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Abra-IngénierieLes aciers spéciaux face à l’usure par abrasion combinée
NABIL AICHOUN Consultant Expert en Métallurgie
Docteur Ingénieur – Ecole des Mines de Nancy
+33 (0)7 89 23 35 08
Solutions aciers “High Tech” anti-abrasion
L’usure est généralement définie comme une perte mécanique progressive de matière à la surface du matériau, fonction parfois des conditions de service :
Humidité ( corrosion modérée?)
T°C ( adoucissement ?)
Définition
usure
mécanique
conditions de service
Humiditée
T°C
Taux usure +
L’industrie minérale en générale fait appel à différentes solutions pour combattre l’usure par abrasion.
Produits synthétiques
caoutchouc naturel polyuréthane
Jusqu’à 80°C
Jusqu’à 1200°C*
pièces moulées **fontes (Cr,Mo)aciers (Cr,Mo)
rechargés dur **
céramique*
** 600 à 700 HB
Jusqu’à 450°C*
Solutions aciers *(produits plats)
* 300 à 550 HB
aciers conventionnels
(trempés eau)
concept alternatif
(aciers réactifs : CREUSABRO*)
T°C
Matériaux résistant à l’usure
acier (300 to 550 HB)
Matériau homogène
produit plat (résistance à l’usure + mise en œuvre)
Solutions pour l’usure par abrasion
Techniques Aciers
Sélectionner le bon matériau pour une application industrielle donnée sur la base d’un couple performance_coût optimal
Connaître les limites des matériaux utilisés et l’évolution de leurs propriétés en service
Proposer de nouveaux matériaux avec des propriétés données
Etude des différents types d’usure ?
Expertise abrasion
Principaux types d’usure
Impact
Abrasion usure tangentielle sous faible contrainte
usure tangentielle sous forte contrainte
Gouging haute vitesse
faible vitesse
Il est fréquent, d’être confronté à de l’abrasion combinée où l’usure tangentielle coexiste avec l’usure par impact …
Définition
L’usure par impact résulte de l’effet d’une charge de compression rapide et répétée.
Exemples
concasseurs, broyeurs
réseaux ferroviaires (points de croisements, etc.)
Usure par Impact
Définition
L’usure par abrasion est due au frottement de particules dures contre une surface de moindre dureté.
L’usure par abrasion se distincte sous les 2 formes suivantes :
Abrasion sous faible contrainte (glissement libre)
Abrasion sous forte contrainte (broyage)
Usure par abrasion
Définition
Ecoulement libre de petites particules abrasives le long d’une surface métallique (usure par frottement).
Exemples
Application typique : écoulement de sable sec (sous faible pression) le long d’une surface …
matériels agricoles
crible, tamis, classificateur, etc.
chutes
Abrasion sous faible contrainte (glissement libre)
Définition
Broyage sous forte contrainte, entre 2 surfaces, entrainant la fracture des particules abrasives :
arrêtes de coupe fraiches constamment régénérées
le taux d’usure par rapport à des particules rondes
Exemples
pulvérisateur, broyeur à boulets, matériels agricoles, contre lame pour chargeur frontal, etc.
Abrasion sous forte contrainte
Définition
Quand l’usure par abrasion est combinée à l’usure par impact de
particules massives (effet de masse).
Exemples
gouging abrasion à faible vitesse (godet, dragline)
gouging abrasion à haute vitesse (concassage, broyage)
Gouging Abrasion (effet combiné)
L’usure est fonction de différents paramètres
dureté, résistance, ductilité, durcissement superficiel
densité
forme (angulaire, ronde)
hauteur de chute
angle d’incidence
vitesse de déplacement
température
sec, humide (% humidité)
PH (acidité <7)
% de fines
type d’usure : Impact, glissement, érosion
tonnage manipulé par an
rythme de travail: continu, discontinu
Matière
abrasive
Données
physiques
Conditions
de service
Process
Le matériau universel n’existe pas !
Bien plus que la dureté, il est important de définir la résistance à l’usure …
Elaboration d’un acier résistant à l’abrasion
Résistance à l’abrasion
Résistance à la
fissuration
Conditions de service
Dureté
Dureté homogène
Résilience
Microstructure (fine & homogène)
Résistance à l’adoucissement
Résistance à la corrosion
Aptitude à la découpe thermique (oxy-gaz)
(sensibilité à la fissuration à froid)
Usinabilité (sensibilité à la fissuration à froid)
mise en forme(facile & fiable)
Soudabilité
Aussi important que la tenue à l’usure l’aptitudeà réaliser des pièces complexes
Mise en œuvre
Rôle des éléments chimiques
MOLYBDENE (0 - 0,5%)
+ trempabilité+ micro-carbures+ résistance à l’adoucissement
NICKEL (0 – 1%)+ trempabilité+ résilience
SULPHUR (< 0,007%)PHOSPHOR (< 0,020%)
- - usinabilité- - résilience
CARBONE (0,15 - 0,3%) +++ dureté- - - usinabilité- - résilience
CHROME (0 - 2%)+ trempabilité+ micro-carbures+ corrosion - résistance à l’adoucissement
- usinabilité
MANGANESE (1,2%)++ dureté - - usinabilité
+++ trempabilité
BORE (0,0025%) ++ trempabilité
Importance du traitement thermique
Trempe à l’air dureté basse microstructure fine
Trempe huile
taux de contraintes internes faible dureté modérée microstructure fine
Trempe eau
dureté élevéemicrostructure grossière (lamellaire)taux de contraintes internes
Aciers résistant à l’usure
Dureté
(C,Mn,B)
Trempe eau
Aciers Passifs
Analyse standard
Concept classique(Aciers TE)
+ (Cr,Mo,Ni)*
(*) fonction de l’épaisseur trempabilité (**) fonction de l’épaisseur
Résistance à l’usure mise en œuvre améliorée
Analyse contrôlée (**)
(C,Mn,B)
Vitesse de refroidissement contrôlée (**)
Aciers Réactifs
Concept alternatif
+ (Cr,Mo,Ni, Ti)
+ (Si : Austénite résiduelle)
MIS
E E
N O
EU
VR
E
400HB
600HB
500HB
DU
RE
TE
Solution Alternative
Solution alternative
Dureté (trempe huile)
(à l’état de livraison)
Effet Trip ( résiduelle)
(durcissement superficielle en service)
Micro carbures (Cr, Mo, Ti)
Résistance à
l’usure
Echelle de Mohs (dureté des minéraux)(parallèle avec la dureté de composés métalliques)
Matériaux de
référence
Feldspar
Carborindum
Talc 1
2
3
4
6
5
7
8
9
10
Gypsum
Calcite
Flourite
Apatite
Quartz
Topaz
Diamond
2000 HV
1620 HV
1280 HV
720 HV
500 HV
180 HV
110 HV
70 HV
20 HV
Carbures de titane (3000 HV)
Carbures molybdène (1800 HV)
Carbures de chrome (1500 HV)
> 9000 HV
Effet Trip (austénite résiduelle )
(Transformation Induite par Plasticité)
Durcissement superficiel (Surface Réactive)
Retard à l’arrachement des particules métalliques
(Super-Ductilité)
Procure 2 effets additionnels qui s’opposent à l’usure en
service :
Surface Réactive
* TE = trempé eau
Dureté atteinte en service après transformation plastique
540
500
470
État de livraison
HB
500 HB TE*
70HB
Résistance à l’usure Dureté Durcissement superficiel Micro Carbures
(Cr, Mo, Ti)
Résistance à l’usure Dureté
HB = +67HB
épaisseur affectée = 300µm
8 mm
crible pour broyeur : trous 8 mm (découpe laser)
abrasif : 0 – 40 mm
grille
400
450
500
550
600
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Distance (mm)
HB
Surface Réactive (durcissement superficiel)
300µm
+ 67HB
, 60mm
carrière de ballast
contre lame de godet
abrasif : 30 - 60 mm
Plaques de renfort ép 60 mm
400
450
500
550
600
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Distance (mm)
HB
HB = +70HB
épaisseur affectée = 1000µm
1000µm
+ 70HB
Surface Réactive (durcissement superficiel)
(*) TE = trempé eau
SUPER-DUCTILITE(retard à l’arrachement de microparticlues métalliques)
Acier TE*
Déformation plastique
CREUSABRO ®
Effet de durcissement
durcissement supplémentaire (+70HB)
retard à l’arrachement de microparticules métalliques
Microstructure
Trempé eau
Martensite Structure lamellaire (fragile) Absence de micro-carbures
X 3000
+ Austenite résiduelle (Martensite - Bainite) Microstructure fine Micro-carbures (Cr, Mo, Ti)
X 3000
Austenite résiduelle
CREUSABRO 4800 microstructure
Austenite résiduelle
(plages blanches)
(8 – 12%)
Résistance à l’adoucissement
état
initial
Hardness evolution at 450°C
200
250
300
350
400
450
500
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Holding Time [Hour]
[H
B]
Cr4800
Cr8000
H400
H500
350HB, 26%
321HB, 9%
270HB, 44%
241HB, 35%
480HB
477HB
366HB
374HB
600
500
400
300
1 2 2,5
Ep [mm]
HBCREUSABRO 8000
TE 500HB
470
540
ZAT - profile de dureté
Découpe Oxy-gaz (adoucissement)
HAZ
Cas des aciers TE
adoucissement sévère
ZAT plus largeadoucissement
Conditions de service difficiles
Registered
trademark(P) Patented Grade
(Ep = 15mm) (Ep = 15mm)Trempé eau 400 HB
Composition chimique
C 0,127 0,181
S 0,0016 0,0007
P 0,007 0,009
Si 0,452 0,303
Mn 1,355 1,447
Ni 0,036 0,552
Cr 0,028 1,413
Mo 0,005 0,166
B 0,0019 0,0002
+ Ti 0,12
Homogénéité de Dureté
Performances homogènes vitesse d’usure usinabilité
Dureté homogène
améliorer la résistance à l’usure tangentielle
(durté élevée des TiC 3000HV)
augmenter la résistance de la matrice de l’acier
(précipitation homogène de fines particules)
TiC
Bénéfice du Titane
X10 000
1 µm
TiC microcarbures (3000HV)
L’avantage des micro-carbures de titane est
fonction de la QUALITE de la précipitation et non
de la QUANTITE …
Valeurs moyennes
Garanties Typiques
Dureté (HB) 340/400 370
Rp 0,2 (MPa) 900
Rm (MPa) 1200
A (%) 12
KCV / -20°C (J/cm2)
30 40 - 45
Propriétés mécaniques
épaisseur (40mm)
préparation des bords de coupe
meulage
arrondir les angles
Les tests comparatifs ont montré que dans des conditions de service extrêmes la durée de vie
est supérieure de 45%
par rapport à un acier conventionnel 400HB TE
Field tests
Registered
trademark(P) Patented Grade
Conditions de service extrêmes
(Ep = 15mm) (Ep = 15mm)
Trempé eau 500 HB
Composition chimique
C 0,268 0,237
S 0,0012 0,0015
P 0,005 0,007
Si 0,256 0,752
Mn 1,031 1,154
Ni 0,044 0,536
Cr 0,889 0,713
Mo 0,009 0,237
B 0,0013 0,0028
0
10
20
30
40
50
60
70
80
-160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120
T [°C]
KC
V [
J]
45 J
35 J
Charpy V notch - Courbe de transitionCREUSABRO 8000
TE 500HB
Follow-up : October 2006
Soldering Light Body 793 – left side Wear plates CREUSABRO 8000 SS
CR8000; 15,20,22mm
Sossego Mine (CVRD)Sossego Mine – Para/BRAZIL
Copper ore moved by the dumper trayDumper tray load
CR8000; 30,50mm
CR4800, 90mm
Copper mine
ASSAREL / BULGARIA
Les tests comparatifs ont montré que dans des conditions de service extrêmes la durée de vie
est supérieure de 50%
par rapport à un acier conventionnel 500HB TE
Field tests
Quel choix retenir ?
Concept CREUSABRO®
Concept alternatif
Composition spécifique
Refroidissement controlé
Micro carbures (Cr,Mo,Ti)
Effet Trip
Equilibre parfait
tenue à l’usure améliorée
mise en œuvre améliorée
(solution pour applications complexes)
Concept TE
Concept standard
Composition de base
(C,Mn,B)
Trempe eau
structure martensitique
(dureté !)
tenue à l’usure
mise en œuvre
(solution pour applications standards)
Registered
trademark(P) Patented grade
Résistance aux chocs et à la fissuration
Bonne tenue à l’usure dans un environnement abrasif
Aptitude amélioré à l’oxy-coupage
(pas de pré-chauffage jusqu’à 100mm)
À mi-chemin
Aciers de structures T&R / Aciers abrasion(haute résilience)
Caractéristiques principales
Composition chimique
Propriétés mécaniques (valeurs typiques)
Propriétés
C Si P S Mn Ni Cr Mo V
≤ 0,16 ≤ 0,6 ≤ 0,015 ≤ 0,005 ≤ 1,6 ≤ 2,5 ≤ 0,1 ≤ 0,7 ≤ 0,07
Dureté [HB] Re [Mpa] Rm [Mpa] E [%] KCVL [J/Cm2]
340 980 1080 15 60 (-20°C)
Champ d’applications
Applications typiques : Pièces massives pour godets XXL lames d’attaques de fortes épaisseurs Pinces de Démolition
Nuance spécialisée dédiée aux pièces massives soumises à fortes charges en service