Acier pour roulements
Usinage CNC

L'acier à roulement AISI 52100 (également connu sous le nom de SUJ2 en Japon et GCr15 en Chine) est un acier à roulement à haute teneur en carbone, allié au chrome, spécialement conçu pour résister à la fatigue de contact en roulement. Sa composition — environ 1,0% de carbone et 1,5% de chrome — produit une distribution fine et uniforme de carbures de chrome après traitement thermique, conférant une dureté exceptionnelle (HRC 60–64), une résistance à l'usure et une durée de vie en fatigue de contact. Ces propriétés en font le matériau standard pour les roulements à billes de précision, les roulements à rouleaux, les cages de roulement, les vis à billes de précision et d'autres composants soumis à des contraintes répétées de contact en roulement.

52100 (AISI), SUJ2 (JIS G4805) et GCr15 (GB/T 18254) sont des désignations standard nationales pour une composition essentiellement identique d'acier à roulement — haute teneur en carbone (environ 0,95–1,10%), chrome (1,30–1,65%), et de petites additions de manganèse et de silicium. Des différences mineures de composition existent entre les normes, mais les trois sont fonctionnellement interchangeables pour les applications de roulements de précision et de pièces d'usure. 52100 est la désignation américaine utilisée internationalement ; SUJ2 est spécifiée par les fabricants japonais et dans les chaînes d'approvisionnement JIS ; GCr15 est la norme chinoise GB et est la qualité la plus couramment stockée en Chine continentale.

L'acier à roulement 52100 atteint une dureté HRC de 60 à 64 après un traitement thermique standard de trempe et revenu — nettement plus dur que l'acier inoxydable 440C (HRC 58 à 60) et comparable aux aciers rapides pour outils. La dureté élevée combinée à une distribution fine de carbures de chrome confère à 52100 une durée de vie exceptionnelle en fatigue de contact de roulement. Le traitement cryogénique (traitement cryogénique à −75°C à −196°C) après la trempe convertit l'austénite résiduelle en martensite, augmentant encore la dureté et améliorant la stabilité dimensionnelle en service.

Le 52100 est généralement usiné dans l'état recuit ou sphéroïdisé-recouvert (environ HRC 20–25) en utilisant un tournage et un fraisage CNC conventionnels. Après l'usinage, les pièces sont traitées thermiquement pour atteindre une dureté HRC 60–64, puis rectifiées de précision sur toutes les surfaces critiques pour récupérer la tolérance finale (±0,002–0,005 mm) après la déformation due au traitement thermique. La machinabilité en état recuit est similaire à celle de l'acier allié à carbone moyen, bien que la forte teneur en carbures puisse entraîner une usure plus rapide des outils que les aciers au carbone simple. Un traitement sous zéro est appliqué systématiquement après la trempe avant la revenez, afin de maximiser la dureté et la stabilité dimensionnelle.

Le traitement sub-zero (également appelé traitement cryogénique) consiste à refroidir l'acier à roulements trempé à des températures comprises entre −75°C et −196°C immédiatement après la trempe, avant la revene. Ce traitement à basse température convertit l'austénite résiduelle — une phase plus douce et métastable qui subsiste après la trempe — en martensite, la phase dure qui confère à l'acier à roulements ses propriétés. Sans traitement sub-zero, l'austénite résiduelle peut se transformer en martensite en service sous contrainte ou lors de variations de température, entraînant une croissance dimensionnelle et une défaillance du roulement. Pour les applications de roulements de précision, le traitement sub-zero est systématiquement spécifié pour garantir la stabilité dimensionnelle et une dureté maximale.

L'acier à roulement 52100 et les aciers outils (D2, H13) atteignent tous deux une dureté élevée, mais sont conçus pour différents types de contraintes. Le 52100 est spécifiquement optimisé pour la fatigue de contact de roulement — la contrainte de contact Hertzienne répétée dans les roulements — grâce à sa microstructure fine et uniformément distribuée de carbure de chrome et à une propreté extrêmement élevée (faible teneur en inclusions). Les aciers outils tels que le D2 sont optimisés pour la résistance à l'usure en contact glissant et en impact. Le 52100 affiche une durée de vie en fatigue plus élevée en contact de roulement mais une ténacité et une résistance aux chocs moindres par rapport au D2. Pour les composants de roulement et les éléments roulants de précision, le 52100/GCr15 est le choix correct ; pour les matrices, poinçons et outils de coupe, le D2 ou le H13 est plus approprié.

Après traitement thermique et rectification cylindrique de précision, nous maintenons des tolérances de ±0,002 à 0,005 mm sur les diamètres critiques des sièges de roulements et les dimensions des alésages. La circularité (déformation hors rond) peut être contrôlée à 0,001–0,002 mm sur les cages de roulements rectifiées de précision. La rugosité de surface Ra 0,2–0,4 μm est standard sur les surfaces de roulements rectifiées ; Ra 0,05–0,1 μm est réalisable avec un superfinissage. Toutes les dimensions critiques sont vérifiées par CMM avant la livraison.

L'oxyde noir est le traitement de surface le plus courant pour les pièces en acier à roulement 52100 — il offre une légère protection contre la corrosion avec pratiquement aucune modification dimensionnelle, et est compatible avec la surface trempée. Le revêtement phosphate est également utilisé pour des raisons similaires. La chromation dure et le nickel sans plomb peuvent être appliqués pour une protection accrue contre la corrosion, mais doivent être appliqués avec soin pour éviter la fragilisation par hydrogène dans l'acier à haute dureté — une cuisson après le dépôt à 190°C pendant 4 heures est nécessaire. Les revêtements PVD (TiN, DLC) sont utilisés sur des composants de roulements de précision pour réduire davantage la friction et améliorer la durée d'usure sans affecter la dureté de base de l'acier.