Plaques en carbure résistantes à l'usure sont des plaques techniques en carbure de tungstène qui offrent une excellente résistance à l'abrasion et aux chocs. Elles sont couramment utilisées dans les applications à forte usure dans les secteurs de l'exploitation minière, du traitement des minerais, de la sidérurgie, du ciment, du béton et d'autres industries.
Aperçu des plaques en carbure résistantes à l'usure
Les plaques en carbure résistantes à l'usure présentent les caractéristiques clés suivantes :
- Fabriqué en carbure de tungstène ou en carbure de chrome pour une dureté et une résistance à l'usure élevées.
- Incorporé dans une matrice métallique comme le fer, le nickel ou le cobalt qui retient le carbure dur.
- Résistance à l'abrasion par glissement et à l'impact sous forte contrainte
- Utilisé pour le revêtement des goulottes, trémies, cyclones, broyeurs, séparateurs et autres équipements à forte usure.
- Offrent une durée de vie 5 à 10 fois supérieure à celle des plaques d'acier ordinaires
- Réduire la fréquence de remplacement des pièces d'usure et prolonger les intervalles de service
- Disponible en différents pourcentages de carbure, liants et tailles.
Applications typiques :
- Exploitation minière - Chutes, trémies, alimentateurs à tablier, convoyeurs
- Traitement des minéraux - Cyclones, broyeurs, séparateurs
- Ciment - Chutes, glissières d'air, séparateurs, classificateurs
- Acier - Goulottes de transfert de charbon, cribles vibrants à coke
- Béton - Mélangeurs, seaux, points de transfert
Tailles typiques disponibles :
- Épaisseur : 10 mm à 50 mm
- Taille maximale : plaques de 2 m x 6 m
- Plaques personnalisées selon la conception
Normes :
- ASTM A532 : Plaques de carbure utilisant un liant cobalt/nickel
- ISO 532 : Plaques avec liant fer/nickel/cobalt
- Normes nationales en Australie, en Afrique du Sud
Composition des plaques de carbure résistantes à l'usure
Les plaques de carbure résistantes à l'usure ont la composition typique suivante :
| Composant | Description |
|---|---|
| Carbure | Carbure de tungstène WC (88%-97%) et petit carbure de chrome Cr3C2 (3%-12%) pour assurer la dureté et la résistance à l'usure. |
| Reliure | Cobalt, nickel ou fer pour maintenir les particules de carbure dans une matrice |
| Taille des grains de carbure | Carbures à macro-grains > 2,5 mm de diamètre avec une teneur en carbure >90% pour les applications à forte contrainte d'impact <br> Carbures à micro-grains de 0,5 à 2,5 mm de diamètre avec jusqu'à 97% pour une résistance maximale à l'abrasion. |
| Additifs | De petites quantités d'éléments tels que le carbone, le chrome, le manganèse et le silicium sont ajoutées au liant pour en optimiser les propriétés. |
Pourcentages typiques de carbure : 90%, 92%, 94% et 97%
Liants typiques : Nickel à 10-12%, Cobalt à 6-8% et Fer à 3-5%
Des pourcentages élevés de liant donnent des plaques plus souples et plus résistantes. Des pourcentages de liant plus faibles donnent des plaques plus dures et plus résistantes.
Propriétés des Plaques en carbure résistantes à l'usure
Les plaques de carbure présentent les propriétés typiques suivantes :
| Propriété | Valeur |
|---|---|
| Dureté | Jusqu'à 1700 HV (Vickers) pour le carbure de tungstène 97% qui est beaucoup plus dur que l'acier 400 BHN |
| La force | 500-1400 MPa de résistance à la compression et 120-250 MPa de résistance à la rupture transversale |
| Solidité | Jusqu'à 25 MPa√m pour les plaques de carbure à macro-grain |
| Densité | Environ 13 gm/cc à 15 gm/cc |
| Température de service | Jusqu'à 500oC |
| Conductivité électrique | Faible, en particulier avec les charges polymères |
| Non-magnétique | Sauf avec un liant en acier |
La dureté extrêmement élevée des plaques de carbure les rend très résistantes à l'abrasion, tandis que leur ténacité leur permet de survivre à des impacts importants. La dureté est souvent classée comme celle de l'acier à outils : C1, C2, etc. Des valeurs C plus élevées indiquent une plus grande résistance à l'usure.
Caractéristiques et avantages
Les plaques en carbure résistantes à l'usure présentent les caractéristiques et avantages suivants :
Caractéristiques
- Haute teneur en carbure de tungstène
- Grains de carbure uniformément dispersés
- Excellente liaison carbure-liant
- Faible porosité
- Structure optimale du grain
Avantages
- Jusqu'à 10 fois plus résistant à l'usure que l'acier
- Fournir une durée de vie prévisible
- Résiste à l'abrasion et aux chocs
- Réduction de la fréquence de remplacement des pièces d'usure
- Prolonger les intervalles de maintenance
- Réduire les coûts du cycle de vie et les coûts d'immobilisation
En améliorant considérablement la durée de vie des équipements, les plaques en carbure offrent un retour sur investissement très élevé en termes de réduction des coûts d'exploitation.
Processus de fabrication des plaques de carbure
Les plaques de carbure sont fabriquées à l'aide de techniques de métallurgie des poudres :
Les étapes
- Les poudres de carbure de tungstène et de carbure de chrome sont mélangées à des métaux liants.
- De petites quantités d'additifs sont incluses dans la poudre de liant.
- La poudre de carbure et de liant, soigneusement mélangée, subit une granulation pour une densité et une fluidité optimales.
- Il est compacté dans un moule à des pressions élevées, de l'ordre de 1000 à 1600 MPa, tout en étant chauffé par induction ou dans des fours de frittage.
- Le compact vert moulé subit un frittage final à une température de 1300oC à 1500oC dans une atmosphère d'hydrogène.
- Une imprégnation et une infiltration supplémentaires peuvent être effectuées pour améliorer encore les propriétés.
- La plaque frittée de haute densité est usinée, rectifiée et rodée si nécessaire pour obtenir une précision dimensionnelle et une finition de surface.
Les avantages de la métallurgie des poudres sont les suivants
- Microstructure homogène avec carbures uniformément répartis
- Densité presque totale et taille optimale des grains de carbure
- Excellente homogénéité des propriétés d'une plaque à l'autre
- Les plaques peuvent être fabriquées dans une large gamme de dimensions selon les besoins.
Applications des plaques en carbure résistantes à l'usure
Voici quelques applications typiques :
| L'industrie | Applications |
|---|---|
| Exploitation minière | Revêtements de goulottes, revêtements de trémies, revêtements de plateaux de camions, plaques de cribles à grizzly |
| Traitement des minéraux | Revêtements de broyeurs, cônes de classificateurs, embouts de cyclones, corps de pompes, chutes en spirale |
| Ciment | Chutes, glissières d'air, transfert de clinker, décharge du silo de mélange |
| Fabrication de l'acier | Marteaux et barres du concasseur de frittes, plaques de criblage du coke |
| Manutention des matériaux | Convoyeurs à vis dans les usines d'engrais, les lignes de granulation |
| La construction | Plaques de protection du godet dans les chargeurs sur roues, les bétonnières |
D'autres applications concernent les dragues, les excavateurs, le pétrole et le gaz offshore, le traitement de la biomasse, l'équipement de chaudière et les solutions d'usure personnalisées.
Les plaques de carbure et les équipements revêtus de carreaux ont une durée de vie typique de 12 à 36 mois en fonction de la sévérité de l'application, contre seulement 2 à 6 mois pour l'acier ordinaire. Cela permet de réduire considérablement la fréquence de remplacement et les coûts associés.
Fournisseurs de plaques de carbure
Les principaux fournisseurs mondiaux de solutions d'usure en carbure de tungstène sont les suivants :
| Marque | Description |
|---|---|
| Hardox HiCr | Plaques d'usure en carbure de chrome à liant ferreux de SSAB, Suède |
| Ultima | plaques de carbure liées au cobalt de Castolin Eutectic / Messer |
| Durmax | Plaques de carbure de Durum, Allemagne, avec du nickel ou du carbure de chrome supplémentaire |
| Carbure Metso | plusieurs qualités de carbure en fonction de la taille des grains et du liant |
| ESCO | Offre des accessoires Platewelder pour fixer des plaques en carbure sur les marteaux, les godets, etc. |
Les plaques de carbure sont vendues en fonction de la taille, du pourcentage de carbure, du type de grains de carbure utilisés et des propriétés requises pour l'application.
Les prix varient considérablement en fonction des spécifications du produit, de 20 USD par kg à plus de 100 USD par kg. Des quantités minimales de commande et de longs délais de livraison peuvent être appliqués.
Considérations relatives à la conception des revêtements d'usure en carbure
Quelques aspects clés de la sélection et de la conception :
Épaisseur de la plaque - Les plaques plus épaisses ont une durée de vie plus longue mais peuvent se fissurer en cas d'impact excessif. La règle de base est de ne pas dépasser 3 fois la taille de l'aliment.
Méthode de fixation - La fixation mécanique offre plus de flexibilité que le soudage direct. Permet le repositionnement et le remplacement séquentiel des plaques individuelles.
Utiliser plus de plaques - Plusieurs plaques plus fines sont plus efficaces qu'une seule plaque épaisse pour supporter les contraintes thermiques et les chocs. Permet un remplacement plus rapide des plaques endommagées.
Finition de la surface est critique - les plaques en carbure nécessitent généralement un usinage supplémentaire et un recouvrement par pulvérisation métallique pour un ajustement optimal. Les écarts peuvent entraîner une usure irrégulière et des défaillances.
Scellement des joints - Utiliser des joints, des recouvrements en PRV ou des filets résilients pour empêcher l'entrée de matériaux derrière les plaques, ce qui pourrait les arracher.
Forme et couverture - Assurer une couverture adéquate des zones d'impact, des transitions, des coins et des arêtes. Une mise en forme personnalisée en fonction des schémas d'usure est nécessaire.
Structure de soutien doit être rigide - un support lâche entraînera la fissuration de la plaque sous l'effet des chocs et des vibrations.
Spécifications
Spécifications typiques des plaques en carbure résistantes à l'usure inclure :
Notes
| Grade | Description |
|---|---|
| C1 | Mélange de carbure de tungstène et de chrome avec du cobalt 8-12% pour une excellente résistance aux chocs |
| C2 | Comme C1 mais avec une ténacité légèrement inférieure et une résistance à l'usure plus élevée |
| C3 | Principalement du carbure de tungstène avec un liant en acier ou en nickel pour les applications avec une abrasion de glissement très élevée. |
Tailles
| Paramètres | Gamme |
|---|---|
| Épaisseur | 10 mm à 50 mm |
| Largeur | Jusqu'à 2000 mm |
| Longueur | Jusqu'à 6000 mm |
Normes
| Standard | Description |
|---|---|
| ASTM A532 classe I | Composition chimique, taille des grains et propriétés mécaniques |
| ASTM A532 classe II | Critères supplémentaires de résistance à la rupture transversale |
| ISO 532 | Grains de carbure enrobés dans un liant à base de groupe de fer |
Propriétés typiques
| Grade | % Carbure | Dureté | Valeur d'impact | Taux d'usure |
|---|---|---|---|---|
| C1 | 88-92% | Jusqu'à 65 HRC | Plus de 25 MPa√m | Moins de 8 cu mm par kg |
| C2 | Jusqu'à 95% | Plus de 70 HRC | 15-25 MPa√m | 4-7 cu mm par kg |
| C3 | Au-dessus de 97% | Plus de 75 HRC | Moins de 15 MPa√m | 2-4 cu mm par kg |
Lorsque la dureté augmente, la résistance aux chocs diminue, mais la résistance à l'usure augmente. Un équilibre optimal est nécessaire en fonction des conditions d'utilisation.
Comparaison des plaques en carbure
Par rapport à l'acier au chrome et au manganèse
| Paramètres | Plaque de carbure | Plaque d'acier chromé |
|---|---|---|
| Dureté | Jusqu'à 75 HRC | Max 50 HRC |
| La force | 1000-1400 MPa | 800 MPa |
| Solidité | 10 MPa√m | Jusqu'à 30 MPa√m |
| Résistance à l'usure | Excellent | Juste |
| Taux d'écrouissage | Faible | Haut |
| Température de service | 500oC | 800oC |
| Prix | 4 à 10 fois plus élevé | Plus bas |
| Applications | Optimal pour une forte abrasion/impact | Utilisé pour une usure faible/moyenne et une température élevée |
Plaques de carbure à micro-grain ou à macro-grain
| Paramètres | Micro grain < 2,5 mm | Macro grain > 2,5 mm |
|---|---|---|
| % Carbure | Jusqu'à 97% | 88-93% |
| Dureté | Plus de 70 HRC | Jusqu'à 65 HRC |
| Solidité | Plus faible à 10-15 MPa√m | Plus élevé à plus de 20 MPa√m |
| Taux d'usure | Excellent à 2-5 cu mm | Très bon à 5-10 cu mm |
| Prix | Plus élevé | Plus bas |
| Applications | Forte abrasion mais impacts moindres | Excellent pour les applications à fort impact |
Les plaques à micro-grains offrent la plus grande résistance à l'usure, tandis que les plaques à macro-grains supportent mieux les impacts. Le choix dépend de la nature du mécanisme d'usure : abrasion par glissement ou impact sous contrainte.
Comparaison des composites céramiques contre l'usure
Les composites d'usure en céramique tels que l'alumine, le carbure de silicium et la zircone présentent les différences suivantes par rapport aux plaques en carbure :
Avantages
- Dureté extrême de plus de 2000 HV
- Résistance maximale à l'abrasion
- Stabilité à haute température supérieure à 800°C
- Densité inférieure à 5 gm/cc
- Ne produit pas d'étincelles et n'est pas magnétique
Inconvénients
- Fragile avec une très faible ténacité
- Vulnérable aux chocs thermiques
- Faible solidité et mauvaise résistance aux chocs
- Coûts plus élevés pour les solutions personnalisées uniquement
Applications :
Les plaques d'usure en céramique sont optimales pour l'abrasion de particules fines à des températures élevées, au-delà de la capacité des plaques en carbure. Mais elles nécessitent des conditions de fonctionnement très contrôlées.
FAQ
Q : Pourquoi les plaques en carbure sont-elles si chères par rapport à l'acier ordinaire ?
R : Les plaques de carbure contiennent 10 fois plus de carbure de tungstène, qui est environ 40 fois plus cher que l'acier. Elles nécessitent également une fabrication spécialisée par métallurgie des poudres et un traitement approfondi pour obtenir des propriétés optimales. Mais elles offrent une durée de vie 5 à 10 fois plus longue, ce qui justifie l'investissement.
Q : Qu'est-ce qui fait que les plaques de carbure se fissurent ou se cassent prématurément ?
R : La plupart des ruptures de fissures sont dues à des surplombs non soutenus, à un support mal fixé, à des matériaux tassés derrière les plaques provoquant une action de levier, à des impacts excessifs dépassant les spécifications de conception, à un contrôle de qualité médiocre ou à une installation incorrecte.
Q : Comment fixer les plaques d'usure en carbure sur les équipements ?
R : La fixation mécanique à l'aide de boulons en alliage de haute qualité permet d'enlever ou de repositionner les plaques individuelles. Les recouvrements soudés, le soudage au gaz inerte de tungstène (TIG) et la pulvérisation de métal assurent une fixation permanente mais pas de flexibilité.
Q : Quelle maintenance est nécessaire pour les équipements à revêtement en carbure ?
R : Au-delà des inspections de routine, l'entretien est très limité en raison de la longue durée de vie du produit. Les plaques individuelles peuvent être remplacées au fur et à mesure qu'elles s'usent en fonction de la perte d'épaisseur. Cela permet d'éviter les temps d'arrêt coûteux liés aux remplacements complets nécessaires avec les revêtements en acier.
Conclusion
Les plaques en carbure de tungstène offrent des avantages considérables en termes de performances et d'économie dans les services d'abrasion et d'impact. Grâce à une conception initiale optimale tenant compte des schémas d'usure, des mécanismes et de la durée de vie souhaitée, elles permettent aux équipements de traitement de faire face à des conditions extrêmes dépassant les limites des aciers ordinaires. Leur adoption généralisée continue de croître à mesure que les clients réalisent le retour sur investissement élevé que représente la réduction des coûts d'exploitation.
