BE1008247A6 - Aciers a haute teneur en carbone, procede pour leur production et leur utilisation pour des pieces d'usure fabriquees en cet acier. - Google Patents

Aciers a haute teneur en carbone, procede pour leur production et leur utilisation pour des pieces d'usure fabriquees en cet acier. Download PDF

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Abstract

Aciers alliés à haute teneur en carbone caractérisés en ce que leur composition répond à la composition suivante, exprimée en % en poids : Carbone de 1,1 à 2,0 %, Manganèse de 0,5 à 3,5 %, Chrome de 1,0 à 4,0 %, Silicium de 0,6 à 1,2 %, la balance étant du fer avec les teneurs habituelles en impuretés, en ce qu'ils présentent une structure métallographique constituée principalement de perlite fine hors d'équilibre et en ce que leur dureté se situe entre 47 Rc à 54 Rc.

Description

ACIERS A HAUTE TENEUR EN CARBONE/ PROCEDE POUR LEUR PRODUCTION ET LEUR UTILISATION POUR DES PIECES D'USURE
FABRIQUEES EN CET ACIER
Objet de l'invention
La présente invention concerne des aciers alliés à haute teneur en carbone qui sont destinés plus particulièrement à la fabrication de pièces d'usure, notamment des engins broyants tels que des boulets.
Etat de la Technique
Dans l'industrie minière, il est nécessaire de libérer les minéraux valorisables de leur gangue de roche en vue de leur concentration et de leur extraction.
Pour obtenir cette libération, il faut concasser et broyer finement les minerais.
En se limitant au stade du broyage, on peut estimer que 750.000 à 1 million de tonnes d'engins broyants sont consommés annuellement dans le monde sous la forme de boulets sphériques ou de cylpebs (tronconiques ou cylindriques).
Dans les engins broyants, on rencontre principalement: 1) des aciers martensitiques peu alliés (carbone 0,7 à 1 %, éléments alliage inférieurs à 1 %) mis en forme par laminage ou forgeage, puis traités thermiquement pour obtenir une dureté superficielle de 60-65 Rc; 2) des fontes martensitiques alliées au chrome (carbone 1,7 à 3,5 %, chrome de 9 à 30 %) mis en forme par coulée et traitées thermiquement pour obtenir une dureté de 60 à 68 Rc dans toute la section; 3) des fontes blanches perlitiques peu alliées (carbone 3 à 4,2 %, éléments d'alliages inférieurs à 2 %) non traitées et d'une dureté de 45 à 55 Rc, obtenue par coulée.
Chacune des solutions actuelles présente des inconvénients qui lui sont propres: - pour les aciers martensitiques forgés, les coûts d'investissements pour les machines de forgeage ou de laminage, les installations de traitement thermique ainsi que les consommations d'énergie sont élevés; pour ce qui concerne les fontes alliées au chrome, des coûts supplémentaires sont liés aux éléments d'alliage (le chrome principalement ainsi qu'aux traitements thermiques); - enfin pour les fontes blanches perlitiques peu alliées, les coûts de fabrication sont généralement assez bas, mais les performances en résistance à l'usure sont nettement plus faibles que les solutions précédentes. De plus, seuls des engins broyants de taille inférieure à 60 mm sont généralement produits i ndustr i e11ement.
Tout particulièrement, dans le cas des minerais où les gangues sont fort abrasives (par exemple: les minerais d'or, de cuivre ...), les solutions actuelles ne satisfont pas entièrement les utilisateurs, car la contribution des produits et matériaux soumis à l'usure (boulets et blindages) reste importante dans les coûts de production de ces métaux valorisables.
Buts de l'invention L'invention a pour but de proposer des aciers présentant des propriétés améliorées et tout particulièrement de remédier aux inconvénients et insuffisances des solutions de l'état de la technique pour les pièces d'usure (en particulier les engins broyants) dont la composition, la mise en forme par coulée et les conditions de refroidissement après coulée permettent d'obtenir une résistance à l'usure (surtout en conditions très abrasives) qui soit comparable aux aciers martensitiques forgés et aux fontes martensitiques au chrome coulées, mais à un coût nettement moindre et nettement supérieure aux fontes coulées perlitiques, pour un coût comparable.
D'autres buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit des éléments caractéristiques de l'invention et de formes d'exécution particulières de celle-ci.
Eléments caractéristiques de l'invention L'invention propose des aciers alliés à haute teneur en carbone caractérisés en ce que leur composition répond à la composition suivante, exprimée en % en poids: Carbone de 1,1 à 2,0 %
Manganèse de 0,5 à 3,5 %
Chrome de 1,0 à 4,0 %
Silicium de 0,6 à 1,2 % la balance étant du fer avec les teneurs habituelles en impuretés, en ce qu'ils présentent une structure métallographique constituée principalement de perlite fine hors d'équilibre et en ce que leur dureté se situe entre 47 Rc à 54 Rc.
De manière particulièrement préférée, pour des engins de broyage, en particulier des boulets, les teneurs en carbone sont comprises entre 1,1 et 2,0 %, tout particulièrement entre 1,3 et 1,7 afin d'obtenir une résistance à l'usure optimale tout en maintenant la résistance aux chocs.
En pratique, il est opportun que la teneur en manganèse soit choisie en fonction du diamètre des boulets et de la vitesse de refroidissement afin d'obtenir la structure de perlite fine.
Les compositions suivantes se sont révélées interessantes du point de vue de la résistance à l'usure pour des engins de broyage, en particulier des boulets de broyeurs à 100 mm de diamètre:
Carbone : de l'ordre de 1,5 %
Manganèse: de l'ordre de 1,9 à 3,0 %
Chrome : de 1'ordre de 3,0 %
Silicium : de l'ordre de 0,8 %
De même pour des engins de broyage, en particulier des boulets de broyeurs à 70 mm de diamètre une composition d'alliage :
Carbone : de l'ordre de 1,5 %
Manganèse: de l'ordre de 0,8 à 1,5 %
Chrome : de l'ordre de 3,0 %
Silicium : de l'ordre de 0,8 % s'est révélée particulière avantageuse.
Le traitement thermique mis en oeuvre est choisi de manière à minimiser les quantités de cémentite, de martensite, d'austénite et de perlite grossière qui peuvent apparaître dans la structure de l'acier lors de ce traitement thermique.
Selon l'invention, les aciers précités sont soumis, après coulée, à une étape de traitement thermique consistant en un refroidissement à partir d'une température supérieure à 9000C jusqu'à une température d'environ 500Oc avec une vitesse de refroidissement moyenne se situant entre 0,30 et l,50Oc/s afin de conférer à ces aciers ladite microstructure constituée principalement de perlite fine hors d'équilibre et que la dureté se situe entre 47 Rc et 55 Rc.
La coulée réalise directement la mise en forme des pièces d'usure et plus particulièrement des engins broyants et elle peut être réalisée par toutes les techniques classiques de coulée connues en fonderie.
La structure perlitique hors équilibre est obtenue par extraction (décochage) de la pièce encore chaude hors du moule de fonderie et par l'adaptation de la composition chimique à la massivité de la pièce et à la vitesse de refroidissement qui suit l'extraction du moule.
L'invention sera décrite plus en détail en référence à des modes d'exécution préférés, donnés à titre d'illustration sans caractère limitatif.
Dans les exemples, les pourcentages sont exprimés en % en poids.
Exemple 1 à 4
Dans tous les exemples, on a mis en oeuvre une composition d'acier à 1,5 % de carbone, 3 % de chrome et 0,8 % de silicium, la balance étant du fer avec les teneurs habituelles en impuretés.
Les teneurs spécifiques en manganèse et en chrome exprimées en % en poids sont données dans différents exemples, dans le tableau I pour différentes tailles de boulets.
TABLEAU I
Figure BE1008247A6D00061
Après solidification complète, la pièce est extraite de son moule à une température la plus élevée possible mais compatible avec une manipulation aisée et de préférence supérieure à 900OC.
La pièce est ensuite refroidie de manière homogène et à une vitesse bien définie en fonction de sa massivité.
Ce refroidissement contrôle est maintenu jusqu'à la température de 500oc après quoi le refroidissement est indifférent.
Les vitesses moyennes de refroidissement exprimées en oc/s entre les températures de l.OOOOC et 500OC sont données dans le tableau II pour les deux exemples mentionnés plus haut.
TABLEAU II
Figure BE1008247A6D00071
saH^^^BB^^^^^^^BsssssssaasssssaassB^ssassssEBsaBaBB^^^as:^^^
Les avantages principaux de ce traitement thermique sont qu'il permet d'obtenir plus aisément la structure perlitique fine hors équilibre et qu'on peut profiter de la chaleur résiduelle de la pièce après la coulée et donc réduire les coûts de production.
Les micrographies figures I et 2 reprises en annexe, montrent les structures de l'acier obtenue selon l'invention.
La figure 1, grossissement 400 fois, montre la micrographie d'un boulet de 100 mm dont la composition chimique, exprimée en % de poids, est: 1,5 % carbone 1,9 % manganèse 3,0 % chrome 0,8 % silicium
Après décochage, cette pièce a été refroidie de manière constante à partir d'une température de 110ooc jusqu'à la température ambiante à une vitesse de l,30oc/s.
La dureté Rockwell mesurée est de 51 Rc. La structure se compose de perlite fine, de 8 à 10 % de cémentite et de moins de 10 % de martensite.
La figure 2, grossissement 400 fois, est la micrographie d'un boulet de 70 mm ayant comme composition chimique, exprimée en % de poids: 1.5 % carbone 1.5 % manganèse 3,0 % chrome 0,8 % silicium
Cette pièce a été refroidie après décochage de manière constante à partir d'une température de lioooc avec un taux de refroidissement de l,50OC/sec jusqu'à la température ambiante.
La dureté Rockwell mesurée est de 52 RC. La structure se compose de perlite fine de 5 à 7 % de cémentite et de 5 à 7 % de martensite.
Les engins broyants ou boulets de broyage dont les micrographies sont montrées dans les figures l et 2 ont été soumis à des tests d'usure pour vérifier leur comportement et leurs propriétés dans un environnement industriel.
La résistance à l'usure de l'alliage de l'invention a ainsi pu être évaluée par la technique de l'essai de boulets marqués. Cette technique consiste à introduire dans un broyeur industriel une quantité déterminée de boulets fabriqués avec l'alliage selon l'invention, préalablement mis au même poids et identifiés par des trous de forage conjointement avec des boulets de même poids fabriqués d'un ou de différents alliages connus de l'état de la technique. Après une période déterminée de travail, on arrête le broyeur et on recherche les boulets marqués parmi la charge. On pèse les boulets et la différence de poids permet de comparer les performances des différents alliages testés. On répète plusieurs fois ces contrôles pour obtenir une valeur statistiquement valable.
Un premier essai a été réalisé dans un broyeur sur un minerai particulièrement abrasif, car il contient plus de 70 % de quartz. Des boulets de 100 mm de diamètre ont été contrôlés chaque semaine pendant 5 semaines. Le boulet en fonte au chrome martensitique de référence s'était usé d'un poids initial de 4,600 kg à 2,800 kg. Les résistances à l'usure relatives des différentes nuances d'alliage sont résumées ci-dessous:
Fonte à 12 % chrome martensitique 64 Rc lx Acier de l'invention à 51 Rc 0,98x
Des essais similaires ont été réalisés dans d'autres broyeurs où le minerai traité était également très abrasif mais où les conditions d'impact liées aux conditions de fonctionnement du broyeur étaient différentes.
Les résultats obtenus avec des boulets fabriqués dans l'alliage décrit dans l'invention étaient très proches (de 0,9 à 1,1 fois meilleurs) de ceux obtenus par la fonte au chrome.
Ces performances de résistance à l'usure abrasive de l'alliage perlitique hors équilibre selon l'invention permettent de réduire sensiblement les coûts liés au broyage pour l'utilisateur.
En effet, la simplification des procédés de fabrication, la diminution des coûts d'investissements et de fonctionnement, la diminution des éléments d'alliage par rapport aux fontes au chrome permettent d'obtenir un coût de production plus économique.

Claims (10)

1. Aciers alliés à haute teneur en carbone caractérisés en ce que leur composition répond à la composition suivante, exprimée en % en poids: Carbone de 1,1 à 2,0 % Manganèse de 0,5 à 3,5 % Chrome de 1,0 à 4,0 % Silicium de 0,6 à 1,2 % la balance étant du fer avec les teneurs habituelles en impuretés, en ce qu'ils présentent une structure métallographique constituée principalement de perlite fine hors d'équilibre et en ce que leur dureté se situe entre 47 Rc à 54 Rc.
2. Aciers selon la revendication 1 caractérisés en ce que leur teneur en carbone est comprise entre 1,2 et 2,0 %.
3. Aciers selon la revendication 1 ou 2 caractérisés en ce que leur teneur en carbone est comprise entre 1,3 et 1,7 %.
4. Aciers selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisés en ce que leur teneur en carbone est de l'ordre de 1,5 %.
5. Procédé de production d'aciers selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que des aciers de la composition indiquée sont soumis, après coulée, à une étape de traitement thermique consistant en un refroidissement à partir d'une température supérieure à 900OC jusqu'à une température d'environ 500oc avec une vitesse de refroidissement se situant entre 0,30 et 1,50Oc/s afin de conférer à ces aciers ladite microstructure constituée principalement de perlite fine hors d'équilibre et que la dureté se situe entre 47 Rc et 54 Rc.
6. Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que la coulée réalise directement la mise en forme de pièces d'usure et plus particulièrement d'engins broyants.
7. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que la structure perlitique hors équilibre est obtenue par extraction (décochage) de la pièce encore chaude hors du moule de fonderie et par l'adaptation de la composition chimique à la massivité de la pièce et à la vitesse de refroidissement qui suit l'extraction du moule.
8. Utilisation des aciers selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 pour l'obtention de pièces d'usure.
9. Utilisation des aciers selon la revendication 8 pour l'obtention d'engins broyants caractérisée en ce qu'on met en oeuvre pour des engins broyants de l'ordre de 100 mm de diamètre, la composition d'alliage: Carbone : de l'ordre de 1,5 % Manganèse: de l'ordre de 1,9 à 3,0 % Chrome : de l'ordre de 3,0 % Silicium : de l'ordre de 0,8 %
10. Utilisation des aciers selon la revendication 8 pour l'obtention d'engins broyants caractérisée en ce qu'on met en oeuvre pour des engins broyants de l'ordre de 70 mm de diamètre, la composition d'alliage: Carbone : de 1'ordre de 1,5 % Manganèse: de l'ordre de 0,8 à 1,5 % Chrome : de l'ordre de 3,0 % Silicium : de l'ordre de 0,8 %
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