Un apprêt sur le métal de rechargement

Les soudeurs qui aident à entretenir les équipements utilisés dans la construction et l'exploitation minière connaissent probablement le rechargement dur, car le processus aide à prolonger la durée de vie des composants grossièrement utilisés. Getty Images

Le rechargement dur est un moyen rentable de minimiser l'usure et d'augmenter la durée de vie des pièces et équipements industriels. À première vue, le rechargement peut être déroutant et gênant, mais ce n'est vraiment pas le cas une fois que vous connaissez les faits.

Les réponses suivantes à 22 questions fréquemment posées peuvent vous aider à comprendre les bases de la technologie afin que vous puissiez sélectionner les produits de rechargement les plus appropriés pour votre application.

Les pièces métalliques échouent souvent à leur utilisation prévue non pas parce qu'elles se fracturent, mais parce qu'elles s'usent par abrasion, impact ou contact métal sur métal, ce qui leur fait perdre leur dimension et leur fonctionnalité. Le rechargement dur, également connu sous le nom de revêtement dur, est l'application d'un métal de soudure résistant à l'accumulation ou à l'usure sur la surface d'une pièce au moyen d'un soudage pour prolonger la durée de vie de la pièce. Le métal fondu peut être appliqué sous la forme d'une surface solide ou selon un motif, tel qu'un motif gaufré, à chevrons ou à points.

Le rechargement devient de plus en plus important pour de nombreuses industries afin de protéger les équipements exposés à l'usure et à l'abrasion. Prolonger la durée de vie des pièces d'usure peut vous faire économiser des milliers de dollars et améliorer la productivité. Le rechargement peut être utilisé pour reconditionner des pièces qui ont déjà été exposées à l'usure et qui ont perdu leur durée de vie utile, ou il peut être utilisé dans la fabrication de nouvelles pièces pour améliorer leur durée de vie avant leur mise en service. Les trois principaux types d'applications de rechargement sont :

Construire ou reconstruire.

Rechargement ou superposition.

Combinaison d'accumulation et de superposition.

Les aciers au carbone et faiblement alliés avec une teneur en carbone inférieure à 1 % peuvent être rechargés. Les aciers moyennement carbonés et faiblement alliés sont très courants, car ils offrent une résistance plus élevée que les aciers doux et une meilleure résistance à l'abrasion. Les alliages à haute teneur en carbone peuvent nécessiter une couche tampon spéciale. Les métaux de base suivants peuvent être rechargés : acier inoxydable, acier au manganèse, aciers au carbone et alliés, fonte, alliages à base de nickel et alliages à base de cuivre.

Les aciers au carbone et faiblement alliés sont fortement magnétiques et se distinguent facilement de l'acier austénitique au manganèse, qui est non magnétique. De nombreux aciers faiblement alliés et à haute teneur en carbone sont utilisés pour la fabrication d'équipements et de pièces de rechange, en particulier les équipements qui nécessitent une résistance et une résistance à l'abrasion plus élevées. Ils ne sont pas faciles à différencier mais doivent être identifiés pour déterminer la bonne température de préchauffage et de post-chauffage.

À mesure que la teneur en alliage augmente, le besoin de préchauffage et de postchauffage devient plus critique. Par exemple, l'acier fabriqué à partir de 4130 nécessite généralement un préchauffage de 400 degrés F. L'acier utilisé pour les rails est généralement plus riche en carbone et nécessite un préchauffage minimum de 600 à 700 degrés F. L'acier au manganèse ne nécessite pas de préchauffage. En fait, des mesures doivent être prises pour maintenir la chaleur du métal de base en dessous de 500 degrés F.

Figure 1De nombreux facteurs affectent l'économie du rechargement dur, mais un facteur majeur est le taux de dépôt, estimé ici pour chaque procédé.

Par ordre de popularité, les procédés de soudage suivants sont utilisés pour appliquer le rechargement :

Soudage à l'arc avec fil fourré (FCAW) avec fil de rechargement à arc ouvert ou sous protection gazeuse

Soudage à l'arc sous protection gazeuse (GMAW) avec fil sous protection gazeuse

Soudage à l'arc sous protection (SMAW)

Soudage à l'arc submergé (SAW)

Soudage à l'arc sous gaz tungstène (GTAW)

Soudage oxycombustible (OFW) ou soudage oxyacétylénique

Soudage à l'arc transféré au plasma, soudage au laser, pulvérisation thermique, pulvérisation et fusion

La tendance actuelle est à l'utilisation de procédés de soudage semi-automatiques et automatiques utilisant FCAW et GMAW, qui sont à peu près les mêmes en termes de popularité. GMAW utilisant un fil solide ou un fil de soudage à âme métallique nécessite un écran de protection contre les gaz, tandis que FCAW utilise des fils de soudage qui sont utilisés à l'arc ouvert ou sans gaz, ainsi qu'avec un écran de protection contre les gaz. SMAW avec des électrodes enrobées de flux est toujours très populaire, en particulier pour les applications de rechargement dur sur site, car l'équipement est peu coûteux et portable.

Tenez compte des facteurs suivants lors de la sélection d'un procédé de soudage :

Disponibilité de l'équipement de soudage, y compris la taille de la source d'alimentation

Utilisation d'électrode enrobée ou de fil semi-automatique

Disponibilité des consommables de rechargement

Taille du consommable de soudage

Utilisation de fil sous protection gazeuse, de fil à arc ouvert ou de fil à arc submergé

Compétence d'opérateur disponible

Lieu de soudage - intérieur ou extérieur

Taille et forme du composant et zone à recharger

Épaisseur du dépôt

Taux de dépôt

Poste de soudage

Exigences d'usinage

Finition souhaitée

Préparation des composants pour les pièces préalablement rechargées

• Traitements de préchauffage et post-soudage (revenu/refroidissement lent/refroidissement à l'air)

Voici les trois types d'usure les plus courants :

L'usure abrasive, qui représente 40 à 50 % de tous les cas d'usure, se produit lorsque des matériaux tels que des céréales, de la terre ou du sable, du charbon ou des minéraux glissent sur une surface métallique. L'usure par abrasion peut être divisée en abrasion par gougeage, abrasion par meulage à forte contrainte et abrasion par grattage à faible contrainte.

L'usure par impact (20 %) se produit lorsqu'un objet est heurté par un autre objet, tel qu'une pièce de concasseur ou une roue de wagon roulant sur un croisement de manganèse, ce qui entraîne l'écaillage ou l'écaillage du matériau.

L'usure adhésive (métal sur métal) (15 %) se produit lorsque deux surfaces métalliques glissent l'une contre l'autre sous pression, créant une condition de micro-soudure due à la chaleur de friction. Il se produit généralement dans des conditions non lubrifiées ou sèches.

La chaleur et la corrosion sont deux autres types d'usure, chacun représentant environ 5 % de tous les cas.

La plupart des pièces usées ne tombent pas en panne à cause d'un seul type d'usure, tel que l'impact, mais d'une combinaison, telle que l'abrasion et l'impact. Par exemple, une dent de godet minier est généralement soumise à la fois à l'abrasion et à l'impact, bien qu'un type puisse être plus dominant que l'autre. Le type d'usure dicte quel produit de soudage hardface est utilisé. La détermination du mode d'usure et la compréhension de l'environnement auquel la pièce est exposée sont cruciales pour choisir l'alliage de rechargement le plus adapté à l'application.

Les alliages à base de fer peuvent être divisés en quatre catégories principales :

Martensitique. Ce groupe comprend tous les aciers trempables avec une dureté Rockwell de 20 à 65 HRC. Ces alliages, similaires à l'acier à outils, durcissent lors du refroidissement. Ils sont bons pour l'usure métal sur métal et abrasive. Ils peuvent également résister à de nombreux chocs. Les alliages à HRC inférieur à 45 sont généralement utilisés pour le rechargement avant rechargement ou pour redimensionner, et la pièce doit être usinée après soudage. Des alliages martensitiques de dureté supérieure, supérieure à 50 HRC, sont utilisés pour la résistance à l'abrasion.

Austénitique. Les alliages austénitiques comprennent les aciers au manganèse écrouis et les aciers inoxydables. Ces alliages sont généralement mous lorsqu'ils sont soudés et ne durcissent qu'après que le métal fondu a été travaillé sous des impacts répétés. Ils ont de bonnes propriétés d'impact et une résistance modérée à l'abrasion. L'acier austénitique au manganèse se trouve généralement autour des concasseurs, des grenouilles et des croisements de voies ferrées et des dents de pelle.

Carbure métallique et matrice austénitique douce. Ces alliages contiennent de grandes quantités de carbures métalliques dans une matrice plus tendre et conviennent aux applications d'abrasion sévère. Les alliages qui contiennent de grandes quantités de chrome et de carbone, la famille des carbures de chrome, sont plus proches d'une fonte ou d'une fonte blanche. Ils contiennent parfois des quantités supplémentaires de niobium et de vanadium. Leurs duretés sont de 40 à 65 HRC. Les alliages qui contiennent de grandes quantités de tungstène et de carbone, la famille des carbures de tungstène, contiennent parfois de petites quantités de bore qui forment des borures et conviennent aux applications d'abrasion sévères.

Carbure métallique dans une matrice martensitique dure. La matrice martensitique est essentiellement un acier à outils d'une dureté de 45 à 60 HRC. Ces alliages contiennent des ajouts de niobium, de vanadium, de molybdène ou de titane. Avec des procédures appropriées, ils peuvent généralement être appliqués sans fissures de contrainte.

De nombreux alliages de carbure de chrome se fissurent lorsqu'ils sont refroidis à des températures modérées, ce qui est normal. D'autres, comme les familles austénitiques et martensitiques, ne se fissurent pas lorsqu'ils sont appliqués avec des procédures de soudage appropriées.

En cas de fissuration ou de fissuration, des fissures se forment perpendiculairement à la longueur du cordon. Apparaissant généralement à des intervalles de 3/8 à 2 po, ils résultent de fortes contraintes induites par la contraction du métal fondu lors de son refroidissement. Les fissures se propagent dans l'épaisseur du cordon de soudure et s'arrêtent au métal de base, tant qu'il n'est pas cassant. Si le métal de base est dur ou cassant, sélectionnez une couche tampon d'un métal de soudure plus doux et plus résistant, tel qu'un alliage austénitique.

Généralement, les carbures de chrome sont des alliages à base de fer qui contiennent de grandes quantités de chrome (plus de 15 %) et de carbone (plus de 3 %). Ces éléments forment des carbures durs qui résistent à l'abrasion. Les dépôts se fissurent fréquemment environ tous les ½ po, ce qui aide à soulager les contraintes de soudage. Leur faible coefficient de frottement les rend également souhaitables dans les applications nécessitant un matériau avec un bon glissement.

D'une manière générale, la résistance à l'abrasion augmente à mesure que la quantité de carbone et de chrome augmente, bien que le carbone ait le plus d'influence. Les valeurs de dureté sont de 40 à 65 HRC. Ils peuvent également contenir d'autres éléments qui peuvent former d'autres carbures ou borures qui aident à augmenter la résistance à l'usure dans les applications à haute température. Ces alliages sont limités à deux ou trois couches.

Les carbures complexes sont généralement associés à des gisements de carbure de chrome qui ont des ajouts de columbium (niobium), de molybdène, de tungstène ou de vanadium. Ces éléments et le carbone forment leurs propres carbures ou se combinent avec les présents carbures de chrome pour augmenter la résistance globale à l'abrasion de l'alliage. Ils peuvent avoir tous ces éléments ou seulement un ou deux. Ils sont utilisés pour les applications à forte abrasion et à haute température.

Ces alliages d'acier à outils contiennent de nombreux carbures de titane, de niobium ou de vanadium étroitement tassés. Les carbures dans la martensite sont un excellent choix pour les applications nécessitant des dépôts sans fissures avec de bonnes caractéristiques d'usure. Les dépôts de soudure présentent généralement les mêmes caractéristiques de résistance à l'usure que celles attendues des produits de rechargement dur au carbure de chrome. Étant donné que ces alliages ne se fissurent pas, ils ont tendance à être plus faciles à réappliquer.

Avec ce processus, également connu sous le nom d'enrobage de carbure de tungstène, les particules de carbure de tungstène sont alimentées à partir d'une trémie directement dans le bain de fusion fondu de PS98. Lorsque le cordon de soudure refroidit, le dépôt de soudure résultant contient de grands volumes de particules de carbure de tungstène incorporées dans une matrice d'acier à outils de 55 à 60 HRC. Ces particules extrêmement dures et résistantes à l'usure protègent les lames de bulldozer et de niveleuse, les godets de dragline et de chargeuse et de nombreux types de marteaux contre l'usure prématurée dans de nombreuses applications difficiles et hautement abrasives.

Pour travailler dans la terre rocheuse, le minerai ou les scories, l'objectif est de protéger la surface métallique de l'abrasion causée par le mouvement des roches dessus. Cela peut être fait en appliquant une série de crêtes ou de cordons de soudure parallèles à l'écoulement du matériau, comme des rails, qui empêchent le sol rocheux d'entrer en contact avec la surface.

Lorsque vous travaillez dans de la terre ou du sable, appliquez des cordons de soudure à surface dure espacés de ¼ à 11/2 po et perpendiculaires ou contre le flux d'un matériau abrasif. Forcer le matériau à se compacter entre les cordons de soudure fonctionne bien pour les sables et les sols à grains fins. Appliquez un motif de points sur les zones qui ne subissent pas une forte abrasion mais sont soumises à l'usure, ou lorsque les zones de soudure sont difficiles à atteindre.

Un motif de points est également utilisé sur les métaux de base minces lorsque la distorsion et le gauchissement peuvent être un problème dû à la surchauffe du métal de base. Pour travailler dans un sol avec une certaine teneur en argile, l'objectif est d'utiliser un motif de rechargement dur qui emprisonne le sol à la surface, formant une couche de sol emprisonné qui protégera la surface en dessous. Il est préférable de le faire avec un motif hachuré ou gaufré. Ce modèle fonctionne également bien lorsqu'il y a une combinaison de sol fin et grossier.

Non. Un alliage martensitique et un alliage de carbure de chrome peuvent avoir la même dureté, disons 58 HRC, et se comporter très différemment dans les mêmes conditions abrasives. Un alliage de carbure de chrome offrira une meilleure résistance à l'abrasion qu'un alliage martensitique. La microstructure métallurgique est un meilleur bâton de mesure, mais ce n'est pas toujours disponible.

La seule durée de dureté pouvant être utilisée pour prédire l'usure est lorsque les alliages évalués appartiennent à la même famille. Par exemple, dans la famille martensitique, un alliage 55-HRC aura une meilleure résistance à l'abrasion qu'un alliage 35-HRC. Cela peut ou non être le cas dans les familles des austénitiques ou des carbures métalliques. Encore une fois, vous devez tenir compte de la microstructure.

Cela dépend du type d'usure en cause, mais dans le cas de l'usure par abrasion - de loin le mécanisme d'usure le plus prédominant - l'ASTM Intl. Le test de roue en caoutchouc de sable sec G65 est largement utilisé. L'échantillon est pesé avant et après le test, et le résultat est généralement exprimé en grammes de perte de poids ou de perte de volume. Un échantillon est maintenu contre une roue en caoutchouc qui tourne avec une force connue pendant un nombre de tours défini. Un type spécifique de sable, soigneusement calibré, est coulé entre l'échantillon et la roue en caoutchouc. Cela simule l'abrasion pure et les chiffres sont utilisés comme lignes directrices dans la sélection des matériaux.

Une pénétration et une dilution faibles sont les principaux objectifs du rechargement dur, de sorte que l'argon pur et les mélanges d'argon avec de l'oxygène ou du dioxyde de carbone produiront généralement le résultat souhaité. Vous pouvez également utiliser du CO2 pur, mais vous risquez d'obtenir plus de projections qu'avec un mélange d'argon.

Les fils de soudage produisent soit un transfert par pulvérisation, soit un transfert globulaire (bille) de métal en fusion à travers l'arc de soudage.

Le transfert par pulvérisation est une dispersion de fines gouttes de métal en fusion, caractérisée par un transfert au son doux. Ces fils sont souhaitables dans les applications d'assemblage qui nécessitent une bonne pénétration.

Les fils de transfert à billes dispersent de plus grosses gouttes de métal en fusion, ou billes. Ce type de transfert favorise une faible pénétration et dilution, adapté au rechargement. Il a un arc plus bruyant qui produit un crépitement audible et a généralement un niveau de projections plus élevé que les fils de transfert par pulvérisation. Les paramètres de soudage tels que le dépassement électrique, le gaz, l'ampérage et la tension peuvent affecter la taille de la bille et son transfert. Les fils sans gaz ou à arc ouvert ont tous un transfert globulaire ou à billes.

La fissuration de la zone affectée par la chaleur est toujours un problème lors du soudage d'aciers faiblement alliés et à haute teneur en carbone, de pièces fortement sollicitées et de pièces aux formes complexes. En général, toutes les pièces doivent être soudées au moins à température ambiante ; vous pourriez avoir besoin de températures de préchauffage et d'interpasses plus élevées en fonction de la chimie du métal de base et du produit de rechargement dur que vous utilisez.

Les aciers à haute teneur en carbone nécessitent un préchauffage. Par exemple, l'acier fabriqué à partir de 4130 nécessite généralement un préchauffage de 400 degrés F. L'acier pour rails est généralement à haute teneur en carbone et nécessite un préchauffage minimum de 600 à 700 degrés F.

L'acier au manganèse et certains aciers inoxydables ne nécessitent aucun préchauffage et les températures de soudage doivent être maintenues aussi basses que possible. En fait, vous devriez essayer de maintenir le métal de base de manganèse en dessous de 500 degrés F. Consultez le fabricant pour la meilleure combinaison pour éviter les fissures et l'écaillage.

Le carbure de chrome et les carbures complexes sont généralement limités dans le nombre de couches pouvant être appliquées. La nature fragile des carbures métalliques conduit à des fissures de contrôle et, à mesure que plusieurs couches sont appliquées, la contrainte continue de s'accumuler, se concentrant à la racine des fissures de contrôle, jusqu'à ce qu'une séparation ou un écaillage se produise entre le métal de base ou le tampon et le dépôt de revêtement dur.

Sauf indication contraire du fabricant, et avec les procédures appropriées, les alliages martensitiques de rechargement dur peuvent être appliqués en plusieurs couches. Les produits de rechargement austénitique au manganèse peuvent être appliqués en couches illimitées, sauf indication contraire du fabricant. Si plusieurs couches sont nécessaires, utilisez un alliage d'accumulation ou tampon.

21. Que sont les alliages d'accumulation et de tampon ?

Les alliages d'accumulation et de tampon sont similaires à l'alliage de métal de base en termes de dureté et de résistance. Ils sont appliqués sur des pièces fortement usées pour les remettre à dimension lorsque l'usinage doit être utilisé après soudage. D'une dureté de 30 à 45 HRC, ils sont appliqués comme tampon pour les couches suivantes d'un dépôt de rechargement plus résistant à l'usure. Si l'alliage de revêtement dur produit des fissures de contrôle, utilisez un produit à base de manganèse résistant comme tampon pour émousser et empêcher les fissures de contrôle de pénétrer dans le métal de base.

Une électrode ou un fil en acier doux ne doit jamais être utilisé pour l'accumulation ou comme couche tampon. Bien que les produits de soudage en acier doux soient parfaits pour l'assemblage et la fabrication, ils n'ont pas la résistance et la dureté nécessaires pour supporter le rechargement. Une couche tampon en acier doux doux s'effondrera sous la couche de surface dure, provoquant l'écaillage et la rupture de la couche de surface dure.

22. La fonte peut-elle être rechargée ?

Oui, mais assurez-vous de tenir compte des températures de préchauffage et d'interpasse. Les produits en nickel et nickel-fer conviennent généralement à la reconstruction de la fonte. Ils ne sont pas affectés par la teneur en carbone du métal-mère et restent ductiles. Plusieurs couches sont possibles. Si une protection supplémentaire contre l'usure est nécessaire, les produits en carbure métallique peuvent bien fonctionner sur l'accumulation de nickel ou de nickel-fer.

Ces questions fréquemment posées ne font que commencer à aborder le rechargement dur. Les fabricants et les spécialistes de produits de rechargement peuvent contribuer à une meilleure compréhension approfondie du rechargement et vous aider à sélectionner des produits et des processus pour votre application.

Bob Miller était ingénieur matériaux et applications chez Postle Industries Inc., 5500 W. 164th St., Cleveland, OH 44142, 216-265-9000, postle.com.