Le rechargement dur signifie la protection des pièces qui sont exposées à différents types d'usure pour qu'ils obtiennent une certaine résistance ou des caractéristiques spécifiques contre l'usure. Quoique le rechargement dur soit d'abord utilisé pour recharger des pièces usées afin de les réutiliser et d'en prolonger leur durée de vie, cette technique est maintenant appliquée sur des produits neufs. La pièce peut être fabriquée avec un matériau moins cher, sa surface étant optimisée par rechargement avec un métal approprié.
Ces alliages de rechargement peuvent être appliqués par tous les procédés de soudage. La dureté élevée ne signifie pas toujours une meilleure résistance à l'usure ou une durée de vie plus longue. Beaucoup d'alliages peuvent avoir le même niveau de dureté, mais peuvent s'user difèremment au cours du temps.
L'expérience a montré l'importance à connaître les conditions de travail des pièces pour sélectionner l'alliage de rechargement le mieux adapté.
Pour choisir le métal d'apport approprié pour une application spéciale, les informations suivantes sont nécessaires:
– types d'usure
– nuance du métal de base
– procédé de soudage préféré
– qualité de surface demandée
Types d'usure
Il y a plusieurs types d'usure différents qui agissent seuls ou en combinaison. Le métal d'apport doit donc être sélectionné minutieusement pour obtenir des caractéristiques appropriées afin de garantir l'efficacité et la sécurité. Un alliage de rechargement doit être considéré comme un compromis pour chaque type d'usure. Par exemple: pendant la vérification d'une pièce métallique usée, on constate que le facteur d'usure prédominant est l'abrasion, le deuxième facteur étant les chocs légers. En conséquence, le métal d'apport dur sélectionné doit avoir une très bonne résistance à l'abrasion et un peu de résistance aux chocs.
Pour simplifier l'analyse des facteurs d'usure. On peut les classer en plusieurs catégories différentes.
Usure métal sur métal, usure par friction ou adhérence
C'est l'usure des pièces de métal qui roulent ou glissent entre elles: I'arbre sur la surface des paliers, les mailles d'une chaine, dents, cylindres etc.
Les alliages de rechargement martensitique sont une bonne sélection contre l'usure de métal sur métal.
Les types d'alliages austénitiques au manganèse et de cobalt sont aussi utilisés pour ce type d'usure.
Les alliages de cobalt sont utilisés pour des températures élevées et des environnements oxydants.
En général, le contact entre les surfaces des matériaux de même dureté cause une usure forte. Par conséquent, on doit sélectionner des duretés différentes pour, par exemple l'arbre et le coussinet.
Chocs
La surface d'une matière se déforme ou s'arrache localement, et peut même se casser si la pièce est exposée aux chocs et/ou aux fortes pressions.
Cependant l'usure par choc est aussi rencontrée avec des concasseurs et broyeurs car il y a usure par les particules fines en plus de l'usure par chocs, cela entraîne la nécessité d'une surface dure et anti-usure.
Les aciers austénitiques au manganèse offre la meilleure résistance contre des chocs purs, parce qu'ils augmentent leurs duretés par écrouissage. Cela provoque une surface dure avec une matière tenace en-dessous. Bien qu'ils ne soient pas aussi bons que les alliages austénitiques au manganèse, les alliages martensitiques ont aussi une certaine résistance contre l'usure aux chocs. Les principales applications sont les concasseurs, poulies, marteaux, rails.
L'abrasion par particules minérales fines
Ce type d'usure est causé par les particules tranchantes qui roulent ou glissent sur une surface de métal avec des vitesses et pressions différentes et qui entament la matière comme de petites outils de coupe. Plus les particules sont dures et ses formes tranchantes, plus l'abrasion sera sévère.
Les meilleurs examples se trouvent dans les excavateurs, le transport des minerais et les pièces de machines agricoles.
En raison d'absence d'usure due au chocs on peut appliquer avec succès des alliages fortemement alliés au chrome et au carbone, relativement fragiles, mais qui résistent bien à ce type d'usure.
Abrasion + pression usure par meulage
Ce type d'usure se présente lorsque des petites particules dures sont forcées entre deux pièces métalliques où elles sont écrasées par un mouvement de meulage. Les principales applications sont les broyeurs, pulvériseurs, concasseurs à rouleaux et appareils à melanger.
Les métaux d'apport de soudage conseillés sont alors des alliages austénitiques
au manganèse, des alliages martensitiques et quelques alliages aux carbures.
Les alliages aux carbures comprennent normalement des carbures de titane
très fins qui sont répartis uniformément.
Usure aux températures élevées, chaleur, oxydation, corrosion Les métaux exposés continuellement à des températures élevées, perdent généralement leur résistance à ces températures, ce qui provoque des criques superficielles due à la fatigue thermique. Ces effets se présentent par exemple sur les outils qui sont fabriqués pour l'estampage à chaud.
Pour le travail en atmosphère oxydante, la surface du métal forme une couche d'oxyde qui se fissure par dilatation thermique et cause une oxydation générale en cycle répétitif.
Les aciers martensitiques alliées à 5-12% de chrome sont très résistants contre l'usure à la fatigue thermique. Les alliages aux carbures de chrome offrent une excellente résistance jusqu'à 600°C.
Pour les températures élevées on peut utiliser des alliages à base de nickel ou de cobalt.
Les principales applications à température élevée sont les cylindres de coulée continue, outils d'estampage à chaud, matrices d'extrusion, pinces, griffes, concasseurs pour produits frittés.
Métal de base
Il y a deux groupes principaux de métaux de base pour le rechargement dur:
• aciers au carbone ou aciers faiblement alliés
• aciers austénitiques au manganèse
Pour distinguer ces matériaux, on peut utiliser un aimant.
Les aciers au carbone ou aciers faiblement alliés sont fortement magnétiques.
Les aciers austénitiques au manganèse ne sont pas magnétiques, mais après écrouissage ces types d'aciers deviennent magnétiques.
Les recommandations pour le soudage de ces types sont vraiment différents.
Parce que la teneur des éléments d'alliage varie dans le groupe des aciers au carbone ou aciers faiblement alliés, un préchauffage et un traitement thermique après soudage sont nécessaires avec un refroidissement lent. Voir aussi les températures de préchauffage, tableau 7, page 116.
Par ailleurs les aciers austénitiques au manganèse doivent être soudés sans préchauffage ou traitement thermique après soudage. La température entre passes doit être la plus basse possible (≤ 200°C), car ces matériaux deviennent fragiles en cas de surchauffe.
Procédés de soudage
Les procédés les plus utilisés pour le rechargement dur sont:
Soudage à l'électrode enrobée, SMAW Aussi connue comme Manual Metal Arc Welding (MMA)
• couvre le plus grand nombre des métaux d'apport
• n'est pas onéreux
• c'est un procédé universel pour le travail sur chantier et pour toutes les positions Soudage avec fil fourré, FCAW
• Ia diversité d'alliage est à peu prés la même que les électrodes enrobées
• taux de dépôt élevé
• peut être utilisé sur chantier (sans gaz)
• pas de protection gazeuse nécessaire ou gaz spéciaux Soudage à l'arc sous flux, SAW
• gamme des produits limitée
• taux de dépôt élevé - approprié pour de grandes pièces à recharger
• pas d'arc visible, ni projections
Exigences de l'état de surface
L'état attendu de la surface doit être connu avant la sélection du métal d'apport, parce que les alliages pour le rechargement dur vont de l'usinabilité facile jusqu'au non usinable.
Par ailleurs beaucoup de matériaux fortement alliés pour rechargement dur génèrent quelques fissures apparentes. Cela s'explique par la formation de petites fissures dans la soudure diminuant le niveau des contraintes résiduelles de soudage, ces dernières n'altèrant en rien la résistance à l'usure. Les questions suivantes doivent être posées avant la sélection de l'alliage:
• un usinage après le soudage est-il nécessaire ou un meulage est-il suffisant?
• Ies fissures apparentes sont-elles acceptables?
En règle générale on dit qu'un métal d'apport avec une dureté <40 HRC peut être usiné. Les alliages avec d'une dureté > 40 HRC peuvent être usinés, mais seulement par des outils spéciaux comme des outils au carbure cémenté. Les fissures apparentes perpendiculaires au plan du rechargement n'altèrent en rien la résistance à l'usure, et ne générent pas d'écaillage. Si la pièce est exposée à de forts chocs ou de flexion, la couche de beurrage ductile évite la propagation des fissures vers le métal de base.
Les fissures apparentes augmentent en nombre avec des courants faibles et une vitesse de soudage élevée.
Types des métaux d'apport pour le rechargement
Les métaux d'apport pour le rechargement peuvent être classés dans des groupes specifiques concernant leurs caractéristiques et leur résistance contre l'usure.
Ils sont groupés comme ci-dessous:
Base fer:
• alliages martensitiques
• alliages austénitiques
• alliages riches en carbures
Base non-ferreux:
• alliages à base de cobalt
• alliages à base de nickel
Caractéristiques concernant l'usure:
martensitiques:
Ces types sont utilisés pour la reconstitution et le rechargement:
• bonnes caractéristiques métal sur métal
• bonne résistance contre les chocs
• résistance moderée contre l'abrasion
austénitiques:
• excellente résistance contre les chocs
• bon alliage pour la reconstitution
• résistance moderée contre l'abrasion
riches en carbures:
• excellente résistance contre l'abrasion
• bonne résistance à la chaleur
• résistance moderée à la corrosion
• résistance faible contre les chocs
Base de cobalt ou de nickel
Ces alliages résistent à plusieurs types d'usure; en raison de leur prix ils sont surtout utilisés pour des applications qui demandent des caractéristiques spécifiques.
Par exemple, les alliages à base de fer ou riches en carbures ont une faible résistance contre l'usure à températures élevées. Les alliages au nickel sont dans ce cas une meilleure solution.
