EP0014655B1 - Procédé de fabrication de corps broyants en alliage ferreux - Google Patents

Procédé de fabrication de corps broyants en alliage ferreux Download PDF

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EP0014655B1
EP0014655B1 EP80400172A EP80400172A EP0014655B1 EP 0014655 B1 EP0014655 B1 EP 0014655B1 EP 80400172 A EP80400172 A EP 80400172A EP 80400172 A EP80400172 A EP 80400172A EP 0014655 B1 EP0014655 B1 EP 0014655B1
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EP
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shaped section
bodies
section
solidification
shaping
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EP80400172A
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EP0014655A1 (fr
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Luc De Charentenay
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Acieries Thome Cromback SA
Original Assignee
Acieries Thome Cromback SA
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B02—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING; PREPARATORY TREATMENT OF GRAIN FOR MILLING
    • B02C—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING IN GENERAL; MILLING GRAIN
    • B02C17/00—Disintegrating by tumbling mills, i.e. mills having a container charged with the material to be disintegrated with or without special disintegrating members such as pebbles or balls
    • B02C17/18—Details
    • B02C17/20—Disintegrating members
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C37/00—Cast-iron alloys
    • C22C37/06—Cast-iron alloys containing chromium

Definitions

  • the invention relates to a method of manufacturing grinding bodies made of ferrous alloy containing at least 1% by weight of carbon, with axial symmetry or with a substantially constant section.
  • the invention also relates to the new grinding bodies made of ferrous alloys prepared by this process.
  • cylindrical grinding bodies made of ferrous alloys. These are usually made either by molding, from various ferrous compositions (carbon-manganese steels, cast iron with variable chromium content, etc.), or from a ferrous alloy, laminated and cut, with , in this case, a carbon content limited to 1% by weight.
  • a cylindrical grinding body if it is molded in sand, has a fairly coarse structure, due to the slow cooling associated with this technique. On the other hand, it forces a lot of metal to be melted, from 1.3 to 1.5 times more than the weight of the grinding bodies obtained. It has also been proposed to manufacture such bodies by shell molding; this solution gives a satisfactory structure, but its manufacturing process is discontinuous. In addition, it also forces a quantity of metal greater than the weight of the cylindrical bodies to be melted and it requires complex multiple tools and a protective coating.
  • the cylindrical grinding body is made from continuously rolled profiles or bars, its percentage of carbon cannot exceed 1%, without requiring costly reheating precautions, limited reduction rate, rolling speed slow, etc ...
  • the Applicant has proposed a process for manufacturing grinding bodies forged from white cast iron with a high chromium content. This process includes cutting a bar into pieces, heating these pieces to a first temperature and forging these pieces to a second temperature, in order to refine and break the grains of the metal. These relatively complex operations can be followed by cooling and additional heat treatment. The aim is to obtain high quality products intended to be used for grinding under low abrasion conditions and in a dry environment.
  • FR-A-2 174 969 relates to the production of high tenacity grinding balls, in which fine cementite is dispersed throughout the ball in a concentric, spherical and uniform manner.
  • a hypoeutectic cast iron is cast in the form of a bar, which is then subjected by forging to a hot plastic deformation, which destroys the crystal lattice coming from casting.
  • FR-A-2405749 which belongs to the Applicant, also relates to forged grinding bodies prepared by heating a bar of white cast iron to a first temperature, cutting into pieces of this bar, hot, in the plastic state , heating these plots to a second temperature and forging said plots at this second temperature under conditions suitable for causing the appearance of perlite.
  • the invention aims to remedy these drawbacks by proposing grinding bodies with high hardness, intended for use in a very abrasive medium and with high humidity, which can be manufactured by an inexpensive process.
  • the invention also aims to propose a method which makes it possible to produce such grinding bodies continuously, with very little loss of metal and with limited energy consumption.
  • the subject of the invention is a process for manufacturing grinding bodies made of ferrous alloy containing at least 1% by weight of carbon, with axial symmetry or with constant section, this process comprising shaping the grinding bodies and a heat treatment, the shaping comprising an operation of solidification in an open ingot mold of a profile resulting from a continuous casting of said alloy, followed by a division of said profile into pieces and the heat treatment being able to give the metal a structure austenitic or martensitic, this process being characterized in that the operation of dividing the profile into pieces constitutes the final operation of shaping the grinding bodies to the exclusion of any plastic deformation thereof, so as to preserve to said bodies the structure with radial crystallization resulting directly from the continuous casting of the profile.
  • the subject of the invention is also grinding bodies of ferrous alloy, with axial symmetry, or with constant section, having a fine structure with substantially constant radial crystallization over their entire length and consisting of an austenitic or martensitic solution comprising carbides of the type M 7 C S and / or M 3 C, obtained by implementing this process.
  • the Applicant has, in fact, established that, due to the rapid cooling inherent in the process for producing a profile or a bar of a ferrous alloy produced in a continuous casting installation, the metal has a fine structure with increasing grain from the external surface of the bar towards the central axis thereof, that is to say precisely the type of structure desirable for grinding bodies, in order to increase their resistance to abrasion.
  • the starting metal profile has by itself an axial symmetry and a constant section perpendicular to its axis, that is to say the type of profile suitable for grinding bodies, which avoids having to shape these.
  • the heat treatment intended to give the metal the desired austenitic or martensitic structure can be applied to the hot bar, rough solidification, prior to the division of the profile into pieces, without interrupting the continuous manufacturing process. We will return in more detail to the energy savings thus achieved, in the remainder of this description.
  • a preferred form of implementation of the method according to the invention therefore consists in applying the desired heat treatment to the metal profile emerging directly from the continuous solidification assembly of the metal.
  • the division of the profile into pieces of the desired length for the grinding bodies can be carried out by any means known in the art (cutting, breaking, cutting, etc.).
  • the grinding bodies obtained by the implementation of the method described above constitute another object of the invention.
  • These grinding bodies with axial symmetry or with constant section (circular, square, hexagonal, octagonal or other), have a fine structure and are composed of a solid austenitic or martensitic solution containing secondary or primary or eutectic carbides of type M 7 C 3 or M a C.
  • said grinding bodies are cylindrical and contain, in% by weight, 1 to 4% of carbon, 0 to 40% of chromium, 0 to 2% of molybdenum, 0.1 2.5% silicon, 0.1-15% manganese, 0-5% vanadium, 0-5% copper and 0-1% magnesium.
  • These grinding substances can also contain elements such as tungsten (0 to 5%), nickel (0 to 5%), boron (0 to 2%), niobium (0 to 2%), tantalum, zirconium , cerium or bismuth.
  • These grinding bodies will have a length of the order of 0.5 to 3 times the average diameter of their section. In other words, the original bar will be cut into pieces of length between 0.5 and 3 times its diameter. It will be noted in this connection that the loss of metal during the manufacturing process is infinite, and of the order of less than 2% in practice, including fusion, which constitutes another notable advantage of the process according to the invention.
  • This example relates to the manufacture of cylindrical grinding bodies with an austenitic structure, by cooling with the aid of air blown from a hot bar, gross of manufacture.
  • This bar leaves the device for continuously solidifying the metal at a temperature of 1100 ° C. and is immediately cooled by passing through a series of rings and air blowing boxes, which lower its temperature to about 100 to 200 ° C.
  • the bar is then cut into pieces at this temperature.
  • the micrographic structure of the resulting grinding bodies consists of an austenitic solid solution containing carbides of the M 7 C 3 type which, on the surface, have a very fine structure.
  • This example concerns the application of the method. according to the invention for the manufacture of grinding bodies with martensitic structure, by partial cooling of a bar after continuous casting to a holding level at a temperature which makes the austenite unstable, followed by quenching at l blown air.
  • Cylindrical grinding bodies are obtained, with a very fine structure at the surface, consisting of a solid martensitic solution comprising primary and secondary carbides of type M 7 C 3 .
  • This example relates, like the previous one, to the application of the process according to the invention to the production of cylindrical grinding bodies with martensitic structure, called “Cylpebs”, but by quenching the bar with water or an air-water mixture for a limited period.
  • This bar exits at a temperature of 1100 ° C. from a continuous solidification installation and its temperature is lowered continuously to 300 ° C. using an air-water mist sprayed under pressure. Then allowed to cool. bar in calm air up to 120 ° C and the cutting into plots is carried out at this temperature. The pieces are cooled down to room temperature at the cash desk.
  • the cylindrical grinding bodies obtained have a fine martensitic structure, from the surface to the core, strewn with carbides of the M s C type.
  • the method of manufacturing grinding bodies according to the invention therefore has considerable advantages over the usual methods of the known technique.

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Description

  • L'invention concerne un procédé de fabrication de corps broyants en alliage ferreux contenant au moins 1 % en poids de carbone, à symétrie axiale ou à section sensiblement constante. L'invention concerne également les nouveaux corps broyants en alliages ferreux préparés par ce procédé.
  • On utilise couramment dans l'industrie, en particulier dans l'industrie minière et pour le broyage du charbon, des corps broyants cylindriques en alliages ferreux. Ceux-ci sont habituellement réalisés soit par moulage, à partir de compositions ferreuses variées (aciers au carbone-manganèse, fontes à teneur en chrome variable, etc...), soit à partir d'un alliage ferreux, laminé et découpé, avec, dans ce cas, une teneur en carbone limitée à 1 % en poids.
  • On sait cependant que, si l'on désire obtenir une bonne résistance à l'abrasion pour une composition déterminée, il est souhaitable que le corps broyant ait des couches externes à structure fine et, conjointement, aussi peu que possible de défauts internes.
  • Les corps broyants existants et les procédés de fabrication proposés dans la technique présentent cependant des inconvénients de ce point de vue.
  • En effet, un corps broyant cylindrique, s'il est moulé en sable, a une structure assez grossière, du fait du refroidissement lent lié à cette technique. D'autre part, il oblige à fondre beaucoup de métal, de 1,3 à 1,5 fois plus que le poids des corps broyants obtenus. Il a été proposé, également, de fabriquer de tels corps par moulage en coquille ; cette solution donne une structure satisfaisante, mais son procédé de fabrication est discontinu. En outre, il oblige également à fondre une quantité de métal supérieure au poids des corps cylindriques et il nécessite un outillage multiple complexe et un poteyage de protection.
  • D'autre part, si le corps broyant cylindrique est réalisé à partir de profilés ou barres laminés en continu, son pourcentage de carbone ne peut dépasser 1 %, sans nécessiter des précautions coûteuses de réchauffage, de taux de réduction limité, de vitesse de laminage lente, etc...
  • De ce fait, sa résistance à l'usure est limitée par insuffisance de carbone et de carbure.
  • Dans FR-A-2 228 115, la Demanderesse a proposé un procédé de fabrication de corps broyants forgés en fonte blanche à haute teneur en chrome. Ce procédé comprend la découpe d'une barre en lopins, le chauffage de ces lopins à une première température et le forgeage de ces lopins à une seconde température, en vue d'affiner et de casser les grains du métal. Ces opérations, relativement complexes, peuvent être suivies d'un refroidissement et d'un traitement thermique complémentaire. Le but recherché est d'obtenir des produits de haute qualité, destinés à être utilisés pour un broyage dans des conditions d'abrasion faible et en milieu sec.
  • FR-A-2 174 969 concerne la production de billes de broyage de grande ténacité, dans lesquelles de la cémentite fine est dispersée dans l'ensemble de la bille d'une manière concentrique, sphérique et uniforme. Dans ce but, une fonte hypoeutectique est coulée sous forme d'une barre, qui est ensuite soumise par forgeage à une déformation plastique à chaud, qui détruit le réseau cristallin venu de coulée.
  • FR-A-2405749, qui appartient à la Demanderesse, concerne également des corps broyants forgés préparés par chauffage d'une barre de fonte blanche jusqu'à une première température, découpe en lopins de cette barre, à chaud, à l'état plastique, chauffage de ces lopins à une seconde température et forgeage desdits lopins à cette seconde température dans des conditions propres à provoquer l'apparition de perlite.
  • L'invention vise à remédier à ces inconvénients, en proposant des corps broyants à dureté élevée, destinés à une utilisation dans un milieu très abrasif et à humidité importante, qui puissent être fabriqués par un procédé peu coûteux.
  • L'invention vise également à proposer un procédé qui permette de réaliser de tels corps broyants en continu, avec une très faible perte de métal et moyennant une consommation d'énergie limitée.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication de corps broyants en alliage ferreux contenant au moins 1 % en poids de carbone, à symétrie axiale ou à section constante, ce procédé comprenant une mise en forme des corps broyants et un traitement thermique, la mise en forme comprenant une opération de solidification en lingotière ouverte d'un profilé issu d'une coulée en continu dudit alliage, suivie d'une division dudit profilé en lopins et le traitement thermique étant apte à conférer au métal une structure austénitique ou martensitique, ce procédé étant caractérisé en ce que l'opération de division du profilé en lopins constitue l'opération finale de la mise en forme des corps broyants à l'exclusion de toute déformation plastique de ceux-ci, de manière à conserver auxdits corps la structure à cristallisation radiale résultant directement de la coulée continue du profilé.
  • L'invention a également pour objet les corps broyants en alliage ferreux, à symétrie axiale, ou à section constante, ayant une structure fine à cristallisation radiale sensiblement constante sur toute leur longueur et constitués d'une solution austénitique ou martensitique comprenant des carbures de type M7CS et/ou M3C, obtenus en mettant en oeuvre ce procédé.
  • La Demanderesse a, en effet, établi que, du fait du refroidissement rapide inhérent au procédé d'élaboration d'un profilé ou d'une barre d'un alliage ferreux fabriqué dans une installation de coulée en continu, le métal présente une structure fine à grain croissant de la surface externe de la barre vers l'axe central de celle-ci, c'est-à-dire précisément le type de structure souhaitable pour des corps broyants, en vue d'augmenter leur résistance à l'abrasion.
  • Par ailleurs, le profilé de métal de départ présente par lui-même une symétrie axiale et une section constante perpendiculairement à son axe, c'est-à-dire le type de profil convenant aux corps broyants, ce qui évite d'avoir à façonner ceux-ci.
  • On notera que ce procédé ne fait pas appel aux techniques de forgeage, coûteuses et complexes, que l'on utilise pour l'élaboration de corps broyants destinés à une utilisation en milieu sec et peu abrasif.
  • On notera également que ce procédé permet de tirer profit du fait que le profilé ou la barre brute de fabrication est à une température élevée pour éviter la dépense d'énergie nécessitée par la mise en température des lopins préalablement à leur traitement thermique.
  • En effet, le traitement thermique destiné à conférer au métal la structure austénitique ou martensitique désirée peut être appliqué à la barre chaude, brute de solidification, préalablement à la division du profilé en lopins, sans interrompre le procédé de fabrication en continu. On reviendra plus en détail sur les économies d'énergie ainsi réalisées, dans la suite de la présente description.
  • Une forme préférée de mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention consiste donc à appliquer le traitement thermique désiré au profilé métallique sortant directement de l'ensemble de solidification en continu du métal.
  • La division du profilé en lopins de la longueur désirée pour les corps broyants peut s'effectuer par tout moyen connu dans la technique (coupe, casse, tronçonnage, etc...).
  • Les corps broyants obtenus par la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus constituent un autre objet de l'invention. Ces corps broyants à symétrie axiale ou à section constante (circulaire, carrée, hexagonale, octogonale ou autre), ont une structure fine et sont composés d'une solution solide austénitique ou martensitique contenant des carbures secondaires ou primaires ou eutectiques du type M7C3 ou MaC.
  • Dans une forme de mise en ceuvre préférée de l'invention, lesdits corps broyants sont cylindriques et contiennent, en % en poids, 1 à 4 % de carbone, 0 à 40 % de chrome, 0 à 2 % de molybdène, 0,1 à 2,5 % de silicium, 0,1 à 15 % de manganèse, 0 à 5 % de vanadium, 0 à 5 % de cuivre et 0 à 1 % de magnésium. Ces corps broyants peuvent également contenir des éléments comme le tungstène (0 à 5 %), le nickel (0 à 5 %), le bore (0 à 2 %), le niobium (0 à 2 %), le tantale, le zirconium, le cérium ou le bismuth. Ces corps broyants auront une longueur de l'ordre de 0,5 à 3 fois le diamètre moyen de leur section. Autrement dit, la barre d'origine sera tronçonnée en lopins de longueur comprise entre 0,5 et 3 fois son diamètre. On notera à ce propos, que la perte de métal au cours du processus de fabrication est infine, et de l'ordre de moins de 2 % en pratique, fusion comprise, ce qui constitue un autre avantage notable du procédé selon l'invention.
  • Les exemples suivants, qui n'ont pas de caractère limitatif, illustrent diverses formes de mise en oeuvre en continu du procédé selon l'invention et divers types de traitement thermique permettant d'obtenir les structures désirées.
    • Exemple 1
  • Cet exemple concerne la fabrication de corps broyants cylindriques à structure austénitique, par refroidissement à l'aide d'air soufflé d'une barre chaude, brute de fabrication.
  • On part d'une barre cylindrique, ayant un diamètre de 80 mm, issue d'une installation de coulée continue et ayant la composition suivante, en % en poids :
    • - C 2,2 % ;
    • - Cr 16% ;
    • - Mo : 0,2 % ;
    • - Si : 0,7 % ;
    • - Mn 0.85%.
  • Cette barre sort du dispositif de solidification en continu du métal à une température de 1 100 °C et est immédiatement refroidie par passage dans une série d'anneaux et de caissons de soufflage d'air, qui abaissent sa température jusqu'à environ 100 à 200 °C.
  • On procède ensuite au tronçonnage de la barre en lopins à cette température.
  • On constate que la structure micrographique des corps broyants résultants est constituée d'une solution solide austénitique contenant des carbures du type M7C3 qui, en surface, ont une structure très fine.
    • Exemple 2
  • Cet exemple concerne l'application du procédé. conforme à l'invention à la fabrication de corps broyants à structure martensitique, par refroidissement partiel d'une barre issue de coulée continue jusqu'à un palier de maintien à une température qui rend l'austénite instable, suivi d'une trempe à l'air soufflé.
  • On part d'une barre issue de coulée continue identique à celle de l'Exemple 1, et on procède à un abaissement forcé de sa température de 1 100 °C jusqu'à 970-990 °C. On maintient la barre à cette dernière température pendant 15 à 30 minutes dans un tunnel calorifugé préchauffé, puis on la trempe à l'air soufflé jusqu'à une température comprise entre 100 et 200 °C. On procède enfin au tronçonnage de la barre à cette température.
  • On obtient des corps broyants cylindriques, à structure très fine en surface, constitués d'une solution solide martensitique comprenant des carbures primaires et secondaires de type M7C3.
    • Exemple 3
  • Cet exemple concerne, comme le précédent, l'application du procédé conforme à l'invention à la réalisation de corps broyants cylindriques à structure martensitique, dénommés « Cylpebs », mais par une trempe de la barre à l'eau ou à un mélange air-eau d'une durée limitée.
  • On part d'une barre cylindrique de 39 cm de diamètre, ayant la composition suivante, en % en poids :
    • - C 1.8 à 2% ;
    • - Cr : 0,6 à 0,8 % ;
    • - Si : 0,6 % ;
    • - Mn : 0,6 % ;
    • - Cu : 0,4 %.
  • Cette barre sort à une température de 1 100 °C d'une installation de solidification en continu et sa température est abaissée en continu jusqu'à 300 °C à l'aide d'un brouillard air-eau projeté sous pression. On laisse ensuite refroidir la. barre à l'air calme jusqu'à 120 °C et l'on procède au tronçonnage en lopins à cette température. Le refroidissement des lopins jusqu'à la température ambiante s'effectue en caisse.
  • Les corps broyants cylindriques obtenus ont une structure martensitique fine, de la surface vers le coeur, parsemée de carbures de type MsC.
  • Dans cet exemple, comme dans les précédents, on pourra procéder à un revenu, soit après le traitement thermique en continu sur la barre, avant tronçonnage, soit sur les corps broyants en vrac, en fonction de la dureté désirée pour ces corps broyants et des sollicitations de choc auxquelles ils seront soumis.
  • Ainsi qu'il a été expliqué ci-dessus, la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, directement sur la barre sortant de l'installation de solidification en continu du métal, permet d'effectuer des économies substantielles d'énergie. Ces économies sont de deux ordres :
    • - d'une part, par élimination d'une refonte initiale du métal, nécessaire à sa mise en oeuvre, on peut estimer le gain d'énergie à environ 200 kWh/t du métal, c'est-à-dire à 2 000 000 kWh/an pour une production de 10000 t/an de corps broyants ;
    • - d'autre part, par élimination d'au moins une phase usuelle de chauffage, soit avant trempe, pour des corps broyants moulés, soit avant forgeage, puis avant trempe, pour des corps broyants forgés : en reprenant l'exemple d'une production de 10000 t/an de corps broyants, on peut estimer l'économie d'énergie ainsi réalisée à 8 millions de thermies/an, par rapport à des corps broyants moulés, et entre 9 et 17 millions de thermies/an par rapport à des corps broyants forgés.
  • Le procédé de fabrication de corps broyants conforme à l'invention présente donc des avantages considérables par rapport aux procédés usuels de la technique connue.

Claims (6)

1. Procédé de fabrication de corps broyants en alliage ferreux contenant au moins 1 % en poids de carbone, à symétrie axiale ou à section constante, ce procédé comprenant une mise en forme des corps broyants et un traitement thermique, la mise en forme comprenant une opération de solidification en lingotière ouverte d'un profilé issu d'une coulée en continu dudit alliage, suivie d'une division dudit profilé en lopins et le traitement thermique étant apte à conférer au métal une structure austénitique ou martensitique, ce procédé étant caractérisé en ce que l'opération de division du profilé en lopins constitue l'opération finale de la mise en forme des corps broyants à l'exclusion de toute déformation plastique de ceux-ci, de manière à conserver auxdits corps la structure à cristallisation radiale résultant directement de la coulée continue du profilé.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit profilé est divisé en lopins ayant une longueur égale à environ 0,5 à 3 fois le diamètre dudit profilé.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en vue de l'obtention d'une structure austénitique, on procède à un refroidissement du profilé chaud, brut de solidification, à l'aide d'air soufflé directement sur ledit profilé.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en vue de l'obtention d'une structure martensitique, on procède à un refroidissement partiel du profilé chaud, brut de solidification, jusqu'à une température qui rend l'austénite instable, on le maintient un certain temps à cette température et on le trempe enfin à l'air soufflé.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en vue de l'obtention d'une structure martensitique, on procède à une trempe à l'eau ou à un mélange air-eau du profilé chaud, brut de solidification.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que soit les corps broyants obtenus, soit ledit profilé après traitement thermique, sont soumis à un revenu.
EP80400172A 1979-02-05 1980-02-04 Procédé de fabrication de corps broyants en alliage ferreux Expired EP0014655B1 (fr)

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FR7902920A FR2447753A1 (fr) 1979-02-05 1979-02-05 Procede de fabrication de corps broyants a symetrie axiale en alliage ferreux et nouveaux corps broyants obtenus par ce procede

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EP0014655A1 EP0014655A1 (fr) 1980-08-20
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