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Questions fréquemment posées : rechargement dur

Comprendre ce qu’est le rechargement dur et comment il est utilisé.

Les réponses suivantes aux questions fréquemment posées peuvent vous aider à sélectionner les produits de rechargement dur les mieux adaptés à votre besoin.

Chaque industrie est exposée à un type d’usure qui lui est propre, qui va endommager les pièces, composants ou équipements en service de l’installation de production. A cause de l’usure, les divers équipements de production peuvent tomber en panne, en raison d’une perte de matière qui va altérer la géométrie de la pièce et entraîner des temps d’arrêt pour maintenance non planifiés.

Le rechargement, également appelé rechargement dur, ou encore soudage de surface et de revêtement, offre une solution à la fois préventive et curative. Il permet de reconstituer la surface des pièces usées (au lieu de les remplacer), mais aussi de protéger les pièces neuves contre l’usure.

Les propriétés généralement recherchées par l’opération de rechargement dur sont une plus grande résistance à l’usure abrasive, à l’impact, à l’adhésion (métal contre métal), à la chaleur, à la corrosion ou à une combinaison de ces facteurs.

Une large gamme d’alliages de rechargement est disponible pour répondre aux besoins de pratiquement toutes les nuances d’aciers. La dureté des alliages est plus ou moins élevée,  et plus ou moins chargée en éléments actifs dans le but d’offrir une résistance plus ou moins élevée à l’abrasion. Certains alliages sont destinés à la reconstruction tandis que d’autres sont conçus pour être un revêtement final qui protège la surface de travail.

Par rechargement, un métal d’apport est utilisé pour se lier au métal de base de l’équipement afin d’obtenir des dimensions ou des propriétés d’usure spécifiques, telles que la résistance aux chocs, à l’usure par adhésion ou à l’abrasion. Le rechargement dur peut être appliqué au moyen d’une série de technologies, telles que les procédés de soudage, la projection thermique, la fusion par pulvérisation ou des procédés similaires, utilisés principalement pour réduire l’usure.

Le rechargement dur constitue le moyen le plus économique pour minimiser l’usure et augmenter la durée de vie des pièces rechargées jusqu’à 300 % par rapport aux pièces non rechargées.

Depuis sa création en 1966, Welding Alloys est devenu un leader reconnu dans le développement d’alliages de rechargement et d’alliages spéciaux de première qualité. Nous proposons des centaines de produits de rechargement, adaptés à toute une série de processus de réparation et/ou de prévention de l’usure des pièces en service.

Les principales raisons pour lesquelles les entreprises ont recours au rechargement dur sont les suivantes :

  1. Économies de coûts – Le rechargement dur de pièces usées peut permettre d’obtenir des pièces neuves voire même en meilleur état que des pièces neuves, pour un coût compris entre 25 et 75 % du coût de remplacement. Des économies peuvent également être réalisées grâce à l’utilisation de métaux de base moins coûteux.
  2. Prolongation de la durée de vie de l’équipement – Le surfaçage des pièces par rechargement dur peut prolonger leur durée de vie de 30 à 300 % par rapport aux pièces non surfacées.
  3. Efficacité opérationnelle accrue – Des pièces plus durables peuvent réduire les temps d’arrêt pour maintenance, ce qui se traduit par un temps de fonctionnement plus long et moins d’arrêts de l’usine, liés au remplacement des pièces usées.
  4. Diminution des stocks de pièces de rechange – Moins de pièces de rechange sont nécessaires. Au lieu de garder un stock important de pièces de rechange, les pièces usées peuvent simplement être reconditionnées.
  5. Impact positif sur l’environnement – Le rechargement des pièces existantes, plutôt que leur remplacement, permet de réduire les besoins en énergie par rapport à l’énergie nécessaire à la production de nouvelles pièces. Cela réduit l’impact du CO2 sur notre planète.
  1. Reconstruction

La “reconstruction” est le rétablissement des dimensions initiales d’une pièce dont la géométrie a été modifiée par l’usure. Normalement, on utilise un métal d’apport homogène : sa composition chimique et ses caractéristiques mécaniques sont similaires ou identiques à celles du métal de base.

Dans certains cas, cependant, un alliage hétérogène peut être utilisé, à condition que ses caractéristiques soient compatibles avec celles du substrat.

Les trois principaux facteurs permettant de choisir un métal d’apport adapté à la reconstruction sont :

  • Le risque de fissuration à froid : il faut définir à la fois la température de préchauffage et la température inter passe (généralement déterminée par le type de métal de base).
  • La température de service et, par conséquent, les différences de dilatation thermique entre le métal d’apport et le métal de base.
  • La compatibilité entre le métal d’apport de reconstruction et tout revêtement ultérieur.
  1. Couche tampon

Également appelée “sous-couche” ou “transition métallique”, une “couche tampon” est utilisée lorsque cela est nécessaire pour surmonter les problèmes d’incompatibilité entre le substrat et le revêtement.

Pourquoi utiliser une couche tampon ?

  • Pour fournir une bonne base entre le métal de base et le rechargement.
  • Pour éviter la propagation des fissures de retrait du rechargement vers le métal de base.

Le choix du métal d’apport pour la couche tampon doit se faire avec précaution. Si les différences d’élasticité ou de dilatation thermique entre le métal de base, la couche tampon et le rechargement sont trop importantes ; des contraintes excessives peuvent être générées au niveau des joints de soudure. Cela peut entraîner une défaillance prématurée.

Pour une illustration de ces procédés, veuillez vous référer à la page 12 de notre brochure Les fondamentaux du rechargement dur par fusion.

  1. Rechargement ou recouvrement

Le rechargement est le dépôt par soudage d’une couche à la surface, plus dure que le métal de base. Il a pour but d’assurer la résistance à l’usure. Les couches rechargées peuvent également être caractérisées par les propriétés suivantes :

  • Solidité (les fissures sont acceptables dans certains cas).
  • La ténacité, en fonction de la résistance aux chocs voulue
  • La résistance aux contraintes environnementales telles que la corrosion et les températures élevées.

Le rechargement peut consister à déposer une ou plusieurs couches de métal soudé. Certains types de fils sont conçus pour être appliqués en une seule couche, tandis que d’autres peuvent être appliqués sans limite.

Le “rechargement préventif” est l’application des techniques de rechargement à la production d’un tout nouveau composant. Dans ce cas, la nature du métal de base n’est pas si importante à prendre en compte, hormis les considérations de coût.

Le “rechargement curatif” implique la reconstitution d’une pièce déjà usée, de sorte que la compatibilité avec le matériau de la pièce doit être prise en compte.

Les procédures de soudage semi-automatiques et automatiques sont de plus en plus utilisées pour le rechargement dur. Les procédures les plus courantes sont les suivantes (ce document ne couvre pas les procédures de soudage telles que la projection thermique, le laser, etc.) :

Procédé de soudage à l’arc au tungstène

Dans le procédé TIG, un arc électrique est produit entre une électrode en tungstène réfractaire et la pièce. Un fil d’apport métallique peut ou non être utilisé.

Le bain de soudure est protégé de l’oxydation par une atmosphère inerte (souvent de l’argon).

Procédé de soudage à l’arc sous protection métallique

L’électrode est composée d’une âme métallique revêtue d’un enrobage composée de différents éléments et notamment d’un laitier. Un arc électrique crée un bain de soudure entre l’âme de l’électrode et la pièce. Le laitier produit par la fusion de l’enrobage protège le métal en fusion contre l’oxydation et peut contribuer à l’analyse chimique des dépôts.

Électrode tubulaire 

Une électrode tubulaire est constituée d’un tube d’acier rempli d’un mélange de poudres. Ce type d’électrode n’est utilisé que pour les applications de rechargement dur. Un arc électrique uniforme est formé entre la paroi du tube et la pièce. Il en résulte une dilution plus faible et des dépôts plus larges qu’avec une électrode à enrobage conventionnel.

Ce type d’électrode est moins sensible à la reprise d’humidité que les électrodes standard.

Procédé auto-protégé/procédé à l’arc ouvert

Ce procédé est identique au MIG/MAG. Il présente l’avantage de ne pas nécessiter l’utilisation d’un gaz de protection.

Il est généralement utilisé dans les cas suivants :

Conditions de travail inadaptées aux autres procédés de soudage (soudage en extérieur, courants d’air, etc.).

L’exposition à l’atmosphère n’a pas d’effet négatif sur la performance du dépôt.

Également connu sous le nom d'”arc ouvert”, ce procédé est particulièrement utilisé pour les solutions de rechargement dur (excellentes caractéristiques de dureté et de résistance à l’usure).

Procédé de soudage à l’arc submergé 

Le métal en fusion est généré par un arc électrique entre un fil et la pièce, protégée par un “lit” de flux solide. L’arc électrique n’est pas visible et les fumées de soudage sont principalement absorbées par l’épaisseur du flux. La configuration de la procédure et l’utilisation de flux solides limitent son application aux positions de soudage à plat. La procédure de soudage à l’arc submergé permet d’obtenir des taux de dépôt très élevés.

Pour plus d’information, référez-vous au guide des Fondamentaux du rechargement dur.

La technologie du rechargement évolue sans cesse et il existe une large gamme d’équipements, de sources d’énergie et de consommables à choisir, ainsi que toute une série de facteurs à prendre en compte.

Matériel de soudage 

  • La disponibilité et les types d’équipement de soudage, la taille de la source d’énergie et savoir si la plage d’ampérage est adéquate pour le rechargement. Quelle position de soudage sera utilisée et le composant peut-il être ajusté pour permettre le soudage en position de soudage à plat ?

Procédé de soudage 

  • L’équipement que vous avez choisi nécessite-t-il un soudage à l’électrode SMAW, un soudage semi-automatique FCAW-S ou FCAW-G ou un soudage SAW ?

Choix du consommable de soudage de rechargement 

  • La disponibilité, la qualité et les performances des matériaux de rechargement sont des éléments essentiels à prendre en compte. Déterminez également le diamètre de l’électrode ou du fil SMAW qui conviendra le mieux à votre application. Si le soudage par fil est utilisé, déterminez également le procédé de soudage qui convient le mieux à votre application, comme le fil à protection gazeuse FCAW-G, le fil auto-protégé FCAW-S ou le fil à arc submergé SAW.
  • Si vous avez besoin d’aide pour choisir et commander le consommable de soudage le plus approprié, contactez Welding Alloys.

Niveau de compétence de l’opérateur 

  • Les compétences de l’opérateur doivent être prises en compte lors du choix du procédé de soudage à l’arc à utiliser. Les procédés de soudage vont du manuel au semi-automatique en passant par l’entièrement automatisé et requièrent chacun des niveaux de compétences différents.

Environnement physique

  • Que le soudage se déroule à l’intérieur ou à l’extérieur, l’accessibilité et toute condition spécifique doivent être prises en compte. Pour garantir des normes de santé et de sécurité appropriées, la ventilation et l’équipement d’extraction des fumées doivent être adéquats.

Composant/ou pièce soudé(e)

  • La forme du composant, la taille de la zone à recharger et les caractéristiques devront être prises en compte. Déterminez la position de soudage qui sera utilisée et si le composant pourra être ajusté pour permettre le soudage dans la position de soudage à plat.

Exigences en matière de dépôt de soudure

  • D’autres facteurs auront un impact sur la préparation, notamment les composants précédemment soudés, le parachèvement, l’état de la surface (huile ou saleté).
  • Déterminez également s’il existe des exigences d’usinage spécifiées et quelle est la finition souhaitée.
  • Confirmez l’épaisseur de dépôt souhaitée ou les dimensions finales.
  • Avez-vous des objectifs de production spécifiques qui déterminent un taux de dépôt cible ?
  • Les cordons de soudure seront-ils laissés sans meulage ou usinage ?

Le choix du matériau de soudage dépend de trois facteurs principaux :

  1. Métal de base

Le métal de base de l’équipement à recharger est un élément important à prendre en compte lors de la sélection d’un métal d’apport de rechargement. EN SAVOIR PLUS sur les métaux de base qui peuvent être rechargés et les considérations clés.

  1. Type d’usure

Une considération primordiale dans la sélection des couches finales de rechargement est le type d’usure rencontré. Dans de nombreux cas, si ce n’est la plupart, l’usure effective est le résultat d’une combinaison de deux ou plusieurs des phénomènes décrits dans cette section. EN SAVOIR PLUS sur les différents types d’usure.

  1. Méthode de soudage à l’arc

Le choix du procédé de soudage à l’arc le plus approprié dépend de la taille de la pièce et de sa complexité, de l’équipement de positionnement disponible et de la fréquence du rechargement.  Les procédures de soudage semi-automatiques et automatiques sont de plus en plus utilisées pour le rechargement. EN SAVOIR PLUS sur les méthodes disponibles.

Le contrôle de la dilution est essentiel lors du rechargement, car la dilution affecte la composition chimique du dépôt, la dureté et la qualité. Pendant le soudage, une partie du métal de base se dissout dans le bain de soudure et le dilue. La vitesse de dépôt est une considération importante lors de l’évaluation de l’économie globale du rechargement et il est important de sélectionner la procédure de soudage la mieux adaptée.

La dilution peut être définie comme la proportion du métal de base dans le métal soudé résultant et, pour un dépôt de cordon unique, elle est généralement considérée comme le rapport de la section transversale du métal de base fondu à la section transversale totale de la zone de fusion, comme l’ont démontré DuPont et Marder (1996).

Le contrôle de la dilution est essentiel lors du rechargement, car il affecte la composition chimique du dépôt, la dureté et la qualité. Pendant le soudage, une partie du métal de base se dissout dans le bain de soudure, ce qui le dilue.

La dilution est calculée comme suit : % dilution = B/(A+B) x 100

Lors des opérations de soudage, la dilution doit être limitée afin d’optimiser les caractéristiques du dépôt, tout en assurant une bonne fusion avec le substrat. Comment contrôler la dilution ?

Choisir la bonne procédure de soudage, en particulier l’apport de chaleur.

Séquence de soudage : Un chevauchement d’environ 50 % entre les passes de soudage permet de bien contrôler la dilution. Le soudage multipasse entraîne une dilution plus faible que le soudage monopasse.

Pour une meilleure compréhension du contrôle de la dilution, vous pouvez vous référer à l’illustration en page 20 de notre brochure Les fondamentaux du rechargement dur par fusion

Le taux de dépôt exprime la quantité de métal fondue qui sera déposée en une heure de temps d’arc réel.

  • Il s’agit de la vitesse à laquelle le métal de soudure peut être déposé par une électrode ou un fil de soudage donné, généralement exprimée en livres/heure ou en kilogrammes/heure.
  • Elle est basée sur une production continue, sans tenir compte des arrêts/démarrages/nettoyages ou de l’insertion de nouvelles électrodes.
  • La vitesse de dépôt est directement proportionnelle au courant de soudage utilisé.
  • Sur une machine à tension constante, l’augmentation de la vitesse d’alimentation du fil augmente la vitesse de dépôt.

Le taux de dépôt type et le pourcentage de dilution varient en fonction du procédé de soudage utilisé. Pour en savoir plus, veuillez consulter le tableau récapitulatif à la page 18 de notre brochure Les fondamentaux du rechargement dur par fusion.

Les métaux de base les plus fréquemment rechargés sont les suivants

  • les aciers inoxydables
  • les aciers au manganèse
  • les aciers au carbone et les aciers alliés
  • les fontes
  • Alliages à base de nickel
  • Alliage à base de cuivre

Principales considérations sur le métal de base

Le métal de base de l’équipement à recharger est un élément important à prendre en compte lors de la sélection d’un métal d’apport de rechargement.

Aciers faiblement alliés et à haute teneur en carbone

Une part importante des équipements de fabrication est produite à partir d’aciers faiblement alliés et d’aciers à haute teneur en carbone. Les aciers au carbone et les aciers faiblement alliés dont la teneur en carbone est inférieure à 1 % peuvent être rechargés sans utiliser de couche tampon, tandis que les alliages à forte teneur en carbone peuvent nécessiter une couche tampon spéciale. Les métaux de base qui contiennent des quantités plus importantes de carbone et/ou d’alliage ont également tendance à être plus fragiles et peuvent nécessiter un préchauffage et/ou un postchauffage, ou un allègement des contraintes pour éviter les fissures ; il en va de même pour les métaux de base plus épais.

Les aciers austénitiques au manganèse sont utilisés dans les équipements pour leurs propriétés de résistance à l’abrasion et aux chocs et conviennent au rechargement. Les aciers austénitiques au manganèse ne nécessitent pas non plus de préchauffage, sauf si la température de la pièce est inférieure à 10°C, afin d’éliminer l’humidité contenue dans l’acier. Cependant, les aciers austénitiques au manganèse peuvent devenir cassants pendant le processus de soudage. Pendant le rechargement, la température du métal de base doit rester inférieure à 260°C. Si cette température est dépassée pendant des périodes prolongées, elle augmentera la fragilité du métal et réduira la résistance à l’abrasion de l’acier. La réaction temps-température décrite ci-dessus est accélérée dans les aciers austénitiques au manganèse à haute teneur en carbone et à faible teneur en manganèse.

Pour tous les matériaux, il est important de nettoyer la pièce avant le processus de rechargement. Essuyez la pièce pour la débarrasser de tous les contaminants et, si nécessaire, éliminez les anciennes couches de rechargement, ainsi que les fissures, par arc au carbone ou gougeage au plasma, ou par meulage.

Déterminer le type d’usure peut s’avérer difficile, mais c’est un facteur important pour déterminer le produit et le procédé de soudage à utiliser.

L’usure peut être décrite comme un processus d’enlèvement progressif d’un matériau des surfaces de solides soumis à un contact et à un glissement où les surfaces de contact sont endommagées par l’usure. Généralement, les pièces usées ne tombent pas en panne à cause d’un seul type d’usure, mais à cause d’une combinaison de modes, tels que l’abrasion et l’impact.

Les catégories d’usure énumérées ci-dessous ne constituent pas une liste exhaustive, mais elles représentent les phénomènes d’usure les plus courants et leur contribution estimée en % à l’usure totale :

A : Mécanismes d’usure 

L’étude des surfaces en interaction et en mouvement relatif et de leurs effets sur le frottement et l’usure est appelée “tribologie”. Pour parvenir à la meilleure caractérisation possible des mécanismes d’usure dans les métaux, trois éléments doivent être compris :

Le métal de base, ou substrat, est caractérisé par sa composition chimique et sa méthode de production (laminé, forgé, coulé), c’est-à-dire ses propriétés mécaniques. La géométrie du composant joue également un rôle fondamental. Ces informations nous permettent de comprendre sa susceptibilité à l’usure et les conditions de soudage requises lors d’une réparation, d’une reconstruction et/ou d’un rechargement.

L’élément externe (abrasif) qui provoque l’usure du substrat est caractérisé par ses propriétés dynamiques et physiques. Sa dureté, sa forme et sa texture déterminent le niveau de dommage qu’il causera, en fonction de la pression, de la vitesse et de l’angle de contact avec le substrat.

L’environnement dans lequel l’usure se produit est un facteur essentiel dans le choix de la solution de soudage idéale. Les conditions de fonctionnement telles que la température, la pression et l’humidité doivent être caractérisées autant que possible.

B : Les différents types d’usure

Les phénomènes d’usure les plus courants et leur pourcentage estimé de contribution à l’usure totale :

  1. Abrasion faible ou modérée / faible impact

Ce type d’usure résulte du frottement ou du glissement de particules sur le substrat. La pression exercée par ces abrasifs étant très faible, ils ne changent pas de taille et ne se désagrègent pas. L’angle d’attaque de ces particules étant très faible, le terme “micro-usinage” est parfois utilisé.

D’un point de vue technique, on utilise les termes :

  • “abrasion faible”, où deux corps sont impliqués, l’abrasif et le substrat.
  • “abrasion modérée”, où trois corps sont impliqués, deux surfaces en mouvement l’une contre l’autre avec un abrasif entre les deux.

Plus l’abrasif est pointu et dur, plus le taux d’abrasion est élevé. Comme il n’y a pas d’effet d’impact, la ductilité du substrat n’est pas un problème. Tant que la dureté du métal de base est supérieure à celle de l’élément externe, l’usure ou l’abrasion sera très faible. Les pièces à surface dure, les tôles traitées thermiquement et les composants en céramique sont utilisés pour résister à l’usure dans ces situations (par exemple, 400 HB).

  1.  Abrasion forte / sous pression 

L’abrasion sous pression se produit dans les équipements où l’abrasif est comprimé entre deux surfaces. L’abrasif est alors brisé en plusieurs morceaux. En raison de la pression élevée, l’usure de la surface se manifeste sous forme de copeaux, de détachement de phases dures (carbures, borures, etc.) ou de déformation plastique de la matrice.

La solution de revêtement doit donc être un équilibre optimisé entre la limite d’élasticité, la ductilité et la dureté. Exemple typique : broyeur à charbon.

  1. Abrasion sévère / fort impact

Le terme “abrasion par gougeage” est également utilisé. Il s’agit d’une abrasion faible, modérée ou forte combinée à un effet d’impact. Ce type d’usure se traduit par la suppression de gros copeaux et de rayures. Elle peut s’accompagner d’une déformation plastique. La solution à ce type d’usure passe par l’utilisation de matériaux ductiles qui résistent aux chocs (force appliquée à un seul point de contact) et aux impacts (force appliquée à plusieurs points de contact). Les aciers au manganèse sont souvent utilisés dans les applications impliquant des chocs répétés, tandis que les alliages de carbure de titane sont parfaits pour résister aux impacts. Exemple typique : les marteaux de broyeur.

  1. Adhésion / friction 

Lorsque deux corps métalliques frottent l’un contre l’autre et qu’il y a transfert de matière d’un substrat à l’autre, on parle « d’usure par adhésion”. Ce type d’usure se produit lorsque trois éléments sont réunis : température, pression et friction. Le contact des aspérités entre elles, accompagné d’un mouvement relatif, entraîne une micro fusion immédiatement arrachée par cisaillement. Les aspérités ne sont pas forcément visibles à l’œil nu, car ce mécanisme d’usure se produit à l’échelle microscopique. La vitesse d’usure dépend de plusieurs facteurs : la force agissant entre les deux surfaces, la vitesse relative, la température de l’environnement de travail, l’état de la surface et les coefficients de friction en surface. Le type de matériau utilisé a également une influence. L’utilisation de matériaux ayant des structures cristallographiques identiques tend à augmenter le risque d’adhésion. Exemple typique : rouleaux de coulée continue ; cisailles ; roulements.

  1. Érosion (similaire à l’usure par abrasion)

Ce type d’usure se produit lorsque des particules solides ou liquides entrent en contact avec une surface à grande vitesse. La vitesse d’usure dépend de l’angle d’attaque de l’élément extérieur et de la vitesse à laquelle il est projeté. Les propriétés physiques du substrat déterminent la vitesse d’usure par érosion. À de faibles angles d’attaque (moins de 30°), l’érosion est due à un micro-usinage comparable à une abrasion sous contrainte faible ou modérée. La vitesse d’usure dépend directement de la dureté du substrat. A un angle d’attaque plus élevé (30 à 90°), les particules érosives vont déformer, voire écailler le substrat. Il est alors nécessaire d’utiliser des matériaux capables d’absorber l’énergie libérée par l’impact sans se déformer ou se fissurer.

Exemple typique : les équipements de dragage.

  1. Cavitation

La cavitation se produit dans les liquides très turbulents en contact avec une surface solide. Des cavités se forment dans le liquide et implosent, créant une usure. Le terme “érosion par cavitation” est également utilisé. La cavitation répétée entraîne des contraintes cycliques, et une fatigue du métal de base. Les fissures de fatigue entraînent alors la défaillance du composant. Sous de telles contraintes, les matériaux à haute ténacité présentent une plus grande résistance à ce type d’usure car ils dissipent l’énergie libérée par l’implosion des cavités.

Exemple : les pales de turbines hydroélectriques.

  1. Fatigue thermique

Ce type de fatigue se réfère à l’usure générée par les cycles thermiques sur le métal de base. Lorsqu’une pièce est chauffée et refroidie de manière répétée, il se produit une dilatation et une contraction. Ces processus entraînent une fissuration de la surface connue sous le nom de “fissuration par fatigue thermique”.

Exemple : Outils de forge, rouleaux de laminage à chaud.

  1. Fretting 

Les types d’usure mentionnés précédemment entraînent une perte continue de matière.

La « fatigue de contact » se produit lorsqu’il y a une action récurrente de roulement ou de glissement entre deux composants. Dans ces conditions, on observe une perte soudaine de matière, sous forme de piqûres ou d’écaillages. Les pièces qui roulent ou glissent sous haute pression sont soumises à de fortes charges mécaniques. Des fissures peuvent apparaître et se propager sous l’effet de la charge, voire provoquer des décohésions ou des arrachements. Exemple : dents d’engrenages, rails, presses à rouleaux.

  1. Corrosion

L’usure par corrosion est un sujet vaste et complexe. Pour la contrer, des solutions de rechargement sont souvent utilisées. Les aciers inoxydables austénitiques (série 300) et les alliages à base de nickel sont privilégiés. Dans les tests de qualification de soudage, ce type de rechargement doit répondre à certaines exigences, notamment des pliages coté à 180° sans fissure. Le rechargement ne nécessite pas ce type d’essai. Pour les applications de rechargement, la corrosion n’est pas un problème majeur.

Exemple: Vis sans fin en papeterie ou rouleaux de coulée continue.

  1. Usure combinée

Dans certaines applications, l’équipement peut être soumis à plusieurs types de contraintes à la fois. Il en résulte une combinaison de différents types d’usure. La corrosion et/ou les hautes températures peuvent se combiner avec d’autres types d’usure : on parle alors de facteurs secondaires.

Les principales catégories peuvent être divisées en deux groupes :

Groupe 1: Base fer avec moins de 20% d’alliage

Aciers faiblement alliés

Ces métaux d’apport contiennent au maximum 0,2 % de C et leur dureté après soudage ne dépasse pas 250 HV. Ils sont produits pour être utilisés dans la reconstruction de pièces avant le rechargement. Ils assurent une transition métallurgique entre le métal de base doux et le rechargement. Le métal déposé possède de bonnes propriétés mécaniques et résiste bien à la compression.

Leur composition signifie cependant que ces métaux d’apport réagissent mal à l’usure.

Les produits Welding Alloys comprennent HARDFACE BUF-O.

Aciers moyennement alliés

Les métaux d’apport les plus couramment utilisés sont ceux qui déposent une structure martensitique-bainitique. Il s’agit de métaux d’apport bon marché auxquels on ajoute des alliages pour leur conférer une résistance à l’usure. Outre le carbone, ils peuvent contenir:

  • Des éléments carburigènes, tels que le chrome et le molybdène.
  • Des éléments qui affinent la structure, comme le manganèse.

La dureté des dépôts de soudure peut varier de 250 à 700 HV. Il est utile de noter que les dépôts dont la dureté est inférieure à 300 HV sont faciles à usiner, tandis qu’un revêtement dépassant 50 HRC est généralement impossible à usiner.

Plus le dépôt est dur, plus il résiste à l’abrasion sous des contraintes faibles ou modérées. Ces matériaux sont fréquemment utilisés dans les activités de terrassement et d’agriculture.

Les produits Welding Alloys comprennent ROBODUR K 250-G, ROBODUR K 600-G, HARDFACE T-G, HARDFACE L-G.

Aciers inoxydables martensitiques

Les aciers inoxydables martensitiques, avec plus de 12 % de Cr, offrent une bonne résistance à l’usure par fatigue thermique et à la corrosion. Ces nuances sont idéales pour les applications où il y a une usure à chaud métal contre métal. Les aciers inoxydables martensitiques sont largement utilisés dans la sidérurgie et le forgeage pour les opérations de coulée, de laminage et de formage. L’ajout d’éléments tels que l’azote et le cobalt augmente la résistance de ces alliages aux températures élevées et à la corrosion.

L’azote réduit la ségrégation des carbures de chrome aux joints de grains et améliore la résistance à la corrosion par piqûres (PREN=Cr+3,3Mo+16N). Le cobalt confère au dépôt une meilleure résistance aux températures élevées et, par conséquent, à la fatigue thermique et à la corrosion à haute température.

Lors du surfaçage d’un métal de base faiblement ou moyennement allié avec des aciers inoxydables martensitiques, il est recommandé d’appliquer une couche tampon spéciale sur-alliée en chrome (~ 17%) pour garantir la solidité métallurgique et éviter la fissuration en service.

Les produits Welding Alloys comprennent CHROMECORE 430-G, CHROMECORE 434N-S, CHROMECORE 414DN-S.

Aciers à outils

Les aciers à outils sont utilisés pour le formage à haute température avec des cycles répétés. Ils doivent pouvoir résister à une plage de températures de 500 à 600°C sans se ramollir. Des éléments tels que le molybdène, le vanadium, le titane et le tungstène sont ajoutés pour garantir cette résistance.

Les outils de forge – couteaux, matrices, marteaux, … – sont fabriqués à partir de ces aciers ou revêtus de ceux-ci. Ils présentent une bonne résistance aux effets combinés de la fatigue thermique, de la déformation plastique et de l’usure de contact. Dans les sections suivantes, nous verrons qu’il existe d’autres solutions plus fortement alliées, basées sur des alliages de cobalt et de nickel (STELLOY).

Les produits Welding Alloys comprennent ROBOTOOL 46-G, HARDFACE WLC-G, HARDFACE AR-G

Aciers austénitiques au manganèse

Les aciers contenant 12 à 14% de Mn ont une structure austénitique tendre (dureté ~ 200 HV), avec une capacité d’écrouissage superficiel lorsque la pièce est soumise à des chocs importants. Des duretés de l’ordre de 500 HV peuvent être atteintes.

Lorsque des fissures se forment en service, la durée de vie du revêtement n’est pas nécessairement compromise. En fait, ce type de dépôt présente une résistance élevée à la propagation des fissures.

Les nuances à 14 % de Mn contiennent environ 1 % de carbone. Cela entraîne une fragilisation si la vitesse de refroidissement est trop lente, en raison de la précipitation de carbures aux joints de grains. Les composants soudés sont souvent traités à 1000°C pour obtenir une structure purement austénitique.

Malheureusement, le recuit de mise en solution n’est pas toujours possible. Il faut éviter des températures d’inter passe excessives et les refroidissements trop lents. Les fils fourrés conviennent parfaitement pour atteindre cet objectif, en combinant la qualité métallurgique et la productivité.

Lors du surfaçage avec un acier à 14 % de Mn sur un substrat non ou faiblement allié, l’utilisation d’une couche tampon en acier inoxydable austénitique (307 ou 312) est fortement conseillée. Cela permet d’éviter tout risque de création d’une zone martensitique affectée par la chaleur. Sans cette couche intermédiaire, une zone fragile se formerait, entraînant, en cas d’impact important, l’écaillage du revêtement.

Les produits Welding Alloys comprennent HARDFACE NM14-O.

Groupe 2 : à base de fer avec plus de 20% d’alliage

Aciers austénitiques au chrome et au manganèse

Comme pour les aciers à 14% de Mn, les dépôts austénitiques de chrome-manganèse sont durcissables par écrouissage. Cependant, en raison de leur teneur élevée en alliage, ces produits peuvent être appliqués directement sur des substrats non ou faiblement alliés, sans risque de formation d’une structure martensitique à l’interface. Ce type d’alliage est souvent utilisé comme couche tampon avant le dépôt d’un alliage à 14 % de Mn.

Il convient également de noter que la présence de chrome signifie que l’oxycoupage ne peut pas être utilisé sur cet alliage.

Les produits Welding Alloys comprennent HARDFACE 19 9 6-G,  HARDFACE AP-G

Aciers à outils

Grâce à l’alliage avec le cobalt, le chrome et le molybdène, le métal d’apport HARDFACE DCO est un superalliage offrant des performances très proches des alliages à base de cobalt. C’est la réponse parfaite aux contraintes de haute température (500-600°C).

Les produits Welding Alloys comprennent HARDFACE DCO-G.

Fonte au chrome

Ces dépôts sont composés de phases dures dans une matrice dont la structure dépend de la composition du métal d’apport : martensitique, bainitique ou austénitique. Ils sont principalement utilisés pour résister à l’usure par abrasion. Dans le cas d’une abrasion faible ou modérée, les dépôts à matrice austénitique sont normalement utilisés. Cependant, une matrice martensitique constitue la meilleure solution pour une forte abrasion sous pression.

La taille des phases dures (carbures, borures) et leur répartition dans la matrice ont une influence directe sur la résistance à l’abrasion du dépôt. Par exemple, pour une même dureté, un revêtement avec des carbures plus gros et plus rapprochés aura tendance à donner de meilleurs résultats qu’un revêtement avec des particules plus petites.

Pour les applications impliquant une abrasion sévère sous impact, un dépôt contenant des carbures de titane constitue la réponse parfaite. La distribution fine et régulière des phases dures offre une excellente résistance aux contraintes combinées.

Les produits Welding Alloys comprennent HARDFACE HC-O, HARDFACE TIC-O, HARDFACE BN-O.

Groupe 3: Alliages non ferreux à base de cobalt ou de nickel

Alliages à base de cobalt

Les métaux d’apport à base de cobalt sont principalement alliés au carbone, au chrome et au tungstène, parfois aussi au nickel et au molybdène. Ces alliages sont particulièrement adaptés aux applications impliquant des températures élevées (jusqu’à 800°C) et conservent une grande dureté dans le temps. Le chrome constitue une couche protectrice et joue donc un rôle anti-oxydant. Comme dans les alliages à base de fer, le chrome, le tungstène et le molybdène se combinent au carbone pour créer des carbures durs.

Plus la teneur en carbone est faible, meilleure est la résistance à la fissuration. Un STELLOY 21 est insensible à la fissuration et présente de bonnes caractéristiques de résistance aux chocs. Le STELLOY 6, plus dur, offre une meilleure résistance à l’abrasion à haute et basse température, mais est moins résistant à la fissuration.

Ces alliages sont idéaux pour l’usure causée par la friction métal-métal à des températures élevées et en présence d’abrasifs. Leur faible coefficient de friction et leur tendance à l’autopolissage les rendent très résistants aux griffures et contribuent à maintenir une excellente qualité de surface.

Pour éviter les fissures, toute opération de soudage avec ce type de métal d’apport nécessite un préchauffage. Dans la plupart des cas, les métaux d’apport STELLOY de grade 6 sont soudés à une température de préchauffage d’environ 350°C, suivie d’un refroidissement lent sous isolation thermique.

Les produits Welding Alloys comprennent STELLOY 21-G et STELLOY 6-G.

Alliages à base de Nickel

Les alliages à base de nickel les plus couramment utilisés pour le rechargement contiennent du chrome, du bore et du carbone. Ils contiennent plusieurs phases dures (carbures et borures de chrome) dans une matrice nickel-chrome. Cette structure leur confère une bonne résistance à l’oxydation (jusqu’à ~ 950°C) et leur permet de conserver leur dureté jusqu’à 500°C.

La résistance à l’abrasion faible ou modérée est bonne quelle que soit la température du procédé et s’améliore proportionnellement à la teneur en carbone. Par contre, ce type d’alliage résiste mal à une forte abrasion sous pression. De plus, une abrasion sévère combinée à des impacts importants dégradera le revêtement.

Ces alliages sont principalement utilisés pour des applications impliquant l’abrasion et la corrosion à haute température : vannes, sièges de vannes ou vis de convoyeurs.

Il existe d’autres alliages à base de nickel qui sont particulièrement résistants aux contraintes de haute température et aux chocs thermiques. L’ajout de chrome, de molybdène, de tungstène et de cobalt leur confère les propriétés idéales pour les marteaux de forge.

Les produits Welding Alloys comprennent STELLOY C-G et STELLOY Ni520-G

Groupe 4: Les carbures de tungstène

Le carbure de tungstène offre une résistance extrême à l’usure par abrasion. Les couches superficielles contenant une dispersion de carbure de tungstène sont produites à l’aide d’un fil fourré contenant jusqu’à 60 % de grains de carbure de tungstène d’une taille comprise entre 100 et 250 microns. Ces grains traversent directement l’arc de soudage sans fondre, contrairement aux carbures formés par précipitation dans les alliages de rechargement à base de fer et de cobalt. La gaine du fil fond pour former la matrice du dépôt. Des matrices en acier doux, en acier inoxydable et à base de nickel sont disponibles.

Pour assurer une bonne répartition des grains et une bonne résistance à l’abrasion, il est essentiel d’utiliser un faible apport de chaleur. Des paramètres de soudage trop élevés entraîneraient la chute des carbures au fond du bain de soudage.

Les produits Welding Alloys comprennent HARDFACE NICARBW, HARDFACE STAINCARBW, HARDFACE STEELCARBW

Cela dépend du type d’alliage de rechargement utilisé et, alors que beaucoup pensent que toutes les fissures sont mauvaises, les fissures transversales sont courantes dans certaines applications de rechargement. Par exemple, de nombreux alliages de carbure de chrome présentent des fissures transversales lorsqu’ils sont refroidis à des températures modérées, ce qui est normal et prévisible. Cependant, les alliages des familles austénitiques et martensitiques ne devraient pas se fissurer lorsqu’ils sont appliqués avec les procédures de soudage correctes.

Les fissures transversales se produisent dans les familles de carbure métallique et se manifestent dans une direction perpendiculaire à la soudure. La principale raison de cela est que le métal soudé surpasse considérablement la résistance du métal de base, et lorsque le métal soudé refroidit, il se contracte longitudinalement.

Les fissures se produisent perpendiculairement à la longueur du cordon et sont généralement espacées de 3/8 à 2 pouces en raison des fortes contraintes provoquées par la contraction du métal soudé lorsqu’il se refroidit.

Pour les projets où le métal de base est dur ou cassant, il convient d’envisager une couche tampon avec un métal plus doux et plus résistant de la famille des alliages austénitiques.

Il s’agit d’un processus par lequel un revêtement de carbure de chrome est appliqué à la surface des composants, afin de former une liaison métallique avec le substrat, qui résiste aux chocs et à l’abrasion. Le rechargement au carbure de chrome est réalisé avec des alliages à base de fer qui contiennent de grandes quantités de chrome (>18 %) et de carbone (>3 %) et forment des carbures durs (carbures de chrome) qui résistent à l’abrasion. Les dépôts présentent régulièrement des fissures transversales environ tous les 1/2 pouces, afin de soulager les tensions dues au soudage.

La résistance à l’abrasion augmente proportionnellement à la quantité de carbone et de chrome, bien que la teneur en carbone ait une plus grande influence. Des éléments peuvent être ajoutés pour former d’autres carbures ou borures afin d’augmenter la résistance à l’usure pour les applications à haute température et les alliages sont limités à deux ou trois couches.

Le faible coefficient de friction rend le rechargement en carbure de chrome idéal pour les applications nécessitant un matériau qui glisse bien.

Les alliages de rechargement en carbure de chrome sont disponibles dans différents niveaux de dureté, niveaux qui sont dictés par le taux de carbone et de chrome de l’alliage utilisé dans le processus de rechargement. Les valeurs de dureté typiques vont de 40 HRC à 65 HRC et le matériau de rechargement peut être appliqué par différents procédés, notamment la pulvérisation de métal ou le dépôt de soudure.

Les dépôts de rechargement en carbure de chrome sont une solution rentable pour résoudre les problèmes d’usure.

Les carbures complexes sont généralement associés aux dépôts de carbure de chrome auxquels ont été ajoutés du niobium, du molybdène, du tungstène ou du vanadium. Ces éléments ajoutés, en plus du carbone, permettent la formation de leurs propres carbures et/ou la combinaison  avec les carbures de chrome actuels pour augmenter la résistance globale à l’abrasion de l’alliage. Ils peuvent contenir tous ces éléments ou seulement un ou deux. Ils sont utilisés pour les applications à forte abrasion ou à haute température.

En règle générale, toutes les pièces à recharger doivent au moins être à température ambiante. Habituellement, les aciers non alliés, faiblement alliés, fortement alliés et au manganèse sont utilisés comme métaux de base avant l’opération de rechargement.

Lorsque le matériau à souder a une teneur élevée en carbone ou en alliage, un préchauffage est nécessaire pour éviter les fissures. La fissuration peut résulter du fait que le soudage introduit une température élevée soudaine dans les pièces, provoquant un choc thermique. Dans de tels cas, vous devez donc choisir des températures de préchauffage et d’inter passe plus élevées en fonction de la chimie du métal de base et des produits de rechargement utilisés.

Cependant, lorsqu’un acier austénitique à 11-14% de manganèse est utilisé, le préchauffage doit être évité, car des températures supérieures à 150°C pendant le soudage entraînent un risque important de fragilisation.

Le tableau ci-dessous donne les températures approximatives de préchauffage nécessaires pour les différents métaux de base :

Les températures de préchauffage nécessaires pour le soudage des métaux de base varient selon leur équivalent carbone (Ceq), qui influence directement leur soudabilité :

Équivalent Carbone Faible (Ceq < 0,35) :

  • Soudabilité : Bonne
  • Préchauffage : Un léger préchauffage est nécessaire, nous suggérons une préparation minimale en raison de la bonne soudabilité du métal.
  • Postchauffage : Non requis; aucun traitement thermique supplémentaire n’est nécessaire après le soudage.

Équivalent Carbone Modéré (0,35 < Ceq < 0,6) :

  • Soudabilité : Acceptable
  • Préchauffage : Un préchauffage modéré entre 150 et 250°C est nécessaire pour éviter les problèmes potentiels lors du soudage.
  • Postchauffage : Préférable; un traitement thermique après soudage pourrait bénéficier à la qualité finale de la soudure et à l’intégrité structurelle.

Équivalent Carbone Élevé (Ceq > 0,6) :

  • Soudabilité : Des précautions sont nécessaires en raison du risque accru de défauts de soudage.
  • Préchauffage : Un préchauffage intensif au-dessus de 250°C est nécessaire pour assurer un soudage sûr et efficace.
  • Postchauffage : Requis: nécessité d’un traitement thermique après soudage pour atténuer les contraintes et les risques de fissuration.

Comme les couches revêtues ne sont pas ductiles, des fissures de retrait apparaissent fréquemment. Pour minimiser les fissures, la nature du métal d’apport doit également être prise en compte. Dans certains cas, même si le métal de base C-Mn a un Ceq <0,35, 5, l’utilisation d’un alliage à base de cobalt (STELLOY 6) nécessite un préchauffage minimum de 300-350°C. En outre, pour éviter la fissuration du métal déposé, un refroidissement lent est nécessaire (typiquement moins de 50 °C par heure).

Consultez toujours les directives du fabricant pour éviter les fissures et l’écaillage.

Le cobalt et les alliages à base de nickel sont utilisés dans une série d’industries telles que les produits chimiques, la pétrochimie, la production d’électricité, la pâte à papier et le papier, la manutention et le transport des fluides, l’agriculture et la production alimentaire, entre autres.

Alliages à base de cobalt

Nos alliages à base de cobalt sont conçus pour offrir de bonnes performances dans des environnements difficiles, impliquant principalement une dégradation mécanique et chimique et des facteurs d’usure tels que la chaleur.

Les procédés de soudage disponibles sont SAW, SMAW et GMAW. Les alliages à base de cobalt offrent une dureté à haute température et une résistance à l’érosion par cavitation, ainsi qu’une bonne liaison avec l’acier inoxydable et les alliages soudables.

Les alliages à base de cobalt peuvent contenir différents types de carbures et se prêtent bien à l’abrasion sévère à haute température et présentent une bonne résistance à la corrosion pour certaines applications. La dureté des dépôts varie de 25 HRC à 55 HRC et des alliages d’écrouissage sont également disponibles.

Alliages à base de nickel

Nos alliages à base de nickel sont spécialement conçus pour les aciers à faible et moyen taux de carbone, les fontes et les aciers inoxydables. Nos alliages offrent une résistance à l’abrasion et aux chocs et conservent d’excellents niveaux de résistance à haute température, avec une résistance à la corrosion, au grippage et à la corrosion par piqûre. Les alliages à base de nickel peuvent contenir des borures de chrome qui résistent à l’abrasion.

Pour obtenir de l’aide dans le choix du produit de rechargement le plus adapté à la résistance à l’usure dont vous avez besoin, veuillez contactez Welding Alloys.

Le rechargement peut consister à déposer une ou plusieurs couches de métal soudé. Si certains types sont conçus pour être appliqués en une seule couche, d’autres peuvent l’être sans limite.

Par exemple, les fils à forte teneur en bore atteignent une dureté extrêmement élevée dès la première couche, mais ne peuvent pas être appliqués en plusieurs couches en raison du risque d’écaillage (par exemple HARDFACE BN-O, HARDFACE BNC-O), en raison de la nature fragile des carbures qui peut entraîner des fissures transversales, lorsque plusieurs couches sont appliquées. Si l’on laisse la contrainte s’accumuler, une séparation ou un écaillage peut se produire entre le métal de base ou la couche tampon et le dépôt de rechargement.

En fonction des attentes en matière de lutte contre l’usure, de durée de vie et d’application, de nombreux produits de rechargement peuvent généralement être appliqués en couches illimitées, sauf indication contraire du fabricant. C’est le cas notamment des aciers faiblement et moyennement alliés tels que ROBODUR K 600-G, HARDFACE L-O & des dépôts de carbure de chrome tels que HARDFACE HC-O, HARDFACE CNV-O.

Oui, le rechargement de la fonte est régulièrement entrepris pour ajouter un matériau ferreux à une surface exposée à l’usure. Le rechargement est couramment utilisé sur les rouleaux de laminoir, les chenilles, les alimentateurs, les mâchoires de concassage, les socs de charrue, les pelles d’excavateur, les godets, les dents de pelleteuse et les surfaces exposées à l’abrasion.

Par exemple, lorsqu’un godet de pelleteuse est exposé à des surfaces qui provoquent l’usure du métal qui constitue le godet, du métal peut se déposer sur les dents et au fond du godet par soudage.

Les produits à base de nickel et de nickel-fer ne sont pas affectés par la teneur en carbone du métal de base et restent ductiles, ce qui les rend appropriés pour la reconstruction de la fonte. En raison de sa faible dilatation thermique, le nickel est également moins susceptible de se fissurer. Il est recommandé d’utiliser les réglages de courant minimums lors du soudage de la fonte avec du nickel afin de minimiser les contraintes thermiques.

Pour obtenir de l’aide dans le choix du produit de rechargement le plus adapté à la résistance à l’usure dont vous avez besoin, veuillez contactez Welding Alloys.

En ce qui concerne les produits de rechargement, tous les produits ne sont pas égaux et la qualité et les performances dépendent d’une série de facteurs tels que:

  • Le type d’alliages utilisés
  • Le pourcentage de la teneur en alliage
  • La manière avec laquelle les produits sont fabriqués; et
  • Les processus de gestion de la qualité

Welding Alloys ne fabrique que des produits de rechargement de qualité qui peuvent parfois être plus chers que d’autres alternatives. Cependant, nos données et nos résultats ont prouvé que la qualité et la performance de nos produits l’emportent sur le coût supplémentaire.

Au cours des deux dernières décennies, on a assisté à une explosion des produits de rechargement à bas prix/de faible qualité contenant une gamme limitée d’alliages, à bon marché et en très faibles quantités, produits dans des environnements mal contrôlés.

Il en résulte une durée de vie limitée des pièces rechargées, décevant ainsi les utilisateurs quant à la performance de leurs pièces en matière d’usure. Malheureusement, cela donne une mauvaise image de l’efficacité des processus de rechargement et a soulevé des questions sur l’intérêt ou la valeur du rechargement.

Pour illustrer plus clairement certaines différences, les produits de rechargement de meilleure qualité contiennent généralement 40 à 60 % d’alliages, offrant ainsi une protection avancée contre l’usure.  En revanche, les produits de qualité médiocre peuvent ne contenir que 4 % d’alliages.

Pour obtenir de l’aide dans le choix du produit de rechargement le plus adapté à la résistance à l’usure dont vous avez besoin, veuillez contactez Welding Alloys.

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