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

nabil.aichoun@orange.fr

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