Les caractéristiques et la soudabilité des alliages Nitronic

Les alliages Nitronic, comme leur nom l’indique, consistent en une série d’aciers inoxydables austénitiques contenant des additions en azote (nitrogène). Le premier Grade, à savoir Nitronic 40, fut développé en 1961 par la compagnie Armco Steel avant que cette marque déposée (Trade Name) ne devienne la propriété de AK Steel depuis 2000.

La composition chimique des principaux alliages est présentée dans le tableau ci-après.

CARACTÉRISATION

Les Nitronic possèdent des propriétés assez différentes de celles des aciers inoxydables austénitiques tels que les grades 304, 316L, CF3, CF8M, etc. Ainsi, les propriétés typiques de ces alliages sont présentées ci-après :

  • résistance mécanique très élevée avec un ratio résistance/densité de jusqu’à 3 fois celui de l’acier doux ;
  • ductilité supérieure, jusqu’à 40% ;
  • insensibilité à la température de transition ductile-fragile (DBTT) ;
  • très grande aptitude au durcissement par déformation froid et au formage avec une résistance élevée aux impacts. Le Nitronic 60 exhibe la meilleure résistance aux impacts à comparer aux autres grades;
  • très bonne soudabilité ;
  • bonne résistance à l’oxydation, à la corrosion aqueuse générale et aussi à la corrosion localisée par piqûres et crevasses.  Parmi les alliages susmentionnés, c’est le Nitronic 50 qui présente la meilleure résistance à ce type d’attaque ;
  • grande résistance à la corrosion fissurante-SCC. Le grade Nitronic 33 qui a une faible teneur en nickel (~3%) y présente la meilleure résistance par rapport aux autres grades ;
  • résistance supérieure à la corrosion inter granulaire que SS304 dans les milieux chlorures selon les tests ASTM G-48 ;
  • bonne stabilité microstructurale aux températures élevées, jusqu’à 1800°F (900°C) ;
  • résistance à la cavitation et à l’érosion équivalente à celle des alliages de cobalt mais supérieure à celles des aciers inoxydables austénitiques Fe-Cr-Ni et duplex. Nitronic 50 et 60 représentent ainsi un substitut économique pour ces derniers. 
  • résistance supérieure à l’usure métal-métal, en particulier au grippage (seizing/galling) ;
  • meilleur comportement à l’usure aux hautes températures par rapport aux revêtements de chromage dur à partir de 400°F.
  • Résistance au fretting similaire à celle de l’Inconel 718 à 600°C.

DURCISSEMENT PAR DÉFORMATION À FROID

Le degré de durcissement dépend du taux de déformation, de la stabilité de l’austénite et de la température de travail.  Comme les alliages Nitronic ont une microstructure très stable, la phase austénite ne peut se transformer en martensite. Cependant, on rapporte que le mécanisme de durcissement de ces derniers consiste plutôt en la formation d’une phase epsilon () non magnétique à partir de l’austénite. En fait, et contrairement au grade SS304 qui se durcit par transformation martensitique (phase magnétique) sous l’effet de la déformation, les alliages Nitronic déformées conservent leur caractère non magnétique.

D’après les graphiques ci-après, il en découle que la réduction à froid avec un taux de 60% entraîne une consolidation considérable des propriétés de résistance mécanique des différents alliages.

En effet, la limite élastique augmente avec un taux de l’ordre de 230, 220, 260, 225 et 335% respectivement pour les Nitronic Grades 33, 40, 50,60 et AISI 304. En outre, on peut établir que le Nitronic 50 constitue un choix de prédilection pour des applications qui requièrent un bon compromis de résistance mécanique, de résistance aux chocs et à la corrosion.

MICROSTRUCTURE ET RÔLE DES ÉLÉMENTS :

Manganèse, Mn

Le manganèse se substitue partiellement au nickel où l’addition de 2%pds de manganèse équivaut l’effet de 1% en nickel pour la stabilité de l’austénite. Il s’ensuit qu’une diminution partielle du taux de nickel a pour effet de rendre les alliages Nitronic moins onéreux que les grades inoxydables austénitiques de la série 3xx (304, 316, etc) d’une part, et aussi plus compétitifs que les alliages de cobalt (Stellite) et de nickel d’une autre part. En plus de son effet durcissant par solution solide, le manganèse est un élément désoxydant et désulfurant, ce qui contribue à prémunir la fissuration à  chaud.

Silicium, Si 

Le silicium est ajouté dans certains grades (4%, Nitronic 60) pour les effets suivants :

  • renforcement de la couche d’oxyde de chrome à la surface et amélioration de la résistance l’oxydation,
  • durcissement de la matrice par solution solide ;
  • augmentation de la résistance à la friction métallique et à l’adhésion.

Azote, N2

 L’azote entraîne les effets suivants :

  • stabilisation de l’austénite ;
  • augmentation de la résistance mécanique (YS et UTS) à l’ambiante et à très basses températures (usage cryogénique) ;
  • amélioration de la résistance à la corrosion fissurante (SCC),
  • augmentation de la résistance à la corrosion localisée (par piqûres et crevasses).  À cet égard, l’effet de l’azote agit, aussi, en symbiose avec le chrome et le molybdène ;
  • augmentation de la solubilité de carbone dans l’austénite et retardement de la diffusion du carbone vers les joints de grains pour prévenir la corrosion intergranulaire (CIG). En effet, il a été démontré qu’avec des teneurs d’azote de l’ordre de 0.30%, les Nitronic renfermant jusqu’à 0.05% résistent remarquablement mieux à la sensibilisation que les grades SS 304 avec 0.06%C et des taux d’azote résiduels que l’on considère dans les limites de 0.06-0.08%. Le graphique ci-après illustre cette tendance.
EFFET DE L’AZOTE SUR LE RETARDEMENT
DE LA PRÉCIPITATION DES CARBURES

Il s’ensuit alors que l’effet de l’azote peut bien être exploité pour prévenir le risque de sensibilisation, et ce surtout pour le soudage de joints épais en Nitronic qui dont l’allure du refroidissement peut être relativement lente. Le taux vitesse de refroidissement ne deviennent pas alors aussi critique dans le soudage des alliages Nitronic qu’il l’est dans le cas des aciers inoxydables austénitiques tel que le grade 304H.

Utilisation

Les alliages Nitronic trouvent leurs principales applications dans la fabrication des réservoirs, transport (pare-chocs, châssis) camions frigorifiques, navire porte-conteneurs, véhicules blindés, sièges valves, pompes centrifuges, bagues, boulons et arbres, attaches, pompes centrifuges ; aubes de turbine (substitut au CA-6NM), couche de rechargement sur les aciers inoxydables austénitiques.

Usure

Il existe plusieurs types d’usure dont l’abrasion, l’impact, la friction métal-métal, l’érosion, la cavitation, l’usure corrosive, etc. Les principaux facteurs qui influencent l’usure sont les suivants :

  • la nature des matériaux de contact (chimie, dureté et écrouissage) ;
  • facteurs géométriques (fini de surface, forme) ;
  • paramètres opératoires (charge, température, vitesse, amplitude de mouvement, distance parcourue) ;
  • environnement.

Usure adhésive-grippage

Le problème de l’usure adhésive, appelé grippage, relève de l’usure métal-métal et résulte d’abord de la forte interaction et de la pression entre des surfaces de contact plus ou moins compatibles chimiquement. Ce phénomène survient après déformation plastique et formation de jonctions intermétalliques, appelées microsoudures froides, à partir des aspérités des surfaces de contact soumises à un mouvement de friction réciproque. Le phénomène qui est très familier, par exemple, dans le cas de piston/cylindre de moteurs, est accentué par les facteurs suivants :

  • surfaces de contact très lisses, soit avec une rugosité inférieure à 10-15μm. Des surfaces trop lisses ne retiennent pas assez de lubrifiant pour réduire la friction. Par contre, des surfaces très rugueuses mènent à une usure rapide à partir de leurs protubérances ;
  • compatibilité des matériaux de contact, soit métaux/alliages similaires, ex SS410/SS410, ou très compatibles chimiquement, ex. cuivre/nickel.
  • dureté : une augmentation de la dureté de surface par écrouissage ou traitement de surface augmente la résistance à l’usure adhésive ;
  • Surface de contact et amplitude du mouvement : les débris d’oxydes qui forment une tribo-couche solide pour accommoder la friction peuvent aussi s’évacuer de l’interface de contact lorsque l’amplitude du mouvement augmente ;
  • Microstructure monophasée;
  • pression de contact ;
  • lubrification inadéquate ;

Réduction de l’usure adhésive (grippage)

Dans un système de couple métallique, l’usure adhésive peut être contrôlée dans une certaine mesure par le suivi et le contrôle des paramètres suivants :

  • Lubrification du contact ;
  • Réduction de la pression, la température et aussi la vitesse du mouvement ;
  • Choix d’un fini de surface de l’ordre de 10 à 70μ inch. Les surfaces très lisses n’ont pas une bonne capacité de rétention des débris d’usure qui servent en fait de lubrifiant solide. De même, les forces d’interaction moléculaire augmentent sur les surfaces lisses, ce qui amène à la formation de jonction ou de soudures froides qui entravent la continuité du mouvement et détériorent le contact ;
  • Augmentation de l’aire de contact ;
  • Choix de couples de contacts compatibles ou dissimilaires ;
  • Dureté des surfaces de contact. Pour les alliages d’écrouissage comme les Nitronic (ex. Nitronic 60), il s’agit de la dureté mesurée à la surface après que le frottement ait déjà lieu. L’écrouissage de ces alliages rend la tenue au grippage supérieure à celles des aciers inoxydables durcissables par précipitation (PH) tel que le grade 17-4PH.
  • Alliages avec des revêtements de surfaces
  • Les matériaux ayant des microstructures multi-phases ou complexes (phase renforcée par des particules carbures, nitrures, siliciures, etc) offrent une bonne prévention contre l’adhésion par rapport aux alliages monophasés.

SOUDABILITÉ

Le soudage et le choix du métal d’apport doivent être pensés en fonction de l’application (assemblage, rechargement ou réparation) ou du design et aussi des conditions de service. À défaut de trouver le métal d’apport équivalent, il convient d’utiliser un alliage dissimilaire, tout en tenant compte des facteurs suivants :

  • composition chimique ;
  • résistance mécanique du métal déposé (joint soudé) et du métal de base;
  • dilution ;
  • aptitude à l’écrouissage ; surtout en ce qui concerne le rechargement anti-usure
  • susceptibilité à la fissuration à chaud
  • résistance à la corrosion et/ou à l’usure ;
  • couple de contact ;
  • corrosion.

Les dépôts soudés hors dilution en alliages de Nitronic conservent une microstructure austénitique stable et tenace. Ils renferment également des taux réduits en azote par rapport aux métaux de base correspondants afin de prévenir les risques de porosité. Les métaux d’apport similaire en Nitronic tels que E/ER 209-219-240, sont élaborés de sorte à avoir un dépôt austénitique avec une certaine fraction de ferrite pour contrer le risque de fissuration à chaud lors de la solidification.

Le soudage des Nitronic ne requiert généralement pas de préchauffage ni de traitement post-soudage, et ce même si le métal de base est à l’état écroui avant soudage.

Le tableau ci-après montre les produits d’apport standardisés qui peuvent être utilisés, soit comme alliages équivalents ou comme alternatives.

Électrodes / Métaux d’apport

* Rechargement épais et dur quand la surface subit de l’usure par impact plutôt que par adhésion
** Assemblage

NB/ Le soudage autogène peut être employé pour l’assemblage de joints de faibles sections. Le joint du soudage est caractérisé généralement par une résistance à l’usure similaire à celle du métal de base

Rechargement anti-usure

Les alliages Nitronic sont utilisés comme des couches de rechargement pour diminuer l’usure métal-métal dans les couples de contact en acier au carbone, acier faiblement allié et acier inoxydable austénitique. Des dépôts multicouches peuvent être déposés par les différents procédés de soudage à l’arc.

Toutefois, il convient de souligner les effets spécifiques du choix des matériaux et de leurs propriétés sur l’usure des surfaces :

  • Le couple de contact homogène en Nitronic 60 a une résistance à l’usure qui est de :

-30% supérieure à celle du couple homogène du grade inoxydable martensitique 440C (57 RC) ;

-2.5 fois supérieure à celle des couples homogènes de Nitronic 32 et Nitronic 50 respectivement ;

-3 fois supérieure à celle du couple homogène de Nitronic 50.

  • La résistance des couples homogène est classée dans l’ordre décroissant suivant : D2, Stellite 6B, Nitronic 60, SS440C (57 RC), Nitronic 32, Nitronic 33, Nitronic 50, Nitronic 40

-Pour les contacts hétérogènes, il a été établi que, entre autres, le couple Nitronic 60/SS440C (57 RC) présente une résistance à l’usure supérieure aux couples homogènes Nitronic 60 et 440C ;

Il en découle que le Nitronic 60 est un bon candidat pour les dépôts de rechargement sur les surfaces d’usure pour l’amélioration de la résistance à la friction ou l’adhésion métallique. De même, ces alliages révolutionnent différents alliages de cobalt et de nickel dans des applications de contacts impliquant la friction métalliques.

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Les aciers inoxydables et leur soudabilité

Généralités

Les aciers inoxydables sont des aciers alliés au chrome pour améliorer leur résistance à la corrosion dans différents milieux. Le chrome contenu dans l’acier inoxydable s’oxyde facilement et forme une couche d’oxyde mince, continue, compacte, stable chimiquement et tenace qui est résistante à la corrosion, tenace et stable. Elle forme une barrière et empêche les produits corrosifs d’oxyder l’alliage en profondeur (voir figure inox.1). Cette couche d’oxyde possède, aussi, la particularité de se reformer d’elle-même lorsqu’elle est endommagée. Pour qu’un acier soit inoxydable, il doit contenir au minimum 10% de chrome.

figure1inox

Méthode de classification des aciers inoxydables selon l’AISI

SÉRIECATÉGORIEPRINCIPAUX ÉLÉMENTS D’ALLIAGEDURCIS PAR LA TREMPEMAGNÉTIQUE
2XXAusténitiqueCr – Ni – MnNonNon
3XXAusténitiqueCr – NiNonNon
4XXFerritiqueCrNonoui
4XXMartensitiqueCrOuiOui
5XXMartensitiqueCr – MoOuiOui
6XXDurcissable par précipitationCr – NiCertainsCertains

Propriétés des différentes séries et utilisations typiques

Acier inoxydables austénitiques (2XX et 3XX)

La présence d’éléments favorisant la formation d’austénite, tels le nickel, le manganèse ou l’azote, permet d’obtenir des aciers inoxydables austénitiques. Ces aciers ont une teneur totale en chrome et nickel de 23% minimum. Ils ont l’avantage d’avoir un taux de consolidation très élevé lorsque déformés mécaniquement. Grâce à cette propriété, il est possible d’obtenir une très large gamme de propriétés mécaniques seulement par écrouissage. Ils sont non magnétiques mais ils peuvent le devenir légèrement lors de l’écrouissage. Leur usinabilité diminue rapidement avec l’augmentation du taux d’écrouissage à moins qu’ils ne contiennent du soufre ou du sélénium. Ce sont les aciers possédant la meilleure résistance mécanique à haute température, la meilleure résistance à la corrosion et la meilleure résistance à l’écaillage. Ils sont utilisés dans les industries aéronautiques, chimiques et des pâtes et papiers, pour le matériel de traitement thermique, pour la fabrication de pièces résistantes au fluage, etc.

Les alliages de la série 2XX présentent la meilleure résistance à l’écorchure par frottement métal sur métal de tous les aciers inoxydables. Ils se retrouvent dans la fabrication de boulons, d’axes, de douilles, de valves, de pièces d’usure, etc.

Les aciers inoxydables superausténitiques tels les alliages 20, 28, 904L, 925, AL- 6XN®, etc. sont complètement austénitiques et contiennent plus de molybdène que les aciers inoxydables de la série 3XX. Cette augmentation de la teneur en molybdène leur forte teneur en nickel et des additions de cuivre et d’azote leur confère une très bonne résistance à la corrosion sous tension induite par les chlorures. Ils sont utilisés principalement dans la fabrication d’échangeurs de chaleur, dans les industries des pâtes et papiers, chimiques, pétrochimiques, marines, du contrôle de la pollution, etc.

Aciers inoxydables Duplex

Ils sont ainsi appelés parce que leur microstructure est composée d’environ 50%d’austénite et 50% de ferrite. Ils contiennent habituellement une forte teneur en chrome (de 20 à 30%), du nickel (de 5 à 10%), du molybdène, de l’azote pour stabiliser l’austénite, et parfois des additions de cuivre et de tungstène. Ceci leur confère une bonne résistance à la corrosions sous tension induite par les chlorures et une bonne résistance à la corrosion par piqûre. Leur intervalle de température d’utilisation s’étend de -60 à 300°C (-75 à 570°F) selon l’alliage. Ils se retrouvent principalement dans les industries chimique, pétrochimique, du contrôle de la pollution, des pâtes et papiers, etc.

Voici les aciers inoxydables austénitiques les plus communs

Aciers inoxydables ferritiques (4XX)

Ce sont des aciers contenant entre 10,5 et 30% de chrome. Ils sont habituellement plus riches en chrome que les aciers martensitiques mais contiennent moins de carbone qu’eux. Ils durcissent peu lorsque écrouis et ne durcissent pas à la trempe.

Lorsqu’ils sont à l’état recuit, leur résistance mécanique est une fois et demie supérieure à celle des aciers au carbone. Leur résistance à la corrosion et leur usinabilité sont supérieures à celles des aciers inoxydables martensitiques. Grâce à leur grande ductilité et leur résistance à l’oxydation, ils sont beaucoup utilisés pour la fabrication d’éléments chauffants, de systèmes d’échappement, de pièces de chaudière, de garnitures d’automobiles, d’appareils ménagers ou de meubles, etc.

Les aciers inoxydables superferritiques tel les E-Brite® , AL 29-4C®, AL 29-4-2®, etc. possèdent une forte teneur en chrome, une très basse teneur en éléments interstitiels (carbone, azote et oxygène) et des additions de molybdène, de nickel ou de cuivre entre autre. Ces aciers sont très sensibles à la précipitation de composés intermétalliques lors de leur élaboration et sont disponibles seulement que sous la forme de tôles minces. Ils offrent une très bonne résistance à la corrosion sous tension induite par les chlorures, ce qui en fait une alternative intéressante aux alliages de nickel pour la fabrication d’échangeurs de chaleur. Leur température maximale d’utilisation en service prolongé est de 250°C (480°F).

Aciers inoxydables martensitiques (4XX)

Les quantités de chrome et de carbone à l’intérieur des alliages martensitiques de la série 4XX sont contrôlées pour qu’ils puissent être durcis par la trempe car ils changent de structure atomique au cours du refroidissement. Ils sont résistants à la corrosion atmosphérique et possèdent une bonne ténacité. Il est possible de les usiner et ils peuvent être écrouis facilement, surtout ceux ayant les plus faibles teneurs en carbone. Ils sont utilisés pour la fabrication de pièces mécaniques, de couteaux, de robinetterie, d’instruments chirurgicaux, etc.

Aciers au chrome – molybdène (5XX)

La plupart de ces alliages ne contiennent pas le 10% minimum de chrome requis pour être considérés aciers inoxydables. Ils contiennent du molybdène et plus de chrome que les aciers faiblement alliés, ce qui leur donne une bonne résistance mécanique aux températures moyennement élevées et une bonne résistance à l’oxydation. Ils sont surtout utilisés dans les raffineries, les usines de transformation de produits chimiques, les centrales thermiques, la fabrication de vaisseaux sous pression, etc. Consulter la section sur l’acier (chapitre 1) ou contacter le Service Technique Sodel pour les procédures associées au soudage de ces aciers.

Voici les aciers inoxydables ferritiques les plus communs

Aciers inoxydables durcis par précipitation (6XX)

Ces aciers ont une bonne résistance mécanique et ˆ l a corrosion ainsi qu’une résilience élevée. Ces qualités sont surtout dues à la présence d’éléments tels que l’aluminium et le cuivre qui permettent d’obtenir un durcissement par précipitation.

On effectue le traitement thermique de durcissement par précipitation en chauffant l’alliage à une température prédéterminée, de manière à dissoudre les éléments qui forment les précipités. Ensuite on trempe l’acier dans le but de sursaturer la matrice de ces éléments. On termine par un conditionnement et /ou un vieillissement de l’acier en le chauffant entre 480 et 760°C (900 et 1400°F) pendant un temps optimal pour permettre aux éléments d’alliage de précipiter à l’intérieur de la matrice et de produire ainsi un durcissement structural. Ils se retrouvent surtout dans les applications marines et aéronautiques.

Propriétés physiques des aciers inoxydables

Capacité thermique, conductibilité thermique et conductivité électrique

La capacité thermique de l’acier inoxydable, soit la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d’un gramme d’acier inoxydable de 1°C, est essentiellement la même que celle de l’acier doux. Par contre, sa conductibilité thermique est inférieure à celle de l’acier au carbone et peut être seulement le quart de cette dernière dans le cas d’un acier inoxydable austénitique. C’est pourquoi lorsque la pièce est froide il faut beaucoup d’énergie (apport thermique) pour faire la première passe, mais moins pour les passes subséquentes car la chaleur ne se dissipe pas dans la pièce. On rencontre ce phénomène surtout lors du soudage au GTAW (TIG) où, lors des passes subséquentes, il y a risque d’effondrement du bain de fusion. Finalement, la conductivité électrique des aciers inoxydables est jusqu’à cinq fois moins élevée que celle de l’acier, ce qui favorise la fusion des fils MIG (augmente la vitesse de dévidage) mais aussi l’échauffement de l’âme des électrodes enrobées.

Coefficient de dilatation thermique

Lors du chauffage, l’acier inoxydable austénitique se dilate environ une fois et demie plus que l’acier au carbone. Son retrait au refroidissement sera donc plus important et il y aura plus de déformations au soudage. Il faut aussi tenir compte de cet aspect lors d’assemblage dissimilaire car il y aura plus de contraintes dans le joint.

Les aciers inoxydables duplex, ferritique et martensitique ont cependant un coefficient de dilatation thermique similaire à celui de l’acier doux.

Rôle des différents éléments d’alliage

ÉlémentsRôleRisques associés à sa présence
Chrome– Augmente la résistance à la corrosion et à l’oxydation
-Favorise la formation de ferrite
AUCUN
Nickel– Augmente les propriétés à chaud
– Augmente la résistance à la corrosion
– Favorise la formation d’austénite
AUCUN
Manganèse– Désulfurant
– Favorise la formation d’austénite à basse température
– Favorise la formation de ferrite à haute température
AUCUN
Molybdène– Augmente la résistance mécanique
– Augmente la résistance à la corrosion en milieux réducteurs
– Favorise la formation de la ferrite
AUCUN
Cuivre– Augmente la résistance à certains agents corrosifs
– Améliore la résistance à la corrosion sous tension
– Favorise le durcissement par précipitation
– Favorise la formation d’austénite
AUCUN
Carbone– Favorise la formation d’austénite
– Augmente la résistance mécanique à chaud
– Réagit avec le chrome pour former un carbure de chrome (Cr23C6) et provoque la corrosion intergranulaire
Silicium– Augmente la résistance à l’oxydation
– Désoxydant
– Favorise la formation de ferrite
– Favorise la fissuration à chaud dans les aciers inoxydables ferritiques
Niobium– Se combine avec le carbone et réduit les risques de corrosion intergranulaire
– Affine le grain
– Favorise la formation de ferrite
– Corrosion par crevasse
– Fissuration à chaud
Titane– Se combine au carbone et réduit le risque de corrosion intergranulaire.
– Favorise la formation de ferrite
– Augmente la résistance à la corrosion
– Corrosion par crevasse
Aluminium– Augmente la résistance à l’oxydation
– Favorise le durcissement par précipitation
– Favorise la formation de ferrite
AUCUN
Azote– 30 fois plus efficace que le nickel pour former l’austénite
– Augmente la limite élastique
– Formation de porosité
– Fissuration à chaud
Phosphore
Soufre
Sélénium
– Améliorent l’usinabilité– Diminuent la soudabilité en augmentant le risque de fissuration à chaud

Soudabilité des aciers inoxydables

Préparation

Pour réduire les risques de défauts de soudage, il est conseillé d’enlever toute trace d’huile, d’hydrocarbure ou de contaminant. L’enlèvement de la couche d’oxyde tenace recouvrant l’alliage facilite le soudage. On peut enlever cette couche à l’aide d’une meule ou par usinage (voir section Conseils pratiques lors du soudage de l’acier inoxydable, page 3 – 15). Pour éviter la formation d’oxyde de chrome dans le bain de fusion, pour favoriser le mouillage et pour stabiliser l’arc lors du soudage GMAW, il est important d’utiliser des gaz de protection inertes contenants de faibles teneurs en gaz oxydant (1 à 2% d’O2 ou de CO2). Lors du soudage SMAW, FCAW ou SAW, il faut utiliser des flux ou des enrobages faiblement oxydant et qui contiennent des fluorures. Par contre, les laitiers produits avec ces flux ou ces enrobages sont potentiellement très corrosifs et doivent être bien nettoyés après le soudage.

Soudabilité des aciers inoxydables austénitiques

Ces aciers sont généralement les plus faciles à souder parce qu’ils ne trempent pas sous le cordon et il n’est donc pas nécessaire de les préchauffer. Les propriétés mécaniques des aciers non écrouis ne sont pas trop affectées par la surchauffe, tandis que celles de ceux qui étaient écrouis sont diminuées dans la zone affectée thermiquement par l’effet de recuit que provoque le soudage.

De plus, l’augmentation de la température lors du soudage cause la précipitation de carbures de chrome. Car lorsqu’un acier est chauffé entre 400 et 850°C (750 et 1560°F), le carbone excédant 0,02% réagit avec le chrome pour former des carbures de chrome aux joints de grains. Pour former ces carbures, il y a 6 atomes de carbone qui s’allient à 23 atomes de chrome et donc, pour quelques atomes de carbone, il y a beaucoup d’atomes de chrome occupés et non disponibles pour protéger l’alliage. L’appauvrissement en chrome aux joints de grains nuit à la résistance à la corrosion et augmente les risques de corrosion intergranulaire (voir figure inox. 2).

Le temps auquel l’alliage doit être maintenu entre 400 et 850°C (750 et 1560°F), avant que la précipitation des carbures de chrome ne débute, varie selon la teneur en carbone de l’acier. Pour un acier contenant 0,08% de carbone, la précipitation de carbures peut se produire en moins d’une minute, ce qui explique que même l’opération de soudage peut faire apparaître des carbures de chrome. Plus la quantité de carbone dans l’alliage est faible et plus le séjour dans l’intervalle de température critique doit être long.

Il existe trois façons de contrôler la précipitation de carbures de chrome :

– stabiliser le carbone dans l’acier par l’ajout de titane ou de niobium; le carbone possède une plus grande affinité avec ces éléments qu’avec le chrome et forme ainsi des carbures de titane et de niobium à la place des carbures de chrome;

-utiliser un acier inoxydable à bas carbone, c’est-à-dire inférieur à 0,03% de carbone pour le métal de base et les fils solides ou 0,04% de carbone pour les autres métaux d’apport (il faut plus que 50 heures pour former des carbures de chrome dans un acier 304L contenant 0,02% de carbone);

-faire un recuit de mise en solution sur l’assemblage après le soudage en le chauffant, selon l’alliage, aux environs de 1100&degC (2000&degF), de façon à dissoudre les carbures, pour ensuite le refroidir rapidement.

Un autre problème des aciers austénitiques est le risque de fissuration à chaud, aussi appelé fissuration en centre de cordon. Ce type de fissuration survient lorsque des composés métalliques ayant un bas point de fusion (inférieur à celui de métal de base) se forment dans le cordon à la fin de la solidification, soit au centre du cordon. Les contraintes de retrait qui s’applique sur le cordon à ce moment peuvent être suffisamment élevées pour provoquer de la fissuration. La formation de ces composés métalliques à bas point de fusion est favorisée par la présence d’impuretés comme le soufre ou le phosphore et de certains éléments d’addition comme le silicium. Pour minimiser le risque d’apparition de ce type de fissuration, il faut utiliser un métal d’apport permettant d’obtenir un dépôt ayant un indice de ferrite d’au moins 3 à 4 FN, car la ferrite permet d’emprisonner ces impuretés et empêche la formation des composés à bas point de fusion. L’indice de ferrite du métal d’apport est évalué à l’aide d’un diagramme tel que celui de Delong (voir figure inox. 3) en calculant la composition du dépôt à l’aide de l’analyse de l’alliage, de celle du métal d’apport et du taux de dilution entre ces deux produits (voir section Méthode de calcul de l’indice de ferrite, page 3 – 13). Il est aussi possible d’utiliser un appareil qui mesure l’indice de ferrite par magnétisme du dépôt ou du métal comme le ferrite scope ou le magne gage.

Cependant, il est important de réaliser que le fait d’utiliser un produit d’apport avec un indice de ferrite inférieur à 3 FN ne signifie pas que le cordon va nécessairement fissurer mais seulement qu’il y a plus de risque d’avoir de la fissuration à chaud. De plus, si l’indice de ferrite obtenu avec un appareil de mesure sur le cordon après le soudage est inférieur à 3 FN et qu’il n’y a pas de fissures dans le cordon, il n’y a pas de raison de rejeter ce cordon car de toute façon l’indice de ferrite du métal de base est généralement lui aussi inférieur à 3 FN.

Si l’analyse de l’azote n’est pas disponible, considérer 0,06% azote pour les procédés GTAW et SMAW ou 0,08% azote pour le procédé GMAW.

Figure inox 3

Finalement, il y a la transformation de la ferrite en phase intermétallique sigma  »σ » lorsque l’alliage est maintenu dans l’intervalle 450 à 1000°C (840 à 1830°F) trop longtemps. La présence d’éléments stabilisant la ferrite (Cr, Mo, Si, W) favorise la précipitation de la phase sigma. Cette phase est riche en chrome et très dure ce qui diminue la résistance à la corrosion, la ductilité et la ténacité de l’alliage. Pour prévenir la formation de la phase sigma, il faut minimiser la présence de ferrite dans le dépôt lorsque le joint sera exposé aux températures critiques.

Pour les aciers inoxydables superausténitiques (alliages avec des teneurs plus importantes en nickel, molybdène et azote entre autre), il est très important de ne pas dépasser 150°C (300°F), et même 100°C (210°F) pour les plus alliés, comme température interpasse et de limiter l’apport thermique à 1 KJ / mm (25 KJ / pouce). De plus, il est essentiel de bien nettoyer la surface à souder de 50 à 75 mm (2 à 3 pouces) de chaque côté du joint comme pour les alliages de nickel (voir page 10 – 2) et d’utiliser un produit d’apport surallié en molybdène et en nickel pour que le joint aie une résistance à la corrosion au moins aussi bonne que celle du matériel de base. Les électrodes Sodel 3505, Sodel 3506, Sodel 3560 et Sodel 3599 permettent de joindre tous les aciers inoxydables superausténitiques et assurent une excellente résistance à la corrosion au cordon de soudure.

Soudabilité des aciers inoxydables duplex

Leur soudabilité se situe entre celle des aciers inoxydables austénitiques et celle des aciers inoxydables ferritiques. Ils sont donc moins sensibles à la fissuration à chaud que les austénitiques et moins sensibles à la fissuration à froid que les ferritiques. Ils ne sont à toute fin pratique pas sensibles à la corrosion intergranulaire car ils possèdent habituellement une faible teneur en carbone. Cependant, si la proportion de ferrite est trop élevée, des nitrures de chrome (CrN,Cr2N) peuvent précipiter entre 700 et 900°C (1290 et 1650°F) et réduire la résistance à la corrosion. Alors que si la proportion de ferrite est trop basse, c’est la phase sigma qui risque de précipiter et de réduire la résistance à la corrosion, la ductilité et la ténacité.

Il faut maintenir une température interpasse maximale de 150°C (300°F) et même de 65°C (150°F) pour les plus alliés d’entre eux. Pour maintenir un bon ratio austénite / ferrite, le métal d’apport doit contenir une plus grande quantité de nickel que le métal de base soit de 2,0 à 3,5% de plus comme la Sodel 2293L. De plus, il est important de bien contrôler l’apport thermique car s’il est trop haut, la tendance à former des composés intermétalliques indésirables augmente, et s’il est trop bas, la fraction de ferrite va augmenter. L’apport thermique doit être maintenu entre 0,5 et 2 KJ / mm (13 et 51 KJ / pouce). Finalement, lors du soudage avec un fil solide (GTAW ou GMAW), l’utilisation d’un gaz de protection contenant de l’azote favorise le maintien d’un bon ratio austénite / ferrite dans le dépôt et la zone affectée thermiquement.

Soudabilité des aciers inoxydables ferritiques

Les aciers inoxydables ferritiques sont affectés par la chaleur. L’apport thermique lors du soudage provoque un grossissement des grains et la formation de carbures de chrome à l’intérieur de la zone affectée. Le grossissement des grains entraîne une perte de la résistance mécanique et une diminution de la résilience en plus d’augmenter le risque de fissuration à froid. La formation de carbures de chrome réduit la résistance à la corrosion et la ductilité. Pour minimiser l’apport de chaleur, il est important de suivre les recommandations suivantes :

-utiliser la plus faible température de préchauffage possible;

-maintenir la température interpasse au minimum;

-réduire l’ampérage au minimum recommandé lors du soudage;

-faire de petites passes avec une électrode du plus petit diamètre possible.

Il existe des métaux d’apport d’acier inoxydable ferritique mais pour minimiser les risques de fragilisation et donner une plus grande ductilité au joint, il est possible d’utiliser les électrodes Sodel 309L, Sodel 335, Sodel 3500 ou Sodel 3502.

Pour les aciers inoxydables superferritiques, il est très important de bien nettoyer les pièces à l’acétone avant le soudage. De plus, l’utilisation de la Sodel 3505 permettra généralement d’éviter les traitements thermo-mécaniques postsoudages tout en conférant une bonne ductilité et une excellente résistance à la corrosion à l’assemblage.

Soudabilité des aciers inoxydables martensitiques

Les aciers martensitiques peuvent former une structure martensitique seulement par le refroidissement à l’air. La martensite est une structure dure et fragile, ce qui la rend sensible à la fissuration à froid. Pour souder les alliages martensitiques, il est nécessaire de les préchauffer et / ou de les postchauffer. Si ce n’est pas possible, ou encore pour avoir de meilleurs ductilité dans le joint, il est possible d’utiliser les électrodes Sodel 309L, Sodel 335, Sodel 3500 ou Sodel 3502 comme produit d’apport. Leur faible pourcentage de carbone, ainsi que leur grande capacité d’allongement produisent un dépôt moins dur, plus ductile et qui a donc moins tendance à la fissuration.

Cependant, il ne faut pas utiliser ces produits d’apport lorsque la résistance au fluage est essentielle, lorsque la résistance à la corrosion sous tension est requise ou lorsque le dépôt doit pouvoir se durcir par traitement thermique. Dans ces cas, il faut utiliser l’électrode Sodel 410NiMo ou un métal d’apport de même composition que le métal de base et préchauffer selon le tableau suivant :

Tableau inox 1 : Préchauffage des aciers inoxydables martensitiques

Soudabilité des aciers inoxydables durcis par précipitation

Les aciers pouvant être durcis par précipitation sont austénitiques, semi-austénitiques ou martensitiques. Il faut donc prendre les mêmes précautions que celles déjà citées pour souder ces familles d’alliages. Cependant, la surprécipitation entraîne une légère baisse de la résistance mécanique et de la dureté à l’intérieur de la zone affectée thermiquement. Il existe des métaux d’apport de même composition que l’alliage comme le fil solide Sodel MIG/TIG 174, mais l’utilisation de produits d’apport comme les électrodes Sodel 3500, Sodel 3502 ou Sodel 309L permet de réduire les risques de fissuration et confère une meilleure ductilité au joint.

Lorsqu’un produit d’apport de composition similaire à celle du métal de base est utilisé, il est possible de restaurer les propriétés mécaniques dans le joint en effectuant un traitement thermique. Pour une restauration complète, le traitement thermique doit inclure une mise en solution, alors que pour une restauration partielle, il suffit de faire un revenu de précipitation.

Métaux d’apports

Pour choisir le métal d’apport adéquat pour l’alliage, il faut tenir compte de la composition chimique des matériaux à assembler et de l’utilisation de la pièce ou de l’assemblage après le soudage. Il faut choisir un métal d’apport qui répond aux propriétés requises lors de l’utilisation et qui possède une bonne résistance à la fissuration à chaud. Il est recommandé de s’assurer d’obtenir un indice de ferrite de 3 FN minimum pour diminuer le risque de fissuration à chaud. N’hésitez pas à consulter le Service Technique Sodel pour faciliter la sélection de votre métal d’apport.

Méthode de calcul de l’indice de ferrite (“Ferrite Number”)

Pour mesurer l’indice de ferrite, on se sert du diagramme de Delong. Il faut connaître la teneur des éléments d’alliages des métaux à assembler et du métal d’apport ainsi que le taux de dilution entre les métaux. Une fois ces renseignements connus, on effectue les étapes suivantes :

Directives

1-calculer l’indice de nickel équivalent et de chrome équivalent de chacun des métaux de base, s’ils sont dissimilaires, et du métal d’apport à l’aide des formules suivantes :

Nickel équivalent = % Ni + (30 x % C) + (30 x % N) + (0,5 x % Mn) Chrome équivalent = % Cr + % Mo + (1,5 x % Si) + (0,5 x % Nb)

si l’analyse de l’azote n’est pas disponible, considérer 0,06% d’azote pour les procédés GTAW et SMAW ou 0,08% d’azote pour le procédé GMAW;

2- additionner les indices de nickel équivalents obtenus en les ayant précédemment multipliés par leur taux de dilution respectifs, puis faire de même avec les indices de chrome équivalent;

3- placer les deux résultats obtenus sur le diagramme de Delong

4-lisez le résultat de l’indice de ferrite et du pourcentage de ferrite à l’aide des lignes obliques “indice de ferrite”.

Exemple

1-Types de matériau : acier 304 soudé avec une électrode Sodel 309

Procédé : SMAW

Taux de dilution : 70% = métal d’apport Sodel 309

30% = métal de base 304

Compositions : 304 = 0,06% C; 1,5% Mn; 0,8% Si; 19% Cr; 10% Ni

309 = 0,04% C; 1,8% Mn; 0,5% Si; 23% Cr; 13% Ni

Ni éq. 304 = % Ni + (30 x % C) + (30 x % N) + (0,5 x % Mn) Ni éq. 304 = 10 + (30 x 0,06) + (30 x 0,06) + (0,5 x 1,5) = 14,35
Cr éq. 304 = % Cr + % Mo + (1,5 x % Si) + (0,5 x % Nb)
Cr éq. 304 = 19 + 0 + (1,5 x 0,8) + (0,5 x 0) = 20,20
Ni éq. 309 = 13 + (30 x 0,04) + (30 x 0,06) + (0,5 x 1,8) = 16,90
Cr éq. 309 = 23 + 0 + (1,5 x 0,5) + (0,5 x 0) = 23,75

2-Ni éq. total = (0,30 x 14,35) + (0,70 x 16,90) = 16,14

Cr éq. total = (0,30 x 20,20) + (0,70 x 23,75) = 22,69

3-

4- Indice de ferrite = 8 FN Pourcentage de ferrite = 7,6%

CONSEILS PRATIQUES LORS DU SOUDAGE DE L’ACIER INOXYDABLE

1- Lorsqu’on désire réussir une soudure de qualité, il est nécessaire d’enlever la couche d’oxyde grâce à une des méthodes suivantes :

  • avec une brosse en acier inoxydable ou avec un disque abrasif qui n’a jamais servi sur l’acier au carbone;
  • à l’aide d’un jet de particules de verre ou de sable;
  • par usinage en utilisant un fluide de coupe sans chlorure;
  • par un décapage chimique à l’aide d’une solution d’acide nitrique à 10 ou 20%

2- Les contaminants de surface comme les huiles de coupe, les graisses et les cires doivent être éliminés à l’aide d’un solvant tel l’acétone. ATTENTION ! Tenir le linge imbibé d’acétone loin du lieu de soudage, les vapeurs dégagées par ce produit sont très dangereuses en présence de rayons ultraviolets.

3- Porter une attention particulière en soudage GMAW à la présence de porosités car il n’y a pas de désoxydant comme le fluorure de calcium ou de sodium contenu dans l’enrobage des électrodes SMAW.

4- Tenir compte que la résistance à la corrosion de la zone affectée thermiquement des aciers inoxydables diminue avec l’augmentation de la teneur en carbone.

5- Les intensités de courant des électrodes d’aciers inoxydables sont de 10 à 15% inférieures à celles des aciers au carbone dû à la plus grande résistivité des aciers inoxydables.

6- Éviter la fissuration à chaud en ayant un indice de ferrite supérieur à 3 FN.

7- Pour minimiser la fissuration à froid des aciers martensitiques, utiliser des électrodes basiques (Sodel XXX-15) ou des électrodes spécialisées (Sodel 335, Sodel 3500, Sodel 3502).

8- Toujours enlever le laitier et la couche teintée sur le cordon après le soudage, car ils peuvent entraîner la corrosion du cordon de soudure.

9- Maintenir une température interpasse maximale de 150°C (300°F) et un apport thermique de 0,5 à 2 KJ / mm lors du soudage des aciers inoxydables duplex.

10- Utiliser un métal d’apport surallié tel que l’électrode Sodel 2293L pour le soudage des aciers inoxydables duplex, de façon à obtenir une résistance à la corrosion satisfaisante.

11- Maintenir une température interpasse maximale de 150/C (300ùF) et un apport thermique de 1 KJ / mm lors du soudage des aciers inoxydables superausténitiques.

12- Utiliser un métal d’apport surallié tel que les électrodes Sodel 3505, Sodel 3506, Sodel 3560 et Sodel 3599 pour le soudage des aciers inoxydables superausténitiques, de façon à obtenir une résistance à la corrosion satisfaisante.

Soudage des aciers à outils

moules dans l’industrie automobile

Généralités

Les aciers utilisés pour la fabrication d’outils contiennent généralement une grande quantité d’éléments d’alliage. Ces éléments d’alliage sont ajoutés pour améliorer les propriétés spécifiques à leurs conditions de travail dans les opérations de coupage, de formage, d’emboutissage, de laminage, d’extrusion ou autres.

Les principaux éléments d’alliage utilisés sont le carbone, le manganèse, le chrome, le molybdène, le tungstène, le vanadium, le silicium, le cobalt, le cuivre et le nickel.

Classification
La méthode de classification proposée par l’AISI (“American Iron and Steel Institute”) et la SAE (“Society of Automotive Engineers”) est la plus utilisée pour différencier les aciers à outils. Ce système tient compte soit du milieu de trempe de l’acier, soit de ses conditions d’utilisation. Le tableau ci-dessous présente le système de l’AISI et de la SAE.

Classe de l’acier à outilsSymboleType
Trempant à l’eauWAciers au carbone
Résistant aux chocsSAciers faiblement alliés et à teneur moyenne en carbone
Pour le travail à froidO
A
D
Aciers trempants à l’huile
Aciers moyennement alliés et trempants à l’air
Aciers à hautes teneurs en carbone et en chrome
Pour le travail à chaudHAciers au chrome, H1 à H19
Aciers au tungstène, H20 à H39
Aciers au molybdène, H40 à H59
RapideT
M
Aciers au tungstène
Aciers au molybdène
Pour les moulesPAciers faiblement alliés et à basses teneurs en carbone
Pour utilisations spécialesLAciers faiblement alliés

Cependant, la plupart des aciers à outils sont achetés selon leur nom commercial, car chaque producteur adapte la composition d’un type donné de son acier pour obtenir un produit unique et performant. Le tableau outils 1 donne les limites de composition des principaux éléments d’alliage des aciers à outils les plus communs.

Propriétés des différentes classes et utilisations typiques

Le tableau outils 2 présente de façon qualitative les principales propriétés utilisées pour effectuer la sélection d’un acier lors de la confection d’un outil. Ce tableau indique aussi l’intervalle de dureté généralement utilisé pour chaque acier.

La conductibilité thermique, la conductivité électrique ou le coefficient de dilatation thermique des aciers à outils se situent entre celles de l’acier doux et celles de l’acier inoxydable selon leur teneur en éléments d’alliage.

On retrouve quelques exemples d’utilisations typiques des différentes classes d’aciers à outils dans le tableau outils 3.

Soudabilité des aciers à outils

Préparation de la surface et des joints
Il est important de bien nettoyer la surface à souder de toute trace d’huile, de graisse, de rouille, de saleté, de solution pour l’inspection par liquide pénétrant ou de peinture à l’aide de solvants appropriés ou par meulage. Lorsque les pièces possèdent des surfaces polies, il faut les protéger avec un anti-adhérent pour éviter que les projections n’endommagent le fini de surface.

Tous les défauts ou les fissures doivent être enlevés. De plus, il est préférable de préparer les chanfreins en forme de U et d’arrondir les arrêtes pour minimiser les risques de fissuration. Pour les épaisseurs supérieures à 13 mm (½ »), l’utilisation de chanfrein en forme de U ou de J sur les deux faces minimise la quantité de métal d’apport et les tensions de retrait.

Plusieurs méthodes sont disponibles pour enlever les défauts et préparer les chanfreins. Il est possible d’usiner, de meuler ou de gouger à l’électrode (Sodel 512PLUS) les bords à souder. Le gougeage à l’électrode demeure la méthode la plus rapide mais elle peut entraîner la formation d’une mince couche durcie. Lorsqu’il y a formation d’une couche dure, cette dernière doit être enlevée par des moyens mécaniques avant le soudage. De plus, lorsque le meulage est utilisé comme moyen de préparation, il est préférable d’éliminer les traces ou les résidus de la meule avec une lime.

Enfin, l’utilisation d’un gabarit adapté à la pièce pour en inverser la courbure avant le soudage et le préchauffage permettent de réduire les risques de déformation.

Tableau outils 1 : Composition des aciers à outils

CMnCrMoWVAutres
W10,70 – 1,500,10 – 0,400,15 max0,10 max0,15 max0,10 max0,20 max Cu
S10,40 – 0,550,10 – 0,401,00 – 1,800,50 max1,50 – 3,000,15 – 0,300,15 – 1,20 Cu
S50,50 – 0,650,60 – 1,000,50 max0,20 – 1,35—-0,35 max1,75 – 2,25 Si
S70,45 – 0,550,20 – 0,903,00 – 3,501,30 – 1,80—-0,20 – 0,300,20 – 1,00 Si
010,85 – 1,001,00 – 1,400,40 – 0,60—-0,40 – 0,600,30 max
A20,95 – 1,051,00 max4,75 – 5,500,90 – 1,40—-0,15 – 0,50
A60,65 – 0,751,80 – 2,500,90 – 1,200,90 – 1,40—-—-
A72,00 – 2,850,80 – max5,00 – 5,750,90 – 1,400,50 – 1,503,90 – 5,15
D21,40 – 1,600,60 max11,00 – 13,000,70 – 1,20—-1,10 max
D42,05 – 2,400,60 max11,00 – 13,000,70 – 1,20—-1,00 max
H110,33 – 0,430,20 – 0,504,75 – 5,501,10 – 1,60—-0,30 – 0,600,80 – 1,20 Si
H120,30 – 0,400,20 – 0,504,75 – 5,501,25 – 1,751,00 – 1,700,50 max0,80 – 1,20 Si
H130,32 – 0,450,20 – 0,504,75 – 5,501,10 – 1,75—-0,80 – 1,200,80 – 1,20 Si
H210,26 – 0,360,15 – 0,403,00 – 3,75—-8,50 – 10,000,30 – 0,60
H260,45 – 0,550,15 – 0,403,75 – 4,50—-17,25 – 19,000,75 – 1,25
H420,55 – 0,700,15 – 0,403,75 – 4,504,50 – 5,505,50 – 6,751,75 – 2,20
T10,65 – 0,800,10 – 0,403,75 – 4,50—-17,25 – 18,750,90 – 1,30
T151,50 – 1,600,15 – 0,403,75 – 5,001,00 max11,75 – 13,004,50 – 5,254,75 – 5,75 Co
M20,78 – 1,050,15 – 0,403,75 – 4,504,50 – 5,505,50 – 6,751,75 – 2,20
M421,05 – 1,150,15 – 0,403,50 – 4,259,00 – 10,001,15 – 1,850,95 – 1,357,75 – 8,75 Co
P200,28 – 0,400,60 – 1,001,40 – 2,000,30 – 0,55—-—-0,20 – 0,80 Si
L60,65 – 0,750,25 – 0,800,60 – 1,200,50 max—-0,20 – 0,301,25 – 2,00 Ni

Tableau outils 2 : Propriétés des aciers à outils

Résistance à l’usureTénacitéRésistance aux températures élevéesUsinabilitéStabilité au traitement thermiqueDureté utilisée HRC
W13619158 – 65
S14857350 – 58
S52837350 – 60
S73857547 – 57
014336657 – 62
A26455957 – 62
A64546954 – 60
A79161658 – 66
D28263958 – 64
D48162658 – 64
H113967738 – 55
H123967738 – 55
H133967740 – 53
H214685540 – 55
H266485550 – 58
H426475545 – 62
T17384663 – 65
T159191664 – 68
M27384663 – 65
M428192666 – 70
P201828630 – 50
L63628645 – 62

Légende : La valeur 1 signifie que cette propriété est faible / La valeur 9 signifie que cette propriété est excellente

Tableau outils 3 : Utilisations et températures de préchauffe typiques

ClassePréchauffeUtilisations
W175 – 260°C
(350 – 500°F)
Ciseaux à froid, lames de cisaille, limes, tarauds, etc.
S230 – 370°C
(450 – 700°F)
Outils pneumatiques, marteaux, poinçons, etc.
O200 – 315°C
(400 – 600°F)
Rouleaux pour le formage à froid, poinçons et matrices pour le perçage, le découpage, etc. (utilisation générale)
A200 – 315°C (400 – 600°F)Rouleaux pour le formage à froid, poinçons et matrices pour le perçage, le découpage, etc. (moyenne série)
D315 – 480°C (600 – 900°F) Rouleaux pour le formage à froid, poinçons et matrices pour le perçage, le découpage, etc. (grande série)
H345 – 480°C (650 – 900°F) Moules pour le moulage sous pression, outils pour le formage à chaud, poinçons et matrices de forge, etc.
T & M480 – 595°C (900 – 1100°F) Outils de coupe, forets, mèches, broches, etc.
P230 – 370°C (450 – 700°F) Moules pour le plastique, etc.
L230 – 370°C (450 – 700°F) Pièces mécaniques, mandrins de forge, etc.

Préchauffage

Lors du soudage des aciers à outils, une partie de la zone affectée thermiquement a tendance à se transformer en structure fragile (martensite) causant ainsi un plus grand risque de fissuration. Cette transformation, qui survient au cours du refroidissement, est favorisée par leur forte teneur en carbone, leur teneur plus ou moins grande en éléments d’alliage et par la rapidité à laquelle la chaleur est dissipée dans la section de la pièce.

Pour éviter cette transformation, il est recommandé de préchauffer l’acier à une température se situant généralement au-dessus de la température de début de transformation de la martensite et de maintenir cette température jusqu’à ce que l’opération de soudage soit terminée. Cette préchauffe peut parfois réduire la dureté de la pièce mais elle diminue fortement les risques de fissuration.

Une bonne façon de procéder est de protéger la pièce à l’aide d’une boîte faite de briques réfractaires tout en laissant une section amovible pour atteindre la partie à souder. Le chauffage peut s’effectuer par l’insertion d’éléments chauffants dans la boîte.

Le tableau outils 3 indique les intervalles de températures généralement utilisés pour les différents types d’aciers à outils. Ces températures peuvent varier selon la complexité de la pièce et de son historique métallurgique.

Méthode de soudage

Afin de minimiser la surchauffe de la pièce, il est recommandé d’utiliser le plus petit diamètre d’électrode possible pour les premières passes qui sont en contact avec l’acier à outils. Les électrodes de 2,5 mm (3/32″) ou le procédé GTAW (TIG) conviennent très bien pour cela. De la même façon, il faut choisir la plus basse intensité de courant, tout en s’assurant d’obtenir un bon mouillage et un accrochage parfait. Il faut ainsi recouvrir toute la surface et les abords du chanfrein avant de le remplir avec des électrodes de plus grand diamètre. Il est préférable, pour minimiser la dilution et éviter de surchauffer la pièce, de ne pas balancer l’électrode en cours de soudage, de diriger l’arc dans le bain de fusion et de faire de petits cordons. Il est avantageux de marteler les cordons avec un outil à bout arrondi pendant qu’ils sont encore suffisamment chauds, soit au-dessus de 370°C (700°F).

Le martelage a pour but de déformer le cordon par des efforts de compression de manière à réduire l’effet des contraintes de retrait créées au cours du refroidissement. Il faut faire attention de ne pas utiliser un outil à bout pointu, tel que le marteau qui sert à enlever le laitier, car les empreintes en forme de piqûres qu’il laisse agissent plutôt comme des amorces de fissure.

Il est important d’amorcer l’arc dans le chanfrein pour ne pas créer de point fragile sur la pièce et de prendre soin que chacun des cratères soit refusionné. Il est possible d’utiliser une plaque d’amorçage pour éviter les coups d’arcs.

Pour la réparation d’arrête, il est conseillé de partir d’un bout pour aller vers le centre puis de partir de l’autre bout pour terminer en refusionnant le cratère de la première passe. L’utilisation de plaques de cuivre ou de graphite pour supporter le cordon facilite aussi la tâche. Cependant, il est nécessaire de préchauffer la pièce avec ces plaques pour ne pas drainer la chaleur de la pièce.

Pour la réparation de moule où la qualité du fini de surface est très importante, les dernières passes peuvent être faites avec le procédé GTAW (TIG) pour ainsi assurer une plus grande pureté du métal fondu. Il est alors recommandé de déposer au moins deux couches de métal fondu pour que la dernière soit meulée et polie selon le fini de surface de la pièce.

Lors de réparations mineures, il est important de se rappeler que la zone affectée thermiquement (ZAT), aussi mince soit-elle, aura un comportement différent de celui du reste de la pièce pendant les opérations de finition de surface comme le grenaillage ou la photogravure. La seule façon de remédier à ce problème est d’effectuer un recuit complet pour homogénéiser la structure puis de refaire un traitement thermique pour redurcir la pièce.

Il faut noter que le fait d’effectuer un traitement thermique de recuit complet à une pièce d’aciers à outils réduit considérablement les risques de fissuration mais, en même temps, ceci oblige la retrempe de la pièce et entraîne ainsi des risques de changement dimensionnel coûteux à corriger. Ces deux points sont à considérer lorsque la réparation par soudage nécessite la déposition de quantité importante de métal fondu, ce qui entraîne des changements dimensionnels ou une baisse importante de la dureté due à l’apport thermique du soudage.

Nettoyage du laitier

Le laitier sur le dépôt peut être enlevé avec des outils manuels à bouts arrondis et une brosse d’acier inoxydable. Lors du soudage en multipasses, il est essentiel d’enlever toutes les traces de laitier sur la soudure avant de refaire un cordon. Pour s’assurer que la pièce possède une dureté presque homogène et améliorer la ténacité de la pièce, il est préférable d’effectuer un recuit postsoudage à la pièce.

Postchauffage

Après le soudage, il faut laisser la pièce refroidir très lentement, de 20 à 30°C (35 à 50°F) par heure, jusqu’à environ 80°C (175°F). Ensuite, il faut la réchauffer à une température d’environ 15°C (25°F) inférieure à la température de revenu subie par la pièce lors de son traitement thermique de durcissement pour éliminer le maximum de contraintes résiduelles. Si cette dernière est inconnue, effectuer le traitement à la même température que celle utilisée pour la préchauffe. De façon générale, il faut maintenir la pièce à température pendant 60 minutes par 25 mm (1″) d’épaisseur puis laisser la pièce refroidir à l’air libre ou au four.

Métaux d’apport

Le choix du métal d’apport dépendra de plusieurs facteurs dont :

  • la possibilité de faire une préchauffe;
  • l’importance de la réparation;
  • le type de réparation à effectuer;
  • les conditions de travail de la pièce.

De façon générale, le ou les métaux d’apport choisis doivent permettre à la pièce de résister aux différentes contraintes rencontrées en service.

Si la pièce doit subir un traitement thermique de durcissement ou un traitement de surface (grenaillage, photogravure, etc.) ou que la partie réparée doit s’user de la même façon que le reste de la pièce, il faut obtenir une structure homogène et choisir un métal d’apport possédant des caractéristiques similaires à l’acier de la pièce (Sodel H13, Sodel O1, Sodel P20, etc.).

Lorsque la pièce ne peut pas être préchauffée, il faut utiliser un métal d’apport qui réduit au maximum les risques de fissuration, comme la Sodel 335, pour effectuer les premières passes. Une fois que le chanfrein et ses abords sont bien recouverts, le soudage se poursuit avec l’électrode appropriée.

Pour l’assemblage de deux parties d’une pièce, il est préférable d’utiliser un métal d’apport possédant une grande résistance à la fissuration, une bonne résistance mécanique et une bonne ductilité comme la Sodel 335. Pour ce type de réparation, il est important de laisser suffisamment d’espace pour déposer deux à trois couches d’un métal d’apport possédant des caractéristiques au moins équivalentes à celles de l’acier de base. Dans plusieurs situations, l’utilisation d’un métal d’apport comme la Sodel 245, qui est plus résistante que l’acier de base, permet de compenser la différence entre l’acier de base et le métal d’apport utilisé comme sous-couche ou pour l’assemblage.

Pour certaines réparations, il est possible de créer un outil composite. L’outil est d’abord fabriqué dans un morceau d’acier faiblement allié que l’on peut durcir par traitement thermique. Les parties de l’outil qui sont soumises à des contraintes particulières sont recouvertes d’une sous couche de Sodel 335 et de deux ou trois couches d’un acier à outils pouvant résister à ces contraintes (Sodel 245, Sodel H13, Sodel O1, Sodel P20, etc.).

Pour les pièces travaillant à des températures élevées, il peut être avantageux d’utiliser la Sodel 3500 comme sous couche à la place de la Sodel 335. Consulter le Service Technique Sodel pour vérifier quel produit utiliser selon l’utilisation.

Finalement, comme dans presque tous les cas de réparation, il est très important de bien cerner le type de contrainte que subit l’outil pour effectuer le meilleur choix possible.

CONSEILS PRATIQUES LORS DU SOUDAGE DES ACIERS À OUTILS

  • Bien nettoyer la surface à souder de toute trace de graisse ou d’oxyde.
  • Protégez les surfaces polies avec un anti-adhérent pour éviter que les projections n’endommagent le fini de surface.
  • Préchauffez selon le tableau outils 3 et maintenir cette température jusqu’à ce que l’opération de soudage soit terminée.
  • Lorsqu’il n’est pas possible de préchauffer, utilisez la Sodel 335 pour effectuer les premières passes.
  • Utilisez le plus petit diamètre d’électrode et la plus basse intensité de courant recommandée pour les premières passes qui sont en contact avec l’acier à outils.
  • Utilisez toujours des électrodes parfaitement sèches.
  • Le laitier doit être enlevé complètement après chaque cordon lors du soudage en multipasses.
  • Pour la réparation d’arrête, utilisez des plaques de cuivre ou de graphite pour supporter le cordon.
  • Pour l’assemblage de deux parties d’une pièce, utilisez la Sodel 335 car elle possède une grande résistance à la fissuration, une bonne résistance mécanique et une bonne ductilité, puis terminez avec la Sodel 243, Sodel 245 pour donner une bonne résistance à l’usure à la surface de la pièce.
  • Après le soudage, laissez la pièce refroidir très lentement, puis la réchauffer à une température d’environ 15°C (25°F) intérieure à la température de revenu initiale pour éliminer le maximum de contraintes résiduelles.

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PARTIE 2 : LA SOUDABILITÉ DES ALLIAGES D’ALUMINIUM

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Soudabilité des alliages d’aluminium

Les différentes séries d’alliage sont toutes soudables, mais certaines nuances de la série 7XXX sont plus difficilement soudables de par leur grande sensibilité à la fissuration. La soudabilité opératoire de l’aluminium est généralement bonne. Cependant, il faut prendre certaines précautions lors du soudage de l’aluminium.

Les familles d’alliages qui se soudent le plus facilement sont les séries 1XXX, 3XXX et 5XXX qui n’ont pas été traitées thermiquement. La série 6XXX peut aussi être soudée facilement, mais le soudage provoque une baisse des propriétés mécaniques.

Les alliages à résistance élevée des séries 2XXX et 4XXX sont soudables, mais il faut prendre des précautions particulières. À l’intérieur de la famille 7XXX, seulement les alliages 7039 et 7005 sont soudables. De plus, les soudures vieillissent naturellement et retrouvent 70 à 90% de leur résistance mécanique antérieure à l’intérieur de 30 à 90 jours suivant le soudage.

Soudabilité globale

La chaleur nécessaire pour fusionner le métal de base lors du soudage abaisse la résistance mécanique à l’intérieur de la zone affectée thermiquement en provoquant un recuit. Dans le cas d’un alliage ayant été écroui pour obtenir ses propriétés mécaniques, il n’est pas possible de régénérer les propriétés de cette zone par un traitement thermique.

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Soudabilité opératoire

La couche d’alumine (Al2O3) recouvrant l’aluminium et ses alliages est de l’ordre de 0,01 mm (0,0004 po) et a tendance à s’accroître avec la température. Cette mince couche est isolante thermiquement et électriquement en plus d’être insoluble dans le métal liquide. Elle est également de densité moindre et c’est pour cette raison que lors de la fusion du métal, elle demeure sur le dessus du bain de fusion.

Pour souder l’aluminium, il faut donc éliminer cette couche néfaste au soudage, soit par des moyens mécaniques, tels que la meule et la brosse d’acier inoxydable, soit par des moyens chimiques comme les solutions fortement alcalines.

Lors du soudage au gaz (Sodel 480) ou à l’électrode enrobée (Sodel 118), le décapant (flux) contenu dans la baguette ou le laitier provenant de la fusion de l’enrobage empêche la couche d’oxyde de se reformer. De même, avec les procédés de soudage GTAW (TIG) ou GMAW (MIG), la protection gazeuse utilisée protège le bain de fusion de la contamination de l’air et aide à minimiser la formation de la couche d’oxyde. De plus, lors du soudage au GTAW (TIG), l’utilisation du courant alternatif brise la couche d’oxyde qui se reforme à haute température.

Une autre difficulté lorsqu’on soude l’aluminium est due à sa grande conductibilité thermique. Pour contrer les pertes de chaleur par le phénomène de diffusion thermique, il est souvent nécessaire de préchauffer les parties à joindre entre 200 et 260/C (400 et 500/F). Le préchauffage stabilise l’arc de soudage en le rendant moins erratique en plus de favoriser une bonne pénétration. Lorsqu’il s’agit de pièces en aluminium traitables thermiquement ou sujettes au vieillissement, il est important de connaître les conséquences du préchauffage sur les propriétés mécaniques de l’alliage en cause. Parfois une température trop élevée provoque une baisse de certaines propriétés mécaniques ou une fragilisation.

Soudabilité métallurgique

Le soudage des alliages d’aluminium peut entraîner une baisse de la résistance mécanique du métal de base s’il est écroui, et ce partout où la température atteinte à l’intérieur de la pièce est supérieure à 350/C (660/F) lors du soudage. Il est impossible de régénérer les propriétés mécaniques qui ont été obtenues par écrouissage avec un traitement thermique après le soudage. Selon l’application, il est important de tenir compte de cette perte de résistance dans la ZAT.

Si l’alliage a subi un ou des traitements thermiques avant le soudage, il faut tenir compte que le soudage fera disparaître tous les effets des traitements thermiques précédents. Plus la zone affectée est grande, plus la diminution des propriétés mécaniques a un effet néfaste sur la performance de la pièce lorsque mise en service. Cependant une faible zone a des effets limités sur la baisse des propriétés mécaniques. C’est pourquoi, il est important de toujours restreindre au minimum la largeur de la zone affectée thermiquement.

Généralement dans le cas d’un alliage d’aluminium qui a été durci par précipitation, même si en pratique c’est difficilement réalisable, il est préférable de suivre dans l’ordre l’une ou l’autre des méthodes suivantes;

-homogénéisation                             -soudage d’un alliage déjà mis en solution

-Soudage                          ou               (exemple condition T4)

-mise en solution                              -Vieillissement

-Vieillissement

Métaux d’apport

Le choix du métal d’apport est surtout fonction de la soudabilité, des propriétés mécaniques désirées ou de la résistance à la corrosion.

Pour minimiser la fissuration à chaud, on utilise la Sodel 118 pour le soudage à l’électrode enrobée ou la Sodel 480 au chalumeau. La teneur élevée en silicium de cette électrode et cette baguette offre un bon pouvoir désoxydant en plus d’abaisser la température de fusion du métal d’apport. De plus, la faible teneur en magnésium de ces produits diminue également les risques de fissuration à chaud.

CONSEILS PRATIQUES LORS DU SOUDAGE DE L’ALUMINIUM

1- Dans le cas des alliages traités thermiquement :
– Choisir un alliage qui est le moins affecté par le cycle thermique de soudage.
– Concevoir les assemblages de telle sorte que le joint soudé soit situé dans un endroit moins sollicité.
– Utiliser un cycle de soudage aussi bref que possible.

2- Les alliages aluminium – cuivre (série 2XXX), sont très susceptibles aux effondrements du bain de fusion. Pour minimiser les risques, il faut passer l’intervalle de solidification rapidement.

3- Si la température du métal de base dépasse 350/C (660/F), il y a recristallisation de la zone écrouie entraînant une baisse de la résistance mécanique.

4- Lors du soudage, il peut se produire un recuit qui fait disparaître tous les effets des traitements thermiques antérieurs.

5- La sensibilité à la fissuration à chaud est plus grande si le bain de fusion contient entre 0,5% et 1,5% de silicium et / ou entre 0,5% à 2,5% de magnésium.

6- Les alliages aluminium – magnésium (série 6XXX) sont les plus résistants à la corrosion atmosphérique. Cependant, ils sont anodiques par rapport à plusieurs alliages non-traités thermiquement et peuvent se corroder lorsque joints à ces derniers.

7- L’utilisation d’un métal d’apport contenant du silicium (exemple 4043), pour le soudage d’un alliage sans silicium, entraîne un noircissement de la soudure lors d’un traitement d’anodisation postsoudage.

8- Une bonne préparation du joint assure une bonne pénétration et de bonnes propriétés mécaniques (voir le paragraphe sur la Soudabilité opératoire).

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PARTIE 1 : LES TYPES D’ALUMINIUM ET LEURS CARACTÉRISTIQUES

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Généralités

En raison de la couche d’oxyde réfractaire (alumine) qui le recouvre, l’aluminium était jadis considéré non soudable. Peu après, l’utilisation d’un décapant (flux) permettant d’éliminer l’alumine permit le soudage au gaz des alliages d’aluminium. Grâce au décapage électronique, il est maintenant possible de souder l’aluminium au GTAW et même à l’électrode enrobée. De nos jours, l’aluminium se soude facilement et il est facile de faire un dépôt de qualité ayant une belle apparence avec les procédés SMAW, OAW, GTAW et GMAW.

Classification

Il existe différents alliages d’aluminium. Ils sont généralement classés selon « l’Aluminum Association Alloy Number” pour les alliages de corroyage. C’est une désignation de quatre chiffres :

XXXX                série d’alliage (voir ci-dessous) basée sur l’élément majeur de l’alliage,

XXXX                si différent de 0, dénote une modification dans l’alliage de base;

XXXX                dans la série 1XXX, indique la pureté de l’aluminium et pour les séries                                   2XXX à 8XXX désigne un alliage spécifique de la série.

Exemple                                         Série d’alliage                                    Élément majeur

1100                                                       1XXX                                              Al – 99% et plus

2219                                                       2XXX                                             Cuivre (Cu)

3003                                                       3XXX                                             Manganèse (Mn)

4043                                                       4XXX                                             Silicium (Si)

5356                                                       5XXX                                             Magnésium (Mg)

6061                                                       6XXX                                             Mg + Si

7005                                                       7XXX                                             Zinc (Zn)

8006                                                       8XXX                                             Autres éléments

Les séries 1XXX, 3XXX, 4XXX, 5XXX et quelques alliages de la série 8XXX ne sont pas traitables thermiquement, c’est-à-dire qu’on ne peut pas changer de façon significative leurs propriétés mécaniques par des traitements thermiques. Cependant, les séries 2XXX, 6XXX, 7XXX et certains alliages de la série 8XXX sont traitables thermiquement. On peut modifier leurs propriétés mécaniques par des traitements thermiques parce qu’ils contiennent certains éléments d’alliage qui peuvent se dissoudre à l’intérieur de l’alliage à haute température et précipiter par la suite, de façon naturelle ou artificielle, pour améliorer les propriétés mécaniques.

Utilisations typiques

Les alliages de la série 1XXX sont souvent utilisés en raison de leur bonne conductibilité thermique et électrique. Ainsi, ils se retrouvent dans la fabrication des câbles aériens (exemple 1350), les échangeurs de chaleur et les casseroles (exemple 1050).

La série 2XXX est constituée des alliages aluminium – cuivre que l’on retrouve surtout dans le domaine aéronautique ou dans les transports civils et militaires en raison de leurs propriétés mécaniques élevées et de leur bonne usinabilité (exemple 2017).

Les alliages aluminium – manganèse de la série 3XXX sont utilisés pour leur résistance à la corrosion, leur soudabilité et leur aptitude au formage. On les retrouve dans la fabrication des tôles de toiture, les réservoirs d’entreposage et les chaudrons (exemple 3003).

Pour les pièces de moteur et les blocs moteurs , on utilise les alliages aluminium – silicium de la série 4XXX. Ils ont une très bonne coulabilité en plus de bien se comporter au forgeage (exemple 4356).

En raison de leur grande soudabilité, de leur résistance à la corrosion et de leurs propriétés mécaniques élevées, les alliages aluminium – magnésium de la série 5XXX sont utilisés dans la fabrication des bennes de camion, des couvercles pour boissons gazeuses et des bouteilles de plongée (exemple 5356).

La série 6XXX est constituée des alliages aluminium – magnésium – silicium, qui sont utilisés dans la fabrication de caravane de camping, de lampadaires, de boîtes de camions et pour certaines applications marines (exemple 6061).

En ce qui concerne les alliages aluminium – zinc de la série 7XXX, ceux-ci sont employés pour des applications particulières, tel que l’alliage 7020 qui est utilisé pour la construction du premier et deuxième étage de la fusée Ariane. Ce sont les alliages les plus complets. Ils sont résistants à la corrosion et possèdent une bonne coulabilité, une bonne usinabilité et de bonnes propriétés mécaniques en raison de leur teneur en zinc. On les utilise même pour fabriquer les plaques de blindage de certains avions militaires (exemple 7075).

Désignation des états métallurgiques

La désignation de l’état métallurgique est séparée par un tiret à la suite de celle de l’alliage. Cette désignation (“Aluminum Association Temper Designation System”) est utilisée pour l’aluminium et ses alliages coulés ou corroyés. Elle tient compte des diverses séquences de traitements effectués pour obtenir les caractéristiques métallurgiques désirées.

Elle est constituée d’une lettre caractérisant l’état de base et, pour les états écrouis ou traités thermiquement, elle est complétée par un ou plusieurs chiffres.

On retrouve les quatre états de base suivants :

– F, Brut de fabrication. Ce sont les matériaux dont l’état physique n’est pas contrôlé lors du processus de fabrication. Il n’y a pas d’exigences spécifiques pour les propriétés mécaniques de ces matériaux.

– O, Recuit. Caractérise un matériau dont la ductilité et la stabilité dimensionnelle sont préférées à la dureté et la résistance mécanique. C’est l’état le moins dur et le moins résistant des alliages corroyés.

– H, Écroui. Ce sont les alliages dont les propriétés mécaniques ont été améliorées par écrouissage à froid avec ou sans traitements thermiques. Le symbole H est toujours suivi par deux chiffres et plus. Le premier chiffre définit une suite d’opérations bien établie.

   – H1X, Écroui par déformation à froid et s’applique aux produits dont les propriétés            mécaniques sont obtenues seulement par écrouissage. Le deuxième chiffre définit le          taux d’écrouissage : 1 étant le plus faible, 8 le plus élevé et 9 s’applique pour les                  matériaux ultra-durs (ultra-écrouis).
– H2X, Écroui et partiellement recuit. Produits durcis à un niveau élevé par écrouissage,      puis restaurés partiellement par un recuit jusqu’à l’obtention des propriétés désirées.        Le taux d’écrouissage résiduel est caractérisé de la même façon que H1X, par un                second chiffre.
– H3X, Écroui et stabilisé. S’applique aux alliages contenant du magnésium et dont les          propriétés mécaniques ont été stabilisées lors d’un traitement thermique à basse                température. Le taux d’écrouissage résiduel est désigné de la même façon que dans les      cas précédents.

– T, Traité thermiquement. Produit ayant subi différents traitements thermiques avec ou sans durcissement par écrouissage pour obtenir un état stable autre que F, O et H. Le symbole T est suivi d’un chiffre entre 2 et 10 inclusivement qui détermine la série de traitements thermomécaniques à laquelle a été soumis l’alliage.

-T1   Formage à chaud et vieillissement naturel

-T2   Formage à chaud, écrouissage et vieillissement naturel

-T3   Mise en solution, écrouissage et vieillissement naturel

-T4   Mise en solution et vieillissement naturel

-T5   Formage à chaud et vieillissement artificiel

-T6   Mise en solution et vieillissement artificiel

-T7   Mise en solution et survieillissement ou stabilisation

-T8   Mise en solution, écrouissage et vieillissement artificiel

-T9   Mise en solution, vieillissement artificiel et écrouissage

-T10 Formage à chaud, écrouissage et vieillissement artificiel

Propriétés physiques des alliages d’aluminium

Capacité thermique
La capacité thermique de l’aluminium, soit la quantité de chaleur nécessaire pour élever un gramme d’aluminium de 1/C, est deux fois plus élevée que celle du fer. C’est pourquoi il faut plus de chaleur ou d’énergie pour élever la température de l’aluminium comparativement au soudage de l’acier.

Coefficient de dilatation thermique
Il est environ le double de celui de l’acier. Par contre la déformation de l’acier est du même ordre que celle de l’aluminium en raison de la température de fusion de l’aluminium qui est environ la moitié de celle de l’acier soit 660/C (1220/F) contre 1540/C (2800/F) pour le fer.

Conductibilité thermique
L’aluminium est trois à cinq fois plus conducteur que l’acier. C’est pourquoi la chaleur se dissipe très rapidement dans les parties adjacentes à la soudure. Il faut donc fournir plus de chaleur en raison de la capacité thermique, mais aussi la fournir rapidement pour minimiser les pertes de chaleur de chaque côté de la soudure.

Intervalle de solidification
Certains alliages ont un intervalle de solidification élevé, comme les alliages aluminium – cuivre qui ont un intervalle de 60/C (140/F). À l’intérieur de cet intervalle, l’alliage est encore liquide et ne possède aucune résistance mécanique. Il est nécessaire de passer cet intervalle le plus rapidement possible pour éviter l’effondrement du bain de fusion à l’intérieur de cette zone.

Prochaine partie (2) : La soudabilité des alliages d’aluminium (11 novembre)

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Partie 3 : Méthode de soudage des fontes

Afin de minimiser la surchauffe de la pièce, il est recommandé d’utiliser le plus petit diamètre d’électrode possible pour les premières passes qui sont en contact avec la fonte. Les électrodes de 2,5 mm (3/32″) conviennent très bien pour cela. De la même façon, il faut choisir la plus basse intensité de courant, tout en s’assurant d’obtenir un bon mouillage et un accrochage parfait. L’accrochage est souvent plus facile en courant alternatif. Il est préférable de s’abstenir d’osciller l’électrode en cours de soudage, de diriger l’arc dans le bain de fusion pour minimiser la dilution et de faire des cordons d’au plus 20 à 50 mm (¾ » à 2″) de long. Il est avantageux de marteler les cordons avec un outil au bout arrondi pendant qu’ils sont encore suffisamment chauds, soit au-dessus de 540°C (1000°F).

Le martelage a pour but de déformer le cordon par des efforts de compression de manière à réduire l’effet des contraintes de retrait qui se créent au cours du refroidissement. Il faut faire attention de ne pas utiliser un outil à bout pointu tel que le marteau qui sert à enlever le laitier, car les empreintes en forme de piqûres qu’il laisse sont des amorces de fissure. Si le métal déposé contient des porosités, cela signifie que le métal de base est contaminé ou imprégné de sable. Il faut alors enlever le cordon avec un ciseau à froid puis sceller cette partie de la pièce avec une électrode à âme d’acier conçue pour la fonte (Sodel 352) avant de continuer le soudage.

Il est important d’amorcer l’arc dans le chanfrein pour ne pas créer de point fragile sur la pièce. Pour minimiser l’effet de surchauffe locale, il est préférable d’espacer les cordons successifs sur toute la surface du chanfrein en prenant soin de toujours déposer les cordons dans la même direction, de s’assurer que la fin des cordons ne soient pas alignés pour ne pas former un plan de ruptures et de prendre soin que chacun des cratères soit rempli.

Il est parfois préférable, surtout pour les pièces épaisses, de beurrer les faces du chanfrein avec une électrode de type nickel (Sodel Ni99, Sodel 355) avant de compléter le remplissage avec une électrode de type ferronickel (Sodel Ni60, Sodel 35, Sodel Cu89). De cette façon, le métal déposé par beurrage absorbe une partie des contraintes en se déformant facilement, ce qui diminue les risques de fissuration.

Il est recommandé de ne pas utiliser les électrodes de type nickel (Sodel Ni99, Sodel 355) lorsque plus de trois couches sont requises à cause de la susceptibilité à la fissuration à chaud des dépôts à très hautes teneurs en nickel. Il est préférable de compléter le remplissage avec une électrode de type ferronickel (Sodel Ni60, Sodel 35, Sodel Cu89) ou d’alterner l’électrode de type nickel avec celle de type ferronickel.

Le soudage s’effectue toujours en commençant par les parties les plus bridées pour se diriger vers celles qui sont moins bridées. Le schéma fonte ci-dessous illustre le principe.

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Lors du remplacement d’une partie de la pièce par une plaque d’acier, il est préférable de percer un trou au centre de la plaque, de la segmenter en quatre parties et de joindre les quarts à la pièce avant de les souder ensemble selon la séquence indiquée au schéma fonte 6. Il demeure important de minimiser l’échauffement selon la méthode décrite au début de la section Méthode de soudage.

Les trous empêchant la propagation des fissures sont remplis à la toute fin du soudage.

Lorsque l’épaisseur de la pièce nécessite un remplissage en plusieurs passes superposées, cette superposition est réalisée dès le début en progressant avec la pleine section du chanfrein de façon à laisser tout le jeu possible à la fissure au cours du soudage (voir schéma plus bas).

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Si la méthode du soudage à chaud est utilisée, la longueur des cordons peut aller jusqu’à 75 – 125 mm (3″ – 5″). Par la suite, la méthode de soudage demeure la même à l’exception du refroidissement qui doit être le plus lent possible, soit au maximum 15 – 30°C / heure (30 à 55°F / heure) en utilisant par exemple des couvertures isolantes.

Avec le soudage à chaud, il est possible d’utiliser une baguette pour le soudage oxyacéthylénique qui dépose de la fonte grise (Sodel 65FC). De cette façon, le métal déposé possède une structure métallurgique et une couleur similaire à celles de la pièce.

Il faut cependant opter pour des températures de préchauffe élevées, soit 540 à 650°C (1000 à 1200 °F), utiliser des angles de chanfrein plus ouverts, même jusqu’à 120°, et bien arrondir les arrêtes et le fond du joint.

La température interpasse ne doit pas baisser sous 315°C (600°F) et il faut faire attention de ne pas surchauffer la pièce au-dessus de 675°C (1250°F).

La flamme utilisée doit être neutre ou légèrement carburante.

On forme d’abord un bain de fusion d’environ 25 mm (1″) dans le fond du chanfrein en conservant le dard du chalumeau à 3 – 6 mm (1/8″ – ¼ ») de la surface. Ensuite, on dirige graduellement la flamme d’une face à l’autre jusqu’à ce qu’elles fondent dans le bain de fusion. À ce moment, la flamme est dirigée vers la baguette pour ainsi ajouter le métal d’apport au bain de fusion. L’épaisseur de chaque passe ne devrait pas dépasser 10 mm (3/8″).

Nettoyage du laitier

Le laitier sur le dépôt peut être enlevé avec des outils manuels et une brosse d’acier inoxydable. Lors du soudage en multipasses, il est essentiel d’enlever toutes les traces de laitier sur la soudure avant de refaire un cordon.

Postchauffage
Il est possible de faire un recuit postsoudage pour :

– améliorer la ductilité de la zone affectée thermiquement;
– améliorer l’usinabilité du dépôt et de la zone affectée thermiquement;
– relâcher les contraintes résiduelles.

La température, le temps de maintien et le taux de chauffage et de refroidissement varient selon le type de fonte et sa teneur en éléments d’alliage. Le fabricant demeure la meilleure personne à contacter pour le choix du cycle thermique. De façon générale, pour la fonte grise non alliée, un recuit à 500°C (900°F) suivi d’un refroidissement à l’air libre réduit les contraintes résiduelles de 30% alors qu’un recuit à 600°C (1100°F) les réduit de 50%. Pour les éliminer presque totalement, il faut :

– monter jusqu’à 900°C (1650°F);
– maintenir la pièce à cette température pendant 60 minutes par 25 mm (1″) d’épaisseur;
– refroidir à l’air libre.

Pour la fonte ductile, le cycle qui confère le maximum de ductilité à la pièce consiste à :

– chauffer à 900 – 950°C (1650 – 1750°F) pour 1 heure plus 1 heure par 25 mm (1″) d’épaisseur;
– refroidir au four jusqu’à 690°C (1275°F);
– maintenir à cette température pour 5 heures plus 1 heure par 25 mm (1″) d’épaisseur;
– refroidir au four jusqu’à 345°C (650°F) à raison de 55°C / heure (100°F /heure);
– laisser refroidir à l’air libre.

Pour la fonte ductile, le cycle qui confère le maximum de ductilité à la pièce consiste à :

– chauffer à 900 – 950°C (1650 – 1750°F) pour 1 heure plus 1 heure par 25 mm (1 ») d’épaisseur;

-refroidir au four jusqu’à 690°C (1275°F);

-maintenir à cette température pour 5 heures plus 1 heure par 25 mm (1 ») d’épaisseur;

-refroidir au four jusqu’à 345°C (650°F) à raison de 55°C / heure (100°F / heure);

-laisser refroidir à l’air libre

CONSEILS PRATIQUES
LORS DU SOUDAGE DE LA FONTE

1- Pour nettoyer la fonte de la présence de graisse ou d’autres contaminants, chauffer les pièces de fonte entre 370 et 540°C (700 et 1000°F) jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de volatilisation (environ 1 heure). Référez-vous à la section Préparation de la surface et des joints.

2- S’il y a présence de fissures sur la pièce avant le soudage, bloquer leur propagation en perforant un trou dans leur prolongement à environ 10 mm (d ») de leur fin apparente.

3- Pour minimiser les risques de fissuration lors du soudage, préférer les préparations en U et arrondir les arrêtes.

4- Pour détecter la présence d’une zone durcie, utiliser une perceuse afin de voir si la mèche est capable de pénétrer la pièce.

5- Lorsqu’une couche dure (zone de trempe) est présente dans le joint, il faut enlever cette couche avant le soudage.

6- Éliminer les traces de meulage trop prononcées à l’aide d’un burin ou d’une lime avant le soudage.

7- Pour améliorer la résistance mécanique du joint, introduire des goujons dans la surface du chanfrein voir schéma.

8- Il est possible de souder les fontes sans préchauffage, voir la section Préchauffage.

9- L’utilisation du courant alternatif pour le soudage de la fonte permet un très bon accrochage.

10- Pour limiter l’apport thermique, faire des cordons d’une longueur d’environ 25 mm (1″) et les déposer l’un après l’autre de façon aléatoire et discontinue.

11- Le beurrage des pièces à l’aide d’une électrode de nickel avant le soudage aide à réduire les risques de fissuration en réduisant les contraintes à l’intérieur de la fonte.

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Partie 2 : Soudabilité des fontes

Préparation de la surface et des joints

Il est important de bien nettoyer la surface à souder de toute trace d’huile, de graisse, de rouille, de saleté, de solution pour l’inspection par liquide pénétrant ou peinture à l’aide de solvants appropriés. De par sa nature poreuse, la fonte a tendance à s’imprégner de ces contaminants et il faut alors la chauffer entre 370 et 540/C (700 et 1000°F) pour environ une heure ou jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de volatilisation. Il faut faire attention de ne pas créer de surchauffe locale et de ne pas chauffer ou refroidir trop rapidement la pièce pour éviter les risques de fissuration (voir l’article sur le préchauffage (partie 3)).

Tous les défauts ou fissures doivent être enlevés. Pour éviter la propagation des fissures lors de la préparation ou du soudage, il est recommandé de les bloquer en perforant un trou dans leur prolongement à environ 10 mm (d ») de leur fin apparente. Ce trou est de 6 mm (¼ ») de diamètre pour les faibles épaisseurs et son diamètre augmente lorsque la section de la pièce est plus grande. Si l’équipement disponible ne permet pas le perçage d’un trou, il est possible de souder perpendiculairement la fissure avec un cordon de 20 à 40 mm (1″ à 1½ ») de long à chacune de ses extrémités. Si ce cordon fissure dû aux tensions lors du soudage, il faut localiser la fin de la nouvelle fissure et répéter l’opération.

Si la pièce à déjà été soudée auparavant, il faut vérifier s’il y a une zone durcie près du cordon. Une méthode rapide et efficace pour détecter la présence d’une couche dure est d’utiliser une perceuse et de voir si la mèche est capable de pénétrer la pièce. Toute zone durcie doit être enlevée avant le soudage.

Les fontes étant fragiles, il est préférable de préparer les chanfreins en forme de U et d’arrondir les arrêtes. De plus, lorsque des produits d’apport à base de nickel sont utilisés, les angles de chanfrein doivent être environ 30% plus ouverts que pour l’acier et les méplats à la racine du joint plus minces pour assurer une pénétration complète. Pour les épaisseurs supérieures à 13 mm (½ »), l’utilisation de chanfrein en forme de U ou de J sur les deux faces minimise la quantité de métal d’apport et les tensions de retrait.

Pour les fontes grises possédant une charge de rupture inférieure à 275 MPa (40 000 psi), il est possible de chanfreiner seulement les deux tiers de l’épaisseur des pièces ayant plus de 13 mm (½ ») de section lorsque des électrodes de type ferronickel (Sodel Ni-60, Sodel 35, Sodel Cu89) sont utilisées pour le soudage.

Plusieurs méthodes sont disponibles pour enlever les défauts, les fissures, la couche de calamine ou d’oxyde et préparer les chanfreins. Il est possible d’usiner, de meuler, de ciseler ou de gouger à l’électrode (Sodel 512PLUS) les bords à souder. Le gougeage à l’électrode demeure la méthode la plus rapide mais elle peut entraîner la formation d’une mince couche durcie. Lorsqu’il y a formation d’une couche dure, cette dernière doit être enlevée par des moyens mécaniques avant le soudage. De plus, lorsque le meulage est utilisé comme moyen de préparation, il est préférable d’éliminer les traces ou les résidus de la meule avec une lime ou un ciseau à froid.

Si la pièce est trop fissurée, il est possible d’enlever une partie de celle-ci et de la remplacer par une plaque d’acier doux. Pour minimiser les risques de fissuration, il est important de bien arrondir les coins de la plaque. Étant donné la grande résistance mécanique de l’acier doux, l’épaisseur de la plaque peut être jusqu’à 33% inférieure à celle de la section de la pièce pour les fontes grises possédant une charge de rupture inférieure à 275 MPa (40 000 psi).

Pour les pièces de section importante, il est possible de minimiser la fragilité de la zone affectée thermiquement en gougeant des cannelures dans la face du joint (voir schéma plus bas). Ces cannelures sont remplies avec le métal d’apport sélectionné, puis les faces sont beurrées et finalement, le soudage des faces est effectué. Le soudage doit être effectué selon la méthode décrite plus bas. Cette méthode empêche la formation de plans de faiblesse continus dans la zone affectée thermiquement, ce qui minimise la propagation des fissures qui peuvent se créer en service ou lors du retrait du métal déposé durant le refroidissement.

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Une autre méthode pour renforcer le joint consiste à introduire des goujons dans la surface du chanfrein (voir schéma plus bas). Lorsque les goujons sont en acier, le nombre de goujons sera tel que leur surface représente environ 30% de la section de la pièce à l’endroit où est la rupture.

Les goujons sont vissés ou pressés, dans les trous préalablement percés, jusqu’à une profondeur au moins égale au diamètre du goujon.

De plus, il est recommandé de ne pas insérer tous les goujons à la même profondeur et de ne pas les mettre vis-à-vis l’un de l’autre. Il faut laisser les goujons dépasser de 3 à 5 mm (c » à 3/16″) au-dessus de la face du chanfrein pour qu’ils se

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 marient bien au métal déposé. Les goujons sont par la suite soudés en place puis les surfaces du

chanfrein sont beurrées et enfin, on procède au soudage des faces entre elles. Cette méthode permet de lier le métal déposé à la partie de la pièce qui n’a pas été influencée thermiquement.

Préchauffage
Lors du soudage des fontes grise, malléable, ductile ou à graphite compacté, une partie de la zone affectée thermiquement a tendance à se transformer en fonte blanche ou en structures fragiles. Cette transformation, qui survient au cours du refroidissement, est favorisée par leur forte teneur en carbone, leur teneur plus ou moins grande en éléments d’alliage et par la rapidité à laquelle la chaleur est dissipée dans la section de la pièce.

Pour éviter que la chaleur se dissipe trop rapidement dans la pièce, il est possible de la préchauffer entre 315 et 650°C (600 et 1200°F). Il faut cependant qu’elle soit à l’abri de tout courant d’air pour éviter les problèmes de fissuration. De plus, il n’est pas toujours possible de préchauffer la pièce à cause de sa taille ou des équipements qui s’y rattachent.

Pour toutes ces raisons, il est généralement préférable d’utiliser la méthode du soudage à froid. Avec cette méthode, la pièce n’est pas préchauffée en autant qu’elle soit à la température ambiante, 20°C (68°F). De plus, l’écart de température entre la soudure et le métal de base est limité à environ 50°C (90°F) de façon à ce que le soudeur puisse garder sa main nue en contact prolongé avec les parties voisines de la soudure. Autrement dit, pour une pièce qui est à 20°C (68°F), la température de la région voisine de la soudure ne devrait pas dépasser 70°C (158°F).

Il peut arriver que même si la méthode du soudage à froid est utilisée, il soit avantageux de préchauffer certaines parties de la pièce. Ceci peut permettre au joint de s’ouvrir lorsque l’on chauffe ces parties pour être ensuite soumis à des efforts de compression lors du refroidissement, ce qui diminue l’importance des contraintes de retrait. Le schéma suivant illustre bien ce phénomène :

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Prochaine partie (3) : Méthode de soudage (15 octobre)

Partie 1 : Fonte

Les fontes sont essentiellement des alliages de fer et de carbone contenant aussi d’autres éléments tels que du silicium, du manganèse, du soufre et du phosphore. Elles sont parfois alliées avec du chrome, du nickel, du cuivre, du molybdène, du vanadium ou d’autres éléments pour augmenter leur résistance à l’usure, à la corrosion ou aux hautes températures.

Contrairement à la plupart des métaux, les fontes ne sont pas classées selon leur composition chimique mais plutôt selon leur microstructure. La microstructure d’une fonte se présente sous forme de particules de graphite ou de carbure entourées d’une matrice d’acier qui peut être ferritique, perlitique, austénitique ou martensitique selon les éléments d’alliage, le taux de refroidissement et les traitements thermiques reçus. Nous pouvons donc distinguer plusieurs types de fonte :

Fonte blanche
Elle se nomme ainsi de par l’aspect blanc de sa cassure. Le carbone demeure lié au fer pour former des carbures lors de la solidification. La présence de ces carbures lui confère une très grande dureté mais aussi une grande fragilité. Cette dureté en fait un matériau idéal pour les applications nécessitant une grande résistance à l’usure comme des boulets de broyeurs, des matrices d’emboutissage ou des buses d’extrusion.

Fonte grise
Elle se nomme ainsi de par l’aspect gris de sa cassure. Le carbone précipite sous forme de lamelles de graphite (voir schéma plus bas). Les lamelles de graphite agissent comme des faiblesses qui facilitent la propagation d’une fissure à l’intérieur du matériau et diminuent sa résistance à la traction.

Cependant, ces mêmes lamelles lui confèrent une très bonne capacité d’absorption des vibrations et une bonne conductibilité thermique. Cette fonte est très commune car elle possède une bonne coulabilité et elle est facile à usiner car les lamelles de graphite agissent comme lubrifiant. Elle est utilisée pour la fabrication des pièces de transmission, des bouches d’incendie, des boîtiers, des blocs moteurs, des contrepoids ou des bases de machine.

Fonte malléable
Cette fonte est obtenue par le recuit d’une fonte blanche selon un cycle déterminé de température et de temps de maintien. Ce recuit permet la décomposition des carbures en nodules de graphite déchiquetés aussi appelés carbone de recuit (voir schéma plus bas). Ces nodules sont cependant moins compacts que ceux de la fonte ductile. Il existe deux types de fonte malléable, la plus commune est celle dite à “coeur noir” et est obtenue par le procédé décrit plus haut. L’autre type, qui se retrouve surtout en Europe, est celle dite à “coeur blanc” et s’obtient par la décarburisation de la fonte blanche.

La formation de nodules de graphite confère aux fontes malléables des propriétés mécaniques supérieures à celles des fontes grises. Elles sont surtout utilisées dans la fabrication de pièces mécaniques pour les industries de l’automobile, agricole, ferroviaire, de l’armement et des équipements lourds, pour des brides de tuyaux, pour de petits outils ou pour des éléments de structure.

Fonte ductile
Par l’addition de quantités minimes d’éléments spéciaux tels que le magnésium ou le cérium, le carbone précipite sous la forme de nodules de graphite compacts sans avoir à faire de traitement thermique (voir schéma plus bas). Cette fonte contient habituellement beaucoup moins de soufre que les autres fontes mentionnées auparavant. Ses propriétés mécaniques sont en général légèrement supérieures à celles de la fonte malléable. Elle est utilisée pour les mêmes applications que la fonte malléable et aussi pour de gros engrenages, des matrices de formage, des cylindres ou des cages de laminoir.

Fonte à graphite compacté
Cette fonte s’obtient elle aussi par l’addition minime d’éléments spéciaux tels le magnésium, le calcium, le titane ou l’aluminium. Le carbone précipite sous une forme de lamelles compactes (voir schéma plus bas). Ses propriétés mécaniques se situent entre celles de la fonte grise et celles de la fonte ductile. Elle se retrouve dans la fabrication de disques de freins, de culasses, de pignons, de manifolds, de boîtiers ou de poulies.

Fonte alliée
Il est possible d’ajouter des éléments d’alliage aux fontes blanche, grise, malléable, ductile et à graphite compacté pour augmenter leur résistance à l’usure ou à la corrosion, leur tenue à chaud ou encore leurs propriétés mécaniques. Les plus communs sont le chrome (jusqu’à 35%), le nickel (jusqu’à 45%), le molybdène (jusqu’à 5%), le cuivre (jusqu’à 10%) et le silicium (jusqu’à 18%). Dans la majorité des cas, ils sont ajoutés en combinaison car l’effet d’un élément renforce ou améliore l’effet d’un autre.

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Grise                           Malléable                       Ductile                  Graphite compacté

La composition chimique typique des fontes énumérées précédemment se retrouve dans le tableau suivant :

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Propriétés physiques des fontes

Conductibilité thermique
Les fontes avec du graphite de forme lamellaire conduisent mieux la chaleur que celles à graphite nodulaire et encore mieux que la fonte blanche. De façon générale, un acier donné conduira moins bien la chaleur qu’une fonte grise ayant une matrice identique car la conductibilité thermique du graphite est très bonne. Elle est cinq fois supérieure à celle d’une matrice ferritique, huit fois à celle d’une matrice perlitique et cinquante fois à celle du carbure de fer. De plus, la présence d’éléments d’alliage dans une matrice réduit sa conductibilité.

Conductivité électrique
La présence d’éléments d’alliage dans un acier ou une matrice de fonte diminue la conductivité électrique du matériau. De la même façon, la présence de graphite diminue la conductivité des fontes et ce, d’autant plus lorsque le graphite est présent sous forme lamellaire car il y a alors plus d’obstacles au passage du courant.

Coefficient de dilatation thermique
Les fontes ont un coefficient de dilatation thermique similaire à celui des aciers au carbone, à l’exception des fontes très alliées pour qui le coefficient peut être soit inférieur, soit supérieur selon les éléments d’alliage.

(Prochaine partie (2) : La soudabilité des fontes) (8 octobre)

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

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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

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 ».

khemici.badri@sodel.com