Procédé de rechargement par soudage d'une pièce, avec incorporation de particules céramiques dans la soudure.

Domaine technique de l'invention

L'invention concerne un procédé de rechargement, en particulier un procédé de rechargement dur par soudage, comportant le revêtement d'au moins une partie d'une surface de ladite pièce, par au moins une couche constituée par un matériau composite comprenant :

- un alliage métallique obtenu par fusion d'une extrémité d'un élément d'apport comportant ledit alliage métallique

- et des particules céramiques.

état de la technique

II est connu de protéger des pièces mécaniques, dont la durée de vie est raccourcie par les fortes sollicitations qu'elles subissent en service, par un procédé dit de rechargement par soudage.

Un tel procédé consiste en général à déposer, sur une partie d'une pièce, un matériau métallique en fusion, pour former, après solidification dudit matériau, une couche solide recouvrant ladite partie de la pièce.

Le matériau métallique d'apport, par exemple un métal ou un alliage, a en général des propriétés mécaniques supérieures à celles du matériau constituant ladite pièce. Pour un rechargement dur, le matériau présente, par exemple, une dureté supérieure à celle du matériau constituant ladite pièce et/ou une résistance aux chocs, à l'abrasion et à l'érosion supérieure à celle de la pièce à recouvrir.

De plus, les moyens et les procédés utilisés pour déposer le matériau métallique d'apport sont, en général, les moyens et les procédés utilisés dans le domaine du soudage. Ainsi, le procédé de rechargement par soudage peut utiliser, comme produit pour rechargement, un fil plein ou un fil fourré, c'est-à-dire un fil constitué d'une électrode tubulaire continue remplie d'une poudre métallique. Un tel fil est alors disposé au-dessus de la pièce à recouvrir et son extrémité libre est fondue par l'énergie des appareils de soudage classiques, afin que le matériau constituant le fil plein ou contenu dans le fil fourré fonde et tombe sur la pièce à revêtir, avant de se solidifier. Dans la demande de brevet US-A-2003/0201251 , un revêtement composite est déposé à la surface d'un corps tel qu'un disque de frein, par projection à l'aide d'un fluide d'un mélange constitué d'un composé métallique en fusion et de particules telles que des particules céramiques. Les particules sont apportées par le fluide dans la zone de fusion, afin d'être mélangées audit composé métallique en fusion avant que le mélange ne soit déposé par projection sur la surface du corps. Le composé métallique en fusion est obtenu par fusion d'une extrémité d'un fil contenant ledit composé métallique, à l'aide d'un arc électrique et il est simplement déposé à la surface du corps, sans y pénétrer.

Le rechargement par soudage peut être utilisé pour réparer des pièces mécaniques usées. En choisissant judicieusement la nuance du matériau d'apport, il permet d'améliorer le comportement en service de la partie de la pièce réparée. De plus, la notion de rechargement par soudage peut être intégrée dès la conception de la pièce mécanique, en déterminant les zones de la pièce où le matériau doit avoir des propriétés particulières (par exemple en réalisant un rechargement dur ou inoxydable) et les zones de la pièce où des matériaux de moindre coût peuvent être utilisés.

Le procédé de rechargement dur permet, notamment, de réaliser des tôles rechargées, par exemple utilisables en tant que telles dans des applications anti-usure ou utilisées en tant que produit semi-fini. Il permet, notamment,

d'améliorer la durée de vie des tôles par rapport aux tôles fabriquées avec d'autres solutions anti-usure connues, telles que les tôles fabriquées avec des aciers de type S235JR selon la norme EN 10025. La durée de vie d'une tôle rechargée est, en particulier, dix fois supérieure à celle d'une tôle réalisée avec un acier de type S235JR.

Cependant, malgré une nette amélioration de la durée de vie des tôles, celle- ci n'est pas encore suffisante. En effet, on cherche toujours à augmenter l'intervalle de temps entre deux opérations de maintenance relatives à l'usure d'une pièce mécanique. Les fabricants de tôles rechargées doivent donc diminuer encore la fréquence des opérations de maintenance et donc encore augmenter la durée de vie des tôles, afin d'augmenter celle de la pièce mécanique destinée à recevoir une telle tôle rechargée.

La demande de brevet WO-A-98/15373 propose une autre solution que le procédé de rechargement par soudage pour réaliser une pièce d'usure utilisée dans des installations de broyage, de concassage et de transport de matières abrasives diverses en matériau composite. La pièce d'usure est constituée d'une matrice métallique dont la face d'usure comporte des inserts ayant de bonnes propriétés de résistance à l'usure. Les inserts sont en un matériau céramique constitué d'une solution solide d'alumine et de zircone. Ladite pièce est réalisée en disposant des galettes en céramique dans un moule approprié, dans lequel une fonte liquide est coulée. Les galettes en céramique sont préalablement réalisées, en versant des particules céramiques dans un autre moule de forme appropriée, avec une colle liquide qui, après durcissement, retient les particules ensemble pour former les galettes. Une telle solution permet d'obtenir des pièces d'usure ayant une durée de vie améliorée. Cependant, elle s'avère difficile à mettre en œuvre car elle nécessite la réalisation de plusieurs moules de formes appropriées. De plus, il peut se poser des problèmes d'infiltration de la fonte liquide au sein des galettes en céramique.

Objet de l'invention

L'invention a pour but un procédé permettant de réaliser une pièce, telle qu'une tôle, présentant une résistance à l'usure, et en particulier une résistance aux chocs, à l'abrasion et/ou à l'érosion, améliorées, tout en étant facile à mettre en oeuvre.

Selon l'invention, ce but est atteint par les revendications annexées.

En particulier, selon l'invention, ce but est atteint par un procédé de rechargement, en particulier un procédé de rechargement dur par soudage, comportant le revêtement d'au moins une partie d'une surface de ladite pièce, par au moins une couche constituée par un matériau composite comprenant :

- un alliage métallique obtenu par fusion d'une extrémité d'un élément d'apport comportant ledit alliage métallique

- et des particules céramiques, caractérisé en ce que : - l'alliage métallique est déposé sur la partie de la surface de la pièce par une opération de soudage comprenant la mise en contact de l'extrémité de l'élément d'apport avec la surface de la pièce avant la fusion de ladite extrémité de l'élément d'apport

- et les particules céramiques sont agglomérées et déposées sur la partie de la surface de la pièce, à l'aide d'un élément de distribution comportant une sortie disposée à proximité de l'extrémité de l'élément d'apport lorsque celle-ci est en contact avec l'extrémité de l'élément d'apport.

Selon un développement de l'invention, les particules céramiques sont choisies parmi l'alumine, la zircone, la silice et un mélange d'alumine et de zircone.

Selon un mode de réalisation préférentiel, le matériau composite comporte des particules d'au moins un alliage métallique supplémentaire, lesdites particules étant mélangées aux particules céramiques avant que le mélange desdites particules ne soit déposé à l'aide de l'élément de distribution, sur la partie de la surface de la pièce.

Description sommaire des dessins

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels :

- la figure 1 représente, schématiquement et en coupe, un mode particulier de réalisation d'un procédé de rechargement selon l'invention.

- la figure 2 représente un graphique comparant la résistance à l'usure de trois tôles A à C.

- les figures 3 et 4 représentent respectivement en vue de dessus et en vue de côté un premier mode de réalisation d'une tôle rechargée selon l'invention.

- les figures 5 et 6 représentent respectivement en vue de dessus et en vue de côté un second mode de réalisation d'une tôle rechargée selon l'invention.

- les figures 7 à 10 représentent des pièces de différentes géométries rechargées selon l'invention.

Description de modes particuliers de réalisation

L'amélioration de la durée de vie d'une pièce, telle qu'une tôle, est réalisée par un procédé de rechargement par soudage, et plus particulièrement par un procédé de rechargement dur.

Le revêtement déposé sur une partie d'une surface de ladite pièce selon l'invention comporte non seulement au moins un alliage métallique obtenu par soudage d'un élément d'apport, tel qu'un fil ou un feuillard, plein ou fourré, mais aussi des particules céramiques très résistantes à l'usure.

Or ₁ les particules céramiques sont déposées, pendant la fusion de l'extrémité de l'élément d'apport, sur la surface de la pièce par un élément de distribution disposé à proximité de l'extrémité de l'élément d'apport, de sorte que les particules céramiques forment, avec l'alliage métallique solidifié, un matériau composite très résistant à l'usure.

L'alliage métallique, également appelé alliage de rechargement, est, avantageusement, choisi parmi les alliages à base de fer et les alliages non ferreux. Il est, plus particulièrement, un alliage de soudage, tel que les alliages selon la norme DIN8555 du groupe 1-10, 20-23 et 30-32, comme indiqué dans le tableau ci-dessous :

II est contenu dans un élément d'apport, tel qu'un fil ou un feuillard, plein ou fourré. Les fils fourrés peuvent, par ailleurs, être tubulaires ou jointifs. De plus, l'élément d'apport peut contenir un ou plusieurs alliages métalliques, avec éventuellement un ou plusieurs autres éléments d'addition. Ainsi, dans le cas d'un fil ou d'un feuillard plein, l'élément d'apport peut être constitué par le ou les alliages métalliques, avec un ou plusieurs autres éléments d'addition, tandis que dans le cas d'un fil ou d'un feuillard fourré, l'élément d'apport comporte une enveloppe renfermant le ou les alliages métalliques, avec un ou plusieurs autres éléments d'addition. L'enveloppe peut alors être réalisée en un composé différent ou non du composant qu'elle renferme.

Tout type de moyens et de procédés de soudage classiquement connus peut être employé selon l'invention pour déposer l'alliage métallique par soudage dès lors que celui-ci comprend la mise en contact de l'extrémité de l'élément d'apport avec la surface de la pièce avant la fusion de l'extrémité de l'élément d'apport. Ainsi, la mise en contact de l'extrémité de l'élément d'apport avec la surface de la pièce assure que la fusion de l'extrémité de l'élément d'apport est accompagnée d'une fusion superficielle du matériau constituant la pièce à revêtir, en formant à la surface de la pièce à revêtir, un bain de fusion dans lequel sont déposées des particules céramiques. Ceci assure aussi une bonne pénétration de l'alliage métallique et des particules

céramiques dans la pièce et donc une résistance à l'usure, et en particulier une résistance aux chocs, à l'abrasion et/ou à l'érosion, améliorées.

à titre d'exemple, les procédés se référant à la norme NF EN ISO 4063 et les éléments d'apport de soudage se référant à la norme DIN 8555 mentionnés ci-dessous peuvent être utilisés :

- le soudage manuel à l'arc avec une électrode enrobée,

- le soudage sous flux, avec un fil ou un feuillard simple ou des multi-fils ou des multi-feuillards, - le soudage MIG, MAG ou TIG, avec un fil simple ou des multi-fils, sous gaz de protection conformément à la norme EN 439,

- le soudage MAG, avec un fil fourré simple ou multi-fils, sous gaz de protection conformément à la norme EN 439,

- le soudage par faisceau d'électrons, - le soudage laser et

- le soudage sous laitier, avec un fil ou un feuillard, simple ou multi.

Les particules céramiques sont, avantageusement, choisies parmi l'alumine, la zircone, la silice et un mélange d'alumine et de zircone. Elles sont, de plus, poreuses et agglomérées, par exemple par un ou plusieurs liants, tels que des liants organiques. Lorsque les particules céramiques sont un mélange d'alumine et de zircone, elles sont, avantageusement, fabriquées par électro-fusion, par frittage, par projection thermique ou par tout autre procédé permettant d'obtenir une phase homogène (solution solide).

Les particules céramiques peuvent également être mélangées à au moins un alliage métallique supplémentaire, avant que le mélange des particules ne soit déposé à l'aide de l'élément de distribution sur la partie de la surface de la pièce. L'alliage métallique supplémentaire est, par exemple, un alliage à base de fer (ferro-alliage) ou un alliage non ferreux. L'alliage métallique supplémentaire est, par exemple, du ferro-chrome.

La pièce à revêtir est avantageusement une tôle en acier, ayant une épaisseur comprise entre 2mm et 500mm. L'acier formant la tôle peut être de tout type, selon le domaine d'application dans lequel la tôle est employée. à titre d'exemple, il peut être un acier utilisé dans le domaine de la construction, de la cémentation, de la nitruration, du décolletage, des roulements à billes, des ressorts, des trempes superficielles ou de l'extrusion à froid. Il peut également être tenace à froid, résistant à la pression, à la chaleur, aux intempéries ou aux hautes températures. Il peut aussi être un acier amagnétique, réfractaire, inoxydable ou à base Nickel.

La figure 1 illustre un mode particulier de réalisation d'un procédé selon l'invention.

Une partie de la surface 1a d'une tôle 1 est recouverte d'au moins une couche 2 comportant au moins :

- un alliage métallique dur, c'est-à-dire un alliage métallique présentant une dureté supérieure à la dureté de la tôle à recouvrir et/ou une résistance aux chocs, à l'abrasion, à l'érosion supérieure à celle de la tôle à recouvrir - et des particules céramiques agglomérées.

L'alliage métallique dur est déposé par une opération de soudage, c'est-à- dire par fusion d'une extrémité 3a d'un élément d'apport 3 comportant au moins ledit alliage et préalablement mise en contact avec la surface 1a de la tôle 1 à revêtir.

à titre d'exemple, le soudage peut être un soudage de type MIG semi- automatique ou automatique. Dans ce cas, un arc électrique est établi entre l'extrémité de l'élément d'apport 3, formé par exemple par une électrode consommable, un fil plein, un fil fourré ou un feuillard, et le matériau constituant la tôle 1, par exemple de l'acier. L'élément d'apport 3 peut être amené automatiquement en continu en contact avec le bain de fusion, qui

correspond à un mélange comprenant le matériau constituant la tôle 1 en fusion et l'alliage métallique de l'élément d'apport 3 en fusion. La vitesse de défilement de l'élément d'apport 3 est fonction de l'intensité de l'arc créé entre la tôle 1 et l'élément d'apport 3. De plus, contrairement à la plupart des autres techniques de soudage, la torche de soudage associée à l'élément d'apport dans un procédé de type MIG, est connectée au pôle positif du générateur de courant afin de permettre une meilleure fusion. Ceci assure également une bonne pénétration de l'alliage métallique dans la pièce. Le câble de masse est branché entre la borne négative du générateur de tension et la tôle à revêtir. De plus, le générateur de courant (de 150 à 600 A) nécessairement à courant continu permet de stabiliser la longueur d'arc. Il est de plus à tension constante ("à courbe plate"), ce qui permet le soudage en arc court ou en arc long. Ainsi quelle que soit la longueur d'arc, l'intensité ne variera que faiblement et l'apport de chaleur restera stable, au profit de la qualité du rechargement. Dans un tel procédé de type MIG, le dépôt de l'alliage métallique est accompagné d'un gaz protecteur, dont le choix est en général déterminé par la nature du matériau constituant la pièce à recharger. Le gaz protecteur peut par exemple être contenu dans l'élément d'apport (fil fourré par exemple) ou bien il peut être amené séparément. Un tel gaz protecteur permet d'obtenir le dépôt d'une couche peu ou pas poreuse.

Par ailleurs, pendant l'opération de fusion de l'extrémité 3a de l'élément d'apport 3, des particules céramiques agglomérées 4 sont déposées sur la partie de la surface 1a de la tôle 1 , à l'aide d'un élément de distribution 5. L'élément de distribution comporte une sortie 5a déposée à proximité de l'élément d'apport 3, lorsque l'extrémité de l'élément d'apport 3 est en contact avec la partie de la surface de la tôle 1. En particulier, la distance séparant la sortie 5a de l'élément de distribution 5 et l'extrémité 3a de l'élément d'apport 3 est comprise, avantageusement, entre 5mm et 50mm, de telle manière que les particules céramiques agglomérées 4 soient déposées sous un angle de 15° à 60° par rapport à l'axe longitudinal de l'élément d'apport 3.

De plus, l'élément d'apport 3 et l'élément de distribution 5 sont chacun, avantageusement, en mouvement par rapport à la tôle 1.

Ainsi, dans un premier cas, la tôle 1 peut être animée d'un mouvement suivant une direction de dépôt prédéterminée tandis que l'élément d'apport 3 et l'élément de distribution 5 sont fixes.

Dans un second cas, la tôle 1 peut être fixe et l'élément d'apport 3 et l'élément de distribution 5 peuvent être chacun animés d'un mouvement. Le mouvement animant l'élément d'apport 3 suit également une direction de dépôt prédéterminée. L'élément de distribution 5 peut, quant à lui, être couplé à l'élément de d'apport 3 afin de suivre son mouvement ou bien son mouvement peut être indépendant de celui de l'élément d'apport 3. Ainsi, l'élément de distribution 5 peut être animé d'un mouvement de rotation autour de l'axe longitudinal de l'élément d'apport 3, sur 360°. Dans ce cas, les particules céramiques 4 sont déposées sur la surface 1a, tout autour et à proximité de l'extrémité 3a de l'élément d'apport 3.

Dans les deux cas, la direction de dépôt (flèche F1 sur la figure 1) est, en particulier, déterminée en fonction de la géométrie de la partie de la surface 1 a de la tôle 1 à revêtir.

De plus, dans les deux cas, les particules céramiques agglomérées peuvent être déposées en amont de l'élément d'apport 3, suivant ladite direction de dépôt (F1). Ainsi, chaque point de la partie de la surface de la tôle à revêtir reçoit tout d'abord des particules céramiques, qui sont, ensuite, recouvertes par l'alliage métallique fondu. En effet, l'opération de dépôt de particules céramiques peut se pratiquer simultanément à l'opération de fusion de l'extrémité de l'élément d'apport, mais avec un décalage temporel en chaque point de la partie de la surface à revêtir, compte tenu du décalage spatial

existant entre les éléments d'apport 3 et de distribution 5 et du mouvement relatif entre la tôle 1 et les deux éléments 3 et 5.

Dans une variante et en fonction de la densité des particules céramiques agglomérées, les particules céramiques agglomérées peuvent également tomber directement dans l'alliage métallique fondu, avant que celui-ci ne se solidifie.

De plus, la vitesse de soudage et l'épaisseur des dépôts réalisés sont, avantageusement, contrôlées. Ainsi, des dépôts rapides de faibles épaisseurs permettent d'obtenir une structure très fine et des dépôts de très grande dureté. De plus, la vitesse de refroidissement peut également être contrôlée, et avantageusement diminuée, notamment dans le cas de dépôts épais, afin de contrôler la micro-dureté et diminuer les risques de fissuration.

Un procédé selon l'invention permet, alors, d'obtenir une tôle 1 rechargée sur une partie ou sur la totalité de sa surface 1a, avec un renfort en matériau composite homogène. Le renfort en matériau composite homogène, c'est-à- dire une matrice métallique dans laquelle sont dispersées des particules céramiques agglomérées, permet d'améliorer les performances des tôles rechargées tout en étant facile à mettre en œuvre. En effet, le procédé profite des avantages intrinsèques d'un procédé de rechargement par soudage classique, tout en améliorant les performances de la pièce rechargée et notamment sa durée de vie. La résistance à l'usure et en particulier la résistance aux chocs, à l'abrasion et/ou à l'érosion de la pièce sont améliorées par l'incorporation des particules céramiques agglomérées 4 dans la couche 2.

Ainsi, d'une manière générale, la durée de vie d'une pièce telle qu'une tôle, rechargée et comportant des particules de céramiques, est de 30% à 50 % supérieure à celle d'une tôle rechargée conventionnellement, sans addition de particules céramiques, selon la quantité de particules céramiques ajoutée.

Le graphique représenté sur la figure 2 compare, en particulier, la résistance à l'usure de trois tôles A à C :

- la tôle A est une tôle en acier de qualité S235JR, non rechargée.

- la tôle B est une tôle rechargée par soudage selon l'art antérieur utilisant un alliage métallique comprenant 5% de C et 30% de Cr,

- la tôle C est une tôle rechargée par soudage selon l'invention, avec un apport de particules céramiques.

Les tôles B et C sont identiques et elles comportent le même alliage métallique d'apport. Par contre, la tôle C comporte un revêtement comprenant des particules céramiques telles que de l'alumine (AI ₂ O ₃ ayant une pureté de 92-96%) frittée. On constate, sur la figure 2, que la tôle C présente une résistance à l'usure de facteur 150, nettement améliorée par rapport à celle de la tôle B qui présente une résistance à l'usure de facteur 100.

L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus. En particulier, la géométrie des motifs de rechargement et des pièces à recharger peuvent être de tout type. à titre d'exemple, les figures 3 à 6 illustrent des tôles rechargées avec deux motifs distincts de rechargement. Ainsi, sur les figures 3 et 4, le revêtement 2 réalisé sur la tôle 1 est dit rectiligne tandis que, sur les figures 5 et 6, le revêtement 2 est dit circulaire. Les figures 7 à 10 illustrent des pièces rechargées de différentes géométries. Sur les figures 7 et 8, le revêtement 2 est dit axial, tandis que sur les figures 9 et 10, il est dit circonférentiel.

De plus, une pièce ou une tôle rechargée peut comporter une ou plusieurs couches en matériau composite et un traitement thermique de la surface de la pièce ou de la tôle peut, avantageusement, être réalisé avant ou après le rechargement par soudage. Ainsi, le dépôt peut être un dépôt dit « mono- passe » ou « multi-passes », réalisé avec n passes. Dans le cas d'un rechargement standard, le dépôt est alors réalisé avec n+6 passes au maximum, tandis que dans le cas d'un rechargement discontinu,

communément appelé alvéolaire, le dépôt est réalisé avec n+15 passes au maximum.

Enfin, une couche tampon peut être préalablement disposée sur la surface de la pièce ou de la tôle à revêtir, de manière à assurer une transition métallurgique convenable vis-à-vis du rechargement final. Le choix du matériau constituant la couche tampon dépend à la fois des conditions de mise en oeuvre de la pièce rechargée, de la nature de la pièce avant rechargement et de la nature du rechargement réalisé.