LU88246A1 - Procédé de fabrication de pièces d'usure composite et pièces réalisées par ce procédé - Google Patents

Description

PROCÉDÉ DE FABRICATION DE PIECES D'USURE COMPOSITE ET PIECES RÉALISÉES PAR CE PROCÉDÉ

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce d'usure composite, en particulier d'une frette ou segment d'usure de broyeurs verticaux ou cylindriques comprenant des inserts et un corps, dans lequel on coule ledit corps autour des inserts disposés dans un moule ainsi que des pièces d'usure réalisées par ce procédé, notamment 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 à leur surface travaillante. Il est dès lors souhaitable que ces pièces présentent une forte résistance à l'abrasion et une certaine ductilité pour pouvoir résister aux sollicitations mécaniques telles que des chocs. De plus, une certaine ductilité est aussi requise si ces pièces doivent éventuellement être usinées. Or, il est bien connu que ces propriétés ne sont pas conciliables. Certes, il est possible de choisir un compromis entre ces deux propriétés opposées, mais ceci doit nécessairement se faire aux dépens de la résistance à l'usure ou de la ductilité.

Pour éviter un tel compromis, il est connu de réaliser des pièces bimétalliques dont la partie exposée à l'abrasion, constituée de fonte au chrome à forte résistance à l'abrasion, est supportée par un noyau en acier plus ductile. Ceci permet de réduire l'usure de la pièce, tout en évitant la casse du noyau.

On connaît plusieurs procédés de fabrication de telles pièces composites ou bimétalliques.

Ainsi, il est connu de réaliser des pièces d'usure bimétalliques par assemblage soudé. Si, en théorie, 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, tous 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 difficile à mettre en oeuvre, onéreuse et peu polyvalente.

Du brevet américain US-2,155,215, il est connu de fabriquer des pièces d'usure bimétalliques en coulant le support de la pièce autour d'inserts disposés dans le moule. La masse des inserts doit être calculée de manière à ce que ces derniers soient réchauffés au-dessus de leur température critique par le métal coulé. Les inserts sont maintenus à l'intérieur de leur logement dans la pièce du fait de la contraction thermique supérieure du métal formant le corps de la pièce. Cependant, lors de la coulée du métal formant le corps de la pièce, on risque de déplacer les inserts dans le moule. Ceci est particulièrement le cas lorsque les inserts sont de petite taille et/ou ont une base relativement petite par rapport à leur hauteur.

La demande de brevet européen EP-0 476 496 décrit un procédé dans lequel des inserts longitudinaux, comportant au moins une nervure radiale saillante, sont disposés les uns contre les autres sur la circonférence d'un moule à symétrie axiale. Cette manière d'opérer garantit que les inserts ne sont pas déplacés par la coulée du deuxième métal. Cependant, ce procédé ne peut être utilisé que pour des inserts relativement volumineux dans un moule à symétrie axiale.

Le but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication de pièces d'usure composite permettant de maintenir les inserts dans leur position lors de la coulée du deuxième métal, sans que les inserts doivent être en contact direct avec les inserts voisins.

Pour atteindre cet objectif, la présente invention propose un procédé de fabrication d'une pièce d'usure composite comprenant des inserts et un corps dans lequel on coule le corps autour des inserts disposés dans un moule et qui est caractérisé en ce que lesdits inserts disposés dans ledit moule sont fixés sur une surface d'un support, ladite surface constituant une surface faisant partie du moule.

Les inserts peuvent être fixés sur cette surface par des moyens mécaniques, tels que des vis, des rivets ou des circlips, par des moyens adhésifs, tels que des colles céramiques à haute température, ou par soudure.

Afin de faciliter le positionnement et le fixage, le support peut être perforé aux endroits où seront placés les inserts.

Le support, par exemple en tôle, peut être enduit d'un réfractaire avant que les inserts ne soient fixés.

Après la solidification du métal coulé, le support peut être éliminé, par exemple par usinage, abrasion, fusion, etc, si les conditions de fonctionnement de la pièce l'exigent.

Si la pièce d'usure présente une surface d'usure composite, le support présente avantageusement une première surface qui, dans le moule, délimite au moins partiellement la surface d'usure, et les inserts sont fixés directement sur cette première surface du moule.

Les inserts peuvent avantageusement être soumis à un traitement thermique d'homogénéisation et/ou enduits d'un réfractaire avant d'être fixés sur le support.

Les inserts peuvent être de forme variée, par exemple : cylindrique, tronconique, polygonale ou peuvent avoir la forme d'un tronc de pyramide. Ils peuvent également comporter au moins une gorge radiale rentrante et/ou au moins une nervure radiale saillante. Les inserts sont donc ancrés dans le corps de la pièce par leur forme géométrique particulière.

Les inserts sont avantageusement exécutés dans un alliage métallique ayant une haute résistance à l'usure, par exemple, en fonte au chrome contenant des carbures complexes au chrome (Cr), au niobium (Nb), au vanadium (V) et/ou au molybdène (Mo). Les inserts peuvent aussi être constitués en carbures de tungstène fondus et infiltrés par une brasure à base de nickel (Ni) ou de cuivre (Cu).

Le corps de la pièce, quant à lui, est avantageusement constitué en alliage métallique alliant de bonnes propriétés mécaniques à une résistance moyenne à l'usure, par exemple en fonte au chrome à teneur en carbone (C) < 2,1%, en fonte Gs perlitique ou bainitique, en acier martensique ou en acier au manganèse (Mn).

La température moyenne des inserts étant inférieure à la température moyenne du matériau formant le corps de la pièce lors de la solidification de celui-ci, le matériau formant le corps se contracte plus que les inserts lors du refroidissement après coulée du corps de la pièce. De cette manière, les inserts sont maintenus en position par les forces de contraction exercées par le corps de la frette.

Le rapport masse des inserts/masse totale de la pièce se situe avantageusement entre 5 et 40%.

Le moule, et donc la pièce fabriquée selon le procédé de la présente invention, peut, par exemple, être cylindrique ou tronconique. La forme cylindrique peut, soit être un cylindre complet, soit des segments rapportés.

La pièce peut présenter un alésage qui peut être, soit cylindrique, soit conique. Dans le cas des segments rapportés de cylindre, la face de pose sur l'alésage peut être plane de sorte à permettre un usinage plus aisé de la pièce et, dans ce cas évidemment, l'arbre sur lequel les segments seront montés est polygonal.

Selon un mode de réalisation avantageux de la présente invention, la distribution des inserts est régulière et forme un réseau dont la maille est un hexagone centré. La disposition et l'écart entre les inserts peuvent être choisis de sorte que la structure formée par le métal ductile confère à l'ensemble une résistance élevée aux sollicitations mécaniques. D'autres distributions des inserts sont également possibles, comme par exemple sous forme d'un réseau dont la maille est un carré ou un carré centré. Des essais ont montré que, pour des frettes pour broyeurs, le diamètre des inserts se situe avantageusement entre 10 et 100 mm et que l'écartement optimal entre les inserts se situe entre 2 et 40 mm.

Selon un autre mode de réalisation préféré, la résistance à l'usure, le diamètre des inserts, la distribution des inserts et la densité des inserts peuvent être adaptés à l'intensité locale de l'abrasion pour éviter une usure irrégulière le long de la génératrice et par là, de supprimer de coûteuses opérations de rectifications périodiques.

Selon encore un autre mode de réalisation, la disposition des inserts dans les frettes de broyeurs est adaptée de sorte que la dureté différente des métaux favorise l'apparition d'une macro-rugosité qui réduit le glissement entre la matière à broyer et la surface de broyage de sorte à augmenter le débit et à réduire l'usure des pièces.

Il est évident que le procédé décrit dans cette invention peut aussi être utilisé pour d'autres types de pièces composites dont le corps de la pièce est coulé. D'autres particularités et caractéristiques ressortiront de la description de quelques modes de réalisation avantageux, présentés ci-dessous, à titre d'illustration en référence aux dessins dans lesquels : - la Figure 1 représente schématiquement un broyeur cylindrique ; - la Figure 2 montre schématiquement un broyeur vertical ; - la Figure 3 montre les détails d'un broyeur au niveau du broyage ; - la Figure 4 représente une coupe radiale à travers une moitié d'un moule dans lequel sont placés des inserts ; - la Figure 5 illustre en coupe axiale une frette de broyage dans son moule ; - la Figure 6 montre une distribution des inserts dont la maille est un hexagone centré ; - la Figure 7 représente une distribution des inserts dont la maille est un carré centré ; - la Figure 8 illustre une distribution des inserts dont la maille est un carré ; - la Figure 9A montre un insert cylindrique ; - la Figure 9B représente une coupe selon la ligne IX-IX' de la Figure 9A ; - la Figure 10A représente un insert à base carrée ; - la Figure 1OB montre une coupe selon la ligne X-X' de la Figure 10A ; - la Figure 11A représente un insert à base hexagonale ; - la Figure 11B montre une coupe selon la ligne XI-XI' de la Figure 11A ; - la Figure 12 montre un exemple de distribution des inserts sur le pourtour d'une frette.

Une première application avantageuse pour la mise en oeuvre de pièces composites sera maintenant décrite en référence à un broyeur cylindrique tel que représenté schématiquement sur la Figure 1. De tels broyeurs sont, par exemple, utilisés pour broyer des minerais, du charbon ou clinker. Ils sont essentiellement constitués de deux rouleaux cylindriques 21, 22 qui tournent en sens opposé. La matière à broyer 23 est introduite par un canal d'alimentation (non représenté). Elle est saisie entre les deux cylindres 21, 22 et broyée sous pression élevée. La matière broyée 24 tombe ensuite sur une bande de transport qui l'évacue vers un endroit de stockage par exemple.

Les pièces d'usure composites peuvent aussi être avantageuse-ment mises en oeuvre dans un broyeur vertical à galets tel que représenté schématiquement sur la Figure 2. De tels broyeurs 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 Figure 3, 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 représentée sur la Figure 2. Il est également possible de prévoir des galets 40, comme dans le mode de réalisation de la Figure 3, 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 au chrome et ensuite usinées avec une grande précision avant d'être montées sur leur moyeu.

En service, l'usure d'une telle frette est uniforme sur la circonférence de la frette . En revanche, 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 conséquence 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, la surface extérieure se polissant, 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, on propose de réaliser les frettes de broyeur avec des inserts comme représentées sur la Figure 4.

Un support sur lequel sont montés des inserts 6 moyennant des vis 8 épouse la forme extérieure d'un moule.

Le moule est limité du côté intérieur par une paroi cylindrique 10 de sorte à définir un alésage cylindrique 12. Le métal à couler remplira le volume 1_4 pour former le corps de la frette de broyage.

La Figure 5 représente une coupe axiale d'une frette de broyage coulée dans le moule de la Figure 4. Les inserts 6 sont ancrés dans le corps 14 de la frette par une forme géométrique spécialement étudiée. De plus, la température moyenne des inserts étant inférieure à la température moyenne du matériau formant le corps de la pièce lors de la solidification de celui-ci, le matériau formant le corps se contracte plus que les inserts lors du refroidissement après coulée du corps de la pièce. De cette manière, les inserts sont aussi maintenus par les contraintes de pression qu'exerce le matériau formant le corps de la frette sur les inserts. Le moule est représenté en lignes pointillées.

Des exemples de différents modes de distribution des inserts sur la frette sont représentés sur les Figures 6, 7 et 8. Ainsi, sur la Figure 6, on voit une maille unitaire en forme d'hexagone centré. Les mailles unitaires représentées sur les Figures 7 et 8 ont la forme d'un carré centré, respectivement d'un carré. Il sera noté que, du fait de la fixation des inserts, l'écart entre ces derniers peut être important, ce qui permet de conférer à l'ensemble une résistance élevée aux sollicitations mécaniques.

Les Figures 9A, 10A et 11A représentent différentes formes d'inserts. La forme géométrique des inserts 6 est importante pour la durée de vie de la frette et pour sa stabilité mécanique. Les inserts 6 représentés comportent, dans les cas illustrés, deux gorges radiales rentrantes qui renforcent l'ancrage des inserts dans le corps de la pièce.

Les Figures 9B, 1OB et 11B représentent trois formes de section préférées des inserts : circulaire, carrée ou hexagonale respectivement. La forme de la surface de base des inserts est importante car elle détermine, avec le diamètre des inserts et leur espacement, le pourcentage de la surface d'usure formé par le matériau des inserts, respectivement par le matériau du corps de frette.

Par le travail de la frette, une usure préférentielle de l'alliage ductile est provoqué et des rainures entre les inserts se forment. Ces rainures agrippent la matière à broyer et augmentent le rendement de la frette. Le diamètre, la forme et l'espacement des inserts est choisi en fonction des caractéristiques de frottement du matériau employé, de sa granulométrie et de son angularité.

La Figure 12 montre un exemple d'une distribution particulière sur la surface de travail de la frette. Des inserts 6'' d'un diamètre plus grand sont placés au milieu de la surface de travail tandis, que des inserts 6' d'un diamètre plus faible se situent aux extrémités périphériques. Cette distribution particulière des inserts est avantageuse car l'usure d'une frette n'est, en général, pas régulière. En effet, l'usure d'une frette est circonféren-tiellement uniforme. En revanche, l'usure est généralement variable le long d'une même génératrice. En effet, les extrémités périphériques s'usent moins vite que la partie centrale. Il en résulte que le profil des surfaces travaillantes se modifie et que finalement, le système de rattrapage des jeux ne permet plus de travailler dans des conditions optimales. Les frettes doivent alors être démontées et rectifiées.

Le choix judicieux de la forme , des dimensions, de la dureté et de la distribution des inserts permet d'obtenir une usure totale (en gr/τ de matière broyée) minimale, de générer une surface d'usure ayant un profil favorable au processus de broyage et de réduire la fréquence des interventions pour rectifier la génératrice.

Claims (19)

1. Procédé de fabrication d'une pièce (2) d'usure composite comprenant des inserts (6) et un corps (14) dans lequel on coule ledit corps (14) autour des inserts dans un moule, caractérisé en ce que lesdits inserts (6) disposés dans le moule sont fixés sur une surface d'un support (4), ladite surface constituant une surface faisant une partie dudit moule.

2. Procédé de fabrication d'une pièce (2) d'usure composite selon la revendication 1 caractérisé en ce que les inserts (6) sont fixés sur la surface du support (4) par des moyens mécaniques, par des moyens adhésifs, ou bien par soudure.

3. Procédé de fabrication d'une pièce d'usure composite selon la revendication 2 caractérisé en ce que ladite surface du support (4) est munie d'un réfractaire.

4. Procédé de fabrication d'une pièce d'usure composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le support (4) est éliminé après solidification du métal coulé.

5. Procédé de fabrication d'une pièce d'usure composite selon les revendications 1, 2 ou 3 caractérisé en ce que le support (4) est muni de trous de positionnement pour les inserts (6).

6. Procédé de fabrication d'une pièce d'usure composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les inserts (6) sont soumis à un traitement thermique d'homogénéisation et/ou muni d'un réfractaire.

7. Procédé de fabrication d'une pièce (2) d'usure composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que les inserts (6) ont une forme cylindrique, tronconique, polygonale ou la forme d'un tronc de pyramide.

8. Procédé de fabrication d'une pièce (2) d'usure composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les inserts (6) comportent au moins une gorge (16) radiale rentrante et/ou au moins une nervure radiale saillante.

9. Procédé de fabrication d'une pièce (2) d'usure composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que les inserts (6) sont constitués d'un alliage métallique ayant une haute résistance à l'usure, par exemple, en fonte au chrome contenant des carbures complexes au chrome, niobium, vanadium et/ou molybdène.

10. Procédé de fabrication d'une pièce (2) d'usure composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que les inserts (6) sont constitués de carbures de tungstène fondus infiltrés par une brasure à base de nickel ou de cuivre.

11. Procédé de fabrication d'une pièce (2) d'usure composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que le corps (14) est constitué en un alliage métallique alliant de bonnes propriétés mécaniques à une résistance moyenne à l'usure, par exemple, en fonte au chrome à teneur en C < 2,1%, en fonte Gs perlitique ou bainitique, en acier martensique ou en acier au manganèse.

12. Procédé de fabrication d'une pièce (2) d'usure composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que le rapport masse des inserts/masse totale de la pièce se situe entre 5 et 40%.

13. Procédé de fabrication d'une pièce (2) d'usure composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 caractérisé en ce que le moule est cylindrique, tronconique ou bien formé de segments rapportés de cylindre.

14. Procédé de fabrication d'une pièce (2) d'usure composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 caractérisé en ce que la distribution des inserts (6) sur la bande d'usure est régulière, par exemple sous forme d'un réseau dont la maille unitaire est un hexagone centré, un carré centré ou un carré.

15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 caractérisé en ce que la pièce d'usure est un galet de broyage.

16. Procédé selon la revendication 15 caractérisé en ce que le diamètre des inserts (6) se situe entre 10 et 100 mm.

17. Procédé selon la revendication 15 caractérisé en ce que l'écartement des inserts (6) se situe entre 2 et 40 mm.

18. Procédé la revendication 15 caractérisé en ce que la résistance des inserts (6) à l'usure, leur diamètre, leur distribution et la densité d'inserts, exprimés en inserts/m^, sont adaptés en fonction de l'intensité de l'abrasion le long de la génératrice.

19. Galet de broyage cylindrique ou conique comprenant des inserts (6) intégrés radialement dans la pièce caractérisé en ce que les inserts (6) sont entourés complètement par le corps et sont maintenus en place par leur forme géométrique étudiée et par les pressions de contraction exercées par le corps (14) sur les inserts (6) qui ne sont pas en contact les uns avec les autres.