EP3969206B1

EP3969206B1 - Piece d'usure composite

Info

Publication number: EP3969206B1
Application number: EP21701695.5A
Authority: EP
Inventors: David MARGUILLIER; Benoît CLERMONT; Michel TRAN
Original assignee: Magotteaux International SA
Current assignee: Magotteaux International SA
Priority date: 2020-02-11
Filing date: 2021-01-19
Publication date: 2023-08-02
Anticipated expiration: 2041-01-19
Also published as: WO2021160381A1; FI3969206T3; US20220097128A1; CA3146261A1; SA522431396B1; UA128993C2; DK3969206T3; ZA202201890B; JP7201871B2; EP3969206A1; CN114206524A; MY195424A; PE20220308A1; RU2022100095A; PT3969206T; CA3146261C; PL3969206T3; ES2959034T3; MX2022000876A; JP2022533471A

Description

Objet de l'invention

La présente invention se rapporte à une pièce d'usure composite réalisée en fonderie par coulée d'un alliage ferreux. Elle se rapporte plus particulièrement à une pièce d'usure renforcée par une structure tridimensionnelle évidée en céramique intégrée à la pièce d'usure et une structure géométrique adaptée à la sollicitation à l'usure. Elle divulgue également une méthode de fabrication de ladite pièce d'usure.

Etat de la technique

Les pièces d'usure composites réalisées en fonderie sont bien connues de l'état de la technique. Il s'agit principalement de pièces en fonte renforcées de manière ciblée sur les faces les plus exposées à l'usure par des céramiques de type alumine-zircone ou encore des carbures, nitrures ou autres éléments intermétalliques disposés selon des géométries tridimensionnelles particulières au sein de la matrice métallique.
La disposition particulière des structures de renfort permet de créer des composites hiérarchiques avec renforcement différencié selon la disposition ou la forme géométrique des particules ou des structures de renfort. C'est ainsi que l'on peut réaliser des galettes en céramique sous forme de structures évidées de type nid d'abeille ou encore des agrégats de granulés millimétriques agencés en « gâteaux » à l'intérieur d'un moule de sable du côté le plus sollicité de la pièce avec des interstices permettant l'infiltration par la fonte liquide lors de la coulée.
On distingue deux grandes familles de pièces composites réalisées en fonderies où la céramique est positionnée selon une géométrie tridimensionnelle particulière dans un moule avant la coulée de la fonte, celles où la céramique est constituée avant la coulée et celles où la céramique se forme lors de la coulée par réaction thermique auto-propagée à partir de réactifs présents dans le moule.
C'est ainsi qu'une pièce d'usure composite peut, d'une part, être renforcée avec par exemple du carbure de titane déjà formé que l'on peut préalablement disposer dans le moule avant la coulée et dont les interstices sont simplement infiltrés par le métal de coulée vers 1500°C et, d'autre part, être renforcée avec du carbure de titane qui sera formé in situ à partir des réactifs titane et carbone mélangés préalablement sous forme de poudre et formant du TiC par réaction thermique auto-propagée vers 2500°C, la réaction étant amorcée par le métal de coulée qui sera ensuite aspiré par capillarité dans la structure céramique de renfort pour y remplir les interstices.
Le documents WO98/15373 divulgue une pièce d'usure composite avec un renfort céramique à base d'alumine-zircone en forme de nid d'abeille. EP0930948A1 divulgue une pièce d'usure composite réalisée par coulée et constituée d'une matrice métallique dont la ou les faces travaillantes comprennent des inserts ayant une bonne résistance à l'usure, caractérisée en ce que les inserts sont constitués à partir d'une galette céramique imprégnée d'un métal liquide lors de la coulée, cette galette céramique étant constituée d'une solution solide homogène de 20 à 80 % de Al2O3 et 80 à 20 % de ZrO2, les pourcentages étant exprimés en poids des constituants.
Le documents WO03/047791 divulgue une pièce d'usure composite avec des céramiques de type carbure, nitrure, oxydes ou éléments intermétalliques formés in situ selon une réaction thermique auto-propagée amorcée par la fonte liquide qui infiltre ensuite ladite structure céramique une fois formée.
Les documents WO2010/031660 ; WO2010/031661 ; WO2010/031663 ; WO 2010/031662 divulguent des pièces d'usure composites hiérarchiques renforcées avec du carbure de titane formé in situ ou les réactifs sont introduits sous forme de granulés dans le moule. Les pièces d'usure sont illustrées par des dents de dragage, des cônes et des marteaux de concassage.
Le document WO2018/069006 divulgue un galet de broyage où les zones d'usure sont renforcées de manière différenciée en fonction de la sollicitation.

Buts de l'invention

La présente invention vise à fournir une pièce d'usure composite avec un insert de renfort en céramique d'une géométrie améliorée dont à la fois la structure et le positionnement sont adaptés à la sollicitation à l'usure. Elle vise à recréer une structure résistante après une première usure du renfort de céramique du côté le plus sollicité de la pièce d'usure.

Résumé de l'invention

La présente invention divulgue une pièce d'usure composite comportant une matrice en alliage ferreux et au moins un renfort en céramique sous forme d'insert avec une structure ajourée, la structure ajourée comportant des trous borgnes, le côté borgne des trous étant positionné du côté le plus sollicité de ladite pièce d'usure.
Les modes d'exécution préférés de l'invention comportent au moins une, ou une combinaison quelconque appropriée des caractéristiques suivantes:

ledit insert de céramique comporte au moins deux zones (A,B), la zone la plus sollicitée (A) comportant une majorité de trous borgnes et la zone la moins sollicitée (B) comportant une majorité de trous débouchants ;
la section des trous de l'insert en céramique dans la zone (A) est inférieure à la section dans la zone (B) de ladite pièce d'usure ;
la section totale des ouvertures dans l'insert du côté (A) est inférieure à la section totale des ouvertures du côté (B) ;
le côté borgne de l'insert en céramique est partiellement ou entièrement formé par une céramique de composition différente de celle formant la zone (B) avec les trous débouchants ;
l'insert comporte au moins deux structures de renfort céramiques superposées (D,E) dans la zone (A) ;
les trous borgnes sont disposés de manière oblique dans l'insert ;
les trous borgnes ont une forme tronconique ;
l'insert en céramique comporte de l'alumine-zircone ;
l'insert en céramique comporte des carbures formés in situ par réaction exothermique auto-propagée, de préférence du carbure de titane ;
l'insert en céramique comporte des grains d'un composite céramique métallique (CERMET) ;
la structure céramique comporte de l'alumine zircone dans des proportions d'alumine allant de 10 à 90 % en volume et de zircone allant de 90 à 10 % en volume, la zircone étant éventuellement stabilisée à l'oxyde d'yttrium.

La présente invention divulgue également une méthode pour la réalisation d'une pièce d'usure selon l'invention comportant les étapes suivantes :

mise à disposition d'un moule pour la réalisation d'une pièce d'usure par coulée d'un alliage ferreux ;
placement d'un insert selon l'invention sous forme d'agrégat de granulés millimétriques de matière céramique ou de précurseurs de matière céramique infiltrable dans le moule avec le côté borgne du côté le plus sollicité de la pièce d'usure ;
infiltration de l'insert par l'alliage ferreux liquide.

La méthode selon l'invention est pratiquée de préférences avec :

un alliage ferreux comportant de l'acier ou de la fonte ;
des agrégats de granulés millimétriques de céramique où des agrégats de précurseurs de céramiques infiltrables sont sélectionnés parmi les compositions suivantes:
- ∘ Alumine-zircone dans des proportions 90/10 à 10/90, la zircone étant éventuellement stabilisée à l'oxyde d'yttrium ;
- ∘ Carbone et titane en poudre comportant optionnellement de la poudre de fer en tant que modérateur de la réaction initiée par la coulée de l'alliage ferreux ;
- ∘ Composites métaux-céramiques (CERMET).

Brève description des figures

Dans les figures commentées ci-dessous, « les inserts » sont définis comme étant des structures tridimensionnelles infiltrables formées d'agrégats plus ou moins poreux ou encore d'agglomérats de particules millimétriques avec des interstices.
Pour une simple question de facilité de représentation, les figures ne représentent que le contour tridimensionnel de ces inserts placés dans les parties renforcées de la pièce d'usure.

La figure 1 représente l'élément d'un insert en céramique avec des trous borgnes selon l'invention. L'insert se présente ici schématiquement sous sa forme la plus simple. Un tel insert est positionné côté borgne sur la face la plus exposée à l'usure. Un tel insert possède de nombreux interstices, ou pores (non représentés) qui sont destinés à être infiltrés par l'alliage ferreux lors de la coulée.
La figure 2 représente un insert en céramique basé sur le même principe que celui décrit dans la figure 1 mais avec des trous borgnes plus grands pour illustrer les différentes possibilités de réalisation des trous borgnes dans un tel insert en céramique.
La figure 3 représente un insert en céramique avec des trous borgnes basé sur le même principe que celui décrit dans la figure 1 mais cette fois l'insert se présente en deux couches de céramique différentes D et E.
La figure 4 représente un insert en céramique avec des trous borgnes basé sur le même principe que celui décrit dans la figure 3 mais cette fois avec des trous borgnes plus profonds pénétrant jusque dans la seconde couche E.
La figure 5 représente un insert en céramique avec des trous borgnes basé sur le même principe que celui décrit dans la figure 3 mais cette fois réalisé avec des trous agrandis.
La figure 6 représente un insert en céramique avec des trous borgnes basé sur le même principe que celui décrit dans la figure 1 mais cette fois avec des trous borgnes associés dans une proportion d'environ moitié-moitié à des trous débouchants de section plus grande.
La figure 7 représente un insert en céramique avec des trous borgnes basé sur le même principe que celui décrit dans la figure 1 mais cette fois avec des trous borgnes associés dans une proportion minoritaire à des trous débouchants de section plus grande. Ici les trous borgnes, de plus petit diamètre que les trous débouchants, sont majoritaires.
La figure 8 représente un insert en céramique avec deux zones de sollicitation différente A et B. La zone A la plus exposée à l'usure comporte principalement des trous borgnes et la zone B la moins exposée à l'usure comporte principalement des trous débouchants. Les trous débouchants de la zone B ont une section plus importante que les trous borgnes.
La figure 9 représente la même configuration que la figure 8 mais cette fois avec une céramique différente côté A et côté B.
La figure 10 représente la même configuration que la figure 8 mais cette fois non seulement avec une céramique différente côté A et côté B, mais également avec deux couches de céramique différentes D et E dans la zone A, avec une céramique plus résistante à l'usure du côté borgne de la zone A.
La figure 11 représente un insert en céramique selon l'invention avec des trous borgnes positionnés de manière oblique.
La figure 12 représente un insert en céramique selon l'invention avec des trous borgnes de forme tronconique.
La figure 13 représente un exemple illustratif d'une pièce d'usure selon l'invention sous forme de galet de broyage pour un broyeur rotatif vertical où la zone A la plus exposée à l'usure comporte l'insert en céramique avec des trous borgnes. La zone A est adjacente à une zone B moins exposée à l'usure comportant des trous débouchants.
La figure 14 représente de manière schématique l'utilisation d'un galet de broyage sur une table d'un broyeur rotatif vertical.
La figure 15 représente de manière schématique un cône de broyage avec un insert en céramique à trous borgnes.

Liste des symboles de référence

1 : insert en céramique
2 : trous borgnes
3 : face la plus sollicitée de la pièce d'usure
4 : trous débouchants
5 : galet de broyage
6 : représentation schématique d'un broyeur rotatif vertical avec galet et table de broyage
A : zone la plus sollicitée de la pièce d'usure
B : zone la moins sollicitée de la pièce d'usure
D : couche supérieure de l'insert en céramique
E : couche inférieure de l'insert en céramique orientée du côté le plus exposé à l'usure

Description détaillée de l'invention

Les pièces d'usure réalisées en fonderie sont très répandues dans les industries minières pour le broyage des roches et des minerais ou encore dans le domaine du dragage. Sans être limitatifs, nous pouvons par exemple citer pour le broyage des roches les impacteurs composites pour concasseurs à percussion, les cônes mobiles des concasseurs à compression ou encore les tables des galets de broyeurs verticaux à compression.
Les contraintes auxquelles les pièces d'usure dans ces machines sont confrontées sont à la fois la résistance à l'impact et la résistance à l'usure. C'est la raison pour laquelle on combine généralement la dureté d'une matière céramique (carbures, nitrures, oxydes de divers types...), qui résiste bien à l'usure mais pas à l'impact, avec un alliage ferreux de type fonte ou acier apportant un certain niveau de ductilité permettant de résister à l'impact mais résistant moins à l'usure.
La combinaison de ces deux types de matière n'est pourtant pas simple car elles ont des coefficients de dilatation très différents pouvant générer des microfissures lors du refroidissement des pièces et annulant par ses défauts potentiels cet effet de synergie dans une pièce d'usure composite.
Une difficulté supplémentaire réside dans la problématique de l'infiltration complète de l'insert en céramique par la fonte liquide qui a tendance à refroidir au contact de celle-ci, ce qui s'oppose à une infiltration satisfaisante (sauf pour les réactions de formation de céramiques in situ par réaction exothermique auto-propagée).
De nombreuses configurations d'inserts en céramique ont été essayées par les industriels. L'insert le plus populaire est une forme en « nid d'abeille » relativement facile à infiltrer où alternent des zones à forte concentration en céramique avec des zones à faible concentration en céramique.
Les renforts en céramique sont généralement introduits sous forme d'insert en céramique préfabriquée ou même sous forme d'insert dans lequel les interstices ont déjà été remplis de fonte liquide et refroidis avant d'être réintroduits dans un moule pour couler la pièce d'usure que l'on souhaite obtenir.
Il y a beaucoup de savoir-faire dans la réalisation d'un insert en céramique car celui-ci doit avoir une structure poreuse pour être infiltré par la fonte liquide, le niveau de porosité étant déterminant, ce qui a mené à toute une série de technologies pour la fabrication d'agglomérés (d'agrégats) de poudre sous forme de grains colmatés de quelques millimètres de diamètre qui sont ensuite assemblés en une structure de « gâteau » (padding en anglais) comportant des interstices plus ou moins importants, notamment en fonction de l'épaisseur de l'insert à infiltrer et de son positionnement dans le moule.
Il y a beaucoup de possibilités de composition pour la réalisation d'un insert selon l'invention. Dans une liste non exhaustive nous pouvons citer :

l'alumine-zircone 10/90 à 90/10 avec ou sans stabilisation sous forme de granulés millimétriques assemblés en agrégats dans une structure infiltrable ;
des particules issues de CERMET broyés à base de carbures, nitrures, borures ou d'éléments intermétalliques par exemple, ensuite agglomérés en structure poreuse infiltrable;
les céramiques formées par synthèse exothermique auto-propagée (SHS) comme par exemple le carbure de titane à partir de poudres de carbone et de titane, éventuellement mélangés à une poudre pour modérer la réaction comme par exemple de la poudre de fer pouvant se présenter sous forme de grains millimétriques agglomérés avec des interstices. La réaction entre le carbone et le titane est initiée par la coulée de l'alliage ferreux ;
etc.

Le maintien de l'insert dans le moule lors de la coulée nécessite également un certain savoir-faire acquis par les industriels au cours des années.
La configuration et le positionnement des inserts en céramique au sein d'une pièce d'usure composite a fait l'objet de nombreuse recherches qui ont toutes abouties au constat que les résultats de vitesse d'usure obtenus lors des essais sont relativement imprévisibles car ils dépendent de l'application spécifique, c'est-à-dire du type de machine utilisé et du type de roches à broyer ou encore de l'intermittence des utilisations.
La situation est rendue encore plus complexe par le fait que durant le phénomène d'usure, la géométrie de la pièce d'usure change et les zones peu sollicitées au départ le deviennent beaucoup plus au fur et à mesure de l'état d'avancement de l'usure. Il faut donc souvent faire un compromis de structure d'insert permettant de réconcilier l'usure à court et à long terme, ces deux notions pouvant varier considérablement d'un cas de figure à l'autre.
Les inventeurs de la présente invention ont désormais réalisé une structure d'insert en céramique répondant parfaitement à ce compromis. Celle-ci comporte une structure ajourée avec des trous borgnes, le côté borgne étant placé du côté le plus sollicité de la pièce d'usure de manière à offrir une forte résistance à l'usure en début d'utilisation et une fois le côté borgne (fond des trous) usé, une résistance à l'impact et à l'usure en présentant des trous débouchants.
Les trous réalisés dans la structure de l'insert ont un diamètre généralement compris entre 1 et 10 cm, de préférence entre 1 et 8 cm et de manière particulièrement préférée entre 1 et 4 cm.
La profondeur des trous borgnes dépend de l'épaisseur totale de l'insert et de l'utilisation spécifique, elle représente généralement entre 20 et 85 % de l'épaisseur totale, de préférence entre 30 et 80 % et de manière particulièrement préférée entre 40 et 70 %.
L'insert peut être réalisé en plusieurs couches superposées (D et E) ou avec des pièces adjacentes (A et B). Le côté borgne peut donc être constitué par une composition de céramique différente de celle comportant les trous qui lui est superposée ou adjacente (voir figures).
Bien qu'une section ronde soit préférée pour les trous, il est évident que l'invention ne se limite pas à cette forme. Les trous peuvent donc avoir n'importe quelle forme de section, par exemple carrés hexagonaux ou de forme quelconque.
Un insert partiellement évidé avec des trous borgnes peut également être envisagé où les trous borgnes côtoient des trous débouchants, la proportion de trous borgnes devra cependant être significative, c'est-à-dire supérieure à 20%, de préférence supérieure à 40 % et de manière particulièrement préférée supérieure à 60 %.
Lorsque l'insert est formé de deux zones adjacentes, l'une comportant principalement des trous borgnes et l'autre principalement des trous débouchants, les trous bornes dans la zone la plus sollicitée de la pièce d'usure ont une section et/ou une surface d'ouverture inférieure à celle des trous dans la zone la moins sollicitée.
Le concept général de l'invention réside dans le fait que la première usure se fait sur un côte renforcé par un insert majoritairement dépourvu de trous, ici en l'occurrence le côté borgne de l'insert, qui une fois usé offre toujours une résistance forte à l'usure avec des trous débouchants d'une section amoindrie par rapport aux sections de trous débouchants se trouvant du côté le moins sollicité de la pièce d'usure.
Bien que l'invention ne soit pas limitée par une composition précise de céramiques, les céramiques à base d'alumine-zircone ou encore de carbure de titane, placées telles quelles dans le moule (grains de cermet) ou formées in situ par réaction thermique auto-propagée sont cependant préférées. Des proportions d'alumine-zircone comportant 10 à 90 % d'alumine et 90 à 10 % de zircone en volume sont préférées, la zircone étant éventuellement stabilisée à l'oxyde d'yttrium.

Exemples

La présente invention a été exemplifiée par un galet d'un broyeur rotatif vertical et de pièces mobiles d'un concasseur à cône qui ont été réalisés avec d'une part, un insert comportant des trous débouchants selon l'état de la technique et d'autre part avec des inserts comportant essentiellement des trous borgnes selon l'invention.
La vitesse d'usure a été comparée dans les circonstances suivantes :

Type de machine : Concasseur à cône secondaire
Type de pièce d'usure : Pièce mobile
Type de matière broyée : Rhyolite 50-150 mm

Nombre d'heures de fonctionnement avec et sans inserts débouchants sur la partie la plus sollicitée :

Concasseur cône Durée de vie Coef. de supériorité (CS)

Inserts débouchants 220 H 1

Inserts trous borgnes 308 H 1,4

Type de machine : Broyeur vertical
Type de pièce d'usure : Galet
Type de matière broyée : Silico-Calcaire

Nombre d'heures de fonctionnement avec et sans inserts débouchants sur la partie la plus sollicitée :

Broyeur vertical Vitesse usure Coef. de supériorité (CS)

Inserts débouchants 32 mm/kh 1

Inserts trous borgnes 21 mm/kh 1,5

Claims

Pièce d'usure composite comportant une matrice en alliage ferreux et au moins un renfort en céramique sous forme d'insert (1) avec une structure ajourée, la structure ajourée comportant des trous borgnes (2), le côté borgne des trous étant positionné du côté le plus sollicité (3) de ladite pièce d'usure.
Pièce d'usure composite selon la revendication 1, dans laquelle ledit insert de céramique comporte au moins deux zones (A,B), la zone la plus sollicitée (A) comportant une majorité de trous borgnes (2) et la zone la moins sollicitée (B) comportant une majorité de trous débouchants (4).
Pièce d'usure composite selon les revendications 1 ou 2 dans laquelle la section des trous de l'insert en céramique (1) dans la zone (A) est inférieure à la section dans la zone (B) de ladite pièce d'usure.
Pièce d'usure composite selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la section totale des ouvertures dans l'insert (1) du côté (A) est inférieure à la section totale des ouvertures du côté (B).
Pièce d'usure composite selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le côté borgne de l'insert en céramique (1) est partiellement ou entièrement formé par une céramique de composition différente de celle formant la zone (B) avec les trous débouchants (4).
Pièce d'usure composite selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle existent au moins deux structures de renfort céramiques superposées (D,E) dans la zone (A).
Pièce d'usure composite selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle les trous borgnes sont disposés de manière oblique dans l'insert.
Pièce d'usure composite selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle les trous borgnes ont une forme tronconique.
Pièce d'usure composite selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle l'insert en céramique (1) comporte de l'alumine-zircone.
Pièce d'usure composite selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle l'insert en céramique (1) comporte des carbures formés in situ par réaction exothermique auto-propagée, de préférence du carbure de titane.
Pièce d'usure composite selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle l'insert en céramique (1) comporte des grains d'un composite céramique métallique (CERMET).
Pièce d'usure composite selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la structure céramique comporte de l'alumine-zircone dans des proportions d'alumine allant de 10 à 90 % en volume et de zircone allant de 90 à 10 % en volume, la zircone étant éventuellement stabilisée à l'oxyde d'yttrium.
Méthode pour la réalisation d'une pièce d'usure selon l'une quelconque des revendications précédentes comportant les étapes suivantes :
- mise à disposition d'un moule pour la réalisation d'une pièce d'usure par coulée d'un alliage ferreux ;

- placement d'un insert selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 sous forme d'agrégat de granulés millimétriques de matière céramique ou de précurseurs de matière céramique infiltrable dans le moule avec le côté borgne du côté le plus sollicité de la pièce d'usure ;

- infiltration de l'insert par l'alliage ferreux liquide.
Méthode selon la revendication 13 dans laquelle l'alliage ferreux comporte de l'acier ou de la fonte.
Méthode selon les revendications 13 ou 14 dans laquelle les agrégats de granulés millimétriques de céramique où des agrégats de précurseurs de céramiques infiltrables sont sélectionnés parmi les compositions suivantes:
- Alumine-zircone dans des proportions 90/10 à 10/90, la zircone étant éventuellement stabilisée à l'oxyde d'yttrium ;

- Carbone et titane en poudre comportant optionnellement de la poudre de fer en tant que modérateur de la réaction initiée par la coulée de l'alliage ferreux ;

- Composites métaux-céramiques (CERMET).