Ce qu’il faut savoir au sujet du rechargement dur aux carbures de tungstène

Les dépôts de rechargements durs en carbures de tungstène consistent en des matériaux composites constitués de  matrice d’alliage métallique renforcée par des particules de carbures de tungstène. La charge du renfort peut même atteindre 85% dans la matrice, laquelle peut être à base d’alliage ferreux, à savoir l’acier, ou non ferreux tels que l’alliage NiCrBSi,les maillechorts (Laitons allié au nickel: Cu-Zn-Ni) ou les alliages de cobalt. Contrairement à la matrice d’acier qui se durcit avant d’être prédisposée à la fissuration suite à la dissolution d’une certaine partie de carbures pendant leur séjour dans le bain de fusion. Cependant, les matrices de ces alliages non ferreux  présentent une capacité de mouillage supérieure pour les carbures en plus de conférer une tenue supérieure à la corrosion et aussi à la fissuration pour les dépôts.

Les matrices en alliages non ferreux commencent à fondre généralement à des températures inférieures, NiCrBSi (1050°C/2100°F)/ Maillechorts (750-900°C (1400-1650°F) a comparer à  celles en acier. Le choix de ces alliages de matrice préserve contre la dissolution des particules,  d’une part, et réduit la faible déformation du métal de base d’une autre part. L’autre avantage de l’alliage NiCrSiB réside dans sa qualité d’auto-décapage (self-fluxing) et de sa résistance supérieures aux attaques chimiques. De plus, les particules de tungstène se déposent et se mouillent mieux dans ces alliages.

Les rechargements aux carbures de tungstène procurent une résistance à l’abrasion supérieure à celle des carbures de chrome, donc un rendement et une longévité supérieurs. Leur emploi suscite alors un grand intérêt surtout pour les pièces ou équipements  subissant  de sévères contraintes en abrasion tels que les équipements et têtes de forage, tunneliers, vis sans fin dans les briqueteries, pâles de malaxeurs, racleurs de fonderies, lames de grattage, lames de patins de motoneige, équipements de dragage, aubes de pompes, etc.

Quant aux particules de tungstène, celles-ci se caractérisent par :

• une grande densité – 15 g/cm³;
• bonne résistance à l’oxydation jusqu’à 500-600°C;
• très bonne inaltérabilité dans les milieux acides et basiques

*les particules de tungstène se trouvent souvent sous forme de mélange eutectique (polycristallins) WC-W2C. Les particules WC (2000- 3000 HV) sont plus dures que les particules W₂C (1200-2300 HV).

À l’opposé des carbures de chrome qui se forment à partir de l’état liquide, lors de la solidification du bain de fusion, les carbures de tungstène se trouvent préalablement préparés  à partir de poudres de tungstène et de graphite et englobées à l’intérieur  des électrodes tubulaires (SMAW), dans le flux pour les fils fourrés (FCAW) ou bien enrobées dans la matrices des baguettes de soudage à la flamme (OFW). En soudage, les particules de tungstène tombent aussitôt dans le bain de fusion du métal d’apport en fusion, diluées par le métal de base, avant d’être liées par ce dernier en cours de solidification. La résistance à l’usure abrasive  est aussi tributaire de la préservation des carbures dans le bain de fusion. Pour ce faire, l’énergie de soudage et le temps d’interaction carbures-sources d’énergie doivent être optimisés pour éviter ou réduire le phénomène de dissolution des particules.

FACTEURS- intégrité RED _WC

 Parmi les facteurs ayant un effet déterminant sur la résistance et l’intégrité des dépôts de rechargements durs aux carbures de tungstène :

• La ductilité de l’alliage de la matrice permet de réaliser des dépôts multipasses avec une fissuration moindre et une faible tendance à l’arrachement;
• La fraction en volume et la dureté du dépôt évoluent proportionnellement avec le nombre de couches déposées;
• Morphologie des particules : Plus large est la taille des particules, meilleure est la résistance à l’abrasion, et inversement.
• Les carbures de forme sphérique présentent une faible tendance à la dissolution à comparer aux carbures concassés qui peuvent subir une refusion à partir de leurs arêtes. De  plus, dans les carbures eutectiques WC-WC2, c’est la phase WC₂ de l’eutectique qui subit une dissolution  préférentielle plutôt que la phase WC qui  s’avère être la plus stable thermiquement.
• Ségrégation : à cause de leur densité, les grosses particules se déposent au fond du dépôt tandis que les petites particules remontent en haut du dépôt. Les régions riches en carbures contiennent principalement des carbures WC/W2C. Cependant, un possible  effet de durcissement par solution solide du (W & C) peut toujours avoir lieu dans le cas de matrices en acier suite à la dissolution des carbures. L’ampleur de cet effet dépend toutefois du procédé et du mode de transfert. À cet effet, si l’on prend le cas du procédé GMAW avec un transfert par court-circuit (CC), on peut produire un dépôt avec un taux de carbures ou un ratio WC/Matrice presque similaire à celui du fil consommable. Cependant, une dilution de 1% propre à ce type de transfert est considérée trop basse pour l’intégrité du dépôt dans certaines conditions d’usage.
• Procédé de soudage : certains procédés, à cause de leur faible énergie de soudage,  préservent mieux les particules carbures contre la dissolution. En effet, il a été démontré par des essais d’abrasion selon la norme ASTM G65 que la résistance à l’abrasion de certains dépôts provenant de même type de métal d’apport a été classée dans l’ordre décroissant suivants selon le procédé : 1) TIG, 2)OFW, 3)SMAW.

Khemici Badri, ing., M.Ing., IWE/EWE

khemici.badri@sodel.com

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Opération déneigement : Stratégies afin d’augmenter la durabilité des patins d’usure

Les lames de grattage des équipements de déneigement sont considérés originellement comme des pièces de remplacement suite à leurs altération diverses dans les conditions de leur exploitation. Cependant, et afin de prévenir l’usure directe de ces lames et d’améliorer leurs équipements, les constructeurs procèdent à l’adaptation et la fixation de patins d’usure (wear pads) par en arrière des lames de manière que ces dernières se trouvent légèrement relevé par rapport au niveau du sol. Ce sont ces patins qui deviennent comme des pièces d’usure plutôt que les lames.

Les particules solides d’agrégats d’asphalte, sable, glace, etc.)issues des chaussées et des accotements glissent, sillonnent et rayent la surface du dessous des patins lors des opérations de déneigement. Ainsi, le mécanisme dominant de l’usure dans cette situation consiste essentiellement en l’abrasion. La surface d’usure se manifeste à travers des rayures parallèles au déplacement et de profondeur variable. Le taux d’usure a dégradation croît en fonction des propriétés du matériau du patin et aussi des conditions de travail telles que, entre autres, la pression ou la charge, la nature du sol, la distancée totale de glissement ou le temps de contact, l’agressivité du milieu, etc.

Compte tenu de la grande amplitude du mouvement, les débris d’usure se trouvent généralement évacués de la zone de contact mais certaines particules peuvent se trouver émoussées en surface avant de s’en détacher avec l’évolution de l’usure. Les surfaces endommagées par abrasion présentent des sillons et traces de rayures parallèles au déplacement et de profondeur variable. L’usure est assez constante au cours du temps, le volume des débris croît linéairement avec la charge appliquée et la distance parcourue.

Patins d’usure : matériaux et fabrication

Les patins d’usure sont constitués généralement soit entièrement en aciers durcis sur toute leur section, soit d’une base d’acier mi-dur avec une couche de surface en rechargement très dur. Cette dernière constitue la solution de prédilection pour prévenir l’abrasion des patins d’usure, prolonger leur durée de vie et ainsi augmenter le rendement des équipements. Dans les conditions d’usure sus-décrites, les matériaux devant être choisis sont des alliages ferreux de composition similaire à celle des fontes blanches a haut chrome avec d’autres éléments d’alliages formateurs de carbures très stables(Nb, V. W). La microstructure typique de ce type d’alliage hyper-eutectique est composée d’une grande fraction de carbures de chrome primaires, lesquels sont également renforcés par d’autres mono carbures au sein d’une matrice d’austénite et de carbures secondaires. La concentration élevée de ces carbures fait en sorte que les particules abrasives émanant du sol tendent à glisser sur la surface du rechargement au niveau des particules de carbures plutôt que d’indenter ou de gruger la matrice.

Selon les expériences précédentes, il s’avère les couches de rechargement dur déposées suivant un motifs en points ronds (Dot pattern) offre une meilleure résistance l’arrachement en comparaison a un rechargement continu déposé sur toute la base. Dans cette optique, il faut que le rechargement dur soit effectué dans des trous préalablement aménagés pour assurer un meilleur ancrage du dépôt. De plus, le métal de base doit être compatible avec le matériau de rechargement. Ce dernier doit aussi être soudé de façon assurer un minimum de pénétration et de prévenir les manque de fusion qui peuvent résulter a la limite des trous.

Préparation et soudage

1. Perçage de trous de 1/4 » de profondeur et de 1/2-3/4 » de diamètre à chaque 2 » selon un motif à carreaux sur la surface du patin;
2. Chanfreinage de l’ouverture des trous;
3. Rechargement dur : Sodel 2045, Sodel 2024Plus ou autres produits selon le métal de base et la stratégie préconisée

Pour la séquence du rechargement, procédez comme suit :

1. Préchauffez à 400°F;
2. Amorcez l’arc au fond du trou et soudez/rechargez suivant un mouvement circulaire, soit du bord vers le centre;
3. Déposez une surépaisseur de 2 à 3 couches une fois le trou rempli;
4. Laissez refroidir jusqu’à la température ambiante;
5. Meulez la périphérie du rechargement pour le rendre en forme de  »tête de rivet ».

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Prévenir les porosités lors du soudage de l’aluminium

La porosité figure parmi les principaux défauts rencontrés dans le cas du soudage de l’aluminium. Ce phénomène est causé par l’hydrogène qui ne peut s’échapper du métal liquide et qui est reste alors piégé dans la microstructure après refroidissement. En fait, la concentration de l’hydrogène, très soluble dans l’aluminium liquide avec une limite d’environ 2.2 cm3/100 gr de métal, décroît rapidement pour passer à 0.069 cm3/100 gr de métal à la limite de solidification, avant de s’annuler quasiment (0.036 cm3/100 g de métal) après refroidissement. Le graphique ci-après illustre ce phénomène. La bonne conductivité thermique de l’aluminium précipite également la porosité notamment dans le cas de joints ou d’assemblages épais.

Ainsi, en n’étant plus soluble dans l’aluminium à l’état solide, l’hydrogène libre se matérialise dans le métal sous forme de vides ou de poches d’air appelés défauts de porosité. Dépendant des conditions de refroidissement, ces derniers peuvent déboucher à la surface, rester occlus à l’intérieur du métal ou bien même prendre les deux formes. En effet, une porosité grossière ou groupée peut affecter certaines des propriétés du métal dont principalement la résistance mécanique et la ténacité.

SOURCES D’HYDROGÈNE :
En soudage, la présence de l’hydrogène dans l’aluminium tire principalement son origine de l’humidité, de la contamination et, dans une certaine mesure, des conditions de fabrication et des paramètres de soudage.

1. Humidité

• Couche d’oxyde hydraté sur la surface du métal;
• Conditions de stockage du consommable de soudage (électrodes enrobées, baguette et fils solides);
• Condensation dans les torches de soudage refroidies à l’eau (fuite dans les joints et les raccords);
• Tuyaux de gaz de protection (plastique défectueux, non hermétique);
• Gaz de protection inerte de faible pureté;
• Changement de températures entre l’endroit d’entreposage des métaux d’apport et la station de soudage (condensation-point de rosée)

2. Contamination

L’hydrogène est le produit de la décomposition des substances hydrocarbures telles que les huiles de coupe, les graisses, les solvants, les lubrifiants solides, la saleté, etc. Ces matières contaminantes peuvent être présentes soit sur le métal de base ou métal d’apport, soit sur les outils de préparation ou de nettoyage.

3. Conditions de fabrication et paramètres de soudage

– Procédés de fabrication

• Les métaux de base produits par la coulée sous pression (Die casting)  contiennent initialement un taux de porosité excessif par rapport  à ceux de la coulée statique ou de l’extrusion. Ceci les rend vulnérables à la manifestation de la porosité soit dans le joint ou la zone affectée par la chaleur.

–Paramètres de soudage

• Soudage près de sources de courants d’air (portes ouvertes, ventilateurs en fonctionnement, etc.);
• Une longueur d’arc ou une distance buse-surface(CTWD) excessives;
• Couverture gazeuse insuffisante due à un débit de gaz insuffisant;
• Turbulence dans le bain de fusion causée par un débit de gaz excessif;
• Soudage GMAW en mode court-circuit (CC) ou globulaire (G) produisant de la projection,
• Alimentation irrégulière ou erratique du fil en soudage semi-automatique;
• Éclaboussures déposées autour de la buse affectant l’écoulement normal des gaz de protection;
• Angle de soudage très inclinée par rapport à la normale;
• Faible énergie de soudage;
• Nombre de passes : le soudage multipasse (joints épais) plus enclin à produire de la porosité que le soudage monopasse (joints minces).

Prévention de la porosité

La porosité peut être contrôlée en procédant à un diagnostic exhaustif des principales sources de l’hydrogène avant de pouvoir apporter les actions correctives nécessaires. Cela implique le contrôle des conditions d’entreposage des matériaux d’apport, l’usage d’outils appropriés et propres pour le nettoyage ainsi que la mise en application des bonnes procédures de soudage, comme décrits ci-après.

Métaux d’apport 

Les électrodes ou métaux d’apport doivent être :

• Entreposés dans un environnement sec ou sous une humidité relative maximale de 35% et à une température minimale de 15°C;
• Conservés dans leur emballage d’origine jusqu’au moment de leur utilisation;

Les électrodes enrobées ayant absorbé de l’humidité peuvent être reconditionnées par un étuvage à 100-120°C pendant 1 à 2 heures.

Les fils et baguettes d’apport doivent être exempts de toute trace de lubrifiant solides utilisés lors des opérations de formage (tréfilage) pour réduire le frottement.

Outils, nettoyage et préparation:

• Utiliser seulement des outils propres dédiés à l’aluminium tels que les brosses en acier inoxydable ou meules en céramiques pour enlever le film d’oxyde en surface;
• Choisir des tuyaux de gaz de bonne résistance à l’humidité, soit en métal ou en néoprène;
• Vérifier l’étanchéité des torches (Joints torique et raccords);
• Dégraisser ou essuyer les baguettes d’apport solides avec des solvants tels que l’acétone;
• Porter des gants propres pour manipuler le métal (pièces ou métaux d’apport);
• Mettre les métaux d’apport au même endroit que les pièces à souder au moins une heure avant le soudage;
• Respecter un intervalle de temps de 6 h max entre le nettoyage de la surface du métal et le début de soudage. Autrement, le nettoyage doit se faire  de nouveau avant le soudage.
• Utiliser des gaz de protection et de purge qui rencontrent les exigences minimales de pureté selon les codes en vigueur.

3-Méthode de soudage :

• Préchauffer le métal de base (ép.>1/4″) et aussi la plaque support (si utilisée) vers 200°C (400°F);
• Utiliser le courant alternatif-haute fréquence pour le soudage TIG, afin d’assurer une meilleure action de décapage de la surface;
• Augmenter l’énergie de soudage pour avoir un bain de fusion très fluide;
• Utiliser un mélange de gaz inerte Ar-He (He>25% jusqu’à 75%) plutôt que l’argon pur afin d’avoir un arc très chaud et induire davantage de chaleur dans le métal et le bain de fusion;
• Éviter les turbulences dans le bain de fusion en assurant une alimentation constante en fil;
• Réduire le taux de refroidissement en réduisant la vitesse linéaire de soudage;
• Garder la plus petite distance possible entre la buse et la surface du joint, soit 1-2 cm maximum;
• Souder suivant un angle de plus ou moins 20° maximum par rapport à la normale.

Comme vous avez pu le voir, la porosité est créée par l’hydrogène qui n’a pu s’échapper lors du refroidissement de la soudure. Afin d’obtenir une soudure exempte de porosités, ont doit éliminer plusieurs sources qui favorisent la présence d’hydrogène que ce soit l’humidité, la contamination du matériel d’apport ou de base, les conditions de fabrication ou les paramètres de soudage. En assurant un meilleur contrôle des sources d’hydrogène vous augmenterez grandement vos chances d’obtenir une soudure sans porosité.

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INDUSTRIE ALIMENTAIRE : ALIMENTER LA DURABILITÉ ET LA CONFORMITÉ DES PIÈCES D’ÉQUIPEMENTS

Dans les secteurs de l’industrie laitière et de transformation des aliments, on retrouve un grand nombre d’équipements et d’outils (cuves, mélangeurs, chariots, autoclave, récipients, plateaux, robinets, etc.) qui sont faits de matériaux métalliques et dont les critères de sélection sont basés principalement sur la non-toxicité et la durabilité. Le critère de durabilité implique dans ce contexte une résistance parfaite à la corrosion dans les différents milieux de transformation et les constituants des produits alimentaires en contact. Cela sous-entend qu’aucune contamination ni attaque localisée ou dissolution ne soient tolérées sur ces métaux ou alliages.

Les alliages d’aluminium (séries 1000 « aluminium pur » et série 3003), aciers inoxydables austénitiques (séries ferritiques et austénitique) et les alliages de nickel (nickel pur, Monel, Inconel, etc.) figurent, entre autres, parmi les meilleurs matériaux candidats pour l’industrie alimentaire. Ces matériaux sont couramment délivrés sous de multiples formes, à savoir des feuilles et des plaques laminées, des pièces coulées, des barres, des fils, des tubes, des raccords de tuyauterie, etc. La question d’assemblage, d’usinage et aussi du fini de surface occupe une place déterminante sur la qualité du produit fini. En s’intéressant d’aussi près à l’assemblage ou à la réparation qui se justifie parfois au moyen du soudage ou du brasage, on doit s’attarder normalement sur les propriétés des matériaux en question ainsi que les procédés et méthodes à mettre en œuvre. Pour cela, on voudrait évoquer ci-après quelques points sur ce qui s’avérerait utile pour la fabrication de ces produits qui doivent répondre à des normes de qualités et d’intégrité bien strictes.

– Procédés de fusion à l’arc : le procédé TIG (GTAW), entre autres, présente toujours une meilleure qualité de soudure surtout pour l’aluminium avec l’avantage de produire une quantité négligeable voire nulle d’éclaboussures ou de projection. Ceci rend le procède bien adapté aux applications qui requièrent un degré de propreté ou d’esthétique élevés tels que des joints sur des tubes ou raccords.

– Procédé de brasage : à cause de la toxicité de certains éléments d’alliage, on recommande d’utiliser:

• des produits d’argent sans cadmium pour le brasage fort (Brazing),
• des produits exempts de plomb ou d’antimoine pour le brasage tendre (Soldering).

– Quelques critères de choix des aciers inoxydable (austénitiques et ferritiques)

Grades

• grades à bas carbone pour les grades austénitiques et aussi les grades ferritiques pour des raisons de résistance à la corrosion et de soudabilité;
• grades à très bas souffre pour prévenir la formation de sulfures qui rendent les surfaces irrégulières avec des traces ou points qui surgissent à la surface après polissage, lesquels sont à l’origine d’une corrosion localisée par piqures. Cependant, les teneurs en soufre ne doivent pas être inférieures à un certain niveau, soit 0.005% minimum, pour préserver une pénétration optimale de la soudure.

Autres facteurs :

• Gaz de purge : la purge pour la protection du revers de la soudure surtout dans le cas des tubes ou assemblages à parois minces.
• Passivation : ce traitement final s’impose après des opérations de soudage pour faire disparaître la couche tintée par la chaleur (couche appauvrie en chrome) qui prend naissance à côté des joints soudés et ainsi restaurer la bonne couche d’oxyde à la surface nécessaire pour la résistance à la corrosion.

– Fini de surface : une surface très rugueuse favorise l’incrustation de produits corrosifs ou des contaminants, ce qui active généralement la corrosion bactérienne. La surface doit ainsi être dépourvue de rainures, stries, trous, etc. De ce fait, une rugosité optimale de l’ordre de 0.4 à 0.5μm favorise une meilleure résistance à la corrosion.

– Design : un design bien pensé permet un accès facile à l’ensemble des surfaces et coins du produit. En fait, de bonnes pratiques de formage, d’usinage et de finition permettent d’éviter la présence de discontinuités géométriques indésirables telles que des cavités à la surface, manque de soudure, bourrelet de métal, ou des vides qui servent de sites privilégiés de corrosion par crevasses ou de corrosion bactérienne.

On en conclut que la fabrication de pièces ou d’équipements dans le secteur alimentaire est assujettie à des critères multiples et bien strictes depuis le stade du design jusqu’au procédés de fabrication en passant évidemment par le bon choix des matériaux. Une pièce bien conçue permettra d’éviter plusieurs problèmes en service et en facilitera la maintenance.

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Axe d’articulation coincé : On veut que ça bouge !

L’entretien d’équipements lourds peut apporter son lot de défis qui pourraient retarder la remise en fonction de ceux-ci.  Dans cet article, il sera question d’une pièce qui reste souvent coincée et qui peut retarder énormément le temps de maintenance sur les équipements lourds soit : l’axe d’articulation (pin). Il sera donc question d’une solution relativement facile à appliquer, afin d’éviter bien des soucis au point de vue financier et de la productivité.

Lorsqu’un axe d’articulation est coincé, il peut être très difficile et long avant de pouvoir le dégager, afin de continuer la maintenance de l’équipement. Certains vont tenter de lubrifier la pièce et frapper sur celle-ci, d’autres vont tenter de la chauffer ou vont utiliser un équipement hydraulique, afin de forcer l’extraction de celle-ci.  Il peut arriver que ces solutions fonctionnent mais à quel prix ? La lubrification suivie de coups sur la pièce pourrait être extrêmement long et inefficace. Tandis que l’utilisation d’un équipement hydraulique, afin d’extraire l’axe d’articulation pourrait causer de lourds dommages à l’équipement et ne garantit pas le succès pour autant, surtout, si celle-ci ne bouge tout simplement pas. Sans compter que souvent, plusieurs employés participent à l’extraction donc plus c’est long et plus cela coûte cher à la compagnie en temps non productif.

Notre expérience sur le terrain, nous a démontré que l’utilisation d’un équipement pouvant percer un trou et chauffer la pièce en même temps permettait d’extraire la pièce coincée rapidement. L’utilisation de tubes de coupage & perçage «exothermik » est un choix très sensé qui pourrait vous faire épargner beaucoup de temps en maintenance (heures / employé) et donc augmenter vos bénéfices.

Voici la procédure à utiliser avec l’équipement approprié et les tubes de coupage « exothermik », afin de procéder à l’extraction de l’axe d’articulation d’un équipement lourd.

• Débutez le perçage de la pièce, tout en prenant bien soin de créer un espace d’écoulement (flèche rouge sur le dessin), afin de permettre au métal en fusion de sortir plus facilement et du même coup faciliter grandement le travail de l’opérateur.
• Continuez le perçage jusqu’à ce que vous passiez de bout en bout de l’axe.

• Dès que le trou est complété, aspergez immédiatement l’axe d’eau froide, à l’aide d’un boyau d’arrosage. La pièce extrêmement brûlante va se contracter au contact de l’eau froide.

• Retirez l’axe d’articulation à l’aide d’un moyen mécanique ou manuel.

Afin de retirer un axe d’articulation coincé, plusieurs techniques peuvent être utilisées mais si l’extraction ne semble pas fonctionner avec vos techniques habituelles et que le temps presse, il pourrait être intéressant et payant d’essayer le duo Sodel Vulcain-Grizzly.

Pour plus d’information ou obtenir une démonstration : Support@sodel.com / www.sodel.com

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Plan de match pour l’entretien des moules et matrices

Le formage  et la transformation des matériaux métalliques et plastiques  mettent en œuvre différents procédés et cycles de traitements pour la production de produits finis ou semi-finis. A ce titre, on cite, entre autres, les procédés de la métallurgie liquide ou de coulée, le forgeage, le laminage, le matriçage, l’estampage, l’emboutissage, le tréfilage, le filage, l’usinage, la métallurgie de poudre, etc. Ces techniques de mise en forme requièrent l’intégration et l’usage d’outils ou d’éléments spéciaux tels que les moules, les matrices, les poinçons, les filières, etc. Ces outils sont coûteux du fait de la complexité et de la précision de leur forme. Ils doivent ainsi être conçus de manière à satisfaire aux critères de design pour répondre aux conditions critiques de service (pression, températures, usure, etc.). De surcroît, leur durée de vie a un impact considérable sur les coûts de revient des pièces à produire.

Ces pièces typiques comme les moules, les matrices, les poinçons, les filières, pour n’en citer que quelques exemples, peuvent être très sensibles aux effets de l’usure qui se manifeste aussitôt par la perte de formes et des tolérances. Il en découle donc que l’usure ou l’endommagement a un impact direct sur  l’intégrité des pièces à produire. L’usure résulte de plusieurs facteurs dont les pressions de contact, impacts mécaniques lors de la manutention, fatigue ou chocs thermiques, dissolution par le métal liquide dans les moules, etc.

La réparation et le reconditionnement par soudage de ces pièces présentent des enjeux et des avantages tangibles, particulièrement à l’industrie de fabrication mécanique, en termes d’économie de temps et de ressources. Les réparations peuvent en effet intervenir à plusieurs stades dans la vie utile de ces pièces. Dans ce sens, le soudage contribue, entre autres à ce qui suit :

• restauration des côtés ou des tolérances ratées par usinage ;
• réparation des fissures de fatigue ;
• rechargement des zones d’usure.

L’approche de la réparation par soudage doit être développée à partir d’une bonne compréhension de la métallurgie du soudage des matériaux en question, de l’analyse  de l’historique des traitements thermiques déjà subis et aussi des causes de l’avarie. De ce fait, les procédures de soudage doivent inclure un maximum de directives et d’informations, particulièrement en ce qui concerne les paramètres suivants :

• type de métal de base, grade (4130, P20, H13, A2, D2″, alliages de cuivre, aluminium, etc.) et dureté ;
• préparation : nettoyage, élimination de défauts existants ou de résidus métallique ou autres (gougeage, meulage, usinage, ébavurage ;
• procédé de soudage, sa polyvalence : SMAW, GTAW, TIG, Micro-TIG (sections trop minces, limitation de l’énergie du soudage) ;
• métal d’apport (dilution, microstructure et dureté à l’état brut de soudage ;
• préchauffage et température interpasse;
• traitement de revenu post-soudage (PWHT)

De plus, d’autres  facteurs opératoires doivent également être pris en considération lors de l’élaboration de procédures adaptées à chaque situation, à savoir :

• procédés de soudage possibles ;
• taille, forme ou épaisseur de la pièce;
• état de surface (contamination, revêtement ou, plaquage, etc.) ;
• facilité d’accès à la zone de réparation;
• type de défauts ou de réparation : fissures, cavités, usure, etc.
• autres : équivalence de couleur du métal déposé, usinabilité, polissabilité;
• risques de distorsion, de perforation sur les sections minces, coups d’arc sur le métal;

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Qu’est ce que le brasage ?

La pratique du brasage est bien répandue, surtout dans les assemblages de joints ou de sections minces (tubulures, parois, etc.) où les risques de déformation, de surchauffe ou de brûlure peuvent être considérables en soudage. En impliquant seulement la fusion des métaux d’apport, car ils ont toujours des points de fusion inférieurs à ceux des métaux de base, le brasage compte parmi les procédés les plus rentables en termes de simplicité d’exécution, de rapidité ainsi que des possibilités de travail en série, de mécanisation ou d’automatisation.
Les procédés de brasage comportent également d’autres avantages, à savoir :

1. aucune dilution du métal de base;
2. absence de risques de fissuration à chaud dans les joints;
3. possibilité d’assemblages similaire et dissimilaire non réalisable par fusion (ex. céramique/métal, composite, etc.);
4. procédé ne demandant pas de grandes qualifications pour les opérateurs.

PRINCIPES
Le brasage consiste à former un assemblage hétérogène en mettant en œuvre la fusion d’un métal d’apport ayant un point de fusion inférieur à celle des matériaux à joindre. L’interaction capillaire entre le métal d’apport liquide et le matériau de base solide mène à la formation d’une continuité métallurgique entre les surfaces, lesquelles doivent être préalablement espacées l’une de l’autre par un écartement assez étroit et uniforme, soit de l’ordre de quelques centièmes de millimètre (millièmes de pouce) pour assurer la fonction de capillarité.
Afin d’améliorer le mouillage de la surface et aussi l’écoulement capillaire de l’alliage liquide à travers le joint, les surfaces doivent être bien propre et dépourvues de toute trace de contaminant ou d’oxyde. De plus, l’usage d’un décapant (flux), soit à rajouter séparément lors du brasage (disponible en forme de crème, liquide, pâte ou poudre) ou en utilisant des baguettes qui en sont déjà enrobées, est nécessaire pour entamer l’opération du brasage. Le rôle du décapant consiste en ce qui suit :

• l’enlèvement par dissolution des oxydes en surface du métal de base;
• l’amélioration de l’action de mouillage;
• la protection contre l’oxydation du métal de base chauffé et de l’alliage d’apport liquide.

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Le bon alliage peut tout changer !

Les machines et équipements utilisés dans la construction, les voiries, les mines, les cimenteries, les carrières, aménagement, travaux de dragage ainsi que tous les autres travaux connexes sont conçus avec des composants solides pour atteindre des performances et une durabilité optimales en service. Cependant, en réalité, l’endurance de plusieurs composants ou pièces  d’usure  essentiels de ces machines est souvent limitée ou inférieure au seuil de performances prévues. En effet, les différents modes de dégradation agissant séparément ou en symbiose  causent un endommagement sévère et souvent prématuré à ces pièces d’usure.

La liste d’équipements et machines employés dans ces milieux d’usure est tellement exhaustive au point où l’on ne peut pas tout dénombrer. Cependant, on peut en citer à titre informatif les tracteurs, chenilles, excavatrices, niveleuse, camions à bennes, bétonnières, dameuses, chasse-neige, grues, rétrochargeuses, etc.

Les dommages subis aux pièces sont fonction de plusieurs facteurs dont:

• Le milieu d’usure environnant : agrégats de sable, roches, gravier, cément, boue, argile, boues de minerai, asphalte, etc;
• La morphologie des particules ;
• Le métal antagoniste (cas du frottement métal-métal) ;
• les conditions de sollicitations (chargement, impact, etc.) ;
• le design des pièces (matériaux, dimensionnements, traitements, etc.).

Le dommage surgit dépendamment des conditions ou des contraintes de travail associées à chaque type de surface de contact. À partir de là, on peut assister, entre autres, aux phénomènes suivants: abrasion, impacts, érosion, déformation, adhésion (métal-métal), déformation plastique, etc.

Les conséquences desdites dommages sont multiples et se reflètent par la perte de dimensions fonctionnelles, enlèvement de métal et perte de couches de durcissement, vibrations, déformations, gougeage, etc.

Le design des pièces d’usure tient en compte plusieurs paramètres pour la fabrication dont principalement :

• disponibilité des matériaux et couts;
• dimensions et poids ;
• aptitude à la mise en forme (formage) ;
• aptitude aux traitements et au soudage ;
• durée de vie utile

Il en découle que pour certains critères de faisabilité, le concepteur offre juste un produit aux propriétés optimales et qu’il appartienne donc à l’utilisateur de pouvoir le rentabiliser davantage en procédant à l’amélioration des propriétés anti-usure sur les faces et côtés fonctionnels critique. En fait, il s’agit souvent d’un recours aux techniques et aux procédés de rechargement dur qui sont envisagés même avant la mise en service des équipements. Les avantages de cette opération à ce stade consistent en ce qui suit :

• la facilité de mise en œuvre de la technique sur des surfaces propres et exemptes de toute inclusion ou produits d’usure ;
• l’évitement de démontage et montage ultérieurs sur chantier;
• l’évitement de faire du rebâtissage sur des sections trop usées avant de mettre le rechargement dur final.

Néanmoins, et comme c’est le cas de la plupart des applications pour les utilisateurs dans les différents secteurs industriels et agricoles, les opérations de rebâtissage ou de rechargement dur font partie intégrante de la maintenance de leurs machines et équipements. En effet, la grande diversité dans les classes de métaux d’apport rend possible à la fois la restauration de sections épaisses consommées par l’usure d’une part, et la déposition d’autres couches dures avec des matériaux compatibles en surface selon le type d’usure en question.

Des procédures de rechargement doivent être établies en fonction de chaque application d’usure selon les matériaux de bases (44W, AR400, Hardox 500, 4140QT, aciers à haut carbone, aciers austénitiques au manganèse ″AMS″, etc.); leur état métallurgique, état d’usure, procédé à utiliser.

Ainsi, différents types d’outils et de pièce d’usure de valeur peuvent être réparés et reconditionnées différemment pour une nouvelle durée de vie utile, ce qui contribue à l’accroissement du rendement des machines et de la productivité.  

khemici.badri@sodel.com

ENLÈVEMENT DE FISSURES ET RÉPARATION DE JOINTS SUR LES FONTES

L’arrêt, l’enlèvement et la réparation de fissures dans les pièces en fontes de grade soudable sont effectués selon la procédure suivante:

1. Visualiser Les limites ou extrémités de la fissure à l’aide d’un contrôle non destructif, soit le liquide pénétrant (DPI) ou les particules magnétiques (PMI).
2. Percer un trou de 1/4″ de diamètre minimum dépendant de l’épaisseur de la section de métal. Les trous doivent se situer à environ 3/8 à 1/2″ de la limite apparente de la fissure.
3. Enlever la fissure en faisant un chanfrein autour d’elle. L’enlèvement du métal doit se faire en deux segments : 1)de la première extrémité délimitée par le trou jusqu’à la mi- longueur de la fissure ; 2) de l’autre extrémité ou l’autre trou vers le premier segment déjà préparé.
4. Arrondir les bords et le fond de la préparation de manière à avoir un chanfrein élargi avec arêtes abattues en forme de U ou J au lieu de V ou demi-V.
5. S’assurer, au moyen du même type d’inspection non destructive déjà utilisée, que la fissure soit complètement enlevée aux bords et au fond du chanfrein.
6. Favoriser l’utilisation du gougeage à l’arc électrique plutôt que l’arc air. Utiliser également des fraises rotatives coniques ou des burins au lieu des meules à cause des entailles que ces dernières peuvent laisser sur le métal.
7. Enlever la couche de surface durcie selon une épaisseur relative de 1/16 à 1/8″ sur les côtés de la préparation(faces, bords, fond)  en cas d’utilisation de l’Arcair. Un simple test à la perceuse permet de constater la présence de cette couche dure en surface.

Séquences de soudage ou de remplissage du chanfrein

• Déposer une à  deux fines couches de beurrage sur les face du chanfrein avant de commencer le remplissage. Ceci est pour réduire le contraintes et prévenir les risques de fissuration dans la zone affectée thermiquement.
• Déposer les cordons de soudure en commençant du bout du chanfrein en allant vers le milieu. Si la fissure se situe sur le bord de la pièce, les cordons doivent être déposés à partir du bout intérieur du chanfrein vers le bord libre.
• Remplir le joint en déposant de petits cordons droits et discontinus.

Khemici.badri@sodel.com

COMBATTRE LES DIFFÉRENTS TYPES D’USURE AFIN D’ATTEINDRE VOS OBJECTIFS

Par l’usure, on entend en général la dégradation et la perte de fonctionnalité des surfaces ou des pièces. Ceci fait suite à l’enlèvement et la perte du métal à partir de la surface des pièces exposées aux différents types de charges et/ou milieux. Le phénomène affecte généralement l’ensemble des composants des équipements industriels avant de les mettre hors usage après la perte, avec le temps, de leurs côtes fonctionnelles et de leurs propriétés de surface.

Les coûts annuels engendrés par l’usure dans les pays industrialisés sont estimés à des centaines de milliards de dollars. En effet, ces coûts sont principalement reliés aux pièces de rechange, à la main d’œuvre et aux temps d’arrêts des équipements, etc. Il en résulte que l’usure affecte la productivité et mène incontestablement à une surexploitation ou à une surconsommation indirecte des matières premières et des ressources naturelles.

Tous les secteurs industriels sont concernés. Parmi les plus touchés, on cite à titre d’exemple : l’industrie minière, la sidérurgie et la mise en forme du métal (fonderie, mise en forme, usinage, etc.), le secteur des pâtes et papiers, les procédés chimiques, la construction navale, l’énergie, l’industrie du pétrole et du gaz, l’hydraulique, les chemins de fer, etc.

Dépendant de la nature du contact et des contraintes en service, et compte tenu aussi du milieu environnant, les pièces mécaniques s’usent selon différentes formes et à des degrés divers. En général, on compte plus de dix formes ou types d’usure dont principalement : le frottement ou le glissement métal-métal, l’usure par adhésion, l’impact, l’abrasion, l’érosion, la cavitation, la corrosion, le fretting, la fatigue, la fatigue-corrosion, etc.

Étant donné la complexité des conditions et de l’environnement d’exploitation des pièces et des machines, il n’est pas rare que plusieurs types d’usure surviennent conjointement tels que l’usure par abrasion-impact, corrosion-abrasion, érosion-cavitation, fatigue-fretting, etc.

Une brève description sur les principales formes d’usure est présentée ci-dessous:

Usure par frottement métal-métal

L’usure dans le cas de glissement ou de frottement métal-métal des couples métalliques dépend de plusieurs facteurs dont le rapport des duretés de surfaces des deux parties antagonistes, l’amplitude de de leur mouvement réciproque, la pression de contact, la compatibilité chimique, la température, les conditions de lubrification, etc. Cette forme d’usure touche la plupart des systèmes de contact mécaniques en mouvement. L’évacuation des débris d’usure prévient également l’abrasion à trois corps de se manifester dans le contact, ce qui peut limiter amplement la sévérité de l’usure du système tribologique.

Afin de prévenir ou de limiter l’intensité de l’usure, il est recommandé que les surfaces de contact ne doivent pas être du même type de métal ni du même ordre de grandeur de dureté. De plus, l’amplitude du mouvement être tel que les débris d’usure peuvent s’évacuer facilement de l’interface de contact. Les lubrifiants utilisés doivent aussi avoir une grande viscosité particulièrement lorsque les pressions de contacts sont très élevées.

Usure adhésive

L’adhésion, appelée aussi grippage, dépend des propriétés des matériaux et des conditions de contact (compatibilité chimique, température, pression, lubrification, etc.). L’usure survient par suite des conditions de lubrification défaillantes, d’échauffement local des surfaces et de pressions de contact élevées. Auquel cas, l’écoulement plastique du métal sous l’effet de la pression et de la température mène au collage par la formation d’une sorte de micro-soudures froides entre les surfaces flottantes. L’adhésion est souvent inhérente aux contacts intimement serrés tels que les tourillons, roulements, engrenages, etc.

Comme mesure de prévention, il est recommandé de mettre en œuvre des matériaux ou surfaces de contact incompatibles chimiquement, de réduire la charge de contact et aussi d‘utiliser des lubrifiants de grande viscosité. En effet, la modification des surfaces par des traitements thermo-chimique comme la nitruration ou la déposition des couches de rechargements durs à base d’alliages de cobalt ou en alliages inoxydables de type (2xx) offrent une bonne protection contre l’adhésion.

Usure par impact

L’usure par impact ou par chocs est causée par des percussions dynamiques et répétitives par le corps d’une surface dure sur une surface moins dure. Cette forme d’usure affecte plusieurs types d’équipements et d’organes mécaniques: équipements miniers et de forage (mâchoires concasseurs, pelles mécaniques), pièces de moteurs tels que les soupapes, les cames, etc.

La résistance à l’impact du matériau dépend intrinsèquement de ses propriétés d’absorption du choc et de sa tenue à la fatigue. Les matériaux utilisés doivent avoir de bonnes propriétés de résistance mécanique associées à une grande ténacité pour l’absorption de l’énergie de chocs.

Usure par abrasion

L’usure par abrasion se produit par l’enlèvement du métal de la surface par le passage de particules dures. Les pertes en abrasion représentent environ un tiers des pertes totales en usure. On distingue l’abrasion à deux corps et l’abrasion à trois corps. Le premier type se produit lorsque le matériau abrasif glisse le long de la surface tandis que le second se manifeste lorsque l’abrasif reste piégé entre les deux surfaces d’usure. Le volume d’usure est proportionnel à la nature et à la géométrie de l’abrasif, la pression de contact et la dureté de surface. Une grande variété de pièces et d’équipements sont constamment exposés à l’abrasion tels que les broyeurs de ciment, les équipements d’excavation, les pompes de dragage, les dameurs de pistes, les machines agricoles, etc.

La prévention de l’abrasion requiert, entre autres, le choix de matériaux durs ou des bases (ex. aciers ordinaires, etc.) avec des rechargements durs en surface tels que les fontes blanches à haut chrome, aciers à outils, etc.

Usure par cavitation 

La cavitation se manifeste par l’effet de l’implosion localisées de bulles d’air à ou près de la surface exposée à l’écoulement d’un fluide. Le phénomène survient soit en présence d’un jet de fluide sur la surface, soit lorsqu’il y a variation de pression dans l’écoulement du liquide (ex. changements brusques dans la direction d’écoulement ou du diamètre des conduites). Ce phénomène est très répandu dans les valves, pompes centrifuge, aubes de turbines ou de propulseurs etc.

Comme moyen de prévention de la cavitation, on site les techniques suivantes : utilisation de matériaux durs, dépôts de rechargements durs et tenace à la surface d’usure, réduction de la pression d’écoulement du fluide, évitement de changements brusque dans les directions d’écoulement ou dans les sections de conduites.

Usure par érosion 

L’usure se produit suite à l’impact de la surface par un jet de petites particules dures sous une certaine vitesse. On distingue l’érosion sèche et l’érosion humide. La dernière se produit lorsque ces particules sont en suspension dans un liquide en mouvement. Le mécanise d’érosion sèche peut être assimilé à l’effet du sablage ou de grenaillage. L’érosion des roches dans le désert par le vent de sable est un exemple illustrant l’érosion sèche. En effet, les principaux facteurs qui déterminent l’intensité de cette forme d’usure sont les suivants : angle et vitesse d’impact, taille et forme des particules, vitesse d’impact, type de métal, environnement, etc.

Les roues de turbine hydraulique et les pompes comptent parmi tant d’autres exemples sujets à ce type d’usure. La possibilité du changement de certains paramètres opératoires comme l’angle ou la vitesse d’impact, ou sinon, l’utilisation de dépôts de surface dure et tenaces contribuent à la prévention de cette forme d’usure.

Usure corrosive

La corrosion altère les surfaces et augmente l’usure en présence de milieux aqueux ou atmosphères agressifs (gaz, acides, solutions alcalines, etc.). La corrosion n’a presque pas d’effet que lorsqu’il s’agit de contacts sous-vide ou en atmosphère inerte. Les secteurs des mines, de l’industrie navale et de l’industrie chimique sont parmi les plus affectés par l’usure corrosive.

L’utilisation de matériaux ou de couches de surfaces offrant une bonne combinaison de résistance à l’usure et à la corrosion constitue la meilleure approche pour prévenir l’usure corrosive pour chaque environnement de contact. Parmi les matériaux, on peut citer les aciers inoxydables martensitiques, les alliages de cobalt, les alliages de nickel, etc.).

 Conclusion

 La prévention de l’usure nécessite le choix de matériaux aux propriétés optimales pour faire face aux différentes contraintes de service impliqués dans chaque système de contact.

Un examen rigoureux des surfaces d’usure permet de reconnaître la nature et la sévérité de l’usure à partir des traces ou stries à la surface, leurs formes et directions, la morphologie des débris d’usure ainsi que la coloration de surfaces.

Plusieurs types de matériaux et techniques de rechargements durs sont recommandés pour les pièces d’usure afin d’augmenter leur résistance et longévité tout en contribuant à accroître la charge d’exploitation et aussi la productivité des équipements. Le choix de ces produits repose sur des critères multiples, à savoir le type de matériaux de base et leur état métallurgique, les conditions de service, le type et le degré d’usure, le procédé de soudage utilisé, l’usinabilité des dépôts, etc.

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