septembre 7, 2021
Sans être aussi durs que le diamant, ces carbures l’étaient néanmoins davantage que la plupart des matériaux durs connus jusqu’alors. Il était donc pertinent d’utiliser par exemple le carbure de tungstène pour fabriquer des outils et des composants extrêmement résistants, et dont la longévité dépassait même largement celle des pièces en acier. Cependant, cette découverte n’a pas immédiatement été couronnée de succès, puisque les produits en carbure de tungstène étaient beaucoup trop friables, probablement parce que les carbones coulés contenaient le plus souvent des retassures et des précipitations de graphite. Henri Moissan a donc reçu le prix Nobel de chimie non pas pour la découverte du carbure, mais pour l’étude et l’isolement de l’élément fluor – ainsi que pour la réalisation du four électrique qui porte son nom.
Était-ce déjà le dernier chapitre de la courte histoire du carbure ? Pas pour longtemps, car en 1914, Hugo Lohmann et Otto Voigtländer ont réussi à fabriquer des pièces résistantes à l’usure en réduisant le carbure de tungstène fondu en une poudre très fine, puis en le pressant et en le frittant. Mais le problème restait le même : trop friable ! Des métaux ferreux, du chrome et du titane ont alors été ajoutés afin d’améliorer la dureté.
Il a fallu attendre 1923 pour que le succès soit au rendez-vous, lorsque Karl Schröter a réalisé une avancée dans le développement des carbures frittés au sein du bureau d’étude Osram. Pour ce faire, il a d’abord mélangé de la poudre de monocarbure de tungstène (formule chimique WC) avec 5 à 10 % de poudre de cobalt et a chauffé le comprimé issu de ce mélange à une température proche du point de fusion du cobalt. Le résultat ? Une fusion eutectique résultant de la dissolution du carbure de tungstène dans le cobalt, qui mouille les cristaux de carbure de tungstène à la manière d’une brasure, puis les rétracte de manière compacte. Ce processus de retrait permet d’obtenir un corps très dense, à la résistance jusqu’alors inégalée ! Le carbure a enfin pu s’imposer comme un matériau fiable sur le marché, consacré par un premier brevet le 30 mars 1923.
Depuis presque 100 ans, des progrès ont été accomplis en matière de carbure. La métamorphose d’une substance expérimentale en un seul matériau sophistiqué ? Pas tout à fait, puisque le « carbure » à proprement parler n’existe pas. Les carbures désignent plutôt un groupe de matériaux qui se distinguent des autres matériaux durs tels que la céramique, le corindon ou le diamant de par leur grande dureté et leurs propriétés métalliques. Le carbure cémenté est donc un matériau biphasique issu de la métallurgie des poudres, constitué d’une phase de matériau dur et d’une phase de liant métallique.
Vue au microscope
Dans le cas du carbure fritté, les carbures de tungstène, durs et cassants, sont associés à des métaux plutôt tendres, mais résistants – le cobalt, le nickel ou le fer – pour former une sorte de matériau composite. À cette fin, la poudre de carbure, dont la granulométrie est comprise entre 0,1 et 20 μm, est mélangée aux liants métalliques résistants durant le processus de frittage, puis elle est liée ou densifiée à des températures comprises entre 1 300 °C et 1 500 °C, et parfois à une pression élevée pouvant atteindre 100 bars. Le volume initial est ainsi réduit jusqu’à 50 %.
Mais contrairement à la fusion pure, aucune ou du moins pas toutes les matières premières ne sont fondues – elles sont plutôt « chauffées ensemble ». Le liant métallique occupe l’espace entre les grains de carbure et opère une sorte de « brasage » entre les carbures. Cette structure peut être comparée au béton, dans lequel les particules individuelles de granulats durs, de gravier par exemple, sont étroitement liées au ciment.
Les carbures cémentés sont devenus de véritables matériaux polyvalents : ils tirent leur épingle du jeu dès que des outils et des composants sont soumis à des charges extrêmes. Une dureté, une résistance à l’usure et une ténacité élevées, associées à d’autres propriétés hautes performances pouvant être modifiées dans une large mesure : ces atouts font du carbure le matériau idéal pour une large gamme d’applications. À cette fin, il existe actuellement plus d’une centaine de nuances de carbure avec une grande variété de compositions et destinées à des applications spécifiques, par exemple l’usinage de l’acier, le laminage à chaud ou les applications de moulage par injection, pour n’en citer que quelques-unes.
Aperçu des principaux atouts du carbure cémenté :
Les carbures cémentés ne se limitent pas à une gamme spécifique d’applications, ils sont bien trop polyvalents ! En effet, c’est précisément là où les autres matériaux ont depuis longtemps abandonné la bataille que les composants en carbure cémenté font leur grande entrée – en raison de leur résistance à l’usure, de leur longévité et de leur dureté, mais aussi de leur fiabilité. Avec leur large éventail de bénéfices, entre dureté, résistance à l’usure et ténacité, ils deviennent ainsi de véritables superstars de l’usinage : si le diamant est le plus dur des matériaux, sa faible ténacité à la rupture implique néanmoins qu’il ne peut pas être utilisé de manière économique dans de nombreuses applications, voire pas du tout. Le carbure cémenté doit son extrême flexibilité à sa composition qui, en fonction de l’application, peut être conçue pour être plutôt tenace, ou davantage axée sur une résistance optimale à l’usure.
La figure présente l’écart entre les deux paramètres, résistance à l’usure et ténacité, sur la base de lois physiques. S’il existait un matériau de coupe idéal – qui n’existe toutefois qu’en théorie pour le moment –, il se trouverait en haut à droite sur le graphique : extrêmement résistant à l’usure et tenace.
Lorsqu’un matériau est soumis à des charges extérieures, qu’elles soient statiques ou dynamiques, celui-ci est inévitablement soumis à des contraintes mécaniques. En pratique, notamment lors de contraintes de choc, il faut tenir compte à la fois de la résistance et de la déformabilité du matériau. Le concept de ténacité, « la résistance à la rupture ou à la propagation des fissures » repose sur ces deux propriétés. Plus la teneur en liant métallique et la dimension des grains sont élevées, plus la ténacité augmente.
En conséquence, il existe de grandes différences en matière de ténacité entre les carbures cémentés, qui s’expliquent par leur microstructure : dans les carbures cémentés avec une faible teneur en liant et une petite taille de grain, il existe un risque de propagation sur-critique des fissures, ce qui peut entraîner une défaillance spontanée du composant (due aux fissures).
En revanche, dans les carbures avec une forte teneur en liant et de gros grains, les fissures dans la matrice peuvent être déviées ou la propagation des fissures peut même être complètement arrêtée. Cette propagation sous-critique des fissures permet d’éviter, sinon de ralentir, la défaillance spontanée du composant.
Dans ce cas, il existe des nuances de carbure cémenté qui sont conçues pour garantir une ténacité maximale à la rupture et sont nécessaires pour les marteaux de forge, par exemple. Ces derniers travaillent la pièce avec une force élevée et doivent résister à une charge d’impact constante sans défaillir, c’est-à-dire sans se fissurer. En termes de composition, cela signifie que le carbure cémenté présente une teneur en cobalt allant jusqu’à 30 %, pour une taille de grain de 10 µm.
Graphique sur la ténacité : comparaison entre les nuances de carbure cémenté avec diverses tailles de grain
Le test de résistance à la flexion est souvent effectué pour évaluer la résistance mécanique d’un carbure cémenté. Les ruptures sont principalement dues à des défauts dans la structure et sur la surface du composant. L’homogénéité de la structure du carbure cémenté et l’absence de défauts sur la surface sont donc des critères indispensables.
Si une résistance maximale à la rupture transversale (TRS) est requise, on utilise des nuances de carbure à teneur moyenne en cobalt et avec une taille de grains modérée – par exemple dans les micro-forets destinés à la fabrication des circuits imprimés. Ceux-ci sont parfois plus fins qu’un cheveu humain et sont soumis à des forces de flexion élevées pendant le perçage. Pour résister à ces forces, les nuances de carbure avec une teneur en cobalt d’environ 8,5 % et une taille de grains de monocarbure de tungstène inférieure à 0,5 µm sont les mieux adaptées.
Graphique sur la résistance à la flexion : comparaison entre les nuances de carbure cémenté avec diverses tailles de grain
La corrosion : la terreur de tout atelier de production. Car l’interaction d’un matériau métallique avec son environnement entraîne inévitablement une modification quantifiable du matériau. Ainsi, dans la plupart des cas, la performance d’un composant métallique est altérée, jusqu’à une défaillance totale et des conséquences fatales pour l’ensemble du processus.
Or, les carbures cémentés ne sont pas épargnés. Par exemple, la corrosion dans des solutions aqueuses acides (pH < 7) provoque un appauvrissement de la phase liante en surface – dans le pire des cas, il ne reste qu’un squelette de carbure à la surface. Cette lixiviation du cobalt affaiblit la liaison des grains de carbure adjacents, tandis que le taux de destruction augmente régulièrement. Et lorsque le pH baisse, le risque de corrosion se renforce également.
Si la teneur en liant métallique est déjà faible, le squelette de carbure est plus solide, et par conséquent, ces nuances de carbure possèdent une résistance combinée à l’usure et à la corrosion légèrement meilleure que les carbures avec une teneur en liant métallique plus élevée. Mais cela ne suffit malheureusement pas, car cette action est en pratique loin d’être suffisante pour prolonger significativement la durée de vie. En raison de leur résistance limitée à la corrosion, les carbures de cobalt et de monocarbure de tungstène purs sont donc souvent inadaptés aux domaines d’application présentant un risque de corrosion important. La seule solution éventuelle est d’éviter les liants de cobalt pur et d’utiliser plutôt des alliages comme le cobalt-chrome (Co/Cr), cobalt-nickel (Co/Ni) ou nitrate-chrome (Ni/Cr).
Dans les milieux fortement basiques (à partir d’un pH 11), la phase de carbure, c’est-à-dire le carbure de tungstène, est érodée uniformément par les mécanismes de corrosion. Il en résulte un taux de destruction légèrement plus élevé, qui se traduit à son tour par une usure accrue du composant.
Comparaison entre les nuances de carbure standard et celles résistantes à la corrosion (vues au microscope)
De nos jours, pratiquement aucune application n’est conventionnelle – chacune nécessite une approche individuelle. Et les carbures cémentés ? Il en va de même, car selon leur application, certaines propriétés sont plus importantes que d’autres. Par conséquent, la première étape consiste toujours à sélectionner la nuance de carbure adéquate : après tout, avec un choix aussi large, il existe déjà la nuance de carbure parfaitement adaptée à chaque application.
Une qualité de carbure élevée est requise à cet égard : la porosité, la médiocrité des propriétés structurelles et les défauts de la microstructure ont un impact négatif important sur les propriétés mécaniques. Pour obtenir un résultat optimal, il est judicieux de s’appuyer sur l’expérience et le savoir-faire spécialisé des meilleurs fabricants de carbures cémentés. Ce n’est que de cette manière que les caractéristiques souhaitées peuvent être adaptées spécifiquement, par exemple avec l’ajout d’additifs qui améliorent par exemple la résistance à la haute température ou à la corrosion des carbures.
Comme pour tous les carbures cémentés, c’est la phase dure en monocarbure de tungstène qui confère au carbure de tungstène ses niveaux élevés de dureté, de dureté à chaud et de résistance à l’usure, tandis que le liant métallique assure au matériau une bonne ténacité. Avec un module d’élasticité extrêmement élevé, la déformation plastique du carbure de tungstène sous charge est quasiment nulle. Cette combinaison de propriétés rend à elle seule les carbures de tungstène intéressants pour un large éventail d’applications. Encore plus avantageux : les propriétés peuvent varier à de nombreux égards, c’est pourquoi les carbures cémentés permettent un large éventail d’applications, selon le degré des contraintes d’impact et de flexion ou le risque d’usure auxquels ils sont soumis.
Les carbures à base de monocarbure de tungstène et de cobalt sont de loin les plus utilisés. Ils ne sont pas seulement employés pour l’usinage des métaux (groupe d’application ISO K), mais aussi pour les produits destinés au travail du bois et de la pierre ainsi que pour de nombreuses pièces d’usure. Outre les carbures simples à base de monocarbure de tungstène et de cobalt, il existe également des carbures mixtes qui contiennent également des carbures de titane, de tantale ou de niobium. Ils sont utilisés pour l’usinage de l’acier (groupe d’application ISO P) ainsi que pour les scies à métaux.
Les nombreux nuances de carbure utilisées pour un large éventail d’applications diffèrent selon trois critères fondamentaux : la taille moyenne des grains de monocarbure de tungstène (phase α), la teneur en liant métallique (phase β) et la teneur en autres composés d’alliage (phase γ). Ces trois paramètres, et notamment la taille des grains de monocarbure de tungstène et la teneur en liant métallique, permettent de faire varier considérablement les propriétés du matériau.
Le carbure de tungstène doit notamment son triomphe à son association équilibrée de dureté, résistance à l’usure et ténacité. Les propriétés exactes sont déterminées par la composition du carbure. Un critère décisif : le choix des grains utilisés. Plus l’alliage est fin, plus sa dureté et sa résistance à l’usure sont élevées.
• Grain Nano < 0,2 μm
• Grain Ultra Fin 0,2 - 0,5 μm
• Grain Très Fin 0,5 - 0,8 μm
• Grain Fin 0,8 - 1,3 μm
• Grain Normal 1,3 - 2,5 μm
• GRAIN GROSSIER 2,5 - 6,0 μm
• Grain Très Grossier > 6,0 μm
Exemple de grain très fin. Ces nuances sont généralement utilisées pour les matériaux abrasifs qui ont tendance à accumuler de la matière et donc à s’user fortement. Elles atteignent une stabilité des arêtes maximale tout en ayant une faible propension à adhérer. Les nuances de carbure à grain normal constituent le compromis idéal entre ténacité et résistance à l’usure – sans être un simple complément : elles sont fréquemment utilisées, notamment dans les métaux non ferreux ou l’acier.
Comparaison des tailles de grain (vues au microscope)
La phase de liant métallique de la plupart des carbures cémentés est composée de cobalt. Le cobalt représente environ 4 à 30 % de la masse totale – jusqu’à 12 % dans les nuances de carbure utilisées pour l’usinage – et améliore sensiblement la résistance à la flexion par rapport au carbure de tungstène pur. Tout au long de l’histoire de la recherche sur le carbure cémenté, divers métaux ont été essayés comme phase liante, mais c’est le cobalt qui a remporté un succès à long terme : celui-ci forme les liaisons les plus fortes avec le carbure de tungstène, et il le mouille très bien, puisque les deux matériaux se solidifient dans une structure hexagonale.
Les grains de monocarbure de tungstène ont un diamètre de 10 µm à 0,5 µm, ceux de petite taille améliorant à la fois la dureté et la résistance. Les grains sont de forme prismatique et la matrice de cobalt est située entre eux. Idéalement, seuls le carbure de tungstène et le cobalt sont présents. Si le matériau contient trop peu de carbone, la phase η apparaît : un carbure de composition Co3W3C, qui réduit la résistance. Mais un excès de carbone entraîne l’apparition de carbone élémentaire (graphite), qui réduit également la résistance. Une partie du carbone et du tungstène est dissoute dans le cobalt.
Même avec les carbures cémentés, les applications spéciales requièrent un traitement spécial. Les additifs d’alliages spéciaux par exemple, fournissent parfois des optimisations minimes mais très sophistiquées qui constituent le petit plus décisif pour l’application concernée. Dans certains cas, de petites quantités de carbure de vanadium (VC, jusqu’à 0,8 %), de carbure de chrome (Cr3C2) ou de carbure de tantale-niobium (tous deux jusqu’à 2 %) sont utilisées comme additifs de dopage car elles offrent une structure à grains fins.
Le carbure cémenté est un matériau multitalent, qui se positionne au premier rang de sa catégorie en matière de résistance à l’usure dans de nombreux secteurs : formage du métal, sciage, perçage et alésage, meulage, découpe abrasive par jet d’eau, profilage et rabotage, formage et moulage, concassage ou découpe par ultrasons.. une fois adapté à l’application, le carbure devient un incontournable.
Il existe une large gamme de produits extrêmement résistants à l’usure fabriqués en carbure, qui comprennent à leur tour une multitude de composants très différents pour un large éventail de secteurs. Dans le cadre du travail du bois ou de la pierre, le carbure est notamment utilisé sous la forme de dents de scie pour les scies circulaires et de plaquettes pour les forets pour béton armé. Dans le secteur automobile, les composants résistants à l’usure des systèmes à rampe commune sont fabriqués à base de carbure. Dans l’industrie pétrolière et gazière, les pièces en carbure minimisent les temps d’arrêt dans les pipelines et lors des forages exploratoires.
Poinçonnage, cintrage, estampage, formage, compression de la poudre ou découpe fine... les pièces actives en carbure cémenté permettent d’atteindre des volumes élevés de production et de pièces. Elles sont la clé de voûte d’une production en série rentable. Cela est rendu possible par l’optimisation de la stabilité des arêtes de coupe sur les outils de découpe et de poinçonnage ainsi que par leur fiabilité et la stabilité du processus, mais aussi par une résistance accrue à la flexion et une meilleure résistance à la traction associées à une tendance réduite à la corrosion et un taux de corrosion réduit.
Mais ce n’est pas tout : les boîtiers de montres résistant aux rayures, les pièces dédiées au formage des métaux et la fabrication d’outils, les buses pour jets d’eau, les cibles de pulvérisation pour la production de revêtements en carbone de type diamant (DLC), les outils à haute pression pour la fabrication de diamants synthétiques ou les ébauches pour les fraises-mères et les couteaux rotatifs sont également fabriqués en carbure de nos jours. Des nuances de carbure spécifiques, approuvés par l’agence américaine des denrées alimentaires et des médicaments (« Food and Drug Administration »), sont même utilisées dans la technologie médicale et l’industrie alimentaire.
Le carbure joue un rôle prépondérant dans l’usinage car il offre une résistance à l’usure nettement supérieure à celle de l’acier rapide supérieur (ARS), peut tolérer des températures de travail plus élevées et peut être parfaitement optimisé pour répondre aux exigences des différents processus. Il est par ailleurs moins onéreux que certains matériaux tels que le diamant polycristallin (PCD).
Même si les choses ne sont pas tout à fait les mêmes aujourd’hui qu’aux premiers stades de la recherche : la conception et la production de carbure cémenté représentent encore un vaste domaine dans lequel toutes les options n’ont pas été explorées, loin s’en faut. À cette fin, des entreprises innovantes travaillent chaque jour pour être en mesure de proposer le carbure le mieux adapté à l’application concernée.
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