| 34CrNiMo6 | 900–1200 | 32–45 | Haute | Moyenne | Très élevée | 3.5–4.0 |
| AISI 9310 | 1100–1400 | 36–50 | Modérée | Faible | Excellente | 4.5–5.0 |
| ASTM A182 F6a | 550–620 | 22–30 | Modérée | Élevée | Modérée | 6.0–7.5 |
| ASTM A182 F51 | 750–900 | 28–35 | Modérée | Excellente | Modérée | 8.5–10.0 |
| Super Duplex | 800–1000 | 28–32 | Haute | Excellente | Haute | 10.0–12.0 |
| Nitralloy 135M | 1050–1300 | 35–50 (nitruré) | Haute | Moyenne | Excellente | — |
Engrenages forgés pour éoliennes
Les engrenages des éoliennes sont soumis à des conditions de faible vitesse et de couple élevé. Le réducteur principal doit transmettre efficacement l’énergie du rotor au générateur, tandis que les mécanismes d’orientation et de tangage assurent l’alignement avec la direction du vent.
Exigences relatives aux matériaux
- Dureté superficielle élevée (pour une bonne résistance à l’usure)
- Bonne ténacité à cœur (pour une bonne résistance aux chocs)
- Faible fragilité à basse température
- Compatibilité avec la cémentation (carburation ou nitruration)
Matériaux recommandés
- 34CrNiMo6 : Offre une ténacité et une résistance à la fatigue élevées, couramment utilisé pour les arbres principaux et les engrenages des éoliennes.
- AISI 9310 : Ses excellentes propriétés de résistance à la fatigue et à l’usure le rendent idéal pour les engrenages cémentés.
- Nitralloy 135M : Utilisé pour les engrenages nécessitant des surfaces dures et une bonne stabilité dimensionnelle. Exemple d’utilisation : Engrenage d’une éolienne de 3 MW
Type d’engrenage : Engrenage planétaire dans le réducteur principal
- Matériau : 34CrNiMo6
- Traitement : Cémentation et rectification
- Durée de vie prévue : Plus de 20 ans avec maintenance périodique
Engrenages forgés pour équipements miniers
Les équipements miniers tels que les concasseurs, les excavatrices et les convoyeurs fonctionnent sous fortes contraintes mécaniques dans des environnements poussiéreux et abrasifs. Les engrenages sont souvent soumis à des chocs, des vibrations et un couple élevé.
Exigences relatives aux matériaux
- Haute ténacité et résistance aux chocs
- Dureté élevée en surface et à cœur
- Bonne résistance à l’usure abrasive
- Tolérance à une lubrification insuffisante ou encrassée
Matériaux recommandés
- 42CrMo4 (4140) : Solution robuste et économique offrant une bonne ténacité.
- 34CrNiMo6 : Matériau privilégié pour les engrenages critiques en raison de sa résistance à la traction et à la fatigue supérieure.
- AISI 9310 : Excellentes performances en fatigue sous contraintes cycliques, mais coût plus élevé.
Exemple : Engrenage de transmission finale d’une chargeuse souterraine
- Matériau : 42CrMo4
- Traitement : Trempe par induction
- Charge : Couple de 250 kNm
- Durée de vie : Plus de 15 000 heures de fonctionnement
Engrenages forgés pour applications marines
Les engrenages marins fonctionnent en milieu marin corrosif. Ils comprennent notamment les engrenages de propulsion, les systèmes de direction et les treuils offshore.
Exigences relatives aux matériaux
- Haute résistance à la corrosion en milieu marin
- Résistance à la corrosion par piqûres et à la corrosion caverneuse
- Résistance et ténacité modérées
Propriétés amagnétiques (pour certaines applications navales)
Matériaux recommandés
- ASTM A182 F6a (acier inoxydable 13Cr) : Acier inoxydable martensitique offrant une bonne résistance à la corrosion.
- ASTM A182 F51 (acier inoxydable duplex) : Excellent pour les environnements marins soumis à de fortes charges et sujets à la corrosion.
- Super duplex (par exemple, SAF 2507) : Résistance à la corrosion et résistance mécanique optimales pour les systèmes d’engrenages offshore.
Exemple d’application : Réducteur de propulseur azimutal
- Matériau : ASTM A182 F51
- Traitement thermique : Recuit de mise en solution
- Caractéristiques : Haute résistance à l’eau de mer, bonne résistance mécanique
- Environnement : 100 % immersion
Tableau comparatif par secteur d’activité et adéquation des matériaux
| Industrie | Composant d’engrenage | Matériau recommandé | Type de traitement | Caractéristique notable |
| Éolien | Boîte de vitesses principale | 34CrNiMo6 | Carburé | Excellente résistance à la fatigue |
| Éolien | Engrenage de conduite de lacet | Nitralloy 135M | Nitruré | Résistance à l’usure, longue durée de vie |
| Exploitation minière | Engrenage de conduite de broyeur | 42CrMo4 | Durci par induction | Résistance aux charges de choc |
| Exploitation minière | Engrenage de balancement de pelle | AISI 9310 | Carburé | Couple élevé, charges de fatigue |
| Marin | Engrenage de propulsion | ASTM A182 F6a | Trempé & Tempéré | Acier inoxydable de qualité marine |
| Marin | Engrenage de treuil | Super Duplex | Recuit solutif | Résistance supérieure à la corrosion |
Traitements thermiques et ingénierie de surface
Les traitements post-forgeage améliorent la dureté, la résistance à la fatigue et la protection contre la corrosion des engrenages, optimisant ainsi leurs performances globales dans les environnements éoliens, miniers et marins.
| Type de traitement | Description | Matériaux typiques | Avantages |
| Durcissement de surface | Carburage ou nitruration de la surface pour augmenter la résistance à l’usure | AISI 9310, 34CrNiMo6 | Surface dure avec noyau résistant |
| Durcissement par induction | Chauffage sélectif et trempe des dents de l’engrenage | 42CrMo4, EN24 | Dureté localisée, idéale pour les engrenages miniers |
| Nitruration | La diffusion de l’azote durcit la surface à basse température | Nitralloy 135M, aciers inoxydables | Durcissement précis, distorsion minimale |
| Protection contre la corrosion | Traitements protecteurs contre l’exposition à l’eau salée | Acier inoxydable, acier au carbone | Prévention de la rouille, prolonge la durée de vie des engrenages marins |
Essais de fatigue et prédiction de la durée de vie des engrenages
La durée de vie des engrenages dépend non seulement du matériau, mais aussi de leur conception, des conditions de charge et de la lubrification.
Formule simplifiée de la durée de vie des engrenages
L = (C / P)³ × 10⁶ cycles
Où :
- LLL = durée de vie de l’engrenage
- CCC = capacité dynamique
- PPP = charge appliquée
Résistance à la fatigue des matériaux
| Matériau | Limite d’endurance (MPa) | Remarques |
| 42CrMo4 | 350–550 | Amélioré par grenaillage |
| 34CrNiMo6 | 500–750 | Stable sous charge cyclique |
| AISI 9310 | 600–800 | Idéal pour la fatigue à cycles élevés |
| F51 Duplex | 400–600 | Résistant à la fatigue par corrosion |
Guide de comparaison des coûts et de sélection des matériaux
Le coût est souvent un facteur limitant. Voici un tableau de sélection prenant en compte la performance et le coût :
| Matériau | Score de performance (1–10) | Score de coût (1–10) | Utilisation idéale |
| 42CrMo4 | 7 | 9 | Minier, éolien à faible coût |
| 34CrNiMo6 | 9 | 7 | Éolien haut de gamme, minier à charge élevée |
| AISI 9310 | 10 | 5 | Boîtes de vitesses critiques, aérospatial, minier |
| ASTM A182 F6a | 6 | 6 | Utilisation générale en marine |
| ASTM A182 F51 | 8 | 4 | Marine offshore et plates-formes pétrolières |
| Super Duplex | 9 | 3 | Marine en haute mer, environnements à haut risque |
| Nitralloy 135M | 8 | 6 | Engrenages de précision pour l’éolien |
Tendances futures des matériaux pour engrenages forgés
Face à la demande croissante de performances pour les engrenages dans les secteurs de l’éolien, des mines et du maritime, les innovations en matière de matériaux évoluent rapidement. Les tendances suivantes façonnent la prochaine génération d’engrenages forgés :
Matériaux hybrides :
L’association de noyaux en alliages résistants et de revêtements de surface optimisés (comme la céramique ou les nitrures) offre à la fois une haute résistance mécanique et une résistance à l’usure exceptionnelle, idéale pour les engrenages robustes et à longue durée de vie.
Engrenages par métallurgie des poudres :
Ce procédé de fabrication quasi-finie permet d’obtenir une haute précision, une structure à grain fin et un usinage minimal. Actuellement limité aux engrenages de petite et moyenne taille, il pourrait bientôt être utilisé à l’échelle industrielle.
Ingénierie de surface :
Des technologies comme le durcissement laser, les revêtements PVD et les traitements cryogéniques améliorent la dureté de surface, la résistance à l’usure et la durée de vie en fatigue, sans compromettre la ductilité du noyau.
Alliages intelligents :
Les matériaux qui s’adaptent aux contraintes, à la température ou aux champs magnétiques, tels que les alliages à mémoire de forme ou les métaux à changement de phase induit par les contraintes, pourraient trouver une application future dans les systèmes d’engrenages adaptatifs ou autorégulés.