Brevet FR2698572A1 — publié le 19940603

i Procédé de rechargement d'une pièce au moyen d'un plasma à arc transféré. DESCRIPTION La présente invention a pour objet un procédé de rechargement d'une pièce métallique par dépôt d'un matériau en utilisant la technique du plasma à arc transféré. Elle s'applique en particulier au recharge- ment de pièces telles que des soupapes de moteurs à combustion interne. La technique de rechargement consiste à réaliser des dépôts relativement épais d'un matériau sur un substrat pour conférer à celui-ci les qualités propres au matériau déposé. Selon cette technique, on établit entre le substrat et le matériau déposé une liaison métallurgique par soudage, ce qui rend nécessaire un chauffage du substrat pour fondre la surface de celui-ci lors de l'amenée du matériau de revêtement à l'état fondu. Il en résulte dans le substrat l'apparition d'une zone affectée thermiquement au voisinage du dépôt et une dilution du substrat dans le matériau déposé. Des rechargements de ce type peuvent être effectués à l'aide de matériels de soudage convention- nels tels que des torches oxyacétyléniques, et des matériels utilisant un arc électrique comme les torches TIG (Tungsten Inert Gas), les torches MIG (Meta L Inert Gas) et les plasmas à arc transféré (PTA) Ces matériels de soudage sont alimentés de façon continue ou discontinue en matériau d'apport, sous la forme de poudres, de baguettes ou de fils. Lorsqu'on utilise la technique du plasma à arc transféré (PTA), l'arc transféré constitue l'élément de chauffage du matériau de rechargement et de la surface de la pièce constituant le substrat. La pièce à traiter est portée à un potentiel positif par rapport à La cathode de la torche et le jet de plasma est alors entièrement parcouru par le courant électrique entre la torche et le substrat, transmettant à celui-ci l'énergie nécessaire à l'échauffement et à la fusion localisée de la zone à recharger Le matériau d'apport est fondu à la surface de la pièce pour former un bain liquide qui est sans cesse renouvelé au fur et à mesure du déplacement de la pièce sous la torche La fusion superficielle du substrat permet une liaison méta L Lurgique identique à celle rencontrée dans les procédés de soudage. Avec les appareillages classiques utilisés actuellement, dont les tuyères ont un diamètre de 2,5 à 4,5 mm, on dépose le matériau sous la forme d'un cordon de soudure en déplaçant la pièce par rapport à la torche à une vitesse relative torche- pièce allant de 0,08 m/min à 1,10 m/min, et en utilisant des densités de courant moyennes de 5 à 12 A/mm 2 au niveau des tuyères. Avec de telles énergies, dans le cas de pièces de petites dimensions telles que les soupapes, il est nécessaire de refroidir la pièce pendant Le dépôt pour éviter une modification de ses propriétés en raison de l'échauffement Ce refroidissement est effectué généralement en disposant La pièce sur un support refroidi intérieurement var une circulation d'eau. Par ces techniques, on obtient généralement des cordons de soudure ayant un profil arrondi, c'est-à-dire présentant une surépaisseur de matériau déposé, et des taux de dilution moyens relativement élevés, par exemple de l'ordre de 8 à 12 %. La présente invention a précisément pour objet un procédé de rechargement utilisant la techni- que du plasma à arc transféré, qui permet de limiter la surépaisseur déposée, d'éviter le refroidissement de la pièce au cours du dépôt et de limiter le taux de dilution. Selon l'invention, le procédé de recharge- ment d'une pièce métallique par dépôt d'un matériau au moyen d'un plasma à arc transféré, consiste à déposer sur la pièce à recharger au moins un cordon de soudure uniquement au moyen du plasma à arc transféré, en déplaçant le plasma par rapport à la pièce à une vitesse de 1,5 à 50 m/min et en utilisant une puissance de plasma telle qu'on fonde la surface de la pièce sur une épaisseur au plus égale à 0,5 mm et que le grossissement des grains dans la zone fondue n'excède pas 10 %, sans refroidir la pièce au cours du rechargement. Dans ce procédé, l'emploi d'un déplacement relatif de la pièce par rapport au plasma très rapide permet de mieux utiliser la puissance du plasma en limitant la zone affectée thermiquement, d'éviter ainsi un grossissement des grains dans la zone affectée thermiquement et de dissiper facilement l'énergie du chauffage sans qu'il soit nécessaire de refroidir la pièce au cours du rechargement. Selon l'invention, la vitesse de déplacement v du plasma par rapport à la pièce est choisie en fonction de la nature du matériau constituant la pièce, de l'épaisseur fondue p lors de l'opération de rechargement et du diamètre d du spot du plasma sur la pièce. Cette vitesse v correspond à la formule: = d x A Sp 2 P Cp dans laquelle d est le diamètre du spot, p est l'épaisseur fondue dans la pièce P est la masse volumique du matériau de La pièce A est la conductibilité thermique de ce matériau, et Cp est la chaleur spécifique de ce matériau. Aussi, pour ne pas dépasser des épaisseurs fondues de 0,5 mm, la vitesse doit se situer dans la gamme allant de 1,5 à 50 m/min. Dans ce procédé, la puissance du plasma est également choisie pour ne pas dépasser une épaisseur fondue de 0,5 mm et pour ne pas obtenir un grossissement des grains important. Ceci peut être obtenu en utilisant des puissances telles qu'elles satisfont la relation suivante: I > 107 W s m-2 vd - dans Laquelle U est la tension appliquée à la torche à plasma (en V), I est l'intensité du courant (en A), v est la vitesse relative torche- pièce (en m/s), et d est le diamètre du spot (en m). Généralement, on dépose sur la pièce à recharger plusieurs cordons de soudure juxtaposés avec recouvrement partiel des cordons ou plus souvent un cordon en spirale avec recouvrement partiel des spires pour former sur la pièce un dépôt de largeur voulue. Dans ce cas, les cordons ou les spires ont généralement une largeur inférieure à 2 mm. Pour réaliser ces cordons ou spires de très faible largeur, on concentre l'énergie du plasma sur une zone de très faible diamètre, ce qui permet de réaliser facilement la fusion superficielle de la pièce et du matériau de revêtement en utilisant une vitesse relative élevée de déplacement du plasma par rapport à la pièce De la sorte, l'énergie appor- tée sur la surface de la pièce peut être dissipée facilement par celle-ci. Par ailleurs, le fait de réaliser le dépôt sous la forme de cordons ou spires juxtaposés permet de limiter la surépaisseur de dépôt et d'économiser le matériau de revêtement. En outre, le confinement très important de l'arc électrique dans la tuyère dont le diamètre est inférieur à 2 mm, conduit à de très hautes densités d'énergie (plus de 30 A/mm 2), ce qui permet d'atteindre des vitesses relatives torche-pièce supérieures à 3,5 m/min et d'obtenir des caractéristiques métallur- giques excellentes au niveau de la zone affectée thermiquement qui n'excède pas 0,5 mm, et au niveau des structures de dépôt qui sont extrêmement fines. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné bien entendu à titre illustratif et non limita- tif en référence au dessin annexé sur lequel la figure 1 représente de façon schémati- que une installation de rechargement d'une soupape conforme à l'art antérieur, la figure 2 représente la forme du dépôt obtenu avec la figure 1, la figure 3 représente une installation de rechargement conforme à l'invention, la figure 4 représente la forme du dépôt obtenu avec l'installation de la figure 3, et les figures 5 et 6 sont des micrographies représentant respectivement la structure de la zone affectée thermiquement dans des pièces revêtues selon le procédé de l'invention et selon le procédé de l'art antérieur. Sur la figure 1, on a représenté de façon très schématique, une installation de rechargement comprenant la pièce 1 à recharger, le support 3 de la pièce en cours de rechargement et la torche à plasma 5 utilisée pour ce rechargement. Dans cet exemple, la pièce 1 est constituée par une soupape de moteur d'un diamètre de 34 mm, qui présente une gorge la de forme arrondie dans laquelle on dépose le matériau de revêtement 7 constitué généralement par un dépôt à base de cobalt. Pour effectuer ce revêtement, on utilise la torche à plasma à arc transféré 5, et les condi- tions suivantes de dépôt: diamètre de tuyère: 3 mm, intensité: 120 A tension: 30 V vitesse de rotation du support 3: 10 t/min, vitesse relative torche-pièce: 1,06 m/min poids déposé: 7 g par soupage, et temps de dépôt: 15 S par soupape. Pour ce dépôt, on fait tourner La soupape 1 sur le support 3 refroidi intérieurement par circu- lation d'eau pour déposer dans La gorge la un cordon de soudure 7 de forme arrondie L'énergie amenée par le plasma sur la surface de La pièce 1 provoque un échauffement très important de celle-ci qui est refroidie par Le support 3. Sur La figure 2, on a représenté la forme du cordon de soudure obtenu Sur cette figure, on voit que Le cordon de soudure 7 présente au milieu une surépaisseur importante par rapport à l'épaisseur e requise pour Le dépôt. Sur la figure 1, on remarque, par ailleurs, que la surface destinée à être recouverte du matériau de rechargement présente un profil particulier qui a dû être réalisé par usinage avant l'opération de dépôt, pour tenir compte de la forme du cordon de soudure et maintenir Le matériau d'apport en fusion. Sur la figure 3, on a représenté une instal- Lation de rechargement utilisant le procédé de L'invention. Sur cette figure, La soupape 1 est entraînée en rotation par un dispositif approprié sans être disposée sur une table de refroidissement 3, et elle présente une surface la à recouvrir de matériau. Sur cette surface, on réalise un cordon de soudure formé de spires 7 a, 7 b, 7 c en déplaçant La torche à plasma 5 pour réaliser un cordon en spira Le avec recouvrement partiel des spires, en opérant dans Les conditions suivantes diamètre de tuyère: 1,5 mm diamètre du spot: 2,3 mm intensité (I): 60 A tension (U) 30 V vitesse de rotation: 33 t/min vitesse relative torche-pièce (v): 3,52 m/min poids déposé par soupape: 2 g temps de dépôt: 9 S par soupape. Le dépôt obtenu présente le profil représen- té sur la figure 4 Sur cette figure, on voit que la réalisation d'un cordon de soudure en spirale permet de limiter fortement, par exemple à 0,lmm La surépaisseur de matériau déposé par rapport à L'épaisseur voulue e et de réaliser ainsi une économie de matériau et d'usinage ultérieur. Par ailleurs, l'épaisseur de la zone fondue sur la piôce p est de 0, 17 mm et le grossissement des grains dans la zone affectée thermiquement Z n'excède pas 10 % comme on peut le voir sur la figure annexée. Sur la figure 6, on a représenté à titre comparatif la structure de La pièce obtenue avec la torche à plasma conformément à l'art antérieur et l'on constate que Le grossissement des grains dans La zone affectée thermiquement Z est beaucoup plus important dans ce cas. Dans cet exemple décrit ci-dessus, la puissance du plasma UI est de 1800 W et le rapport UI est égal à 1,349 10-7 W s/m 2. v 3 REVENDICATIONS 1 Procédé de rechargement d'une pièce métallique par dépôt d'un matériau au moyen d'un plasma à arc transféré, caractérisé en ce qu'il consis- te à déposer sur la pièce ( 1) à recharger au moins un cordon de soudure ( 7 a, 7 b,7 c) dudit matériau uniquement au moyen du plasma à arc transféré ( 5), en déplaçant le plasma par rapport à la pièce à une vitesse de 1,5 à 50 m/min et en utilisant une puissance du plasma telle qu'on fonde la surface de la pièce sur une épaisseur au plus égale à 0,5 mm et que le grossissement des grains dans la zone fondue n'excède pas 10 %, sans refroidir la pièce au cours du recharge- ment. 2 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'on dépose sur la pièce à recharger plusieurs cordons de soudure juxtaposés avec recouvre- ment partiel des cordons ou un cordon en spirale avec recouvrement partiel des spires pour former sur la pièce un dépôt de largeur voulue. 3 Procédé selon la revendication 2, caracté- risé en ce que la pièce est une soupape et en ce que chaque cordon de soudure ou chaque spire a une largeur inférieure à 2 mm. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que la puissance du plasma satisfait la relation suivante: UI UI > 107 W s m- 2 vd dans laquelle U est la tension appliquée à la torche à plasma (en V), I est l'intensité du courant (en A), v est la vitesse relative torche-pièce (en m/s), et d est le diamètre du spot (en m).