Brevet FR2464741A1 — publié le 19810320

La présente invention concerne les cylindres utilisés notamment dans des machines à compacter ou applications analogues. On sait que de telles machines utilisent comme outils essentiels deux cylindres situés en vis à vis et dont la table de travail est couverte d'alvéoles dont la forme et la répartition sont déterminées en fonction de la nature du produit à compacter. Dans de telles machi- nes, on part d'un produit brut en poudre ou formé d'un mélange de pou- dres de granulométrie variable que l'on presse entre les deux cylin- dres de façon à obtenir à la sortie une plaque qui se brise facilement en morceaux et que l'on peut granuler. Cette technique s'applique no- tamment à des engrais, des minerais enrichis, de la poudre de fer pré- réduite, ete.,. Les alvéoles prévus à la périphérie des cylindres ont un rôle essentiel dans la qualité et la régularité du compactage. Leur usure excessive conduit à une mauvaise répartition des pres- sions et à des glissements parasités qui ont pour conséquence des vibrations mécaniques préjudiciables à la bonne tenue des paliers. Il est donc essentiel que ces alvéoles aient une bonne tenue et par conséquent que les tables des cylindres aient elles-mêmes une ex- cell ente résistance. Ces conditions de travail sont parfois aggravées par le fait que les produits à compacter sont portés à haute tempé- rature ce qui provoque des phénomènes de fatigue thermique se traduisant par un réseau de fissuration coLuvrant toute la surface de travail du cylindre. Or, ces cylindres sont réalisés sous forme com- posite et constitués d'un arbre et d'un anneau frettés. Une telle conception est économique car elle permet le remplacement de la seule partie usée, c'est à dire de la frette, l'arbre pouvant par contre être réutilisé indéfiniment. Cependant, le frettage conduit à la mise sous contrainte de traction tangentielle de l'anneau de sorte que des entailles peuvent se former à partir des fissures d'origine thermique et aboutir au bris de la frette. Lors de la fabrication de tels cylindres, on doit également tenir compte d'un autre facteur qui est celui de la résis- tance à l'abrasion et de la résistance aux chocs. Pour résister à l'abrasion, il est souhaitable que la phase carbure soit abondante ce qui va cependant à l'encontre des objectifs recherchés dans le frettage. Il y a donc là une difficulté importante et le bt de cette invention est de réaliser un cylindre pour machine à com- pacter ou applications analogues qui offre des caractéristiques de tenue et de résistance très sensiblement améliorées par rapport aux cylindres connus. L'invention a donc pour objet un cylindre compo- site comprenant un arbre et une enveloppe frettée sur cet arbre, caractérisé en ce que ladite enveloppe est elle-même composite et comprend une première couche externe d'un premier matériau A, une deuxième couche interne d'un second matériau B possédant un coefficient de dilatation linéaire supérieur à celui du matériau A, les matériaux de ces deux couches étant liés métallurgiquement entre eux, préalablement au frettage, de façon à placer le matériau A en précontrainte de compression, la valeur de cette précontrainte de compresseion étant au moins égale à la contrainte de traction engen- drée lors du frettage de l'enveloppe composite sur l'arbre. La réalisation de l' enveloppe sous forme compo- site permet de choisir pour le matériau de la table ou couche exter- ne du cylindre des compositions de fonte ou d'acier dont les carac- téristiques sont optimales dans l'application considérée. C'est ainsi que pour ce matériau A on utilisera a - des fontes à haute. teneur en chrome et en car- bone comportant par exemple de 2 à 3, 5% de carbone et de 12 i 25% de chrome, ou bien; b - des aciers à haute teneur en chrome comprenant par exemple de 0,2 à 1,5% de carbone et de 3 à 14% de chrome. Par contre, on pourra utiliser pour le matériau B une fonte nodulaire comprenant de 3 à 3, 4% de carbone ou de l'acier de type XC 40 à XC 70 normalisé revenu. L'invention va être décrite plus en détail ci-dessous en se référant au dessin annexé donné à titre d'exemple et dont la Fig. unique représente de façon schématique un cylindre suivant l'in- vention. On voit sur cette Fig. un cylindre composite com- prenant un arbre central 1 sur lequel est frettée une enveloppe 2 ellemême constituée par deux couches 3,4 de matériaux A et B. La couche 3 peut avoir une épaisseur supérieure à 25mm,la couche 4 une épaisseur supérieure à 35mm, l'épaisseur de l'ensemble de l'enveloppe étant de préférence comprise entre 60 et 150 mm. Cette enveloppe est de préférence réalisée par cen- trifugation. La couche externe du matériau A, qui assure les fonctions de résistance à l'usure et de résistance à la fatigue thermique et comporte des alvéoles 5, est choisie de façon à répondre au mieux à cette fonction. C'est ainsi que l'on utilise de préférence pour le ma- tériau A: a - une fonte à haute teneur en chrome et en car- bone ayant la composition suivante: C. si. Mn. Cr. Ni. Mo. 2.0 0.40 0.40 12 0.50 0,5 3,5 1.00 2.00 25 1.50 3,5 b - un acier à haute teneur en chrome ayant la composition suivante: C. Si. Mn. Cr. Ni. Mo. Va. 0.20 0.40 0.40 3 0. 50 0. 50 0.10 1.50 1.50 2.00 14 2.00 1.50 0.50 Les coefficients de dilatation des matériaux A sont compris entre 11,7 et 12,7 10 mm/mm C. Le choix de la teneur en carbone détermine la quantité de carbure présente dans la structure du matériau A et est donc conditionné par l'intensité des mécanismes d'abrasion mis en jeu lors de l'utilisation du cylindre. Par ailleurs, le choix de la teneur en chrome est conditionné par l'intensité des méca- nismes de corrosion et par l'adaptation des coefficients de dilata- tion des deux métaux. D'une façon générale le coefficient de dila- tation diminue quand la teneur en chrome augmente. La teneur ma- ximale en chrome est donc limitée par l'apparition de l'austénit résiduelle qui présente le double inconvénient de diminuer la ré- sistance à l'usure et d'augmenter le coefficient de dilatation. La valeur maximale de la teneur en chrome dépend également de la teneur en carbone. Cette dernière est limitée à 3, 5 de façon à éviter les structures hypereutectiques qui présentent une plus grande fragilité. Le matériau B de la couche interne est lié mé- tallurgiquement au matériau A et présente un coefficient de dila- tation linéaire supérieur à celui du matériau A. Ce matériau pos- sède essentiellement des propriétés d'élasticité et de résilience et peut être constitué de préférence par: a - de la fonte nodulaire type GS. 70. 2 ayant la composition suivante C Si. Mn. Ni. 3, 00 1,50 0,40 0. 50 3,40 2, 50 0, 80 2, 00 b - un acier de type XC 40 à XC 70 normali- sé revenu. Les coefficients de dilatation des matériaux B sont alors compris entre 13,5 et 14,2 10 6 mm /mm'C, soit sen- siblement supérieurs à ceux des matériaux A. Lors de la fabrication de cette enveloppe bimé- tallique,la couche externe est mise en précontrainte de compres- sion et les couples de matériaux A et B sont choisis de façon que la valeur de cette précontrainte de compression soit au moins égale à la contrainte de traction engendrée dans l'enveloppe lors du frettage sur l'arbre 1. Cette contrainte de traction se trouve ainsi annulée de sorte que la tenue du matériau constituant la couche externe est sensiblement améliorée. On peut ainsi choisir pour ce matériau une composition de métal relativement riche en carbure qui procure une résistance particulièrement élevée à l'abrasion,la teneur en chrome étant par ailleurs suffisante pour garantir une excellente tenue vis à vis des contraintes d'origine thermique. On voit donc que la structure du cylindre selon l'invention et son procédé de fabrication, alliant la coulée par cen- trifugation et le frettage, permettent de façon surprenante de con- cilier des impératifs à priori opposés ou supposés tels dans la technique antérieure. - t EVENDICATIONS - 1 - Cylindre composite comprenant un arbre et une enveloppe frettée sur cet arbre, caractérisé en ce que ladite en- veloppe (2) est elle-même composite et comprend une première couche externe (3) d'un premier matériau A, une deuxième couche interne (4) d'un second matériau B possédant un coefficient de dila- tation linéaire supérieur à celui du matériau A, les matériaux de ces deux couches étant liés métallurgiquement entre eux,préala- blement au f rettage, de façon à placer le matériau A en précontrain- te de compression, la valeur de cette précontrainte de compression étant au moins égale à la contrainte de traction engendrée lors du frettage de l'enveloppe composite sur l'arbre. 2 - Cylindre composite suivant la revendication 1,ca- ractérisé en ce que l'on choisit le matériau A dans le groupe com- prenant: a - une fonte à haute teneur en chrome et en carbone ayant la composition suivante: C. Si. Mn. Cr. Ni. Mo. 2,0 0,40 0;40 12 0,50 0,5 3.5 1,00 2,00 25 1,50 3,5 b - un acier à haute teneur en chrome ayant la comp( sition suivante: C. Si. Mn. Cr. Ni. Mo. 0,20 0,40 0,40 3 0, 50 0, 50 C 1.50 1,50 2,00 14 2,00 1,50 0 3 - Cylindre composite suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on choisit le matériau B dans le groupe comprenant: Ta. ),10 - a - de la fonte nodulaire type GS. 70. 2 ayant la compo- sition suivante C. Si. Mn. Ni. 3,00 1,50 0,40 0,50 3, 40 2, 50 0, 80 2. 00 b - un acier de type XC 40 à XC 70 normalisé revenu. 4 - Cylindre suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche externe (3) a une épaisseur supérieure à 25mm, environ. 5 - Cylindre composite suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche interne (4) a une épaisseur supérieure à 35mm environ. 6 - Cylindre suivant les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que l'enveloppe composite (2) a une épaisseur comprise entre 60 et 150mm environ. 7 - Procédé de fabrication d'un cylindre composi- te, notamment d'un cylindre de compactage,du type dans lequel on frette une enveloppe sur un arbre, caractérisé en ce qu'on coule tout d'abord par centrifugation une enveloppe composite en choisis- sant pour la couche interne, coulée en second, un matériau dont le coefficient de dilatation linéaire est supérieur à celui du matériau de la couche externe, on engendre ainsi dans la couche externe des contraintes de compression de valeur déterminée fonction de la va- leur des coefficients de dilatation respectifs desdits matériaux,puis on frette l'enveloppe composite sur l'arbre, cette opération de fret- tage engendrant dans l'enveloppe et en particulier dans la couche externe de cette enveloppe des contraintes de traction, la valeur des contraintes de compression étant choisie au moins égale à celle des contraintes de traction engendrées dans la couche externe.