Pièces moulées en acier à haute teneur en manganèse : Guide des concasseurs à mâchoires et à percussion

Pièces moulées en acier à haute teneur en manganèse sont les matériaux d'usure les plus utilisés dans les industries de concassage et de transformation des minéraux. Moulés à partir d'acier austénitique au manganèse avec une teneur en manganèse généralement comprise entre 11 et 14 pour cent, ces composants offrent une combinaison de propriétés qu'aucun autre alliage disponible dans le commerce ne peut égaler pour les applications de concassage à fort impact : ils sont relativement mous lors de la première installation, mais ils durcissent considérablement à la surface lorsqu'ils sont soumis à des charges d'impact répétées, un phénomène connu sous le nom d'écrouissage ou de transformation induite par la déformation. Ce durcissement de surface se produit pendant le fonctionnement plutôt qu'avant l'installation, ce qui signifie que le matériau régénère continuellement sa surface résistante tout au long de sa durée de vie dans des conditions de fonctionnement correctes.

La conclusion directe pour quiconque spécifie des pièces moulées en acier à haute teneur en manganèse est la suivante : l'alliage est le matériau standard et correct pour les pièces moulées en acier à haute teneur en manganèse des concasseurs à mâchoires et les pièces moulées en acier à haute teneur en manganèse des concasseurs à percussion, car les conditions de contrainte d'impact dans les deux types de concasseurs sont précisément ce qui active le mécanisme d'écrouissage qui donne au matériau sa durée de vie exceptionnelle. Dans les applications à faible impact et à usure principalement abrasive, d'autres matériaux peuvent surpasser l'acier à haute teneur en manganèse, mais dans les concasseurs à mâchoires et à percussion où chaque cycle de concassage fournit une force de compression et d'impact importante aux pièces d'usure, les pièces moulées en acier à haute teneur en manganèse sont la spécification établie pour de bonnes raisons techniques. Cet article couvre en profondeur la métallurgie, les exigences de fabrication et les considérations de performances spécifiques aux applications pour les composants des concasseurs à mâchoires et à percussion.

La métallurgie de l'acier à haute teneur en manganèse : pourquoi l'écrouissage est important

L'acier austénitique au manganèse a été développé pour la première fois par Sir Robert Hadfield en 1882 et reste commercialement connu sous le nom d'acier Hadfield. Sa caractéristique déterminante est une microstructure entièrement austénitique conservée à température ambiante grâce à la combinaison d'une teneur élevée en carbone (généralement 1,0 à 1,4 pour cent) et d'une teneur élevée en manganèse (11 à 14 pour cent), qui ensemble suppriment la transformation martensitique qui se produirait normalement dans l'acier au carbone lors du refroidissement de l'austénite. Le matériau tel que coulé a une dureté d'environ 170 à 210 Brinell, qui est plus douce que de nombreux aciers à outils et aciers d'usure alliés, mais cette douceur initiale s'accompagne d'une ténacité exceptionnelle : le matériau peut absorber d'importantes forces d'impact sans se fracturer car la matrice austénitique se déforme plastiquement plutôt que de se fissurer.

Le mécanisme d'écrouissage critique : lorsque l'acier à haute teneur en manganèse est soumis à une contrainte d'impact en compression dépassant environ 300 à 500 MPa, l'austénite au niveau et à proximité de la surface sollicitée se transforme en martensite par une transformation de phase induite par une déformation, augmentant la dureté de surface d'environ 200 Brinell à 450 à 550 Brinell. Cette surface transformée est dure et résistante à l'usure, tandis que le noyau austénitique sous-jacent reste solide et résistant à la rupture. Le résultat pratique est un composant qui développe une surface résistante à l'usure en service tout en conservant la résistance aux chocs nécessaire pour survivre aux charges de choc du processus de concassage sans se briser.

Catégories de manganèse et de carbone

Les pièces moulées en acier à haute teneur en manganèse pour les applications de concassage sont produites dans plusieurs qualités standard avec différentes teneurs en manganèse et en carbone optimisées pour différentes tâches de concassage :

• Qualité Mn13 standard (ASTM A128 qualité B 2) : Environ 1,0 à 1,4 pour cent de carbone et 11 à 14 pour cent de manganèse. La nuance la plus largement utilisée pour les revêtements de concasseurs à mâchoires et à percussion dans les applications de roches moyennement dures à dures. Fournit un bon équilibre entre le taux d’écrouissage et la ténacité.
• Qualité Mn18 modifiée (haute teneur en manganèse) : Environ 1,0 à 1,3 pour cent de carbone et 16 à 19 pour cent de manganèse. Une teneur plus élevée en manganèse augmente la stabilité de l'austénite, améliorant la ténacité mais réduisant légèrement le taux d'écrouissage. Préféré pour les gros composants de concasseurs où le risque de fracture dû à un impact excessif est plus élevé et où la durée de vie doit être prolongée grâce à une plus grande profondeur de couche écrouie.
• Acier au manganèse modifié au chrome : Composition standard Mn13 avec ajout de 1,5 à 2,5 pour cent de chrome. L'ajout de chrome améliore la résistance à l'abrasion au détriment de la ténacité, ce qui rend les qualités modifiées au chrome adaptées aux applications de concasseur impliquant à la fois un impact élevé et une usure abrasive importante due à la roche siliceuse ou au quartzite.

Pièces moulées en acier à haute teneur en manganèse pour concasseur à mâchoires : spécifications et performances

Un concasseur à mâchoires fonctionne en comprimant la roche entre une plaque à mâchoires fixe et une plaque à mâchoires mobile (la mâchoire pivotante), les deux plaques à mâchoires convergeant au bas de la chambre de concassage et divergeant en haut. La roche est pincée entre les mâchoires et fracturée par la force de compression lorsque la mâchoire pivotante avance. Les plaques à mâchoires sont les principaux composants d'usure de ce système et constituent l'application la plus importante pour les pièces moulées en acier à haute teneur en manganèse du concasseur à mâchoires.

Considérations relatives à la conception et au profil de la plaque à mâchoires

Les plaques à mâchoires pour les grands concasseurs à mâchoires sont coulées en pièces uniques ou en plusieurs sections en fonction de la taille du concasseur et de la capacité de coulée de la fonderie. La surface de travail de la plaque à mâchoires est ondulée avec des crêtes qui concentrent les contraintes de compression et contribuent à la fracture de la roche. Le profil d'ondulation (hauteur de crête, pas et angle) est optimisé par les fabricants de concasseurs pour le type de roche spécifique et le rapport de réduction de taille de l'application. Pour les roches dures et compétentes (granit, basalte, gneiss) avec une résistance à la compression supérieure à 150 MPa, la durée de vie de la plaque à mâchoires en acier à haute teneur en manganèse varie généralement de 50 000 à 200 000 tonnes de matériau traité, en fonction de l'indice d'abrasivité de la roche, de la granulométrie de l'alimentation du concasseur et des paramètres de fonctionnement du concasseur.

Exigences de traitement thermique pour les plaques à mâchoires

Comme l'acier moulé à haute teneur en manganèse contient des précipités de carbure aux joints de grains qui résultent d'un refroidissement lent dans la plage de température de précipitation du carbure pendant la solidification. Ces carbures fragilisent le matériau et doivent être dissous avant la mise en service de la pièce moulée. Le processus de traitement thermique en solution consiste à chauffer la pièce moulée entre 1 020 et 1 100 degrés Celsius pendant une durée suffisante pour dissoudre tous les carbures, puis à la tremper rapidement dans l'eau pour préserver la structure entièrement austénitique. Les pièces moulées en acier à haute teneur en manganèse du concasseur à mâchoires qui n'ont pas été correctement traitées thermiquement en solution échoueront par fracture fragile plutôt que par usure progressive, souvent au cours des premières heures de service dans une application de concasseur exigeante. La vérification du traitement thermique par la mesure de la dureté Brinell et l'examen microstructural est un contrôle qualité essentiel pour ce produit.

Pièces moulées en acier à haute teneur en manganèse pour concasseur à percussion : différentes conditions de contrainte, différentes priorités de conception

Un concasseur à percussion fracture la roche par impact à grande vitesse plutôt que par force de compression. Dans un concasseur à impact à arbre horizontal (HSI), un rotor équipé de battoirs tourne à grande vitesse et frappe la roche introduite dans la chambre de concassage, l'accélérant dans les plaques d'impact (également appelées rideaux ou tabliers) où elle se fracture au contact. Dans un concasseur à impact à arbre vertical (VSI), la roche est introduite dans un rotor à grande vitesse et propulsée par centrifugation contre une chambre extérieure recouverte de roche ou d'enclume. Les conditions de contrainte imposées aux pièces d'usure dans les concasseurs à percussion diffèrent fondamentalement de celles des concasseurs à mâchoires, avec des taux de déformation plus élevés et des directions d'application de force différentes.

Barres de soufflage : le composant le plus critique du concasseur à percussion

Les barres de soufflage sont les principaux composants d'usure des concasseurs à percussion à arbre horizontal, montées dans des fentes sur le rotor et frappant la roche entrante à la vitesse périphérique du rotor (généralement 25 à 45 mètres par seconde dans les impacteurs primaires). La barre de soufflage doit simultanément résister à l'usure abrasive due au contact avec la roche et absorber le choc d'impact à haute énergie de chaque collision avec la barre de roche sans se fracturer. Les pièces moulées en acier à haute teneur en manganèse constituent la spécification standard pour les barres de soufflage dans les concasseurs à percussion primaires et secondaires traitant des roches dures, car les impacts à grande vitesse fournissent les conditions de contrainte requises pour un écrouissage efficace. La durée de vie des barres de soufflage dans le traitement du calcaire dur est généralement de 200 à 600 tonnes de roche par kilogramme de poids de barre de soufflage, tandis que le traitement de roches plus dures telles que le basalte ou le granit peut réduire ce chiffre à 50 à 200 tonnes par kilogramme, reflétant l'abrasivité et la sévérité d'impact plus élevées des types de roches plus dures.

Plaques d'impact et plaques de rupture

Les plaques d'impact (également appelées tabliers ou rideaux) reçoivent les roches projetées par le rotor et doivent absorber les impacts répétés à haute énergie tout au long de leur durée de vie. Ces composants sont également couramment fournis sous forme de pièces moulées en acier à haute teneur en manganèse pour concasseur à percussion, bien que dans certaines applications à faible impact, ils puissent être produits à partir de fer blanc Cr Mo qui offre une résistance à l'abrasion plus élevée au prix d'une ténacité réduite. Le choix entre l'acier à haute teneur en manganèse et la fonte blanche pour les plaques d'impact dépend des niveaux d'énergie d'impact spécifiques dans le concasseur : lorsque les impacts sont violents, la ténacité supérieure à la rupture de l'acier au manganèse est essentielle ; là où les impacts sont modérés et où l’abrasion domine, le fer blanc peut offrir une durée de vie plus longue.

Comparaison des pièces moulées en acier à haute teneur en manganèse pour concasseurs à mâchoires et à percussion

Considérations relatives au contrôle qualité et à l'approvisionnement pour les pièces moulées en acier à haute teneur en manganèse

Les performances des pièces moulées en acier à haute teneur en manganèse dans les applications de concasseur dépendent fortement de la qualité du processus de coulée et de traitement thermique, ce qui rend la sélection des fournisseurs et l'inspection à réception d'une importance cruciale. Les critères de qualité suivants doivent être spécifiés et vérifiés pour toutes les pièces moulées en acier à haute teneur en manganèse utilisées dans les applications de concasseurs à mâchoires et à percussion :

1. Vérification de la composition chimique. L'analyse spectrométrique doit confirmer que la teneur en manganèse se situe dans la plage spécifiée (11 à 14 pour cent pour le Mn13, 16 à 19 pour cent pour le Mn18) et que le carbone, le silicium, le phosphore et le soufre sont conformes aux spécifications de qualité. Un excès de phosphore supérieur à 0,07 pour cent et de soufre supérieur à 0,05 pour cent fragilise l'acier et doit être contrôlé.
2. Vérification du traitement thermique par essai de dureté. Une fois trempé, la dureté doit être comprise entre 170 et 220 Brinell. Des valeurs nettement supérieures à cette plage indiquent un traitement en solution incomplet (carbures résiduels) ou une erreur dans la composition de l'alliage. Des valeurs inférieures à 160 Brinell peuvent indiquer que la température de la solution était trop élevée, provoquant une croissance des grains qui réduit la ténacité.
3. Précision dimensionnelle et finition de surface. Les dimensions du moulage doivent être vérifiées par rapport au dessin du fabricant avec les tolérances appropriées. Les plaques à mâchoires et les battoirs doivent s'adapter correctement à leurs systèmes de montage respectifs pour garantir une répartition uniforme de la charge et éviter une défaillance prématurée due à la concentration des contraintes aux points de montage.
4. Absence de défauts de coulée nocifs. La porosité de retrait, les fissures et les inclusions importantes dans la surface d'usure ou la zone de montage sont des causes de rejet. Les fissures de surface peuvent être détectées par inspection par magnétoscopie ou par ressuage ; les défauts internes nécessitent des tests par ultrasons ou une inspection radiographique dans les applications critiques.

Les pièces moulées en acier à haute teneur en manganèse pour concasseurs à mâchoires et à percussion représentent une solution de matériau d'usure bien établie et techniquement validée qui sert les industries des carrières, des mines et de la production d'agrégats depuis plus d'un siècle. Le mécanisme unique d'auto-durcissement du matériau dans des conditions d'impact, combiné à sa ténacité résistante à la rupture, le rend véritablement difficile à améliorer pour les conditions de chargement spécifiques de ces types de concasseurs. La clé pour réaliser son plein potentiel de performances réside dans la sélection correcte de la nuance d'alliage pour le type de roche spécifique et la fonction de concasseur, le respect des exigences de traitement thermique de la solution et une inspection rigoureuse de la qualité à l'arrivée qui vérifie à la fois la composition et l'adéquation du traitement thermique avant la mise en service des pièces moulées.