CH635248A5 - Corps broyants forges, notamment boulets de broyage, et procede pour leur fabrication. - Google Patents

Corps broyants forges, notamment boulets de broyage, et procede pour leur fabrication. Download PDF

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Description

L'invention concerne de nouveaux corps broyants en alliage ferreux moyennement allié, notamment des boulets de broyage. L'invention concerne également un procédé de fabrication de ces corps broyants.
Dans l'industrie, et en particulier dans l'industrie minière, on utilise divers types de boulets de broyage forgés soit au carbone-manganèse, soit à teneur élevée en chrome (8% en poids et plus), soit à faible teneur en chrome et nickel, avec dans ce cas des carbures finement dispersés du type M3C. On utilise aussi des boulets moulés à haute teneur en chrome ou sursaturés en chrome (26% en poids et plus).
On sait que les boulets de broyage, dans certaines applications minières notamment, sont soumis à des sollicitations d'abrasion extrêmement sévères, d'une part, par les matériaux à broyer du type quartzite ou équivalent et, d'autre part, du fait de la présence d'eau ou de produits acides.
Dans l'état actuel de la technique, on a donc choisi soit d'utiliser des aciers très bon marché à faible résistance, soit des fontes fortement alliées très coûteuses, soit encore des fontes faiblement alliées, peu résistantes à l'usure.
C'est ainsi que la titulaire, dans son brevet français N° 73.16163, a proposé de nouveaux corps broyants forgés, en fonte blanche à haute teneur en chrome, dont la structure est constituée d'une solution solide martensitique ou austénitique contenant des carbures de chrome du type M7C3 exclusivement, finement divisés et répartis d'une manière homogène dans la solution solide. La teneur en carbures de ces corps broyants était élevée (entre 15 et 30% en poids), car la titulaire estimait qu'une telle quantité de carbures du type M7C3, combinée avec une division et une répartition satisfaisantes de ceux-ci du fait du forgeage, pouvait seule assurer une excellente résistance à l'usure des corps broyants.
Compte tenu du coût croissant des matières premières utilisées pour la fabrication de ces corps broyants, la titulaire a été amenée à poursuivre ses travaux, et elle a constaté que, pour un type de carbure déterminé (carbures de chrome M7C3), la résistance à l'usure dépend davantage de leur division et de leur répartition dans la matrice que de leur quantité. Plus précisément, la titulaire a établi qu'il est possible de compenser les effets d'une diminution de la quantité de carbures par une amélioration de leur répartition dans la matrice.
L'invention vise donc à proposer des corps broyants forgés en fonte blanche au chrome, qui présentent des caractéristiques de résistance à l'usure comparables à celles des corps broyants de la technique antérieure, tout en étant moins coûteux que ceux-ci, du fait d'une réduction de la quantité de carbures qu'ils contiennent.
L'invention vise également à proposer un procédé de fabrication de tels corps broyants qui soit simple et peu coûteux, tout en assurant une excellente répartition des carbures dans la matrice.
L'invention a donc pour objet des corps broyants forgés en fonte blanche au chrome, dont la structure est composée d'une solution solide martensitique ou austénitique contenant des carbures secondaires de chrome et des carbures primaires ou eutectiques de chrome du type M7C3, finement divisés et répartis d'une manière homogène dans la matrice, lesdits corps broyants étant caractérisés en ce qu'ils contiennent entre 5 et 15% en poids de carbures de chrome du type M7C3, c'est-à-dire entre 2 et 8% de chrome.
Dans une forme de mise en œuvre préférée de l'invention, lesdits corps broyants contiennent entre 1,0 et 3% en poids de carbone, de 2 à 8% en poids de chrome, de 0 à 2% en poids de molybdène, de 0,5 à 1,5% de silicium, de 0,1 à 2% de manganèse, de 0 à 5% de vanadium et de 0 à 1 % de cuivre.
Ces corps broyants peuvent également contenir des éléments spéciaux, notamment de 0 à 5% en poids de tungstène ou de nickel, de 0 à 1 % en poids de bore et de 0 à 0,2% en poids de niobium, de tantale ou de zirconium.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication de tels corps broyants, caractérisé en ce que l'on chauffe une barre de fonte blanche ayant la composition désirée jusqu'à une première température de l'ordre de 900 à 1000°C permettant le cisaillage à chaud à l'état plastique, en ce que l'on découpe ladite barre en lopins à cette première température, en ce que l'on amène ensuite lesdits lopins à une seconde température comprise entre 1000 et 1150°C, qui est choisie de manière à provoquer une réausténisation et une mise en solution complète des carbures dans le domaine austénitique, en ce que l'on forge lesdits lopins à ladite seconde température et en ce que l'on refroidit ensuite lesdits lopins dans des conditions propres à provoquer l'apparition de perlite aux joints des grains et de préférence dans la totalité du métal.
Cette structure perlitique du boulet forgé peut être obtenue, de façon connue en soi, par refroidissement à une vitesse contrôlée dépendant de la composition du boulet. Elle peut aussi être obtenue par refroidissement jusqu'à un palier compris entre 600 et 800° C et un maintien isotherme à cette température.
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Cette structure perlitique limite la précipitation des carbures au joint du grain et permet leur répartition ultérieure au cours du traitement thermique que l'on appliquera au corps broyant, en vue d'adapter sa structure aux conditions d'utilisation et notamment aux conditions d'abrasion. 5
On utilisera de préférence comme matériau de départ une barre fabriquée par un procédé qui fournit une structure initiale fine, par exemple le moulage en coquille ou la coulée continue, avec ou sans affinage par ultrasons, avec ou sans brassage électromagnétique. La structure des barres brutes de coulée sera telle qu'elle ne présentera io pas de cristallisation grossière liée à une température de coulée trop élevée.
La composition et la combinaison des éléments d'alliage du métal sont choisies de telle sorte que les types de carbures obtenus soient en majorité de dureté maximale, c'est-à-dire du genre M7C3 pour les is carbures de chrome, MC pour les carbures de vanadium (avec éventuellement M4C3) et Fe3 (C, B) pour les carbures de bore; le niobium, le tantale et le zirconium auront une fonction dispersoïde et formeront des carbures complémentaires.
Ce traitement thermique conforme à l'invention comporte donc 20 deux étapes, l'une destinée à conduire à une structure appropriée avant austénisation, l'autre à fournir une structure martensitique ou austénitique.
La première et la deuxième température sont choisies en fonction de la composition chimique du métal de départ, pour fournir, suivant 25 le traitement thermique qui suivra, une structure appropriée.
Les procédés de la technique connue n'attachaient aucune importance au refroidissement après forgeage, ni à la structure après for-geage. Or, la titulaire a constaté que, suivant le type de refroidissement, on peut éviter ou limiter la précipitation des carbures au joint 30 du grain, donc permettre l'apparition des carbures dans le grain lui-même. Ce processus permet donc une finesse maximale et contrôlée de la répartition des carbures.
Cette finesse de structure devra être conservée au cours du traitement thermique ultérieur appliqué au boulet forgé. 35
Ce traitement est destiné à adapter sa structure aux conditions d'abrasion et implique dans tous les cas une réchauffe du boulet forgé, qui peut se faire soit à partir de la température ambiante, ou de préférence, pour économiser l'énergie, à partir de la température moyenne d'apparition de la perlite, c'est-à-dire entre 600 et 800° C. 40
L'exemple suivant illustre la mise en œuvre de l'invention. Exemple:
On chauffe à 950" C une barre de coulée continue, dont la composition pondérale est la suivante:
C= 1,8 à 2%
Cr=7,2 à 7,5%
Si=0,7%
Mn=0,8%
Cu=0,2%
B = 0,005%
On procède au cisaillage de cette barre en lopins à 950° C.
Les lopins provenant du cisaillage sont réchauffés à 1080e C dans un four tel qu'ils sont éjectés dès que la température est atteinte à cœur.
Les lopins sont forgés à 1060e C, pour former des boulets de 90 mm de diamètre, refroidis immédiatement en air soufflé jusqu'à 700JC puis, au-delà, en air calme en vrac. La structure obtenue est perlitique à 80%. Sa dureté est de 400 à 450 HB.
Les boulets sont ensuite traités par un chauffage à 950° C, suivi d'une trempe à l'huile, qui donne une structure martensitique, de dureté 650 HB.
On procède ensuite à un revenu à 490e C, pour obtenir une dureté finale de 550 à 600 HB.
La structure micrographique obtenue est composée d'une solution solide martensitique, contenant des carbures secondaires et des carbures eutectiques de type M7C3 finement divisés et répartis d'une manière homogène.
Cette répartition est liée à la structure de la barre obtenue par coulée continue, au forgeage et au refroidissement contrôlé.
La teneur en carbures s'élève à 11,2% en poids; leur répartition et leur division sont telles que leur nombre est supérieur à 10 000/mm2.
Le procédé conforme à l'invention permet donc d'obtenir des boulets forgés en fonte blanche d'un coût limité, grâce à une réduction de la quantité de chrome, tout en conservant une grande finesse et une bonne répartition des carbures, assurant une bonne résistance à l'usure et à la corrosion.
R

Claims (10)

635248
1. Corps broyants forgés en fonte blanche au chrome, dont la structure est composée d'une solution solide martensitique ou austé-nitique contenant des carbures secondaires de chrome et des carbures primaires ou eutectiques de chrome du type M7C3, finement divisés et répartis d'une manière homogène dans la matrice, lesdits corps broyants étant caractérisés en ce qu'ils contiennent entre 5 et 15% en poids de carbures de chrome du type M7C3, c'est-à-dire entre 2 et 8% de chrome.
2. Corps broyants selon la revendication 1, caractérisés en ce qu'ils contiennent entre 1,0 et 3% en poids de carbone, de 2 à 8% en poids de chrome, de 0 à 2% en poids de molybdène, de 0,5 à 1,5% de silicium, de 0,1 à 2,0% de manganèse, de 0 à 5% de vanadium et de 0 à 1 % de cuivre.
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REVENDICATIONS
3. Corps broyants selon la revendication 2, caractérisés en ce qu'ils contiennent en outre jusqu'à 5% en poids de tungstène ou de nickel.
4. Corps broyants selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisés en ce qu'ils contiennent jusqu'à 1 % en poids de bore.
5. Corps broyants selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisés en ce qu'ils contiennent jusqu'à 0,2% en poids de niobium, de tantale ou de ziconium.
6. Procédé de fabrication de corps broyants selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on chauffe une barre de fonte blanche ayant la composition désirée jusqu'à une première température de 900 à 1000° C permettant le cisaillage à chaud à l'état plastique, en ce que l'on découpe ladite barre en lopins à cette première température, en ce que l'on amène ensuite lesdits lopins à une seconde température comprise entre 1000 et 1150°C, qui est choisie de manière à provoquer une réausténisation et une mise en solution complète des carbures dans le domaine austénitique, en ce que l'on forge lesdits lopins à ladite seconde température et en ce que l'on refroidit ensuite lesdits lopins dans des conditions propres à provoquer l'apparition de perlite aux joints des grains et de préférence dans la totalité du métal.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le refroidissement des lopins est effectué à une vitesse contrôlée.
8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les lopins sont refroidis jusqu'à une température comprise entre 600 et 800 C, puis soumis à un maintien isotherme à cette température.
9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite barre de fonte blanche a une structure fine et contient des carbures du type M7C3 pour le chrome, du type MC et éventuellement M4C3 pour le vanadium, du type MC pour le niobium, le tantale et le zirco-nium et Fe3 (C, B) pour le bore.
10. Procédé selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que les lopins forgés de structure perlitique obtenus sont ensuite soumis à un traitement de réchauffe pour adapter leur structure aux conditions d'utilisation.
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