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Les fondamentaux du rechargement dur

par fusion

usurehardfacinghardfacing

abrasion

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abrasion

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adhé

sion

érosion

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fatigue thermique

fatigue thermique

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fatigue de contact

reconstitution

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fissures

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1

Les fondamentauxdu rechargement dur par fusion

Créé en 1966, le groupe WELDING ALLOYS s’est développé dans la fabrication

des fils fourrés de soudage et de rechargement. Son savoir-faire ainsi que la

technologie qu’il met en œuvre lui ont permis de se spécialiser naturellement dans

les solutions de rechargement anti-usure utilisant les procédés de soudage à l’arc

semi-automatique ou automatique.

Quel que soit le domaine industriel dans lequel vous évoluez, vous avez à faire

face à des phénomènes d’usure. La dégradation de vos équipements et installations

conduit inexorablement à des pertes de production et impacte fortement la rentabilité

de vos exploitations.

Fort d’une expérience de plus de 50 années, WELDING ALLOYS a pour objectif

d’offrir des solutions de lutte contre les phénomènes d’usure, et vous propose cet outil

d’analyse. Cet ouvrage vous aidera à sélectionner la solution de rechargement idéale.

Notre ‘étincelle’ au service de vos défis

Rédigé par :Bastien GERARD Responsable ligne de produits consommables WELDING ALLOYS France

Avec la participation de :Joaquim ANTUNES Directeur général WELDING ALLOYS FranceJean-Marie BONNEL Directeur technique WELDING ALLOYS GroupBenoît BOUQUIN Directeur développement affaires WELDING ALLOYS GroupAlain MICHEL Ingénieur expert WELDING ALLOYS FranceCharlotte SCHMIDT Responsable Marketing WELDING ALLOYS France

welding-alloys.com

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5. Caractériser votre rechargement dur par des essais 26

5.1. Caractériser le métal de base : étincelage et magnétisme .................................... 26

5.2. Essais de dureté par pénétration ............................................................................................ 28

5.3. Essais d’abrasion .............................................................................................................................. 30

5.4. Ressuage ................................................................................................................................................32

6. Le choix du bon consommable de rechargement dur 33

6.1. La désignation normalisée suivant EN 14700 ................................................................. 33

6.2. Description des éléments ............................................................................................................ 34

6.3. Classification en familles de produits................................................................................... 36

6.4. Quelle couche tampon utiliser ? .............................................................................................. 44

6.5. Sélection du bon métal d’apport pour rechargement dur ........................................ 46

6.6. Quelles sont les bonnes questions à se poseravant réparation maintenance ? .............................................................................................. 48

7. Les différentes structures micrographiques 50

8. Exemples d’application par industrie 52

9. Nos machines automatiques de rechargement 62

1. Qu’est-ce que l’usure ? 4

1.1. Définition ..................................................................................................................................................... 4

1.2. Les mécanismes et modes d’action de l’usure ................................................................. 4

2. Les différents types d’usure 5

2.1. Abrasion faible ou modérée / faible impact ......................................................................... 5

2.2. Abrasion forte / sous-pression .................................................................................................... 6

2.3. Abrasion sévère / fort impact ....................................................................................................... 6

2.4. Adhésion / friction ................................................................................................................................ 7

2.5. Erosion ........................................................................................................................................................ 8

2.6. Cavitation .................................................................................................................................................. 8

2.7. Fatigue thermique ................................................................................................................................ 9

2.8. Fatigue de contact / fretting ........................................................................................................... 9

2.9. Corrosion .................................................................................................................................................10

2.10. Usure combinée ................................................................................................................................10

2.11. Tableau de synthèse ......................................................................................................................11

3. Termes relatifs au rechargement dur 12

3.1. Reconstitution .......................................................................................................................................12

3.2. Couche tampon / Sous-couche ................................................................................................13

3.3. Rechargement dur .............................................................................................................................13

4. Le rechargement dur par fusion 14

4.1. Les avantages du rechargement ..............................................................................................14

4.2. Les procédés de soudage par fusion dédiés au rechargement dur ..................15

4.3. Taux de dilution ...................................................................................................................................18

4.4. Motifs des Cordons ...........................................................................................................................19

4.5. Fissures de retrait ............................................................................................................................. 22

4.6. Température de préchauffage .................................................................................................. 22

Sommaire

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4 5

Découpe Déformation

Pression

Vitesse

Pression

Vitesse

Pression

Vitesse

Arrachement

2.1. Abrasion faible ou modérée / faible impactCette forme d’usure résulte d’un contact par frottement / glissement de particules sur le substrat. La pression de ces abrasifs étant très faible, ils ne changent pas de dimensions et ne cassent pas.

L’angle d’attaque de ces particules étant quasi-nul, on parle parfois de “micro-usinage”.

D’un point de vue technique, on utilise les termes :

l “Abrasion faible” lorsque deux corps sont impliqués (l’abrasif et le substrat).

l “Abrasion modérée” lorsque trois corps interviennent (2 surfaces en mouvement relatif avec un abrasif entre deux).

Illustration des trois principaux modes d’action de l’usure

l L’environnement dans lequel l’usure a lieu est quant à lui primordial afin de sélectionner la solution de soudage idéale. Pour ce faire, les notions de température, humidité et milieu doivent être renseignées le plus précisément possible.

Nous verrons dans le paragraphe suivant les différents types d’usure existants. Il est toutefois intéressant de noter que l’usure se constate, avant tout, par une dégradation visuelle de la pièce.

Il existe trois principaux modes d’action : la découpe (par le biais de copeaux), la déformation et l’arrachement/l’écaillage.

1.1. DéfinitionOn définit l’usure comme une détérioration progressive due à une utilisation prolongée ou trop fréquente.

L’usure altère l’état de la pièce ayant pour conséquence finale une perte de qualité.

Ce phénomène entraîne donc pour l’utilisateur :

lune baisse de rendement et de longévité

l une augmentation des risques relatifs à la sécurité des biens et des personnes

lune augmentation en consommation d’énergie

L’ensemble de ces facteurs peut engendrer une perte économique lourde.

Il est alors impératif de prendre en compte le phénomène d’usure dans la vie du produit : prévoir pour mieux contrôler. La qualité des services de maintenance et de réparation est donc la clé du succès de votre exploitation.

Nous verrons ainsi dans cet ouvrage l’importance des rechargements durs, utilisés à titre préventif ou curatif.

1.2. Les mécanismes et modes d’action de l’usureL’action d’étudier les surfaces en contact et leurs mouvements relatifs est nommée “Tribologie”.

Afin de caractériser au mieux le mécanisme d’usure, trois éléments doivent être renseignés :

l Le métal de base, appelé également substrat, est caractérisé par une analyse chimique, un mode d’élaboration (laminé, forgé, moulé), des caractéristiques mécaniques, une géométrie et un encombrement. Ces éléments permettent de mieux appréhender la susceptibilité du substrat à l’usure et les précautions de soudage à prendre en cas de réparation, reconstitution et/ou rechargement.

l L’élément extérieur est caractérisé par ses composantes dynamiques et physiques. En effet, la dureté, la forme ainsi que la texture de cet élément lui procurent une action plus ou moins néfaste en fonction de la pression, la vitesse et l’angle de contact qu’il aura avec le substrat.

Les différents types d’usure2

Qu’est-ce que l’usure ?1


6 7

Cette usure implique la suppression de gros copeaux et de rayures sur la surface impactée. Il est possible que des déformations plastiques accompagnent ce phénomène.

Du fait de ces sollicitations, il est préconisé d’utiliser des matériaux ductiles et résistant à l’impact et aux chocs.

Dans la pratique, nous distinguerons les chocs des impacts.

En effet, la force induite par un choc est répartie ponctuellement sur la surface ; alors que, pour les impacts, les points de contact avec le substrat sont multiples.

Ainsi, les aciers au manganèse seront fréquemment utilisés en cas de choc répétitif et les alliages à carbures de titane apporteront, elles, une réponse idéale aux impacts.

Exemple : marteaux de broyeur.

2.4. Adhésion / frictionLorsque deux corps métalliques frottent l’un contre l’autre, et qu’il y a transfert de matière d’un substrat à l’autre, on parle “d’usure par adhésion”.

Ce type d’endommagement apparaît lorsque trois éléments sont réunis : température, pression et friction.

Le contact des aspérités entre elles, accompagné d’un mouvement relatif, induit une micro fusion immédiatement arrachée par cisaillement.

Les aspérités ne sont pas forcément visibles à l’œil nu. Ce mécanisme d’usure se produit donc à l’échelle microscopique.

Le taux d’usure par adhésion dépend directement de plusieurs facteurs : pression exercée entre les deux pièces, vitesse de friction, température de l’environnement de travail, surface de contact, propreté des faces de frottement, coefficients de friction en surface.

Plus les abrasifs auront une forme aiguisée et une texture dure, plus le taux d’abrasion sera important. Nous verrons, ultérieurement, un tableau référençant les duretés des abrasifs.

Étant donnée l’absence d’effet d’impact, la ductilité du substrat n’est pas un facteur essentiel. Un rechargement (mono- ou polyphasé) ayant une dureté suffisamment élevée par rapport à l’abrasif suffira donc.

Ainsi, en plus des tôles rechargées, nous retrouvons les solutions employant des céramiques ainsi que des tôles traitées thermiquement (ex : 400 HB).Exemple : Tôles de transport, vis.

Tôles traitées thermiquement

Tôles rechargées Céramiques

2.2. Abrasion forte / sous-pressionL’abrasion sous forte pression apparaît sur les équipements où l’abrasif est compressé entre deux surfaces. Ce dernier est alors brisé en de multiples morceaux.

Du fait de cette forte pression, l’usure de la surface se traduit par la formation de copeaux voir même d’arrachement, de déchaussement de phases dures (carbures, borures, etc.) ou encore de déformation plastique de la matrice.

Le choix d’une solution de rechargement se fera donc en sélectionnant un matériau proposant une forte limite élastique (combiné à une forte ductilité) et ayant des duretés assez élevées. Ceci afin de répondre à la sollicitation en pression et frottement.

Exemple : broyeur à charbon.

2.3. Abrasion sévère / fort impactOn parle également “d’abrasion par gougeage”. Il s’agit, en fait, d’une abrasion faible, modérée ou forte combinée à un effet d’impact.


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Dans ces conditions de sollicitations, les matériaux proposant de bonnes résiliences montrent une meilleure résistance à ce type d’usure. Et ce, en dissipant l’énergie induite de l’implosion des bulles.

Exemple : pales de turbine hydroélectrique.

2.7. Fatigue thermiqueCe type de fatigue fait référence à une usure générée par des cycles thermiques contraignants pour le métal de base. En effet, le fait de chauffer puis refroidir la pièce d’une manière cyclique entraîne des dilatations et compressions. Ces contraintes ont pour conséquence directe la création de fissures sous forme de faïençage dites “fissures de fatigue”.

Exemple : Outils de forge, rouleau de laminage à chaud.

2.8. Fatigue de contact / frettingLes phénomènes d’usure étudiés précédemment conduisaient à une perte de matière régulière.

La “fatigue de contact” se produit lorsqu’il y a une action de roulement ou de glissement entre deux éléments et de manière cyclique.

Dans ces conditions, on peut constater un soudain manque de matière sous forme de piqûres ou d’écaillages.

Les pièces sollicitées en glissement ou roulement sous forte pression subissent des contraintes mécaniques importantes. Des fissures peuvent apparaître et ces contraintes sont responsables de leurs propagations jusqu’à provoquer des décohésions ou des arrachements.

Exemple : dent d’engrenage, rails, presses à rouleaux.

La nature du matériau utilisé a, elle aussi, une influence. Aussi, l’utilisation de deux matériaux aux structures cristallographiques identiques aura tendance à augmenter le risque d’adhésion.

Exemple : rouleau de coulée continue ; cisailles ; roulements.

2.5. ÉrosionL’usure par érosion est fortement assimilable à l’abrasion. En effet, cette usure apparaît lorsque des particules solides ou liquides rentrent en contact avec la surface du substrat.

Le taux d’usure est alors directement lié à l’angle d’attaque de l’élément extérieur et à la vitesse à laquelle il est projeté. Ainsi, suivant les propriétés physiques du substrat, l’érosion sera plus ou moins importante.

En effet, à faible angle d’attaque (environ 10 et 30°), le phénomène d’érosion apparaît du fait d’un micro-usinage comparable à l’abrasion faible ou modérée. Ainsi, dans ce cas, le taux d’usure dépend directement de la dureté du substrat.

A des angles d’attaque plus importants (environ 30 à 90°), les particules érosives ont pour effet de déformer, voir même d’écailler le substrat. Il est alors nécessaire d’utiliser des matériaux capables d’absorber l’énergie engrangée par l’impact sans induire de déformation ni de fissure.

Exemple : équipements de dragage.

2.6. CavitationLa cavitation apparaît lorsqu’un liquide subit un fort changement de pression. Cela entraîne alors la création de nombreuses bulles de gaz. En contact avec une paroi solide, ces bulles implosent et créent alors un effet d’usure par cavitation. On parle aussi “d’érosion cavitation”.

Ce phénomène répété provoque des contraintes cycliques et une fatigue du métal de base. Des fissures de fatigue conduisent alors à des décohésions de matière.

1 2 3 4


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2.11. Tableau de synthèse

Type Schéma Aspect d’endommagementTaux de

fréquence

Abrasion modérée / faible impact

DécoupageMicro usinage

Rayures

60 %Abrasion forte / sous pressionDéformation

Arrachement copeaux

Abrasion sévère / fort impact

RayuresArrachement de gros

copeauxDéformation

Adhésion / Friction Transfert de matière 15 %

Érosion Micro usinageÉclat 7 %

Cavitation Perte de matière 3 %

Fatigue thermique Fissure par faiençage

10 %

Fatigue de contact / Fretting

Piqûres - ÉcaillageDéformation - Empreintes

Corrosion - 5 %

1 2 3 4

2.9. CorrosionL’usure par corrosion est un domaine vaste et complexe. Pour y répondre, on utili-sera des solutions de rechargements nobles “Cladding”. Les aciers inoxydables austénitiques (série 300) ainsi que les bases nickel sont privilégiés.

Lors des essais de qualification soudage, ce type de rechargement doit respecter certaines exigences, notamment des pliages coté à 180° exempts de fissures. Les rechargements durs (hardfacing) ne nécessitent pas ce type d’essais.

En cas de rechargement dur, la corrosion n’est pas prépondérante et est combinée à un autre type d’usure.

E xem p l e : Vis sans fin en papeterie (base nickel avec addition de carbures de tungstène)

2.10. Usure combinéeDans le cadre de certaines applications, les équipements subissent de multiples contraintes. On observe alors une combinaison de différents types d’usure.

Dans la majorité des cas, la corrosion et/ou la température viennent s’additionner à un autre type d’usure : on parle de facteurs secondaires.

Il faut alors prendre en considération les multiples sollicitations afin de sélectionner le consommable de soudage le plus adéquat.

Les tableaux de sélection en pages 46 et 47 vous permettront d’orienter votre choix vers la solution la plus adaptée.

Rouleaux de coulée continue Matrice de forge


12 13

l Comment respecter scrupuleusement le préchauffage préconisé par la nature du métal de base avant rechargement ?

l Le rechargement dur est-il métallurgiquement compatible avec le métal de base ?

Pourquoi une couche tampon ou sous couche ?

l Assurer l’accrochage entre le métal de base et le rechargement dur.

l Éviter la propagation des fissures de retrait du rechargement vers le métal de base.

Le choix du métal d’apport est à réaliser avec grande précaution. En effet, une différence d’élasticité trop importante entre les matériaux ou un écart de dilatation à température excessif, risque de provoquer des niveaux de contraintes trop élevés en zone de liaison.

Dans ces conditions, il y a un risque de rupture prématuré de la réparation.

3.3. Rechargement durLe “rechargement dur” n’apporte aucune amélioration des caractéristiques mécaniques de la pièce. Son utilité réside dans l’amélioration de la résistance à l’usure de surface.

Certains contrôles peuvent être utiles pour qualifier le mode opératoire de soudage. Ils seront limités à :

l Essais de dureté.

l Examens macrographiques et/ou micrographiques.

l Contrôle visuel.

l Ressuage (parfois spécifié, ex : rechargement STELLOY Cobalt).

Un rechargement dur sain est avant tout un dépôt travaillant en compression.

Par nature, certains métaux d’apport de soudage imposent la réalisation d’un dépôt en une seule couche maximum. Cela est dû à leur grande sensibilité à la fissuration de contrainte (ex : dépôt avec formation de borures).

Bien que l’application soit similaire, il est important de différencier le “rechargement dur préventif” du “rechargement dur curatif”.

En rechargement préventif on pourra définir librement le métal de base et ainsi se prémunir des inconvénients souvent rencontrés dans le cadre d’un “rechargement curatif”. Dans ce deuxième cas, on doit tenir compte des contraintes liées au type de métal de base (carbone équivalent élevé, préchauffage élevé nécessaire, etc.).

Le vocabulaire propre aux opérations de réparation et de rechargement en maintenance est très riche. Ainsi, il est primordial de différencier les termes suivants : “reconstitution”, “couche tampon” et “rechargement dur”. Chacun de ces termes décrit une application bien précise qui requiert des précautions de soudage particulières.

3.1. ReconstitutionLa “reconstitution” est l’action de remettre à la cote initiale une pièce dont la géométrie aurait été modifiée par l’effet de l’usure. On utilisera dans ce cas prioritairement un métal d’apport homogène : analyse chimique et caractéristiques mécaniques identiques à celles du métal de base.

Dans certains cas, il est toutefois possible d’utiliser un alliage hétérogène, à condition que ses caractéristiques soient compatibles avec celles du substrat.

Les trois facteurs importants pour définir le métal d’apport de reconstitution approprié sont :

l Le risque de fissuration à froid : il faut définir la température de préchauffage ainsi que la température entre-passes.

l La température de service et donc, la dilatation différentielle entre métal d’apport et métal de base.

l La réalisation d’un rechargement après reconstitution et donc, la compatibilité entre les métaux d’apport utilisés.

3.2. Couche tampon / Sous-coucheAussi appelée “sous-couche” ou encore “transition métallurgique”, la “couche tampon” n’est pas toujours nécessaire.

Avant de réaliser cette couche intermédiaire, il est donc important de se poser plusieurs questions :

l Quelle est la nature du métal de base ?

Rechargement dur

Reconstitution

Couche tampon

Termes relatifs au rechargement dur3


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poudres. Ce type d’électrode est uniquement utilisé pour les applications de rechargement dur. L’arc électrique s’établit de façon uniforme entre la paroi tubulaire et la pièce. On obtient ainsi une dilution plus faible et des dépôts plus larges qu’en électrode enrobée conventionnelle.

Grâce à un film protecteur, les électrodes tubulaires permettent un dépôt de haute qualité. En effet, ces dernières sont moins sensibles à la reprise d’humidité que les électrodes standards.

uuu Le procédé semi-automatique sous protection gazeuse

Le métal fondu est obtenu par un arc électrique créé entre un fil électrode (plein ou tubulaire fourré) et le métal de base. Les fils fourrés à laitier permettent :

l d’améliorer les caractéristiques de fusion,l de protéger le métal fondu d’une oxydation excessive.

On parle souvent de Metal Inert Gas (MIG) et de Metal Active Gas (MAG), en fonction du gaz de protection utilisé.

Ce procédé est facilement automatisable.

uuu Le procédé semi-automatique sans protection gazeuse

Procédé identique au MIG/MAG, il présente l’avantage d’être très facilement utilisable car il ne nécessite pas l’utilisation de gaz protecteur.

Il est principalement utilisé dans les cas suivants :l Conditions de travail difficiles pour les autres procédés de soudage

(soudage en extérieur, courant d’air, etc.).l La réaction avec l’ambiant n’est pas préjudiciable aux performances du

dépôt.

Aussi appelé “Open arc”, ce procédé est particulièrement adapté pour les solutions de rechargement dur (excellentes caractéristiques de dureté, résistance à l’usure).

uuu L’arc submergé

Le métal fondu est généré par un arc électrique entre un fil et la pièce, sous un “manteau” de flux solide (poudre). L’arc électrique n’est pas visible.

La configuration de ce procédé et l’utilisation du flux en poudre limitent son application aux positions de soudage à plat.

Le soudage à l’arc submergé est un procédé qui permet des taux de dépôt très élevés. Note : Cet ouvrage ne traite pas de la totalité des procédés de soudage. (la projection thermique, le laser, etc…).

Vocabulaire propre aux opérations de rechargement :l Hardfacing / Surfacing : Rechargement dur.l Cladding / Placage : Rechargement noble (type anti-corrosion).

4.1. Les avantages du rechargementMaîtriser l’usure, c’est gérer la dégradation de ses équipements. Le rechargement permet d’améliorer ses performances en planifiant les arrêts de maintenance pour mieux gérer ses flux de production.

C’est la solution idéale qui garantit un dépôt de qualité et une baisse des coûts de maintenance :

l Extension de la durée de vie de l’équipement.

l Fenêtre de maintenance plus courte et solution adaptable.

l Coût de réparation moins élevé.

l Large gamme de rechargement possible.

l Une solution sur mesure, automatisable.

Maîtriser efficacement l’usure, c’est : un métal d’apport approprié, un procédé de soudage productif et la garantie d’un travail de qualité.

4.2. Les procédés de soudage par fusion dédiés au rechargement dur

uuu Le procédé TIG

Lors du procédé TIG, un arc électrique est produit entre une électrode réfractaire en tungstène et la pièce.

Le bain de soudage est protégé sous une atmosphère inerte ( gaz de protection) afin d’éviter son oxydation.

uuu Le procédé arc électrode enrobée

L’électrode est composée d’une âme métallique et d’un enrobage. Grâce à un arc électrique, le bain de fusion est créé entre l’électrode et la pièce. Le laitier, produit par la fusion de l’enrobage, a une fonction de protection contre l’oxydation du métal fondu. Il peut contribuer à l’analyse chimique du dépôt.

uuu L’électrode tubulaire

L’électrode tubulaire est composée d’une paroi mince (type feuillard) remplie de

Le rechargement dur par fusion 4


16 17

Soudage sous gaz avec électrode de tungstène

TIGGTAW

141 / 143 Manuel / Automatique Arc électrique Gaz 5 - 15 % 0,5 - 1,5 kg/h

Soudage à l’arc avec électrode enrobée

MMASMAW

111 ManuelArc électrique

EtuvageLaitier 15 - 30 % 1,0 - 3,0 kg/h

Soudage à l’arc avec électrode tubulaire

TE / Manuel Arc électrique - 8 - 30 % 2,0 - 4,0 kg/h

Soudage à l’arc avec fil fourré sous protection gazeuse

MAGFCAW

136 / 138Semi-automatique /

AutomatiqueArc électrique Gaz 15 - 35 % 3,0 - 10,0 kg/h

Soudage à l’arc avec fil fourré auto-protecteur (sans protection gazeuse)

FCAW 114Semi-automatique /

AutomatiqueArc électrique Avec ou sans laitier 15 - 35 % 3,0 - 12,0 kg/h

Soudage à l’arc submergé

SAW 12- Automatique Étuvage flux Laitier 30 - 50 % 5,0 - 20,0 kg/h

Nom complet Abréviation Précautions Protection du bain Dilution Taux de dépôtDésignation EN ISO 4063 Type

Soudage sous gaz avec électrode de tungstène

Soudage à l’arc avec électrode enrobée

Soudage à l’arc avec électrode tubulaire

Soudage à l’arc avec fil fourré sous protection

gazeuse

Soudage à l’arc avec fil fourré auto-protecteur (sans

protection gazeuse)

Soudage à l’arc submergé


18 19

Pour les applications de rechargement dur, plusieurs facteurs ont une influence dans le choix du procédé de soudage :

l Productivité et taux de dépôt.l Épaisseur de rechargement.l Milieu de travail : en atelier ou à l’extérieur.l Possibilité d’automatisation.l Répétitivité du travail.l Qualité d’accrochage.

Ce dernier point, “la qualité d’accrochage”, est directement lié à la pénétration du cordon dans le substrat. En cas de sollicitation à l’impact/au choc, un rechargement ayant une force d’accrochage élevée aura une bien meilleure tenue dans le temps.

En cas de dilution élevée avec le substrat, impliquant une baisse de propriété mécanique (notamment les duretés), il est nécessaire de trouver le bon compromis entre analyse chimique requise et force d’accrochage.

4.4. Motifs des cordonsDans certains cas, la réalisation de cordons géométriques donne une excellente résistance à l’usure.Plus économique, ce type de dépôt répond à l’usure par abrasion faible ou modérée sous faible impact.

Pour ces applications, le type de géométrie à réaliser dépend directement de la dimension et de la texture de l’abrasif.

Presse à rouleau avec chevron pour broyage.

4.3. Taux de dilutionEn rechargement, la maîtrise du taux de dilution est essentielle. Elle permet de garantir l’analyse chimique du dépôt, les duretés et la constance de qualité.

Lors de l’opération de soudage, il y a interaction du métal de base et du métal d’apport, tous deux en fusion. Le mélange qui est issu de ces deux éléments correspond au taux de dilution.

Calcul du taux de dilution : % Dilution = B

x 100 A + B

Lors des opérations de rechargement, nous rechercherons toujours à limiter la dilution. Ceci afin d’optimiser les caractéristiques du dépôt, tout en prenant garde d’éviter un phénomène de collage.

Comment maîtriser la dilution ?l Choix du procédé et des paramètres de soudage utilisés :

Suivant l’apport de chaleur induit par chaque procédé, la dilution sera plus ou moins prononcée.

l Séquence de soudage : Un recouvrement entre-passes suffisant, d’environ 50 %, permettra de mieux contrôler sa dilution. Un rechargement multi passes permettra une dilution plus faible que le rechargement mono passe.

l Choix de la polarité : DC+ ; DC- ; ACLes changements de type de polarité peuvent influencer le taux de dilution.

l Technique de soudageL’apport de chaleur est directement lié à la technique de soudage : cordons tirés ou balayés.

l Position de soudage :Position corniche (PC) à privilégier si possible pour réduire la dilution par rapport au soudage à plat (PA).

A

B

10 % dilution30 % dilution


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L’espacement entre cordons dépendra de la texture de l’abrasif : sec ou humide.

Dans un environnement humide, un agglomérat de particules se forme et se loge plus facilement entre les cordons. La distance entre cordons pourra alors être légèrement augmentée. Néanmoins, afin de garantir une bonne protection, il est recommandé de limiter cette distance.

uuu Passes en quadrillage

La réalisation de cordons de soudure en croisillons permet d’obtenir un quadrillage. Les cordons sont orientés suivant des angles variant entre 30° et 90°.

Ce type de motif est largement utilisé pour lutter contre l’abrasion impliquant des abrasifs de petites et grandes dimensions (ex : sable avec gravier et roche). Du fait de la disposition des cordons, l’abrasif fin se dépose dans les interstices et protège le métal de base des abrasifs de taille plus conséquente (phénomène d’auto-protection par colmatage).

Plus l’espace non rechargé est petit, plus les particules fines, par adhérence, protégeront les surfaces de l’abrasion.

uuu Points de soudage

En cas d’abrasion faible ou modérée, nous retrouvons ce rechargement dur lorsque le métal de base est sensible à l’apport de chaleur généré par le soudage (ex : aciers au manganèse).

La procédure de soudage implique de débuter le rechargement par le centre de la pièce pour, ensuite, diffuser les autres points autour. Cela permet de limiter et de répartir les contraintes de soudage dans la pièce à recharger.

L’intervalle entre les points dépendra de la dimension de l’abrasif. Plus l’abrasif sera fin, plus la distance entre points sera minime.

Le principe de ces rechargements consiste à limiter le déplacement relatif du matériau abrasif sur les pièces et de créer, éventuellement, une barrière contre l’usure, en emprisonnant de la matière dans les sous-reliefs (colmatage par effet “caisse à pierre”).

Différents types de motifs existent :

l Des passes juxtaposées avec recouvrement continu.

l Des passes déposées à intervalle régulier.

l Des passes en croisillons / quadrillage.

l Des points de soudage.

uuu Passes juxtaposées avec recouvrement continu

En cas d’abrasion forte et sévère, le rechargement dur sera continu sur l’ensemble de la surface concernée. De cette manière, il n’y aura aucun contact entre l’élément extérieur et le métal de base (substrat).

Les cordons seront alors juxtaposés avec un recouvrement entre-passes de 50 % afin de garantir les caractéristiques optimales du rechargement (en limitant la dilution). Dans la majorité des cas, les cordons de soudure sont orientés dans le même sens que le flux et limitent ainsi les zones pouvant créer des “buttées”.

uuu Passes déposées à intervalles réguliers

En cas d’abrasion faible ou modérée (sans impact), il est possible de limiter le rechargement à plusieurs passes disposées à une distance régulière. L’espacement entre cordons est un facteur primordial dépendant directement de la taille de l’abrasif. En cas d’abrasion importante, il faut réduire l’espace entre les cordons.

Sens des cordons par rapport au flux de fonctionnement :

l Abrasifs de taille importante : les cordons sont déposés parallèlement à leur écoulement.

l Abrasifs et particules fines (sable ou terre) : les cordons de soudure sont orientés perpendiculairement au flux avec un dépôt sans fissure.

Passes juxtaposées Passes déposées à intervalles réguliers Passes en quadrillage Points de soudage

Tôle d’usure avec passes en quadrillage

Dent de godet avec passes en quadrillage et points de soudage

Godet avec passes en quadrillage


22 23

Comportement des aciers à 14%Mn lors de leur exposition à température.

500

400

300

2001 10 100 1000 10000

400

500

600

700

800

900

Temps à température, h

Fragile

Ductile

Tem

péra

ture

de

chau

ffe, °

C

Tem

péra

ture

de

chau

ffe, °

F

Pour les autres aciers, la réalisation d’un préchauffage avant soudage a plusieurs intérêts :

l Adoucir la structure de la zone affectée thermiquement en ralentissant la vitesse de refroidissement.

l Garantir une zone affectée thermiquement à structure non trempée.

l Répartition des contraintes après soudage du fait d’un refroidissement plus lent.

l Le refroidissement lent permet aussi un dégazage de l’hydrogène.

l Permet d’augmenter la pénétration avec le métal de base et donc la force d’accrochage au substrat.

Afin de déterminer la température de préchauffage, il est primordial de connaître la composition chimique du métal de base, ainsi que l’encombrement et l’épaisseur de la pièce à souder.Ces deux derniers facteurs influent sur l’écoulement de chaleur : tridimensionnel ou bidimensionnel. Sur une pièce très massive, bien que le carbone équivalent soit faible, un dégourdissage sera imposé de manière à limiter la vitesse de refroidissement et un risque de “trempe”.

La présence de carbone, ou de certains autres éléments d’alliage, a une influence directe sur la température de préchauffage.

Détermination de la température de préchauffage par le carbone équivalent (Ceq) du métal de base.

4.5. Fissures de retraitLes rechargements avec phases dures (carbures, borures, etc.) sont particulièrement sensibles au phénomène de retrait générant des fissures. Celles-ci témoignent d’une relaxation naturelle des contraintes du dépôt et permettent d’éviter les risques d’arrachement brutal à l’utilisation, sans affecter négativement la résistance à l’usure du dépôt.

Ces fissures de retrait sont transverses au cordon de soudure et espacées à intervalles réguliers. En cas de sollicitation aux chocs/impacts, il est important de veiller à ce que ces fissures ne se propagent pas au métal de base. Il sera alors nécessaire d’appliquer une couche tampon spécifique permettant de faire barrière à la fissuration.

Il est crucial de différencier les “fissures de retrait” à celles dites “de fragilisation”. En effet, ces dernières se présentent sous forme de faïençage et peuvent entraîner un arrachement de matière et donc une perte de protection. De la même manière, les fissures longitudinales sont à éviter car elles témoignent d’un soudage défaillant.

Si besoin est, il est possible d’éliminer la fissuration de certains métaux d’apport. Pour ce faire, il sera nécessaire de préchauffer la pièce de manière suffisante et de respecter des vitesses de refroidissement maximales.

C’est le cas des base cobalt (ex : STELLOY 6) pour lesquelles les fissures ne sont pas tolérées car elles doivent garantir une bonne protection anti-corrosion.

4.6. Température de préchauffageLa nécessité d’un préchauffage avant soudage dépend du type de métal de base. Ainsi, les industries ayant recours au rechargement dur utilisent majoritairement des aciers non-alliés, faiblement alliés, fortement alliés et au manganèse.

Dans le cas d’un métal de base austénitique à 11-14 % de manganèse, le préchauffage est à proscrire. En effet, en cas de température en cours de soudage excessive (> 150°C), le risque de fragilisation est important. La courbe suivante illustre le comportement fragile de ces matériaux en fonction de leur exposition à haute température :

% Mn % Cr + % Mo + % V % Ni + % CuCeq = % C + + +

6 5 15


24 25

Mn + Cr Ni 7 Mo(Cc) = C + + +

9 18 90

Il existe plusieurs méthodes permettant de calculer la température de préchauffage de manière théorique. Nous retiendrons la formule de SEFERIAN suivante :

(C) représente le carbone équivalent total. Il est la somme du carbone équivalent chimique (Cc) et du carbone équivalent épaisseur (Ce).0,25 correspond à la limite supérieure de carbone pour les aciers ordinaires soudables.

(Ce) = 0,005 x (Épaisseur substrat en mm) x (Cc)(C) = (Cc) + (Ce)

Diagramme de SEFERIAN.

T° Préchauffage = 350 (C) - 0,25

350

300

250

200

150

100

50

0 20 40 60 80 100

0,20

0,25

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

Tem

péra

ture

de

préc

hauf

fage

°C

Épaisseur (mm)

Car

bone

équ

ival

ent c

him

ique

(C) c

Le tableau suivant permet d’avoir une vision approchante du préchauffage à réaliser en fonction du métal de base.

Les rechargements durs ne présentant aucune ductilité, des fissures de retrait apparaissent fréquemment. Ainsi, si on souhaite minimiser la présence de fissures, le préchauffage pourra alors être déterminé en fonction du métal d’apport utilisé.Dans certains cas, même si le métal de base type C-Mn a un Ceq 0.6Sous réserve de

précautions> 250°C Nécessaire

Rechargement à l’aide du procédé TIG automatique fil chaud (STELLOY 6 TIG).


26 27

Pour qualifier simplement un matériau, on peut également observer son com-portement à l’étincelage, lors de l’application d’une meule rotative en surface :

Illustration du comportement à l’étincelage de divers matériaux.

Fonte blanche

Acier inoxydable Tungstène Fer forgé

Alliages (cobalt, chrome, tungstène)

Fer malléable

Carbure de tungstène

Nitruré

Nickel

Fonte grise Acier à faible teneur en carbone

Acier à haute teneur en carbone

Acier rapide

5.1. Caractériser le métal de base : étincelage et magnétismeAvant d’envisager une opération de réparation-maintenance, il est important d’iden-tifier précisément le métal de base. Pour ce faire, deux éléments sont primordiaux : l’analyse chimique et le mode d’élaboration. Cela permet de définir les conditions opératoires de soudage adaptées.Si les informations ne sont pas disponibles, on pourra utiliser la méthode PMI (Posi-tive Material Identification) ou spectrométrie.

Le contrôle du magnétisme, à l’aide d’un aimant et par étincelage, est une méthode simple qui permet d’orienter une analyse.

Non magnétique Faiblement magnétique Fortement magnétique

Aciers inoxydables austénitiques série 300

Aciers inoxydables au manganèse

Cuivre

Laiton

Bronze

Aluminium

Monel (Nickel - Cuivre)

Inoxydables écrouissables

Inoxydables à haute teneur en ferrite

Inoxydables ferritiques

Aciers non, faiblement et fortement alliés (typiquement jusque 17 % Cr sans Mn ou Ni)

Fontes

Alliages base nickel et base cobalt

Caractériser votre rechargement dur par des essais

Test de l’aimant sur le métal de base

5


28 29

l L’essai Rockwell est, lui, destiné aux pièces ayant une plus haute dureté (supérieure à 450HB). L’utilisation d’un diamant conique permet d’exprimer les valeurs de dureté en HRC. Il est nécessaire d’avoir l’outil de mesure de dureté bien positionné par rapport à la pièce, afin de garantir une bonne prise de mesure. Dans tous les cas, trois mesures sont nécessaires afin de réaliser une moyenne.

l L’essai Vickers couvre la totalité des matériaux (tendres et durs). La sur-face à tester doit être très soignée, c’est pourquoi on retrouve souvent ce type d’échelle en laboratoire. La pénétration dans le matériau est réalisée à l’aide d’un diamant de forme pyramidale. En plus de sa large gamme d’utili-sation, l’essai Vickers permet également de réaliser des mesures de macro- et micro-dureté.

Grâce à ces outils de mesure, il est possible de caractériser tant les éléments extérieurs que les rechargements (matrice et phase dure) et substrats.

Pénétrateur Brinell Rockwell Vickers

NatureAcier trempé /Carbures

de tungstèneDiamant Diamant

Forme Sphère Cône Pyramide à base carrée

Principe

sphère

d

Charge

120°

Charge

Enfoncemente d

136°

Charge

5.2. Essais de dureté par pénétrationLe minéralogiste Friedrich MOHS a introduit la notion de “dureté” au début du 19ème siècle. Il a établi une échelle lui permettant de classer les minéraux en fonction de leur résistance à la rayure.

Aujourd’hui, la “dureté par pénétration” est largement répandue. On l’utilise ainsi lors des opérations de rechargement dur, puisqu’elle permet de caractériser le matériau considéré (métal de base, élément extérieur ou métal déposé).

Simples et rapides à effectuer, les essais de duretés sont très utilisés en atelier mais aussi sur chantier. Il est intéressant de noter qu’il existe de nombreux appareils de mesure portatifs ayant recours à diverses technologies (rebond, micro indenta-tion, Ultrasonic Contact Impedance, etc.). Néanmoins, l’interprétation des valeurs de dureté demande un regard averti ainsi qu’une connaissance de leur limite d’appli-cation.

Par ailleurs, il est important de ne pas faire d’amalgame entre “dureté”, “ténacité” et “résistance à l’abrasion”.

Pour les applications de rechargement dur, nous rencontrons fréquemment les du-retés type Vickers, Brinell et Rockwell. Le choix de l’échelle de mesure sera directe-ment lié à la capacité d’un matériau à se déformer sous l’action d’une force ainsi que les conditions de réalisation des essais.

l L’essai Brinell utilise une bille en acier trempé ou allié avec des carbures de tungstène. La dimension de l’empreinte étant relativement importante, il est aisé d’interpréter la mesure. De plus, l’état de surface de la zone à mesurer n’a pas besoin d’être particulièrement soigné ; un meulage fin sera suffisant.

1 - Talc

6 - Feldspath 7 - Quartz 8 - Topaze 9 - Corindon 10 - Diamant

2 - Gypse 3 - Calcite 4 - Fluorite 5 - Apatite


30 31

Perte en masse ajustée de trois fils type fonte au chrome.

inséré à débit constant entre les deux éléments, de manière à reproduire une usure simulant des milliers d’heures de service.

A la fin de l’essai, la perte en volume de l’échantillon est quantifiée. Il est alors possible de classer des solutions anti-usure puis, de sélectionner la solution répondant le mieux au besoin. WELDING ALLOYS réalise ces essais en interne et s’est ainsi constitué une base de données importante permettant de faire un choix efficace combinant réponse au besoin et solution économique.

Essai d’abrasion ASTM G65

Pert

e en

mas

se a

just

ée

Tôle traitéethermiquement

400HB

Fonte blanche

Substrat Métal d’apport

HARDFACE HC-O HARDFACE CN-O HARDFACE CNV-O

Exemples de valeurs de dureté mesurées pour des matériaux usuels.

5.3. Essais d’abrasionL’abrasion faible ou modérée est une des principales causes d’usure dans l’indus-trie. Il existe de nombreuses solutions pour lutter contre ce type d’usure. Une mé-thode a été mise en place pour les comparer et les classer de manière rigoureuse.

La méthode ASTM G65 décrit donc ces essais de mesure d’abrasion normalisée comme un “Essai destructif permettant de comparer la résistance à l’usure par abra-sion faible ou modérée d’un type de rechargement par rapport à un autre”.

Plus simplement, l’essai consiste à appliquer une éprouvette sous une pression constante contre une roue en rotation. L’abrasif (ex : sable d’Ottawa) est, quant à lui,

Matière première

Dureté (HV)

Charbon ~ 32

Gypse 36

Chaux 110

Calcite 140

Fluorspar 140

Coke 200

Minerai de fer 470

Verre 500

Feldspath 600 / 750

Aggloméré ~ 770

Quartz 900 / 1280

Corindon 1800

Type Symbole Dureté (HV)

Carbures

SiC 3000

TiC 3200

VC 2900

NbC 2000

Cr2C3 1350

Mo2C 1500

WC / W2C 2000 / 1800

Borures

TiB2 3300

VB2 2100

NbB2 2600

CrB2 2100

MoB 2500

Nitrures

Si3N4 3300

TiN 2100

VN 1500

NbN 1400

CrN 1100

Aspect des échantillons après essais

1 - abrasif2 - buse3 - roue revêtue de caoutchouc4 - échantillon d’essai5 - charge


32 33

Le choix du bon consommable de rechargement dur

6.1. La désignation normalisée suivant EN 14700Les “produits consommables pour le rechargement dur”, devant résister à des usures de multiples types, sont classifiés selon les désignations normalisées NF EN 14700.

Ces désignations spécifient notamment la composition chimique du métal fondu hors dilution des fils et baguettes fourrés. Ainsi, l’appellation du métal d’apport se décompose en deux parties :

l La forme du produit “T” pour les produits tubulaires fourrés.

l Le symbole d’alliage pour la composition chimique hors dilution.

Exemple :

Un métal d’apport type fonte au chrome à 27%Cr et 5%C (HARDFACE HC-O) aura pour désignation T Fe15.

C Cr Ni Mn Mo W V Nb Autres Base

Fe15 4.5 - 5.5 20 - 40 ≤ 4 0,5 - 3 ≤ 2 - - ≤ 10 B Fe

Un métal d’apport base Cobalt grade 6 (STELLOY 6-G) aura pour désigna-tion T Co2.

La composition chimique des métaux d’apport permet aux utilisateurs avertis de saisir rapidement la fonctionnalité du produit. En effet, chaque élément d’alliage ou combinaison d’éléments a une fonctionnalité ; que ce soit pour la soudabilité mais aussi et surtout pour les caractéristiques physiques, mécaniques et chimiques du dépôt.

Dans la pratique, lors du choix de métal d’apport, il convient de déterminer les rai-sons de l’ajout d’un élément. Pour faire le choix le plus approprié et répondre le mieux au besoin, cette étape est nécessaire.

On trouvera ci-après un tableau décrivant les principales influences des éléments d’alliage exercées sur le dépôt.

5.4. RessuageOn trouve des fissurations dans le métal de base mais également dans le métal déposé. Les causes peuvent être très diverses mais sont, en général, directement liées aux opérations de soudage.

Bien que parfois tolérées, il peut être nécessaire d’avoir un dépôt exempt de fissures et de toutes indications débouchantes, pas toujours visibles à l’œil nu.

Le ressuage (PT = Penetrant Testing) est une technique de contrôle surfacique qui permet de déceler les défauts débouchants sur tous types de matériaux non poreux. Ce contrôle se réalise en trois grandes étapes :

l Appliquer un pénétrant sur la pièce en question. Le liquide va s’infiltrer à l’intérieur des défauts débouchants, ceci pendant une durée de 15-30 minutes.

l Éliminer l’excès de pénétrant à l’aide d’un chiffon blanc, sec et non pelu-cheux.

l Appliquer une fine couche de produit révélateur qui va agir comme un buvard (effet de capillarité) en faisant “ressuer” le liquide resté dans les défauts. On obtient ainsi une indication colorée caractérisant le défaut.

Principe de fonctionnement du contrôle par ressuage.

uapplication

du pénétrant

wapplication

du révélateur

xrévélationdu défaut

vnettoyage

C Cr Ni Mn Mo W V Nb Autres Base

Co2 0.6 - 3 20 - 35 ≤ 4 0,1 - 2 - 4 - 10 - - Fe Co

6


34 35

CLe Carbone peut se lier avec d’autres alliages pour former des carbures (phases dures).La résistance et l’aptitude à la trempe de l’acier augmente au fur et à mesure que la teneur en carbone s’accroît ; alors que l’allongement et l’aptitude au soudage et à l’usinage régresse.

ssss ss tttt tttt tt

Cr

Le Chrome favorise la résistance à chaud.Les teneurs en chrome plus élevées augmentent l’inoxydabilité à chaud, une teneur minimum d’environ 13% est nécessaire pour la résistance à la corrosion des aciers. Le chrome aura tendance à réduire la conductivité thermique.Le chrome est générateur de carbures qui auront pour effet d’améliorer la résistance à l’usure.

ssss ss tttt ttt ssss

MoLe Molybdène appartient à cette catégorie d’éléments accroissant la résistance à la corrosion et est donc fréquemment mis en œuvre dans les aciers austénitiques Cr-Ni. ss sss ss t ss

NbLe Niobium est un puissant générateur de carbures. Cet élément peut être utilisé comme stabilisateur dans les aciers austénitiques réfractaires. ssss sss s ttt s

VLe Vanadium est générateur de carbures et permet une réduction de la sensibilité à la surchauffe. Ainsi, il est fréquent de retrouver cet alliage pour les applications avec aciers rapides de travail à chaud.

sss ss t ttt -

WLe Tungstène est un puissant générateur de carbures très durs. Cet élément augmente la résistance aux températures élevées et est donc utilisé pour les applications d’aciers à outils. ssss ssss tt tttt

-

TiLe Titane se lie facilement à d’autres éléments comme l’oxygène (effet désoxydant) mais aussi le carbone pour former des carbures. Ceux-ci sont très fin conférant ainsi une bonne résistance aux chocs extérieurs.

sss - sss t s

Mn

Le Manganèse joue un rôle important dans la composition d’un métal d’apport. Ainsi, lorsque sa teneur dépasse 12% avec un carbone élevé, le dépôt sera austénitique conférant ainsi une excellente résistance au choc et ténacité de par son écrouissage.Pour des valeurs excédant 18%, le dépôt devient alors amagnétique.

- - sss sss -

NiLe Nickel n’est pas générateur de carbures. Il entraîne dans les aciers de construction une amélioration substantielle des résiliences. Ajouté en des teneurs supérieures à 7% et en présence d’un chrome élevé, la structure devient austénitique.

- ss ss ss s

CoLe Cobalt favorise très largement la tenue à chaud en freinant la croissance des grains. De plus, il offre une excellente tenue à la corrosion et à l’érosion. ss ssss ss ss ssss

6.2. Description des éléments

Description Tenue à température Tenue aux chocs Ductilité CorrosionDuretés & Carbures


36 37

6.3. Classification en familles de produitsDepuis les années 1940, le nombre d’écrits relatifs au sujet “Rechargement dur / Hardfacing” a considérablement augmenté. Afin de faciliter les explications relatives à ce sujet, les auteurs ont pris pour habitude de diviser l’ensemble des métaux d’apport en quatre familles de produits. [1] [2]

Les bases fer sont scindées, de manière assez arbitraire, en deux parties :l les alliages comprenant moins de 20 % d’éléments d’addition,l les alliages comprenant plus de 20 % d’éléments d’addition.

La troisième famille de produit concerne les rechargements durs non-ferreux et est représentée majoritairement par les bases cobalt et nickel. Enfin, le quatrième groupe correspond aux alliages avec carbures de tungstène.

l Groupe N°1 : Base fer à moins de 20% d’alliage.l Groupe N°2 : Base fer à plus de 20% d’alliage.l Groupe N°3 : Alliage non-ferreux, base cobalt ou nickel.l Groupe N°4 : Alliage avec carbures de tungstène.

uuu Groupe No1 : Base fer à moins de 20 % d’alliage

n Aciers non alliés Ces métaux d’apport contiennent au maximum 0.2 % C et les duretés après soudage ne dépassent pas 250HV. L’existence de ces consommables est justifiée pour la reconstitution de pièces avant rechargement dur. Ainsi, ils permettent une transition métallurgique entre le métal de base mou et le rechargement dur.En effet, le métal déposé possède de bonnes résistances mécaniques et travaille très bien en compression. Par contre, sa composition fait de lui un métal d’apport non performant face à l’usure.

[1] Weld surfacing and hardfacing : The welding institute [2] Hardfacing by welding : M. RIDDIHOUGH

Exemple de métaux d’apport “non alliés”.

Désignation C Mn Si Cr Mo Ni

HARDFACE BUF 0.12 1.2 0.5 1.5 +

SPEEDARC X121T5-K4 0.07 1.4 0.5 0.55 0.4 2

Exemple de métaux d’apport “moyennement alliés”.

n Aciers faiblement et moyennement alliés Les métaux d’apport déposant une structure martensitique et bainitique sont généralement les plus communs. Ils se caractérisent par leur coût relativement faible et leur résistance à l’usure, directement liée aux éléments d’addition présents. En plus du carbone, ces métaux d’apport peuvent comporter :

l des éléments carburigènes, tels que le chrome et le molybdène,l des éléments affinant la structure, tels que le manganèse.

Les carbures alors formés présentent des duretés pouvant varier entre 250 et 700HV.

Il est intéressant de noter que les dépôts proposant des duretés de moins de 300HV seront facilement usinables tandis que les rechargements dépassant 50HRC sont beaucoup plus complexes à usiner.

Plus la dureté du dépôt sera élevée, plus la résistance à l’abrasion faible ou modérée sera importante. Ainsi, on retrouve fréquemment ces matériaux dans les activités de terrassement et agricoles.

n Aciers inoxydables martensitiques

Les aciers inoxydables martensitiques, possédant plus de 12 % Cr, proposent une bonne résistance à l’usure par fatigue thermique et à la corrosion. De plus, ces nuances sont idéales pour les applications où l’usure métal-métal à température est existante. Ainsi, les inoxydables martensitiques sont largement utilisés pour la coulée, le laminage ou encore le formage des aciers en sidérurgie et en forge.

L’addition d’éléments tels que l’azote ou encore le cobalt permet d’accroître la résistance de ces alliages à hautes températures et à la corrosion.

Désignation C Mn Si Cr Mo Duretés 3 couches Structure

ROBODUR K 250 0.1 1.5 0.7 1.5 0.2 250 HB Bainite

ROBODUR K 350 0.15 1.5 0.7 2 0.2 350 HBBainite /

Martensite

ROBODUR K 450 0.4 1.5 0.7 2.5 0.5 450 HB Martensite

ROBODUR K 600 0.5 1.2 0.7 6 0.7 600 HB Martensite

ROBODUR K CERAMIC 0.35 0.7 2.5 9.5 57 HRC Martensite

HARDFACE T 0.15 1.5 0.9 1.5 32-33 HRCBainite /

Martensite

HARDFACE L 0.5 1.6 2.3 8.5 57 HRC Martensite


38 39

L’azote aura pour effet de réduire la ségrégation de carbures de chrome aux joints de grain et apportera une meilleure résistance à la corrosion par piqûration (PREN=Cr+3.3Mo+16N). Le cobalt apportera, quant à lui, une meilleure résistance du dépôt à la température et donc à la fatigue thermique ainsi qu’à la corrosion.

Lors d’une application sur un métal de base faiblement ou moyennement allié, il est nécessaire d’appliquer une couche tampon spécifique et sur-alliée en chrome (~ 17 %) qui permettra de garantir la santé métallurgique et la non fissuration du dépôt en service.

Exemple de métaux d’apport “hautement alliés”.

Exemple de métaux d’apport “aciers à outils”.

n Aciers à outils

Les aciers à outils permettent de travailler le métal à haute température, à cycles répétés, en restant dans une gamme de température d’environ 500-600°C, sans pour autant s’adoucir.

Désignation C Mn Si Cr Ni Mo N V W Co Duretés 3 couches

CHROMECORE 430 0.05 1 0.8 17.5 220 HB

CHROMECORE 414 0.05 1.2 1 13.5 4 0.5 40 HRCCHROMECORE 434N 0.05 1.2 0.7 17 3.5 0.5 0.08 38 HRCCHROMECORE 414N 0.05 1.2 0.8 14 3.5 1 0.07 42 HRCCHROMECORE 434DN

0.05 1.2 0.8 16.5 3 0.5 0.08 0.5 0.8 2 40 HRC

CHROMECORE 414DN

0.05 1.2 0.8 13.5 4 0.5 0.07 0.5 0.8 2 42 HRC

n Aciers austénitiques au manganèse

Les aciers possédant entre 12 et 14 % Mn ont une structure austénitique douce (dureté ~ 200HV), ayant la capacité de s’écrouir en surface lorsque la pièce est soumise à de forts impacts. Des duretés d’environ 500HV peuvent être atteintes.

En cas de formation de fissures en service, la durée de vie du rechargement n’est pas forcément compromise. En effet, ce type de dépôt présente une forte résistance à la propagation de fissures.

Ces nuances à 14 % Mn ont un taux de carbone d’environ 1 %. La conséquence est une fragilisation en cas de refroidissement trop lent du fait d’une précipitation de carbures aux joints de grain. Il est alors fréquent de retrouver des pièces massives en 14 % Mn ayant été hypertrempées à 1000°C pour obtenir une structure austénite pure.

Cette remise en solution n’est hélas pas toujours possible. Il faudra donc éviter, tant que possible, une température entre-passe excessive et un refroidissement trop lent. Le fil fourré se présente alors comme le métal d’apport idéal pour allier santé métallurgique et productivité.

En cas de rechargement dur au 14 % Mn sur un substrat non ou faiblement allié, il est vivement recommandé d’utiliser une couche tampon type inoxydable austénitique (307 ou 312). Cela permettra d’éviter tout risque de formation d’une zone affectée thermiquement martensitique. Sans cette couche intermédiaire, on verrait se former une zone fragile qui conduirait, sous fort impact, à une décohésion du rechargement.

Exemple de métaux d’apport “austénitiques au manganèse”.

L’ajout d’éléments tels que le molybdène, le vanadium, titane et tungstène permet de répondre à de telles exigences.

Les outils de forge - couteaux, matrices et marteaux - représentent un exemple typique d’utilisation de ces aciers.

Ces aciers rapides sont donc idéaux pour résister aux usures combinées : fatigue thermique, déformation plastique, fatigue de contact.

Nous verrons dans les prochains paragraphes que d’autres solutions plus alliées sont aussi envisageables : STELLOY Cobalt et Nickel.

Désignation C Mn Si Duretés 3 couchesBrutDuretés 3 couches

Ecroui

HARDFACE NM14 1 14 0.5 200 HB 46 HRC

Désignation C Mn Si Cr Mo Ti W Autres Duretés 3 couches

ROBOTOOL 46 0.2 1 0.6 5 4 0.3 42-45 HRC

ROBOTOOL 47 0.2 1 0.6 6 4 0.3 40-42 HRC

ROBOTOOL 58 0.37 1.4 0.6 7 2.5 0.3 54-58 HRC

HARDFACE WLC 0.25 2 0.8 6.5 1.5 1.5 43-45 HRC

HARDFACE W 0.5 2 0.8 6.5 1.5 0.2 1.5 54-56 HRC

HARDFACE WMoLC

0.3 0.8 0.6 6.5 2 2 V: 0.6 50-53 HRC

HARDFACE AR 1.1 0.4 0.25 5 7.6 2.2 V: 1.1 60-63 HRC


40 41

Désignation C Mn Si Cr Mo Ni Co Duretés 3 couches

HARDFACE DCO 0.15 0.4 0.7 14 2.5 0.5 12.5 47 HRC

Exemple de métaux d’apport “chrome-manganèse”.

Exemple de métaux d’apport “aciers à outils”.

uuu Groupe No 2 : Base fer à plus de 20 % d’alliage

n Aciers austénitiques au Chrome - Manganèse

Tout comme les aciers à 14 % Mn, les dépôts austénitiques au chrome - manganèse sont auto-écrouissables. Cependant, du fait de leur fort taux d’alliage, il est possible d’appliquer ce produit directement sur les substrats non ou faiblement alliés ; sans risque de formation de structure martensitique à l’interface. Ainsi, il est fréquent de retrouver ce type d’alliage en couche tampon avant dépôt d’un alliage à 14 % Mn.

De plus, il est intéressant de noter que la présence de chrome (de manière conséquente) rend cet alliage indécoupable au chalumeau.

n Aciers à outils

Répondant parfaitement aux sollicitations à hautes températures (500-600°C), le métal d’apport HARDFACE DCO est un super alliage offrant des performances très proches des bases Cobalt. Ceci est possible grâce aux éléments d’addition tels que le cobalt, le chrome ou encore le molybdène.

n Phases dures à carbures insérés dans matrice

Ces rechargements sont composés de phases dures dans une matrice à structure variable dépendant de la composition du métal d’apport : martensitique, bainitique ou austénitique. Ces dépôts sont principalement utilisés pour résister à l’usure par abrasion. Ainsi, lorsque l’abrasion est faible ou modérée, on privilégie les dépôts à matrice austénitique. En revanche, pour les abrasions fortes sous pression, une matrice martensitique donnera entière satisfaction.

La taille des phases dures (carbures, borures), ainsi que leur dispersion au sein de la matrice, auront une influence directe sur la résistance du dépôt à l’abrasion. En effet, pour une même dureté, un rechargement ayant des carbures plus compacts et plus

Désignation C Mn Si Cr NiDuretés 3 couches

Brut

Duretés 3 couchesEcroui

HARDFACE 19 9 6 0.1 6 0.5 19 9 180 HB 47 HRCHARDFACE AP 0.4 16 0.5 14 240 HB 48 HRC

Grand copeau

Substrat Substrat Substrat

Rechargementdur

Rechargementdur

Rechargementdur

Copeau de taillemoyenne

Carbure detitane

Matrice

Petit copeau

Carbure de chrome

Matrice

gros aura tendance à donner meilleure satisfaction qu’un rechargement moyennement allié.

En cas d’abrasion sévère sous impact, un dépôt aux carbures de titane répondra parfaitement au besoin. En effet, la répartition régulière et fine de phases dures assure une réponse adéquate du rechargement face à la sollicitation de l’élément extérieur.

Exemple de métaux d’apport à “phases dures à carbures insérés dans matrice”.

Désignation C Mn Si Cr Mo Nb Autres Duretés 3 couchesStructure matrice

HARDFACE HC

5 1.5 1.5 2758 - 64 HRC

Austénitique

HARDFACE CN

5 0.5 1 22 762 - 64 HRC

Austénitique

HARDFACE CNV

5.5 0.5 1.5 22 5.5 6W : 2

V : 165 HRC Austéno-martensitique

HARDFACE DIAMOND

>5 1 1 >10 + V : +60 - 65 HRC

Austéno- martensitique

HARDFACE HC333

3.5 0.2 1 32.5 0.5 60 HRC Austénitique

HARDFACE TIC

1.8 1.2 0.7 6.5 0.8Ti : 5

V : 0.256 - 60 HRC

Martensitique

HARDFACE BN

0.5 2 1.3B : 4.5

Ni : 265 HRC Martensitique

HARDFACE BNC

2.5 2 0.6 11.5 5 B : 2.264 - 68 HRC

Martensitique

HARDFACE NCWB

1.1 0.8 0.8 22 3.5 3.5W: 6 B: +

64 - 68 HRC

Austénitique

Influence des différentes structures pour résister à l’abrasion.De gauche à droite : ROBODUR K 650, HARDFACE TIC, HARDFACE HC.


42 43

uuu Groupe No 3 : Alliage non-ferreux, base Cobalt ou Nickel

n Alliages bases cobalt

Les produits de rechargement STELLOY sont composés d’une association de trois éléments principaux : cobalt, chrome, tungstène. Le cobalt étant majoritaire, cet alliage est parfaitement adapté aux applications soumises aux hautes températures (jusqu’à 800°C) tout en conservant des duretés élevées dans le temps. Créant une couche protectrice, le chrome possède, lui, une fonction d’anti-oxydation. De plus, tout comme le tungstène, il peut s’allier au carbone pour former des carbures durs.

Plus la valeur de carbone sera faible, meilleure sera la résistance du recharge-ment à l’impact. Ainsi, un STELLOY grade 21 sera moins sensible à la fissuration et proposera de meilleures caractéristiques à l’impact. Le STELLOY 6 aura, lui, une meilleure résistance à l’abrasion tant à froid qu’à température.

Ces bases cobalt sont idéales pour les usures par friction métal-métal à haute tem-pérature et avec présence d’abrasifs. En effet, leur faible coefficient de friction, ainsi que leur auto-polissage en cours de process, les rendent résistantes au marquage (voir découpage) avec une excellente qualité de surface de contact.

Afin d’éviter la fissuration, toute opération de soudage de ce type de métaux d’ap-port nécessite un préchauffage. Dans la plupart des cas, les STELLOY grade 6 sont soudés en respectant une température de préchauffage de l’ordre de 350°C, suivi d’un refroidissement lent sous enveloppe protectrice.

Désignation C Mn Si Cr W Fe AutresDuretés 3 couches

Brut


STELLOY 25 0.15 1.5 1 20 14 4 Ni : 9.5 210 HB 40 HRC

STELLOY 21 0.25 1 1 28 4Ni : 3

Mo : 5.533 HRC 47 HRC

STELLOY 6BC 0.9 1 1 28.5 4.5 4 38 HRC

STELLOY 6 1.05 1 1 28.5 4.5 4 42 HRC

STELLOY 6HC 1.2 1 1 28.5 4.5 4 44 HRC

STELLOY 12 1.5 1 1 30 7.5 4 45 HRC

STELLOY 1 2.3 1 1 28.5 12 4 53 HRC

Exemple de produits d’apport “alliages base cobalt”.

n Alliage base nickel

Les bases nickel les plus répandues en rechargement dur sont celles contenant du chrome, du bore et du carbone. Elles sont composées de multiples phases dures (carbures et borures de chrome) dans une matrice nickel chrome. Grâce à cette structure, le rechargement offre une bonne résistance à l’oxydation (jusqu’à ~ 950°C) et conserve des duretés élevées (jusqu’à ~ 500°C).

La résistance à l’abrasion faible ou modérée est bonne quelle que soit la tempé-rature de process et s’améliorera proportionnellement à l’augmentation du taux de carbone. En revanche, la résistance de ce type d’alliage à l’abrasion forte / sous-pression est pauvre. De la même manière, l’abrasion sévère sous fort impact dégra-dera le rechargement. En effet, les impacts auront pour conséquence de casser les phases dures pouvant aller jusqu’à 4000HV.

Ces alliages sont principalement utilisés pour les applications soumises à l’abra-sion et la corrosion à haute température : valves, siège de soupape, vis sans fin de transport. Le tableau ci-dessous présente des produits typiques de cette famille :

Exemple de produits d’apport “alliages base nickel”.

Désignation C Mn Si Cr B Fe Duretés 3 couches

STELLOY 40 0.5 0.2 2 12.5 2.5 2.5 40 HRCSTELLOY 50 0.6 0.2 4 11.5 2.5 3.5 50 HRCSTELLOY 60 0.85 0.2 4 14.5 3 4.5 55 - 60 HRC

D’autres alliages à base nickel existent et sont, eux, particulièrement résistants aux contraintes à température élevée et aux chocs thermiques. En effet, la combinaison des éléments chrome, molybdène, tungstène et cobalt leur confère les propriétés idéales pour les marteaux de forge. Le tableau ci-dessous présente des produits typiques de cette famille :

Exemple de produits d’apport “alliages base nickel”.

Désignation C Mn Si Cr Fe Mo W AutresDuretés 3 couches

Brut


STELLOY Ni520

0.06 0.2 0.2 13 2.2 6 0.8

Co : 11.5

Ti : 3

Al : 2

250 HB 400 HB

STELLOY C 0.05 0.6 0.5 16 5 16 4.5 200 HB 320 HB


44 45

Désignation Matrice WC Duretés 1 coucheDuretés

phases dures

HARDFACE NICARBW

Matrice base nickel

46 47

6.5. Sélection du bon métal d’apport pour rechargement durPour faciliter le choix du métal d’apport de rechargement dur, WELDING ALLOYS pro-pose ces deux graphiques. Ils permettent de sélectionner le produit idéal en fonction des contraintes de service et des sollicitations :

uuu Les facteurs primaires (abrasion et choc),

Impa

ct /

Cho

c

Abrasion

HARDFACE AP

Aciers austénitiques

Ecrouissage

au Cr-Mn

ROBOTOOL

ROBODUR

ROBOTOOL

ROBODUR

CHROMECORE

STELLOY Ni

STELLOY Co

Bases Nickel

Bases Cobalt

HARDFACE CN HARDFACE HC

HARDFACE CNV HARDFACE DIAMOND

Fontes au chrome

HARDFACE NICARBW HARDFACE STEELCARBW

Alliages avec carbures de tungstène

HARDFACE TIC

Fontes au chrome TiC

Aciers rapides / aciers à outils

Aciers faiblement et moyennement alliés

Aciers inoxydables martensitiques

Tempé

rature

Corrosion

400°C

600°C

HARDFACE HC

HARDFACE CNV

HARDFACE CN

HARDFACE DIAMOND

Fontes au chrome

HARDFACE TIC

Fontes au chrome TiC

HARDFACE AP

Aciers austénitiques au Cr-Mn

HARDFACE STEELCARBW


ROBOTOOL

ROBODUR Aciers faiblement et moyennement alliés

Aciers rapides / aciers à outils

CHROMECORE

Aciers inoxydables martensitiques

STELLOY Co STELLOY Ni

Bases Cobalt

Bases Nickel

HARDFACE NICARBW


uuu Les facteurs secondaires (température et corrosion).


48 49

6.6. Quelles sont les bonnes questions à se poser avant réparation maintenance ?

Type d’usure

Abrasion faible ou modérée / faible impact Cavitation

Abrasion forte / sous pression Fatigue thermique

Abrasion sévère / fort impact Fatigue de contact

Érosion Corrosion

Usure combinée

Description

A quoi sert la pièce

Problème(s) rencontré(s)

Type de pièce

Industrie

Dimensions / encombrement

Autre (plan / photo) Oui Non

Durée de vie souhaitée

Critère de rebut des pièces

Cette pièce détermine-t-elle la fenêtre de maintenance ? Oui Non

Si Oui, en dehors de cette pièce, quelle autre pièce définirait la nouvelle fenêtre de maintenance ?

A combien serait portée cette nouvelle fenêtre de maintenance ?

Opération de maintenance / réparation / rechargement

Position de soudage Nombre de pièces

Accessibilité Durée maxi d’intervention

Substrat

Métal de base

Analyse chimique

Carbone équivalent

Rechargement déjà existant

Épaisseur déposée initialement

Procédé(s) de rechargement souhaité(s)

TIG MMA TE MIG/MAG SAW

Manuel Automatique

Semi-automatique Robotisé

Caractéristique du dépôt

Épaisseur à déposer

Nombre de couches

État de surface (brut ou usiné)

Tolérance des fissures

Traitement thermique après soudage

Vitesse de montée (°C/h)

Palier (°C)

Vitesse de refroidissement (°C/h)

% Mn % Cr + % Mo + % V % Ni + % CuCeq = %C + + +

6 5 15

Scannez-moi et envoyez-moi ) [email protected]


50 51welding-alloys.com welding-alloys.com

Les différentes structures micrographiquesM

icro

grap

hies

HARDFACE HC-O

Carbures de chrome primaires

Carbures de chrome secondaires

HARDFACE TIC-O

Carbure de titane

HARDFACE NICARBW-G

Carbures de tungstènedans une matrice

Ni-Cr-B-Si

7

Mic

rogr

aphi

es

ROBOTOOL 34W-G

Après traitement thermique (580°C-10h)

Matrice martensitique avec austénite résiduelle

STELLOY 6-G

Matrice cobalt avec phases dures

CHROMECORE 414N-S

Structure martensitique avec ferrite delta inférieure

à 7 %


Exemples d’application par industrieSi

déru

rgie

Rouleau de coulée continue

CHROMECORE 434N-SCHROMECORE 414N-S

Rouleau de coulée continue

CHROMECORE 434DN-OCHROMECORE 414DN-O

Etoile d’agglomération

HARDFACE CNV-O

8

Sidé

rurg

ie Cloche de haut fourneau

HARDFACE CN-OHARDFACE CNV-O

Forg

e

Matrice de forge

HARDFACE DCO-G

Selle de forge

STELLOY C-G + STELLOY Ni520-G


Exemples d’application par industrieC

entr

ale

ther

miq

ue

Galet de broyage

HARDFACE HC-OHARDFACE CN-O

HARDFACE CNV-OHARDFACE DIAMOND

Piste de broyage



Cône de distribution


HARDFACE CNV-OC

imen

terie

Galet de broyage



Disque de concasseur

HARDFACE TIC-O

Reconstitution galet d’appui de four

GAMMA 182


Exemples d’application par industrieM

ine

et c

arriè

re

Concasseur

HARDFACE TIC-OHARDFACE CN-O

Engrenage

HARDFACE T-OHARDFACE AP-O

Roue pelle

HARDFACE HC-OHARDFACE

STAINCARB W-OHARDFACE NICARBW-G

Sucr

erie

Cylindre de moulin

HARDFACE BUF-OHARDFACE UCW-O

MAX EXTRACT

Cylindre de moulin

HARDFACE BUF-OHARDFACE UCW-O

MAX EXTRACT PLUS

Marteaux de broyage

HARDFACE TIC-O


Exemples d’application par industrieR

ecyc

lage

et

envi

ronn

emen

t

Presse à rouleau

HARDFACE 167Nb-S

Briq

uete

rie

Vis de transport

HARDFACE HC-OHARDFACE CNV-O

HARDFACE NICARBW-G

Cône d’introduction

HARDFACE HC-O

Rec

ycla

ge e

t en

viro

nnem

ent

Broyeur à pneus

HARDFACE AP-O+ HARDFACE TIC-O

Dra

gage

Corps de pompe& plaque d’usure

HARDFACE HC-O

Tuyauterie & coude

HARDFACE TIC-O


Exemples d’application par industrieTr

ansp

ort f

erro

viai

re

Cœur d’aiguille

HARDFACE APRAIL-O

Virage tramway

HARDFACE 19 9 6-S

Rail à champignon

HARDFACE TLN-OC

entr

ale

hydr

oéle

ctriq

ue

Godet de turbine Pelton

CHROMECORE M 410NiMo-G

Pale de turbine Kaplan

TETRA V 309L-G + CAVITALLOY

Manteau de turbine Kaplan

TETRA V 316L-G


Nos machines automatiques de rechargement9W

A M

achi

nes

FROG TOP RAILRechargement des cœurs de croisement et champignons de rails

H-FRAMEFacilite le rechargement de toutes sortes de pièces en atelier

Multiples configurations possibles: table tournante, vireur, positionneur, etc.

SCREWFLIGHTRechargement des vis sans fin: axe, filet, spire, arrêtes et faces de poussées

WA

Mac

hine

s

ROLL CLADDERRechargement des rouleaux de coulées continue (soudage à l’arc submergé ou avec fil fourré auto-protecteur)

PLATE CLADDER Rechargement de tôles à l’aide de multiples têtes de soudage synchronisées

Table de bridage étudiée pour limiter les déformations et limiter le parachèvement

ROTARY PLATE CLADDERRechargement de tôles à l’aide de multiples têtes de soudage synchronisées

Les tôles sont envirolées pour l’opération de rechargement et finalement redressées en fin d’opération de soudage.


Nos machines automatiques de rechargementW

A M

achi

nes

FROG TOP RAIL

H-FRAME

SCREWFLIGHT

WA

Mac

hine

s

ROLL CLADDER

PLATE CLADDER

ROTARY PLATE CLADDER


Notes Notes

68 welding-alloys.com

Notes

Table de conversion de duretés (suivant ASTM E140)

HRC HV HB Standard HRC HV HB Standard

68 940 -67 900 -66 865 -65 832 -64 800 -63 772 -62 746 -61 720 -60 697 -59 674 -58 653 -57 633 -56 613 -55 595 -54 577 -53 560 -52 544 50051 528 48750 513 47549 498 46448 484 45147 471 44246 458 43245 446 42144 434 40943 423 40042 412 39041 402 38140 392 37139 382 36238 372 35337 363 34436 354 33635 345 32734 336 31933 327 31132 318 30131 310 29430 302 28629 294 27928 286 27127 279 26426 272 25825 266 253

24 260 24723 254 24322 248 23721 243 23120 238 226

222 222216 216210 210205 205200 200195 195190 190185 185180 180176 176172 172169 169165 165162 162159 159156 156153 153150 150147 147144 144141 141139 139137 137135 135132 132130 130127 127125 125123 123121 121119 119117 117116 116114 114112 112110 110108 108107 107

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Une présence mondiale

July

201

8

les fondamentaux du par fusion - welding alloys...1 les fondamentaux du rechargement dur par fusion...

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