Technologie de base du fil de soudage résistant à l'usure : comment la poudre de fer au chrome à haute teneur en carbone améliore la résistance à l'usure
I. Analyse des principaux facteurs influençant la résistance à l'usure des fils de soudage résistants à l'usure
1.1 Composition et microstructure du matériau de la matrice du fil de soudage
Le matériau de la matrice du fil de soudage constitue la base d'un fil résistant à l'usure. Sa composition chimique et sa microstructure ont un impact fondamental sur la résistance à l'usure du métal déposé. Du point de vue de la composition chimique, des éléments tels que le carbone, le manganèse et le silicium présents dans la matrice influencent non seulement les performances du procédé de soudage, mais interagissent également avec les éléments du matériau de renforcement pour réguler la formation et la distribution des phases de renforcement dans le métal déposé. Par exemple, le carbone peut former des carbures avec des éléments comme le chrome et le tungstène, tandis que le manganèse améliore la fluidité du bain de fusion et renforce la compacité des joints soudés. En termes de microstructure, la taille des grains et la composition de phase du matériau de la matrice déterminent directement les propriétés mécaniques initiales du métal déposé. Un matériau de matrice à grains fins présente généralement une résistance et une ténacité supérieures, offrant un excellent support pour la distribution uniforme des phases de renforcement. De plus, la proportion de phases telles que la perlite et la ferrite dans la matrice influe également sur la dureté et la résistance à l'usure du métal déposé. Une régulation rationnelle de la microstructure de la matrice est essentielle pour améliorer la résistance à l'usure.
1.2 Types et règles de distribution des phases de renforcement des alliages
Les phases de renforcement des alliages sont essentielles à l'amélioration de la résistance à l'usure des fils de soudage résistants à l'usure. Leur type, leur quantité, leur taille et leur distribution déterminent directement l'efficacité de cette amélioration. Dans le métal déposé par le fil de soudage résistant à l'usure, les phases de renforcement les plus courantes sont les carbures, les nitrures et les borures. Parmi elles, les carbures sont largement utilisés en raison de leur dureté et de leur stabilité élevées. Différents types de carbures présentent des duretés et des stabilités différentes. Par exemple, la dureté du Cr₇C₃ atteint 1800 à 2200 HV, ce qui est bien supérieur à celle du matériau de la matrice et contribue significativement à l'amélioration de la résistance à l'usure. De plus, la distribution des phases de renforcement est également cruciale. Des phases uniformément dispersées peuvent mieux freiner le mouvement des particules abrasives et éviter une usure localisée excessive. À l'inverse, l'agrégation et la ségrégation des phases de renforcement entraînent des performances hétérogènes du métal déposé, réduisant ainsi sa résistance à l'usure et sa ténacité. Par conséquent, le choix rationnel du type de phases de renforcement de l'alliage et la régulation de leur distribution uniforme par des moyens techniques sont des éléments clés pour améliorer la résistance à l'usure du fil de soudage résistant à l'usure.
1.3 Mécanisme de régulation du procédé de soudage sur la résistance à l'usure du métal déposé
Le soudage est une étape cruciale qui consiste à relier le fil d'apport au matériau de base et à former le métal déposé. Ses paramètres (courant, tension, vitesse de soudage, type de gaz de protection, etc.) influencent fortement la composition chimique, la microstructure et la résistance à l'usure du métal déposé. L'intensité du courant et de la tension de soudage influe directement sur l'apport de chaleur, qui à son tour influe sur la température et la vitesse de refroidissement du bain de fusion. Un apport de chaleur trop important augmente la température du bain de fusion, provoque un grossissement des grains et une dissolution excessive des phases de renforcement, réduisant ainsi la dureté et la résistance à l'usure du métal. À l'inverse, un apport de chaleur insuffisant peut entraîner un soudage incomplet, avec des défauts tels qu'une pénétration incomplète et des inclusions de laitier, affectant également les performances du métal déposé. La vitesse de soudage influe sur la qualité de la formation et la vitesse de refroidissement du métal déposé ; une vitesse de soudage appropriée garantit une épaisseur uniforme et une structure dense. Le type et le débit du gaz de protection servent principalement à prévenir l'oxydation du bain de fusion, à assurer la stabilité du procédé de soudage et à éviter les effets néfastes des produits d'oxydation sur les performances du métal déposé. Par conséquent, l'optimisation des paramètres de soudage afin de contrôler précisément la microstructure du métal déposé est essentielle pour améliorer la résistance à l'usure des fils de soudage résistants à l'usure.
1.4 Indicateurs d'évaluation principaux et méthodes d'essai normalisées pour la résistance à l'usure
L'évaluation précise de la résistance à l'usure des fils de soudage résistants à l'usure est essentielle au développement et à l'application de ces technologies. Actuellement, l'industrie dispose d'une série d'indicateurs d'évaluation clés et de méthodes d'essai normalisées. Parmi ces indicateurs figurent la dureté, la perte de matière et la résistance à l'usure relative. La dureté est un indice important pour mesurer la résistance d'un matériau à la déformation locale et à l'usure ; elle est généralement mesurée par les méthodes Brinell (HB), Rockwell (HRC) ou Vickers (HV). Un métal déposé présentant une dureté élevée offre généralement une meilleure résistance à l'usure. La perte de matière correspond à la perte de masse ou de volume du matériau dans des conditions d'usure données ; plus elle est faible, meilleure est la résistance à l'usure. La résistance à l'usure relative est obtenue en comparant la perte de matière du matériau testé à celle d'un matériau de référence, ce qui permet d'apprécier plus clairement les avantages du matériau testé en matière de résistance à l'usure. Les méthodes d'essai normalisées comprennent principalement les essais d'usure abrasive, d'usure par impact et d'usure par glissement. Différentes méthodes d'essai simulent différentes conditions d'usure, permettant ainsi une évaluation complète de la résistance à l'usure des fils de soudage résistants à l'usure dans diverses conditions d'utilisation. Par exemple, l'essai d'usure abrasive simule principalement les conditions de fonctionnement des machines minières soumises à la coupe abrasive, tandis que l'essai d'usure par impact simule les conditions de fonctionnement des engins de chantier soumis à l'action combinée des impacts et de l'usure. Grâce à des méthodes d'essai et des indicateurs d'évaluation normalisés, des données objectives et précises peuvent être fournies pour la comparaison des performances et la recherche et le développement technologiques des fils de soudage résistants à l'usure.
II. Procédé de préparation et technologie d'adaptation de la poudre de fer au chrome à haute teneur en carbone dans les fils de soudage résistants à l'usure
2.1 Optimisation du procédé de préparation du fil de soudage résistant à l'usure et méthode d'ajout de poudre de fer au chrome à haute teneur en carbone
2.1.1 Conception du rapport et procédé de mélange uniforme de la poudre de fer chromé à haute teneur en carbone dans le fil de soudage fourré
Le fil de soudage fourré est l'un des supports les plus utilisés pour la poudre de fer au chrome à haute teneur en carbone. Lors de sa fabrication, le dosage et l'homogénéité du mélange de cette poudre sont essentiels pour garantir les performances du fil. Le dosage doit être déterminé avec précision, en fonction des exigences de résistance à l'usure, de performance du procédé de soudage et des propriétés mécaniques globales du fil. Un dosage trop faible entraînera une formation insuffisante de carbures et un renforcement négligeable. À l'inverse, un dosage trop élevé diminuera la ténacité du métal déposé, augmentera la sensibilité aux fissures de soudage et fera grimper les coûts. En général, un dosage de poudre de fer au chrome à haute teneur en carbone dans le fil de soudage fourré se situe entre 20 % et 40 %. Pour garantir une distribution homogène de la poudre de fer au chrome à haute teneur en carbone au sein du flux, il est nécessaire d'utiliser un équipement de mélange performant et un procédé de mélange adapté. Les mélangeurs coniques et à double hélice sont couramment utilisés. Durant le mélange, des paramètres tels que la durée et la vitesse de rotation doivent être contrôlés afin d'éviter un mélange hétérogène ou l'agglomération des particules. De plus, avant le mélange, la poudre de fer au chrome à haute teneur en carbone et les autres composants doivent être séchés pour éliminer l'humidité et les impuretés, garantissant ainsi la qualité du mélange et les performances du fil de soudage.
2.1.2 Technologie de préparation du revêtement en poudre de fer chromé à haute teneur en carbone sur la surface du fil de soudage plein
Outre le fil de soudage fourré, le revêtement de la surface du fil de soudage plein par une poudre de fer au chrome à haute teneur en carbone constitue également une application importante de cette poudre. Le principe de cette technologie consiste à mélanger la poudre de fer au chrome à haute teneur en carbone avec des liants et d'autres éléments d'alliage afin de préparer des matériaux de revêtement par des procédés spécifiques. Ces matériaux sont ensuite appliqués uniformément sur la surface du fil de soudage plein et forment un revêtement d'épaisseur et de résistance données après séchage et durcissement. La clé de cette technologie réside dans la formulation des matériaux de revêtement et l'optimisation des procédés d'application. Dans la formulation du matériau de revêtement, la teneur en poudre de fer au chrome à haute teneur en carbone doit être ajustée en fonction des performances recherchées. Le liant doit présenter une bonne adhérence et une stabilité à haute température afin d'éviter le décollement ou la décomposition du revêtement pendant le soudage. Parmi les procédés d'application, on trouve notamment l'immersion, la pulvérisation et l'enduction au rouleau. L'immersion est simple et économique, mais l'épaisseur du revêtement est peu uniforme. La pulvérisation permet d'obtenir une épaisseur uniforme, mais son coût en équipement est élevé. La méthode d'enduction au rouleau allie simplicité et uniformité d'épaisseur, ce qui explique sa large utilisation. Par ailleurs, le séchage et le durcissement du revêtement sont des étapes cruciales ; la température et la durée doivent être parfaitement maîtrisées afin de garantir sa résistance et sa stabilité, et d'éviter les défauts lors du soudage.
2.2 Étude expérimentale sur l'optimisation de la quantité de poudre de fer à haute teneur en chrome et en carbone ajoutée
2.2.1 Influence de la quantité ajoutée sur l'efficacité du dépôt de fil de soudage
La quantité de poudre de fer au chrome à haute teneur en carbone ajoutée influe non seulement sur la résistance à l'usure du métal déposé, mais aussi sur l'efficacité de dépôt du fil de soudage. L'efficacité de dépôt, qui correspond au rapport entre la masse de métal déposé et la masse de fil de soudage consommée par unité de temps, est un indicateur important de la performance du soudage. De nombreuses études expérimentales ont mis en évidence une relation non linéaire entre la quantité de poudre de fer au chrome à haute teneur en carbone ajoutée et l'efficacité de dépôt. À faible dose, cette poudre a peu d'effet sur l'efficacité de dépôt. Avec l'augmentation de la dose, l'efficacité de dépôt s'améliore progressivement car certains éléments de la poudre améliorent la fluidité du bain de fusion et favorisent la fusion et le dépôt du fil de soudage. Cependant, au-delà d'un certain seuil, l'efficacité de dépôt diminue. Ceci s'explique par la densité élevée de la poudre de fer au chrome à haute teneur en carbone : un ajout excessif ralentit la vitesse de fusion du fil de soudage. Par ailleurs, la formation excessive de phases carbures augmente la viscosité du bain de fusion, entravant l'écoulement et la formation du métal déposé. Il est donc nécessaire de déterminer, par des expériences d'optimisation, la plage d'ajout optimale de poudre de fer au chrome à haute teneur en carbone afin de garantir la résistance à l'usure du métal déposé tout en assurant un rendement de dépôt élevé.
2.2.2 Loi d'évolution de la résistance à l'usure du métal déposé en fonction de différentes quantités d'ajout
La résistance à l'usure du métal déposé présente une évolution caractéristique en fonction de la quantité de poudre de fer au chrome à haute teneur en carbone ajoutée. Les résultats des essais montrent qu'avec l'augmentation de cette quantité, le nombre de phases carbures dans le métal déposé augmente progressivement, de même que la dureté et la résistance à l'usure. Lorsque la quantité ajoutée atteint une certaine valeur, la dureté et la résistance à l'usure du métal déposé atteignent un maximum. Au-delà de cette quantité, la dureté et la résistance à l'usure diminuent, et la ténacité chute significativement. Ceci s'explique par le fait qu'une quantité excessive de poudre entraîne une agrégation et une ségrégation des phases carbures, ce qui engendre une microstructure hétérogène et des concentrations de contraintes locales. Lors du processus d'usure, des fissures peuvent apparaître, accélérant ainsi la rupture. De plus, un excès de phases carbures réduit les performances de soudage du métal déposé et augmente le risque de fissures de soudure. Par conséquent, la détermination expérimentale de la quantité optimale de poudre de fer au chrome à haute teneur en carbone est essentielle pour parvenir à un équilibre entre la résistance à l'usure et les propriétés mécaniques globales du métal déposé.
2.3 Technologie de régulation de la compatibilité entre la poudre de fer au chrome à haute teneur en carbone et les autres composants du fil de soudage
La compatibilité entre la poudre de fer au chrome à haute teneur en carbone et les autres composants du fil de soudage (métal de matrice, éléments d'alliage, formateurs de laitier, désoxydants, etc.) influe directement sur les performances du procédé de soudage et sur la qualité du métal déposé. Il est donc nécessaire d'adopter des techniques de régulation efficaces pour garantir une bonne compatibilité. Premièrement, le choix des composants doit être judicieux et adapté à la composition chimique et aux propriétés physiques de la poudre de fer au chrome à haute teneur en carbone. Par exemple, l'utilisation de ferromanganèse ou de ferrosilicium, dotés d'un bon pouvoir désoxydant, permet d'éliminer efficacement l'oxygène du bain de fusion, d'éviter la formation d'oxydes entre l'oxygène et le chrome et de prévenir la formation de carbures. Le choix de formateurs de laitier appropriés garantit la formation d'un laitier de qualité pendant le soudage, protège le bain de fusion et le cordon de soudure et réduit les défauts. Deuxièmement, en ce qui concerne le dosage, il est nécessaire d'optimiser la proportion de chaque composant par des essais afin d'éviter les problèmes de compatibilité dus à des quantités excessives ou insuffisantes d'un composant donné. Par exemple, une proportion trop élevée d'agents de formation de laitier peut entraîner une formation excessive de laitier, affectant ainsi le dépôt métallique ; une proportion insuffisante d'agents désoxydants ne permet pas d'éliminer efficacement les éléments nocifs. De plus, l'interaction entre les différents composants et leur compatibilité peuvent être améliorées par l'ajout d'une quantité appropriée d'alliages mères ou de terres rares. Les terres rares possèdent d'excellentes propriétés de purification et de modification ; elles permettent d'affiner le grain, d'améliorer la distribution des phases carbures, de renforcer la liaison entre les différents composants et d'améliorer les performances globales du fil de soudage.