Brevet FR2667804A1 — publié le 19920417

PLAQUE A SURFACE ANTIABRASION, ET PROCEDE POUR SA REALISATION La présente invention concerne les plaques de broyage composi- tes comportant une surface de contact destinée à résister à l'abrasion. De telles plaques peuvent être utilisées pour le broyage des poudres céramiques ou le défibrage et le raffinage de la pâte à papier. Dans les machines de broyage des poudres céramiques et les machines de défibrage ou de raffinage de la pâte à papier, par exemple telles que celles décrites dans le brevet US-A-3 117 603, deux plateaux tournant l'un par rapport à l'autre sont constitués chacun par assemblage de plaques sectorielles disposées en couronne circulaire, les faces travaillantes des plaques étant constituées par une matière abrasive, par exemple par de l'alumine, de l'oxyde de zirconium ou du carbure de silicium. Ces machines, destinées à broyer des matières abrasives, doivent comprendre des plaques qui présentent à la fois une grande résistance à l'usure et une grande précision dimensionnelle et de position. Des recherches ont montré que les machines de broyage munies de plaques telles que décrites dans le document US-A-3 117 603 connaissent des perturbations de fonctionnement lorsque les plaques sont constituées de matières dures antiabrasion Les perturbations tendent à augmenter avec le temps, en cours de fonctionnement de la machine On constate, en particulier, une baisse d'efficacité du broyage. L'invention résulte de l'observation selon laquelle les garnis- sages abrasifs utilisés dans les machines connues présentent des états de surface irréguliers et subissent une usure inadmissible qui est due à l'érosion par cavitation Ainsi, malgré l'utilisation de matières dures antiabrasion, les perturbations de fonctionnement et les baisses d'efficacité de broyage réduisent très sensiblement la longévité et l'intérêt de telles plaques de broyage. La demanderesse a entrepris des observations minutieuses de surfaces antiabrasion réalisées à base de carbure de tungstène fondu, observations qui ont conduit à constater l'apparition, dans certains cas, d'une usure relativement rapide de telles surfaces malgré l'utili- sation de matériaux de rechargement particulièrement durs et suscepti- bles a priori de s'opposer à l'abrasion. Ainsi, la demanderesse a constaté que les surfaces antiabrasion à base de carbure de tungstène fondu réalisées par les techniques connues, par exemple par fusion d'un cordon de soudure, présentent des défauts d'homogénéité dans la répartition des constituants durs de la couche antiabrasion Ces défauts d'homogénéité peuvent exister dès la fabrication de la couche antiabrasion, mais peuvent également apparaître ultérieurement lors de l'utilisation de cette surface. Pour éviter ces inconvénients, la présente invention propose une nouvelle structure de surface susceptible d'éviter l'apparition de zones d'usure préférentielle, lors de l'utilisation ultérieure de la plaque Cette nouvelle structure de surface améliore très considérable- ment les propriétés antiabrasion d'une telle surface, dans des propor- tions étonnantes, par rapport aux propriétés obtenues par les techniques connues de rechargement dur par dépôt de matière par soudage. Un autre objet de l'invention est de proposer une telle nouvelle structure de surface antiabrasion qui présente des propriétés très améliorées de non-agressivité vis à vis des agents extérieurs En particulier, cette nouvelle structure évite la constitution ou l'appari- tion ultérieure d'un pouvoir abrasif de la surface antiabrasion. Un autre objet de l'invention est de proposer un nouveau procédé permettant de réaliser la surface de broyage d'une plaque de broyage comportant la nouvelle structure antiabrasion Un avantage de ce procédé est de réaliser une telle surface de manière relativement simple et peu onéreuse, sans nécessiter une grande dextérité de l'utilisateur. Un autre avantage de ce procédé est de permettre la réalisation de telles surfaces de formes quelconques, pouvant présenter des profils très variés, comportant des creux. Le problème est que les surfaces de broyage de telles plaques de broyeurs sont conformées pour présenter des rainures et des nervures. Dans le cas des broyeurs pour céramique, la réalisation d'une telle plaque est actuellement assurée par les techniques classiques de soudure, et conduit à des opérations manuelles très onéreuses. Dans le cas des plaques pour la fabrication de la pâte à papier, la précision dimensionnelle requise empêche de recourir aux techniques classiques de soudure On recourt actuellement aux procédés de fonderie traditionnels, mais ces procédés excluent l'insertion de particules solides de matière dure antiabrasion dans le métal de coulée: une telle coulée produirait des résultats tout à fait insuffisants, et notamment une répartition très inégale et incontrôlée des grains de matière antiabrasion dans la couche antiabrasion. L'invention permet d'éviter ces difficultés pour la réalisation de plaques de broyage à surface antiabrasion. Un avantage important du procédé est qu'il permet d'éviter en général les opérations ultérieures d'usinage, difficiles et onéreuses, et permet de réaliser des pièces présentant une grande précision de dimension. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit de réaliser une plaque de broyage pour le broyage des poudres céramiques ou le défibrage et le raffinage de la pâte à papier, la plaque comprenant une surface de broyage à base de matière dure antiabrasion telle que: la surface de broyage est constituée par la surface extérieure d'une couche de matériau composite à base de poudre de carbure de tungstène liée dans un alliage de brasure, ladite surface extérieure présente un état de surface lisse et régulier de moulage, ladite couche contient une répartition désordonnée régulière sensible- ment homogène de poudre de carbure de tungstène. De préférence, la poudre de carbure de tungstène est constituée de grains de carbure de tungstène fondu, la majeure partie des grains ayant une forme sphéroldale. Dans le cas des plaques pour le broyage des céramiques ou la fabrication des briques, une augmentation très sensible de la résistance à l'abrasion a été constatée lorsqu'une proportion substantielle des grains présente un diamètre moyen de plus de 0,5 millimètre Les inventeurs ont pu observer un gain de longévité des plaques de prés de 300 7 par rapport aux structures à granulométrie faible On peut avantageusement utiliser des poudres de carbure de tungstène dans lesquelles une partie substantielle des grains ont un diamètre compris entre un et deux millimètres. En pratique, les grains sont répartis en deux familles principales présentant deux granularités distinctes, à savoir une première famille à granularité élevée, et une seconde famille à granularité faible Les deux familles sont mélangées de façon homogène pour réaliser, dans la couche de matière dure, une distribution désordonnée compacte de carbure de tungstène. Les grains de carbure de tungstène présentent avantageusement une composition chimique stable contenant environ 4 % en poids de carbone La composition chimique stable d'un tel carbure de tungstène évite sa dissolution par l'alliage de brasure lors de la réalisation de la plaque Le carbure contient de préférence la phase cubique WC 1-X, obtenue par refroidissement rapide La dureté des grains de carbure de tungstène est supérieure à 3000 Vickers. Le procédé de réalisation d'une surface de l'invention comprend la succession des étapes suivantes: disposer un moule comprenant des parois de maintien ayant la forme de la surface antiabrasion à réaliser, introduire des particules de carbure de tungstène fondu dans l'espace intérieur creux du moule, en vibrant l'ensemble, de sorte que les grains superficiels viennent le plus possible en appui contre les parois du moule et sont jointifs les uns aux autres, préparer une quantité suffisante d'un alliage approprié sous forme adaptée pour assurer une répartition ultérieure de l'alliage au cours de sa phase de fusion ultérieure, l'alliage étant un alliage de brasage20 susceptible de mouiller les grains de carbure de tungstène et de fondre à une température inférieure à la température de fusion du carbure de tungstène et du moule, chauffer l'ensemble à une température supérieure à la température de fusion de l'alliage et inférieure à la température de fusion du carbure de tungstène et du moule, assurer l'infiltration de l'alliage en fusion dans l'espace rempli de grains de carbure de tungstène, laisser refroidir et démouler. On peut ainsi réaliser des plaques de broyage massives en matière antiabrasion. En alternative, on peut réaliser des plaques de broyage composites comportant un noyau recouvert de matière antiabrasion Dans ce cas, avant d'introduire les particules de carbure de tungstène, on dispose au moins un noyau métallique dans le creux du moule en regard des parois de moulage Le noyau doit avoir une température de fusion inférieure à la température à laquelle on chauffe ultérieurement l'ensemble pour la fusion de l'alliage. Les considérations sur les effets de paroi conduisent à ajuster la granularité des poudres de carbure de tungstène de telle façon que l'espace entre la paroi du moule et la pièce à recharger ou noyau ait une épaisseur égale à au moins six fois la dimension moyenne des grains de carbure de tungstène, et, dans le cas d'un mélange binaire de deux dimensions, à six fois la dimension des particules de la grosse granularité. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisa- tion particuliers, faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 représente schématiquement en coupe transversale une plaque revêtue d'une couche superficielle antiabrasion selon la présente invention; la figure 2 représente schématiquement une vue de détail à plus grande échelle de la couche superficielle antiabrasion de la figure 1; les figures 3 à 7 illustrent les différentes étapes d'un procédé de réalisation d'une couche antiabrasion selon la présente invention, dans un mode de réalisation d'une partie de pièce en forme de plaque; la figure 8 illustre, en vue de côté en coupe, une constitution possible d'une machine de broyage munie de plaques de broyage selon la présente invention; et la figure 9 est une vue de dessus montrant une plaque sectorielle de broyage selon un mode de réalisation de l'invention. On a représenté sur la figure 1, en coupe transversale, une vue schématique d'une pièce revêtue d'une couche superficielle antiabrasion. Selon l'invention, la couche superficielle 1 antiabrasion est constituée par une couche de matériau composite à base de grains sphéro Idaux de carbure de tungstène fondu, liés dans un alliage à base de nickel La couche 1 est solidarisée en surface d'un noyau 2 métallique, le noyau 2 étant destiné à assurer le maintien mécanique de la pièce S'agissant par exemple d'une plaque pour broyeur à plateaux utilisée dans l'industrie de la céramique, ou d'une plaque de défibrage ou d'affinage pour la fabrication de la pâte à papier, le noyau 2 est constitué d'une ébauche en forme de plaque, portant la couche antiabrasion 1. La couche antiabrasion 1 contient une distribution désordonnée compacte de grains de carbure de tungstène Dans le mode de réalisation représenté, la poudre de carbure de tungstène comprend une première famille de grains 3, constituée de grains sphéroldaux de carbure de tungstène fondu dont la granularité est relativement importante, et une seconde famille de grains 4 formée de grains sphéroldaux de carbure de tungstène fondu dont la granularité est plus faible De préférence, la granularité de la première famille de grains est telle que les grains ont en moyenne un diamètre environ dix fois supérieur aux grains de la seconde famille de grains 4 On peut par exemple utiliser des grains de première famille 3 dont le diamètre moyen est compris entre 1800 et 2400 microns, et des grains de seconde famille 4 dont le diamètre moyen est compris entre 100 et 400 microns. On doit s'arranger pour que, dans la couche antiabrasion 1, les grains ou particules de carbure de tungstène soient sensiblement jointifs, principalement au voisinage de la surface 5 qui est destinée à constituer la surface de contact antiabrasion de la pièce Par exemple, la particule 6 est sensiblement jointive avec les particules adjacentes 7 et 8, et est également jointive avec la particule de couche inférieure 9 Les particules de couche extérieure telles que les particules 6, 7 et 8 sont disposées de telle manière qu'elles soient le plus possible tangentes à la surface externe 5 de la couche de matériau composite 1. Ladite surface externe 5, constituant la surface de contact anti- abrasion, forme l'enveloppe de la couche superficielle continue des particules telles que les particules 6, 7 et 8 Les particules telles que la particule 10 de la seconde famille de grains 4 occupent les espaces compris entre les grains de la première famille 3 Les particules de la seconde famille de grains 4 sont également sensiblement jointives les unes par rapport aux autres, et en contact des grains de la première famille 3 de grains. De préférence, la distribution de particules de carbure de tungstène telles que les particules 6 ou les particules 10 est régulière dans la couche de matériau composite sur une épaisseur au moins égale à six fois le diamètre des particules de première famille de grains 3 On constate que, de cette manière, les propriétés antiabrasion de la surface sont améliorées, probablement par le fait que les contraintes mécaniques entre particules sont mieux réparties par un assemblage des grains plus compact. Dans la couche antiabrasion 1, les particules de première famille de grains 3 et les particule de seconde famille de grains 4 sont noyées, dans une matrice métallique Par exemple, la matrice métallique peut être constituée d'un alliage de type maillechort, à base de cuivre, de zinc et de nickel D'autres alliages de type alliages de brasage peuvent être utilisés, dans la mesure o ils fondent à des températures adéquates et sont susceptibles de mouiller correctement les grains de matière dure telle que le carbure de tungstène fondu sphéroidal La matrice métallique peut également être réalisée en un alliage métallique appartenant au groupe des alliage à base de nickel, à base de cuivre ou à base de fer. La figure 2 représente à plus grande échelle les grains de première famille de poudre 3, les grains de deuxième famille de poudre 4, et l'alliage 11 liant les grains. On a représenté, à titre d'exemple, sur la figure 1 une surface 5 sensiblement plane comportant une zone accidentée 12, par exemple une rainure ou une cavité La répartition de surface des grains de poudre doit être assurée sur toute la surface 5. Il est avantageux que les grains de première famille de poudre 3 et de seconde famille de poudre 4 soient pour la plupart des particules sphéroldales, obtenues par fusion, dispersion, et refroidis- sement de gouttelettes de carbure de tungstène De telles particules sphéroldales en carbure de tungstène fondu sont par exemple produites par la demanderesse et vendues sous la marque Sphérotène. Les grains de carbure de tungstène doivent présenter une composition chimique stable contenant environ 4 % en poids de carbone, et contenir la phase cubique WC 1-X, obtenue par refroidissement rapide. Ainsi, lors de la réalisation de la plaque, la surface extérieure des grains de carbure n'est pas dissoute ou altérée par l'alliage 11 liant les grains La dureté des grains est supérieure à 3000 Vickers, et reste supérieure à cette valeur dans la plaque réalisée. Un procédé de réalisation d'une surface antiabrasion selon la présente invention est illustré sur les figures 3 à 7 Ce procédé est une sorte de moulage particulier, ou de surmoulage sur une pièce métallique formant le noyau 2 Dans le mode de réalisation illustré, le procédé comprend les étapes principales suivantes: a) on dispose un moule 13 creux comprenant des parois de maintien ayant la forme de la surface antiabrasion à réaliser; Par exemple, le fond 14 du moule est conformé comme devra l'être la surface antiabrasion b) on dispose le noyau 2 en regard des parois de maintien du moule, et on remplit de grains sphéroldaux de carbure de tungstène fondu l'espace compris entre le noyau 2 et le moule 13; dans le cas d'un moule 13 en creux formant récipient, comme le représentent les figures, on peut disposer tout d'abord les grains de carbure de tungstène dans le fond du moule, puis poser le noyau 2 en appui sur la couche de grains; on vibre de préférence l'ensemble, pour tasser les grains, de sorte que les grains superficiels viennent le plus possible en appui contre la paroi 14 du moule et sont jointifs les uns aux autres; c) on prépare une quantité suffisante d'un alliage 16 approprié, sous forme solide adaptée, en ménageant des moyens assurant la répartition ultérieure de l'alliage au cours de sa phase de fusion ultérieure; par exemple, on pose un bloc d'alliage 16 sur le noyau 2, et on ménage un canal 17 traversant le noyau et par lequel peut s'écouler l'alliage 16 pour pénétrer dans l'espace 15 contenant les grains de carbure de tungstène; l'alliage est un alliage de brasage susceptible de mouiller les grains de carbure de tungstène et le noyau 2, et de fondre à une température inférieure à la température de fusion du noyau 2 et du moule 13; d) on chauffe l'ensemble pièce moule brasure, par un procédé adapté, jusqu'à obtenir la fusion de l'alliage de brasage et son infiltration à travers les grains de carbure, et son soudage au noyau 2 devant être rechargé; l'ensemble est pour cela chauffé à une température supérieure à la température de fusion de l'alliage et inférieure à la température de fusion du noyau 2 et du moule 13; e) on laisse refroidir, et on démoule comme le représente la figure 7. On obtient alors une plaque comprenant le noyau 2 et la couche antiabrasion 1. Le même procédé peut être utilisé en l'absence d'un noyau 2. Dans certains cas, on peut être amené à utiliser une étape préalable pour préparer la surface du noyau 2, pour permettre un bon soudage de la brasure Cette étape préalable consiste à réaliser les opérations suivantes: meulage ou grenaillage de la surface de noyau 2, métallisation par un voile d'alliage de type nickel / chrome / bore / silicium connu sous la dénomination d'alliage "auto-fusible"; cette métallisation est réalisée à l'aide d'un chalumeau oxyacétylénique équipé d'un dispositif d'alimentation de poudre, ou d'un chalumeau de métallisation à poudre classique. La poudre en grains sphériques de carbure de tungstène fondu que l'on utilise pour réaliser la surface antiabrasion peut avantageuse- ment être constituée d'un mélange préhomogénéisé de deux familles de poudres à granularités différentes, comme cela a été décrit en relation avec les figures 1 est 2. Dans les cas o l'on veut obtenir une surface de contact 5 particulièrement résistante, on peut avantageusement utiliser une étape ultérieure d'élimination, par rectification ou polissage, de la zone superficielle de la couche 1 de matériau antiabrasion Un enlèvement de matière sur une profondeur d'environ d/2, d étant le diamètre moyen des grains de la famille de gros grains de carbure de tungstène, élimine sensiblement la zone des grains perturbée par l'effet de paroi. La surface de broyage selon l'invention doit présenter un état de surface lisse et régulier, comme l'état de surface obtenu par un moulage. La demanderesse a constaté que la réalisation des plaques de broyage comprenant une surface antiabrasion selon l'invention procure une efficacité nettement améliorée, non seulement pour ce qui concerne les qualités antiabrasion de la plaque, mais également pour ce qui concerne l'efficacité du broyage lui-même Il résulte de la géométrie régulière des nervures que les particules à broyer s'écoulent normale- ment dans les canaux de passage, sans se trouver bloquées par les rétrécissements que l'on trouve dans les plaques dont la couche antiabrasion a été réalisée manuellement par soudure Il en résulte également que les particules à broyer se trouvent broyées en un seul passage entre les plaques de broyage, alors qu'un broyage correct réalisé par les techniques connues nécessite habituellement deux ou plusieurs passages. A titre d'exemple, on a représenté sur la figure 8 une structure possible de machine de broyage ou de raffinage utilisant les plaques antiabrasion selon l'invention La machine comprend un corps 21 creux dont l'espace intérieur 22 contient deux plateaux 23 et 24 montés rotatifs sur des arbres coaxiaux horizontaux respectifs 25 et 26 Un moteur électrique 27 entraîne en rotation l'arbre 25, et un moteur électrique 28 entraîne en rotation l'arbre 26, dans des sens opposés. Les plateaux 23 et 24 sont disposés selon un faible écartement l'un par rapport à l'autre, et comportent deux surfaces respectives 29 et 30 orientées l'une contre l'autre, en forme de couronne Les surfaces 29 et 30 sont formées par des plaques de broyage rapportées et fixées sur le corps de plateau 23 ou 24 Les plaques de broyage sont réalisées conformément au procédé décrit plus haut, et peuvent par exemple avoir la forme représentée en vue de dessus sur la figure 9 Ces deux vues de dessus représentent la surface antiabrasion de la plaque, surface constituée par les grains de carbure de tungstène liés par un alliage métallique On distingue, sur la surface antiabrasion, des rainures radiales 31. Le fonctionnement de la machine de la figure 8 permet, par rotation des plateaux 23 et 24, de broyer de la matière pénétrant dans l'espace intérieur 22 par un conduit d'entrée 32, et ressortant après broyage par un conduit de sortie 33. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisa- tion qui ont été explicitement décrits mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendica- tions ci-après. REVENDICATIONS 1 Plaque de broyage pour le broyage des poudres céramiques ou le défibrage et le raffinage de la pâte à papier, comprenant une surface de broyage ( 1) à base de matière dure antiabrasion, caractérisée en ce que: la surface de broyage ( 1) est constituée par la surface extérieure ( 5) d'une couche de matériau composite ( 1) à base de poudre de carbure de tungstène ( 3, 4) liée dans un alliage de brasure ( 11), ladite surface extérieure ( 5) présente un état de surface lisse et régulier de moulage, ladite couche ( 1) contient une répartition désordonnée compacte, régulière et sensiblement homogène de grains de carbure de tungstène ( 3, 4). 2 Plaque selon la revendication 1, caractérisée en ce que la poudre de carbure de tungstène est constituée de grains de carbure de tungstène fondu, la majeure partie des grains ayant une forme sphéroi- dale. 3 Plaque selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'une partie substantielle des grains de carbure de tungstène présente un diamètre supérieur à 0,5 mm. 4 Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que les grains sont répartis en deux familles principales présentant deux granularités distinctes, une première famille ( 3) à granularité élevée, une seconde famille ( 4) à granularité faible, les deux familles ( 3, 4) étant mélangées de façon homogène pour réaliser, dans la couche de matière dure ( 1), une distribution désordonnée compacte de carbure de tungstène. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les grains de carbure de tungstène présentent une composition chimique stable contenant environ 4 % en poids de carbone, et la phase cubique WC 1-X obtenue par refroidissement rapide et non détruite ou dissoute lors de la réalisation de la plaque, la dureté des grains étant supérieure à 3000 Vickers. 6 Machine de broyage, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une plaque de broyage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7 Procédé de réalisation d'une plaque de broyage, pour le broyage des poudres céramiques ou le défibrage et le raffinage de la pâte à papier, ladite plaque comprenant une surface de broyage à base de matière dure antiabrasion selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: a) disposer un moule ( 13) creux comprenant des parois de maintien ayant la forme de la surface ( 5) antiabrasion à réaliser, b) introduire des particules de carbure de tungstène fondu dans l'espace intérieur creux du moule ( 13), en vibrant l'ensemble, de sorte que les particules superficielles viennent au maximum en appui contre les parois du moule et sont jointives les unes aux autres, c) préparer une quantité suffisante d'un alliage approprié ( 16) sous forme adaptée pour assurer une répartition ultérieure de l'alliage au cours de sa phase de fusion ultérieure, l'alliage étant un alliage de brasage susceptible de mouiller les particules de carbure de tungstène et de fondre à une température inférieure à la température de fusion du carbure de tungstène et du moule ( 13), d) chauffer l'ensemble à une température supérieure à la température de fusion de l'alliage et inférieure à la température de fusion du carbure de tungstène et du moule ( 13), e) assurer l'infiltration de l'alliage en fusion dans l'espace rempli de particules de matière dure, f) laisser refroidir et démouler. 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que, avant d'introduire les particules de carbure de tungstène, on dispose au moins un noyau ( 2) métallique dans le creux du moule en regard des parois de moulage du moule ( 13), ledit noyau ( 2) ayant une température de fusion supérieure à la température à laquelle on chauffe ultérieure- ment l'ensemble pour la fusion de l'alliage. 9 Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comprend une étape ultérieure d'élimination, par rectifica- tion ou polissage superficiel, de la zone d'empilement des grains perturbée par effet de paroi, l'épaisseur à éliminer étant sensiblement égale à la moitié du diamètre des grains de carbure de tungstène les plus gros contenus dans la couche antiabrasion.