Quels types d'aciers/alliages sont utilisés dans les pièces moulées résistantes à l'usure ?

Familles d'alliages de base utilisées dans les pièces moulées résistantes à l'usure

Les fonderies sélectionnent un système d'alliage en fonction du mécanisme d'usure dominant auquel une pièce sera confrontée, puis ajustent la chimie et le traitement thermique pour affiner la dureté, la ténacité et le comportement à la corrosion. Le tableau ci-dessous résume les groupes d'alliages les plus souvent spécifiés pour les pièces moulées résistantes à l'usure.

Moulages en fer blanc à haute teneur en chrome

La fer blanche à haute teneur en chrome est le matériau de référence pour l'usure par abrasion pure car sa microstructure contient des carbures de chrome denses M7C3 noyés dans une matrice martensitique. Une teneur en chrome comprise entre 15 et 26 pour cent produit des carbures qui résistent bien mieux au gougeage du sable, du minerai ou des granulats de ciment que l'acier au carbone ordinaire. Les cylindres de meulage et les chemises de tambour sont fréquemment coulés dans cet alliage, car le réseau de carbure maintient intactes les surfaces d'usure pendant des milliers d'heures de fonctionnement. Un traitement thermique par déstabilisation et revenu est utilisé pour convertir l'austénite retenue en martensite, ce qui augmente la dureté de la surface sans rendre la pièce moulée suffisamment cassante pour se fissurer sous des charges de service normales.

Pièces moulées en fonte Ni-Dure

Le fer Ni-Hard ajoute du nickel pour supprimer la formation de perlite molle pendant le refroidissement, permettant à la matrice de se transformer directement en martensite même dans les sections épaisses. Cela donne aux pièces moulées Ni-Hard un équilibre favorable entre la dureté, le coût de coulée et l'usinabilité par rapport à la fonte à haute teneur en chrome. Les pales de malaxeur à béton sont une application courante du Ni-Hard, car le matériau tolère l'abrasion mixte et l'impact léger des granulats, du sable et de la pâte de ciment. Les qualités de matériaux telles que AS2027 NiCr4 sont largement spécifiées car elles combinent la durée de vie à l'usure et la cohérence dimensionnelle nécessaire aux pièces de rechange boulonnées.

Pièces moulées en acier à haute teneur en manganèse

L'acier à haute teneur en manganèse, également connu sous le nom d'acier Hadfield, se comporte différemment des deux familles de fer ci-dessus. Dans son état brut de coulée, il est relativement mou et résistant, mais des impacts répétés provoquent un durcissement de la couche superficielle par déformation, augmentant ainsi la dureté de la surface tandis que le noyau reste ductile. Les données de l'industrie indiquent que ce mécanisme peut offrir une résistance à l'usure environ 25 fois supérieure à celle de l'acier au carbone non traité une fois que la surface est complètement durcie. Cela fait de l'acier à haute teneur en manganèse le choix standard pour les mâchoires de concasseur, les marteaux et les plaques d'impact où une charge par choc soudaine, et non une abrasion progressive, est le mode de défaillance dominant.

Sélection d'alliage adaptée au mécanisme d'usure

La sélection d'un alliage uniquement en fonction de la dureté peut entraîner des fissures prématurées ou des coûts excessifs. Une approche plus fiable consiste à classer d'abord l'environnement d'exploitation, puis à faire correspondre la famille d'alliages et, si nécessaire, un traitement de surface.

Processus de coulée et son effet sur les performances de l'alliage

La composition de l'alliage détermine la durée de vie théorique d'une pièce moulée, mais le processus de coulée détermine si ce potentiel est réalisé. La coulée centrifuge est souvent appliquée aux pièces d'usure cylindriques telles que les barils et les rouleaux de broyage, car la solidification par rotation emballe le métal plus dense vers la paroi extérieure, là où la résistance à l'usure compte le plus, tandis que la porosité et les inclusions plus légères migrent vers l'alésage. Le moulage au sable statique reste courant pour les formes irrégulières telles que les pales de mélangeur et les plaques de guidage, où un panier de moulage de précision ou un moule en coquille contrôle la précision dimensionnelle des pièces qui doivent s'adapter à l'équipement existant sans retouche. Les vitesses de refroidissement contrôlées après la coulée sont tout aussi importantes, car un refroidissement rapide ou irrégulier peut piéger l'austénite retenue dans la fonte à haute teneur en chrome, laissant la pièce coulée plus molle que sa dureté de conception jusqu'à ce qu'un traitement thermique de déstabilisation approprié soit appliqué.

Gamme de produits de moulage résistant à l'usure

Les composants suivants illustrent comment différentes familles d'alliages sont appliquées dans les équipements de broyage, de mélange et de contrôle de débit, des cylindres de broyage à haute teneur en chrome aux pales de mélangeur Ni-Hard.

Cylindres de broyage Alliage à haute teneur en chrome

Barils de broyage Alliage à haute teneur en chrome

Disque de soupape à gaz Acier 42CrMo

Plaque de guidage de flux Acier 42CrMo

Lames d'usure du mélangeur Fonte Ni-Dure

Vérification de la qualité des pièces moulées résistantes à l'usure

Étant donné que les performances de l’alliage dépendent fortement de la microstructure, l’inspection visuelle ne peut à elle seule confirmer la résistance à l’usure. Des fournisseurs fiables vérifient les pièces moulées grâce à une combinaison de méthodes.

Entretien et réparation de pièces moulées en alliage usées

La prolongation de la durée de vie d'une pièce moulée résistante à l'usure coûte généralement moins cher qu'un remplacement complet, à condition que la méthode de réparation soit adaptée à l'alliage et à l'étendue des dommages.

• Revêtement de surface : La pulvérisation plasma ou le revêtement laser régénère une couche de surface dure sur les zones usées et restaure la précision dimensionnelle.
• Réparation de soudure : Les tiges alcalines à faible teneur en hydrogène avec préchauffage et refroidissement lent, maintenant la température de soudure proche de 250 à 300 degrés Celsius, préservent les propriétés de durcissement du matériau de base.
• Usinage et polissage : L'usure mineure est éliminée par tournage ou meulage, suivi d'un traitement de réchauffage pour restaurer la dureté d'origine.
• Remplacement direct : Les pièces présentant des fissures d'impact ou un écaillage de grande surface sont purement et simplement remplacées plutôt que retravaillées, évitant ainsi la dégradation microstructurale que peuvent provoquer des traitements thermiques répétés.

Au-delà de la résistance à l’usure : composants de fours à haute température

De nombreuses installations qui exploitent des équipements résistants à l’usure exploitent également des lignes de traitement thermique. Il convient donc de noter les pièces moulées en alliage associées utilisées dans ces systèmes. Les tubes thermiques radiants, les rouleaux de four et les rouleaux de four pour les lignes de four continues sont généralement coulés dans des alliages Cr-Ni résistants à la chaleur plutôt que dans les alliages d'usure décrits ci-dessus, car leur principal défi est l'oxydation et le fluage à haute température plutôt que l'abrasion. Les dispositifs de traitement thermique, les dispositifs de traitement thermique de soudage, les plateaux de base de traitement thermique et les paniers de coulée de précision transportent les pièces à travers le four et doivent résister à la fatigue thermique au cours de cycles répétés. Des composants tels que les pales de ventilateur Ipsen, les piliers du four, les rails et rouleaux du four AFC, la tête de poussée AFC, le rouleau de sole pour le four à bande à maillons coulés et la plaque à chaîne pour le four de coulée à chaîne complètent le système de fixation et de transport à l'intérieur des fours continus. Lorsque ces systèmes sont également confrontés à l'abrasion des particules, comme dans les zones de chargement, des revêtements résistants à l'usure en alliage à haute teneur en chrome ou Ni-Hard sont souvent ajoutés pour protéger la structure sous-jacente.

Choisir un fournisseur de pièces moulées résistantes à l'usure

Au-delà de la sélection des alliages, l’expérience des fournisseurs affecte la cohérence des lots de production. Les fonderies qui contrôlent la chimie de la fusion, les cycles de traitement thermique et l'inspection après coulée ont tendance à fournir des pièces moulées avec une durée de vie plus prévisible. Demander des certificats de matériaux, des rapports d'essais de dureté et, le cas échéant, des enregistrements d'essais non destructifs avant de grosses commandes permet de confirmer que l'alliage livré correspond aux spécifications plutôt que de se fier uniquement aux noms de qualité nominale.