Vue d'ensemble boutons miniers en carbure de tungstène
Les boutons miniers en carbure de tungstène sont fabriqués en carbure de tungstène, l'un des matériaux les plus durs utilisés dans les applications industrielles. Ce sont des boutons extrêmement résistants à l'usure qui sont insérés dans les outils de creusement de l'industrie minière, tels que les excavateurs à roue-pelle, les têtes de forage, les cisailles et les mineurs continus.
Les boutons miniers en carbure de tungstène protègent les arêtes coupantes et les surfaces de ces machines qui doivent résister à des environnements de travail très abrasifs lorsqu'elles travaillent avec des roches dures. Les propriétés du carbure de tungstène en font un matériau idéal pour prolonger la durée de vie des équipements miniers et réduire la fréquence de remplacement des pièces d'usure.
Détails clés :
- Fabriqué en carbure de tungstène contenant plus de 90% de tungstène mélangé à du cobalt comme liant.
- Dureté extrême d'environ 90 sur l'échelle Rockwell A
- Résistance à la compression supérieure à 5500 MPa
- Densité élevée d'environ 15 g/cm3
- Très résistant à l'abrasion et à l'érosion
- Résiste aux chocs importants
- Résiste à la déformation à haute température
- Utilisé pour le revêtement des zones d'usure importante sur les machines d'extraction minérale.
- Protection contre les roches abrasives
- Réduit les temps d'arrêt pour la maintenance
- Il existe différentes formes : hexagonale, ronde, carrée, etc.
- Plusieurs tailles possibles à partir de 10 mm de diamètre
- Nécessité d'une fabrication de précision
Types de boutons miniers en carbure de tungstène
Il existe plusieurs types de boutons miniers en carbure de tungstène, classés en fonction de leurs propriétés, de leur méthode de fabrication et de leur application :
| Type | Dureté | Taille des grains | Propriétés principales | Principales applications |
|---|---|---|---|---|
| Boutons en carbure de tungstène | 88-90 HRA | Petits grains hétérogènes | Résistance aux chocs, solidité | Fraiseuses de route, cisailles |
| Boutons en carbure fritté | ~92 HRA | Grains moyens et serrés | Résistance à l'usure | Excavateurs à roue-pelle |
| Boutons en carbure PDS | Jusqu'à 96 ARH | Grains ultrafins et homogènes | Résistance extrême à l'abrasion | Mineurs en continu |
| Boutons en carbure avec TiC, TaC, NbC | Plus élevé selon l'additif | Dépend du WC utilisé | Caractéristiques mécaniques améliorées | Environnements très abrasifs |
| Boutons en composite carbure-céramique | >92 HRA | WC ultrafin avec céramique | Haute ténacité à la rupture | Impact moyen, abrasion élevée |
Boutons en carbure de tungstène sont des types plus résistants fabriqués en infiltrant des particules de carbure de tungstène dans un bain de fusion à base de cobalt. Ils présentent une dureté légèrement inférieure mais une plus grande résistance aux chocs. Ils conviennent aux machines d'exploitation minière telles que les têtes de forage et les cisailles.
Boutons en carbure fritté sont fabriqués à partir de poudres de carbure de tungstène contenant de petites quantités de cobalt ou de nickel, compactées à haute température pour former des boutons denses. Ils présentent une dureté plus élevée et sont utilisés sur les excavateurs à roue-pelle.
Boutons en carbure PDS utilisent des poudres de carbure de tungstène à grain extrêmement fin produites par des techniques de frittage avancées. Leur structure à grains fins leur confère une grande résistance à l'usure abrasive, ce qui leur permet de durer plus longtemps dans les mineurs continus.
Grades avec carbures de titane, de tantale ou de niobium en tant qu'additifs manifestent une plus grande ténacité à la rupture ou une plus grande résistance pour supporter les impacts importants lors du forage ou de l'excavation de matériaux rocheux durs.
Boutons en composite carbure-céramique fusionnent des particules de carbure de tungstène à grain fin avec un composé céramique tel que le carbonitrure de titane. Ils présentent les avantages combinés d'une grande dureté grâce à la céramique et d'une grande ténacité grâce au carbure de tungstène.
Propriétés des boutons de mine en carbure de tungstène
Les boutons miniers en carbure de tungstène possèdent des propriétés physiques et mécaniques exceptionnelles qui les rendent omniprésents dans les équipements d'excavation et de forage utilisés dans le secteur minier :
| Propriété | Valeurs |
|---|---|
| Composition chimique | WC plus de 90%, Co 6-10% |
| Dureté | 88 - 96 HRA |
| Densité | 14,95 - 15,10 g/cm3 |
| Résistance à la compression | 5500 - 8000 MPa |
| Résistance à la flexion | 3500 - 5500 MPa |
| Ténacité à la rupture | 8 - 15 MPa√m |
| Température de service maximale | 500°C dans l'air |
| Point de fusion | 2870°C |
| Coefficient de dilatation thermique | ~5 μm/m-K |
| Résistivité électrique | 25 - 35 μΩ-cm |
| Rapport de Poisson | 0.22 - 0.28 |
| Module de cisaillement | 3,5 - 6,0 GPa |
| Conductivité thermique | 60 - 90 W/m-K |
La résistance mécanique exceptionnelle, la densité élevée, la dureté extrême, les caractéristiques thermiques impressionnantes et la conductivité électrique font de ces boutons des éléments parfaits pour résister aux contraintes énormes exercées sur les équipements miniers. Les propriétés sélectionnées peuvent être encore améliorées grâce à des méthodes innovantes de traitement des poudres et de frittage ou par l'ajout de carbures métalliques spécifiques.
Caractéristiques du carbure de tungstène
Le carbure de tungstène possède certaines caractéristiques uniques qui lui permettent d'exceller dans les machines d'exploitation minière :
Dureté et résistance à l'abrasion extrêmes - D'une dureté rivalisant avec celle des diamants synthétiques et du nitrure de bore, les boutons miniers en carbure de tungstène résistent facilement aux chocs violents et aux éraflures causés par les trépans et les matériaux rocheux pendant l'excavation. La structure fine et dense des grains de carbure de tungstène permet difficilement aux particules solides de pénétrer à travers la surface des boutons, ce qui leur confère une résistance à l'usure remarquablement élevée.
Force et robustesse - Le carbure de tungstène associe des niveaux de résistance impressionnants, comparables à ceux des aciers alliés, à une ténacité raisonnable due au liant cobalt, qui empêche les ruptures fragiles soudaines grâce à des mécanismes d'arrêt de la propagation des fissures. Cela permet aux boutons d'exploitation minière d'endurer des charges cycliques sur des machines de forage, d'arrachage et de concassage avec des pics intermittents de forte contrainte.
Stabilité à haute température - Les attributs réfractaires du métal tungstène confèrent au composé une dureté substantielle à chaud, ce qui permet à l'équipement minier exposé à la chaleur de friction et aux températures élevées dans les profondeurs du sol de conserver une grande partie de sa résistance mécanique. Les boutons en carbure de tungstène durent plus longtemps que les alternatives en acier qui perdent leur dureté de façon précipitée au-dessus de 350°C.
Résistance à la corrosion et à l'oxydation - Les boutons en carbure de tungstène résistent à la dégradation due à l'humidité, aux solutions acides/alcalines, aux produits chimiques organiques, etc., ce qui permet une utilisation durable autour de minerais ou de minéraux corrosifs. Le liant cobalt peut toutefois être affecté dans des conditions extrêmes, ce qui nécessite l'utilisation d'autres liants. La résistance à l'oxydation dans les atmosphères sèches permet un fonctionnement durable, mais les boutons peuvent nécessiter des couches de céramique dans les environnements miniers très humides.
Résistance aux chocs thermiques - La capacité à supporter des cycles répétés ou des fluctuations des températures de fonctionnement sans se fracturer fait du carbure de tungstène un matériau bien adapté aux machines lourdes sujettes à de telles contraintes thermiques, en particulier lors des procédures de démarrage et d'arrêt sous terre. Sa conductivité thermique plus élevée que celle d'autres matériaux durs empêche l'accumulation localisée de gradients thermiques internes.
Conductivité électrique/thermique - Les boutons en carbure de tungstène conduisent relativement bien la chaleur et l'électricité grâce aux grains métalliques de tungstène. Certaines applications minières exploitent cet attribut au-delà de la simple résistance à l'usure, comme les électrodes pour l'usinage par décharge électrique (EDM) ou les éléments chauffants pour les cuves de fusion du minerai. Des qualités spécifiques présentent des conductivités beaucoup plus élevées.
Applications et utilisations
Boutons miniers en carbure de tungstène servent à diverses applications dans les processus d'extraction des minéraux et des métaux en raison de leurs propriétés physiques remarquables :
| L'industrie | Machines/équipements | Fonction |
|---|---|---|
| Exploitation minière souterraine | Tronçonneuses, cisailles, mineurs continus | Tampons de protection contre l'usure, pics de coupe, plaquettes de forage |
| Exploitation minière à ciel ouvert | Excavateurs à roue-pelle, systèmes de transport | Revêtement de roues, de boîtiers, de bandes transporteuses |
| Forage de pétrole et de gaz | Marteaux de fond de trou, trépans à marteau supérieur | Inserts et boutons sur les surfaces de perçage |
| Traitement des minéraux | Machines de broyage, tonneaux pulvérisateurs | Revêtement des zones à forte usure, éléments de percussion |
| Soudage et coupage | Torches à plasma, pointes de soudage | Conduits de courant, inserts d'orifice |
| Traitement des eaux usées | Roues de pompage de boues | Couche sur les surfaces manipulant des boues abrasives |
Exploitation minière souterraine Les machines de l'industrie minière permettent deux fonctions principales : le forage de trous et de tunnels dans la roche dure à l'aide de roadheaders, et l'extraction de filons de minéraux exposés à l'aide de cisailles et de mineurs continus. Les plaquettes en carbure arment les éléments de coupe, d'alésage et de broyage tels que les fraises à disque, les pics et les tambours, afin d'améliorer considérablement la durabilité et la productivité.
Exploitation minière à ciel ouvert Les excavatrices à roue-pelle permettent l'exploitation à ciel ouvert à faible coût, mais nécessitent des godets et des vis de convoyage revêtus de carbure de tungstène pour manipuler les minerais et les roches à fort coefficient de frottement. Même les camions transportant des agrégats bénéficient de boutons en carbure sur les surfaces de déversement.
A l'intérieur forage pétrolier et gazierLe carbure de tungstène, incroyablement dur et résistant à la température, facilite une pénétration économique et plus rapide à travers les couches de roches dures en garnissant les trépans et les composants des marteaux-piqueurs de fond de trou.
Pour traitement des mineraisLes boutons en carbure de tungstène permettent aux machines de broyage de minerais de pulvériser efficacement de grands volumes de gangue extrêmement abrasive contenant de l'or ou du platine. Les revêtements composites en carbure d'acier minimisent l'usure à l'intérieur des unités de concassage qui traitent le quartz, les silicates et les dépôts de cuivre abrasifs.
Les capacités de transport de chaleur et de courant du carbure sont utilisées dans les domaines suivants soudage pour fabriquer des électrodes et des buses d'arc à plasma durables résistant à l'érosion par fusion et aux températures élevées.
Spécifications
Les boutons miniers en carbure de tungstène sont disponibles dans des qualités standardisées, mais peuvent être fabriqués sur mesure pour répondre aux besoins d'équipements spécifiques ou aux conditions d'exploitation. Les principales spécifications sont les suivantes
Tailles et formes
- Boutons ronds de 10 mm à 100 mm de diamètre.
- Boutons carrés de 10 mm à 80 mm
- Variantes rectangulaires de 10x20mm à 50x100mm
- Formes hexagonales, octogonales et trapézoïdales possibles
- L'épaisseur des plaquettes de coupe varie de 0,5 mm à 20 mm en fonction de l'application.
- Configurations personnalisées créées en fonction de la géométrie des pièces de la machine minière
Propriétés mécaniques
- Teneur en cobalt comprise entre 6% et 30% en poids
- Dureté allant de 85 HRA pour les boutons résistants à 96 HRA pour une résistance extrême à l'abrasion
- Résistance à la rupture transversale de 3000 MPa à plus de 6000 MPa
- Teneur en carbure de tungstène minimum 90% pour garantir les performances.
Normes et grades
- La plupart des boutons sont fabriqués selon les normes ASTM, ISO ou des spécifications propriétaires.
- Spécifications ASTM communes - B777 et B779 concernant les propriétés des métaux durs en carbure de tungstène
- Nombreuses qualités exclusives basées sur la fonctionnalité prévue
Fabricants et fournisseurs
En tant que produit industriel spécialisé servant des applications de niche, les boutons miniers en carbure de tungstène nécessitent des techniques avancées de métallurgie des poudres combinées à un usinage de précision pour être façonnés en composants d'utilisation finale.
Les principaux fabricants mondiaux de boutons d'extraction en carbure de tungstène sont les suivants :
| Fabricant | Siège | Grades de produits |
|---|---|---|
| Sandvik | Suède | CC650, CC680, CC690, CC695 |
| Kennametal | ÉTATS-UNIS | Grade A, B, C, K68 |
| Ceratizit | Luxembourg | TAZ8880, TAZ1090 |
| Iscar | Israël | IC807, IC908 |
Les fournisseurs de boutons en carbure disposent généralement d'un stock de qualités et de tailles courantes et proposent une personnalisation en fonction des exigences de l'équipement minier. Les grands projets peuvent justifier un approvisionnement direct auprès des producteurs de carbure OEM.
Distributeurs en ligne offrent la possibilité d'acheter directement de plus petites quantités ou des échantillons de faisabilité dans leurs magasins de commerce électronique avant de s'engager dans des commandes en gros.
Analyse des coûts
Coût des matières premières - Le prix du tungstène est volatil, car il s'agit d'un métal rare qui dépend de l'offre et de la demande mondiales. Les prix varient entre $250-$400 par MTU de 88,5% de paratungstate d'ammonium. Les qualités dépendent des autres additifs de carbure.
Procédés de fabrication comme la préparation des poudres en plusieurs étapes, le pressage et le frittage à haute température augmentent le coût des produits. Les opérations supplémentaires de meulage au diamant et de découpe au laser augmentent le prix des composants de précision.
Boutons miniers en carbure de tungstène coût en moyenne $8 à $40 par kg en fonction de la taille, de la qualité requise, des volumes de commande et des niveaux de personnalisation. En général, les grands lots OEM sont les plus économiques.
Réduction des coûts opérationnels Les avantages d'une meilleure résistance à l'usure et d'une durée de vie plus longue compensent les coûts d'achat initiaux plus élevés. Prenez en compte le coût total de possession de l'équipement minier dans son ensemble.
| Coûts des boutons en carbure de tungstène | |
|---|---|
| Matières premières | $25 à $250 par kg |
| Fabrication | $15 à $30 par kg |
| Gamme de prix des produits | $40 à $300 par kg |
Inducteurs de coûtsLes critères de sélection sont les suivants : pureté de la matière première, taille de la poudre et méthode de traitement, niveau de dureté exigé, taille de la commande, traitements spéciaux tels que la mise en forme ou les revêtements, etc. La sélection des qualités est optimisée en fonction des besoins opérationnels.
Avantages et inconvénients
Avantages
- La dureté extrême évite l'usure prématurée.
- Résiste à des charges d'impact élevées sans se fracturer
- Résiste à l'abrasion des minerais et de la gangue
- Résiste à la chaleur, à la corrosion et à l'oxydation
- Réduction des coûts globaux d'exploitation des équipements miniers
- Prolonge la durée de vie par rapport aux pièces en acier
Limites
- Matériau fragile susceptible de se briser sous l'effet de la flexion
- Une ténacité à la rupture plus faible nécessite des supports de chocs
- Ébréchure des arêtes tranchantes en cas d'utilisation prolongée
- Attention aux procédures de brasage et de soudage
- Fabrication relativement coûteuse et poudre métallique
- La volatilité de l'offre inquiète quant à l'accès au tungstène
Pour la plupart des machines d'exploitation minière souterraine, les plaquettes en carbure de tungstène offrent des avantages considérables en termes de performances et d'économie par rapport aux autres solutions. Les progrès réalisés dans la technologie des liants et les qualités nanostructurées laissent présager des opportunités futures.
Le prix initial plus élevé reste le principal inconvénient, ce qui nécessite un placement optimal des plaquettes pour équilibrer la durabilité et les budgets. La dépendance à l'égard du cobalt pousse également au développement de nuances sans cobalt. Les accords de chaîne d'approvisionnement intégrée permettent d'atténuer les risques liés à la disponibilité des matières premières chez les principaux producteurs mondiaux de carbure.
FAQ
Q : Pourquoi choisir des boutons miniers en carbure de tungstène plutôt que d'autres matériaux ?
R : Les boutons miniers en carbure de tungstène sont plus performants que d'autres solutions telles que l'acier à outils, l'acier trempé, les soudures au plasma par recouvrement de carbure de chrome (CCO) et les inserts en céramique, et ce sur deux fronts essentiels : une dureté extrême d'environ 90 HRA, qui se manifeste par une résistance à l'usure, et une ténacité plus élevée due au liant métallique de cobalt, qui permet une durabilité contre les fractures. L'ingénierie de la nanostructure du carbure de tungstène ultrafin, associée aux pourcentages et aux propriétés de la matrice du métal liant, a ouvert la voie à des boutons combinant une dureté proche du diamant et une ténacité rivalisant avec celle des aciers alliés.
Q : Quelles sont les différentes méthodes de fabrication des boutons d'extraction ?
R : Les boutons en carbure de tungstène coulé voient le cobalt fondu s'infiltrer dans les particules de WC compactées, ce qui produit des boutons légèrement poreux d'une dureté plus faible mais d'une grande ténacité. Pour les boutons frittés, les matières premières en poudre sont comprimées puis traitées thermiquement sous vide, ce qui entraîne une densification et une liaison solide. Cela permet d'obtenir une microstructure de qualité fine avec une dureté HRA supérieure à 92. D'autres modifications de la poudre par séchage par pulvérisation avancé ou par pulvérisation/granulation, suivies d'une phase liquide optimisée ou d'un pressage isostatique à chaud, augmentent les performances en matière d'usure. Les boutons encapsulés intègrent l'ensemble du composite WC-Co dans un anneau d'acier, ce qui améliore l'absorption des chocs. Les traitements de surface tels que TiN, TiCN ou les couches de diamant sur les boutons ajoutent également de la fonctionnalité.
Q : Comment sélectionner la bonne qualité de carbure de tungstène ?
R : Optimiser le choix de la qualité en équilibrant la résistance à l'usure, la résistance aux chocs et le budget pour le composant spécifique de la machine minière en fonction des conditions opérationnelles prévues - intensité de l'abrasion ou de l'érosion, taille des particules manipulées, chocs, températures de fonctionnement, etc. Une microstructure plus fine et une dureté plus élevée garantissent une meilleure résistance à l'usure, mais une ténacité moindre et un prix plus élevé. Les applications extrêmement abrasives nécessitent des boutons de carbure PDS ultrafins ou des mélanges complexes de carbure métallique contenant des carbures de tantale ou de niobium dispersés dans la matrice WC-Co. Guide de base : plus la taille des grains de carbure est petite, plus les performances et le prix sont élevés. Pensez également à faire des essais sur site.
Q : Pourquoi le cobalt est-il le liant universel en carbure de tungstène pour les boutons miniers ?
R : Le cobalt élémentaire uniformément dispersé dans la matrice de carbure de tungstène agit comme un agent de collage qui confère une capacité d'arrêt des fissures et d'absorption des chocs aux particules de WC, par ailleurs fragiles. Ce mécanisme de durcissement du liant cobalt confère aux boutons miniers en carbure de tungstène une solidité, une dureté et une résistance à la rupture inégalées, ce qui leur permet de survivre à des environnements de creusement, de forage et d'écrasement difficiles et soumis à de fortes contraintes. Le cobalt possède des caractéristiques optimales de fusion, d'infiltration, de mouillage et de compatibilité mécanique, essentielles pour la production de métaux durs en carbure de tungstène par métallurgie des poudres basée sur le frittage en phase liquide. La recyclabilité du cobalt garantit également la sécurité de l'approvisionnement et la durabilité environnementale.
Q : Comment les boutons en carbure de tungstène sont-ils remplacés ou réparés ?
R : Les boutons endommagés présentant une usure, des fissures ou des parties manquantes doivent être remplacés immédiatement afin d'éviter une défaillance catastrophique de l'outil. Selon la philosophie de réparation des machines minières, les composants d'usure tels que les dents de godet, les pointes de coupe et les patins d'usure sont souvent remplacés après un certain seuil d'utilisation, tandis que les éléments porteurs critiques peuvent faire l'objet d'une remise à neuf mineure si l'intégrité technique reste intacte. Enlevez les boutons usés, nettoyez les trous de montage, assurez l'ajustement et fixez solidement les nouveaux boutons à l'aide de boulons, de brasure ou d'autres moyens spécifiques. Des gabarits de réajustement des boutons permettent un remplacement efficace. Les réparations impliquent un recouvrement limité des soudures ou des couches de diamant.
Conclusion
Les boutons miniers en carbure de tungstène offrent un avantage substantiel en termes de performances et d'économies dans les machines d'excavation utilisées dans les environnements miniers souterrains et de surface exigeants. Les innovations métallurgiques renforcent les propriétés les plus appréciées par les propriétaires d'actifs, à savoir la durée de vie, la résistance mécanique et la résistance à la température, tandis que les améliorations apportées au traitement des poudres rendent économiquement viables les carbures métalliques ultrafins ou à granulométrie complexe, adaptés à des types de roches ou à des conditions d'exploitation spécifiques. Avec leur impact profond sur l'efficacité opérationnelle et la réduction des temps d'arrêt, ces composants d'usure omniprésents représentent l'un des meilleurs investissements technologiques de l'industrie, comme le montre leur adoption croissante dans les catégories d'équipements de construction, de démolition et d'autres équipements hors route. L'accès assuré aux matières premières et la baisse des prix réels grâce aux initiatives de recyclage et à l'intégration de la chaîne d'approvisionnement avec les principaux producteurs mondiaux permettront d'étendre l'application à l'ingénierie générale. L'émergence des composites à base de carbone, des cermets et des matériaux alternatifs à base de nitrure de bore cubique promet toutefois de diversifier la gamme de produits pour créer des opportunités de fonctionnalité de niche à l'avenir.
