Le guide technique complet des plaques d'usure des concasseurs à mâchoires : science des matériaux, propriétés et performances

Introduction

Les plaques d'usure des concasseurs à mâchoires représentent l'un des composants les plus critiques des opérations de concassage, ayant un impact direct sur l'efficacité de la production, la durée de vie des équipements et les coûts d'exploitation. Comprendre la science des matériaux derrière ces composants est essentiel pour les opérateurs d'équipement, les professionnels de la maintenance et les spécialistes des achats qui cherchent à optimiser leurs opérations de concassage. Ce guide complet explore les aspects techniques des plaques d'usure des concasseurs à mâchoires, en examinant la composition des matériaux, les propriétés mécaniques, les mécanismes d'écrouissage et les alternatives avancées qui peuvent prolonger plusieurs fois la durée de vie de l'équipement.

CompréhensionPlaques d'usure du concasseur à mâchoires: La Fondation

Les plaques d'usure des concasseurs à mâchoires, également appelées matrices ou revêtements à mâchoires, sont les composants remplaçables qui forment la chambre de concassage d'un concasseur à mâchoires. Ces plaques absorbent d’énormes forces d’impact et abrasives lorsque la roche et le minerai traversent la zone de concassage. Le concasseur à mâchoires fonctionne avec une plaque à mâchoires fixe et une plaque à mâchoires mobiles qui travaillent ensemble pour réduire progressivement la taille du matériau. L'efficacité et la longévité de ces plaques dépendent entièrement de la composition de leur matériau, de leur procédé de fabrication et de leurs conditions opérationnelles.

Le matériau dominant : l’acier à haute teneur en manganèse

Composition chimique et structure

L'acier à haute teneur en manganèse est la norme industrielle pour les plaques d'usure des concasseurs à mâchoires depuis son développement par Hadfield au 19e siècle. Ce matériau domine le marché des pièces d'usure de concassage en raison de sa combinaison exceptionnelle de dureté et de ténacité, propriétés qui semblent contradictoires mais parfaitement équilibrées dans l'acier au manganèse.

• Carbone (C) : 0,90 à 1,35 %
• Manganèse (Mn) : 11 à 24 %
• Chrome (Cr) : 0,5 à 2,5 %
• Silicium (Si) : 0,3 à 0,8 %
• Phosphore (P) : ≤0,05 %
• Soufre (S) : ≤0,04 %

La structure de l'acier à haute teneur en manganèse est austénitique, ce qui signifie qu'il possède un réseau cristallin cubique à faces centrées (FCC) à température ambiante. Cette structure austénitique est amagnétique et confère au matériau une ductilité et une ténacité remarquables, même à basse température.

Les trois qualités primaires : Mn13Cr2, Mn18Cr2 et Mn22Cr2

L'industrie du concassage utilise trois qualités principales d'acier au manganèse, chacune optimisée pour différentes exigences opérationnelles :

Le Mn13Cr2 représente l’option d’entrée de gamme, offrant une bonne résistance aux chocs au moindre coût. Cette qualité est idéale pour les applications impliquant des charges d'impact modérées et des matériaux moins abrasifs comme le calcaire ou le grès. Cependant, sa capacité d'écrouissage inférieure signifie qu'il atteint des valeurs de dureté de surface inférieures et subit une usure plus rapide dans des conditions de service intense.

Le Mn18Cr2 offre un équilibre optimal entre coût et performances, ce qui en fait la nuance la plus largement spécifiée pour les opérations de concassage à grande échelle. Avec une teneur en manganèse améliorée par rapport au Mn13Cr2, ce matériau atteint une plus grande capacité d'écrouissage et une résistance à l'usure supérieure. Des études montrent que le Mn18Cr2 offre une durée de vie environ 30 à 50 % plus longue que le Mn13Cr2 lors du concassage du minerai de fer ou du granit, justifiant son coût initial légèrement plus élevé par une fréquence de remplacement et des temps d'arrêt réduits.

Mn22Cr2 représente l'offre haut de gamme, conçue pour des conditions de fonctionnement extrêmes impliquant des matériaux hautement abrasifs et des charges d'impact intenses. Cette formulation à très haute teneur en manganèse atteint le potentiel d'écrouissage le plus élevé et peut atteindre une dureté de surface supérieure à 800 HB. Le Mn22Cr2 démontre une résistance à l'usure plus de deux fois supérieure à celle du Mn13Cr2 et est le matériau spécifié pour le concassage du minerai de titane, du clinker de ciment et des applications exigeantes similaires.

Le phénomène d’intensification du travail : la science derrière des performances supérieures

Qu’est-ce que le durcissement au travail ?

La caractéristique déterminante qui rend l'acier au manganèse idéal pour les applications de concassage est sa capacité d'écrouissage, une propriété métallurgique unique dans laquelle le matériau devient progressivement plus dur lorsqu'il est soumis à des impacts et à une abrasion répétés. Cette transformation se produit à la surface du matériau tandis que l'intérieur conserve sa ténacité d'origine, créant une combinaison idéale de dureté là où c'est nécessaire et de ténacité en dessous.

Lorsque l'acier au manganèse est fourni par la fonderie, il présente généralement une dureté initiale d'environ 200 à 260 HB, selon la nuance spécifique. Sous les charges d'impact intenses rencontrées dans les applications de concassage, cette dureté peut augmenter considérablement :

• Mn13Cr2 : la dureté de surface augmente de 220 HB à 400–500 HB

• Mn18Cr2 : la dureté de surface augmente de 240 HB à 500–800 HB

• Mn22Cr2 : la dureté de surface augmente de 250 HB à 600–800+ HB

Ce mécanisme de durcissement se développe au cours des premières semaines de fonctionnement, à mesure que la plaque du concasseur à mâchoires subit des cycles de concassage répétés.

Le mécanisme métallurgique

L'écrouissage de l'acier au manganèse se produit par plusieurs mécanismes interconnectés :

• Accumulation de dislocations : lorsque le matériau subit une charge d'impact, les dislocations (défauts cristallins linéaires) s'accumulent à un rythme plus rapide qu'elles ne peuvent être éliminées. Cette accumulation crée une couche superficielle de plus en plus dure. Plus la teneur en manganèse est élevée, plus les dislocations s'accumulent rapidement, ce qui entraîne un durcissement plus rapide et plus étendu.

• Jumelage par déformation : lorsque la déformation plastique se produit, des jumeaux de déformation se forment dans le matériau. Ces macles créent de nouveaux joints de grains qui entravent le mouvement des dislocations, augmentant ainsi la contrainte externe nécessaire à une déformation ultérieure, un phénomène connu sous le nom de renforcement dynamique de Hall-Petch. L'énergie de défaut d'empilement plus élevée dans les compositions à plus forte teneur en manganèse facilite un jumelage plus étendu, favorisant un écrouissage plus rapide.

• Interactions carbone-dislocation : les atomes de carbone interagissent avec les dislocations en mouvement via un processus appelé vieillissement sous contrainte dynamique, qui améliore la capacité d'écrouissage. Cette interaction augmente le nombre de dislocations s’accumulant aux frontières des jumeaux, renforçant ainsi la surface du matériau.

• Stabilité de l'austénite : le carbone retenu dans la structure austénitique (obtenu grâce à une trempe rapide à l'eau pendant le traitement thermique) empêche la précipitation du carbure pendant le refroidissement, maintenant ainsi une seule phase austénitique. Ceci est essentiel : les carbures aux joints de grains fragiliseraient le matériau et élimineraient sa capacité d'écrouissage.

Traitement thermique : le processus critique

Le processus de traitement thermique de l'acier à haute teneur en manganèse est absolument essentiel pour obtenir les propriétés d'écrouissage nécessaires aux applications de concasseurs à mâchoires :

• Chauffer le matériau à 1 060-1 100°C pendant 2 à 4 heures

• Maintenir un temps de trempage d'environ 1 heure pour 25 mm d'épaisseur de section

• Tremper rapidement dans l'eau froide (inférieure à 30°C) immédiatement après la sortie du four

• Assurer un mouvement continu des pièces pendant la trempe pour favoriser un refroidissement uniforme

Applications de concassage et relations entre les performances des matériaux

Comprendre quelle nuance d'acier au manganèse fonctionne de manière optimale nécessite d'évaluer l'interaction entre les propriétés du matériau et les conditions de concassage spécifiques :

Type de matériau par rapport à la qualité optimale de la plaque à mâchoires

Données de performances sur le terrain

Les données opérationnelles réelles démontrent les différences de performances entre les qualités :

Lorsque la même opération minière est passée du concassage de minerai à base de calcaire au minerai de fer plus dur (avec une plus grande résistance à la compression et une plus grande dureté minérale), les performances des plaques à mâchoires ont radicalement changé :

• La durée de vie de la plaque à mâchoire fixe est passée de 150 jours à 63 jours

• La durée de vie de la plaque à mâchoire mobile est passée de 180 jours à 150 jours

• Le volume de production par plaque à mâchoires a considérablement diminué

Ces données illustrent le principe principal : les matériaux plus durs et plus abrasifs nécessitent un acier au manganèse de qualité supérieure pour maintenir une durée de vie acceptable.

Matériaux avancés : plaques d'usure pour concasseur à mâchoires renforcées en carbure

Technologie d'insertion en carbure de titane (TiC)

Les opérations de concassage exigeant une productivité plus élevée et une durée de vie des équipements plus longue, les fabricants ont développé des solutions avancées combinant un acier à haute teneur en manganèse et des inserts en carbure de titane (TiC). Ces plaques d'usure techniques représentent une avancée significative dans la technologie de concassage.

• Dureté Mohs : 9–9,5 (comparable aux diamants industriels)

• Dureté Vickers : 65–75 HRC (équivalent à 1 500+ HV)

• Densité : 4,93 g/cm³

• Structure cristalline : type chlorure de sodium (cubique à face centrée)

• Stabilité thermique : maintient la dureté à haute température

Conception et fabrication :

Les plaques à mâchoires d'insertion TiC sont fabriquées en incorporant des tiges ou des barres en carbure de titane directement dans le corps en acier à haute teneur en manganèse pendant le processus de coulée. Les colonnes de carbure sont positionnées dans les zones à forte usure où se produit le contact direct avec le minerai. Les profondeurs disponibles pour les inserts TiC incluent 20 mm, 40 mm, 60 mm et 80 mm, permettant aux ingénieurs d'optimiser le coût du matériau par rapport aux performances.

4. Les deux matériaux contribuent à la performance globale : carbures pour la résistance à l'abrasion, acier au manganèse pour l'absorption des chocs.

• Durée de vie prolongée : 1,5 à 2,5 fois plus longue que le Mn18Cr2 standard, et jusqu'à 4 fois plus longue dans des applications spécifiques

• Fréquence de remplacement réduite : moins de changements se traduisent directement par une réduction des temps d'arrêt et des coûts de main-d'œuvre

• Efficacité améliorée : action d'écrasement constante grâce à des modèles d'usure plus uniformes

• Meilleure qualité du produit : la géométrie plus stable de la chambre de concassage maintient une répartition uniforme de la taille du produit

• Marteaux M8 standard : durée de vie de 450 à 600 heures

• Marteaux TiC (broches de 40 mm) : 1 000 à 1 300 heures (amélioration de 2,22x)

• Marteaux TiC (broches de 60 mm) : jusqu'à 1 500 heures projetées (amélioration 2,5x)

• Standard High Chrome : 2 semaines (120 heures) avant rupture

• Marteaux Unicast TiC M2 : 8 semaines (640 heures) avec les broches de suspension intactes

• Amélioration : durée de vie 4 fois plus longue

Alternatives au carbure de tungstène

Le carbure de tungstène (WC) représente une autre option de matériau avancée pour les applications de concassage, bien qu'il soit moins couramment spécifié que le carbure de titane en raison de ses coûts plus élevés :

• Dureté Vickers : 1 600 à 2 400 HV (supérieure à TiC)

• Densité : 15,63 g/cm³ (beaucoup plus dense que TiC)

• Stabilité thermique : dureté supérieure à haute température

• Coût : nettement plus élevé que le carbure de titane

Pour la plupart des applications de concassage, le carbure de titane offre des performances globales supérieures par rapport au coût. Cependant, le carbure de tungstène peut être spécifié dans des applications de niche nécessitant une dureté extrême ou une résistance aux températures élevées.

Mécanismes d’usure et analyse des performances

Principaux modes d'usure des plaques de concasseur à mâchoires

Comprendre comment les plaques à mâchoires échouent permet une meilleure sélection des matériaux et des pratiques opérationnelles :

Les particules de minerai se coincent entre les plaques à mâchoires et le corps du concasseur, créant une action de coupe ou d'entaillage sur la surface de la plaque. Cela produit des rainures et des rayures parallèles profondes alignées avec la direction d'écrasement. L’usure des coupes au burin représente environ 60 à 70 % du volume total d’usure. La capacité d'écrouissage de l'acier au manganèse répond spécifiquement à ce mode d'usure : à mesure que le matériau durcit, il devient de plus en plus résistant à cette action de gougeage.

Les charges d'impact répétées provoquent une fatigue de contact. Les fissures apparaissent sous la surface sous le point d'impact, se propagent à travers des cycles de chargement répétés et finissent par percer jusqu'à la surface, éliminant des fragments de matériau. Ce mode d'usure représente 20 à 30 % du volume d'usure total et est traité grâce à la ténacité et à la ductilité du matériau, qui absorbent les impacts répétés sans se fragiliser.

Lorsque l'humidité (provenant de la pulvérisation de suppression de poussière sur site) entre en contact avec les plaques à mâchoires, des réactions chimiques complexes se produisent en présence d'oxygène atmosphérique. Cela provoque une corrosion par oxydation qui transforme la surface métallique et favorise une corrosion continue des surfaces fraîchement exposées. L'usure due à la corrosion représente généralement 5 à 15 % du volume total d'usure, en fonction des conditions environnementales.

Profil du taux d’usure au fil du temps

Des études sur le terrain utilisant la microscopie optique et des mesures de dureté révèlent que l'usure des mâchoires suit un profil en trois phases :

• Les surfaces des matériaux sont meulées à plat, augmentant ainsi la surface de contact réelle

• L'écrouissage de la surface commence au moment où la charge d'impact commence

• Le taux d'usure est relativement élevé à mesure que les surfaces rugueuses sont lissées

• L'écrouissage augmente progressivement la dureté de 200 à 250 HB initiale vers des niveaux stabilisés

Phase 2 : étape d'usure stable (semaines 4 à 80 % de la durée de vie)

• Le taux d'usure atteint une valeur relativement constante, créant la phase « d'état stable »

• L'écrouissage a atteint l'équilibre ; la dureté se stabilise au niveau caractéristique de chaque nuance

• Des modèles d'usure prévisibles permettent une estimation précise de la durée de vie

• Il s’agit de la première phase de fonctionnement au cours de laquelle le matériau démontre sa véritable résistance à l’usure.

Phase 3 : étape d'usure sévère (derniers 20 % de la durée de vie)

• L’intensité des pertes de matériaux augmente à mesure que les dimensions critiques s’approchent

• La qualité de la surface se détériore ; la géométrie de la chambre de concassage se dégrade

• Le taux d’usure s’accélère rapidement à mesure que l’épaisseur du matériau diminue

• L'efficacité de l'équipement diminue à mesure que la chambre de concassage s'agrandit au-delà des paramètres de conception

Cadre de sélection des matériaux : choisir les bonnes plaques d'usure pour concasseur à mâchoires

Matrice de décision pour la sélection des matériaux

La sélection des plaques d'usure appropriées pour concasseur à mâchoires nécessite d'équilibrer quatre facteurs clés :

• Matériaux mous et non abrasifs (calcaire) : Mn13Cr2 suffisant

• Matériaux moyens (grès) : Mn13Cr2 ou Mn18Cr2

• Matériaux durs (granit, minerai de fer) : Mn18Cr2 recommandé

• Matériaux très durs et très abrasifs (basalte, minerai de titane) : Mn22Cr2 ou renforcés TiC

2. Intensité de la charge d'impact

• Opérations de concassage à faible impact : Mn13Cr2

• Opérations à impact modéré : Mn18Cr2 (équilibre optimal)

• Opérations à fort impact et en continu : Mn22Cr2

• Impacts extrêmes, conditions abrasives : alternatives renforcées au TiC

3. Exigences de production et coûts des temps d'arrêt

• Si les coûts des temps d'arrêt dépassent considérablement les coûts des matériaux : spécifiez un matériau de qualité supérieure.

• Si le coût du matériau est la principale préoccupation : Mn13Cr2 acceptable pour les applications modérées

• Pour les opérations continues où les temps d'arrêt des équipements sont extrêmement coûteux : envisagez des alternatives TiC malgré un coût initial plus élevé

4. Taille de l'équipement et configuration de la chambre de concassage

• Concasseurs à bascule unique avec des angles de pincement plus petits : des matériaux de qualité inférieure sont parfois acceptables

• Broyeurs à double bascule avec des angles de pincement plus grands : matériau de qualité supérieure recommandé en raison du glissement abrasif prolongé

• Concasseurs primaires de plus grande taille : justifient presque toujours des spécifications de Mn18Cr2 ou de qualité supérieure

Analyse du coût total de possession

Exemple de calcul pour une exploitation minière continue :

Cette analyse démontre que même si les plaques renforcées au Mn22Cr2 ou au TiC nécessitent un investissement initial plus élevé, la fréquence de remplacement réduite, les temps d'arrêt minimisés et les coûts de main-d'œuvre inférieurs se traduisent par un coût total de possession considérablement inférieur.

Comparaison des propriétés mécaniques et normes d'essai

Méthodes d'essai de dureté

Les normes industrielles spécifient plusieurs approches d’essai de dureté :

Dureté Brinell (HB) : mesure la profondeur d'indentation permanente créée par une bille d'acier trempé pressée dans le matériau sous une charge spécifiée. Le plus couramment utilisé pour l’évaluation de l’acier au manganèse. Dureté initiale généralement mesurée entre HB 200 et 260 ; les surfaces écrouies atteignent HB 400–800+.

Dureté Rockwell (HRC) : mesure rapide de la dureté de surface adaptée au contrôle qualité mais moins précise que HV pour l'analyse comparative.

La capacité d'écrouissage de l'acier au manganèse démontre une répartition non uniforme de la dureté : les surfaces atteignent une dureté maximale tandis que les zones intérieures conservent des propriétés plus douces et plus résistantes. Ce gradient est essentiel aux performances d’écrasement : sans lui, le matériau serait trop fragile.

Propriétés de traction et d'impact

Ces propriétés permettent collectivement à l'acier au manganèse d'absorber les charges d'impact répétées rencontrées dans les concasseurs à mâchoires sans défaillance catastrophique.

Stratégies d'optimisation et fabrication avancée

Innovations de processus

Les fabricants modernes emploient plusieurs techniques avancées pour optimiser les performances des plaques d'usure des concasseurs à mâchoires :

Optimisation de l'énergie des défauts d'empilement : en contrôlant soigneusement le rapport carbone/manganèse (ciblant C/Mn ≈ 0,08), les fonderies accélèrent la formation de macle de déformation pendant le fonctionnement, améliorant ainsi le taux d'écrouissage et la résilience de la surface.

Numérisation des processus : la simulation numérique de la dynamique de trempe à l'eau permet un contrôle précis de la répartition des contraintes de trempe, améliorant ainsi la cohérence des matériaux et réduisant les variations d'un lot à l'autre.

Conception de plaque modulaire : Certaines conceptions avancées spécifient différentes qualités de matériaux pour différentes régions de la plaque de concassage. Les zones à fort impact reçoivent du Mn22Cr2, tandis que les régions à faible impact spécifient du Mn18Cr2, optimisant ainsi l'équilibre coût-performance.

Moulage composite : les spécifications des inserts TiC peuvent être personnalisées en faisant varier la profondeur, l'espacement et la configuration des inserts en fonction des modèles de concasseurs et des caractéristiques des matériaux spécifiques.

Conclusion

Les plaques d'usure des concasseurs à mâchoires représentent une intersection sophistiquée entre la science des matériaux, l'ingénierie mécanique et les exigences opérationnelles. La sélection de matériaux appropriés, qu'il s'agisse de nuances d'acier au manganèse standard (Mn13Cr2, Mn18Cr2, Mn22Cr2) ou d'alternatives avancées telles que les compositions renforcées de carbure de titane, a un impact direct sur la longévité des équipements, l'efficacité de la production et les coûts d'exploitation.

La capacité d'écrouissage unique de l'acier à haute teneur en manganèse transforme un matériau relativement mou (220 HB) en une surface exceptionnellement dure et résistante à l'usure (400–800+ HB) grâce à des charges d'impact répétées. Comprendre ce mécanisme métallurgique permet de prendre des décisions éclairées sur la sélection des matériaux, de prédire la durée de vie et d'optimiser le coût total de possession.

Pour les opérations nécessitant une durabilité maximale et des coûts d'exploitation les plus bas, la légère prime accordée aux matériaux de qualité supérieure ou aux alternatives renforcées au carbure est rapidement justifiée par une durée de vie prolongée, des temps d'arrêt réduits et une fréquence de remplacement plus faible. La sophistication technique des plaques d'usure des concasseurs à mâchoires modernes reflète des décennies de raffinement métallurgique : la sélection des spécifications appropriées garantit que les opérations de concassage atteignent une efficacité et une rentabilité maximales.