Boutons miniers en carbureégalement appelés boutons en carbure ou boutons en carbure de tungstène, font partie intégrante des machines et équipements d'exploitation minière. Fabriqués en carbure de tungstène, ces composants d'usure très résistants protègent les trépans et autres outils d'attaque du sol contre l'abrasion et les contraintes d'impact pendant les opérations minières exigeantes.
Ce guide fournit une vue d'ensemble des boutons miniers en carbure, couvrant la composition, les propriétés, les normes de fabrication, les applications dans les secteurs des minéraux, des métaux, du charbon et des agrégats, les fournisseurs mondiaux et les coûts. Les comparaisons techniques permettent une sélection éclairée, tandis que l'analyse des experts donne des indications techniques sur l'optimisation des performances des boutons dans des conditions rocheuses variées.
Bouton en carbure Composition
Le carbure de tungstène, souvent désigné par la formule chimique WC, constitue le matériau composite de base des boutons en carbure. Il se compose d'atomes de tungstène (W) alliés à des atomes de carbone (C) par le biais de techniques de métallurgie des poudres (broyage, pressage et frittage à haute température).
La proportion précise de carbone détermine les valeurs de dureté, de ténacité et de résistance à l'usure. Les normes industrielles courantes exigent une teneur en carbone de 5,5-6,5% dans les qualités de carbure de tungstène pour les boutons d'exploitation minière.
| Élément | Composition par poids % |
|---|---|
| Tungstène (W) | 94 – 95% |
| Carbone (C) | 5.5 – 6.5% |
Tableau 1 : Composition du matériau du bouton en carbure
Pour augmenter certaines propriétés telles que la résistance à l'érosion ou la conductivité thermique, de faibles pourcentages d'autres métaux réfractaires sont mélangés :
- Carbure de titane (TiC) améliore l'inertie chimique, cruciale pour les conditions hautement abrasives et corrosives
- Carbure de tantale (TaC) améliore la ductilité et la résistance aux chocs au détriment de la dureté
- Carbure de niobium (NbC) facilite le contrôle de la taille des grains pendant le frittage
| Élément d'alliage | Gamme de composition | Propriété principale améliorée |
|---|---|---|
| Carbure de titane (TiC) | 0 – 8% | Résistance à la corrosion |
| Carbure de tantale (TaC) | 0 – 6% | Solidité |
| Carbure de niobium (NbC) | 0 – 5% | Résistance à l'usure |
Propriétés des boutons en carbure
La combinaison des attributs réfractaires du tungstène et des tendances au durcissement des métaux du carbone permet d'obtenir un mélange unique de carbure cémenté aux propriétés physiques exceptionnelles, bien adapté aux fonctions minières à fort impact.
| Propriété | Mesures |
|---|---|
| Densité | 14,3 - 15,1 g/cc |
| Résistance à la compression | 5,5 - 6,1 GPa |
| Dureté | 86 - 91 HRA |
| Résistance à la rupture | 9 - 15 MPa√m |
| Température de service maximale | 500°C |
| Conductivité thermique | 60 - 90 W/mK |
| Coefficient de dilatation thermique | 5,3 - 6,1 x 10-6 /K |
Dureté s'approchant du diamant font du carbure un matériau extrêmement résistant à l'usure, capable de supporter des manipulations de minerais très abrasives. Solidité confère une tolérance aux dommages contre les charges d'impact soudaines. Haute température assure une performance constante des boutons en carbure dans les environnements chauds lors du forage ou du concassage de roches.
Caractéristiques thermiques deviennent vitales lorsque les boutons subissent des cycles de chaleur répétés, générés par la friction, en raison de l'engagement du matériau en mouvement. Une conductivité suffisante empêche la surchauffe, tandis que les coefficients de dilatation minimisent les fissures thermiques.
Boutons standard en carbure
Afin de garantir que les grades possèdent les attributs de qualité nécessaires pour les conditions d'exploitation minière difficiles, les boutons en carbure sont fabriqués et testés pour se conformer aux classifications industrielles ci-dessous :
| Standard | Description | Application |
|---|---|---|
| ISO 513:2004 | Spécifications techniques du carbure de tungstène | Base de toutes les normes nationales et régionales |
| ASTM B777 | Analyse de la composition du WC-Co | Référence Amérique du Nord |
| GB/T 4861-2006 | Norme chinoise | Largement adopté sur les marchés asiatiques |
| IS 6475:1971 | Norme indienne | Boutons pour les acheteurs subcontinentaux |
| BS EN ISO 513:2019 | Norme britannico-européenne | De plus en plus utilisé avec l'ISO |
Elles prescrivent des sous-ensembles de matériaux d'outils en carbure de tungstène (WC) regroupés en Grades P/M (méthodes de métallurgie des poudres) qui se différencient principalement par la teneur en liant de cobalt (Co) et la taille des grains, par exemple :
La nuance de carbure P/M-01 contient des grains de WC d'une taille moyenne de 1 μm avec un pourcentage de liant Co < 6%.
Les opérateurs sélectionnent les spécifications appropriées pour l'approvisionnement régional, en veillant à ce que les boutons résistent de manière fiable aux contraintes de l'exploitation minière.
Tailles des boutons en carbure
Les boutons en carbure pour les perforateurs de roches et les machines de concassage sont disponibles dans des dimensions spécifiques, mesurées en volume plutôt qu'en dimensions. Les tailles les plus courantes sont les suivantes :
- 16mm3
- 20mm3
- 25mm3
- 32mm3
Des plaquettes plus grandes avec un volume de 50 mm3 sont également disponibles pour les applications à fort impact telles que le forage souterrain de roches dures.
Les valeurs dimensionnelles se traduisent approximativement par
- 16mm3 = 4,5mm de diamètre x 5,5mm d'épaisseur
- 32mm3 = 6mm de diamètre x 6,5mm d'épaisseur
Consulter les catalogues des fabricants pour identifier les dimensions exactes des boutons répondant aux spécifications de taille requises. Faire correspondre les diamètres des tiges des forets correspondants.
Grades de boutons en carbure
Les qualités de carbure se différencient en fonction de la proportion d'éléments d'augmentation clés mélangés à la matrice de carbure de tungstène afin d'améliorer certaines propriétés cruciales pour des caractéristiques de roches et des conditions d'exploitation particulières.
| Grade | Description | Propriétés améliorées |
|---|---|---|
| C1/C2 | Carbure de tungstène pur | Dureté et résistance à l'usure |
| C3 | + Carbure de titane | Haute résistance à l'abrasion et inertie chimique |
| C5 | + carbure de tantale/niobium | Grades plus robustes pour les charges de choc élevées |
| C6/C7 | Inhibiteurs de croissance des grains | Résistance aux chocs thermiques |
| C8/C9 | Grains fins < 1μm | Solidité et résistance à l'usure |
Il existe plus d'une centaine de qualités de WC homologuées pour diverses utilisations industrielles. Consulter les fournisseurs pour choisir la qualité optimale pour chaque site de forage en fonction des critères suivants :
- Dureté des roches : granit, basalte, calcaire
- Teneur en minéraux : quartz, silicates
- Résistance à la compression/à la traction
- Niveau d'abrasivité : non abrasif, semi-abrasif, très abrasif
- Niveaux de poussière et d'humidité
L'adaptation de la nuance de carbure aux conditions réelles du terrain garantit un forage rentable et une durée de vie maximale du bouton.
Applications minières des boutons en carbure
Exploitation minière à ciel ouvert
Les foreuses rotatives et à percussion équipées de mèches en acier trempé, en diamant compact polycristallin (PDC) ou de mèches à rouleaux tricônes dotées d'inserts en carbure pénètrent dans les morts-terrains pour accéder aux gisements minéraux enfouis. Les boutons en carbure dans les couronnes des trépans facilitent également la fragmentation mécanique des roches, ce qui améliore le rendement des concasseurs.
Certaines mines à ciel ouvert utilisent des systèmes de broyage semi-autogène (SAG) contenant de grands tambours de broyage en alliage ou en acier à clous internes avec des boutons en carbure de tungstène. Lorsque la boue remplit la chambre rotative, les roches solides qui s'agitent violemment à l'intérieur sont pulvérisées en fines particules par le placement stratégique de boutons en carbure sur les parois du tambour.
Exploitation minière souterraine
Les tunneliers conçus pour l'excavation souterraine sont équipés de fraises à disque constituées d'anneaux rotatifs en acier ou de burins renforcés par des plaquettes rectangulaires en carbure cémenté. Le carbure frappe et ébrèche les parois du tunnel avec d'énormes charges ponctuelles, tout en protégeant les corps des fraises contre l'usure.
Les tondeurs de longues parois qui coupent le charbon dans des galeries souterraines étroites utilisent des pics de coupe en carbure de tungstène à bouts pointus pour extraire continuellement les longs parements. Le frottement intense et les températures dégradent rapidement les surfaces d'acier exposées. Les inserts en carbure limitent l'usure des pics vitaux pour le travail au sol.
Bouton de mine en carbure Fournisseurs
La Chine, l'Inde et les États-Unis sont les principaux producteurs de composants en carbure cémenté. Les principaux fabricants et fournisseurs OEM d'inserts en carbure sont les suivants :
Chine
- ZhuZhou JingGang Cemented Carbide Co.
- Zhuzhou Better Tungsten Carbide Co.
- Zhuzhou Kelite Tungsten Carbide Co.
- Institut de recherche sur les outils de Chengdu
Inde
- Outils en carbure Modi
- Volzhsky Abrasive Works
- Midas Minmet
États-Unis
- Boutons en carbure Rockmore
- CR Industries
- Western Drill Toolings
Nombre d'entre eux vendent également leurs produits par l'intermédiaire de magasins en ligne sur des plateformes telles qu'Alibaba et Made-in-China. Les revendeurs proposent des échantillons d'essai en petits lots avant de passer des commandes en gros.
Coûts des plaquettes en carbure pour boutons
Coût approximatif des boutons miniers en carbure 5 à 9 USD basé sur :
- Taille : les boutons plus grands de 32 mm3 sont presque deux fois plus chers que les versions plus petites de 16 mm3.
- Catégorie : la catégorie C3, résistante à l'abrasion, 10-15%, est plus coûteuse que la catégorie C1.
- Quantité commandée : les commandes en gros à partir de 5000 pièces bénéficient de tarifs réduits.
- Tarifs régionaux : Les prix du carbure chinois restent très compétitifs par rapport aux fournisseurs américains et européens.
| Paramètres | Fourchette de prix (USD par pièce) |
|---|---|
| Par taille → | |
| 16mm3 | 4.0 - 6.0 |
| 20mm3 | 5.5 - 8.0 |
| 25mm3 | 6.0 - 9.0 |
| 32mm3 | 7.5 - 12.0 |
| 50mm3 | 13.0 - 18.0 |
| Par année d'études → | |
| C1/C2 | 5.0 - 7.0 |
| C3 | 6.5 - 9.0 |
| C5 | 7.0 - 10.0 |
| Par quantité commandée → | |
| < 1000 pièces | 8.0 - 15.0 |
| 1000 - 5000 pièces | 6.0 - 10.0 |
| > 5000 pièces | 4.0 - 8.0 |
Tableau 6 : Bouton d'extraction en carbure estimations de prix
Avantages et inconvénients des boutons en carbure
| Avantages | Inconvénients |
|---|---|
| Dureté extrême résistant à l'usure par abrasion | Vulnérable à la corrosion chimique |
| Le contact métal-roche minimise la surchauffe du forage | La nature fragile risque de se briser et de se fissurer |
| La résistance élevée à la compression permet de supporter de lourdes charges | La teneur élevée en tungstène augmente les coûts de fabrication |
| Il existe de multiples options de niveau pour des conditions variées | Limite de température légèrement inférieure à celle des autres superalliages |
| Composition recyclable par traitement des poudres | Pas de dimensions industrielles standard, contrairement aux inserts de cônes à rouleaux |
Tableau 7 : Comparaison des avantages et des inconvénients des boutons en carbure
Conseils d'experts pour optimiser les performances des boutons en carbure
Des ingénieurs miniers et des opérateurs de forage chevronnés présentent les meilleures pratiques sur le terrain pour optimiser l'application des boutons en carbure :
Éviter les surcharges de forage soudaines
Engagez progressivement les boutons dans la roche dure pour éviter une fissuration immédiate induite par la contrainte, qui entraînerait une usure prématurée une fois que l'acier sous-jacent est exposé. Laissez les marteaux à percussion ou les dents des cônes à rouleaux dotés de boutons en carbure pincer doucement la surface de la roche avant d'augmenter la pression d'indentation.
Sélectionner les boutons en fonction de la possibilité de forage de la roche
Les roches sédimentaires plus tendres, comme le charbon de lignite et le calcaire, ne requièrent qu'une qualité de carbure C1 de base pour minimiser les coûts. Les roches ignées/métamorphiques plus dures contenant plus de silice/quartz exigent des carbures de qualité supérieure à grain ultrafin avec des inclusions de carbures de titane et de niobium qui augmentent les performances de résistance à l'usure.
N'utilisez des boutons plus grands qu'en cas de nécessité
Les plaquettes de plus grand diamètre présentent sans aucun doute une meilleure résistance aux chocs que les plaquettes de plus petit diamètre. Cependant, le prix plus élevé par pièce n'a de sens économique que dans des conditions très abrasives qui provoquent une usure rapide des petits boutons exposant la matrice d'acier. Il convient de classer le carbure de façon appropriée au lieu d'augmenter arbitrairement la taille.
Préchauffage dans des environnements extrêmement froids
Le réchauffement par friction dû à l'interaction de l'abrasif avec les roches compense quelque peu les températures glaciales dans des régions comme l'Alaska ou la Scandinavie. Néanmoins, les experts recommandent un préchauffage en douceur à l'aide de torches au propane pendant plusieurs minutes avant d'engager les mèches à très haute vitesse, afin de minimiser le risque de fissures dues au choc thermique.
Nettoyer régulièrement pour éviter le colmatage
La poussière mélangée à l'eau forme une boue abrasive qui colle entre les bords des boutons et remplit les trous dans les têtes de trépan. Un nettoyage manuel régulier ou un lavage par jet d'air à haute pression prévient le colmatage et assure un transfert sans heurts des charges de percussion et des liquides de refroidissement sur les trépans.
Réutilisation malgré une légère usure L'idéal est de remplacer les boutons lorsque l'usure atteint une profondeur de 0,5 mm. Toutefois, compte tenu de leur prix élevé, les opérateurs réutilisent les inserts malgré une usure de 1 mm jusqu'à ce que le diamètre total diminue de 2 mm. Cette utilisation prolongée n'est possible que dans les formations homogènes et stables. Dans le cas contraire, la capacité de forage de la roche est gravement affectée.
FAQ
Q : Pourquoi utiliser du carbure pour les boutons d'exploitation minière plutôt que d'autres matériaux ?
- Le carbure possède la combinaison idéale d'une dureté proche de celle du diamant et d'une ténacité métallique nécessaire à l'intégrité du forage dans le cadre d'une utilisation prolongée et exigeante dans les industries lourdes telles que l'exploitation minière. Les céramiques comme le nitrure de silicium sont plus dures mais ont tendance à être fragiles. L'acier inoxydable offre la ténacité au détriment de la résistance.
Q : Quelles sont les causes de l'usure des boutons en carbure ?
- L'abrasion des particules de silice/quartz présentes dans les roches frotte le liant qu'est le cobalt, exposant d'abord la matrice poreuse de carbure de tungstène qui accélère l'usure. Les températures élevées ramollissent encore le cobalt. Les chocs sous contrainte finissent par provoquer des fissures qui entraînent la rupture.
Q : Comment vérifier la qualité d'un bouton en carbure de tungstène ?
- Il est recommandé de se procurer les boutons directement auprès des fabricants de marque pour s'assurer de la qualité du matériau. Pour les boutons provenant de tiers, vérifiez la microstructure au microscope électronique pour vous assurer que la taille des grains de WC est fine et uniforme. Utilisez ensuite l'indentation Rockwell pour vérifier que les valeurs de dureté se situent dans la plage attendue pour la nuance de carbure indiquée. Ces contrôles certifient que les normes de qualité minimales sont respectées.
Q : Qu'est-ce qu'un embout à bouton en carbure de tungstène renouvelable ?
- Des mèches spéciales permettent d'insérer les boutons détachés dans des trous transversaux le long de la matrice d'acier. Lorsque les boutons exposés s'érodent à l'usage, la rotation permet d'en découvrir de nouveaux. Ce renouvellement réduit les temps d'arrêt associés au remplacement de trépans entiers. Cependant, le mouvement des boutons libres risque d'entraîner une usure inégale. Le prix reste également plus élevé.
Q : Peut-on réutiliser les boutons en carbure usés ?
- Oui, le recyclage permet la réutilisation. Les plaquettes usées contenant au moins du carbone 30% sont soumises à des méthodes de dissolution séparant les intermédiaires de tungstène comme l'APT/ADT pour les poudres, tandis que le tungstène lui-même est réduit et cémenté pour redevenir une matière première fraîche de carbure cémenté afin de produire de nouveaux boutons par la voie de la métallurgie des poudres.
Q : Les qualités de carbure varient-elles selon les secteurs miniers ?
- Le charbon est plus tendre que les mines de métaux qui elles-mêmes forent des minerais moins abrasifs que les minéraux non métalliques ou les carrières d'agrégats. Par conséquent, les qualités de base avec un liant au cobalt 6%, telles que C1 ou C2, couramment utilisées dans les tambours de cisaillement, devraient suffire pour le charbon, tandis que les qualités ultrafines renforcées au titane et au niobium les plus élevées, telles que C8 ou C9, sont nécessaires pour les travaux de carrière.
