Objet de l'invention
[0001] La présente invention se rapporte à une dent composite destinée à équiper une machine
pour le travail du sol ou des roches. Elle se rapporte en particulier à une dent réalisée
en fonderie comportant une matrice métallique renforcée par un insert substantiellement
tronconique ou pyramidal comprenant des particules de carbures de titane formées lors
d'une réaction
in situ au moment de la coulée de la fonte.
Définition
[0002] L'expression « dent » est à interpréter au sens large et comporte tout élément de
toute dimension, présentant une forme pointue ou aplatie, destiné notamment à travailler
le sol, le fond des cours d'eau ou des mers, les roches, en surface ou dans les mines.
Etat de la technique
[0003] Peu de moyens sont connus pour modifier la dureté et la résistance à l'impact d'un
alliage de fonderie en profondeur "dans la masse". Les moyens connus concernent généralement
des modifications en surface de faible profondeur (quelques millimètres). Pour les
dents réalisées en fonderie, les éléments de renfort doivent être présents en profondeur
afin de résister à des sollicitations localisées importantes et simultanées en termes
de contraintes mécaniques, d'usure et d'impact, et aussi parce qu'une dent est utilisée
sur une grande partie de sa longueur.
[0004] Il est connu de recharger des dents avec des carbures métalliques (Technosphère®
- Technogenia) par soudage oxyacétylénique. Un tel rechargement permet de déposer
une couche de carbures de quelques millimètres d'épaisseur à la surface d'une dent.
Un tel renfort n'est cependant pas intégré à la matrice métallique de la dent et ne
garantit pas la même performance qu'une dent où un renfort de carbures est entièrement
incorporé dans la masse de la matrice métallique.
[0005] Le document
WO2010031660 divulgue une dent composite pour le travail du sol ou des roches, réalisée en fonderie
et comportant un alliage ferreux renforcé au moins en partie avec du carbure de titane
formé
in situ selon une géométrie définie. La partie renforcée de la dent comporte une macro-microstructure
alternée de zones millimétriques concentrées en particules globulaires micrométriques
de carbures de titane séparées par des zones millimétriques globalement exemptes de
particules globulaires micrométriques de carbures de titane. Les zones concentrées
en particules globulaires micrométriques de carbures de titane forment une microstructure
dans laquelle les interstices micrométriques entre les particules globulaires sont
également occupés par ledit alliage ferreux.
Buts de l'invention
[0006] La présente invention vise à améliorer la performance des dents composites de l'art
antérieur, elle vise à offrir une résistance améliorée contre l'usure tout en maintenant
une bonne résistance aux chocs. Cette propriété est obtenue par un insert de renforcement
spécifiquement conçu pour cette application, insert comprenant une structure faisant
alterner à l'échelle millimétrique des zones denses en fines particules globulaires
micrométriques de carbures métalliques formés in situ avec des zones qui en sont pratiquement
exemptes au sein de la matrice métallique de la dent, la macro-microstructure de l'insert
ayant une forme substantiellement tronconique aplatie ou une forme de pyramide, préférentiellement
tronquée à base rectangulaire ou carrée, ladite forme pouvant être creuse. L'évidement
de l'insert permet un « remplissage » plus rapide de l'insert de carbures de titane
en formation
in situ lors de la coulée.
[0007] La présente invention propose également un procédé pour l'obtention de ladite structure
de renforcement.
Résumé de l'invention
[0008] La présente invention divulgue une dent composite pour le travail du sol ou des roches,
ladite dent comportant un alliage ferreux renforcé au moins en partie par un insert
dans laquelle ladite partie renforcée par l'insert permet, après réaction in situ,
l'obtention d'une macro-microstructure alternée de zones millimétriques concentrées
en particules globulaires micrométriques de carbures de titane séparées par des zones
millimétriques substantiellement exemptes de particules globulaires micrométriques
de carbures de titane, lesdites zones concentrées en particules globulaires micrométriques
de carbures de titane formant une microstructure dans laquelle les interstices micrométriques
entre lesdites particules globulaires sont également occupés par ledit alliage ferreux
et où ladite macro-microstructure engendrée par l'insert est distante de quelques
millimètres de la surface distale de la dent, de préférence au moins 2 à 3 mm, et
de manière particulièrement préférée, 4 ou 5, voire 6 mm de la surface distale de
la dent. Il est essentiel que la partie renforcée n'affleure pas la surface de ladite
dent.
[0009] Selon des modes particuliers de l'invention, la dent composite comporte au moins
une ou une combinaison appropriée des caractéristiques suivantes :
- L'insert a une forme tronconique aplatie ou une forme pyramidale tronquée à base rectangulaire
ou carrée, pleine ou au moins partiellement creuse ;
- lesdites zones millimétriques concentrées ont une concentration en particules globulaires
micrométriques de carbures de titane supérieure à 35% en volume ;
- ladite partie renforcée par l'insert a une teneur globale de carbures de titane entre
25 et 45 % en volume;
- les particules micrométriques globulaires de carbures de titane ont une taille inférieure
à 50µm, préférablement inférieure à 20 µm;
- lesdites zones concentrées en particules globulaires de carbures de titane comportent
36.9 à 72.2 % en volume de carbures de titane ;
- lesdites zones concentrées en carbures de titane ont une dimension variant de 0.5
à 12 mm, de préférence variant de 0.5 à 6 mm, de manière particulièrement préférée
variant entre 1.4 à 4 mm.
[0010] La présente invention divulgue également un procédé de fabrication de la dent composite
selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
[0011] Selon des modes particuliers de l'invention, le procédé comporte au moins une ou
une combinaison appropriée des caractéristiques suivantes :
- mise à disposition d'un insert sous forme de granulés millimétriques d'un mélange
de poudres compactées comportant du carbone et du titane précurseurs de carbures de
titane ; celui-ci peut être obtenu par moulage avec de la colle ou par confinement
dans une enveloppe métallique qui fondra lors de la coulée.
- introduction de l'insert dans le moule de la dent de sorte que ledit insert est maintenu
à quelques millimètres de la surface distale de la dent ;
- coulée d'un alliage ferreux dans le moule, la chaleur de ladite coulée déclenchant
une réaction exothermique de synthèse auto-propagée de carbures de titane à haute
température (SHS) au sein desdits granulés précurseurs;
- formation, au sein de l'insert de la dent, d'une macro-microstructure alternée de
zones millimétriques concentrées en particules globulaires micrométriques de carbures
de titane à l'emplacement desdits granulés précurseurs, lesdites zones étant séparées
entre elles par des zones millimétriques substantiellement exemptes de particules
globulaires micrométriques de carbures de titane, lesdites particules globulaires
étant également séparées au sein desdites zones millimétriques concentrées de carbures
de titane par des interstices micrométriques, dans ladite macro-microstructure ;
- infiltration des interstices millimétriques, des interstices micrométriques par ledit
alliage ferreux de coulée à haute température, consécutive à la formation de particules
microscopiques globulaires de carbures de titane.
- l'insert est réalisé par moulage ou confinement.
[0012] La présente invention divulgue également une dent composite obtenue selon le procédé
de l'invention.
Brève description des figures
[0013]
La figure 1a montre une vue en trois dimensions d'une dent du commerce destinée à
être renforcée selon l'invention. Ce type de dent peut avoir des dimensions très variables
allant en moyenne de quelques dizaines de centimètres à plus d'un mètre
La figure 1b montre une vue schématique en trois dimensions d'une dent avec un renforcement
tronconique affleurant la surface de l'extrémité distale de la dent selon l'état de
la technique.
Les figures 1c et 1d montrent des dents renforcées selon l'invention avec un insert
de forme substantiellement tronconique plein ou au moins partiellement creux. L'insert
se trouve ici à une distance de quelques millimètres de la surface à l'extrémité distale
de la dent renforcée. Il n'affleure donc pas la surface de la dent.
Les figures 2a-2h représentent le procédé de fabrication de la dent selon l'invention.
- l'étape 2a montre le dispositif de mélange des poudres de titane et de carbone ;
- l'étape 2b montre la compaction des poudres entre deux rouleaux suivie d'un concassage
et d'un tamisage avec recyclage des particules trop fines ;
- la figure 2c montre un moule de sable dans lequel on a placé un barrage pour contenir
les granulés de poudre compactés à l'endroit du renforcement de la dent;
- la figure 2d montre un agrandissement de la zone de renforcement dans laquelle se
trouvent les granulés compactés comportant les réactifs précurseurs du TiC ;
- l'étape 2e montre la coulée de l'alliage ferreux dans le moule ;
- la figure 2f montre schématiquement la dent résultant de la coulée ;
- la figure 2g montre un agrandissement des zones à forte concentration en globules
de TiC - ce schéma représente les mêmes zones que dans la figure 3 ;
- la figure 2h montre un agrandissement au sein d'une même zone à forte concentration
en globules de TiC - les globules micrométriques sont individuellement entourés par
le métal de coulée.
La figure 3 représente une vue au binoculaire d'une surface polie, non attaquée, d'une
coupe de la partie renforcée de la dent selon l'invention avec des zones millimétriques
(en gris clair) concentrées en carbures de titane globulaires micrométriques (globules
de TiC). La partie sombre représente la matrice métallique (acier ou fonte) remplissant
à la fois l'espace entre ces zones concentrées en carbures de titane globulaires micrométriques
mais aussi les espaces entre les globules eux-mêmes. (Voir figures 4 et 5).
Les figures 4 et 5 représentent des vues prises au microscope électronique SEM de
carbures de titane globulaires micrométriques sur des surfaces polies et non attaquées
à des grossissements différents. On voit que dans ce cas particulier la plupart des
globules de carbures de titane ont une taille inférieure à 10 µm.
La figure 6 représente une vue de carbures de titane globulaires micrométriques sur
une surface de rupture prise au microscope électronique SEM. On voit que les globules
de carbures de titane sont parfaitement incorporés dans la matrice métallique. Ceci
prouve que le métal de coulée infiltre (imprègne) complètement les pores lors de la
coulée une fois que la réaction chimique entre le titane et le carbone est initiée
lors de la réaction SHS.
La figure 7 représente deux coupes longitudinales d'un exemple de dent selon l'invention,
les deux coupes étant perpendiculaires l'une par rapport à l'autre. Sur cette figure,
l'insert est tronconique creux.
La figure 8 représente deux coupes longitudinales d'un autre exemple de dent selon
l'invention, les deux coupes étant perpendiculaires entre elles. L'insert de la figure
8 comprend plusieurs tunnels traversant de manière longitudinale le cône tronqué.
La figure 9 représente deux vues en trois dimensions d'une dent selon l'invention,
les deux vues étant perpendiculaires l'une par rapport à l'autre.
La figure 10 représente une vue en trois dimensions d'une dent selon l'invention comprenant
un insert sous forme de pyramide tronquée à base rectangulaire ou carrée. Dans cet
exemple, l'insert est plein.
La figure 11 représente un confinement métallique pour les granulés compactés de mélange
Ti/C. Ce confinement permet de mettre le mélange de granules sous une forme tronconique
aplatie, au moins partiellement creuse.
Légende
[0014]
- 1. zones millimétriques concentrées en particules globulaires (nodules) micrométriques
de carbures de titane (zones claires)
- 2. interstices millimétriques remplis par l'alliage ferreux de coulée globalement
exempts de particules globulaires micrométriques de carbures de titane (zones foncées)
- 3. interstices micrométriques entre les nodules de TiC également infiltrés par l'alliage
de coulée
- 4. carbures de titane globulaires micrométriques, dans les zones concentrées en carbures
de titane
- 5. insert de forme tronconique ou de forme pyramidale, plein ou partiellement ou entièrement
creux, entièrement intégré à la matrice en fonte et distant de quelques millimètres
de l'extrémité distale de la dent.
- 6. défauts de gaz
- 7. confinement métallique pour les granulés compactés de mélange Ti/C
- 8. mélangeur de poudres de Ti et de C
- 9. trémie
- 10. rouleau
- 11. concasseur
- 12. grille de sortie
- 13. tamis
- 14. recyclage des particules trop fines vers la trémie
- 15. moule de sable
- 16. barrage contenant les granulés compactés de mélange Ti/C
- 17. poche de coulée
Description détaillée de l'invention
[0015] En science des matériaux, on appelle réaction SHS ou «
self-propagating
high temperature
synthesis », une réaction de synthèse à haute température auto-propagée où l'on atteint
des températures de réaction généralement supérieures à 1500°C, voire 2000°C. Par
exemple, la réaction entre de la poudre de titane et de la poudre de carbone pour
obtenir le carbure de titane TiC, est fortement exothermique. On a uniquement besoin
d'un peu d'énergie pour initier localement la réaction. Ensuite, la réaction se propagera
spontanément à la totalité du mélange des réactifs grâce aux hautes températures atteintes.
Après initiation de la réaction, on a un front de réaction qui se propage ainsi spontanément
(auto-propagée) et qui permet l'obtention du carbure de titane à partir du titane
et du carbone. Le carbure de titane ainsi obtenu est dit « obtenu in situ » car il
ne provient pas de l'alliage ferreux coulé et n'a pas été ajouté sous forme de TIC
broyé en poudre dans le moule.
[0016] Les mélanges de poudres de réactif comportent de la poudre de carbone et de la poudre
de titane et sont comprimés en plaques et ensuite concassés afin d'obtenir des granulés
dont la taille varie de 1 à 12 mm, de préférence de 1 à 6 mm. Ces granulés ne sont
pas compactés à 100 %. On les comprime généralement entre 55 et 95 % de la densité
théorique. Ces granulés permettent une utilisation/manipulation aisée (voir Fig. 2a-2h).
[0017] Ces granulés millimétriques de poudres de carbone et de titane mélangées obtenus
selon les schémas de la figure 2a-2h constituent les précurseurs du carbure de titane
à créer.
[0018] La dent composite pour le travail du sol ou des roches selon la présente invention
comprend un insert de type tronconique ou pyramidal préférentiellement tronqué à base
rectangulaire ou carrée, de préférence de type creux, réalisé en grains par un mélange
de poudres de carbone et de titane et permettant, après réaction SHS, l'obtention
d'une macro-microstructure c'est-à-dire un réseau de renforcement que l'on peut encore
appeler structure alternée tridimensionnelle de zones concentrées en particules micrométriques
globulaires de carbures de titane séparées par des zones qui en sont pratiquement
exemptes. Une telle structure est obtenue par la réaction dans le moule 15 des granulés
comportant un mélange de poudres de carbone et de titane et ayant été préalablement
mis en forme soit par colmatage des grains par de la colle dans un moule ou simplement
dans un confinement métallique perforé qui fondra au moins partiellement lors de la
coulée. La réaction SHS est initiée par la chaleur de la coulée de la fonte ou de
l'acier utilisés pour couler toute la pièce de la dent et donc à la fois la partie
non renforcée et la partie renforcée (voir Fig. 2e). La coulée déclenche donc une
réaction exothermique de synthèse auto-propagée à haute température du mélange de
poudres de carbone et de titane compactées sous forme de granulés (self-propagating
high-temperature synthesis - SHS), préalablement agglomérés sous forme d'insert tronconique,
de préférence au moins partiellement creux et placé dans le moule 15. La réaction
a alors la particularité de continuer à se propager dès qu'elle est initiée.
[0019] Cette synthèse à haute température (SHS) permet une infiltration aisée de tous les
interstices millimétriques et micrométriques, par la fonte ou l'acier de coulée (Fig.
2g & 2h). En augmentant la mouillabilité, l'infiltration peut se faire sur n'importe
quelle épaisseur ou profondeur de renforcement de la dent. Elle permet avantageusement
de créer, après réaction SHS et infiltration par un métal de coulée extérieur, un
insert n'affleurant pas l'extrémité distale de la dent et comprenant une forte concentration
de particules globulaires micrométriques de carbures de titane (que l'on pourrait
encore appeler des clusters de nodules), lesquelles zones ayant une taille de l'ordre
du millimètre ou de quelques millimètres, et qui alternent avec des zones substantiellement
exemptes de carbures de titane globulaires.
[0020] Une fois que ces granulés ont réagi selon une réaction SHS, les zones de renforcement
où se trouvaient ces granulés montrent une dispersion concentrée de particules globulaires
micrométriques 4 de carbures TiC (globules) dont les interstices micrométriques 3
ont été également infiltrés par le métal de coulée qui est ici de la fonte ou de l'acier.
Il est important de remarquer que les interstices millimétriques et micrométriques
sont infiltrés par la même matrice métallique que celle qui constitue la partie non
renforcée de la dent ; ceci permet une liberté totale de choix du métal de coulée.
Dans la dent finalement obtenue, les zones de renfort à forte concentration de carbures
de titane sont composées de particules micrométriques globulaires de TiC en pourcentage
important (entre environ 35 et environ 70 % en volume) et de l'alliage ferreux d'infiltration.
[0021] Par particules globulaires micrométriques, il faut entendre des particules globalement
sphéroïdales qui ont une taille allant du micromètre à quelques dizaines de micromètres
tout au plus, la grande majorité de ces particules ayant une taille inférieure à 50
µm, et même à 20 µm, voire à 10 µm. Nous les appelons également des globules de TiC.
Cette forme globulaire est caractéristique d'une méthode d'obtention du carbure de
titane par synthèse auto-propagée SHS (voir Fig. 5).
Obtention des granulés (version Ti + C) pour le renforcement de la dent
[0022] Le procédé d'obtention des granulés est illustré à la figure 2a-2h. Les granulés
de réactifs carbone/titane sont obtenus par compaction entre des rouleaux 10 afin
d'obtenir des bandes que l'on concasse ensuite dans un concasseur 11. Le mélange des
poudres est fait dans un mélangeur 8 constitué d'une cuve munie de pales, afin de
favoriser l'homogénéité. Le mélange passe ensuite dans un appareil de granulation
par une trémie 9. Cette machine comprend deux rouleaux 10, au travers desquels on
fait passer la matière. Une pression est appliquée sur ces rouleaux 10, ce qui permet
de comprimer la matière. On obtient à la sortie une bande de matière comprimée qui
est ensuite concassée afin d'obtenir les granulés. Ces granulés sont ensuite tamisés
à la granulométrie souhaitée dans un tamis 13. Un paramètre important est la pression
appliquée sur les rouleaux. Au plus cette pression est élevée, au plus la bande, et
donc les granulés seront comprimés. On peut ainsi faire varier la densité des bandes,
et par conséquent des granulés, entre 55 et 95 % de la densité théorique qui est de
3.75 g/cm
3 pour le mélange stoechiométrique de titane et de carbone. La densité apparente (tenant
compte de la porosité) se situe alors entre 2.06 et 3.56 g/cm
3.
[0023] Le degré de compaction des bandes dépend de la pression appliquée (en Pa) sur les
rouleaux (diamètre 200 mm, largeur 30 mm). Pour un bas niveau de compaction, de l'ordre
de 10
6 Pa, on obtient une densité sur les bandes de l'ordre de 55 % de la densité théorique.
Après le passage à travers les rouleaux 10 pour comprimer cette matière, la densité
apparente des granulés est de 3.75 x 0.55, soit 2.06 g/cm
3.
[0024] Pour un haut niveau de compaction, de l'ordre de 25.10
6 Pa, on obtient une densité sur les bandes de 90 % de la densité théorique, soit une
densité apparente de 3.38 g/cm
3. En pratique on peut aller jusqu'à 95 % de la densité théorique.
[0025] Par conséquent, les granulés obtenus à partir de la matière première Ti + C sont
poreux. Cette porosité varie de 5 % pour les granulés très fortement comprimés, à
45 % pour les granulés faiblement comprimés.
[0026] Outre le niveau de compaction, il est également possible de régler la répartition
granulométrique des granulés ainsi que leur forme lors de l'opération de concassage
des bandes et de tamisage des granulés de Ti+C. On recycle à volonté les fractions
granulométriques non désirées (voir Fig. 3b). Les granulés obtenus ont globalement
une taille entre 1 et 12 mm, de préférence entre 1 et 6 mm, et de manière particulièrement
préférée entre 1.4 et 4 mm.
Réalisation de la zone de renfort dans la dent composite selon invention
[0027] Les granulés sont réalisés comme exposé ci-dessus. Pour obtenir une structure tridimensionnelle
de type tronconique aplatie ou de type pyramidale préférentiellement tronquée à base
rectangulaire ou carrée, ou une superstructure/macro-microstructure avec ces granulés,
on les dispose dans un moule 7 à insert et les granulés y sont agglomérés soit au
moyen d'une colle, soit par tout autre moyen comme par exemple un confinement métallique
perforé qui fondra au moins partiellement lors de la coulée. Le moule à insert est
par exemple un moule en élastomère permettant de donner la forme finale désirée à
l'insert 5. L'insert, de forme tronconique creuse ou non, sera disposé de telle manière
dans le moule de coulée à ne pas affleurer la surface distale de la dent. On veillera
toujours à maintenir un espace de quelques millimètres entre l'extrémité de l'insert
et la surface extérieure obtenue après coulée de la dent à l'endroit où cette distance
est la plus petite, à savoir l'extrémité distale de la dent qui est la plus soumise
à l'usure. La distance sera d'ailleurs variable en fonction de la taille de la dent.
Elle devra être au minimum de 1mm, de préférence au moins de 2 ou 3 mm et de manière
particulièrement préférée au moins de 4 ou 5 mm.
[0028] La densité en vrac de l'empilement des granulés de Ti + C est mesurée selon la norme
ISO 697 et dépend du niveau de compaction des bandes, de la répartition granulométrique
des granulés et du mode de concassage des bandes, qui influence la forme des granulés.
La densité en vrac de ces granulés de Ti + C est généralement de l'ordre de 0.9 g/cm
3 à 2.5 g/cm
3 en fonction du niveau de compaction de ces granulés et de la densité de l'empilement.
[0029] Avant réaction, on a donc un agglomérat de granulés poreux composés d'un mélange
de poudre de titane et de poudre de carbone, formant un insert tronconique aplati
ou un insert pyramidal tronqué à base rectangulaire ou carrée, l'insert pouvant être
plein ou au moins partiellement creux.
[0030] L'insert est ensuite placé dans le moule 15 de la dent, dans la zone du moule où
l'on souhaite renforcer la pièce. L'insert est placé comme illustré par les figures
7 à 10 de manière à ce qu'il n'affleure pas la surface de la dent une fois que celle-ci
sera formée. Ensuite, le métal pour former la dent est coulé dans le moule 15.
[0031] Lors de la réaction Ti + C →TiC, il se produit une contraction volumétrique de l'ordre
de 24 % quand on passe des réactifs au produit (contraction venant de la différence
de densité entre les réactifs et les produits). Ainsi, la densité théorique du mélange
Ti + C est de 3.75 g/cm
3 et la densité théorique du TiC est de 4.93 g/cm
3. Dans le produit final, après la réaction d'obtention du TiC, le métal de coulée
infiltrera :
- la porosité microscopique présente dans les espaces à forte concentration en carbures
de titane, dépendant du niveau de compaction initial de ces granulés ;
- les espaces millimétriques entre les zones à forte concentration en carbures de titane,
dépendant de l'empilement initial des granulés (densité en vrac) ;
- la porosité venant de la contraction volumétrique lors de la réaction entre Ti + C
pour obtenir le TiC.
- éventuellement l'espace central creux de l'insert si celui-ci est creux au départ.
Exemples
[0032] Dans l'exemple qui suit, on a utilisé les matières premières suivantes :
- titane, H.C. STARCK, Amperit 155.066, moins de 200 mesh,
- carbone graphite GK Kropfmuhl, UF4, > 99.5 %, moins de 15 µm,
- Fe, sous la forme Acier HSS M2, moins de 25 µm,
- proportions :
- Ti+C 100 g Ti-24.5 g C
- Ti+C+Fe 100 g Ti - 24.5 g C - 35.2 g Fe
Mélange 15 min dans mélangeur Lindor, sous argon.
La granulation a été effectuée avec un granulateur Sahut-Conreur.
Pour les mélanges Ti+C+Fe et Ti+C, la compacité des granulés a été obtenue en faisant
varier la pression entre les rouleaux de 10 à 250.10
5 Pa.
L'insert a été réalisé en confinant des granulés Ti+C dans un contenant métallique
perforé (tôle mince perforée) qui a été ensuite placé judicieusement dans le moule
de coulée de la dent à quelques millimètres de la surface du moule, à l'endroit où
la dent est susceptible d'être renforcée. Ensuite, on coule l'acier ou la fonte dans
ce moule et le contenant perforé fond en libérant l'espace pour l'infiltration par
le métal de coulée.
Exemple 1
[0033] Dans cet exemple, un alliage ferreux en poudre est ajouté au mélange carbone-titane
afin d'atténuer l'intensité de la réaction entre le carbone et le titane. On vise
à réaliser une dent dont les zones renforcées comportent un pourcentage en volume
global de TiC d'environ 30 %. A cette fin, on réalise une bande par compaction à 85
% de la densité théorique d'un mélange en poids de 15 % de C, 63 % de Ti et 22 % de
Fe. Après concassage, les granulés sont tamisés de manière à obtenir une dimension
de granulés située entre 1.4 et 4 mm. On obtient une densité en vrac de l'ordre 2
g/cm
3 (45 % d'espace entre les granulés + 15 % de porosité dans les granulés). On dispose
les granulés dans un confinement qui comporte ainsi après damage et/ou vibration 60%
en volume de granulés poreux en tenant compte des perforations réalisées. Après réaction,
on obtient dans la partie renforcée 60% en volume de zones avec une forte concentration
d'environ 55% en carbures de titane globulaires, soit 33% en volume de carbures de
titane global dans la macro-microstructure renforcée de la dent.
[0034] Les tableaux suivants montrent les nombreuses combinaisons possibles.
Tableau 1
Pourcentage global de TiC obtenu dans la macro-microstructure renforcée après réaction Ti + 0.98 C + Fe dans la partie renforcée de la dent. |
Compaction des granulés (% de la densité théorique qui est de 4.25 g/cm3) |
55 |
60 |
65 |
70 |
75 |
80 |
85 |
90 |
95 |
Remplissage de la partie renforcée de la pièce avec 23% de perforation (% vol) |
80 |
22.9 |
25.0 |
27.1 |
29.2 |
31.2 |
33.3 |
35.4 |
37.5 |
39.6 |
75 |
21.5 |
23.4 |
25.4 |
27.3 |
29.3 |
31.2 |
33.2 |
35.1 |
37.1 |
70 |
20.0 |
21.9 |
23.7 |
25.5 |
27.3 |
29.2 |
31.0 |
32.8 |
34.6 |
65 |
18.6 |
20.3 |
22.0 |
23.7 |
25.4 |
27.1 |
28.8 |
30.5 |
32.2 |
55 |
15.8 |
17.2 |
18.6 |
20.0 |
21.5 |
22.9 |
24.3 |
25.8 |
27.2 |
45 |
12.9 |
14.1 |
15.2 |
16.4 |
17.6 |
18.7 |
19.9 |
21.1 |
22.3 |
[0035] Pour obtenir une concentration
globale en TiC dans la partie renforcée d'environ 25 % vol (en lettres grasses dans le tableau),
on peut procéder à différentes combinaisons comme par exemple 60 % de compaction et
80 % de remplissage, ou 65 % de compaction et 75 % de remplissage, ou 70 % de compaction
et 70 % de remplissage, ou encore 85 % de compaction et 55 % de remplissage.
Tableau 2
Relation entre le niveau de compaction, la densité théorique et le pourcentage de
TiC, obtenue après réaction dans le granulé en tenant compte de la présence de fer |
Compaction des granulés |
55 |
60 |
65 |
70 |
75 |
80 |
85 |
90 |
95 |
Densité en g/cm3 |
2.34 |
2.55 |
2.76 |
2.98 |
3.19 |
3.40 |
3.61 |
3.83 |
4.04 |
TiC obtenu après réaction (et contraction) en %vol. dans les granulés |
36.9 |
40.3 |
43.6 |
47.0 |
50.4 |
53.7 |
57.1 |
60.4 |
63.8 |
Tableau 3
Densité en vrac de l'empilement des granulés (Ti + C + Fe) |
Compaction |
55 |
60 |
65 |
70 |
75 |
80 |
85 |
90 |
95 |
Remplissage de la partie renforcée de la pièce en % vol. |
80 |
1.9 |
2.0 |
2.2 |
2.4 |
2.6 |
2.7 |
2.9 |
3.1 |
3.2 |
75 |
1.8 |
1.9 |
2.1 |
2.2 |
2.4 |
2.6 |
2.7 |
2.9 |
3.0 |
70 |
1.6 |
1.8 |
1.9 |
2.1 |
2.2 |
2.4 |
2.5 |
2.7 |
2.8 |
65 |
1.5* |
1.7 |
1.8 |
1.9 |
2.1 |
2.2 |
2.3 |
2.5 |
2.6 |
55 |
1.3 |
1.4 |
1.5 |
1.6 |
1.8 |
1.9 |
2.0 |
2.1 |
2.2 |
45 |
1.1 |
1.1 |
1.2 |
1.3 |
1.4 |
1.5 |
1.6 |
1.7 |
1.8 |
Avantages de la dent selon l'invention
Meilleure résistance de l'insert à la fissuration et à la rupture
[0036] La présente invention permet une diminution du phénomène de fissuration de la dent,
lors de sa fabrication mais aussi en utilisation.
[0037] Lors de la fabrication des dents, le taux de rejet est réduit, en particulier grâce
à des cônes tronconiques creux ou des pyramides tronquées creuses qui permettent de
diminuer globalement la concentration de céramique dans la pièce. Une présence de
céramique trop importante provoque potentiellement des défauts de fissuration et/ou
d'infiltration.
[0038] D'autre part, l'usure des dents en utilisation est réduite grâce aux inserts de la
présente invention. En effet, la fissuration de la céramique est diminuée lorsque
l'insert ne se trouve pas immédiatement exposé en surface. Les amorces de rupture
qui pourraient fragiliser la dent sollicitée en service sont ainsi limitées.
[0039] Par ailleurs, les fissures prennent généralement naissance aux endroits les plus
fragiles, qui sont dans ce cas la particule de TiC ou l'interface entre cette particule
et l'alliage métallique d'infiltration. Si une fissure prend naissance à l'interface
ou dans la particule micrométrique de TiC, la propagation de cette fissure est ensuite
entravée par l'alliage d'infiltration qui entoure cette particule. La ténacité de
l'alliage d'infiltration est supérieure à celle de la particule céramique TiC. La
fissure a besoin de plus d'énergie pour passer d'une particule à l'autre, pour franchir
les espaces micrométriques qui existent entre les particules.
Flexibilité maximale pour les paramètres de mise en oeuvre
[0040] Outre le niveau de compaction des granulés, on peut faire varier la forme et l'épaisseur
de paroi de l'insert tronconique ou pyramidal quand celui-ci est creux.
Faible susceptibilité à la crique lors de la fabrication de la dent selon l'invention
[0041] Le coefficient de dilatation du renforcement TiC est plus faible que celui de la
matrice en alliage ferreux (coefficient de dilatation du TiC : 7.5 10
-6/K et de l'alliage ferreux : environ 12.0 10
-6/K). Cette différence dans les coefficients de dilatation a pour conséquence de générer
des tensions dans le matériau pendant la phase de solidification et aussi lors du
traitement thermique. Si ces tensions sont trop importantes, des criques peuvent apparaître
dans la pièce et conduire au rebut de celle-ci. Dans la présente invention, les évidements
dans l'insert permettent de diminuer la proportion de renforcement TiC (moins de 45
% en volume dans la macro-microstructure renforcée), ce qui entraîne moins de tensions
dans la pièce. De plus, la présence d'une matrice plus ductile entre les particules
globulaires micrométriques de TiC en zones alternées de faible et de forte concentration
permet de mieux gérer d'éventuelles tensions locales.
Excellent maintien du renforcement dans la dent
[0042] Dans la présente invention, la frontière entre l'insert et la partie non renforcée
de la dent n'est pas abrupte puisqu'il y a une continuité de la matrice métallique
entre l'insert et la partie non renforcée, grâce aux inserts tronconiques et pyramidaux
creux, ce qui permet de la protéger contre un arrachage complet de l'insert.
Diminution des coûts et augmentation de la vitesse de formation des dents
[0043] Le faible volume d'un insert tronconique ou pyramidal creux permet aussi de diminuer
la quantité globale de TiC, diminuant de la même manière le coût de la pièce.
[0044] Les creux permettent par ailleurs un « remplissage » plus rapide de l'insert lors
de la coulée.
Résultats de test
[0045] Les avantages de la dent selon la présente invention par rapport à une dent composite
de l'invention décrite précédemment telle que représentée sur la figure 1b sont une
amélioration de la résistance à la casse lors d'essais de flexion sur banc d'essai
de l'ordre de 300%. De manière plus détaillée, et suivant les circonstances d'essai,
on a pu constater les performances suivantes (exprimées en kN, qui représente la charge
maximale avant rupture) pour les produits réalisés selon l'invention (renforcement
de type Fig. 8 comportant globalement un pourcentage en volume de TiC de 33% - exemple
1) par comparaison à des dents identiques avec un renforcement de type Fig. 1a : 2.8
fois.
1. Dent composite pour le travail du sol ou des roches, ladite dent comportant un alliage
ferreux renforcé au moins en partie par un insert (5), ladite partie renforcée par
l'insert (5) permettant, après réaction in situ, l'obtention d'une macro-microstructure
alternée de zones millimétriques (1) concentrées en particules globulaires micrométriques
de carbures de titane (4) séparées par des zones millimétriques (2) substantiellement
exemptes de particules globulaires micrométriques de carbures de titane (4), lesdites
zones concentrées en particules globulaires micrométriques de carbures de titane (4)
formant une microstructure dans laquelle les interstices micrométriques (3) entre
lesdites particules globulaires (4) sont également occupés par ledit alliage ferreux
et caractérisée en ce que ladite macro-microstructure engendrée par l'insert (5) est distante d'au moins 2
mm, de préférence au moins 3 mm de la surface distale de ladite dent.
2. Dent selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'insert (5) a une forme tronconique aplatie ou une forme pyramidale tronquée à base
rectangulaire ou carrée, pleine ou au moins partiellement creuse.
3. Dent selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle lesdites
zones millimétriques concentrées ont une concentration en particules globulaires micrométriques
de carbures de titane (4) supérieure à 35% en volume.
4. Dent selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ladite partie
renforcée par l'insert (5) a une teneur globale de carbures de titane entre 25 et
45 % en volume.
5. Dent selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les particules
micrométriques globulaires de carbures de titane (4) ont une taille inférieure à 50µm,
préférablement inférieure à 20 µm.
6. Dent selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle lesdites
zones concentrées en particules globulaires de carbures de titane (1) comportent 36.9
à 72.2 % en volume de carbures de titane.
7. Dent selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle lesdites
zones concentrées en carbures de titane (1) ont une dimension variant de 0.5 à 12
mm, de préférence variant de 0.5 à 6 mm, de manière particulièrement préférée variant
entre 1.4 à 4 mm.
8. Procédé de fabrication par coulée d'une dent composite selon l'une quelconque des
revendications 1 à 7, comportant les étapes suivantes :
- mise à disposition d'un insert sous forme de granulés millimétriques d'un mélange
de poudres compactées comportant du carbone et du titane précurseurs de carbures de
titane,
- introduction de l'insert (5) dans le moule (15) de la dent de sorte que ledit insert
(5) est maintenu à quelques millimètres de la surface distale de la dent ;
- coulée d'un alliage ferreux dans le moule (15), la chaleur de ladite coulée déclenchant
une réaction exothermique de synthèse auto-propagée de carbures de titane à haute
température (SHS) au sein desdits granulés précurseurs;
- formation, au sein de l'insert (5) de la dent d'une macro-microstructure alternée
de zones millimétriques concentrées (1) en particules globulaires micrométriques de
carbures de titane (4) à l'emplacement desdits granulés précurseurs, lesdites zones
étant séparées entre elles par des zones millimétriques (2) substantiellement exemptes
de particules globulaires micrométriques de carbures de titane (4), lesdites particules
globulaires (4) étant également séparées au sein desdites zones millimétriques concentrées
(1) de carbures de titane par des interstices micrométriques (3) dans ladite macro-microstructure
;
- infiltration des interstices millimétriques (2), des interstices micrométriques
(3) par ledit alliage ferreux de coulée à haute température, consécutive à la formation
de particules microscopiques globulaires de carbures de titane (4).
9. Procédé de fabrication selon la revendication 8, dans lequel l'insert (5) a une forme
tronconique aplatie ou une forme pyramidale tronquée à base rectangulaire, pleine
ou au moins partiellement creuse
10. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, dans lequel
le mélange de poudres compactées de titane et de carbone comporte une poudre d'un
alliage ferreux.
11. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 8 ou 10, dans lequel
ledit carbone est du graphite.
12. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel
l'insert est réalisé par moulage ou par confinement.
13. Dent obtenue selon le procédé de l'une quelconque des revendications 8 à 12.