Que sont les pièces moulées à haute teneur en chrome et comment maximiser leur durée de vie ?

Qu'est-ce que la fonte à haute teneur en chrome et pourquoi résiste-t-elle à l'usure ?

Fonte à haute teneur en chrome est un alliage ferreux contenant 11 à 30 pour cent de chrome et 2,0 à 3,5 pour cent de carbone, le chrome et le carbone se combinant lors de la solidification pour former des carbures de chrome du type M7C3. Ces carbures ont une dureté Vickers de 1 400 à 1 800 HV, ce qui en fait l'une des phases les plus dures trouvées dans tous les matériaux d'ingénierie, à l'exception des céramiques de qualité outil. La matrice métallique environnante, généralement martensitique après traitement thermique approprié, offre une ténacité qui empêche la rupture fragile qui détruirait un matériau céramique dans les mêmes conditions d'impact.

La dureté globale d'une pièce moulée en fonte blanche à haute teneur en chrome traitée thermiquement est généralement de 58 à 66 HRC (échelle Rockwell C), contre 35 à 45 HRC pour l'acier à outils traité thermiquement et 180 à 220 HB pour la fonte grise standard utilisée dans les pièces moulées d'ingénierie générale. Cet avantage substantiel en matière de dureté se traduit directement par une résistance à l'usure par abrasion : lors du test d'abrasion selon le nombre Miller et du test sur roue en caoutchouc au sable sec ASTM G65, les fers blancs à haute teneur en chrome présentent systématiquement une perte de volume 3 à 10 fois inférieure à celle de la fonte grise standard et une perte de volume 2 à 5 fois inférieure à celle de l'acier trempé dans les mêmes conditions de test.

Le rôle de la teneur en chrome dans la performance à l'usure

La teneur en chrome de l'alliage détermine le type, la fraction volumique et la répartition des carbures formés lors de la solidification, ainsi que la résistance à la corrosion de la matrice métallique. Dans les alliages contenant 11 à 14 pour cent de chrome, la fraction volumique de carbure est relativement faible (15 à 20 pour cent) et la matrice est plus sensible à la corrosion dans les environnements de boues acides. À mesure que la teneur en chrome augmente jusqu'à 25 à 30 pour cent, la fraction volumique de carbure augmente jusqu'à 25 à 35 pour cent et la teneur en chrome de la matrice augmente jusqu'à un niveau qui offre une résistance significative à la corrosion dans des environnements modérément agressifs.

Les qualités de chrome de 25 à 28 pour cent, souvent désignées par Cr26 ou conformes à la spécification ASTM A532 Classe III Type A, sont les plus largement utilisées pour les applications combinées d'abrasion et de corrosion sévères dans les applications de boues minières, tandis que les qualités de chrome de 15 à 18 pour cent (Cr15, ASTM A532 Classe II Type E) offrent un bon équilibre entre dureté, ténacité et coût pour le service d'abrasion à sec dans les concasseurs et les broyeurs. La sélection de la qualité de chrome appropriée pour l'application spécifique est la première décision technique en matière de spécification pièces moulées à haute teneur en chrome , et il a un effet plus important sur la durée de vie que tout traitement thermique ou paramètre opérationnel ultérieur.

Allier des ajouts qui modifient les performances

Au-delà du chrome et du carbone, les compositions de fonte à haute teneur en chrome sont modifiées par plusieurs éléments d'alliage supplémentaires qui affinent la microstructure, améliorent la trempabilité ou renforcent les propriétés spécifiques :

• Molybdène (0,5 à 3,0 pour cent) : Améliore la trempabilité, garantissant que la transformation martensitique est complète dans toutes les sections épaisses pendant le traitement thermique de trempe à l'air ou à l'huile. Sans molybdène, les pièces moulées à section transversale épaisse peuvent retenir l'austénite dans le noyau, réduisant ainsi la dureté dans les régions qui subissent l'usure la plus profonde au fil du temps, à mesure que la surface s'use. Le molybdène est un ajout standard dans les pièces moulées pour les applications nécessitant une dureté constante sur toutes les sections dépassant 50 millimètres.
• Manganèse (0,5 à 1,5 pour cent) : Augmente la stabilité de l'austénite, ce qui peut être bénéfique pour contrôler le niveau d'austénite retenu à l'état brut de coulée avant le traitement thermique, mais un excès de manganèse déstabilise la formation de martensite pendant le traitement thermique et doit être maintenu dans la plage spécifiée pour la nuance cible.
• Nickel (0,5 à 1,5 pour cent) : Utilisé en combinaison avec du molybdène pour améliorer la trempabilité dans les nuances où le molybdène seul est insuffisant pour les sections très épaisses ou lorsque le coût du molybdène est contrôlé. Le nickel a un effet moindre sur la trempabilité par unité ajoutée que le molybdène mais est moins cher, ce qui rend la combinaison économiquement optimale pour de nombreux alliages de coulée commerciaux.
• Cuivre (0,5 à 1,2 pour cent) : Favorise la suppression de la perlite et améliore la dureté de la matrice dans certaines qualités de chrome inférieures. Les ajouts de cuivre sont plus courants dans les alliages Cr15 où la trempabilité du chrome seul peut être limite pour le durcissement à l'air d'épaisseurs de section moyennes.

Avantages de la fonte à haute teneur en chrome par rapport aux pièces moulées standard

Les avantages en termes de performances de la fonte à haute teneur en chrome par rapport aux pièces moulées standard en fonte grise, en fonte ductile et en acier au carbone utilisées dans les applications d'ingénierie générale sont clairement démontrées en comparant les données de taux d'usure spécifiques provenant d'essais de service et de tests de laboratoire standardisés dans les mêmes conditions d'application. La comparaison suivante aborde les principales catégories d'avantages qui déterminent la spécification des pièces moulées à haute teneur en chrome dans les applications d'usure industrielle.

Comparaison de la durée de vie des produits abrasifs

En service d'abrasion à haute contrainte avec des particules abrasives grossières et dures (granit, quartzite, minerai de fer et abrasifs de roche dure similaires avec une dureté Mohs supérieure à 6), les pièces moulées en fonte blanche à haute teneur en chrome atteignent régulièrement 3 à 8 fois la durée de vie des composants équivalents fabriqués à partir de fonte grise standard. Par rapport à l'acier au carbone moyen trempé (350 à 400 HB), l'avantage est généralement de 2 à 4 fois, en fonction de la dureté des particules abrasives et des conditions de contrainte. Dans le cas d'une abrasion à faible contrainte avec des particules abrasives fines et douces, l'avantage en termes de durée de vie est plus modeste, de l'ordre de 1,5 à 2,5 fois, car les particules les plus fines pénètrent moins efficacement dans la surface dure du carbure et l'avantage de la microstructure du carbure par rapport à une matrice de martensite dure est plus petit.

Lors d'un essai de service publié dans une application de concassage de calcaire, des barres de soufflage en fer à haute teneur en chrome Cr26 dans un concasseur à percussion à arbre horizontal ont atteint 850 tonnes métriques de calcaire par kilogramme d'usure de la barre de soufflage, contre 210 tonnes métriques par kilogramme pour des barres de soufflage en acier trempé de géométrie équivalente dans le même concasseur traitant la même alimentation. Cela représente un avantage de durée de vie 4 fois supérieur qui, après avoir pris en compte le coût unitaire plus élevé des pièces moulées à haute teneur en chrome, a produit une réduction de 60 pour cent du coût par tonne de produit broyé à partir du seul budget d'usure de la barre de soufflage.

Résistance combinée à l’abrasion et à la corrosion

Dans les applications de traitement humide où la boue abrasive entre en contact avec la surface d'usure, l'effet synergique de l'abrasion et de la corrosion simultanées accélère l'usure à un rythme supérieur à la somme des deux mécanismes agissant indépendamment. La couche passive d'oxyde de chrome qui se forme à la surface de la fonte à haute teneur en chrome (en particulier les nuances Cr26 avec une teneur en chrome matricielle dépassant 13 %) offre une protection significative contre la corrosion qui retarde cette accélération synergique, ce qui rend l'avantage combiné de la durée de vie par abrasion par corrosion de la fonte à haute teneur en chrome par rapport à l'acier au carbone non protégé nettement supérieur à l'avantage de l'abrasion à sec seul.

Dans les applications de boues minérales acides avec des valeurs de pH comprises entre 4 et 6, où la corrosion est un mécanisme d'usure important, les roues et les revêtements de pompe en fer à haute teneur en chrome Cr26 ont démontré des durées de vie 5 à 10 fois plus longues que leurs équivalents en acier au carbone, par rapport à l'avantage 2 à 4 fois observé dans les applications d'abrasion sèche avec une dureté de particules et des conditions d'impact similaires.

Tableau de comparaison de l'usure : qualités de matériaux en service abrasif

Pièces moulées à haute teneur en chrome pour broyeur : Applications de concasseur à percussion

Les concasseurs à percussion, y compris les impacteurs à arbre horizontal (HSI) et les impacteurs à arbre vertical (VSI), soumettent leurs composants d'usure à une combinaison particulièrement exigeante d'impact à grande vitesse et de glissement abrasif. Les principaux composants d'usure des concasseurs à percussion à arbre horizontal sont les barres de soufflage, les revêtements du tablier (également appelés plaques d'impact ou plaques de rupture) et les revêtements latéraux. Dans les impacteurs à arbre vertical, les principaux composants d’usure sont les patins du rotor, les enclumes et les revêtements des tubes d’alimentation. La fonte à haute teneur en chrome est la spécification de matériau standard pour tous ces composants dans les applications de concassage de roches moyennes et dures.

Barres de soufflage pour concasseurs à percussion à arbre horizontal

La barre de soufflage est le principal élément de concassage d'un impacteur à arbre horizontal, tournant avec le rotor à des vitesses de pointe de 25 à 45 mètres par seconde et frappant de manière répétée la roche nourricière à grande vitesse. La barre de soufflage doit résister à la fois à l'impact à haute énergie de la frappe initiale de la roche et au glissement abrasif ultérieur des fragments de roche brisée le long du front de taille de la barre à mesure que le matériau est accéléré à travers la chambre de concassage. Cette combinaison d'impact et d'abrasion nécessite un matériau qui offre à la fois une ténacité adéquate pour survivre aux charges d'impact sans rupture fragile et une dureté élevée pour résister à l'usure abrasive par glissement.

Le matériau optimal pour la barre de soufflage pour le calcaire, le grès et les matériaux d'alimentation similaires de dureté moyenne est généralement du fer à haute teneur en chrome Cr26 ou Cr20 avec une dureté traitée thermiquement de 60 à 65 HRC, qui offre la meilleure combinaison de durée de vie à l'usure et de résistance à la rupture dans ce service. Pour les matières premières plus dures et plus abrasives telles que le granite, le quartzite et le minerai de fer, la teneur en chrome peut être augmentée jusqu'à 28 à 30 pour cent, et du molybdène supplémentaire (1,5 à 2,5 pour cent) est utilisé pour assurer une transformation complète de la martensite sur toute l'épaisseur de la section de la barre de soufflage, généralement de 80 à 150 millimètres.

Pour les matériaux d'alimentation hautement abrasifs avec une teneur en silice supérieure à 60 pour cent (tels que le quartzite et le sable siliceux), des barres de soufflage composites avec un insert en fonte à haute teneur en chrome coulé dans un corps de support en fonte ductile ou en acier sont utilisées pour combiner la résistance à l'usure de la fonte à haute teneur en chrome sur le front de taille avec la ténacité de la fonte ductile ou de l'acier aux points de fixation, où la rupture fragile d'une section entièrement en fonte à haute teneur en chrome pourrait entraîner une perte catastrophique de la barre.

Doublures de tablier et doublures latérales

Les revêtements de tablier d'un impacteur à arbre horizontal forment les surfaces d'impact secondaires que les roches heurtent après avoir été projetées depuis le rotor. Ces revêtements subissent des impacts à plus faible vitesse que les battoirs, mais nécessitent néanmoins une dureté élevée pour résister à l'usure abrasive causée par le glissement des roches le long de leurs surfaces entre les impacts. Les revêtements en fer à haute teneur en chrome de qualité Cr15 ou Cr20 sont standard pour les applications de calcaire et de roche moyennement dure ; pour les roches plus dures, la nuance Cr26 peut être sélectionnée. Les revêtements latéraux, qui contiennent des matériaux à l'intérieur de la chambre de concassage et guident le produit broyé vers l'ouverture de décharge, subissent une usure par glissement principalement abrasive avec moins d'impact, et la qualité Cr15 est adéquate pour la plupart des applications de revêtement latéral, quelle que soit la dureté de la roche.

Composants du rotor VSI

Les impacteurs à arbre vertical fonctionnent en accélérant le matériau d'alimentation à travers un rotor à des vitesses de 45 à 75 mètres par seconde avant qu'il n'impacte un anneau d'enclumes environnant ou une plate-forme rocheuse. Les patins du rotor (les composants qui accélèrent le matériau à travers le rotor) et les enclumes (les cibles d'impact fixes) subissent un impact et une abrasion combinés extrêmement agressifs. Les patins de rotor VSI dans les applications de roches dures sont généralement de qualité Cr26 ou Cr28 avec une dureté de 63 à 66 HRC, et ils sont remplacés à des intervalles de 100 à 400 heures en fonction de la dureté de la roche et de l'indice d'abrasivité. La fréquence élevée de remplacement des pièces d'usure VSI rend les aspects économiques de la sélection des matériaux extrêmement sensibles au coût unitaire par heure de service, et le rapport qualité-prix des différentes qualités de fer à haute teneur en chrome et des matériaux concurrents est évalué sur la base du coût par tonne de produit traité plutôt que sur le seul prix unitaire.

Pièces moulées à haute teneur en chrome pour broyeur vertical

Les broyeurs verticaux (également appelés broyeurs verticaux à rouleaux ou VRM) broyent les matières premières, le clinker, les scories et le charbon en pressant et en roulant la matière première entre des rouleaux de broyage rotatifs et une table de broyage fixe ou rotative. Les pressions de contact entre le rouleau et la table dépassent 200 mégapascals dans les conceptions VRM modernes à haut rendement, et la combinaison d'une contrainte normale élevée, d'un glissement abrasif au niveau de la zone de contact du rouleau sur la table et des effets thermiques du meulage à grande vitesse génère parmi les conditions d'usure les plus sévères rencontrées par toute fonderie industrielle.

Pneus de rouleaux de meulage et segments de table

Le pneu du rouleau broyeur (la coque extérieure remplaçable du rouleau broyeur) et les segments de la table de broyage (les segments de revêtement résistants à l'usure boulonnés à la table de broyage) sont les principaux composants d'usure dans un broyeur vertical. Les deux composants sont généralement moulés à partir de fonte à haute teneur en chrome, la qualité spécifique étant sélectionnée en fonction du matériau à broyer et des paramètres de fonctionnement spécifiques de la conception VRM.

Pour le broyage de matières premières de ciment et de clinker, où une alimentation de dureté modérée (Mohs 3 à 5) est traitée à des débits élevés, la fonte à haute teneur en chrome de qualité Cr15 à Cr20 est standard pour les pneus à rouleaux et les segments de table, offrant des durées de vie de 8 000 à 15 000 heures de fonctionnement avant qu'un remplacement ne soit nécessaire. Pour le broyage des scories, où le laitier granulé de haut fourneau est nettement plus dur et plus abrasif que le clinker de ciment (dureté Mohs 6 à 7 pour certains types de scories), la qualité Cr26 est préférée et des durées de vie de 6 000 à 10 000 heures sont typiques en fonction des caractéristiques du laitier.

La taille des pneus à rouleaux et des segments de table VRM crée des défis de coulée importants, car les sections de 100 à 250 millimètres d'épaisseur doivent atteindre une dureté uniforme partout pour éviter l'usure accélérée qui se produit lorsqu'un noyau plus mou est exposé à mesure que la couche de surface dure initiale s'use. Cela nécessite une conception soignée de l'alliage avec une trempabilité adéquate (obtenue grâce à des ajouts de molybdène et de nickel comme décrit ci-dessus) et des procédures de traitement thermique contrôlées qui permettent d'obtenir la vitesse de refroidissement requise sur toute l'épaisseur de la section.

Éléments de broyage de broyeur à charbon

Les pulvérisateurs de charbon utilisés dans les centrales électriques broient le charbon en une poudre fine avant de l'injecter dans des fours de chaudière. Les éléments de broyage (revêtements de bol, coquilles de rouleaux et segments de table) dans les pulvérisateurs de charbon fonctionnent dans un environnement d'abrasion simultanée due au charbon et aux inclusions minérales, de cycle thermique dû à l'air chaud utilisé pour sécher le charbon pendant le broyage et de risque potentiel d'inflammation explosive dû à l'accumulation de poussière de charbon. La fonte à haute teneur en chrome est le matériau d'élément de broyage standard pour tous les principaux modèles de broyeurs à bols et à rouleaux utilisés dans la production d'électricité, la qualité Cr15 étant la plus courante et la qualité Cr26 utilisée pour les charbons hautement abrasifs à haute teneur en matière minérale (teneur en cendres supérieure à 20 pour cent).

Résumé de l'application VRM par matériau broyé

Comment améliorer la résistance à l'usure des pièces moulées à haute teneur en chrome

La résistance à l’usure des pièces moulées à haute teneur en chrome n’est pas une propriété fixe déterminée uniquement par la chimie. C'est le résultat de l'ensemble du processus de production, depuis la conception de l'alliage jusqu'à la fusion, la solidification et le traitement thermique, et il peut être considérablement amélioré grâce à des interventions ciblées à chaque étape. Comprendre quelles variables ont le plus grand effet sur les performances d'usure permet aux fonderies et aux utilisateurs finaux d'apporter des améliorations bien ciblées plutôt que d'appliquer des améliorations de qualité générales qui ne répondent pas au facteur limitant spécifique de leur application.

Traitement thermique : la variable la plus impactante

Le traitement thermique des pièces moulées en fonte blanche à haute teneur en chrome est la seule étape de production ayant le plus grand effet sur la résistance à l'usure finale de la pièce moulée. Le but du traitement thermique est de transformer la matrice métallique de son état de coulée (un mélange d'austénite, de carbures et souvent de perlite ou de martensite en fonction de l'alliage et de la vitesse de refroidissement) à un état entièrement martensitique qui fournit à la fois une dureté maximale et la ténacité nécessaire pour résister à la rupture sous charge d'impact.

Le cycle standard de traitement thermique de la fonte blanche à haute teneur en chrome comprend deux étapes :

1. Traitement de déstabilisation (austénitisant) : La pièce moulée est chauffée à une température comprise entre 950 et 1 060 degrés Celsius (la température précise dépendant de la qualité de l'alliage et de l'objectif de dissolution du carbure) et maintenue à cette température pendant une période de 2 à 6 heures en fonction de l'épaisseur de la section. Au cours de ce maintien, les carbures secondaires précipités lors de la solidification sont partiellement dissous dans la matrice austénitique, enrichissant la matrice en chrome et en carbone et garantissant des conditions de départ uniformes pour l'étape de durcissement ultérieure. La température de déstabilisation doit être contrôlée avec précision à plus ou moins 10 degrés Celsius pour éviter une sous-dissolution des carbures secondaires (ce qui laisse la matrice trop pauvre pour une trempabilité complète) ou une surdissolution des carbures primaires (ce qui grossit la structure du carbure et réduit la résistance à l'usure).
2. Trempe à l'air ou à l'huile : Après le maintien de déstabilisation, la pièce coulée est transférée rapidement vers le milieu de trempe. La trempe à l'air (refroidissement à air forcé) est suffisante pour la plupart des alliages avec des ajouts de trempabilité adéquats (molybdène supérieur à 1,5 pour cent pour les sections jusqu'à 100 millimètres) ; La trempe à l'huile est utilisée pour les alliages à faible trempabilité ou pour les sections très épaisses où le refroidissement à l'air est trop lent pour supprimer la formation de perlite. L'objectif est de refroidir à la température du nez de perlite (environ 550 à 650 degrés Celsius) assez rapidement pour supprimer la transformation perlitique et obtenir une matrice entièrement martensitique, tout en refroidissant assez lentement à la température de finition de la martensite (inférieure à 200 degrés Celsius) pour éviter les fissures de trempe dues aux contraintes thermiques.

Après le traitement de durcissement, un revenu de détente à 200 à 260 degrés Celsius pendant 2 à 4 heures est appliqué pour réduire les contraintes internes développées lors du refroidissement rapide, améliorant ainsi la résistance à la rupture sans réduire de manière significative la dureté de la matrice.

Raffinement de la microstructure pendant la solidification

La taille et la répartition du carbure obtenues lors de la solidification fixent la limite supérieure de résistance à l'usure que même un traitement thermique parfait ne peut dépasser. Les carbures grossiers et mal répartis constituent une barrière moins efficace contre l'usure abrasive que les carbures fins uniformément répartis de la même fraction volumique totale, car les carbures grossiers permettent aux particules abrasives plus grosses de trouver le matériau de matrice entre les carbures à couper, tandis que les carbures fins présentent une surface dure efficacement uniforme à l'abrasif.

Le raffinement du carbure peut être obtenu grâce à :

• Température de coulée contrôlée : La coulée à la température la plus basse acceptable pour un remplissage complet du moule (généralement 1 350 à 1 420 degrés Celsius pour le fer à haute teneur en chrome) augmente le sous-refroidissement pendant la solidification, ce qui favorise une nucléation plus fine du carbure et une taille finale du carbure plus fine. Une température de coulée excessive grossit la microstructure de solidification et produit des carbures primaires plus gros.
• Vaccination : De petits ajouts de titane (0,05 à 0,1 pour cent), de vanadium (0,1 à 0,3 pour cent) ou d'autres éléments formant du carbure fournissent des sites de nucléation supplémentaires pour la formation de carbure pendant la solidification, produisant une distribution de carbure plus fine et plus uniforme. L'amélioration de la résistance à l'usure due à l'inoculation seule (sans autres changements) a été quantifiée entre 10 et 20 pour cent lors d'essais d'usure en laboratoire comparant des chaleurs inoculées et non inoculées de même composition nominale.
• Taux de solidification contrôlé : Une solidification plus rapide produit des carbures plus fins. Pour les pièces moulées de petite à moyenne taille, l'utilisation de refroidisseurs métalliques au niveau des surfaces de travail du moule augmente la vitesse de refroidissement sur ces surfaces, produisant des carbures plus fins dans les zones qui subissent le plus d'usure en service.

Gestion de l'austénite conservée

Après un traitement thermique standard, la plupart des pièces moulées en fonte blanche à haute teneur en chrome contiennent 5 à 20 pour cent d'austénite retenue dans la matrice, en fonction de la composition de l'alliage et des paramètres du traitement thermique. L'austénite retenue est une phase plus molle (environ 300 à 400 HV) que la martensite (800 à 1 000 HV), et des niveaux élevés d'austénite retenue réduisent la dureté de la matrice et la résistance à l'usure abrasive de la pièce moulée. Dans les applications où une résistance maximale à l'usure abrasive est requise et où la charge d'impact est modeste, la teneur en austénite retenue doit être minimisée à moins de 10 pour cent grâce à l'une des approches suivantes : traitement cryogénique entre moins 70 et moins 196 degrés Celsius après le traitement thermique normal, sous-refroidissement à des températures inférieures à la température de finition de la martensite, ou ajustement de la composition pour abaisser la température de départ de la martensite.

Dans les applications soumises à des charges d'impact importantes, un certain niveau d'austénite retenue (10 à 20 %) est bénéfique car il offre une résistance aux fissures qui empêche les microfissures provoquées par l'impact de se propager à travers la pièce moulée. Le niveau optimal d'austénite retenu est donc spécifique à l'application et représente un compromis entre résistance à l'usure et ténacité qui doit être résolu en fonction du mode de défaillance dominant dans l'environnement de service spécifique.

Comment entretenir des pièces moulées à haute teneur en chrome pour une longue durée de vie

La maintenance des pièces moulées à haute teneur en chrome dans les applications de concasseurs et de broyeurs englobe à la fois les pratiques opérationnelles qui préservent l'intégrité des pièces d'usure installées et les pratiques de planification de surveillance et de remplacement qui maximisent la durée de vie utile totale de chaque pièce sans encourir les pertes de production et les dommages mécaniques qui se produisent lorsque les pièces sont usées au-delà de leur limite de service avant leur remplacement. Le cadre de maintenance suivant aborde les deux dimensions.

Pratiques opérationnelles qui préservent l’intégrité du casting

La façon dont un concasseur ou un broyeur est utilisé a un effet direct sur le taux d'usure et l'incidence de fracture de ses pièces moulées à haute teneur en chrome, et la discipline opérationnelle autour des pratiques suivantes produit des améliorations mesurables dans la durée de vie des pièces coulées :

• Contrôlez les traces de métal et les matériaux non broyables dans l'alimentation : Les barres de renfort en acier, les dents d'excavatrice et autres métaux présents dans l'alimentation du concasseur créent des événements d'impact extrêmes qui peuvent briser les barres de soufflage en fer à haute teneur en chrome, les revêtements de tablier et les patins VSI, même si le niveau d'impact de fonctionnement normal se situe dans la plage de ténacité du matériau. Installer et maintenir une détection efficace des traces de métaux (généralement des détecteurs de métaux et des systèmes magnétiques adaptés au type de matériau) en amont de tous les concasseurs à percussion traitant des flux d'alimentation mixtes ou dérivés de démolition.
• Contrôler la taille et la vitesse d'alimentation : Une alimentation surdimensionnée dans un concasseur à percussion crée des événements d'impact plus importants que prévu qui accélèrent l'usure et augmentent le risque de fracture. Maintenir les tamis de scalpage et de calibrage du pré-broyeur en bon état de fonctionnement pour garantir que l'alimentation du broyeur est conforme aux spécifications de taille d'alimentation nominale pour lesquelles les barres de soufflage et les revêtements ont été conçus. Les pics de vitesse d'alimentation qui amènent le rotor à impacter des accumulations massives de matériaux plutôt que des particules individuelles augmentent de la même manière les charges d'impact maximales ; utiliser des systèmes d'alimentation contrôlés (alimentateurs à bande avec contrôle de vitesse plutôt que trémies tampons à décharge incontrôlée) pour maintenir un débit d'alimentation constant.
• Maintenez les paramètres corrects de vitesse du rotor et d’écartement : Dans les concasseurs à percussion, la vitesse du rotor détermine l'énergie cinétique de chaque barre de soufflage lors de l'impact sur la roche et constitue la principale variable de fonctionnement affectant à la fois le taux de production et le taux d'usure. Le fonctionnement à la vitesse de rotor minimale permettant d'atteindre les spécifications de taille de produit requises minimise le taux d'usure par tonne ; fonctionner à une vitesse plus élevée que nécessaire augmente la consommation d’énergie et accélère l’usure sans améliorer la qualité du produit. Vérifiez que les paramètres d'espacement du tablier sont conformes aux spécifications ; des espaces trop serrés augmentent la probabilité que de gros fragments se coincent entre le rotor et le tablier, créant des événements d'impact susceptibles de briser simultanément les barres de soufflage et les tabliers.
• Faites pivoter les barres de soufflage à intervalles corrects : Les concasseurs à percussion à arbre horizontal sont conçus de telle sorte que les barres de soufflage peuvent être tournées de 180 degrés ou repositionnées du bord d'attaque au bord de fuite lorsqu'un côté est usé jusqu'à la limite de rotation. La rotation au bon point égalise l'usure entre les deux surfaces de travail de chaque barre de soufflage, doublant ainsi le volume d'usure total extrait de chaque barre par rapport au fonctionnement pour compléter l'usure sur une face avant la rotation. Une rotation retardée entraîne une usure inégale qui réduit le volume d'usure utilisable et peut créer un déséquilibre du rotor qui augmente les charges et les vibrations des roulements.

Calendrier d’inspection et de mesure d’usure

La mesure systématique de la profondeur d'usure du moulage à intervalles réguliers constitue la base d'une planification efficace du remplacement. Sans données quantitatives sur l'usure, les décisions de remplacement sont basées uniquement sur une évaluation visuelle, ce qui a tendance à entraîner soit un remplacement prématuré des pièces ayant une durée de vie restante (entraînant un coût inutile des pièces), soit un remplacement retardé des pièces usées en dessous de leur limite de fonctionnement sûre (risquant d'endommager mécaniquement l'équipement hôte).

Établissez une routine de mesure de l'usure à l'aide de compas à coulisse ou de jauges d'épaisseur à ultrasons qui mesurent la profondeur d'usure à des points de référence définis sur chaque pièce moulée à intervalles d'inspection réguliers (généralement toutes les 250 à 500 heures de fonctionnement pour les pièces d'usure du concasseur fortement chargées et toutes les 500 à 1 000 heures pour les éléments de broyage VRM). Enregistrez ces mesures dans une feuille de calcul de suivi et tracez l’usure cumulée en fonction des heures de fonctionnement. La courbe de taux d'usure qui en résulte permet de prédire la durée de vie restante à n'importe quel point d'inspection, permettant ainsi de planifier le remplacement planifié pendant une fenêtre de maintenance pratique plutôt que de répondre à une panne d'urgence provoquée par une pièce usée.

Réparation par soudage de pièces moulées à haute teneur en chrome

La fonte blanche à haute teneur en chrome est difficile à souder par les méthodes conventionnelles en raison de sa fragilité et de son équivalent en carbone élevé, qui favorisent la fissuration à la fois dans le dépôt de soudure et dans la zone affectée thermiquement adjacente à la soudure. Cependant, un revêtement de soudure à rechargement dur utilisant des électrodes de rechargement dur en carbure de chrome ou un fil fourré approprié peut être utilisé pour restaurer les surfaces usées des pièces moulées à section épaisse in situ, prolongeant ainsi la durée de vie sans le coût du remplacement complet des pièces. Les principales exigences pour un rechargement dur réussi des pièces moulées en fonte à haute teneur en chrome sont :

• Préchauffer à 400 à 500 degrés Celsius avant le soudage pour réduire le gradient thermique entre le bain de soudure et le matériau de coulée à froid environnant, qui est le principal moteur de la fissuration de la zone affectée par la chaleur dans les fers à haute teneur en carbone et en chrome.
• Utiliser des consommables de rechargement dur en carbure de chrome (pas d'électrodes à usage général ou en acier inoxydable austénitique) qui produisent un dépôt avec des propriétés d'usure comparables à celles du matériau de coulée de base. Un dépôt provenant d’une électrode inadaptée, plus molle que le matériau de base environnant, s’usera préférentiellement, annulant ainsi l’objectif de la réparation.
• Contrôler la température entre les passes et permettre un refroidissement lent et contrôlé après le soudage en enveloppant la pièce dans des couvertures isolantes, afin de minimiser les contraintes thermiques pendant le refroidissement qui provoquent une fissuration retardée dans les pièces moulées à section épaisse.

Les pièces moulées à haute teneur en chrome représentent une solution techniquement mature et économiquement prouvée au défi de l'usure dans les applications industrielles les plus exigeantes. La combinaison de la sélection de la qualité de chrome appropriée pour les conditions d'abrasif et d'impact spécifiques, de la spécification des paramètres de traitement thermique corrects pour maximiser la dureté et la ténacité de la matrice, de l'application des meilleures pratiques opérationnelles pour préserver l'intégrité de la coulée en service et de la mise en œuvre d'une mesure systématique de l'usure et d'une planification de remplacement permet d'obtenir le coût total de possession le plus bas pour les pièces d'usure à haute teneur en chrome pendant toute la durée de vie des équipements de concassage et de broyage.

Contrôle qualité dans la production de pièces moulées à haute teneur en chrome

La constance des performances des pièces moulées à haute teneur en chrome en service dépend de la rigueur du contrôle qualité appliqué tout au long de leur production. Contrairement aux produits en acier de base dont les gammes de composition et de propriétés mécaniques sont étroitement régies par des normes largement adoptées, les pièces moulées en fonte blanche à haute teneur en chrome sont fréquemment produites selon des spécifications exclusives ou spécifiques à une application où les contrôles de qualité de production appliqués par la fonderie constituent la principale garantie de performances constantes. Comprendre quels contrôles de qualité doivent être spécifiés et vérifiés lors de l'achat de pièces moulées à haute teneur en chrome permet aux acheteurs de distinguer les sources fiables de celles produisant des produits incohérents.

Vérification de la composition chimique

Chaque chaleur de fer à haute teneur en chrome doit être analysé avant coulée par spectrométrie d'émission optique (OES) sur un échantillon prélevé à la poche ou au four. L'analyse doit confirmer que tous les éléments d'alliage spécifiés (chrome, carbone, molybdène, nickel et silicium) se situent dans la plage de composition cible avant que la chaleur ne soit versée dans les moules. Les températures hors spécifications doivent être corrigées par des ajouts d'alliage avant la coulée ; verser une chaleur hors spécifications dans l'espoir qu'elle sera acceptable représente un risque de qualité important car les conséquences d'une composition incorrecte sur les performances d'usure et la réponse au traitement thermique peuvent ne pas être apparentes tant que les pièces ne sont pas installées en service.

Les acheteurs devraient exiger des certificats d'essai en usine (MTC) montrant l'analyse réelle en poche pour chaque lot de production, plutôt que d'accepter des certificats de qualité générique qui confirment la conformité à une spécification standard sans indiquer la composition réelle des pièces spécifiques fournies. La comparaison des données MTC sur plusieurs commandes permet d'identifier les tendances de variation de composition avant qu'elles n'affectent les performances du service, et fournit les données nécessaires pour corréler les variations de composition avec les différences observées dans la durée de vie entre les lots.

Test de dureté après traitement thermique

Chaque fer à haute teneur en chrome casting La dureté Rockwell doit être testée après traitement thermique pour vérifier que la dureté requise a été atteinte dans toute la zone de mesure prévue. Pour la plupart des pièces d'usure des concasseurs et des broyeurs, la plage de dureté spécifiée est de 58 à 66 HRC selon la qualité de l'alliage et l'application. Les tests de dureté doivent être effectués à au moins trois endroits par pièce moulée : deux positions opposées de la surface de travail et une position du bord. Une pièce moulée qui présente une dureté acceptable sur la surface de travail mais une dureté nettement inférieure aux positions des bords indique une transformation martensitique incomplète dans les régions de vitesse de refroidissement inférieure pendant la trempe, ce qui peut produire une usure préférentielle à ces positions en service.

Pour les pièces moulées de grande taille où la variation de l'épaisseur de la section peut affecter la répartition de la dureté à travers l'épaisseur, des tests de dureté transversale destructifs sur des échantillons découpés à partir de positions représentatives de prototypes ou de pièces moulées de premier article établissent le gradient de dureté à travers la section et vérifient que le traitement thermique atteint la dureté minimale requise à toutes les profondeurs qui seront exposées pendant toute la durée de vie de la pièce. Ces tests sont particulièrement importants pour les pneus des rouleaux de meulage VRM et les segments de table dont les sections dépassent 100 millimètres, où la dureté du noyau après le traitement thermique est essentielle à la performance à mesure que la surface s'use et qu'un matériau plus profond devient la surface de travail au fil du temps.

Contrôle dimensionnel et qualité de surface

La conformité dimensionnelle au dessin spécifié est vérifiée par la mesure de toutes les dimensions critiques à l'aide de jauges et de gabarits calibrés. Pour les pièces moulées qui sont usinées après traitement thermique (telles que les roues de pompe, les segments d'anneaux de meulage et les plaques d'usure de précision), la mesure dimensionnelle après l'usinage final confirme que l'usinage a atteint la précision dimensionnelle et la finition de surface requises. Pour les pièces moulées utilisées telles quelles ou comme sol, les contrôles dimensionnels se concentrent sur les surfaces de montage et de contact qui déterminent l'ajustement et l'alignement corrects dans l'équipement hôte.

L'inspection de la qualité de surface couvre à la fois l'apparence visuelle de la surface de coulée et les tests non destructifs pour détecter les défauts souterrains dans les applications critiques. L'inspection visuelle identifie la porosité de retrait par rupture de surface, les fermetures à froid, les déchirures à chaud et la rugosité de surface importante qui indiquent des problèmes de qualité de coulée. Pour les applications à conséquences élevées telles que les grands patins de rotor VSI, les éléments de meulage VRM et les composants des machines de processus critiques, les tests par ressuage ou les tests par particules magnétiques sur les surfaces accessibles fournissent une certitude supplémentaire qu'aucune fissure de rupture de surface n'est présente avant que les pièces ne soient installées en service. Les fissures dans les pièces moulées en fonte à haute teneur en chrome ne s'auto-arrêtent pas comme elles le pourraient dans les matériaux ductiles ; une fissure superficielle sur une pièce d'usure d'un concasseur à percussion fortement chargée peut se propager rapidement jusqu'à une fracture catastrophique sous les charges de fonctionnement, ce qui fait de la détection des fissures avant mise en service un investissement significatif en termes de sécurité et de fiabilité de la production.