Brevet FR2297673A1 — publié le 19760813

L'invention concerne les pièces résistant à l'usure pour dispositifs soumis à une usure intensive accompagnée d'actions percussives, et les procédés de fabrication de ces pièces. L'invention peut être appliquée avec succès au blindage du matériel de concassage-broyage, par exemple des broyeurs à boulets et à barres, ainsi que pour réaliser les fonds et les dents des godets d'excavateurs. On connatt bien des pièces résistant à l'usure, telles que les plaques de blindage des broyeurs à boulets et à barres, réalisées, en règle générale, avec des aciers tenaces, par exemple en acier austénitique à haute teneur en manganèse (acier Hadfield), par coulée dans des moules en sable. De telle plaques de blindage sont caractérisées par une résistance à l'usure peu élevée, et, dans les gros broyeurs à boulets et à barres, leur durée de service est courte, ne dépassant pas, bien souvent, trois à six mois. Cn connaRt aussi des plaques de blindage pour broyeurs à boulets et à barres, réalisées en fontes blanches martensitiques ou martensitiques-austénitiques résistant à l'usure, douées d'une haute dureté. De telles plaques de blindage sont au si réalisées par coulée dans des moules en sable ordinaires ; mais quand leur épaisseur dépasse 50 mm, on utilise des moules métalliques ou bien des refroidisseurs du côté de la surface active de la plaque. tr ce à la présence, dans ces fontes, de carbures de haute dureté, la durée de service des plaques de blindage augmente. Toutefois, les carbures abaissent fortement la tenacité et la plasticité des fontes ; il en résulte que les plaques de blindage sont fragiles et ne peuvent entre employées que dans les broyeurs dans lesquels il n'y a pas de fortes charges percussives, par exemple dans les broyeurs de première réduction de petit diamètre (jusqutà 2,7 m), ou bien dans les broyeurs de seconde réduction ou de stades de réduction ultérieurs. Le but de l'invention est de supprimer les inconvénients indiqués. On s'est proposé de créer une pièce résistant à l'usure pour dispositifs soumis à une usure intensive par abrasion et à des charges percussives, qui aurait une longue. durée de service(d'au moins 1,5 fois plus grande que celle des pièces connues) et serait de fabrication simple. La solution consiste en ce que, dans la pièce résistant à l'usure pour dispositifs soumis à une usure intensive par abrasion et à des charges percussives, réalisée en acier tenace, d'après l'invention la surface soumise à l'usure par-abrasion est armée d'éléments en alliage résistant à l'usure ayant une dureté Rockwell d'au moins HRc = 40, disposés dans la masse de la pièce de telle façon que leurs portions découvertes constituent une partie de ladite surface de la pièce. Dans le cas où la pièce résistant à l'usure est destinée à des machines de concassage-broyage, elle peut se présenter sous la forme d'une plaque de blindage dans laquelle le ralle d'acier tenace est joué par un acier austénitique ou au carbone, et le rôle d'alliage résistant à l'usure est joué par une fonte blanche ayant une dureté Rockwell d'au moins HRc = 45. Pour la fabrication d'une pièce résistant à l'usure d'après l'invention, les éléments d'armement préfabriqués sont placés dans l'empreinte du moule, dans laquelle est ensuite coulé l'acier tenace. En outre, pour la fabrication de la pièce résistant à l'usure conforme à l'invention, on réalise d'abord une pièce préliminaire en acier tenance avec des logements, puis on remplit ces logements d'alliage résistant à l'usure. I1 est avantageux que la pièce, fabriquée par l'un quelconque des procédés ci-dessus, soit soumise à un traitement thermique consistant en un réchauffage jusqu'à une température non inférieure à 500oc. L'essentiel de l'invention consiste en ce qui suit. Grâce au fait que la pièce réalisée en acier tenace est armée d'éléments en alliage de haute dureté résistas à l'usure, ces éléments étant encastrés dans la pièce et leurs surface découvertes constituant une partie de la surface de la pièce soumise à l'usure par abrasion, il devient possible de créer des structures capables de supporter l'usure par abrasion accompagnée de charges percussives importantes, tout en ayant une résistance mécanique élevée et une grande longévité. Ceci s'explique par le fait que la pièce se trouve constituée par une carcasse de grande résistance en acier tenace, formant la matrice de toute la structure et portant les éléments d'armement. La carcasse confère la résistance mécanique nécessaire à la structure lorsque celle-ci est soumise à des charges percussives. Les éléments d'armement en alliages de haute dureté {merdent au-dessus de la surface de la pièce au cours de son service et encaissent les actions abrasives elles entravent le mouvement des particules abrasives sur la surface active de la pièce dont ils assurent la protection et diminuent l'usure, en augmentant la durée de service de la pièce d'au moins 1,5 fois comparativement à celle des pièces connues employées aux mêmes fins. Pour une meilleure compréhension de l'essentiel de l'invention, on donne ci-après une description détaillée de plusieurs modes de réalisation concrets, mais non limitatifs, d'une pièce résistant à l'usure conforme à l'invention, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 7 représente une plaque de blindage pour broyeur à barres, vue de dessus - la figure 2 représente la même plaque, vue en coupe suivant II-II de la figure 1 ; - la figure 3 représente un moule de fonderie assemblé pour la fabrication d'une plaque de blindage, après coulée de l'acier tenace (vue en coupe transversale) ;; - la figure 4 représente un moule de fonderie assemblé pour la fabrication d'une plaque de blindage par un second procédé, après coulée de l'alliage résistant à l'usure (vue de dessus) - la figure 5 représente le même moule, vu en coupe suivant V-V de la figure 4 - la figure 6 représente le fond du godet d'un excavateur, (vue dedessus) - la figure 7 représente le même fond, vu en coupe suivant VII-VII de la figure 6. EXEtPI 1. On a fabriqué une plaque de blindage 1 (figure 1) pour un broyeur à barres. Les dimensions de la plaque étaient 1087 x 460 x 150 mm. Au préalable, par coulée dans une boîte à noyaux, on a réalisé les éléments d'armement 2 (figure 2) en fontes blanches martensitiques résistant à l'usure, dont les compositions sont données dans le tableau 1 (compositions 1 à 6). TABLEAU 1. Pourcentages des éléments dans les alliages Dureté Rockwell résistant à l'usure (HRc) des alliages résistant à l'usure N car- man- sili- phos- sou- chro- mo- exemple exemple bone ganè-cium phore fre me lyb- 1 2 se dènerégi- régi- état régi me 1 me 2 coulé me 1 1 2,86 5,10 0,86 0,028 0,030 14,83 0,20 60 - 48 2 2,09 5,00 0,33 0,019 0,030 15,74 - - 50 - 56 3 2,07 4,90 0,68 0,025 0,029 13,28 - 56 - - 57 4 2,53 6,55 0,35 0,029 0,024 15,20 0,15 - 52 47 - 5 2,27 6,70 0,70 0,043 0,024 14,24 - - 46 - 54 6 2,20 5,10 0,78 0,021 0,014 17,40 - 58 - - 58 3,10 0,62 0,56 0,027 0,029 15,6 3,1 - - 55 les éléments d'armement 2 avaient la forme d'un tronc de pyramide à petite base de 70 x 70 mm et hauteur de 70 mm. Ensuite, avec un sable argileux on a fabriqué à l'aide d'une machine à secousses, dans des ch ssis 3 (figure 3), des demi-moules supérieur et inférieur 4 et 5 respectivement. Après extraction du modèle, il restait dans le demimoule des empreintes aux dimensions de la plaque de blindage, avec de petits renfoncements (de 10 mm de profondeur) pour le positionnement précis des éléments d'armement. LG emi-moule inférieur 5 a été placé sur un lit de sable 6 et les éléments d'armement 2 ont été placés dans le demi-moule de façon que leur petite base constitue ultérieurement une partie de la surface active de la plaque de blindage 1. Ensuite le demi-moule inférieur 5 a été recouvert avec le demi-mpule supérieur 4. On a ainsi obtenu le moule 7 prêt pour la coulée, dans lequel, à travers le système d'attaque 8, on a coulé un acier au carbone liquide 9, dont la composition est donnée dans le tableau nO 2 (compositions t à 3), indiquant la composition chimique des aciers tenaces. TABLEAU 2 N Pourcentage des éléments carbone manganèse silicium phosphore soufre 1 0,36 0,52 0,25 0,032 ose31 2 0,32 0,65 0,35 0,027 0,026 3 0,34 0,70 0,21 0, 029 0,029 4 1,12 12,8 0,42 0,042 0,o32 5 1,05 13,6 0,56 0,036 0,024 Après coulée de l'acier dans le moule 7, les moulages ont séjourné dans le moule pendant 12 heures, puis ils ont été démoulés et débarrassés du sable. Ensuite, les plaques de blindage dont les éléments d'armement avaient les compositions N 1, 3, 6 (tableau 1) ont été soumises à un traitement thermique au régime n 1 chargement de la pièce dans un four de traitement thermique à 2000C, séjour à cette température pendant t heure, chauffage jusqu'à 6000C à la vitesse de 800 C, , séjour à cette température pendant 2 heures, montée de la température du four jusqu'à 7500G, séjour pendant 5 heures, refroidissement à l'air jusqu'à la température de l'atelier. Après un tel traitement thermique, la dureté Rockwell des éléments d'armement était HRc = 56 à 60 (compositions nO 1 3, 6 du tableau 1). Le traitement thermique peut être exécuté à d'autres régimes pour obtenir la dureté optimale des éléments d'armement, selon a composition de l'alliage résistant à l'usure. Par exemple, les plaques de blindage dont les éléments d'armement ont les compositions nO 2, 4, 5 du tableau 1, sont soumises à un traitement thermique au régime décrit, avec la différence que la température maximale de chauffage est de 10200C et que le séjour à 7500C est supprimé (régime nO 2). La dureté Rockwell des éléments d'armement après un tel traitement thermique est HRc = 46 à 52 (tableau 1, compositions nO 2, 4, 5). la valeur supérieure de la température de chauffage est limitée par la croissance des grains austénitiques dans l'acier constituant la matrice de la pièce, et par la température de fusion de l'alliage résistant à l'usure. Des plaques de blindage fabriquées par le procédé décrit ont été montées dans le tambour d'un broyeur à barres de 3,2 m de diamètre. Les barres de broyage du broyeur avaient un diamètre de 110 mm et une longueur de 4,5 m. Le broyeur était utilisé pour la- première réduction d'un minerai, dont la grosseur à la sortie allait jusqu'à 25 mm. Les plaques de blindage fabriquées conformément à l'intention ont travaillé dans ces conditions pendant 25 mois-. Auparavant, on employait dans ee broyeur des plaques de blindage en acier austénitique à haute teneur en manganèse (acier Hadfield), dont la durée de service n'était que de 12 mois.Les tentatives faites pour employer à cet effet des plaques de blindage monolithiques en fontes blanches martensitiques sont restées sans succès les plaques se rompaient en cours d'exploitation. EXEUPIE 2. On a fabriqué par le second procédc des plaques de blindage résistant à l'usure pour un broyeur à boulets à minerai; Les dimensions des plaques taient 1480 x 460 x 150 mm. Dans un moule ordinaire en sable argileux on a coulé une pièce préliminaire 10 (figure 4) en matériau résistant et plastique, par exemple en acier austénitique de composition NO 4 et 5 du tableau 2. Dans cette pièce préliminaire on a ménagé des cavités longitudinales 11, ouvertes du coté de la surface active-de la plaque, en plaçant dans le moule des noyaux en sable. Ta largeur des cavités il (figure 5) augmentait au fur et à mesure que l'on stéloignait de la surface active de la plaque en s'enfonçant dans lasse de la pièce préliminaire. Les cavités peuvent avoir d'autres formes assurant la protection de la surface active et une forte liaison de l'alliage résistant à l'usure à la pièce préliminaire. La pièce préliminaire en acier austénitique a été trempée dans l'eau à la température de 110000. A l'aide de machines à secousses on a fabriqué dans des cassis 12, avec un sable argileux, des demi-moules supérieurs 13. La pièce préliminaire 10 a été placée sur un lit de sable 6, cavités ouvertes en haut. Le demi-moule 13 a été placé sur la pièce 10 comme montré en figure 5. On a ainsi obtenu un moule 14 prêt pour la coulée. A travers le système d'attaque 15 on a coulé une fonte blanche liquide de composition nO 1 à 7 du tableau 1, jusqu'à remplissage des cavités longitudinales 11 dans la pièce préliminaire 10. Après solidification de l'alliage résistant à l'usure, au bout de 30 mn, on a démonté le moule 14 et on a éliminé le système d'attaque 15 en obtenant ainsi une plaque de blindage finie. Grace à la forme des cavités 11, la fonte blanche résistant à l'usure était fortemen aintenue dans la masse de la pièce en acier 10. La dureté Rockwell des plaques de blindage aux portions de surface active constituées par la fonte blanche résistant à l'usure de composition 1, 4, 7 (tableau 1) était HRc = 47 à 55 (voir tableau 1, exemple 2). Les plaques de blindage à alliage résistant à l'usure de composition nO 2, 3, 5, 6 (tableau 1) ont été soumises à un traitement thermique au régime nO 1, décrit dans exemple 1, et on a obtenu en définitive, sur les portions de surface active constituées par l'alliage résistant à l'usure, une dureté HRc = 54 à 58. De la mye manière on a fabriqué des plaques de blindage pour une trémie à minerai. Les plaques de blindage fabriquées par le procédé décrit ont été employées pour protéger contre l'usure le tambour d'un broyeur à boulets à minerai de 3,6 mm de diamètre, ainsi que pour protéger la surface intérieure d'une trémie à minerai dans un atelier de concassage ; la hauteur de chute dans la trémie était de 2 m et la grosseur des morceaux allait jusqu'à 400 mm. Les plaques de blindage de broyeur à boulets et de trémie à minerai fabriquées conformément à l'invention, par le procédé décrit, peuvent travailler pendant un temps d'au moins 1,5 fois plus long que les plaques en acier à haute teneur en manganèse. EXEMPLE 3. On a fabriqué des pièces résistant à l'usure pour excavateurs, par exemple un fond 16 (figures 6, 7) de godet d'excavateur, par le procédé suivant. Par coulée dans des moules en sable on a obtenu la carcasse 17 du fond de godet d'excavateur. La carcasse 17 a été coulée en acier au carbone ou en acier austénitique Hadfield-et soumise à un traitement thermique approprié normalisation pour l'acier au carbone et trempe dans l'eau pour l'acier Hadfield. Dans la surface du fond de godet soumise à l'usure par abrasion on-a réalisé des logements, par exemple à l'aide de noyaux à la coulée, par formage otJpar enlèvement de matière. Ces logements étaient destinés à l'alliage résistant à l'usure. A partir d'un laminé en acier à outils à 12% de Cr, 1,6 de C et 0,5 de Mo, on a fabriqué les éléments d'armement 18 à dimensions correspondant à celles des logements dans la carcasse du fond. Les éléments d'armement 18 ont été trempés dans l'huile et leur dureté Rockwell était HRc = 60 à 65. Ensuite la carcasse 17 du fond a été chauffée, par exemple jusqu'à 5200C, et les éléments d'armement 18 ont été engagés à force dans ses logements. Après refroidissement du fond jusqu'à la température ambiante, les éléments d'armement étaiént fortement fixés dans la carcasse. On a ainsi obtenu un fond 16 de godet d'excavateur résistant à l'usure. le procédé de fabrication du fond décrit ci-dessus permet d'augmenter sa durée de service de 504 comparativement à un fond en acier austénitique Hadfield. Les exemples venant d'être donnés montrent que les pièces résistant à l'usure, fabriquées par n importe lequel des procédés proposés, ont les avantages suivants comparativement aux pièces connues : résistance à l'usure accrue (augmentation de la durée de service) comparativement ausapi-èces similaires sn eier, et résistance mécanique accrue comparativement aux pièces monolithiques en alliages résistant à l'usure. les avantages des procédés conformes à l'invention pour la fabrication de la pièce résistant à l'usure sont : - possibilité de protéger contre l'usure n'importe quelle surface sur les pièces les plus compliquées ; - possibilité de combiner dans de larges limites les propriétés des éléments d'armement et de la carcasse en acier, selon les prescriptions rencontrées dans l'utilisation, par sélection de la composition de l'alliage résistant à l'usure et de l'acier. - simplicité, accessibilité à n'importe quel atelier de fonderie et pas d'investissements supplémentaires ; - abaissement du prix de la pièce résistant à usure comparativement à celui des pièces monolithiques en alliage résistant à l'usure, grâce à la réduction de la consomntion d'alliage résistant à l'usure. La pièce résistant à l'usure conforme à l'invention peut entre utilisée pour laMprotection de divers dispositifs soumis à une usure par abrasion accompagnée de charges percussives importantes. Se rapportent à ces dispositifs, outre les broyeurs, les descenseurs à minerai, les trémies à minerai1 les concasseurs giratoires, les chariots à produits, certains éléments de hauts fourneaux, les fonds des wagons basculants, etc. L'invention peut être appliquée pour accroître la tenue des godets et des-dents d'excavateurs, aussi bien sous la forme de plaques de blindage amovibles que directement sous la forme de fonds et de dents armés d'éléments résistant à l'usure au cours de leur fabrication. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui ntont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Pièce résistant à l'usure pour dispositifs soumis à une usure intensive par abrasion et à des charges percussives, réalisée en acier tenace, caractérisée en ce que sa surface destinée à titre soumise à l'usure par abrasion est armée d'éléments en alliages résistant à l'usure ayant une dureté Rockwell d'au moins HRc=40, lesdits éléments étant disposés dans la masse de la pièce de telle façon que leurs portions découvertes constituent une partie de ladite surface de la pièce. 2. Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce qutelle se présente sous la forme d'une plaque de blindage de machine de concassage-broyage, dans laquelle la fonction de l'acier tenace est remplie par un acier austénitique ou au carbone, la fonction d'alliage résistant à l'usure étant remplie par une fonte blanche ayant une dureté Rockwell d'au moins HRc=45. 3. Procédé de fabrication de la pièce résistant à l'usure faisant l'objet de l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que des éléments d'armement préfabriqués en alliages résistant à l'usure sont placés dans l'empreinte d'un moule, dans laquelle est ensuite coulé l'acier tenace. 4. Procédé de fabrication de la pièce résistant à l'usure faisant l'objet de l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on réalise d'abord une pièce préliminaire en acier tenace comportant des logements que l'on remplit ensuite avec un alliage résistant à l'usure. 5. Procédé selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la pièce fabriquée est soumise à un traitement thermique au cours duquel elle est chauffée jusqu'à une température d'au moins 500 C.