Vous êtes ici : Accueil1 / Littérature Technique2 / Devenez un expert dans la gestion de l’usure par impact abrasion / cho...
Devenez un expert dans la gestion de l’usure par impact abrasion / choc
L’usure par impact abrasion ou plus communément appelée choc abrasion ou choc, a cela de particulier qu’elle ne procède pas comme les autres phénomènes d’usure comme l’abrasion seule.
L’abrasion consiste à enlever de la matière du substrat par le passage d’une particule abrasive alors que les phénomènes d’impact abrasion modifient la structure interne du substrat.
Il existe alors deux cas de figure :
- Le substrat est dur et fragile, alors l’énergie transmise à la pièce fragmente localement le substrat ou le brise totalement,
- Le substrat est ductile, alors l’énergie transmise à la pièce déforme la surface et modifie la microstructure du substrat, favorisant ainsi sa dégradation ultérieure par un autre choc.
La difficulté d’appréhender ces usures par impact abrasion c’est qu’elle s’accompagne très souvent d’autres phénomènes d’usure (abrasion, température, friction métal-métal, …).
Comment dans ce cas bien appréhender la part de l’impact abrasion des autres phénomènes ?
1. L’usure par impact abrasion extrême
Lutter contre l’impact abrasion extrême, sans autre phénomène d’usure combiné, est relativement simple et connu. L’utilisation de matériaux ductiles ou très ductiles type aciers au manganèse ou aciers trempés est recommandée (DURSTEEL, CREUSABRO).
Dès qu’un impact, qu’il soit modéré à très important, est accompagné d’un phénomène d’usure combiné, il est important de mesurer l’énergie d’impact et de définir une solution qui réponde à la fois au niveau d’impact et à cette autre problématique. Nous allons considérer deux types de combinaison :
- Impact abrasion. Prenons l’exemple du concassage de granulats. On peut avoir soit des granulats difficilement fragmentables car très durs, et lorsqu’ils se fragmentent ils génèrent peu de fines (roches magmatiques : exemple granit). Soit à l’inverse, on peut avoir des granulats facilement fragmentables qui génèrent beaucoup de fines pouvant être abrasives (roches sédimentaires comme le grès ou encore le calcaire à fort taux de silice). Les solutions à apporter sont évidemment très différentes.
- Impact température. Prenons l’exemple d’une forge. Un marteau pilon transmet de l’énergie à la matrice au moment de l’impact. Cette matrice est également soumise à une forte température. La température crée de la fatigue thermique et l’énergie d’impact provoque le déplacement de la matière dans la matrice créant de l’abrasion métal-métal.
Le bon moyen de définir une solution pertinente est de travailler à l’aide d’une échelle impact abrasion ou impact température/friction métal-métal permettant de placer l’application au bon endroit. Ceci étant posé, une connaissance approfondie des éléments d’alliages permet de choisir la solution la plus adaptée en fonction de la durabilité souhaitée. La dépose d’alliages par soudage est une solution qui offre une bonne résistance à l’usure et qui est largement utilisée dans le cadre de traitements de surface, que ce soit en curatif ou en préventif.
Pour plus d’information, référez-vous au guide des Fondamentaux du rechargement dur.
Pour illustrer l’usure par impact abrasion, prenons l’exemple d’un concasseur giratoire dans une exploitation de granulats.
Concasseur giratoire
Concasseur à joue
Un concasseur giratoire est un système de broyage qui comprend une alimentation verticale placée sur le dessus. Le granulat qui entre dans le concasseur primaire est, soit directement extrait de la carrière, soit il vient d’un concasseur à mâchoires permettant une première réduction du minéral.
Le concassage est le résultat du fonctionnement d’un cône male et d’un cône femelle. Le cône femelle est fixe et le cône male est monté sur un excentrique permettant un mouvement rotatif aléatoire.
La fragmentation du minéral se fait par pression du granulat sur lui-même. La surface des cônes mâle et femelle est soumise à des chocs violents et à une pression importante sur la partie haute des cônes du concasseur primaire.
Au plus la fragmentation progresse, au plus la génération de fines est importante. Au plus la matière est difficile à fragmenter, au plus les chocs, « l’énergie transmise à la pièce », sont importants.
Après le concassage primaire, il peut y avoir une suite de concasseurs (secondaire, tertiaire, quaternaire), pour atteindre la granulométrie visée. Une fois que l’on a passé l’étape du concassage primaire et secondaire, il n’y a plus réellement de phénomènes de choc.
Pour une carrière de porphyre (ballaste ferroviaire) dont la caractéristique principale est d’exploiter une pierre très dure à fragmenter et très abrasive.
Le concasseur giratoire primaire va subir des chocs en partie haute des cônes mâle et femelle, et une abrasion modérée en partie basse. Le concasseur secondaire va, lui, subir des chocs modérés et une abrasion de plus en plus sévère.
En termes de durabilité, si la solution de cônes en fonderie d’acier au manganèse est une solution idéale pour le concasseur primaire, car très performante et économique, elle ne sera plus totalement adaptée aux contraintes rencontrées dans le concasseur secondaire.
Pour augmenter cette durabilité et gérer cet impact abrasion, il est recommandé de passer à une solution de rechargement dur par soudage qui va offrir une excellente résistance à l’usure.
Attention, cette opération de traitement de surface, via soudage par rechargement dur, doit être prise au sérieux, eu égard au métal de base et aux déformations pouvant être engendrées par l’énergie de soudage. Tout se joue dans le détail.
Au-delà d’offrir une bonne résistance contre l’impact abrasion, il est tout à fait envisageable, dans une démarche de co construction, de définir avec l’exploitant une stratégie de reconditionnement par rechargement dur des pièces d’usure dans le but de renforcer l’efficience globale de son installation.
Les plans 3D ci-dessous ont été réalisés par Welding Alloys et montrent le profil d’un cône avant et après rechargement.
Plan 3D du cône avant rechargement
Plan 3D du cône après rechargement
2. L’usure par impact abrasion et température combinée
2.1. Forgeage au pilon
Dans le cadre de l’usure par choc et température combinée, prenons le cas de la fabrication de vilebrequin de voitures. Ces pièces sont forgées avec des pilons. Le principe est celui d’un forgeage par étape.
Chaque étape permet, en partant d’un lopin de métal chaud, d’approcher par frappes successives de la forme définitive. Le lopin, placé dans une matrice inférieure, est forgé au moment où la matrice supérieure descend violemment pour le frapper. Le forgeage au pilon engendre peu de déplacement de matière. Néanmoins, la combinaison température et nature du métal à forger génère une usure de surface importante.
Cette application est très largement documentée et les solutions pour répondre à ces sollicitations sont connues. De cette base, il est tout à fait envisageable d’atteindre un niveau de performance plus élevé par l’utilisation d’une solution sur-mesure.