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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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.
Afin de sélectionner le bon alliage de rechargement dur pour votre application, vous devez tout d’abord déterminer la composition du matériel de base (le matériel qui va recevoir le dépôt de soudure) et par la suite la condition de travail que va devoir affronter la pièce protégée par rechargement dur (impact, abrasion, etc). Une fois que vous avez fait votre analyse et que vous avez déterminé quel serait le meilleur alliage pour votre situation, vous pouvez déterminer la stratégie de rechargement dur à adopter; afin d’obtenir une protection optimale aux endroits névralgiques de votre pièce.
Quand l’utiliser : Lorsque vos pièces sont sujettes à des impacts sévères comme à l’intérieur des broyeurs.
Quand l’utiliser : Sur le côté d’un godet de façon à ce que la terre reste prise à l’intérieur et autour des cercles pour protéger l’acier. Très utile pour les travaux d’excavation dans les villes.
Quand l’utiliser : Les lignes peuvent faciliter la circulation ou éviter que le matériel sorte du godet tout dépendant de l’orientation des lignes.
Quand l’utiliser : Peut être utilisé dans diverses situations; c’est une combinaison entre le schéma des lignes et celui des cercles.
dernières années, plusieurs projets de réparation de routes, de ponts et des travaux de viabilisation de terrains ont été entrepris. Les délais et les budgets étant serrés, les équipements utilisés se doivent d’être productifs et en opération. C’est tout un défi qui attend les équipements qui auront à manipuler du sol (excavation) ou à briser des roches (forage). La variété des sols et des roches rencontrés doit être pris en considération, afin de proposer le produit optimal à la situation. Un type de sol peut être plus abrasif qu’un autre et il y a différents types de roches avec des caractéristiques de taille et de dureté bien distinctes.
