Fonte
Coût réduit.
Auto-amortissant.
Fragile.

Fonte grise et fonte ductile. Classe AGMA I/II. Idéale pour les applications à faible choc et à grand volume où le coût initial est le principal facteur déterminant.

Acier au carbone et acier allié
Trempé en surface.
Ductile.
Vie supérieure.

1045, 4140, 8620. Dureté superficielle HRC 55–60 sur la face de la dent. Requis pour les charges de choc, les entraînements à cycles élevés et toute application où l'usure de la face de la dent détermine la durée de vie.

Pignons en fonte ou en acier : arguments techniques en faveur de chacun — et quand le choix est important

Une usine d'aliments pour animaux de la province du Chungcheong du Nord a fait l'acquisition de pignons en fonte pour la modernisation de son convoyeur en 2022. Ces pignons étaient 35% moins chers que leurs équivalents en acier, le fournisseur avait confirmé leur compatibilité avec la chaîne #80 existante, et le responsable de la maintenance avait déjà utilisé avec succès des pignons en fonte sur le même type de convoyeur dans une installation précédente. Dix-huit mois plus tard, deux des douze pignons présentaient des fractures de dents. Il ne s'agissait pas d'usure, mais bien de fractures. Les dents cassées se situaient aux endroits où le convoyeur supportait le bras de chargement de l'élévateur à godets, une position où la chaîne subit une brève tension lors du remplissage de chaque godet à la descente. Les dents en fonte s'étaient fracturées progressivement, une dent à chaque remplissage, jusqu'à ce que plusieurs dents soient manquantes et que la chaîne se désengage. Les pignons de remplacement étaient en acier au carbone 1045 cémenté. Aucune fracture n'a été constatée au cours des 30 mois de fonctionnement suivants. L'économie initiale réalisée grâce aux pignons en fonte du 35% a coûté environ huit fois sa valeur en frais de remplacement et d'immobilisation sur une période de 18 mois.

Les pignons en fonte constituent une spécification technique légitime pour les applications appropriées. L'erreur ne réside pas dans le choix de la fonte, mais dans son utilisation pour des applications soumises à des chocs, conditions dans lesquelles la fragilité de la fonte transforme une légère surcharge d'une dent en une rupture complète, contrairement à la déformation plastique qui se produirait dans l'acier.

pignon 1

Les trois propriétés qui déterminent le choix du matériau du pignon

Dureté de la face de la dent
→ régit la vie de l'usure

La dureté de la face de la dent détermine la vitesse d'usure du profil de la dent du pignon par le galet de la chaîne. Une face de dent plus dure s'use moins vite sous une même contrainte de contact du galet. La fonte brute de coulée présente une dureté de face de dent de 160 à 220 HB (HRC ~0 à 18). L'acier cémenté atteint une dureté de 55 à 60 HRC en surface (environ 595 à 746 HB). La différence de dureté est d'environ 4 à 5:1, et le taux d'usure est approximativement proportionnel au carré de ce rapport. Ainsi, dans une même transmission, les dents en acier cémenté s'usent environ 16 à 25 fois moins vite que les dents en fonte.

fonte grise
160–220 HB
Acier cémenté
HRC 55–60

Résistance aux chocs
→ régit la résistance aux chocs

La fonte grise présente une résilience quasi nulle : sa microstructure en lamelles de graphite crée des concentrations de contraintes internes qui se propagent sous forme de fissures lors d'un impact. Un seul impact sur une dent, supérieur au seuil de résilience du matériau, provoque la rupture complète de la dent. L'acier au carbone (1045, 4140) possède une résilience de 30 à 80 J (Charpy) : sous la même charge d'impact, il se déforme plastiquement plutôt que de se rompre. Pour les applications soumises aux chocs, cette différence est déterminante : le premier impact qui surcharge une dent en fonte la rompt ; la même surcharge sur une dent en acier la déforme légèrement, réduisant la surface de contact tout en préservant sa fonction.

fonte grise
~2–4 J
acier 1045
40–80 J

Amortissement des vibrations
→ régit le bruit

La fonte grise présente un amortissement des vibrations supérieur à celui de l'acier. Sa microstructure en paillettes de graphite, bien qu'elle réduise sa ténacité, génère simultanément une friction interne qui dissipe l'énergie vibratoire. Le coefficient d'amortissement de la fonte grise est environ 10 à 25 fois supérieur à celui de l'acier au carbone. Dans les applications de transmission par chaîne à grande vitesse où le bruit d'engrènement des rouleaux est un facteur important (par exemple, les entraînements de machines-outils, les convoyeurs d'instrumentation, les entraînements à proximité d'équipements de mesure de précision), les pignons en fonte grise réduisent sensiblement les vibrations transmises et le bruit acoustique par rapport à leurs équivalents en acier, à vitesse de chaîne égale.

fonte grise
Amortissement élevé
acier au carbone
Faible amortissement
Paradoxalement : la propriété qui fait de la fonte un mauvais choix pour les applications d’amortissement des chocs — sa microstructure en paillettes de graphite — est exactement la même propriété qui la rend meilleure que l’acier pour l’amortissement des vibrations. Les paillettes de graphite agissent à la fois comme amorceurs de fissures sous l'effet des chocs et comme absorbeurs d'énergie vibratoire en régime permanent. Un pignon en fonte grise, utilisé dans une transmission par chaîne à grande vitesse, fluide et à faibles vibrations, sera plus silencieux et transmettra moins de vibrations aux structures adjacentes qu'un pignon en acier. Ce même pignon, utilisé dans une application de convoyage avec des chocs occasionnels (chutes de matériaux, démarrages de chaîne inclinés, blocages et déblocages), verra ses dents se fracturer. Le choix du matériau pour les pignons ne se résume pas à « l'acier est meilleur que la fonte » ; il est nécessaire d'identifier la propriété (résistance à l'usure, ténacité ou amortissement) qui est déterminante pour l'application spécifique.

Comparaison complète des matériaux : Spécifications des matériaux de sept pignons

Matériel Dureté des dents Résistance aux chocs Durée de vie de l'usure (relative) usinabilité Coût (relatif) Applications principales
Fonte grise (FC200) 160–200 HB Très bas 1× (référence) Excellent Plus bas (1,0×) Convoyeur léger, entraînements silencieux à faible choc et à grande vitesse
Fonte ductile (FCD450) 180–240 HB Modéré 1,4× Bien 1,2–1,4× Choc modéré, agricole, industriel à basse vitesse
Acier au carbone C45 / 1045 (brut d'usinage) 200–250 HB Haut 1,5× Bien 1,3–1,6× Entraînements industriels standard, à alésage lisse ou à verrouillage conique
1045 / C45 cémenté Surface HRC 55–60 Haut 5–8× Bon (avant durcissement) 1,8–2,5× La plupart des transmissions de puissance industrielles — spécifications standard
Acier allié 4140 / SCM440 (Q&T) 280–340 HB à travers Très haut 3–5× Modéré 2,0–3,0× Convoyeurs robustes à chocs élevés, transfert par presse
8620 cémenté Surface HRC 58–62 Très haut 7–12× Modéré 2,5–3,5× Transmission automobile à indexation de précision et à cycle élevé
acier inoxydable 304/316L 170–200 HB (après usinage) Modéré 0,3–0,5× (inférieur à l'IC) Modéré 3–5× Transformation alimentaire, produits chimiques, lavage — non résistant à l'usure

Cémentation : Pourquoi le profil de la dent doit être durci après l’usinage et non avant.

Pignons de chaîne à rouleaux à simple brin

La cémentation (ou trempe par induction) consiste à créer une couche externe dure (la couche superficielle) sur la dent tout en conservant un noyau dur et peu dur en dessous. Cette combinaison – surface dure pour la résistance à l'usure, noyau dur pour la résistance aux chocs – répond précisément aux exigences du contact chaîne-pignon : la surface de la dent doit résister aux contraintes répétées dues au contact des rouleaux sans s'user, tandis que le pied de la dent doit supporter la contrainte de flexion due à la traction de la chaîne sans se rompre.

La séquence de fabrication critique pour la production d'un pignon est la suivante : usinage du profil de dent aux dimensions finales, cémentation, puis finition légère uniquement si nécessaire pour la précision de l'alésage. Il est impraticable de tremper un profil de dent non usiné aux dimensions finales ; une trempe à cœur avant l'usinage des dents réduit considérablement la durée de vie des outils de coupe et engendre une géométrie de dent imprécise. L'étape de trempe doit donc impérativement suivre l'usinage du profil de dent.

La profondeur de cémentation des pignons est généralement spécifiée entre 0,8 et 1,5 mm pour les chaînes #60 et #100. Une profondeur inférieure à 0,8 mm risque d'entraîner une rupture de la cémentation à la base de la dent lorsque celle-ci se plie sous la traction de la chaîne. Une profondeur supérieure à 1,5 mm risque de fragiliser toute la section transversale de la dent si elle dépasse 25 à 30 % de l'épaisseur totale de la dent (%). Pour les applications à fortes charges, il est recommandé de spécifier explicitement la profondeur de cémentation dans le bon de commande, et non pas simplement « cémenté ».

Matrice de décision pour la sélection des matériaux

Spécifiez la fonte grise lorsque :
  • Le chargement est fluide (sans à-coups, sans marche arrière, sans blocage ni déblocage).
  • La vitesse de la chaîne est modérée à élevée et la réduction du bruit est importante.
  • Le budget est la principale contrainte, les conditions de charge régulière étant confirmées.
  • Quantité importante requise (la fonte permet de produire en grande quantité des formes complexes à faible coût)
  • La fréquence de remplacement est prévisible et planifiée ; l’usure, et non la rupture, est le mode de défaillance.
Spécifiez l'acier 1045 cémenté lorsque :
  • Des chocs sont présents ou possibles (convoyeurs avec chute de matériau, transfert par presse, fonctionnement marche/arrêt).
  • Un nombre élevé de cycles nécessite une durée de vie prolongée des dents (décalage × 365 jours × plusieurs années)
  • Le coût d'une défaillance imprévue dépasse largement la différence de coût entre la fonte et l'acier.
  • Le nombre de dents est faible (moins de 17 dents) — les pignons plus petits subissent une contrainte par dent plus élevée et nécessitent des matériaux aux propriétés supérieures.
  • Il s'agit de la spécification standard pour la plupart des transmissions de puissance industrielles par chaîne.
Spécifiez l'acier allié 4140/8620 lorsque :
  • Chocs importants et charges élevées simultanément (entraînements de concasseurs, transfert de presse avec outillage lourd)
  • Une durée de vie maximale des dents est requise (intervalles d'entretien planifiés sur plusieurs années).
  • L'accès au disque dur est difficile pour la maintenance (ce qui se justifie par le coût élevé des interventions).
  • Entraînements de précision à grande vitesse (le modèle 8620 offre une meilleure stabilité dimensionnelle grâce au traitement thermique)

Spécifications des matériaux des pignons spécifiques à l'industrie

Lignes de conditionnement de produits alimentaires et de boissons coréennes. Les lignes de conditionnement de l'industrie des boissons coréenne (Hite, OB, Lotte Chilsung) utilisent des entraînements par chaîne #60 et #80 pour le convoyage des caisses et la manutention des bouteilles à des vitesses de 30 à 80 m/min avec des charges de produit régulières. Les pignons en fonte grise sont largement utilisés dans ces applications pour leur capacité à amortir les vibrations à des vitesses de chaîne moyennes à élevées. Le faible niveau de vibrations des convoyeurs d'embouteillage (charges régulières, absence de grumeaux, démarrages sans à-coups) réduit considérablement le risque de rupture des dents en fonte. Cependant, l'environnement lubrifié exige une fonte compatible avec l'huile ; la fonte grise standard convient ; la fonte phosphatée ou traitée pour une meilleure résistance à la corrosion n'est pas nécessaire en présence d'huile. Pignons en fonte grise pour pas ANSI standard sont disponibles avec alésage fini, rainure de clavette standard et configurations de vis de blocage.

Sidérurgie et industrie lourde. Les convoyeurs peseurs, les convoyeurs à bande d'acier et les systèmes d'entraînement pour le transfert de bobines utilisés dans les aciéries coréennes et vietnamiennes nécessitent des pignons en acier allié 4140 ou 8620, trempés à cœur ou en surface. La forte tension de la chaîne, la contamination par des calamines abrasives et les cycles thermiques dus à la proximité des fours excluent l'utilisation de la fonte (résistance aux chocs) et de l'acier au carbone standard (durée de vie insuffisante). La dureté de surface spécifiée pour les pignons d'aciérie est généralement de 58 à 62 HRC à une profondeur de 1,2 à 2,0 mm, un certificat de dureté étant requis pour chaque lot. Chaîne robuste assortie Ces disques sont commandés simultanément afin de garantir une dureté de matériau homogène à l'interface de contact.

Machines agricoles. Les pignons d'entraînement des moissonneuses-batteuses et les pignons de convoyeur des rizeries utilisés dans l'agriculture coréenne et d'Asie du Sud-Est présentent des spécifications distinctes : les pignons d'entraînement principaux (résistants aux chocs, aux charges variables et aux impacts de pierres) nécessitent de la fonte ductile ou de l'acier au carbone cémenté ; les entraînements auxiliaires propres à faible charge (dosage des semences, épandeur de paille, épandeur de menues pailles) sont des applications appropriées pour la fonte grise, où les économies réalisées par pignon sur un grand parc de machines constituent un véritable avantage économique.

pignon 2

Foire aux questions

Est-il possible de convertir un pignon en fonte en pignon en acier en commandant le même nombre de dents et le même alésage en acier au carbone ?
Oui, dans les limites des contraintes de fabrication. Si le nombre de dents, le diamètre d'alésage, la rainure de clavette et la configuration du moyeu correspondent aux dimensions de la norme ASME B29.1 pour le pas de la chaîne, un équivalent en acier peut être commandé selon les mêmes spécifications dimensionnelles. Les seules contraintes physiques sont l'épaisseur de paroi du moyeu (l'acier permet d'usiner des parois plus fines que la fonte pour une résistance équivalente) et le diamètre de la bride (la fonte se prête mieux aux formes complexes que les ébauches en acier forgé). Pour les configurations de moyeu non standard initialement prévues pour la production en fonte (par exemple, les moyeux à rayons ou les profils à bride complexes), un équivalent en acier peut nécessiter une géométrie de moyeu différente pour des raisons pratiques. Les configurations standard de plaque A et de moyeu B sont disponibles en acier pour tous les pas ANSI.
Comment puis-je déterminer, sans documentation, si un pignon est cémenté ou trempé à cœur ?
Un test à la lime sur la face de la dent (en faisant glisser une lime trempée sur la face) fournit une indication de base : une face de dent cémentée offre une résistance à la lime avec un toucher vitreux et sans entaille visible ; une dent trempée à cœur ou brute d'usinage s'use facilement. Pour des informations plus précises, un duromètre Rockwell portable appliqué sur la surface de la dent donne une mesure directe de la dureté Rockwell (HRC). Pour confirmer la profondeur de cémentation, une section transversale d'une dent, prélevée pour un examen métallographique (microdureté Vickers de la surface au cœur), donne la profondeur et le profil définitifs de la cémentation. En pratique, pour les pignons pour lesquels la documentation est indisponible, le test à la lime est le contrôle le plus rapide sur le terrain ; si la lime entaille facilement la face de la dent (dureté inférieure à 55 HRC), le pignon n'est pas cémenté et sa durée de vie dans une application à forte usure sera conforme aux valeurs d'usure des pignons non trempés du tableau comparatif ci-dessus.
La dureté des dents du pignon doit-elle correspondre à celle des rouleaux de la chaîne ?
Oui, une différence de dureté entre le rouleau de la chaîne et la dent du pignon entraîne une usure accélérée du composant le plus tendre. Pour une chaîne à rouleaux standard avec rouleaux trempés (HRC 40–50 typiquement), fonctionnant sur des pignons en acier 1045 brut d'usinage (200–250 HB = HRC 14–24), la dent du pignon s'use plus rapidement que le rouleau. Ceci est généralement acceptable car le remplacement du pignon fait partie de la maintenance planifiée ; la chaîne est le principal indicateur d'usure. Pour les transmissions à longue durée de vie où le remplacement simultané de la chaîne et des pignons à intervalles réguliers est l'objectif, les deux composants doivent avoir une dureté similaire à l'interface de contact : un pignon cémenté (HRC 55–60) associé à des rouleaux de chaîne standard trempés (HRC 40–50) constitue un bon compromis où la chaîne s'allonge en premier, fournissant ainsi l'indicateur d'usure, tandis que la face du pignon reste utilisable pendant la même durée.

Fonte
1045 Cémenté
Alliage 4140 / 8620

Pignons en fonte, en acier au carbone et en acier allié disponibles pour tous les pas ANSI

Décrivez le type de charge de votre application (lisse / choc modéré / choc important), le pas de la chaîne, le nombre de dents, le diamètre d'alésage et la dureté de dent requise — nous spécifions le matériau approprié et confirmons la profondeur du boîtier avant la fabrication.

Éditeur : Cxm

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Mots-clés :pignon de chaîne | Pignon | CHINE À PROJECTEURS