BE1018127A3

BE1018127A3 - Dent composite pour le travail du sol ou des roches.

Info

Publication number: BE1018127A3
Application number: BE2008/0518A
Authority: BE
Inventors: Guy Berton
Original assignee: Magotteaux Int
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2010-05-04
Also published as: HK1157824A1; ATE549425T1; CA2743343C; MX2011003026A; EP2329052A1; ZA201101623B; AU2009294779A1; KR20110063467A; EP2329052B1; KR101633141B1; BRPI0913715A2; MY150582A; CN102159740B; US8646192B2; PL2329052T3; AU2009294779B2; BRPI0913715B1; PT2329052E; CA2743343A1; DK2329052T3

Description

DENT COMPOSITE POUR LE TRAVAIL DU SOL OU DES ROCHES Objet de l'invention

[0001] La présente invention se rapporte à une dent composite destinée à équiper une machine pour le travail du sol ou des roches. Elle se rapporte en particulier à une dent comportant une matrice métallique renforcée par des particules de carbure de titane.

Définition

[0002] L'expression « dent » est à interpréter au sens large et comporte tout élément de toute dimension, présentant une forme pointue ou aplatie, destiné notamment à travailler le sol, le fond des cours d’eau ou des mers, les roches, en surface ou dans les mines.

Etat de la technique

[0003] Peu de moyens sont connus pour modifier la dureté et la résistance à l'impact d'un alliage de fonderie en profondeur "dans la masse". Les moyens connus concernent généralement des modifications en surface de faible profondeur (quelques mm) . Pour les dents réalisées en fonderie, les éléments de renfort doivent être présents en profondeur afin de résister à des sollicitations localisées importantes et simultanées en termes de contraintes mécaniques, d'usure et d'impact, et aussi parce qu'une dent est utilisée sur une grande partie de sa longueur.

[0004] Il est connu de recharger des dents avec des carbures métalliques (Technosphère® - Technogenia) par soudage oxyacétylénique. Un tel rechargement permet de déposer une couche de carbure de quelques millimètres d'épaisseur à la surface d'une dent. Un tel renfort n'est cependant pas intégré à la matrice métallique de la dent et ne garantit pas la même performance qu'une dent où un renfort de carbure est entièrement incorporé dans la masse de la matrice métallique.

[0005] Le document EP 1 450 973 Bl décrit un renforcement de pièces d'usure réalisé en plaçant dans le moule destiné à recevoir le métal de coulée, un insert constitué de poudres réactives qui réagissent entre elles grâce à la chaleur apportée par le métal lors de la coulée à très haute température (> 1400°C). Après réaction de type SHS, les poudres de l'insert réactif vont créer un amas poreux relativement uniforme (conglomérat) de particules dures; une fois formé, cet amas poreux sera immédiatement infiltré par le métal de coulée à hautë température. La réaction des poudres est exothermique et auto-propagée, ce qui permet une synthèse des carbures à haute température et augmente considérablement la mouillabilité de l'amas poreux par le métal d'infiltration.

[0006] Le document US 5,081,774 divulgue différentes manières de disposer dans une dent de forme plate des inserts en fonte au chrome destinés à en augmenter la performance. Mais on sait que les limites d'une telle technique sont d'une part la massiveté du renfort qui a tendance à fragiliser la pièce et d'autre part, la liaison (soudure) insuffisante entre les inserts et le métal de base de la pièce.

[0007] Le document US 5,337,801 (Materkowski) divulgue une autre méthode pour déposer des particules dures de carbure de tungstène à la surface travaillante des dents. Il s'agit dans ce cas de préparer d'abord des inserts en acier contenant des particules dures; ces inserts sont ensuite disposés dans le moule puis sont incorporés dans le métal de base coulé pour réaliser la pièce. Cette procédure est longue et coûteuse, n'exclut pas une possible réaction entre le carbure de tungstène et le métal des inserts et ne garantit pas toujours une soudure parfaite des particules dures au métal de base.

Buts de l'invention

[0008] La présente invention divulgue une dent composite pour un outil de travail du sol ou de la roche, en particulier pour des outils d'excavation ou de dragage, avec une résistance améliorée contre l'usure tout en maintenant une bonne résistance aux chocs. Cette propriété est obtenue par une structure composite de renforcement spécifiquement conçue pour cette application, matériau gui. fait alterner à l'échelle millimétrique des zones denses en fines particules globulaires micrométriques de carbures métalliques avec des zones qui en sont pratiquement exemptes au sein de la matrice métallique de la dent.

[0009] La présente invention propose également un procédé pour l'obtention de ladite structure de renforcement.

Résumé de 11 invention

[0010] La présente invention divulgue une dent composite pour le travail du sol ou des roches, ladite dent comportant un alliage ferreux renforcé au moins en partie avec du carbure de titane selon une géométrie définie, dans laquelle ladite partie renforcée comporte une macromicrostructure alternée de zones millimétriques de zones millimétriques concentrées en particules globulaires micrométriques de carbure de titane séparées par des zones millimétriques essentiellement exemptes de particules globulaires micrométriques de carbure de titane, lesdites zones concentrées en particules globulaires micrométriques de carbure de titane formant une microstructure dans laquelle les interstices micrométriques entre lesdites particules globulaires sont également occupés par ledit alliage ferreux.

[0011] Selon des modes particuliers de l'invention, la dent composite comporte au moins une ou une combinaison appropriée des caractéristiques suivantes : lesdites zones millimétriques concentrées ont une concentration en carbures de titane supérieure à 36.9 % en volume ; ladite partie renforcée a une teneur globale de carbure de titane entre 16.6 et 50.5 % en volume ; les particules micrométriques globulaires de carbure de titane ont une taille inférieure à 50pm ; la majeure partie des particules micrométriques globulaires de carbure de titane a une taille inférieure à 20 p ; lesdites zones concentrées en particules globulaires de carbure de titane comportent 36.9 à 72.2 % en volume de carbure de titane ; lesdites zones millimétriques concentrées en carbure de titane ont une dimension variant de 1 à 12 mm ; lesdites zones millimétriques concentrées en carbure de titane ont une dimension variant de 1 à 6 mm ; lesdites zones concentrées en carbure de titane ont une dimension variant de 1.4 à 4 mm ;

[0012] La présente invention divulgue également un procédé de fabrication de la dent composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 comportant les étapes suivantes : mise à disposition d'un moule comportant l'empreinte de la dent avec une géométrie de renforcement prédéfinie ; introduction, dans la partie de l'empreinte de la dent destinée à former la partie renforcée (5), d'un mélange de poudres compactées comportant du carbone et du titane sous forme de granulés millimétriques précurseurs de carbure de titane ; coulée d'un alliage ferreux dans le moule, la chaleur de ladite coulée déclenchant une réaction exothermique de synthèse auto-propagée de carbure de titane à haute température (SHS) au sein desdits granulés précurseurs ; formation, au sein de la partie renforcée de la dent composite d'une macro-microstructure alternée de zones millimétriques concentrées en particules globulaires micrométriques de carbure de titane à l'emplacement desdits granulés précurseurs, lesdites zones étant séparées entre elles par des zones millimétriques essentiellement exemptes de particules globulaires micrométriques de carbure de titane, lesdites particules globulaires étant également séparées au sein desdites zones millimétriques concentrées de carbure de titane par des interstices micrométriques ; infiltration des interstices millimétriques et micrométriques par ledit alliage ferreux de coulée à haute température, consécutive à la formation de particules microscopiques globulaires de carbure de titane.

[0013] Selon des modes particuliers de l'invention, le procédé comporte au moins une ou une combinaison appropriée des caractéristiques suivantes : - les poudres compactées de titane et de carbone comportent une poudre d'un alliage ferreux ; ledit carbone est du graphite.

£0014] La présente invention divulgue également une dent composite obtenue selon le procédé de l'une quelconque des revendications 11 à 13.

Brève description des figures

[0015] Les figures la et lb montrent une vue en trois dimensions de dents sans renforcement selon l'état de la technique.

[0016] Les figures le à lh montrent une vue en trois dimensions de dents avec un renforcement selon l'invention.

[0017] La figure 2 montre des exemples illustratifs d'outils sur lesquels les dents selon l'invention sont montées. Outils d'excavation et de forage.

[0018] La figure 3a-3h représente le procédé de fabrication de la dent représentée à la figure lb selon 1'invention.

- ·. l'étape 3a montre le dispositif de mélange des poudres de titane et de carbone ; l'étape 3b montre la compaction des poudres entre deux rouleaux suivie d'un concassage et d'un tamisage avec recyclage des particules trop fines ; la figure 3c montre un moule de sable dans lequel on a placé un barrage pour contenir les granulés de poudre compactée à l'endroit du renforcement de la dent de type ld '* la figure 3d montre un agrandissement de la zone de renforcement dans laquelle se trouvent les granulés compactés comportant les réactifs précurseurs du Tic ; l'étape 3e montre la coulée de l'alliage ferreux dans le moule ; - la figure 3f montre la dent de type lb résultant de la coulée ; - la figure 3g montre un agrandissement des zones à forte concentration en nodules de TiC - ce schéma représente les mêmes zones que dans la figure 4 ; - la figure 3h montre un agrandissement au sein d'une même zone à forte concentration en globules de TiC - les globules micrométriques sont individuellement entourés par le métal de coulée.

[0019] La figure 4 représente une vue au binoculaire d'une surface polie, non attaquée, d'une coupe de la partie renforcée de la dent selon invention avec des zones millimétriques (en gris clair) concentrées en carbure de titane globulaires micrométriques (globules de TiC). La partie sombre représente la matrice métallique (acier ou fonte) remplissant à la fois l'espace entre ces zones concentrées en carbure de titane globulaire micrométrique mais aussi les espaces entre les globules eux-mêmes. (Voir figures 5 et 6).

[0020] Les figures 5 et 6 représentent des vues prises au microscope électronique SEM de carbure de titane globulaire micrométrique sur des surfaces polies . et non attaquées à des grossissements différents. On voit que dans ce cas particulier la plupart des globules de carbure de titane ont une taille inférieure à 10 μιη.

[0021] La figure 7 représente une vue de carbure de titane globulaire micrométrique sur une surface de rupture prise au microscope électronique SEM. On voit que les globules de carbure de titane sont parfaitement incorporés dans la matrice métallique. Ceci prouve que le métal de coulée infiltre (imprègne) complètement les pores lors de la coulée une fois que la réaction chimique entre le titane et le carbone est initiée.

[0022] Légende 1. zones millimétriques concentrées en particules globulaires (nodules) micrométriques de carbure de titane (zones claires) 2. interstices millimétriques remplis par l'alliage ferreux de coulée globalement exempts de particules globulaires micrométriques de carbure de titane (zones foncées) 3. interstices micrométriques entre les nodules de Tic également infiltrés par l'alliage de coulée 4. carbure de titane globulaire micrométrique, dans les zones concentrées en carbure de titane 5. renfort de carbure de titane 6. défauts de gaz 7. (libre)

8. mélangeur de poudres de Ti et de C

9. trémie 10. rouleau 11. concasseur 12. grille de sortie 13. tamis 14. recyclage des particules trop fines vers la trémie 15. moule de sable

16. barrage contenant les granulés compactés de mélange Ti/C

17. poche de coulée 18. dent de type ld

Description détaillée de l'invention

[0023] En science des matériaux, on appelle réaction SHS ou « self-propagating high température synthesis », une réaction de synthèse à haute température auto-propagée où 1'on atteint des températures de réaction généralement supérieures à 1500°C, voire 2000°C. Par exemple, la réaction entre de la poudre de titane et de la poudre de carbone pour obtenir le carbure de titane TiC, est fortement exothermique. On a uniquement besoin d'un peu d'énergie pour initier localement la réaction. Ensuite, la réaction se propagera spontanément à la totalité du mélange des réactifs grâce aux hautes températures atteintes. Après initiation de la réaction, on a un front de réaction qui se propage ainsi spontanément (auto-propagée) et qui permet l'obtention du carbure de titane à partir du titane et du carbone. Le carbure de titane ainsi obtenu est dit « obtenu in situ » car il ne provient pas de l'alliage ferreux coulé.

[0024] Les mélanges de poudres de réactif comportent de la poudre de carbone et de la poudre de titane et sont comprimés en plaques et ensuite concassés afin d'obtenir des granulés dont la taille varie de 1 à 12 mm, de préférence de 1 à 6 mm, et de manière particulièrement préférée de 1.4 à 4 mm. Ces granulés ne sont pas compactés à 100 %. On les comprime généralement entre 55 et 95 % de la densité théorique. Ces granulés permettent une utilisation/manipulation aisée (voir Fig. 3a-3h).

[0025] Ces granulés millimétriques de poudres de carbone et de titane mélangées obtenus selon les schémas de la figure 3a-3h constituent les précurseurs du carbure de titane à créer et permettent de remplir facilement des parties de moules de formes diverses ou irrégulières. Ces granulés peuvent être maintenus en place dans le moule 15 à l^ide d'un barrage 16, par exemple. La mise en forme ou l'assemblage de ces granulés peut également se faire à l’aide d’une colle.

[0026] La dent composite pour le travail du sol ou des roches selon la présente invention possède une macromicrostructure de renforcement que l'on peut encore appeler structure alternée de zones concentrées en particules micrometriques globulaires de carbure de titane séparées par des zones qui en sont pratiquement exemptes. Une telle structure est obtenue par la réaction dans le moule 15 des granulés comportant un mélange de poudres de carbone et de titane. Cette réaction est initiée par la chaleur de la coulée de la fonte ou de l'acier utilisés pour couler toute la pièce et donc à la fois la partie non renforcée et la partie renforcée (voir Fig. 3e) . La coulée déclenche donc une réaction exothermique de synthèse auto-propagée à haute température du mélange de poudres de carbone et de titane compactées sous forme de granulés (self-propagating high-température synthesis - SHS) et préalablement placées dans le moule 15. La réaction a alors la particularité de continuer à se propager dès qu'elle est initiée.

[0027] Cette synthèse à haute température (SHS) permet une infiltration aisée de tous les interstices millimétriques et micrométriques par la fonte ou l'acier de coulée (Fig. 3g & 3h). En augmentant la mouillabilité, l'infiltration peut se faire sur n'importe quelle épaisseur ou profondeur de renforcement de la dent. Elle permet avantageusement de créer, après réaction SHS et infiltration par un métal de coulée extérieur, une ou plusieurs zones de renfort sur la dent comportant une forte concentration de particules globulaires micrométriques de carbure de titane (que l'on pourrait encore appeler des clusters de nodules), lesquelles zones ayant une taille de l'ordre du millimètre ou de quelques millimètres, et qui alternent avec des zones substantiellement exemptes de carbure de titane globulaire.

[0028] Une fois que ces granulés ont réagi selon une réaction SHS, les zones de renforcement où se trouvaient ces granulés montrent une dispersion concentrée de particules globulaires micrométriques 4 de carbure TiC (globules) dont les interstices micrométriques 3 ont été également infiltrés par le métal de coulée qui est ici de la fonte ou de l'acier. Il est important de remarquer que les interstices millimétriques et micrométriques sont infiltrés par la même matrice métallique que celle qui constitue la partie non renforcée de la dent; ceci permet une liberté totale de choix du métal de coulée. Dans la dent finalement obtenue, les zones de renfort à forte concentration de carbure de titane sont composées de particules micrométriques globulaires de TiC en pourcentage important (entre environ 35 et environ 70 % en volume) et de l'alliage ferreux d'infiltration.

[0029] Par particules globulaires micrométriques, il faut entendre des particules globalement sphéroïdales qui ont une taille allant du pm à quelques dizaines de pm tout au plus, la grande majorité de ces particules ayant une taille inférieure à 50 pm, et même à 20 pm, voire à 10 pm. Nous les appelons également des globules de TiC. Cette forme globulaire est caractéristique d'une méthode d’obtention du carbure de titane par synthèse auto-propagée SHS (voir Fig. 6).

Obtention des granulés (version Ti + C) pour le renforcement de la dent

[0030] Le procédé d'obtention des granulés est illustré à la figure 3a-3h. Les granulés de réactifs carbone/titane sont obtenus par compaction entre des rouleaux 10 afin d'obtenir des bandes que l'on concasse ensuite dans un concasseur 11. Le mélange des poudres est fait dans un mélangeur 8 constitué d’une cuve munie de pales, afin de favoriser l'homogénéité. Le mélange passe ensuite dans un appareil de granulation par une trémie 9. Cette machine comprend deux rouleaux 10, au travers desquels on fait passer la matière. Une pression est appliquée sur ces rouleaux 10, ce qui permet de comprimer la matière. On obtient à la sortie une bande de matière comprimée qui est ensuite concassée afin d'obtenir les granulés. Ces granulés sont ensuite tamisés à la granulométrie souhaitée dans un tamis 13. Un paramètre important est la pression appliquée sur les rouleaux. Au plus cette pression est élevée, au plus la bande, et donc les granulés seront comprimés. On peut ainsi faire varier la densité des bandes, et par conséquent des granulés, entre 55 et 95 % de la densité théorique qui est de 3.75 g/cm3 pour le mélange stoechiométrique de titane et de carbone. La densité apparente (tenant compte de la porosité) se situe alors entre 2.06 et 3.56 g/cm3.

[0031] Le degré de compaction des bandes dépend de la pression appliquée (en Pa) sur les rouleaux (diamètre 200 mm, largeur 30 mm) . Pour un bas niveau de compaction, de l’ordre de 106 Pa, on obtient une densité sur les bandes de l'ordre de 55 % de la densité théorique. Après le passage à travers les rouleaux 10 pour comprimer cette matière, la densité apparente des granulés est de 3.75 x 0.55, soit 2.06 g/cm3.

[0032] Pour un haut niveau de compaction, de l'ordre de 25.106 Pa, on obtient une densité sur les bandes de 90 % de la densité théorique, soit une densité apparente de 3.38 g/cm3. En pratique on peut aller jusqu'à 95 % de la densité théorique.

[0033] Par conséquent, les granulés obtenus à partir de la matière première Ti + C sont poreux. Cette porosité varie de 5 % pour les granulés très fortement comprimés, à 45 % pour les granulés faiblement comprimés.

[0034] Outre le niveau de compaction, il est également possible de régler la répartition granulométrique des granulés ainsi que leur forme lors de 1 ' opération de concassage des bandes et de tamisage des granulés de Ti+C. On recycle à volonté les fractions granulométriques non désirées (voir Fig. 3b) . Les granulés obtenus ont globalement une taille entre 1 et 12 mm, de préférence entre 1 et 6 mm, et de manière particulièrement préférée entre 1.4 et 4 mm.

Réalisation de la zone de renfort dans la dent composite selon invention

[0035] Les granulés sont réalisés comme exposé ci-dessus. Pour obtenir une structure tridimensionnelle ou superstructure/macro-microstructure avec ces granulés, on les dispose dans les zones du moule où l'on souhaite renforcer la pièce. Ceci est réalisé en agglomérant les granulés soit au moyen d'une colle, soit en les confinant dans un récipient, ou par tout autre moyen (barrage 16).

La densité en vrac de l'empilement des granulés de Ti + C est mesurée selon la norme ISO 697 et dépend du niveau de compaction des bandes, de la répartition granulométrique des granulés et du mode de concassage des bandes, qui influence la forme des granulés.

La densité en vrac de ces granulés de Ti + C est généralement de l'ordre de 0.9 g/cm3 à 2.5 g/cm3 en fonction du niveau de compaction de ces granulés et de la densité de 1’empilement.

[0036] Avant réaction, on a donc un empilement de granulés poreux composés d’un mélange de poudre de titane et de poudre de carbone.

[0037] Lors de la réaction Ti + C Tic, il se produit une contraction volumétrique de l'ordre de 24 % quand on passe des réactifs au produit (contraction venant de la différence de densité entre les réactifs et les produits). Ainsi, la densité théorique du mélange Ti + C est de 3.75 g/cm3 et la densité théorique du Tic est de 4.93 g/cm3. Dans le produit final, après la réaction d'obtention du Tic, le métal de coulée infiltrera : - la porosité microscopique présente dans les espaces à forte concentration en carbure de titane, dépendant du niveau de compaction initial de ces granulés ; - les espaces millimétriques entre les zones à forte concentration en carbure de titane, dépendant de l'empilement initial des granulés (densité en vrac) ; - la porosité venant de la contraction volumétrique lors de la réaction entre Ti + C pour obtenir le TiC.

Exemples

[0038] Dans les exemples qui suivent, on a utilisé les matières premières suivantes : - titane, H.C. STARCK, Amperit 155.066, moins de 200 mesh, - carbone graphite GK Kropfmuhl, UF4, > 99.5 %, moins de 15 μην, - Fe, sous la forme Acier HSS M2, moins de 25 pm, - proportions :

- Ti + C 100 g Ti - 24.5 g C

- Ti + C + Fe 100 g Ti - 24.5 g C - 35.2 g Fe Mélange 15 min dans mélangeur Lindor, sous argon.

La granulation a été effectuée avec un granulateur Sahut-Conreur.

Pour les mélanges Ti+C+Fe et Ti+C, la compacité des granulés a été obtenue en faisant varier la pression entre les rouleaux de 10 à 250.105 Pa.

Le renforcement a été effectué en plaçant des granulés dans un container métallique, qui est ensuite judicieusement placé dans le moule à l'endroit où la dent est susceptible d'être renforcée. Ensuite on coule l'acier ou la fonte dans ce moule.

Exemple 1

[0039] Dans cet exemple, on vise à réaliser une dent dont les zones renforcées comportent un pourcentage en volume global de TiC d'environ 42 %. A cette fin, on réalise une bande par compaction à 85 % de la densité théorique d'un mélange de C et de Ti. Après concassage, les granulés sont tamisés de manière à obtenir une dimension de granulés située entre 1.4 et 4 mm. On obtient une densité en vrac de l'ordre 2.1 g/cm3 (35 % d'espace entre les granulés + 15 % de porosité dans les granulés).

[0040] On dispose les granulés dans le moule à l'endroit de la partie à renforcer qui comporte ainsi 65 % en volume de granulés poreux. On coule ensuite une fonte au chrome (3 % C, 25 % Cr) à environ 1500°C dans un moule en sable non préchauffé. La réaction entre le Ti et le C est initiée par la chaleur de la fonte. Cette coulée se fait sans atmosphère de protection. Après réaction, on obtient dans la partie renforcée 65 % en volume de zones, avec une forte concentration d'environ 65 % en carbure de titane globulaires, soit 42 % en volume global de Tic dans la partie renforcée de la dent.

Exemple 2

[0041] Dans cet exemple, on vise à réaliser une dent dont les zones renforcées comportent un pourcentage en volume global de Tic d'environ 3 0 %. A cette fin, on réalise une bande par compaction à 70 % de la densité théorique d'un mélange de C et de Ti. Après concassage, les granulés sont tamisés de manière à obtenir une dimension de granulés située entre 1.4 et 4 mm. On obtient une densité en vrac de l'ordre 1.4 g/cm3 (45 % d'espace entre les granulés + 30 % de porosité dans les granulés). On dispose les granulés dans la partie à renforcer qui comporte ainsi 55 % en volume de granulés poreux. Après réaction, on obtient, dans la partie renforcée, 55 % en volume de zones avec une forte concentration d'environ 53 % en carbure de titane globulaire, soit environ 30 % en volume global de TiC dans la partie renforcée de la dent.

Exemple 3

[0042] Dans cet exemple, on vise à réaliser une dent dont les zones renforcées comportent un pourcentage en volume global de TiC d'environ 20 %. A cette fin, on réalise une bande par compaction à 60 % de la densité théorique d'un mélange de C et de Ti. Après concassage, les granulés sont tamisés de manière à obtenir une dimension de granulés située 1 et 6 mm. On obtient une densité en vrac de l'ordre 1.0 g/cm3 (55 % d'espace entre les granulés + 40 % de porosité dans les granulés). On dispose les granulés dans la partie à renforcer qui comporte ainsi 45 % en volume de granulés poreux. Après réaction, on obtient dans la partie renforcée 45 % en volume de zones concentrées à environ 45 % en carbure de titane globulaires, soit 20 % en volume global de TiC dans la partie renforcée de la dent.

Exemple 4

[0043] Dans cet exemple, on a cherché à atténuer l'intensité de la réaction entre le carbone et le titane en y ajoutant un alliage ferreux en poudre. Comme dans l'exemple 2, on vise à réaliser une dent dont les zones renforcées comportent un pourcentage en volume global de TiC d'environ 30 %. A cette fin, on réalise une bande par compaction à 85 % de la densité théorique d'un mélange en poids de 15 % de C, 63 % de Ti et 22 % de Fe. Après concassage, les granulés sont tamisés de manière à obtenir une dimension de granulés située entre 1.4 et 4 mm. On obtient une densité en vrac de l'ordre 2 g/cm3 (45 % d'espace entre les granulés + 15 % de porosité dans les granulés). On dispose les granulés dans la partie à renforcer qui comporte ainsi 55 % en volume de granulés poreux. Après réaction, on obtient dans la partie renforcée 55 % en volume de zones avec une forte concentration d'environ 55 % en carbure de titane globulaires, soit 30 % en volume de carbure de titane global dans la macromicrostructure renforcée de la dent.

[0044] Les tableaux suivants montrent les nombreuses combinaisons possibles.

Tableau 1 (Ti + 0.98 C)

[0045] Pourcentage global de Tic obtenu dans la macro-microstructure renforcée après réaction Ti + 0.98 C dans la partie renforcée de la dent.

Ce tableau montre qu'avec un niveau de compaction allant de 55 à 95 % pour les bandes et donc les granulés, on peut pratiquer des niveaux de remplissage en granulés dans la partie renforcée allant de 45 à 70 % en volume (rapport entre le volume total des granulés et le volume de leur confinement). Ainsi, pour obtenir une concentration globale en TiC dans la partie renforcée d'environ 29 % vol. (en lettres grasses dans le tableau), on peut procéder à différentes combinaisons comme par exemple 60 % de compaction et 65 % de remplissage, ou 70 % de compaction et 55 % de remplissage, ou encore 85 % de compaction et 45 % de remplissage. Pour obtenir des niveaux de remplissage en granulés dans la partie renforcée allant jusqu'à 70 % en volume, on est obligé d'appliquer une vibration pour tasser les granulés. Dans ce cas, la norme ISO 697 pour la mesure du taux de remplissage n'est plus applicable et on mesure la quantité de matière dans un volume donné.

Tableau 2

[0046] Relation entre le niveau de compaction, la densité théorique et le pourcentage de TiC obtenu après réaction dans le granulé

Ici, nous avons représenté la densité des granulés en fonction de leur niveau de compaction et on en a déduit le pourcentage volumique de TiC obtenu après réaction et donc contraction d'environ 24 % vol. Des granulés compactés à 95 % de leur densité théorique permettent donc d'obtenir après réaction, une concentration de 72.2 % vol. en TiC.

Tableau 3

[0047] Densité en vrac de l'empilement des granulés

(*) Densité en vrac (1.3) = densité théorique (3.75 g/cm3)) x 0.65 (remplissage) x 0.55 (compaction)

En pratique, ces tableaux servent d'abaques à l'utilisateur de cette technologie, qui se fixe un pourcentage global de TiC à réaliser dans la partie renforcée de la dent et qui en fonction de cela détermine le niveau de remplissage et la compaction des granulés qu'il va utiliser. Les mêmes tableaux ont été réalisés pour un mélange de poudres Ti + C + Fe.

Ti + 0.98 C + Fe

[0048] Ici, l'inventeur a visé un mélange permettant d'obtenir 15% en volume de fer après réaction. La proportion de mélange qui a été utilisée est de : 100g Ti + 24.5g C + 35.2g Fe

Nous entendons par poudre de fer : fer pur ou alliage de fer.

Densité théorique du mélange : 4.25 g/cm3 Retrait volumétrique lors de la réaction : 21 %

Tableau 4

[0049] Pourcentage global de Tic obtenu dans la macro-micróstructure renforcée après réaction Ti + 0.98 C + Fe dans la partie renforcée de la dent

A nouveau, pour obtenir une concentration globale en Tic dans la partie renforcée d'environ 26 % vol (en lettres grasses dans le tableau), on peut procéder à différentes combinaisons comme par exemple 55 % de compaction et 70 % de remplissage, ou 60 % de compaction et 65 % de remplissage, ou 70 % de compaction et 55 % de remplissage, ou encore 85 % de compaction et 45 % de remplissage.

Tableau 5

[0050] Relation entre le niveau de compaction, la densité théorique et le pourcentage de Tic, obtenue après réaction dans le granulé en tenant compte de la présence de fer

Tableau 6

[0051] Densité en vrac de l'empilement des granulés (Ti + C + Fe)

·(*) Densité en vrac (1.5) = densité théorique (4.25) x 0.65 (remplissage) x 0.55 (compaction)

Avantages

[0052] La présente invention présente les avantages suivants par rapport à 1’état de la technique en général :

Meilleure résistance aux chocs

[0053] Avec le présent procédé, on a des granulés millimétriques poreux qui sont sertis dans l'alliage métallique d'infiltration. Ces granulés millimétriques sont eux-mêmes composés de particules microscopiques de Tic à tendance globulaire également sertis dans l'alliage métallique d'infiltration. Ce système permet d'obtenir une dent avec une zone de renfort comportant une macrostructure au sein de laquelle il y a une microstructure identique à une échelle environ mille fois plus petite.

[0054] Le fait que la zone de renfort de la dent comporte des petites particules globulaires de carbure de titane, dures et finement dispersées dans une matrice métallique qui les entoure, permet d’éviter la formation et la propagation des fissures (voir Fig. 4 & 6) . On a ainsi un double système dissipatif des fissures.

[0055] Les fissures prennent généralement naissance aux endroits les plus fragiles, gui sont dans ce cas la particule de TiC ou l'interface entre cette particule et l'alliage métallique d'infiltration. Si une fissure prend naissance à l'interface ou dans la particule micrométrique de TiC, la propagation de cette fissure est ensuite entravée par l'alliage d'infiltration qui entoure cette particule. La ténacité de l'alliage d'infiltration est supérieure à celle de la particule céramique TiC. La fissure a besoin de plus d'énergie pour passer d'une particule à l'autre, pour franchir les espaces micrométriques qui existent entre les particules.

Flexibilité maximale pour les paramètres de mise en œuvre

[0056] Outre le niveau de compaction des granulés, on peut faire varier deux paramètres qui sont la fraction granulométrique et la forme des granulés, et donc leur densité en vrac. Par contre, dans une technique de renforcement par insert, on ne peut faire varier que le niveau de compaction de celui-ci dans une plage limitée. Au niveau de la forme que l'on souhaite donner au renforcement, compte tenu du design de la dent et de l'endroit que l'on souhaite renforcer, l'utilisation de granulés permet davantage de possibilités et d'adaptation.

Avantages au niveau de la fabrication

[0057] L'utilisation comme renforcement d'un empilement de granulés poreux, présente certains avantages au niveau de la fabrication : - moins de dégagement gazeux, - moindre susceptibilité à la crique, - meilleure localisation du renforcement dans la dent.

La réaction entre le Ti et le C est fortement exothermique. L'élévation de température provoque un dégazage des réactifs, c'est-à-dire des matières volatiles comprises dans les réactifs (H20 dans le carbone, H2, N2 dans, le titane). Au plus la température de réaction est élevée, au plus ce dégagement est important. La technique par granulés permet de limiter la température, de limiter le volume gazeux et permet une évacuation plus facile des gaz et ainsi de limiter les défauts de gaz. (voir Fig. 7 avec bulle de gaz indésirable).

Faible susceptibilité à la crique lors de la fabrication de la dent selon 1 'invention

[0058] Le coefficient de dilatation du renforcement

TiC est plus faible que celui de la matrice en alliage ferreux (coefficient de dilatation du TiC : 2.5 10‘6/K et de l'alliage ferreux : environ 12.0 10_6/K) . Cette différence dans les coefficients de dilatation a pour conséquence de générer des tensions dans le matériau pendant la phase de solidification et aussi lors du traitement thermique. Si ces tensions sont trop importantes, des criques peuvent apparaître dans la pièce et conduire au rebut de celle-ci. Dans la présente invention, on utilise une faible proportion de renforcement TiC (moins de 50 % en volume) , ce qui entraîne moins de tensions dans la pièce. De plus, la présence d'une matrice plus ductile entre les particules globulaires micrométriques de TiC en zones alternées de faible et de forte concentration permet de mieux gérer d'éventuelles tensions locales.

Excellent maintien du renforcement dans la dent

[0059] Dans la présente invention, la frontière entre la partie renforcée et la partie non renforcée de la dent n'est pas abrupte puisqu'il y a une continuité de la matrice métallique entre la partie renforcée et la partie non renforcée, ce qui permet de la protéger contre un arrachage complet du renforcement.

Résultats de test

[0060] Les avantages de la dent selon la présente invention par rapport à des dents non composites sont une amélioration de la résistance à l'usure de l'ordre de 300 %. De manière plus détaillée, et suivant les circonstances d'essai (dragage), on a pu constater les performances suivantes (exprimées en durée de vie de la dent pour un volume de travail donné) pour les produits réalisés selon l'invention (renforcement type Fig. If comportant globalement un pourcentage en volume de Tic de 30 % vol - exemple 2), par comparaison à des dents identiques en acier trempé.

- calcaire dur : 2.5 fois ; - mélange d'argile dure, de sable et de gravier compactés : 2.9 fois ; - mélange de sable et d'argile dure : 3.2 fois ; - mélange de schiste et de sable : 3.4 fois.

Globalement la durée de vie de la dent type lf (voir Fig. lf) avec 30 % vol de TiC dans la partie renforcée est 2.5 à 3.4 fois plus longue par rapport à une dent identique en acier trempé.

Claims

1. Dent composite pour le travail du sol ou des roches, ladite dent comportant un alliage ferreux renforcé au moins en partie (5) avec du carbure de titane selon une géométrie définie, dans laquelle ladite partie renforcée (5) comporte une macro-microstructure alternée de zones millimétriques (1) concentrées en particules globulaires micrométriques de carbure de titane (4) séparées par des zones millimétriques (2) essentiellement exemptes de particules globulaires micrométriques de carbure de titane (4) , lesdites zones concentrées en particules globulaires micrométriques de carbure de titane (4) formant une microstructure dans laquelle les interstices micrométriques (3) entre lesdites particules globulaires (4) sont également occupés par ledit alliage ferreux.

2. Dent selon la revendication 1, dans laquelle lesdites zones millimétriques concentrées ont une concentration en particules globulaires micrométriques de carbure de titane (4) supérieure à 36.9 % en volume.

3. Dent selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans laquelle ladite partie renforcée a une teneur globale de carbure de titane entre 16.6 et 50.5 % en volume.

4. Dent selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les particules micrométriques globulaires de carbures de titane (4) ont une taille inférieure à 50μπι.

5. Dent selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la majeure partie des particules micrométriques globulaires de carbures de titane (4) a une taille inférieure à 20 pm.

6. Dent selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle lesdites zones concentrées en particules globulaires de carbure de titane (1) comportent .36.9 à 72.2 % en volume de carbure de titane.

7. Dent selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle lesdites zones concentrées en carbure de titane (1) ont une dimension variant de 1 à .12 mm.

8. Dent selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle lesdites zones concentrées en carbure de titane (1) ont une dimension variant de 1 à 6 mm.

9. Dent selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle lesdites zones concentrées en carbure de titane (1) ont une dimension variant de 1.4 à 4 mm.

10. Procédé de fabrication par coulée d'une dent composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comportant les étapes suivantes : - mise à disposition d'un moule comportant l'empreinte de la dent avec une géométrie de renforcement prédéfinie ; - introduction, dans la partie de l'empreinte de la dent destinée à former la partie renforcée (5), d'un mélange de poudres compactées comportant du carbone et du titane sous forme de granulés millimétriques précurseurs de carbure de titane ; - coulée d'un alliage ferreux dans le moule, la chaleur de ladite coulée déclenchant une réaction exothermique de synthèse auto-propagée de carbure de titane à haute température (SHS) au sein desdits granulés précurseurs ; - formation, au sein de la partie renforcée (5) de la dent d'une macro-microstructure alternée de zones millimétriques concentrées (1) en particules globulaires micrométriques de carbure de titane (4) à l'emplacement desdits granulés précurseurs, lesdites zones étant séparées entre elles par des zones millimétriques (2) essentiellement exemptes de particules globulaires micrométriques de carbure de titane (4), lesdites particules globulaires (4) étant également séparées au sein desdites zones millimétriques concentrées (1) de carbure de titane par des interstices micrométriques (3) ; - infiltration des interstices millimétriques (2) et micrométriques (3) par ledit alliage ferreux de coulée à haute température, consécutive à la formation de particules microscopiques globulaires de carbure de titane (4).

11. Procédé de fabrication selon la revendication 10, dans laquelle le mélange de poudres compactées de titane et de carbone comporte une poudre d'un alliage ferreux.

12. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 10 ou 11, dans lequel ledit carbone est du graphite.

13. Dent obtenue selon l'une quelconque des revendications 10 à 12.