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EP0838288A1 - Pièce d'usure composite - Google Patents

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EP0838288A1
EP0838288A1 EP96202741A EP96202741A EP0838288A1 EP 0838288 A1 EP0838288 A1 EP 0838288A1 EP 96202741 A EP96202741 A EP 96202741A EP 96202741 A EP96202741 A EP 96202741A EP 0838288 A1 EP0838288 A1 EP 0838288A1
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EP
European Patent Office
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inserts
ceramic
wear resistant
zro2
al2o3
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP96202741A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Hubert Francois
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Individual
Original Assignee
Individual
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B02—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING; PREPARATORY TREATMENT OF GRAIN FOR MILLING
    • B02C—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING IN GENERAL; MILLING GRAIN
    • B02C15/00—Disintegrating by milling members in the form of rollers or balls co-operating with rings or discs
    • B02C15/004—Shape or construction of rollers or balls
    • B02C15/005—Rollers or balls of composite construction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B02—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING; PREPARATORY TREATMENT OF GRAIN FOR MILLING
    • B02C—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING IN GENERAL; MILLING GRAIN
    • B02C13/00—Disintegrating by mills having rotary beater elements ; Hammer mills
    • B02C13/26—Details
    • B02C13/28—Shape or construction of beater elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/02—Casting in, on, or around objects which form part of the product for making reinforced articles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/06—Casting in, on, or around objects which form part of the product for manufacturing or repairing tools
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/08—Casting in, on, or around objects which form part of the product for building-up linings or coverings, e.g. of anti-frictional metal

Definitions

  • the present invention relates to a composite wear part produced by casting and made up of a metal matrix, the wear surface has inserts with good resistance to wear.
  • the invention relates in particular to wearing parts used in crushing, crushing and transport facilities various abrasive materials found in industries such as cement plants, mines, metallurgy, power plants or various careers. These parts are often subjected to high mechanical stresses in the mass and high wear by abrasion to their working surface. It is therefore desirable that these parts have a high resistance to abrasion and a certain ductility to be able to withstand mechanical stresses such as shocks and to possibly be machined.
  • the ceramic cake can be formed in pouring into a suitable mold grains of ceramic material and then a liquid glue with good fluidity, for example a resin liquid which, after hardening, retains the grains to form the ceramic structure.
  • a liquid glue with good fluidity for example a resin liquid which, after hardening, retains the grains to form the ceramic structure.
  • the ceramic material can be made aluminum oxide or zirconium oxide.
  • This known technique is however limited to the molding of precision of relatively small parts and where compatibility between the metal matrix and the ceramic structure, especially in terms of thermal behavior, hardly poses any problems since when casting metal the mold and the ceramic structure are preheated and the part does not undergo subsequent heat treatment.
  • the technique is, moreover, limited to the production of specific parts with specific requirements determined for hardness and toughness, as well as for parts sold at a very high price because the lost wax molding process is itself very expensive.
  • the object of the present invention is to provide a wearing part composite with ceramic inserts meeting, so satisfies the requirements listed above.
  • the invention provides a composite wear part produced by conventional or centrifugal casting and consisting of a metal matrix, the wear surface of which includes inserts having good wear resistance, characterized in that the inserts are ceramic parts, themselves composite, consisting of 20 to 80% of Al 2 O 3 and 80 to 20% of ZrO 2 , the percentages being expressed by weight of the constituents.
  • the inserts may, in addition, contain other oxides, the proportion by weight does not exceed 3 to 4%.
  • the inserts consist of an agglomerate of ceramic grains composites preferably having a particle size included in the range F6 to F20 of the FEPA standard, i.e. a diameter included between approximately 1.5 mm and 5.5 mm. These grains can be made by electrofusion, sintering, thermal spraying or any other process merging the two constituents.
  • the invention is based on the observation that aluminum oxide (corundum) and zirconium oxide have different properties, which allows, by a judicious choice in the aforementioned ranges, to adjust the hardness, toughness and the coefficient of thermal expansion of the ceramic composite so as to obtain good hardness and good toughness and to make it compatible with the precise application for which the part is intended, on the one hand, and to obtain, on the other hand, a coefficient of expansion of the ceramic composite which is close to that of the chosen casting metal, that is to say of cast iron or steel having a coefficient of expansion of between 10.10 -6 and 11.10 -6 .
  • Zirconium oxide has the advantage of having a coefficient of expansion which is close to that of metal. In addition, it contributes to good toughness, that is to say it reduces the risk of breakage.
  • Aluminum oxide on the other hand, contributes to good hardness. These composirts are known to have good toughness.
  • the zirconia particles present in alumina make it possible, by well-known mechanisms, to increase the resistance to cracking of the latter and thus to obtain a toughness greater than that of each component considered in isolation, namely ZrO 2 or Al 2 O 3 .
  • the choice of the proportions of the constituents of the ceramic insert composite can, of course, also take into account the composition of the casting metal in view of the properties required the application for which the part is intended. Similarly, the choice of composition of the casting metal can be adapted to the nature of the composite insert.
  • Example 1 manufacture of an axis crusher ejector vertical.
  • a mixture of 75% Al 2 O 3 and 25% ZrO 2 is formed, the two constituents of which are fused by electrofusion to form grains with a particle size included in categories F6 to F20 of the FEPA standard. These grains are then poured into a mold of suitable shape with a liquid resin which, after hardening, retains the grains together to form the ceramic wafer which must constitute the insert of the wear part. These inserts are placed in a suitable mold into which a liquid metal is poured comprising 3% carbon, 26% chromium and other traditional elements in small proportion which are always encountered in alloys of this type. A wear part is thus produced with ceramic inserts with a hardness of the order of 1600 Hv with a coefficient of expansion close to 8.10 -6 , maintained in a cast iron matrix with a hardness close to 750 Hv.
  • Example 2 manufacture of a crusher rotor.
  • An insert is prepared as in Example 1 but by choosing, this time, a ceramic composition which favors the coefficient of expansion at the expense of hardness, more precisely 40% of ZrO 2 and 60% of Al 2 O 3 . This produces an insert with a hardness of around 1,350 Hv with a coefficient of expansion close to 9.10 -6 .
  • the goal here is to reduce the risk of cracks in the room because of the high impact level to which this type of part is subjected.
  • the metallic matrix will consist of a manganese steel with a composition of 1% carbon, 14% manganese and 1.5% molybdenum.

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

La pièce qui est réalisée par coulée est constituée d'une matrice métallique dont la surface d'usure comporte des inserts ayant une bonne résistance à l'usure. Ces inserts sont des pièces céramiques, elles-mêmes composites, constituées de 20% à 80% de Al2O3 et 80 à 20% de ZrO2, les pourcentages étant exprimés en poids des constituants.

Description

La présente invention concerne une pièce d'usure composite réalisée par coulée et constituée d'une matrice métallique dont la surface d'usure comporte des inserts ayant une bonne résistance à l'usure.
L'invention concerne notamment des pièces d'usure utilisées dans des installations de broyage, de concassage et de transport de matières abrasives diverses que l'on rencontre dans les industries telles que cimenteries, mines, métallurgie, centrales électriques ou carrières diverses. Ces pièces sont souvent soumises à des sollicitations mécaniques élevées dans la masse et à une forte usure par abrasion à leur surface travaillante. Il est dès lors souhaitable que ces pièces présentent une forte résistance à l'abrasion et une certaine ductilité pour pouvoir résister aux sollicitations mécaniques telles que des chocs et pour pouvoir éventuellement être usinées.
Étant donné que ces deux propriétés sont difficilement conciliables entre elles dans la même matière, on a déjà proposé des pièces composites ayant un noyau en alliage relativement ductile dans la surface duquel sont noyés des inserts isolés ayant une bonne résistance à l'usure.
Le document EP-0 476 496 propose cette technique pour la réalisation de galets de broyage dont la surface est garnie d'inserts en fonte au chrome.
Sachant que les matières céramiques ont des bonnes propriétés à l'abrasion, il est également connu d'utiliser ces matériaux pour améliorer la résistance à l'abrasion de pièces d'usure. Le document EP-0 575 685 propose l'utilisation de matières céramiques dans un moulage de précision de petites pièces d'usure, mais ici, on ne peut pas parler d'inserts proprement dits tels que définis dans le document précité. Selon ce document, on forme d'abord une galette céramique de structure spongieuse présentant un réseau tridimensionnel de pores ouverts communiquant tous entre eux, donc une sorte d'éponge céramique. Sur cette structure, on coule ensuite le métal en fusion qui remplit les pores et forme, après solidification, la matrice métallique de la pièce composite. La galette céramique peut être formée en versant dans un moule approprié des grains de matières céramiques et ensuite, une colle liquide d'une bonne fluidité, par exemple une résine liquide qui, après durcissement, retient les grains pour former la structure céramique. La matière céramique peut être constituée d'oxyde d'aluminium ou d'oxyde de zirconium.
Cette technique connue se limite toutefois aux moulages de précision de pièces de dimensions relativement petites et ou la compatibilité entre la matrice métallique et la structure céramique, notamment en terme de comportement thermique, ne pose guère de problèmes étant donné que, lors de la coulée du métal, le moule et la structure céramique sont préchauffés et que la pièce ne subit pas de traitement thermique ultérieur. La technique est, en outre, limitée à la réalisation de pièces particulières avec des exigences bien déterminées quant à la dureté et la ténacité, ainsi qu' à des pièces vendues à un prix très élevé car le procédé de moulage en cire perdue est lui-même très coûteux.
C'est la raison pour laquelle cette technique n'est pas transposable telle quelle à la fabrication de pièces d'usure à inserts de dimensions plus élevées pour les diverses applications précitées, notamment parce que, en général, il n 'est pas possible ou difficile de préchauffer le moule et les inserts lors de la coulée et que la pièce subit généralement un traitement thermique ultérieur. Il faut donc qu'il y ait une certaine compatibilité du point de vue comportement thermique entre la matière céramique et le métal pour éviter des fissurations dues aux chocs thermiques lors de la coulée du métal liquide sur les inserts céramiques et celles pouvant être engendrées lors du traitement thermique ultérieur et occasionnées par les coefficients de dilatation différents de ces deux matériaux.
Il faut, par ailleurs, pouvoir adapter les propriétés mécaniques de la matière céramique à celle du métal afin de réaliser une pièce dont les propriétés mécaniques répondent aux exigences de l'application particulière à laquelle elle est destinée.
Le but de la présente invention est de prévoir une pièce d'usure composite avec des inserts céramiques répondant, de façon satisfaisante, aux exigences énumérées ci-dessus.
Pour atteindre cet objectif, l'invention propose une pièce d'usure composite réalisée par coulée classique ou centrifuge et constituée d'une matrice métallique dont la surface d'usure comporte des inserts ayant une bonne résistance à l'usure, caractérisée en ce que les inserts sont des pièces céramiques, elles mêmes composites, constituées de 20 à 80% de Al2O3 et 80 à 20% de ZrO2, les pourcentages étant exprimés en poids des constituants.
Les inserts peuvent, en outre, contenir d'autres oxydes dont la proportion en poids n'excède pas 3 à 4%.
Les inserts sont constitués d'un agglomérat de grains céramiques composites ayant, de préférence, une granulométrie comprise dans la gamme F6 à F20 de la norme FEPA, c'est-à-dire un diamètre compris entre environ 1,5 mm et 5,5 mm. Ces grains peuvent être fabriqués par électrofusion, frittage, projection thermique ou tout autre procédé fusionnant les deux constituants.
L'invention repose sur la constatation que l'oxyde d'aluminium (corindon) et l'oxyde de zirconium ont des propriétés différentes, ce qui permet, par un choix judicieux dans la fourchettes précitées, d'ajuster la dureté, la ténacité et le coefficient de dilatation thermique du composite céramique de façon à aller une bonne dureté et une bonne ténacité et le rendre compatible avec l'application précise à laquelle la pièce est destinée, d'une part, et pour obtenir, d'autre part, un coefficient de dilatation du composite céramique qui est proche de celui du métal de coulée choisi, c'est-à-dire de la fonte ou de l'acier ayant un coefficient de dilatation compris entre 10.10-6 et 11.10-6.
L'oxyde de zirconium a l'avantage d'avoir un coefficient de dilatation qui est proche de celui du métal. En outre, il contribue à une bonne ténacité, c'est-à-dire qu'il réduit les risques de casse. L'oxyde d'aluminium, de son côté, contribue à une bonne dureté. Ces composirts sont connus pour présenter une bonne ténacité. Les particules de zircone présentes dans l'alumine permettent en effet, par des mécanismes bien connus, d'augmenter la résistance à la fissuration de cette dernière et d'obtenir ainsi une ténacité supérieure à celle de chaque composant considéré isolément, à savoir ZrO2 ou Al2O3.
Autrement dit, dans les pièces d'usure qui sont soumises à une forte abrasion, il y a intérêt à augmenter la proportion d'oxyde d'aluminium en ne dépassant pas, toutefois, une certaine limite au-delà de laquelle la résistance à l'abrasion et la ténacité commencent à diminuer. En revanche, pour les pièces qui sont soumises à des chocs importants ou à des pressions élevées, il y a intérêt à privilégier le coefficient de dilatation au détriment de la dureté et à augmenter la proportion d'oxyde de zirconium afin de diminuer les contraintes dans la pièce et, de ce fait, les risques de casse.
Pour les pièces où il y a risque de fissuration lors de la coulée ou lors du traitement thermique ultérieur, il est également avantageux d'augmenter la proportion d'oxyde de zirconium pour approcher le coefficient de dilatation de l'insert de celui de la matrice métallique.
Le choix des proportions des constituants de l'insert céramique composite peut, bien entendu, également tenir compte de la composition du métal de coulée en vue des propriétés qu'exige l'application à laquelle la pièce est destinée. De même, le choix de la composition du métal de coulée peut être adapté à la nature de l'insert composite.
Exemple 1 : fabrication d'un éjecteur de concasseur à axe vertical.
On forme un mélange de 75% de Al2O3 et 25% de ZrO2 dont on fusionne par électrofusion les deux constituants pour former des grains d'une granulométrie comprise dans les catégories F6 à F20 de la norme FEPA. On verse ensuite ces grains dans un moule de forme appropriée avec une résine liquide qui, après durcissement, retient les grains ensemble pour former la galette céramique devant constituer l'insert de la pièce d'usure. On dispose ces inserts dans un moule approprié dans lequel on coule un métal liquide comprenant 3% de carbone, 26% de chrome et d'autres éléments traditionnels en faible proportion que l'on rencontre toujours dans les alliages de ce type. On réalise ainsi une pièce d'usure avec des inserts céramiques d'une dureté de l'ordre de 1 600 Hv avec un coefficient de dilatation voisin de 8.10-6, maintenu dans une matrice de fonte d'une dureté voisine de 750 Hv.
Exemple 2 : fabrication d'un rotor de concasseur.
On prépare un insert comme dans l'exemple 1 mais en choisissant, cette fois-ci, une composition céramique qui privilège le coefficient de dilatation au détriment de la dureté, plus précisément 40% de ZrO2 et 60% de Al2O3. On réalise ainsi un insert d'une dureté d'environ 1 350 Hv avec un coefficient de dilatation voisin de 9.10-6.
Le but est ici de diminuer le risque de criques dans la pièce à cause du niveau d'impact élevé auquel est soumis ce type de pièce.
La matrice métallique sera constituée d'un acier au manganèse avec une composition de 1 % de carbone, 14% de manganèse et 1,5% de molybdène.

Claims (2)

  1. Pièce d'usure composite réalisée par coulée et constituée d'une matrice métallique dont la surface d'usure comporte des inserts ayant une bonne résistance à l'usure, caractérisée en ce que les inserts sont des pièces céramiques, elles-mêmes composites, constituées de 20% à 80% de Al2O3 et 80 à 20% de ZrO2, les pourcentages étant exprimés en poids des constituants.
  2. Pièce d'usure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les inserts sont constitués d'un agglomérat de grains céramiques composites ayant une granulométrie comprise dans la gamme F6 à F20 de la norme FEPA.
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