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PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PIECE DE FONDERIE
BIMETALLIQUE ET PIECE D'USURE REALISEE PAR CE PROCEDE
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce de fonderie bimétallique ainsi qu'une pièce d'usure réalisée par ce procédé, notamment des dents utilisables dans l'excavation et en dragage, ainsi que des frettes de broyeurs.
De nombreuses pièces d'usure, par exemple dans le domaine des broyeurs, sont soumises à des sollicitations mécaniques élevées dans la masse et à une forte usure par abrasion sur leur surface travaillante, de sorte qu'il est souhaitable que ces pièces présentent une forte résistance pour résister à l'abrasion et une certaine ductilité pour pouvoir résister aux sollicitations mécaniques de chocs, en particulier et éventuellement pour pouvoir être usinée. Or, il est bien connu que ces propriétés ne sont pas conciliables. Certes, il est possible de choisir un acier présentant un compromis entre ces deux propriétés opposées, mais ceci doit nécessairement se faire au dépens de la résistance à l'usure ou de la ductilité.
Pour éviter de tels compromis, il est connu de réaliser des pièces composites dont la partie exposée à l'abrasion est constituée de fonte au chrome à forte résistance à l'abrasion supportée par un noyau en acier plus ductile. Ceci permet de réduire l'usure de la pièce, tout en permettant l'usinage du noyau et en évitant sa
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casse. En outre, il est possible de réduire son coût de fabrication par un choix judicieux de ses composants.
On connaît plusieurs procédés de fabrication de telles pièces composites ou bimétalliques. Ainsi, par exemple, le brevet LU-64303 propose un procédé de fabrication de pièces composites par coulées successives de matériaux à propriétés différentes ou complémentaires.
Cette technique présente toutefois deux contraintes.
D'abord, le procédé implique nécessairement l'existence d'une surface de séparation horizontale entre les deux métaux coulés. En outre, la pièce doit être relativement massive pour permettre de couler successivement les deux métaux tout en obtenant une liaison métallurgique correcte entre ceux-ci. Ces deux contraintes limitent le champ d'application de la solution proposée par le brevet précité.
Il est également connu de réaliser des pièces d'usure bimétalliques par assemblage soudé. Si, théoriquement, l'assemblage soudé ne présente pas de limites au niveau de la morphologie des composantes à assembler, en pratique de telles limites existent et elles dépendent du procédé de soudage utilisé. De plus, tout les procédés de soudage appliqués à des matériaux fragiles exigent une maîtrise parfaite de leur cycle d'échauffement et de refroidissement, ainsi qu'un positionnement très précis des surfaces à assembler. Il en résulte que l'assemblage soudé est une technique relativement chère et peu polyvalente.
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Il est également connu de réaliser des pièces bimétalliques par assemblage brasé. Cette technique offre la possibilité d'assembler des composants de forme diverses, mais elle exige toujours un usinage très précis des surfaces de contact et des dispositifs de positionnement tout aussi précis.
Le brasage à haute température offre des propriétés mécaniques comparables à la soudure, mais il exige des précautions opératoires minutieuses et l'usage de fours spéciaux, notamment des fours sous vide, si l'on veut obtenir un assemblage fiable. Il en résulte un coût de fabrication relativement élevé.
Quant au brasage à basse température, tout comme le collage, il est certes moins coûteux, mais les caractéristiques mécaniques de l'assemblage sont nettement inférieures, voir insuffisantes pour des pièces d'usure fortement sollicitées.
Le but de la présente invention est de prévoir un nouveau procédé de fabrication d'une pièce de fonderie bimétallique dont les propriétés résultent non seulement des propriétés propres à chaque composant, mais aussi d'un effet synergique utile engendré par la juxtaposition des deux composants et dû, soit à la morphologie, soit au dimensionnement, soit au choix des matériaux des composants.
Pour atteindre cet objectif, le procédé proposé par la présente invention consiste à couler un insert dans un premier moule, à disposer l'insert ainsi coulé dans un
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second moule, et à couler la pièce dans ce second moule autour de l'insert.
L'invention propose également une pièce d'usure bimétallique réalisée selon ce procédé et dans laquelle l'insert est un matériau à haute résistance à l'abrasion, prévu à l'endroit d'usure maximale de la pièce et noyé dans un matériau plus ductile capable de supporter les sollicitations mécaniques.
Le procédé permet, par un choix judicieux de la nature et de la morphologie des deux composants, de générer, en service, un profil d'usure qui maintiendra ou optimalisera le travail de la pièce.
Une application avantageuse est la réalisation d'une dent pointue utilisable notamment en excavation et en dragage.
Selon un mode d'exécution avantageux, une telle dent comporte un insert en forme de tige en fonte ou chrome d'une dureté comprise entre 60 et 68 Rc enrobée dans un support en acier usinable d'une dureté de l'ordre de 45 à 50 Rc.
L'invention prévoit également une frette de broyeur de forme cylindrique ou tronconique avec un alésage central pour recevoir un moyeux de support et constitué par une fonte ductile usinable, à la surface de laquelle sont noyés longitudinalement, dans le sens de la génératrice, des inserts d'usure, chaque insert étant séparé des deux inserts voisins par une ailette radiale constituée d'une couche de ladite fonte ductile.
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Chaque insert peut comporter une partie de forme sensiblement parallélépipédique constituant une pièce d'usure prolongée radialement vers le centre de la frette par un étranglement longitudinal avec une section en forme de"queue d'aronde"formant une zone de liaison avec la fonte ductile.
L'espacement entre les inserts adjacents peut être déterminé par des nervures radiales saillantes prévues sur les flancs longitudinaux des inserts.
Selon un mode de réalisation avantageux, les inserts s'étendent à partir d'une des bases de la frette et se terminent avant la base opposée pour y définir une couronne périphérique en fonte résistante à l'abrasion.
D'autres caractéristiques et particularités de l'invention ressortiront de la description détaillée de plusieurs modes d'exécution présentés ci-dessous, à titre d'illustration, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre une coupe longitudinale d'une dent de dragage connue ; - la figure 2 montre une vue latérale de la même dent ; - les figures 3 et 4 montrent des vues correspondant respectivement à celles des figures 1 et 2 mais représentant une dent de dragage réalisée conformément à la présente invention ; - la figure 5 montre schématiquement un broyeur vertical ;
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- la figure 6 montre les détails d'un broyeur au niveau du broyage - la figure 7 montre une vue en perspective d'une frette d'un galet de broyage selon la présente invention ;
- la figure 8 montre en perspective l'un des inserts prévus, selon la présente invention, sur la frette de broyage ; - les figures 9 et 10 illustrent respectivement en coupe radiale et en coupe axiale une variante de la frette de la figure 7 et ; - la figure 11 illustre l'usure périphérique d'une frette.
Les figures 1 et 2 montrent un exemple de réalisation d'une dent de dragage connue. Celle-ci se présente sous forme d'une pièce effilée avec une pointe de travail 20 à l'une des extrémités et une cavité 22 en forme de cloche à l'extrémité opposée et prolongée par plusieurs pattes permettant la fixation de la dent sur un support pénétrant dans la cavité 22.
Les dents connues sont en général fabriquées en acier ordinaire ou légèrement alliées dans une gamme de dureté comprise entre 45 et 55 Rc. Elles sont soumises à l'abrasion, aux chocs et, éventuellement à la corrosion avec une intensité variable suivant les terrains.
Dans certains cas, où l'abrasion est intense et la puissance installée importante, la durée de vie des dents n'est que de quelques jours. Le problème est que dans le temps, les dragueurs se contentaient d'une dent en acier
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forgé. Or, vu que les équipements de dragage deviennent de plus en plus puissants, on utilise souvent sur ces puissantes machines les dents prévues pour d'anciennes machines étant donné que les aciers durs ne peuvent pas être forgés. Une telle situation est évidemment prohibitive, non seulement au niveau du coût des pièces d'usure, mais surtout au niveau de productivité des chantiers.
Une tentative d'amélioration souvent utilisée est un remède"cosmétique"consistant en un rechargement par soudure des faces constituant la pointe, ceci aussi bien des dents usées que des dents neuves. Cela signifie que la pointe 20 se présente toujours de la manière indiquée sur les figures 1 et 2, éventuellement plus courte pour les dents usées, avec le même matériau, mais revêtu d'une coiffe constituée d'un matériau plus dur.
Toutefois, les caractéristiques mécaniques d'un tel rechargement, ainsi que la qualité de sa liaison au support ne lui permettent pas de supporter des chocs importants et répétés. Il est alors fréquent de voir les pointes s'écailler et s'émousser rapidement. Il en résulte une perte d'efficacité de la dent avant qu'elle ne soit fortement usée.
Si le rechargement est pratiqué déjà sur des dents neuves, il épaissit d'autant la pointe des dents, ce qui réduit dès le départ leur efficacité, car, ce qui est demandé à ces dents, c'est d'être pointues et de rester aussi longtemps que possible pointues et affûtées.
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La dent de dragage réalisée conformément à la présente invention et illustrée sur les figures 3 et 4 permet de remédier à ces inconvénients. Comme représenté sur les figures, cette dent comporte un insert sous forme d'une tige cylindrique s'étendant axialement de l'extrémité de la pointe 20, qu'elle dépasse légèrement, jusque dans le creux de la cavité 22.
Cette dent représentée sur les figures 3 et 4 est réalisée en deux étapes. D'abord on coule dans un moule séparé l'insert 24 en utilisant une fonte à haute teneur en chrome d'une dureté comprise, par exemple, entre 60 et 68 Rc. On dispose ensuite l'insert 24 dans le moule correspondant à la forme de la dent et on coule celle-ci autour de l'insert 24 en utilisant un acier de dureté comprise entre 45 et 50 Rc. Cette dernière coulée provoque une liaison métallurgique entre l'insert 24 et la pointe 20, ce qui élimine les inconvénients inhérents au rechargement par soudure.
Les analyses de l'insert 24 et de son support formé par le reste de la dent peuvent être ajustées pour obtenir les duretés voulues lors de la trempe de l'ensemble de la dent formé par l'insert et son support. En tout état de cause, aussi bien l'insert 24 que le support contribuent à améliorer la durée de vie de la dent, l'insert 24 permettant, par sa dureté, de mieux résister à l'abrasion et le support permettant, par sa ductilité relative, de mieux résister à la casse.
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En outre, l'alliance des deux matériaux engendre un effet synergique favorable à l'amélioration de la durée de vie et des performances de la dent. En effet, un choix judicieux des matériaux permet d'ajuster correctement les duretés des deux matériaux pour compenser la différence de sollicitation d'usure et maintenir un profil pointu au sommet de la dent pendant que l'usure (bien que ralentie par l'insert dur) progresse. Autrement dit, vu que la partie la plus sollicitée, c'est-à-dire l'insert 24 est plus résistant à l'abrasion et que le support moins sollicité l'est moins, les deux matériaux s'usent conjointement, ce qui permet le maintien du profil de la pointe, c'est-à-dire d'assurer une sorte d'auto-affûtage de la dent au fur et à mesure de son utilisation.
Il en résulte, par conséquent, une durée de vie accrue et, en même temps, une amélioration des performances de l'outil tout au long de son service.
La description ci-dessus fait référence, à titre d'exemple, à des dents de dragage. Toutefois, il est évident que des dents d'usure d'autres machines peuvent être réalisées de la même manière, par exemple des excavatrices ; pelles mécaniques, etc...
Une autre application avantageuse pour la mise en oeuvre de pièces d'usure composites, réalisées conformément à la présente invention sera maintenant décrite en référence à un broyeur vertical à galets tel que représenté schématiquement sur la figure 5. De tels broyeurs sont, par exemple, utilisés pour broyer du
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charbon ou du clinker. Ils sont essentiellement constitués d'une piste rotative 30 sur laquelle évoluent des galets de broyage 32. La matière à broyer est introduite par un canal d'alimentation central 34 et tombe sur la piste 30 où elle est écrasée et broyée entre cette piste et les galets 32.
Comme le montre plus en détail la figue 6, la matière broyée est saisie, à la périphérie de la piste 30, par un courant ascendant d'air chaud et séparée en même temps sous l'effet de la gravité et d'un séparateur 36 suivant la granulométrie. Pour éviter des frictions entre les galets 32 et la piste 30, les galets 32 doivent avoir une forme tronconique comme représenté sur la figure 5. Il est également possible de prévoir des galets 40, comme dans le mode de réalisation de la figure 6, avec une surface de roulement convexe, la piste 38 ayant une surface annulaire concave correspondante.
Les galets de broyage sont, en général, constitués par une frette annulaire tronconique ou cylindrique, montée sur un moyeu. Elles doivent, d'une part, avoir une résistance suffisante à l'usure occasionnée par le broyage et, en même temps, pouvoir être usinées pour être montées sur le moyeu. Les frettes connues sont en général coulées en fonte Ni-hard ou en fonte ou chrome et ensuite usinée avec une grande précision (diamètre intérieur avec tolérance H6 dans certains cas) avant d'être montées sur leur moyeu.
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En service, l'usure d'une telle frette progresse généralement uniformément en tous points suivant une ligne circulaire sur une section radiale. Par contre, l'usure est généralement variable, le long d'une même génératrice, les extrémités, surtout les extrémités périphériques s'usant moins vite que la partie centrale.
En plus, il se produit un polissage progressif de la surface de travail, avec comme conséquences un risque accru de patinage entre la frette et la matière à broyer.
Il en résulte que le profil des surfaces travaillantes se modifie et le système de rattrapage des jeux ne permet plus de restaurer des conditions optimales de broyage. En outre, le glissement entre la matière à broyer et la surface de la frette accélère l'usure et réduit le débit, surtout si la matière à broyer est humide.
Pour remédier à ces inconvénients, la présente invention propose, dans son application au broyeur, de réaliser les frettes avec des inserts comme représentées sur la figure 7. Une telle frette est donc constituée par un support annulaire 42 en fonte ductile et usinable, dans laquelle sont noyés des inserts périphériques 44 en un matériau à haute résistance à l'abrasion, par exemple en fonte ou chrome et formant la surface de travail et d'usure de la frette.
Les inserts 44 sont d'abord coulés séparément dans des moules appropriés. Ces inserts 44 ont avantageusement la forme représentée en perspective sur la Figure 8. Ils
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sont constitués par une partie extérieure 46 de forme sensiblement parallélépipédique à section légèrement tronconique suivant le rayon de courbure de la frette. Cette partie est prolongée vers le base, ou l'intérieur de la frette, par un pied longitudinal étranglé 48 avec une section radiale en forme de"queue d'aronde" renversé et formant la zone de liaison avec le support 42. Chaque insert 44 comporte sur au moins l'un de ces flancs longitudinaux de la partie 46, dans le mode de réalisation représenté, sur chacun des flancs longitudinaux, au moins deux nervures saillantes 50.
Les inserts 44 sont ensuite placés dans le moule pour la coulée des frettes de manière à garnir toute la périphérie du moule. Les inserts 44 sont juxtaposés de manière que leurs nervures 50 soient en contact mutuel pour définir entre deux inserts juxtaposés un espace 52 plus ou moins large suivant l'importance des nervures 50.
Le but de ces nervures 50 est de provoquer, lors de la coulée du support 42, un étalement de la fonte ductile dans les espaces 52 pour former entre tous les inserts voisins 44 une fine aillette radiale en fonte ductile.
Le but des ailettes 52 est de provoquer, par le travail du galet, une usure préférentielle de l'alliage ductile et la formation de rainures entre les inserts 44 dans le but d'aggripper la matière à broyer. Pour avoir le rendement optimal il faut donc choisir l'espacement entre les inserts 44 en fonction des caractéristiques de
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frottement du matériau employé, de sa granulométrie et de son angularité.
La morphologie et la forme des inserts 44 est donc dictée par plusiers critères. Leur largeur et leur espacement doivent permettre un pas circonférentiel offrant un entraînement optimal de la matière employée.
Le profil de la partie 48 de chaque insert 44 permet une excellente liaison mécanique entre les inserts 44 et le support 42 avec un minimum de concentration de tension dans la fonte ou chrome des inserts. La hauteur radiale des inserts 44 permet une grande épaisseur usable et une bonne liaison mécanique jusqu'à la fin de la durée de vie. Enfin, les nervures 50 permettent un ajustement et un positionnement aisé des inserts 44 dans le moule.
Une frette réalisée avec des inserts tels que décrits ci-dessus présente plusieurs avantages par rapport aux frettes connues. L'opération d'usinage et de frettage est moins délicate et moins coûteuse à cause de la ductilité du support 42. Cette ductilité réduit également les risques de rupture brutale sur toute la section de la pièce suite aux sollicitations statiques de frettage et de fatigue en service. Il est possible d'utiliser des fontes à haute teneur en chrome, c'est-à-dire de très haute dureté (supérieure à 65 Rc) dont l'usinage est extrêmement difficile et coûteux. En même temps, le procédé de fabrication permet un meilleur taux d'utilisation de la fonte au chrome coûteuse.
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En plus des avantages énumérés ci-dessus, et qui, en fait, sont des avantages intrinsèques dus aux propriétés de chacun des matériaux en présence, l'association de ces matériaux engendre un effet synergique offrant d'autres avantages. Ainsi, par exemple, il est possible de réaliser une mise en compression des inserts par le gonflement de la fonte au chrome lors de sa transformation martensitique à la trempe, alors que la fonte ductile termine son refroidissement avec un retrait linéaire. Cette mise en compression de la surface travaillante a un effet positif sur la résistance à la fatigue et aussi, dans certains cas, sur la résistance à l'abrasion. En outre, il est possible de générer une surface d'usure conservant le profil initial, avec, en plus, des creux entre les inserts qui favorisent l'entraînement de la matière.
Bref, les frettes réalisées selon le procédé proposé offrent une résistance à l'usure accrue, une fiabilité mécanique accrue et un débit accru pendant leur durée d'utilisation.
On va maintenant décrire en référence aux figures 9 à 11 un mode d'exécution d'une frette permettant une compensation du profil d'usure suivant la génératrice. En effet, un profil d'usure irrégulier suivant la génératrice est particulièrement gênant dans le cas de broyeurs verticaux à galets selon la Figure 5, où la matière est déplacée radialement sur la piste suivant la génératrice des galets et ou la formation d'une poche entre le galet et la piste est responsable de
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conséquences néfastes. En effet, le débit peut chuter jusqu'à 50% du débit nominal obligeant à remplacer prématurément ou à réusiner les galets avant que toute l'épaisseur utilisable de la couche d'usure soit usée.
En outre, entre les extrémités peu usées du galet et de la piste se produit un contact métal sur métal qui occasionne une détérioration rapide de ces pièces d'usure. Ces inconvénients sont encore plus prononcés dans le cas de pistes planes et de galets à génératrice droite comme ceux de la figure 5. Dans un tel cas il y a intérêt à exploiter les possibilités du procédé de fabrication selon la présente invention pour exploiter la présence de deux matériaux de propriétés différentes pour accélérer l'usure des régions qui s'usent moins que d'autres en modifiant en conséquence la morphologie des inserts.
Comme le montrent les figures 9 et 10, la frette 60 comporte des inserts 62 qui ne s'étendent pas sur toute la longueur de la génératrice de manière à laisser subsister sur le bord extérieur des galets un nez périphérique 64a faisant partie du support 64 en fonte ductile. On provoque donc volontairement dans cette région du galet une usure plus rapide pour compenser le fait que cette région s'use normalement moins vite. La Figure 11 montre l'évolution de l'usure d'une telle frette 60. Le profil identifié par A représente le pourtour extérieur de la frette 60 à l'état neuf non usé.
La ligne B représente l'évolution du profile d'usure lorsque
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la frette présente une dureté uniforme sur toute la longueur de la génératrice, tandis que la ligne en trait interrompus C représente l'évolution du profil d'usure tel que corrigé par une frette selon la figure 10 avec un bord extérieur 64a plus ductile.