Tribologie des céramiques

Les céramiques modernes sont différentes des céramiques traditionnelles (carrelage, matériaux de construction, porcelaine) ; on les distingue par des adjectifs tels que « techniques », « industrielles » ou « thermomécaniques ».

Les céramiques industrielles sont caractérisées par leur caractère réfractaire marqué, et par de grandes duretés. Leur médiocre ténacité explique leur sensibilité à la présence de défauts, d’où leur réputation d’être peu résistantes et cassantes.

Les céramiques techniques sont utilisées pour :

• leurs propriétés électriques ou diélectriques ;

• leurs propriétés magnétiques et comme supraconducteurs ;

• leurs propriétés optiques ;

• leurs propriétés chimiques ;

• leurs propriétés biologiques ;

• leurs propriétés nucléaires.

Les céramiques se répartissent en quatre groupes : a. alumine (Al₂O₃), b. zircone (ZrO₂), c. nitrure de silicium (Si₃N₄) et d. carbure de silicium (SiC). Mais on y trouve aussi des composés, comme le carbure de silicium infiltré par du silicium (SiSiC), ou la zircone renforcée par de l’alumine (ATZ pour Alumina Tonghened Zirconia) et l’alumine renforcée par la zircone (ZTA pour Zirconia Tonghened Alumina). Elles sont employées pour leurs propriétés mécaniques, thermo-mécaniques et tribologiques, ainsi que pour leur tenue face à la corrosion. Nous allons nous concentrer sur leur comportement tribologique, qui représente l’application principale des céramiques, notamment pour la protection contre l’usure et l’abrasion. La mise en forme des céramiques se distingue de celle des alliages métalliques. La transformation d’une matière première sous forme de poudre en un objet cohérent se fait par frittage à l’état solide (pas de fusion), ce qui limite la taille des pièces en céramiques. Les différentes classes de céramiques se sont imposées dans des applications diverses. On observe une plage de variation du taux d’usure sur 8-10 décades dans les applications. Cet article présente l’évolution des propriétés tribologiques des céramiques en fonction des sollicitations, ce qui permet d’identifier quelles nuances présentera un comportement favorable pour une application donnée.

Les céramiques sont également présentes dans des matériaux, sous forme d’alliages, additionnées de métaux, pour constituer des combinaisons dénommées composites à matrices métalliques, cermets, métaux durs. Ce type de matériaux ne seront pas détaillés dans ce document qui sera consacré principalement aux céramiques pures. Néanmoins, les propriétés tribologiques de quelques métaux durs ou cermets seront présentées pour mieux cerner le comportement tribologique des céramiques.