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( \ } UNIVERSITE McGILL ) , ETUDE DE LA RESISTANCE A' L'ABRASION DE BOULETS DE EN FONTE BLANCHE ALLIEE ;t'l PIERRE BASTIEN DEPARTEMENT DE GENIE MINIER ET METALLURGIQUE _, . THESE SOUMISE A LA FACULTE DES ETUDES GRADUEES ET DE LA RECHERCHE POUR LA· SATISFACTION PARTIELLE AUX EXIGENCES REQUISES DU DIPLOME DE MAITRISE EN INGENIERIE ) ® AVRIL 1982 ,,, , ,

UNIVERSITE McGILL ETUDE DE LA RESISTANCE A' L'ABRASION DE ...digitool.library.mcgill.ca/thesisfile62520.pdf · universite mcgill ) , etude de la resistance a' l'abrasion de boulets

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    UNIVERSITE McGILL

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    ETUDE DE LA RESISTANCE A' L'ABRASION DE BOULETS

    DE BROY~GE EN FONTE BLANCHE ALLIEE ;t'l

    PIERRE BASTIEN

    DEPARTEMENT DE GENIE MINIER ET METALLURGIQUE

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    . THESE SOUMISE A LA FACULTE DES ETUDES GRADUEES ET DE LA RECHERCHE

    POUR LA SATISFACTION PARTIELLE AUX EXIGENCES REQUISES

    POU~'OBTENTION DU DIPLOME DE MAITRISE EN INGENIERIE

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    AVRIL 1982

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    REMERCIEMENTS

    Je remercie l'Universit McGill et la Socit Fer et Titane

    '&., "

    Ine. pour leur indispensable so~ien financier, 1e$ professefs, les

    techniciens et les tudiants gradus du dpartement de Genie mtallurgi-

    que de l'Universita McGil1 pour leur aife technique et l'atmosphre ami-

    cale dont ils m'ont entour et enfin plts spcialement, le Dr. Drew et

    mon-directeur de recherche, le professeur Williams, dont le support, les

    conseils et'la patience m'ont aid mener ce travail bien.

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    RESUME

    Les fontes blanches martensitiques utilises comm matriau

    de b~yage contiennent ,une grande qu~ntit d'lmen~s d'alliage coteux.

    Une f~on d'conomiser serait da. remplacer une partie de 'ces lments

    d'alliage par du manganse, un lment moins coteux.

    L'objectif du prsent travail! bas. sur des travaux antrieurs

    consacrs des fontes au manganse, est d'examiner les effets que pour-. , rait"avoir l'addition de chrome' ces fontes.

    Pour ce faire, des boulets de broyage de vingt compositions

    chimiques diffrentes furent couls dans un moule mtallique puis soumis

    un test d'abrasion. La teneur en manganse des. boulets variait de '"

    2,0 5,5% en poids, celle en chrome de 0,0 3,0% et celle en carbone

    tait d'environ 3,2%.

    Le manganse est un lment stabilisateur de la phase austni-

    tique. Les boulets contenant plus de 4% de manganse prsentaient une

    microstructure avec de l'austnite retenue, de la perlite trs fine et

    un peu de martensite. L'austnite>trop stable, n'a que trs peu rpondu

    au traitement thermique de recuit uti1is. Les divers alliages, traits

    ~ non thermiquement, n'ont pas montr une trs bonne rsistance l'a-br~ion. Le seul effet notable de la prsence de chrome, quand les ~

    teneurs Sol suprieures 1% en poids, a t l'limination de la forma-tion de carbures secondaires.

    Les boulets contenant moins de 4% du poids en manganse ont une

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    m:4~rostructure perlitique,. L'addition de chrome ces alliages a un ;': .." Il

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    effet bnfiqu important sur la rsistance l'abrasion. Les meilleurs , 1

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    chantillons presentent une rsistance 11' abrasion tr~ proche de

    celle des meilleurs ~ouletB commerciaux

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    ABSTRACT

    Martensitic White cast irons used as grinding media contain 1

    much cost1y a110y1ng elements. A way to save money i8 to replace a part

    of these elements with Mangaue~e, a less expensive element ..-The goai of the present work. a continuation of past researches

    on Manganese white cast irons, was to study the effects of Chromium . additions on these compositions.

    Grinding balls of 20 diffelent chemical compositions were chilI

    cast and tested for their abrasion resistance. Manganese leve1 varied

    from 2,0% to 5,5% weight, the CQromium content was between 0,0 and 3.0

    wight percent while carbon content was kept approximately qonstant

    around 3,2%.

    ~ Manganese being a gamma-stabi1izing element. the microstructure

    of.balls containing more than'4,07. Mn had a ~ot of retained austenite,

    fiqe pearl~te and some martensite. The austenite, over-stabilized, did ,

    not react mu ch' '1:0 the low-:temperature tempering heat-treatmnt. AlI

    the' -heats, as cas t or heat treated, did 'no,l: have a very good abrasion . .' '.

    resistance. The, only apparent effect of Chromium additions was to ,

    prevent the formation of secondary carbides with Chromium contents over

    1%. , .

    BalI nder 4% Manganes content.had a perlitic microstructure.

    Important beneficial effects on their abrasion resistance were noticed

    with Chromium additions. The best specimens had an abrasion resistance

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    t only slightly inferior to the best commercial balls. ,

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    TABLE DES MATIERES

    REMERCIEMENTS

    RESUME

    ABSTRACT . .' TABLE DES MATIERES

    LISTE DES FIGURES .

    LISTE DES TABLEAUX

    CHAPITRE I - THEORIE DE LA RESISTANCE AL' ABRASION

    INTRODUCTION: DEFINITION D'USURE

    1.1 - DIFFERENTS TYPES D'USURES

    1.2 - L'ABRASION DANS L'INDUSTRIE MINIERE".

    1.3 - LES MECANISMES DE L'USURE ABRASIVE.

    1.4 - LES DIFFERENTES SORTES D'ABRASION

    1.5 - LES EFFETS DE L'ABRASIF SUR L'ABRASION

    a) duret de l'abrasif b) taille des particules ) quantit d'abrasif d) force applique' . . e) conclusion.. . . .

    1.6 - FACTEURS AFFECTANT LA RESISTANCE A L'ABRASION DES METAUX . . . .

    a) duret initiale b) duret aprs crouissage c) -module' de Young .. d) comP?,sition chimique,. e) conclusion. .

    1. 7 - DU,CTIL ITE

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    1.8 - EFFETS DE LA C9MPOSITION CHIMIQUE, DU TRAITEMENT THERMIQUE ET DE LA MICROSTRUCTURE RESULTANTE SUR LA RESISTANCE AL' ABRASION DES METAUX FERREUX

    A) Les Aciers

    1. les aciers perlitiques 2. les aciers martensitiques 3. les aci~rs austnitiques

    B) Les rontes blanches

    1. introduction 2. les fontes blanches perlitiques 3. les fontes blanches martensitiques ..

    "

    a) b) c)

    li, les fontes au nickel-chrome ou Ni-hard les fontes haute teneur en chrome . fontes martensitiquef basse teneur en lments d 1 alli~e . . . .

    1.9 - LE M-\NGANE~E pANS LES FONTES BLANCHES

    1.10- BROYAGE

    Les facteurs affectant l'abrasion et dpendant du broyeur boulet . . . .

    1.11- tESTS POUR EVALUER LE MATERIAU DES BOULETS DE'BROYAGE

    a) tes t grande ch~lle . j b) test des boulets marqus c) tests en laboratoire

    CHAPITRE II - DESCRIPTION DU PRESENT TRAVAIL

    2.1 - BUT

    2.2 - TEST

    2.3 - VARIABLES

    CHAPITRE III - PROCEDURE EXPERIMENTALE

    3.1 - LI ELABORATION DES BOULETS

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    .le moule le four .' le support du moule les thermo-couples les "matriaux de base

    ,

    ....

    prodecure de coule de~ boulets - preparation avant la coule - la coule. " .

    3.2 - LES ANALYSES CHIMIQUES . "

    3. 3 - LE TRAITEMENT THERMIQUE DES BoULETS .

    3.4 - LE TEST n'ABRASION

    a)

    b) c) d) e)

    les boulets . .

    1. Les boulets de comp'araison (ou de rfrence) 2. Prparation 4es boulets . .

    l'identification des boulets 1

    le broyeur .1 l'abrasif . . . " . "

    1

    broyage liquide . 'j - la char~e du broyeur '1 - importance de la proportion o;e matire

    solide dans la charge du broYieur ".' - calcul du pourcentage de mat re solide

    routine des oprations pendant l test d'abrasion

    3.5 - TESTS DE DURETE " . 3.6 - METALLOGRAPHIE

    Pase

    '36 39 42 42 45 45 4S 48 .

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    49

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    CHAPITRE IV - RESULTATS EXPERIm:NTAUX , 62

    '4.1 - METAlLOGRAPHIE 1 . . ,

    :~ :~;e~:a~~t~~~~::;:~ the~iq~e' f : : c) microstructure des boulets comme ciaux

    4.2 - LE TEST D'ABRASION 1. : .

    62

    62 74 81

    81 ~ . '. . a) dfinition d'un in~x d'abrasion b) rsultats du test d'abrasion

    81 82

    c) observations gnrales 89

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    4 ~ 3 - TESTS DE DURETE " 1

    CHAPITRE V - DISCUSSION DES RESULTATS

    5~1 - VALIDITE DU TEST D'ABRASION 1

    5 .2 POROSITE

    5 3 DETACHEMENT DE MATERIAU

    5 4 - CORROSION ~:1' '\

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    5 5 COMPOSITION CHIMIQUE, DURETE, RESISTANCE AL' ABRASION ET MICROSTRUCTURE .' .'

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    a) rsum des rsultats' . . . relation entre la 'rsistance l'abrasion

    89

    95

    95

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    102

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    Il et la composition!' chimique .. . . . relation entre 1a~ rsistance l'abrasion et la microstructure

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    - duret . . b). discussion des rsultats

    - relations observes entre la teneur en manganse, la prsence d' austnite et

    103 103

    103

    la rsistance l'abrasion ... . 103 - relatiOns observes entre la teneur en

    chrome, les caractristiques de la matrice et la rsistance l'abrasion . . . 105

    - effets du traitement thermique . . 106

    CHAPITRE VI - SUGGESTIONS POdR DE FUTURS TRAVAUX 108

    CHAPITRE VII - CONCLUSIONS DU TRAVAIL J

    ,APPENDICE l - CALCUL DE L'ABRASION EN UNITES DE POIDS PAR UNITE DE SURFACE .'.

    110

    112

    APPENDICE II - TABLEAU COMPLET DES RESULTATS DU TEST D' ABRAStON. 114

    BIBLIOGRAPHIE "

    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

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    LISTE DES FIGURES ,

    1 Abrasion relative d'un acier .0.8% carbotle, aprs ., trois diffrents traitements thermiques, en fonc tion de la duret de l'abrasif . . . . . . .

    2 Effet du rapport duret de l'abrasif/duret du matriau sur la rsis tance l'abrasion. . . . .

    3 Perte de matriau moyenne en fonction de la force applique . . . . . . . . . . . . .

    4 Abrasion relative en fonction de la duret de la surface crouie . . . . . . . . .

    5 Abrasion rel ative en fonction de la teneur en carbone pour des matriaux ferreux

    6 Plan du moule-'plan . .

    7 ,4'" Plan du moule-lvation

    8 Le moule ouvert

    9 Le four

    10 Plan du support du moule

    11' - Le moule, son support et le brleur ":"

    12 - Le broyeur. . . . . .

    13, 14 - Mtallographie, environ 2,4% de Manganse

    15, 16 Mtallographie, environ 3,2% de Manganse

    . .

    .

    17,18,19,20- Mtallographie, environ 4,1% de Manganse

    21 - Mtallographie, 5,5% de Manganse

    22, 23 - Effet du traitement thermique

    24 - Dimension des grains prs de la surface d'un boulet

    25, 26, 27 - Microstructure des boulets commerciaux .

    . . .

    . . .

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    6

    10

    12

    15

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    28 - Deux boulets de fonte Ni-hard ayant montr une porosit ex~essive . .

    29 - Distr~bution granulomtrique du sable de silice aprs diffrentes priodes de broyage . . . . . . ','

    30 Les diffrents types de boulets aprs avoir t dans un milieu humide pendant quelques jours .

    31 - Les mmes boulets aprs avoir t nettoys de leur

    Page

    88

    97

    101

    couc;he ,d 'oxyde .!. -. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 101

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    LISTE DES TABLEAUX

    l Consommation de matria4 p~ur le concassage et le broyage dans la mine Climax Molybdenum .

    II - ,; Comparaison de IJ ~onsommation de boulets de broyage faits d' acier fo~~, cl' acier coul et de fonte

    III - Analyse chimique des matriaux de base

    IV - Distribution granulomtrique du sable de silice

    v Analyse chimique des diffrentes coules

    VI Rsultats du test d'abrasion

    VII - Les dix groupes de boulets ayant montr la meilleure performance, selon la mthode de calcul de l'index

    27

    28

    46

    57

    64

    83

    d'abrasion relative . . . 90

    VII 1-

    IX -

    Rsistance l'abrasion et duret Rockwell C en fonction de la teneur en Manganse et en Chrome

    Rsistance l'abrasion et duret Rockwell C des boulets commerciaux .

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    CHAPITRE l

    THEORIE DE LA RESISTANCE ALI' ABR,AS ION , , ,

    INTRODUCTION

    Avec la fatigue et la corrosion, l'usure est l'une des trois

    'plus importantes causes de la dtrioration des matriaux dans l'indus-

    trie et reprsente un cot ~mportant qui doit tre minimis.

    o c'est aU8~i celui de ces mcanismes auquel les chercheurs se

    sont intresss le plus tard. Par consquent, le vocabulaire utilis o ..

    n'est pas entirement unif0rtIle, il Y a peu de. test,s standardiss pour

    valuer les matriaux et donc chaque laboratoire utilise ses propres

    mthodes de mesure.

    Enfin, il Y a tellement de facteurs dont il faut tenir compte

    qu'on ne peut appliquer qu'avec prudence une situation pratique des

    rsultats obtenus en laboratoire.

    DEFINITION -tE L'USURE

    L'usure peut tre dfinie comme l'arrachement de matriau

    d'une surface solide caus par une ac t{on mca\e.

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    1.1 - DIFFERENTS TYPES D'USURE

    Pour en faciliter la comprhension~ l'usure a t classe en ,

    4 grandes ctgories qui se distinguent par les mcanismes mis en jeu

    (1,2,3,4)

    L'usure abrasive (ou abrasion) est celle o l'arrachement de matriau

    est caus par l'action mcanique de particules discrtes en contact j

    avec la surface dtriore (5,6).

    Il Y a usure adhsive quand il y a arrachement des asprits de deu*

    surfaces qui glissent l'une sur l'autre. Ce ma~riau arrach peut ven-

    tuellement causer de l'abrasion (1,3).

    Usure corrosive est un term utilis quand une .situation d'usure abra-

    sive ou adhsive est complique par une attaque chimique de +a surface

    (1)

    .. Enfin quand l'application cyclique de forces mcaniques cause la forma-

    tion ae fissures superficielles et ~ltimement une perte de matriau on

    a de la fatigue de surface (1,7).

    1.2 - L'ABRASION DANS L'INDUSTRIE MINIERE

    L'abrasion entrane des cots importants dans les oprations

    de l'~ndustrie minire En plus du ,cot de remplacement des pices, il

    faut ajouter le prix de la main-d'oeuvre utilise et de la ncessit d'arrter momentanment la production.

    2

    Le milieu environnant ou la nature mme d~'OPrat~on obligent

    .. -

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    le matriel se 'frotter' s rudement au minerai. On. n'a

    qu' li penser la poussire s' infiltr t entre des pices mobiles, aux

    dents des pelles mcaniques, aux tte des foreuses, etc. ,. Par exemple, en 1975, on estimait 3,'05 millions de dollars

    leS cots annuels directement relis l'usure abrasive dans une mine

    de fer ciel ouvert ayant une produ tion annuelle de vingt millions de

    tonnes de minerai. Et e plus, on a1eulait qu'un allongement de 20%

    de la dure de vue du matriel amn rait une conomie annuelle de

    310 000 $ (8).

    1.3 - LES MECANISMES DE L'USURE A SIVE

    Une particule abrasive eut dtriorer une surface de deux

    faons: (5,6,9)

    a) Un effet de coupe est possib e, l o les faces aigUes et tranchantes

    de la partiCule enlvent du atriau de la surface. comme un cou-

    teau (5,6). Dans un matriau fragile, ce, mcanisme peut tre com-

    pliqu par la formation de fissures.

    b) Si la particule est de forme arrondie, elle pourra difficilement

    couper dans le matriau m.'lis elle pourra encore avoir' d'autres

    effets (5,6).

    1. D' une part, si le matr;Lau est ductile, elle pourra le dformer l "

    plastiquement, creusant des cratres, des crevasses, et finale-

    ment du matriau sera ariach.

    ( ) 2. D'autre part, si le matriau est fragile, la particule pourra

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    4

    crer des fissures qui permettront au matriau de se dtacher

    lorsqu'elles seront assez nombreuses pour se rencontrer.

    Habituellement, tous ces mcani~mes sont en action simultan-p

    ment, . avec une plus ou moins grande importance qui dpendra, de plusieurs

    facteurs.

    1.4 - LES DIFFERENTES SORTES D'ABRASION

    Depuis quelques annes, les spcialistes (en particulier sous

    l'impul.:'ion df:Avery) (2,5,6.10,1l~12,1,3) se sont entendus sur une cer-:'

    " taine uniformisation des termes uti,iliss pour dcrire l'abrasion, termes

    souvent inspirs par des oprations minires et donc particulirement

    appropris l'industrie minire. Les variantes qui nous intressent le

    plus sont: 'i

    abrasion par gratignage (5,6,11,14) (low stress Bcratching abrasion):

    comme son nom l'indique elle survient quand les particules abrasives

    glissent avec seulement une faible force normale sur la surface use,

    le rsultat tant la formation de minuscules gratignures sur la surface

    use.

    abrasion par broyage grande intensit (5,6,11,15) (high stress grinding

    abrasion): la diffrence du cas prcdent, les forces appliques sont

    assez considrables ,pour craser les particules abrasives. Habituelle-

    ment ces fores sont appliques dans une situation trois corps o les 1.

    particules sont 'coinces entre deux surfaces mobiles.

    abrasion par gougage (2,5,6,13) (gouging abrasion): dans ce cas, les

    " ,"

    j

    i 1

    1 1 ,

    -1 1

    1

    1 1 , 1

    1

    1

    i 1

    1

  • ()

    forces compressives ainsi que les particules sont encore plus grandes.

    Le rsultat est que le mtal peut tre chauff localement au rouge, des ~

    tincelles apparaissent et que le mtal arrach laisse des crevasses

    visibles l'oeil nu. ,>'

    Cette classification est utile mais tout de mme assez floue,

    parce qu'~ssentiellement qua1it~tive. Il n'y a aucun critre quantita-1

    1 tif indi~uant quelle catgorie les forces appliques et la nature de

    l'abrasif sont propres.

    Ces catgories ne sont au fond que la description de l'usure

    rencontre dans trois importantes oprations d'une mine:

    1 - transport: convoyeur, chutes

    2 - broyage

    3 - concasseurs et pelles mcaniques.

    On a dfini d'autres types d'abrasions mais ceux-ci ne pr-

    sentent pas d'intrt pour le prsent travail. Il s'agit de situations

    o le mcanisme d'abrasion est compliqu par de la corrosion ou le mou-

    vement de fluides (gaz ou liquides) transportant les particules 'abrasives.

    1.5 - LES EFFETS DE L'AnRASIF SUR L'ABRASION

    a) Duret de l'abrasif

    Les figures 1 et 2 illustrent les principaux rsultats de

    Kruschnov (15). Il a trouv que pour, de matriaux simples (une phase) r

    l'ampleu~ de l'abrasion par rapport la duret relative du matriau

    us et de l'abrasif tait dcrite par une courbe en trois parties:

  • 1 ! 1 ~

    i 1

    1 1

    1 1

    1

    1 1

    1

    J

    1 J 1

    1

    1 (

    -----..... -_ .. ~~~-- ..... ~ .... _-----/

    Figure 1 - Abrasion relative d'un acier 0.8% carbone aprs trois

    diffrents traitements thermiques en fotrction de la duret

    de l'abrasif (D'aprs Krus~hov (15)

    Figure 2 - Effet du rapport duret de l'abrasif/duret du matriau

    sur la rsistance l'abrasion (D'aprs Kruschov (15

    "

    6

    1

    1

    1

    1

    1 1 \

    ! :\ } "

    1 1

    1

  • 40 ., > .. 30 0 -Q)

    2 '-

    Q) 10 ....

    : ., =- 0

    \

    , \

    r

    Durete de ,'acier 185 Vi k rs

    5GO 1000

    468 V

    o 7 5 V

    Grenat 1 1

    1500

    Cor i nd on f 1

    2000 . 2500" ,,~ .

    Durete de 1 obr osif (Vickers)

    Dur e t de l'a b, r Q s i f Duret- dl! moterjou

    \

    1 "1

  • ()

    , " i

    ( )

    1. Si l'abrasif est beaucoup moins dur que le matriau us, il y a peu

    ou pas d'abrasion.

    2. Si l'abrasif et le matriau us sont de duret semblable, l'abrasion

    est a peu prs proportionnelle la diffrence de duret entre les deux mtriaux.

    3. Si l'abrasif e,st beaucoup plus dur que le matriau us, l'abrasion ,

    est 'it peu prs la mme, quelle que soit la diffrence de duret.

    Ceci est facile comprendre: de l'acier ou du diamant coupent,

    aussi bien l'un que l'autre dans du beurre.

    Il est important de remarquer ici que la duret de,l'abrasif

    a un effet sur la performance relative de matriaux de diffrentes qua-

    ~lits. Si l'abrasif n'est pas trs dur, un matriau suprieur peut

    montrer une usure dix fois infrieure un autre, mais si l'abrasif est

    trs dur, l'usure peut n'tre infrieure que par un facteur de 1,2 ou

    moins.

    b) Taille des particules (16,17,18)

    Plusieurs chercheurs ont procd une recherche trs dtail-

    1e, o ils testaient diffrents mtaux, variant aussi la force appli-

    que et le diamtre moyen des particules.

    Ils ont trouv qu'il Y avait une augmentation trs rapide

    de l'abrasion proportionnelle au diamtre moyen des part icu1es jusqu'

    enyiron 100 microns, aprs quoi la pente de la courbe est beaucoup plus

    faible et augmente avec la force applique ou la plus grande ductilit

    du matriel test.

    c) Quantit d'abrasif .

    Diverses, exp,riences (16) ont m9ntr que l' abrasion tait

    ---------_ .... -- -,~. . .. \'~,'f Jo ,_, '

    8

    1

    1

    1

    1

    i i 'j .) 1 !

    l, 1

    1

    1 1

    ; J

  • 1

    1

    l' 1

    (J

    (

    ~. -

    peu prs indpendante de la quantit" di abrasif, sauf de tr~s faibles 1 .

    concentt;:tions.

    d) Force 'applique

    Vu les diffrents mcanismes de l'abrasion, on peut s'attendre ,

    ce qu'une augmentation de la force applique sur les particules a~lle

    galement augmenter la profondeur laquelle elles vont couper dans le

    matriau, ainsi que la quantit de dformation plastique ou de fissura-

    tion, d'o une augmentation de la quantit de matriau enlev. Ce rai-

    sonnement est confirm par l'exprience (figure 3 et (17)).

    ) Angularit des particules

    La forme des particules peut avoir une grande importance' puis-

    qu'elle dterminera souvent si ce sera un mcanisme de coupe ou de dfor-

    mation qui dominera et qu'un "matriel qui rsiste bien l'un peut tre

    infrieur quand le mcanisme change.

    Ce fac teur n ',est pas trs important quand les forces sont tellep

    que les particules sont crases, ce qui forme sans cesse de nouvelles

    faces coupantes

    " 1. 6 - FACTEURS AFFECTANT LA RESISTANCE AL' ABRASION DES METAUX

    1

    Dans leur recherche de ~acteurs qui pourraient permettre 1,' es-

    timation de la performance de divers matriaux avant leur utilisation,

    les chercheurs ont fait plusieurs tentatives pour tablir une relation

    -entre certaines proprits du matriau et sa rsistance 1 r abrasion.

    i i 1

    1

    j J " , ~ ,

    )

  • " . __ ~ _~ ... ~. __ ... __ .... """"'-....... ____ t'h fIIiIf',*""1>:< ,"y ,,~ ~_._,.-.... ____ ............ ,.-.~ .. _. ___ ._

    I~

    1 Matriaux avec une

    IJ ) .,. , .... l' ,0 br a si 0 n resistance a

    1 /'

    d e c r oissante

    .-

    II' Q.

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    c 0.15 / CIJ r

    / ~ ! 0 --... .' E / /

    / CI)

  • , ,

    , "

    -1

    a) Duret initiale

    t_ , \

    Krischnov (15) a montr que la rsistance l'usure, pour les

    mtaux purs et les aciers recuits, tait directement proportionnelle

    leur duret initiale. Ses mesures avaient t faites avec une pointe

    du matriau test applique un papier abrasif. ,',

    11

    Mais pour les matriaux plus complexes, tels les aciers auxquels

    o~ a fait subir un traitement thermique ou les aciers de composition chi-~ ~ () l

    mique plus complexe, une certaine corrlation entre duret et rsistance 1

    l'abrasion peut encore tre dtecte mais les pentes des courbes obte-

    nues sont diffrentes et la dispersion des points plus grande parce qu'une

    mesure de duret n"est qu'une moyenne des durets des diffrentes phases

    composant la microstructure: ,,~lle ne tient pas compte des mcanismes

    plus ou moins complexes qui ont lieu cette chelle.

    C'tait tout de mme une approche logique puisqu'on peut rai-,

    sonnablement esprer que plus le matriel est dur, plus il s'opposera

    la pntrat~on des particules.

    b) Durete ~prs crouissage , , Krischnoll (15) a galement montr qu'en durcissant le mtal j.-

    ", l' J '.-

    par travail froid, on n'apportait gnralement aucune amlioration

    sa rsistance l'abrasion. L'explication (14) en serait que, lors de

    l'usure, le mtal est dforme et durci par les particules avant d'tre .. ,/

    arrach. Donc, que ce durcissement ait lieu avant ou aprs usage ne peut -A1

    apporter aucune amlioration.

    Pa~ contre, sachant cela, on doit penser que la duret aprs

    dformation est une meilleure indication que la duret initiale de la

    . ---:,~~~--_ ........ -",---"",---_ ..... _"'----..... ,,-, ",." .... ~-...--... ~....-. ..... -~--

    1 1

    ,1 1 j 1

    ; f

    ,j "

  • ()

    Q)

    >

    / /

    1.0

    .8

    0.6

    0.4

    0.2 acier . ~.-

    austent ti"que

    cier i:,')oxydable

    aCler de ~onstruct~on

    acier maraging

    acier 1 structural

    fontes blanches\ haute ten"eu en chro .... e

    Duret Btinnel de la surface .,. usee et ecroufe

    Figure 4 - "Abrason relative en fonction de la duret de la"

    surface crouie, tests sur des matriaux ferreux

    faits avec un concasseur mchoires

    (D'aprs Borik (2

  • (

    13

    -.

    qualit du matriau, puisque c'est dans cet tat que finalement il est

    us. Un exemple important~ o ceci s'applique, est celui des aciers

    austnitiques grande teneur en manganse, dont l'austnite se transfor-

    me en martensite pendant la dformation.

    L'existence d'une telle relation a t montre dans diffrents

    travaux 1 sans qu'on puisse la d terminer avec prcision dans le cas des \

    matriaux microstructure complexe. En effet, alors, la dispersion des

    points exprimentaux est trop grande (2), figure 4.

    De plus;' si le mcanisme de coupe est important, le mtal pour-

    rait tre enlev avant qu'il ait t pleinement d~rci (14). Comme c'est

    un facteur difficile matriser, le type d'e~prience et la nature de

    l'abrasif vont causer une dispersion supplmentaire des points.

    L'crouissage du mtal n'est donc avantageux que s'il devient

    beaucoup plus dur que les particules abrasives.

    c) Module de Young

    Un autre facteur qu" on a tent de relier la rsistance des

    mtaux est le module de Young et on a utilis la relation: (15)

    e == CEl. 3

    e: indice de la rsistance l'abrasion

    C: constante de proportionnalit

    E: module de Young #f

    Cette relation ne s'applique qu' des matriaux ayant une ')

    microstructure simple. Par exemple, elle n'est pas valide pour les

    ,aciers tremps et revenus, car un tel traitement ne change pas la valeur

    ' ..

  • 14

    () du module de Young et pourtant augmente leur rsistance l'abrasion.

    d) Composition chimique

    Le contenu en carbone d'un mtal ferreux peut aussi tre utili-

    \ s pour estimer la rsistance l'abrasion d'un certain matriau. Mais l encore la dispersion des points est' grande , (2) et fig. 5.

    e) Conclusion

    Le point le plus important que l'on peut tirer de toutes ces

    divrses tentatives est qu'elles sont plus exactes quand on ne considre

    que des matriaux de mme microstructure. Le fac teur considrer lors

    de la slection d'~ matriau devra donc tre sa microstructure, dont

    la duret ou l'analyse chimique ou toute autre proprit ne donnent qu'une

    reprslentation inexacte (16).

    1. 7 - DUCTILITE 'r

    " 1

    Un autre iacteur qui vient compliquer l'valuation ou le choix

    1 d'un matriau est que s~uvent les pices qui auront subir une forme

    quelconque d'abrasion seront galement sujettes des impacts plus ou

    moins considrables. Cela est particulirement vrai pour les cas de

    gougage. La possibilit qu'une pi' prmaturment ou que des

    morceaux de m tal d'une tail se dtachent (spalling)

    doit donc tre minimise. du matriau qui con-

    trle l'ampleur de ces p

    1 C'est pourquoi habituelle ent employe est de

    ( , 1

    chercher, cas par cas, le matriau optimum, cre t--dire celui qui offri-

    ra le meilleur compromis en re la rsistance type d'abrasion qu'il

  • (

    1 1 ,

    ,1

    1 1 , 1

    " ~ ~ --~._- -., _._ ....... .--"'...---:;..- - ------ --------_ .... ~- ~------ .............. --~_. -~

    1.4 acier inoxydable

    1.2 acier de construction

    GJ

    "" > 1.0 of--

    " ','

    0 acier maraging (j).8

    Q) acier structural L

    Q) 0.0

    L

    ::::1 austenitique Cf) 0.4

    fontes blanches \,

    '\. :) haute teneur en

    chrome 0.2

    OL---~--~----~--~ __ ~ ____ L-__ ~ o 0.5 1.0 1.5, 2.0 2.5 3.0 3.5

    Carbone

    Figure 5 - Abrasion relative en fonction de la teneur en

    carbone (pourcentage en poids) pour des matriaux

    ferreux. Tests faits a~ec ~n broyeur mchoires

    (D'aprs Borik (2

    j 1

    ! 1

    1 ! l l

    ' . , 1

    1

    L 1 , ;

  • , "

    (

    . ,

    aura renco~trer et la ductilit ncessaire ses fonctions.

    1. 8 - EFFETS DE LA COMPOSITION CHIMIQUE, DU TRAITEMENT THERMIQUE ET DE

    LA MICROSTRUCTURE RESULTANTE SUR LA ~STANCE A L'ABRASION DES

    METAUX FERREUX

    La meilleure faon d'exposer c~s facteurs sera de dcrire les

    caractristiques des diffrents types de matrIaux que l'on peut distin-

    guer.

    A - Les aciers

    l. Les aciers Eerlitigues (13, 19, 20, 21, 22) ,

    < Leur composition est habituellement l'intrieur des limites

    (pourcentages en po:l..ds) , indiques ci-dessous:

    " C Mn Cr Mo

    1 0.6 - 0.85 0.7 - 0.9 1.0 - 2.5 0.3 -, q..5

    Les lments d'alliage sont destins former une structure

    perlitique fine, des carbures plus dura dans la cmentite et donc-une .-':Jo.

    microstructure plus rsistante.

    On a trouv que leur rsistance l'abrasion, pour une mme

    ,duret, tait proportionnelle leur contenu en carbone. Ceci eat

    facilement comprhensible puisque c'~st le carbone qui contrle la pro-

    portion de perlite qui, grce la cmentite qu'elle contient, est plus

    dure et plus rsistante que la ferrite environnante.

    16

    "

  • (J

    . ,

    (-'" J

    17

    ~ .. -On a galement dcouvert que pour les compositions hypereutec-

    tordes, cette amlioration de la rsistance l'abrasion, avec l'augmen-

    tation du contenu en carbone, tait moins grande. Ce qui s'explique "

    parce que le carbone supplmentaire ne forme plus de perlite mais un

    rseau de cmentite proeutecto!de entre les grains de perlite, rseau

    qui est facilement bris par l'abrasion.

    Les aciers perlitiques sont infrieurs, du point de vue de la

    rsistance l'abrasion, ceux qui ont une structure martensitique, car

    , les lamelles de cmentite de la perlite agissent comme plans de clivage.

    Toutefois ils sont plus ductiles et moins coteux (parce qu'ils contien-'.,

    nent moiAs d'alliages). ~

    Il est noter que les aciers qui ont subi un traitement ther-

    mique visant donner une forme sphrofda+e la cmentite rsistent

    moins l'abrasion. Les carbures ne limitent plus la dformation de-la

    _ ferrite et sont arrachs de celle-ci par l'abrasif sans que leur duret

    suprieure ait t mise l'preuve.

    2. Les aciers martensitiques (19, 29, 21, 23, 24)

    Ces aciers sont suprieurs aux autres en ce qui regarde la

    rsistance l'abrasion mais inf~ieurs en ductilit. Grce un con-

    tr1e svre de chaque tape de leur fabrication (composition chimique,

    duret, traitement thermique, dfauts de coule, etc.), ils peuvent ,

    tout de mme tre utiliss dans nombre de fonctions.

    Les plus durs peuvent remplacer les fonts blanches, coteuses

    en lments d'alliage et en main-d'oeuvre, tandis que les plus ductiles

  • 18

    ()

    (contenant moins de carbone) peuvent souvent prendre la place d'autres

    aciers plus ductiles.

    Leur rsistance l'abrasion augmente avec leur contenu en

    carbone et~iminue avec une temprature de relaxation (tempering) plus

    leve.

    Des compositions chimiques typiques sont:

    c(%) Mn(%) Cr(%) Mo (%) Ni(%)

    Carbone moyen 0.35- 0.7 0.6 - 1.5 0.6 - 2.2 0.2 - 0.7 0.0 - 1.5

    Carbone lev 0.7 - 1.2 0.3 - 1.0 1.3 - 7.0 0.4 - 1~2 0.0 - 1.5

    Let pourcentages sont en poids.

    3. Les aciers austnitiques (6, 14, 19, 25, 26)

    Le haut niveau en manganse (de 6 15%) sert stabiliser

    l'austnite aux tempratures normales. L'austnite est une phase rela-

    tivement J>lastique et pas trs dur~" ce qui confre une grande ductilit c'

    ces ~ciers, variantes de l'acier Hadfield original. Mais comme cette

    austnite se transforme partiellement en martensite lors du travail

    froid, ces aciers ont une certaine rsistance l'abrasion qui est tout

    de mme ~diocre par rapport celle des autres.

    B - Les fontes blanches

    1. Introduction

    Les fontes rsistantes l'abrasion sont gnralement de com-

    ( position hypo-eutectiques, contiennent peu de

    1

    S~Ci~ et sont coules

  • 1

    , 1 f , ! i

    !

    t

    \ , 1

    --_ .. ,.,;-------------------------_.

    Ci

    (

    de faon ce qu'elles refroidis'sent rapidement; Toutes ces conditions.

    assurent que le carbone prendra la forme de cmentite ou de solution 80-

    1ide et ne formera p~s de flocons (flakes) de graphite. ~n effet les

    fontes gri~es servent peu 'l'industrie cause de leur fragpit exces-

    si ve (s auf 1\ si le graphique es t nodulaire).

    ~ans les fontes blanches, le carbone se retrouve donc surtout

    sous forme de carbure de fer et il est intimement'ml avec une autre

    phase, faite des produits de dcomposition de l'austnite (ferrite, aus-...

    tnite retenue, perlite, martensite, bainite, etc.), qui serviront u1t-

    rieurement identifier le type de fonte. En gnral, cette phase est

    considre comme la matrice dans la micro-structure, que ce soit vrai .;;.

    ou non gomtriquement.

    2 - Les fontes blanches perlitiques (10, 27, 28)

    Premires fontes utilises expressment pour leur rsistance

    l'abrasion, ~elles sont peu dispendieuses, mais plutt fragiles. De

    plus leur rsistance l'abrasion n'est pas exceptionnelle puisque, au

    niveau microscopique, la matrice de perlite et de ferrite est use pr-

    frentie1lement., ce qui laisse en relief le rseau continu de cmentite

    qui se brise facilement, car il n'est pas convenablement support.

    3 - Les fontes blanches martensitiques

    a - Les fontes au nickel-chrome ou Ni-hard (10, 12,

    Ces fontes ont commenc

    1930. En combinant la quantit d'alliage, la mthode et le

    19 '

    \

    1 f f f l

    ! i

    , i

  • \ )

    ~

    traitement thermique appropri de diverses maqires, l'austnite est

    transforme en martensite, un ~eilleur support de la cmentite que la .,

    perlite: celle-ci ne se brise plus aussi facilement, ni aussi rapide-

    ment.

    Les lments d'alliage permettent aussi la formation d'une

    cmentite plus dure et plus rsistante l'abrasion grce aux ca'rbures

    de type (Fe. Cr)3C ou (Fe, Ni)3C qui sont plus durs que les carbures

    de fer Fe3C habituels.

    La rsistance l'abrasion de ces fontes est suprieure

    celle des fontes de type perlitique mais, cpuse du r{seau continu de

    cmentite, leur fragilit reste grande. C'est pourquoi elles sont con-

    currences par les aciers martensitiques qui sont moins rsistants 1

    20

    l'abrasion mais qui sont aussi plus rsistants aux chocs et moins coteux.

    Pour ces fontes, les compositions chimiques typique~ sont:

    C(%) MI1(%) Ni(%) Cr(%) Si(%)

    type l 3.0 - 3.6 0.4 - 0.7 4.0 - 4.75 1.3 - 3.5 0.4 - 0.7

    type II 2.9 max. 0.4 - 0.7 2.75 - 5.25 1.1 - 1.3 0.4 - 0.7 - ~.

    type III 2.0 - 2.5 0.4 - 0.7 4.0 - 5.0 l~ - 2.5 0.4 - 0.7

    type IV 3.0 - 3.6 0.4 - 0.7 5.5 - 6.5 7.0 - 10.0 1.5 - 2.0

    (% en poids).

    b - Les fontes haute teneur en chrome (10, 12, 14, 24, 26, 30)

    Introduites la mme poque que les Ni-hard, les fontes

    haute-teneur en chrome ont t adopts beaucoup plus lentement, leur

  • '"1 ..,..,.'-"\' ...... _ ... _,_ _ ... _______ ___ ---, ....... >---_________ ---_.-____ 1 .. __ ..... --_._._-------...-........... _., ...

    , !

    i 1 (

    1

    J 1

    , t.

    -. 1

    (

    -"

    21

    laboration n'tant possible que dans un four lectrique, qu~pement peu

    rpandu l'poque. Elles ont tout de mme commedc s'imposer vers ~

    1965 et remplacer les fontes Ni-hard et les aCiJrs martensiques.

    La grande quanti~ de chrome qu'elles contiennent (plus de 10%) ~

    entrafne l'apparition de carbures de type (Cr, Fe)7Cs qui sont beaucoup

    plus durs que ceux de type (Cr, Fe)3C (800-1200 Hv contre l30~-1800 Hv).

    De plus ces carbures ont une morphologie diffrente. Dans ce

    no~veau type de micro-structure, la cmentite est disperse dans la

    martensite qui y joue le rle de matrice. Cette micro-structure, en

    l'absence d'un fragile rseau continu de cmentite qui favorisait la

    propagation de fissures, est beaucoup moins fragile que celle des fontes

    prcdentes.

    Ces fontes sont suprieures tout autre matriau du point de

    vue de la rsistance l'abrasion et ont une ductilit qui leur permet

    de concurrencer les aciers martensitiques.

    Dans certains cas o l'abrasif n'tait pas trs dur et o les

    impacts n'taient pas trop violents, ces fontes ont montr une perte de

    matriau l'usure pouvant tre dix fois infrieure celle des matriaux

    qu'elles remplaaient, justifiant alors leur cot suprieur provenant de

    la grande quantit d'alliages qu'elles contiennent.

    Enfin des travaux sont en cours afin d'amliorer davanta~e

    leurs qualits et d'largir leur champ d'application. Les domaines de

    recherche son t :

    - L'tude du traitement thermique." concernant l' aml1ortion de la tfans-

    formation martensitique.

    \ .. /

    ...

    , J ! ,

    J

    .\ i ~

    ,1

    1 ~

    ~ i J

    r 1 :

  • 22

    ()

    - Le contrle de la morphologie des carbures eutectiques.

    / L'tude d'un matriau compos d'une plaque de fonte et d'une plaque d'acier sous-jacente qui allierait la rsistance aux chocs de l'un

    avec la rsistance l'abrasion de l'autre~;

    L'tude d'un matriau composite en fonte et en plastique spcial r-

    sistant l'abrasion.

    Des compositions chimiques typ~ques de ces fontes sont: (% en poids)

    1 1 b

    C(%) Mn(%) Ni(%) Cr(%) 8i(%) "'~

    2.4 - 3.6 0.5 - 1.5 0.0 - 1.5 12.0 - 17.0 1.0

    2.2 - 3.0 0.5 - 3.5 0.0 - 1.5 17.0 - 22.0 1.0

    2.4 - 3.2 0.0 - 1.5 0.0 - 1.5 22.0 - 28.0 1.0

    c - Fontes martensitiques basse teneur en lments d'alliage

    (30, 31, 3~, 33)

    Une a~tre manire d'amliorer les fontes Ni-hard serait de

    choisir judicieusement la vitesse de refroidissement de la fonte aprs

    coule et la composition chimique afin d'obtenir un matriau de micro-

    structure semblable mais moins coteux en lments d'alliage. Une telle

    conomie peut tre ralise en diminuant la teneur en lments coteux

    (Ni, Cr) ou en les remplaant par des lments quivalents plus cono~i-

    ques comme le manganse et le cuivre.

    Les exemples ci-dessous montrent des compositions qui ont t exprimen-

    tes: L

  • () .. '

    -,

    /

    23

    1 - 2.5% Cu 1.5% Mn 0.65,% Cr 0.3% Mo

    ( Cumoloy) 2 - 0.9% Cu 3.2% Mn 0.2% Mo

    3 - 2.0% Cu 2.0% Cr 3.0% Mo

    (% en poids)

    Toutes ces fontes requirent une coule dans un moule mtalli-

    que et non dans un moule de sable.

    Ceci complique le processus d'laboration et entraneo

    des cots

    de fabrication plus levs. Heureusement, dans le cas des boulets de

    broyage, ces frais supplmentaires pr . 'ent tre minimiss, si on se con-

    tente d'une f orme moins complique coler que cel) e d' '.me sphre. La

    moins grande efficRctt d ',une tel le forme (un fa~teur encore discut dan~ "

    l'industrie) serait l

  • :i

    1 1 ! [ () \

    , J

    !

    l

    Le manganse a plusieurs effets sur la microstructure:

    1 - Ayant une affinit pour le carbone, il entre dans la cmentite en

    formant des carbures de forme (Fe, Mn)3C (34).

    2 - L'cart entre les tempratures des eutectiques fer-graphite et fer-

    carbure de ter est diminu ~ Ceci favorise la- formation d.'une'-- fonte ~

    blanche, pu~que le carbure de fer est une phase mta-stable 1

    '(35, 36).

    "3 - Il abaisse la temprature eutectique lgrement mais a peu d'effet

    sur la composition eutectique ou la limite de solubilit du carbone

    dans l'austnite (36, 37). \

    4 - Il tend stabiliser l'austnite, en diminuant la composition en

    carbone de l'eutectoide. en abaissant la temprature euter.to~de et

    en ramenant celle du dbut de la transformation martensitique vers

    la tp.mprature ambiante (34, 37).

    5 - Il augmente le rlurcissement lors de la trempe par la surpression de

    la formation de perlit~ durant le refroidissement (37).

    Comme stabiliseur d'austnite, il tend augmenter la quantit

    de carbures secondaires qui se forment entre les tempratures eutectique

    et eutecto~de. De ce fait, il abaisse la teneur en arbone laquelle

    l'a~tnit se transforme en perlite. 1

    24

    Il favorise jusqu' un certain point la formation de martensite.

    bilis et

    triau de

    q

    est prir~nt en trop grande quantit, l'austnite sera trop sta-

    ne po;'ra pas se dcomposer, entrainant la formation d'un ma~

    moindre intrt.

    Un refroidissement rapide tend galement diminuer ou sup-

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  • 25

    Cl 1'<

    primer la formation de perli te et stabiliser l' austnite par la rduc-

    tion de la quantit de carbures secondaires prcipits et par la retenue

    du carbone dans l' aus tnite

    Donc, pour obtenir la~microstruc.ture voulue, il faut bien qui-

    librer ces deux facteurs:

    t~op peu de manganse ou un refroidissement trop lent entrainerait

    la formation de perlite;

    trop de manganse ou un refroidissement trop rapide seraient l' ori-

    gine d'une stabilisation excessive de l' austnite (32).

    ,1 Ey utilisant un taux de refroidissement appropri avec une

    teneur minimum en manganse ncessaire l'obtention de la martensite,

    il est possible d'obtenir une rtention plus importante de carbone accom-

    pagne non ncc-ssairemen t d'une stabilisation de l' austni te. 1

    \ Habituellement une partie de l' austnite retenue est trans-

    forme par un recuit basse temprature (250-300oC) qui sert gal~ " .

    de traitement {le relaxation. On pense que les produits rsultant de

    cette dcomposi tin sont de la martensite et de la bainite.

    Des travaux sur le Cumoloy (27, 32) (qui a une composition

    o le cuivre et le molybdne servent augmenter la trempabilit) et

    les fontes au manganse (38) ont port sur l'tude de plusieurs facteurs

    (composition chimiqu, vitesse de refroidisse~ent, temprature d'ouver-

    ture du moule, dure du r~uit, etc,). Ces travaux avaient comme objec-,

    tif de savoir si ces fontes taient aptes remplacer les fontes Ni-hard "

    comme matriau de broyage.

    ( Dans le cas des fontes au manganse, les rsultats ne furent

    f

    1 1 " 1 1

    1

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    j

  • 26

    pas trs concluants, puisque la composition qui se rvla suprieure en

    rsistance i' abrasion avait un faible 'contenu en manganse et une

    micro-structure perlitique. L'auteur (38) expliquait la faible rsistance

    l'abrasion des fontes martensitiques par la morphologie particulire

    des carbures secondaires ~ prsents sous forme de plaques traversant la ~

    ,matrice.

    1.10 - BROYAGE ..

    La fragmentation du minerai est l'opration minire sur laquel-

    le a t port l'effort le plus important dans le but de diminuer la con,-

    sonnnation de matriaux par abrasion. Chaque anne, plus, de 400,000 ton-

    nes de boulets de broyage sont utiliss en Amrique du Nord seulement.

    Les aciers martensitique:s, forgs ou couls, ont remplac les

    fontes Ni-hard qui avai'ent longtemps domin le march. Les fontes

    haute teneur en chrome s'imposent peu peu,' par exemple, elles sont

    prfres pour le broyage sec (ciment) Table II et (9). , ,

    (10) Un broyeur est un cylindre rotatif dont la par:oi int-

    rieure est pourvue de barres de leve qi ser.vent , relever le matriau

    de broyage et le laissent retomber sur le minerai qui est ainsi bris en

    de plus petites particules. Leurs dimensions et leur 'Vitesse de rotation

    varient selon leur utilisation, le broyage peut tre fait sec ou avec

    une charge mlange de l'eau, les oprations sont continuelles ou par

    fournes.

    Ces machines peuvent, servir broyer:

  • ()

    ()

    , TABLEAU l

    Consommation de matriau pour le concassage et le broyage dans la mine

    Climax Mo1ybdenum

    Etape

    primaire (giratoire et machoires)

    secondaire (concasseur conique)

    tertiaire (conbasseur conique)

    broyeur (boulets)

    -

    .,

    Consommation en kg. ft . de minerai

    \ \ 8

    -15

    27

    500 - 750

  • ()

    .. .. TABLEAU II

    Comparaison de la consonnnation de boulets de broyage en acier forg, en

    acier coul et en fonte (9)

    du total de bou1ets uti1iss

    Mat\-iau Etats-Unis Canada

    acier forg '" ~ 1

    65 "-

    acier coul 22 67

    fionte 13 33

    Consommation totale: Etats-Unis: 290,000 triques

    'Q Canada: 166,000

    "

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    ()

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    ,-. \'>;,;

    \

    1

    1

    'du 'minerai de fer avant sa pelletisat~on

    des minerais non-ferreux avant qu'ils soient raffins

    du charbon utilis dans les centrales lectriques

    des minraux rfractaires pour la fabrication des briques

    de la chaux, de l'argile schisteuse et des scories utilises dans'la

    fabrication du ciment

    des pigments mtal1iqu~s entrant dans la fabrication de peintures . ...

    Les :plaques de leve ainsi que le matriau de broyage (gn-

    ralement ferreux et pouvant avoir la forme de barres, de sphres ou de

    cnes, de dimensions variables) sont endommags et uss par l'abrasion,

    la corrosion et les impacts.

    Les fact~urs affectant l'abrasioh et dpendant du broyeur boulet . r Plusieurs facteurs r~latifS aux broyeurs boulet peuvent i~luencer la bonne ou mauvaise performance d'un matriau. 1.

    l

    2.

    La dimei.on des boulets: selon la nature du minerai broy, on uti-

    lise des boulets de dimensions appropries. A part ce fait, dans

    un boulet volumineux, il est plus difficile d'obtenir une micro-

    structure uniforme.

    Enfin les boulets s'usent un rythme proportionnel leur surface

    (21) et donc il serait plus logique de prsenter les rsultats en

    i units de poids perdu par unit de surface. Malheureusement ce n'est

    E pas toujours facile; les rsultats sont le plus souvent prsents par

    rapport au poids initial des boulets.

    La dimension des broyeurs: (10, 21) Il est normal que les impacts'

    29

    (

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    ! 1

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    ) i

    ~ , ,

  • .\

    30

    absorbs par les boulets soient plus impor~ants dans un broyeur de ,'L

    grandes dimensions parce que les vitesses de rotation et la hauteur

    de chute sont plus leves. Par consquent, un matriau qui tait

    excllent dans un petit broyeur de laboratoire ne le sera pas nces-. s~irement l'chelle industrielle.

    ~ .. 3. Le broyage en milieu aqueux: le plus souvent le broyage est fait

    sur un minerai imprgn d'eau. Cela entratne comme consquence une

    usure supplmentaire de la surface des bpu1ets par corrosion. Les

    particules abrasives peuvent briser et enlever le fragile film d'oxyde

    form et exposer une nouvelle surface de mtal l ' oxydation. Par

    exemple dans des expriences o de l'hmatite tait broye, on a

    trouv que 30 40% d~ l'usure de boulets en acier tait due ia

    corrosion (39) ..

    Les seules faons connues de diminuer la corrosion dans ce

    cas est' d'utiliser un matriau plus rsistant la corrosion (c'est--

    dire dont le film d'oxyde est plus adhrent) ou changer le Ph de la

    pte en ajoutant des inhibiteurs (6, 39).

    1.11 - TESTS POUR EVALUER LE MATERIAU DES BOULETS DE BROYAGE

    Tous ces facteurs, ajouts ceux dj inhrents l'abrasion,

    rendent trs dangereux l'extrapolation des rsultats d'un broyeur un

    autre, et encore_plus quand on passe du 1aborat~ l'chelle indus-triel1e. )

    Pour minimiser les difficults provenant de la diffrenciation

  • 31

    ()

    de chaque broyeur et de l' impossibilit de reproduire deux fois la mme

    exprience, les donnes sont habituellement exprimes par rapport un

    matriau de rfrence plutt qu'en valeurs absolues de perte de poids.

    a) Test grande chelle

    Ce test consiste, dans une usine, remplacer au complet les

    boulets d'un broyeur par ceux que l'on veut tester et oprer pendant ,

    plusieurs mois d'une faon normale. A la fin de l'e~prience, on compare

    la consommation de boulets avec la consomma"tion antrieure de ce mme

    broyeur ou celle de broyeurs semblables utiliss en ,parallle.

    c'est hab-ituellement l'ultime test dans l'industrie minire,

    avant qu'une dcision finale soit prise)i propos de l'emploi d'un nouveau

    matriau. Mais ce test a deux graves dfauts:

    1. Il est virtuellement"impossible d'tablir des conditions identiques

    dans deux broyeurs.

    2. C'est un test trs long et trs coteux ncessitant l'utilisation

    de plusieurs centaines de tonnes de boulets, et de ce fait pas du

    tout pratique pour la recherche.

    b) Test des boulets marqus (21, 40)

    Les tapes de ce test sont:

    1. Les boulets sont identifis, marqus et pess,

    2. Ils sont ajouts la charge normale du broyeur.

    3. Le broyeur est opr normalement, le temps d'user les boulets d'une ->-

    c .... . , faon significative (10 20 jours est une priode suffisante).

    'l

  • 3~

    4. Le broyeur est arrt quelques heures, les boulets marqus sont rcu-

    prs et pess nouveau.

    Ce test prsente les avantages suivants!

    Il est relativement court et peu coteux

    Plusieurs types de boule ts peuvent tre tests simultanment, et donc

    dans les mmes condi tions

    c) Test en laboratoire (2, 6, 15, 17 J 21, 42, 47, 44, 45, 46) \

    Comme le broyage est une forme d r abrasion, les mmes tests

    imagins pour simuler celle-ci peuvent tre utiliss pour valuer le ma-

    triau des boulets de broyage. Les principaux tests consistent faire

    glisser les chantillons sur un papier abrasif ou sur une plaque de cui-J

    vre recouverte d'un mlange d'eau et de sable. Mais il est probable "

    qu'un petit broyeur boulet peut reproduire plus exactement le mcanis-

    me d'abrasion rencontr dans un broyeur.

    Enfin il est possible de pallier l'absence de chocs violents

    au cours des essais en laboratoire en effectuant l'essai Charpy ou un

    autre type d'essai: les boulets sont lchs d'une grande hauteur sur

    une plaque d'acier et ce des milliers de fois si ncessaire, jusqu'

    cassure (27).

  • () ,

    b

    CHAPITRE II

    \

    DESCRIPTION DU PRESENT TRAVAIL

    2.1 - BUT

    Le but du prsent travail tait d'examiner la possibilit de

    dvelopper une fonte blanche au manganse, ayant de bonne qualits de

    rsistance l'abrasion et pouvant tre utilise comme matriau de base

    dans l'laboration de boulets de broyage.

    En se basant sur des rsultats obtenus par d'autres chercheurs

    (Farge (27, 32) et Bryant (38) il fut dc:l4 de mettre en pratique une

    suggestion de ce dernier et de concentrer nOs efforts sur l'valuation

    des performances du matriau rsultant de l'addition de diverses quanti-

    ts de chrome la fonte.

    En particulier, nous esprions que le ch~ome cause un certain .. >

    renforcement de la cmentite et de la matrice et puisse avoir une influen-

    ce favorable sur la morphologie du rseau de cmentite et des carbures

    secondaires.

    2.2 - TEST

    La rsistance l'abrasion de nos fontes exprimentales. a t

    mesure dans un broyeur boulets de laboratoire. Les boulets ont t

    tests l'aide d'une variante du test des boulets marqus. D'autres

    ' ....

  • (

    boulets, d'origine commercial~, ont t simultanment tests afin de

    fournir des possibilits d'talonnage et de comparaison. l "

    Le test a t conu de faon ce que les rsultats soient les

    plus significatifs et que les conditions reproduisent le mieux celles

    rencontres dans l'industrie. De nombreuses amliorations furent appor-

    tes au test de P. Bryant:

    - Le broyage a t f~it en milieu humide

    - Le broyeur de 16" de diamtre tait plus grand que les broyeurs

    habituels de laboratoire, ce qui permettait d'obtenir des impacts

    plus svres

    - Le test a dur 17 jours, ce qui a enlev une quantit significa-

    tive de matriau: environ 5% du poids initial des boulets

    - Tous les diffrents boulets furent tests simultanement, ce qui

    assurait une homognit d~onditions.

    2.3 - VARIABLES

    -. Vu le grand nombre de variables pouvant tre introduites dans

    un tel travail, il fut dcid de les limi~er trois variables indpen-

    dantes:

    - La teneur en manganse

    - La teneur en chrome

    - Le traitement thermique aprs la coule.

    En fonction des prcdentes variables nous avons aussi tudi:

    - La performance pendant le test d'abrasion j.

    34

  • 1

    1 !

    t r i 1

    f ~

    1 !

    1 , 1

    Cl

    35

    - La mic~o-structure

    - La duret

    Autant que possible on tenta de maintenir constante la teneur en carbone

    des fontes, la vitesse de refroidissement du mtal et les diffrentes

    procdures chaque tape du projet. ~

    Les boulets provenant de vingt coules de compositions diff-

    rentes furent tudis. La composition variait de 2.2 5.5% en manga~'

    nse et de 0.0 3.5% en chrome.

    ---------,----

    -1 !

  • (>

    CHAPITRE III

    PROCEDURE EXPERIMENTALE

    3.1 - L'ELABORATION DES BOULETS , .~

    a) Le moule

    Les boulets taient couls dans un moule en acier comportant

    deux sections superposes de 24,4 x 11,4 x 2,5 cm et permettant la coule

    de six boulets de 2,5 cm de diamtre.

    Pour les boulets, la forme sphrique a t retenue car elle

    permet d'liminer une variable et de faire des comparaisons avec les

    boulets commerciaux.

    Le moule, le mme que celui utilis par P. Bryant, tait fait

    de deux plaques d'acier de 2,54 ct d'paisseur avec six cavits pour les boulets relies au canal de coule central. Celui-ci tait reli une

    descente de coule et une cavit brise-jet respectivement cha9ue

    extrmit. Le chemin de coule tait situ dans la partie infrieure du

    moule, alors que les cavits pour les boulets taient alimentes par la

    partie suprieure (figures 6, 7 et 8).

    Avant une coule, un entonnoir de graphite tait fix l'en-

    tre de la descente de coule. Toutes }..es surfaces du systme d' alimen-

    tation entrant en contact avec le mtal liquide taient protgees par

    une couche de ciment d' alundum. L'intrieur des cavits des boulets ,

    taient recouvertes de graphite. En utilisant c~s produits, l'o~jectif --

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    11.4 cm

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    /J 'e:

    254 cm

    k 2.5cm~ >1 \ K

    0-75

    Je:

    Figure 6 - Plan du moule plan

    (dimensions en cm)

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    Figure 7 - Plan du moule-lvation

    (dikens~ons en cm)

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    1 !

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    ) -/

    recherch tait de minimiser l'adhsion entre la fonte coule et le

    moule. De ce fait, l'ouverture du moule et la rcupration des boulets c,t

    taient failites, et la dtrioration du moule diminue.

    De plus un petit trou a t perc dans le moule en un point

    situe prs d'une des cavits afin d'introduire un thermocouple pour

    la mesure de la temprature.

    Trois serre-joints taient utilises afin d'viter que les

    deux parties du moule ne B' ouvrent pendant ou aprs la coule.

    b)~ Un four induction Tocco Meltmaste~ d~une puissance thorique

    de 30 kw. a t~ utilis pour fondre une charge de lO_,>

  • , .-! ' .,

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    (

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    Figure 8 Le- inoule ouvert

    Figure 9 - Le four

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    --_ ........ - ... _ ... --. .... _ ... _------- -, 42 .

    ()

    travers ce couvercle, de l'a~ote tait introduit la surface du creuset, 1

    assurant ainsi une protection supplmentaire contre l'oxydation de la '1

    charge.

    c) Le support du moule

    Pour assurer "le succs d'une coule, ti tait ncessaire de

    disposer de faon prcise le moule prs du four et de le rchauffer afin

    d'viter, d'une part, de verser ct de l'entonnoir, et, d'autre part,

    une solidification de la fonte dans le systme d'alimentation avant le

    remplissage du moule. Le moule tait donc dispos sur un support sp-

    cial permettant de le prchauffer l'aide d'un brleur gaz (figures

    H) et 11).

    d) Les thermo-coup1es

    IJ'

    Un thermo-couple de type K (Chromel-alumel) servait vrifier la "

    temprature du moule au cours de l'exprience.

    Des thermo-couples amovibles de type R ou S (platine-platine lOi. ou

    13% rhodium) serva~ent - mesurer la temprature de la charge. Ils (

    taient placs au bout d'une tige. Aprs deux ou trois mesures,il

    tait ncessaire de remplacer ces thermo-couples endommags par les

    tempratures leves. 1

    ,La diffrence de potentiel aux bornes de chaque thermo-couple tait me-

    sure par un multi-mtre digital permettant des mesures d'une prcision

    de 0,01 milli-volt. Des tables de conversion appropries donnaient la

    j ~ i 1 te~perature equ va ente.

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    e) Les matriaux de base

    Les matriaux de base constituant la charge du cteuset taient:

    1. Fonte

    2. Ferro-manganse

    3. Chrome lectrolytique

    4. Pastilles d'aciers basse teneur en carbone

    (Voir tab1~ III pour la composition ch~mique).

    L'acier tai~ ajout en quantit suffisante pour abaisser au

    niveau choisi la teneur en arbone de la charge.

    La rouille sur les lingots de ionte tait enleve l'aide

    d'une bro'Se~liq~

    f) Procdure de coule

    monte sur une grosse perceuse lectrique.

    des boulets

    Prparatifs avant la coule

    1 - Installation du creuset: 17

    - La partie suprieure du creuset tait coupe afin qu'il soit

    la bonne hauteur pour tre install dans le four.

    - Le creuset tait plac dans la bobine d'induction du four. Une ~

    poudre tait compacte sous et autour du creuset de faon le

    maintenir bien en place.

    - Du ciment tait utilis pour modeler un bec verseur, permettant

    la cration d'un mince flot de mtal fondu, la traject'ire bien

    dtermine, lorsque le four tait bascul. Aprs schage, ce

    ciment tait recouvert d'une couche de ciment d'alundum.

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    1

    CJ -TABLEAU III

    ANALYSE 'CHIMIQUE DES MATERIAUX DE BASE (% en p01ds)

    % C %Hn % Si % S % P % Fe % 0

    Fonte 4,30 0,009 0,18 0,01 0,025 balance

    Ferro-manganse 6,64 79,51 0,27 balance

    ( ,

    Chrome lectrolytique 0,02 0,01 0,01 0,01 0,20

    Acier 0,17 0,59 balance

    0,50

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    -

    2 - Prparation du moule:

    - L'intrieur du moule tait nettoy l'aide de papier sabl.

    - Toutes les surfaces du systme d'alimentation taient recouvertes

    de ciment d'alundum. Les cavits du moule taient recouvertes

    d'un mince film de graphite l'aide d'une bombe arosol.

    - Du ciment d'alundum tait dispos sur la surface intrieure de

    l'entonnoir de graphite, plac sur la partie suprieure de moule

    et scell par du ciment ,l'embouchure de la descente de coule.

    - Il tait important de disposer les diffrents types de ciment de

    faon ce que l'orifice au fond de l'entonnoir ait un diamtre

    suffisamment faible afin d'assurer qu'aprs solidification le m-

    tal soit facil casser et le moule ouvrir.

    ,{(~ Les deux moitis du moule tant jointes, le tout tait plac dans

    un petit four afin de scher les divers ciments pendant la nuit

    prcdant la coule.

    3 - Prparation des alliages:

    - Un lingot de fonte tait cass de faon fournir deux ou trois

    morceaux plus petits pouvant entrer d~ns le creuset du four.

    - Les pices de fonte taient nettoyes et la rouille enleve.

    Les pices ae fonte taient peses.

    Connaissant le poids de la fonte utilise dans une coule, les quantits

    d'acier, de ferro-manganse et de chr~e ncessaires pour obtenir une

    certaine composition chimique, taient calcules en rsolvant un systme

    de trois quations trois inconnues:

    47

  • 48

    (}

    Teneur en carbone: 422~ x M = 3,2% C Mtx+y+z

    80% x :z: == %Mn Mtx+y+z Teneur en manganse:

    '100% x z % Cr = M+X+y+z

    Teneur en chroma:

    o: M = masse de fonte

    x ... masse d'acier

    y = masse de ferro-manganse "~

  • ()

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    ___________ ._._ .. IEt ___ ... _!O"""~ .. __ . __

    49

    ./

    Les deux moitis du moule taient spares moins de dix minutes aprs

    la coule.

    3.2 - LES ANALYSES CHIMIQUES

    La teneur en manganse et chrome des boulets tait mesu~e par

    spectrophotomtrie d'absorption. Pour chaque coule, trois chantillons

    de 0,8 g. environ taient coups de la masse du jet de coule, puis pess

    avec prcision et dissous dans un mlange-d'a~e chlorydrique et d'acide

    nitrique.

    Le contenu en carbone de la fonte tait mesur avec un dtermi-

    nateur de carbone Leco ~ l'aide d'chantillons de 0,5 1,5 g. La cali-

    bration de l'appareil tait assure en la testant rgulirement avec des

    talons de composition connue.

    3.3 - LE TRAITEMENT THERMIQUE DES ,.,Betf\.ETS 1

    Le traitement thermique servait assurer la relaxation des

    contraintes thermiques et obtenir une certaine t~anBformatlon de l'aus-

    tnite rsiduelle. Il consistait porter les boulets une temprature

    o de 250 C pendant 100 heures. Trois des six boulets obtenus chaque

    coule ont subi ce traitement quelques jours avant le test d1abrasion.

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    3.4'- LE TEST DIA! 'ION

    t\

    al Les boulets Il 1. Les boulets d~ comparaison (ou de t~frence)

    En plus des boulets couls pour ce travail, il fut dcid d'u-

    tiliser pour le test d'abrasion trois autres types de boulets, disponi-

    bles dans le commerce. Ceci devrait permettre une comparaison des dif-

    frentes performances:

    des boulets haute teneur en chrome (2.5% C, 0.34% Mn, 13.0% Cr)

    des boulets au ni-cr (Ni-hard) (3.0% C, 0.40% Mn, 1.40% Cr, 2.75% Ni,

    0.19% Mo)

    des boulets en acier forg (1.0% C, 0.95% Mn).

    2. Prparation des boulets ,

    50

    Pralablement au test d'abrasion, il taiE ncessaire d'effec- ~

    tuer plusie~s oprations sur les boulets, ~"

    afin que le test soit le plus ~

    \ signifi~atif et le plus fiable possible.

    1 - D'abord ils taient usin,s, afin d'enlever les bavures et les mor-

    ceaux de mtal provenant du systme d'alimentation. La forme des

    boulets tait rendue la plus sphrique possible afin d'obtenir des

    rsultats reproductibles. Enfin, si ncessaire, tout matriau tran-

    ger, tel cimentd'alundum ou telles huiles carbonises tait soigneu-

    s~ent enlev.

    2 - Tous les diffrents groupes de boulets utiliss furent marqus et

    identifis l'aide de trous percs par des forets en carbure de

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  • 51

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    tungstne de 3,124 mm. de diamtre.

    3 - Enfin chaque boulet fut pes, au dixime de milligrmrume prs, de

    faon pouvoir calculer sa densit.

    b) L'identification des boulets

    1. Boulets d'acier forg

    Il ne fut pas ncessaire de marqu~r ces boulets puisque leur

    diamtre-lgrement suprieur (2,82 cm. au lieu de 2,5) permettait de , 1

    les distinguer facilement des autres boulets.

    2. Boulets Ni-hard

    Il ne fut pas ncessaire de marquer ceux-ci. Une couche d'oxy-

    -de leur donnait une couleur qui permettait de les identifier facilement.

    '. 1 >.1

    3. Boulets haute teneur en chrome

    r' Ces boulets constituaient la plus grande partie de la charge

    " du broyeur. Vingt furent marqus en perant un trou.

    4. Boulets expriments au Mn-Cr

    La tche d'identifier ces boulets tait assez complexe: qua-

    rante groupes diffrents en composition et en traitement thermique de-

    vaient tre distingus.

    L~ systme imagin fut d'attribuer chaque groupe une configu-

    () ration de deux'ou trois trous formant soit une ligne soit un triangle et

    se distinguant entre eux par l~ longueur de ladite ligne ou soit par la

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    longueur de deux cts du triangle. Dans le cas des triangles, les deux

    cts ,importants taient le plus court, qui servait de base, et le ct

    si tu ' la droite de cette base. Naturellement les triangles rcipro-

    ques ne furent pas utiliss afin de minimiser les sources de confusion

    possibles.

    .La distance entre ces points variait de 6 33 mm., par inter-

    valles de 3 1ljIIl., ce qui permettait d'utiliser 10 lignes de diffrentes

    ~on~ueurs.

    Cet intervalle de 3 mm. fut choisi parce qu'il semblait donner

    un compromis acceptable entre le nombre de configurations possibles et

    le danger de-eomp1iquer l'identification ultrieure par le perage acci-

    dente1 d'un trou une distance intermdiaire entre deux distances ta-

    Ions,

    Les dimensions volues taient mesures l'aide d'un court

    ruban de tissu non-extensible sur lequel des trous avaient t dcoups

    p ralab lemen t.

    Ce ~ystme comportait deux principaux dfauts. D'abord les ~I

    1 forets avaient une tendance glisser sur la surface courbe des boulets

    ce qui pouvait occasionner le percement d'un trou lgrement ct de

    l'endroit voulu. D'autre part lorsque des mesures taient faites avec

    le ruban, il tait difficile de trouver la plus petite distance entre ,

    deux points sur la surface sphrique d'un boulet.

    c) Le broleur

    Le broyeur utilis pour le test avait un diamtre de 40 cm et

    52

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    Figure 11 - Le moule ave~ Bon support et le brleur

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    -' . Figure 12 - Le broyeur

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    55

    une longueur de 40 cm. et tait mis en mouvement par un moteur 1ectri-

    que de 0,75 kw (1 hp) lui donnant une vitesse de rotation de 70 rpm

    (figure 12). {'

    Sur la pa~~ intrieure des barres de leve taient soudes

    4istance rgulire.

    La porte de dchargement du cylindrer comprenait deux parois.

    Une section de caoutchouc, servant donner une certaine tanchit ,au \

    broyeur, tait double par., une plaque d'acier. L'tanchit tait main-, .

    tenue par l'application d' une graisse minrale entre la sutface du cy-

    lindre et la paroi de caoutchouc et autour des crous.

    Une chute situe sur le ct de l' appareil permettait de vider

    rapidement et relativement proprement la charge ~ans un contenant appro-

    pri.

    L'exprience acquise au cours d'une exprience prliminaire a

    suggr une mthode plus rapide pour remplacer la charge sans avoir (

    vider et remettre en~,'Place tous les boulets chaque fois que l'on devait . i

    remplacer le matriel (abrasif. Cette mthode c'bnsista'it enlever la ,

    doublure de caoutchouc de la porte mtallique; de desserrer les crous

    et de retourner le broyeur. \

    Ain~i la plus grande partie' des matires liquides pouvait s' -

    chapper tandis que les boulets restaien,t emprisonns 1 t intrieur du

    broyeuf )

    Cette manoeuvre nous a permis de faire passer de 45 15 minu-

    tes la dure de l'opration de remplacement de 1 t abrasit tout en dimi-~

    nuant de b,eaucoup 1 t ampleur du travail physrlque. , ~

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    l S6

    Ainsi il s' avrai~ possible de remplacer l'abrasif dans la

    charge du broyeur quatre fois par jour plutt que deux fois.

    d) L'abrasif i

    1 L'abrasif utilis pour le test tait constitu par du sable de

    silice. La distribution granulomtrique de ce sabll'! est donne (tableau

    IV).

    La silice avait t choisie pour le test parce que c'est un

    matriau rencontr frquemment dans toute opration de broyage. De plus

    c' tai t un matriau particulirement dur pour un prix de revient Bllible.

    La duret de la silice assurait une usure des boulets mesurable dans un

    laps de temps relativement court.

    e) Broyage liquide i[

    Il a t dcid de faire le test dans d,es conditions de broyage

    humide parce que c'est la situation la plus courante dans l'industrie.

    La charge du broyeur

    Pendant toute la dure de l'exprience la charge du broyeur

    tait constitue des lments suivants: 1

    1. Les boulets ~talonsr ou de comparaison

    a) 20 boulets d'acier forg (2.82 cm.)

    b) 20 boulets ni-hard (2.5 cm.)

    c) 20 boulets haute teneur en chrome (2.5 cm.)

    2. Une centaine de boulets, en fonte blanche au manganse et au chrome,

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    TABLEAU IV

    DISTRIBUTION GRANULOMETRIQUE DU SABLE

    DE SILICE

    dimensi,9Jl' des particules (mesh)

    10

    - 10 + 14

    - 14 + 20 ~"

    - 20 + 28

    - 28 + 35

    - 35 + 48

    - 49 + 65

    - 6S

    ~

    moyenne de deux chantillons - ,

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    ,.

    %

    3,45

    20,35

    32,32

    33,02

    8,49

    2,12

    0,19

    0,04

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    l, j

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    ,-----------" -------

    couls pour ce travail.

    3. 55 kg. de boulets haute teneur en chrome composant la plus grande

    partie du matriau de broyage.

    4. 5 litres de sable de silice.

    5. 4 litres d'eau.

    Impo~~ce de luroportion de matire solide dans la charge du broyeur

    Le volume de la charge reprsentait la moiti de la capacit

    to tale du broyeur. Les quantits de sable' et d'eau avaient t dtermines t

    de faon remplir l'espace libre entre les boulets d'une mixture ayant

    une proportion de matire solide dtermine.

    La proportion de matire solide est un facteur trs important

    dans l'opration d'un broyeUl: car elle dtermine la valeur' de la visco-il

    sit du mlange. Par consquent, elle influence la cintique du broyage,

    J ce qui son tour influencera le rendement nergtique (la quantit d ,/-

    nergie ncessaire pour broyer une certaine quantit de minerai). le dbit

    dans le circuit de broyage et la distribution granulomtrique dr parti-",

    cules la sortie du broyeur (47).

    1. Si la pte est trop paisse, elle ralentira les boulets, rduisant

    2.

    3.

    la force des chocs jusqu' un point tel qu'elle sera insuffisante

    pour briser les particules. Il,est aussi possible que les boulets

    adhrent la paroi du broyeur.

    Si la pte est trop liquide, il y aura de plus en plus de contacts

    entre les boulets, ce qui causera un gaspillage d'nergie et une

    usure acc]re des boulets.

    Si la viscosit varie entre ces deux extrmes, cela entratnera un "\ ... ~

    1

    1 1

    1

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    r 59 !

    changement dns les deux fonctions de broyage des particules (breakage

    functions) qui dcrivent, l'une, le rythme de rupture des particule

    et l'autre la m~nire dont elles se brisent (la dimension et la dis-

    tribution granulomtrique des particules produites par le broyage). , . Le rsultat sera un

  • o

    --- --- --------

    au lieu de 20 ou 25 cm.) et qui ne sont pas dot s de barres de leve,

    a permis d'utiliser un pourcentage de matire solide plus prs de celui

    utilis dans l'industrie sans nuire au mouvement des boulets et au mca-

    nlsme d'abrasion.

    "'}

    f) Routine des 0Eerations Eendant le test

    1. Arrt du broyeur

    2. Vidange du sable broy

    3. Addition de sable et d'eau frais

    4. Mise en marche du broyeur.

    Tout ceci tait rpt quatre fois par jour, des intervalles

    d'approximativement trois heures. La charge n'tait pas remplace pen-",

    dant la nuit, mme si le broyeur tait en opration 24 heures par jour.

    L'exprience dura 17 jours, laps de ~emps au bout duquel, il fut jug

    que les boulets avaient t suffisamment uss. Environ 600 kg. de sable

    furent broyes au total.

    Une mesure de la distl;'ibution granulomtrique du sable aprs

    broyage a aussi t faite en' utilisant un sdigraphe (figure 29).

    A la 'fin de l'exprience. les boulets furent r:cupr"s, iden-

    tifies, c1as's's et pess.

    3. 5 - TESTS DE DURETE

    Tous les rsultats de test de duret (Rockwell ou Knoop) dans

    ce travail sont la moyenne d'un minimum de 5 mesures.

    , 60

    !

    1

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    1 1 1

    1

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  • ------------- ----_ . ...:.-_----

    61

    . --1 C)

    3.6 - METALLOGRAPHIE

    Un boulet de chaque groupe considr comme intressant, vu les /

    rsultats du test et les compositions chimiques~fut choisi p~ur examen

    mtallographique.

    A cause de la difficult de prlever un chantillon dans une

    sphre, les boulets furent mo~ts d'une pice dans de la rsine prise

    rapide.

    Aprs abrasion dp leur surface avec des bandes abrasives de

    plus en plus f.ines, le polissage final fut fait en deux tapes avec de

    l'alumine de 5 et 0,3 unde diamtre respectivemen~.

    Les solutions utilises ~our rvler, par attaque cbimique,

    la micro-structure des spcimens furent:

    alliage solution ...

    fonte h'lute teneur en t'rurome 1 partie de RNO 3, 2 parties

    de HCL et 3 parties de glycerol

    fonte Ni-hard picral

    acier forg nital

    fontes au manganse pic raI

    Les micro-structures furent observes l'aide d'un mjToscope mtallo-

    graphique Reichert.

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    CHAPITRE IV

    RESULTATS EXPERIMENTAUX

    4.1 - METALLOGRAPHIE

    L'examen mtallogra~hique de la microstructure des boulets a

    permis-l'observation de plusieurs phnomnes.

    a) Des phases prsentes

    Dans tO'ltes les microstructures observes, la cmentite formait

    une phase, continue autour de la matrice.

    Quant la matrice, forme des produits de la dcomposition de

    l'austnite, l'examen mtallographique a rvl diverses phases formes

    lors du refroidissement. La nature, la distribution et la quantit p~

    ~ente de ('es ptses sont: dtermines par la composition chimique, la vi-

    tesse de refro~ssement et le traitement thermique des divers groupes

    de boulets.

    Malheureusement, comme aucune mesure de la temprature du moule

    en fonction du temps n'a t enregistre pendant les diverses coules, il \,

    sera impossible de comparer les vitesses du refroidissement des boulets - Il ,

    pendant et aprs la solidification. Par consquent: il sera difficile '"

    de tenir compte, d'une coule l'autre, de l'effet possible sur la micro-

    structur~ finale de paramtres ayant vari, comme la temprature du metal

    1

    \

    \

    t 1

    r 1

    1 ! , , J

    ",

  • , i

    '1

    o

    1

    '-) (

    en fusion, la temprature du moule avant la coule. la temprature du 1

    moule son ouverture.

    63

    Deux phases peuvent tre identifiees comme les principaux cons-

    tituants de la matrice:

    1. Perlite: Extrmement fine. la rsolution des plaques de carbure

    et de ferrite n'a pu tre observe que dans un seul cas, ceiui de la cou-

    le #21, c'est--dire celle qui contient le moins d'lments d'alliage

    et aussi la moins dure. Cette observation n'a t possible qu'en utili-

    sant le plus grand grossissement disponil>]a (obj ectif avec immersion

    l'huile)

    Aprs une attaque chimique au picral, la perlite prend une cou-

    leur bruntre qui dans certains cas est unifor~e alors qu'en d'autres cas

    elle est plus ou moins fonce. Ces vari:ltions dans la couleur de la per-

    lite peuvent tre attribues des variations de l'orientation et de la

    finesse de la perlite, la forme des carbures (prsence possible de

    bainite) et de la distr:1.bution des lments d' all i..age.

    2. Austnite retenue: ~prs attaque chimique, elle demeure presque

    incolore, comme la cmentite. Aprs une attaque au picral, une seconde

    attaque l'aide d'une solution de mta-bisulfure de sodium permet de

    rvler des structures,bruntres et allonges, probablement de la ~r-~ .... !

    tenslte.

    Toutes les microstructures observes peuvent tre classes en

    deux types, selon la distribution des phases constituant la matrice: -1 - Celles 'ldont la matrice est constitue entirement de perlite.

    2 - Celles dont la matrice est constitue d'un mlange 'de perlite et

    ~ ! v ' '

    ~ ,

    1 1 !

    1

    1

  • --- ----------_._----,-~- ---- -_. ~--------/-'-_._----_.

    r i

    () '\ 1 1

    1 TABLEAU V \

    ANALYSE CHIMIQUE DES DIFFERENTES COULEES

    Cl (% EN POIDS)

    1

    co~ 1 % C %Mn % Cr

    ~ 1 /' J ,

    1 1

    1 3.2 3.4 0.0 1 2 3.3 3.2 \.... 0.6 1 l'

    1

    4 3.4 3.9

    5 3.3 2.3 -1

    ~

    0.0

    0.9

    l 7 3.3 3.25 3.5

    8 3.1 3.1 2.8

    9 3.3 2.35 2.8

    10 3.3 2.6 1.7

    11 3.1 2.5 1.5

    12 3.3 3.3 1.2

    16 3.3 2.95 1.9

    " ,/

    17 3.4 4.25 2.3

    18 3.5 4.8 1.1

    19 3.3 4.3 3.25

    20 3.5 4.2 0.9

    21 3.3 2.2 0.0 1-

    22 3.45 )

    4.15 \, 2.05

    23 3.2 5.5 0.0

    0 24 3.5 5.1 . 0.0 25 3.4 4.0 0.0 -

  • ':1 " , , ,...- \,

    ,;\'(

    o

    - :: "" '\ t~

    ': ~,

    -~ ,~ (?

    r~ h.

    o

    /

    - -~ ~~--- -----~------------------

    < -------------~---_ .. ...-.. - ~ 65

    d'austnite retenue.

    N.B.: La lettre Jar, suivant le chiffre [email protected]~un groupe de boulets._

    indique des boulets nI ayant pas s~bi de traitement thermique. -La lettre lb' indique des boulets ayant subi le traitement ther-

    mique. ' Le chiffre indique 1 r ordre chronologique des coules.

    DI aprs les figures 13, 14, 15, 16, les boulets contenant moins

    de 4% en poids de manganse ont tous une microstructure entirement perli-

    tique.

    Le chrome ne semble pas avoir d'effet visible sur la microstruc-

    ture. Les boulets la, figure 16, contiennent un peu d'austnite retenue,

    probablement due un refroi~ plus rapide dans ce cas.

    -~ _ Une microstructure typique des boulets contenant plus de 4% en

    poidR de manganse est montre sous un fort grossissement, par la figU~ 17. On peut y distinguer:

    Une grande quantit dl austnite reten