Vue d'ensemble
Carbure de tungstène plaqué noir désigne la poudre de carbure de tungstène (WC) transformée métallurgiquement en diverses géométries de composants avec une couche de placage résistante à la corrosion. L'aspect noir provient d'un revêtement de conversion de la couche d'oxyde qui améliore la résistance à l'usure dans les environnements huileux. Les géométries courantes comprennent les tiges, les plaques, les roulements et les bagues utilisés dans les secteurs du forage pétrolier et gazier, de l'exploitation minière, de l'usinage et d'autres industries soumises à des conditions de fonctionnement extrêmes exigeant une dureté, une solidité et une résistance chimique supérieures à celles des métaux et alliages conventionnels.
Composition
La composition en poids du carbure de tungstène est la suivante :
| Élément | Poids % | Rôle |
|---|---|---|
| Tungstène (W) | 88-97% typiquement | Composant principal assurant la dureté et la résistance |
| Carbone (C) | 3-12% | Se combine avec le W pour former une céramique WC très dure. |
| Cobalt (Co) | 3-12% | Métal liant facilitant la ténacité |
| Carbures de tantale et de titane | 1-2% | Inhibiteurs de croissance des grains |
La couche d'oxyde noir résistant à la corrosion sur la surface extérieure n'a qu'une épaisseur de ~1-10 microns, de sorte que la composition globale reste du WC dans une matrice de cobalt.
Processus de fabrication
Les composants en carbure de tungstène plaqués noir sont fabriqués selon la séquence suivante d'étapes du processus de métallurgie des poudres :
- Mélange de poudres de W et de C élémentaires avec un liant de cobalt et des inhibiteurs de croissance du grain
- Compacter les poudres sous une forme "verte" par pressage isostatique à froid/chaud
- Traitement thermique pour initier la formation de WC et fixer la géométrie
- Rectifier les pièces en fonction des tolérances dimensionnelles finales.
- Pièces soumises à une chimie de bain propriétaire provoquant une couche d'oxyde de revêtement de conversion
- Plaque extérieure en oxyde noir + colmatage des pores/défauts de surface par bain d'immersion
La séquence de placage crée une finition noire adhérente résistante à la corrosion dans des liquides dont le pH est compris entre 4 et 9.
Propriétés mécaniques
| Paramètres | Spécifications | Méthode d'essai |
|---|---|---|
| Dureté | 88-93 HRA (~1600 Vickers) | ASTM E18 |
| Densité | 13,5-15,1 g/cm3 | ASTM B311 |
| Résistance à la rupture transversale | 550-650 MPa | ASTM B406 |
| Résistance à la rupture | 7-12 MPa√m | ASTM B771 |
| Module de Young | 530-700 GPa | ASTM E111 |
La très grande dureté, proche de 1500 Vickers, et la haute densité confèrent une excellente résistance à l'usure sous des charges élevées. La phase liante du cobalt durcit les particules de WC qui seraient autrement fragiles. Grâce à ces caractéristiques, le carbure de tungstène plaqué noir peut remplacer l'acier à outils, l'acier inoxydable et les matériaux de qualité pour roulements dans les secteurs de l'exploitation minière, du forage, de l'usinage et dans d'autres environnements exigeants.
Résistance chimique
Conçu pour les outils de fond de puits et les équipements de forage, le carbure de tungstène plaqué noir offre une résistance à la corrosion lorsqu'il est immergé ou exposé à l'eau :
- Pétrole brut acide et gaz naturel avec H2S et saumures contenant des chlorures/sulfates
- Acides : carbonique (H2CO3), citrique (C6H8O7), acétique (CH3COOH)
- Alcalis/Bases : Hydroxyde de sodium (NaOH), Hydroxyde de potassium (KOH), Hydroxyde de calcium [Ca(OH)2].
- Acides organiques : Formique (HCO2H), Lactique (C3H6O3), Oléique (C18H34O2) et solutions d'amines.
- Huiles hydrocarbonées, lubrifiants, fluides de transmission
Cette résistance chimique permet une excellente longévité dans les environnements corrosifs de fond de puits avec des liquides contenant des sels, des acides organiques, du H2S, du CO2 ou d'autres espèces qui dégradent rapidement l'acier ordinaire.
Types de composants
Diverses géométries de composants en carbure de tungstène plaqué noir répondent aux besoins des industries minières, de traitement des matériaux et pétrochimiques :
| Type | Description | Attributs clés |
|---|---|---|
| Roulements et bagues | Remplacer les roulements métalliques des moteurs à boue et des outils de forage directionnel | Supporte des pressions de boue >20 000 psi tout en minimisant les frottements |
| Manches | Envelopper les capteurs directionnels dans des assemblages de forage | Protéger l'électronique des débris de roche abrasifs présents dans le fluide de forage |
| Buses | Buses de découpe à jet d'eau/abrasif à haute pression | Résistance à l'érosion pour une coupe précise avec une conicité minimale |
| Plaques | Plaques de revêtement résistantes à l'usure et boulonnées à l'intérieur des broyeurs à boulets | Les revêtements métalliques ont une durée de vie 10 fois supérieure à celle des broyeurs de minerais. |
| Filières de tréfilage | Extrusion de fils de tungstène, d'acier et de titane pour la fabrication de filaments | Diamètres de fil uniformes tréfilés à grande vitesse sans usure des filières ni défauts |
Des combinaisons uniques d'ultra-dureté, de solidité et de résistance chimique adaptée permettent au carbure de tungstène plaqué noir de servir les applications exigeantes du matériel pétrolier et gazier soumis à des pressions, des vitesses et des températures extrêmes pendant une longue durée de vie de l'équipement.
Normes de qualité
Normes de qualité internationales pour l'alimentation en poudre de carbure de tungstène, les propriétés mécaniques et la fourniture de composants techniques :
| Standard | Champ d'application | Paramètres couverts |
|---|---|---|
| ISO 4499 | Poudres de carbures cémentés | Chimie, taille des particules, critères de pureté |
| ASTM B693 | Grades et spécifications des produits WC | Résistance à l'abrasion, microstructure, seuils des propriétés chimiques et physiques |
| ASTM E112 | Détermination de la taille moyenne des grains | Nombre de grains par mm2 ou numéro de granulométrie ASTM de 1 à 8, plus le numéro est élevé, plus les grains sont petits. |
| API Spec 7-1 | Matériel de forage rotatif | Dureté des plaques, géométrie des roulements, pression et vitesse nominales |
Ils permettent de valider la résistance à la corrosion et à l'abrasion requise pour les outils pétroliers qui voient passer des flux multiphasiques contenant des déblais rocheux, de l'H2S, du CO2 et des liquides agressifs stimulés dans le puits de forage sur de longs intervalles.
Avantages par rapport aux autres matériaux
Comparé aux autres solutions, le carbure de tungstène plaqué noir est plus performant :
- Résistance à l'érosion 10 fois supérieure à celle de l'acier inoxydable 440C durci
- Durée de vie 4X plus longue que le carbure de tungstène ordinaire sans placage résistant à la corrosion
- Possibilité de réutiliser les composants plusieurs fois après la réapplication du placage
- Réduction des coûts de 5 fois par rapport aux composites renforcés au diamant
- Fiabilité accrue par rapport aux céramiques fragiles sensibles aux contraintes thermiques/mécaniques
- Poids inférieur à celui des nuances de carbure de tungstène sans cobalt, ce qui simplifie l'intégration de la conception.
Ainsi, le carbure de tungstène plaqué noir correctement appliqué équilibre de manière optimale la résistance à l'usure, la compatibilité chimique, le poids et l'économie dans les conditions d'exploitation du pétrole, du gaz, de l'exploitation minière et d'autres équipements industriels les plus difficiles.
Analyse des coûts
| Paramètres | Pièces de WC plaquées noires | Pièces en acier équivalentes |
|---|---|---|
| Coût des matériaux | $125/kg | $15/kg |
| Durée de vie | 5000-8000 heures | 1000 heures |
| Coût par heure | $0.02 | $0.02 |
Malgré des dépenses en matériaux plus élevées, la durée de vie beaucoup plus longue du carbure de tungstène plaqué noir avant remplacement équivaut à des coûts de propriété globaux inférieurs dans les processus d'exploitation en continu - ce qui justifie facilement le prix initial.
Fournisseurs
Les principaux fabricants et plaquistes de carbure de tungstène plaqué noir sont les suivants :
| Entreprise | Localisation | Capacités des produits |
|---|---|---|
| ingénierie des fours à vide | Allemagne | Roulements, bagues, plaques, garnitures mécaniques, prototypes |
| Midwest Tungsten Service | ÉTATS-UNIS | Plaques, tiges, fils coupés à l'impression |
| Linegroup Precision | Chine | Jeux de buses, bagues, tubes de starter |
| Zhuzhou Jatc Industrial | Chine | Plaques, revêtements et tamis résistants à l'usure |
| Kennametal | ÉTATS-UNIS | Plaquettes en carbure indexables, matrices d'étirage |
La collaboration d'ingénierie personnalisée pendant les étapes de conception garantit l'application appropriée du carbure de tungstène plaqué noir en tenant compte de toutes les charges de fonctionnement, des pressions, des chimies des fluides, des points de frottement pour maximiser les avantages de la longévité de l'équipement dans les machines minières ou les outils de forage de fond de trou qui voient des flux hautement corrosifs.
FAQ
Quelle doit être la plage de dureté du carbure de tungstène plaqué noir pour les opérations de forage en fond de puits dans les champs pétrolifères ?
88-92,5 HRA (~1500-1600 Vickers) offre une combinaison optimale de résistance à l'abrasion sans être excessivement fragile. Cela permet de supporter à la fois des charges de compression élevées dues à la pression exercée sur les parois du trou de forage et des contraintes de cisaillement dues à l'écoulement de fluides de forage transportant des déblais rocheux qui glissent à la surface, sans qu'il y ait de fissures.
Le carbure de tungstène plaqué noir rouille-t-il ou se corrode-t-il dans l'eau ou les environnements humides ?
Non - la couche d'oxyde protectrice est conçue pour résister à l'oxydation ou à d'autres formes de corrosion aqueuse, même en présence d'un pH acide ou légèrement basique, ce qui lui confère des performances supérieures à celles du carbure nu. L'intégration correcte des éléments d'étanchéité dynamique empêche l'infiltration d'humidité dans les interfaces, ce qui évite les taches de rouille rouge ou les réactions électrochimiques.
Le placage s'use-t-il avec le temps ou s'épuise-t-il ?
Le placage noir d'une épaisseur d'environ 1 à 10 microns s'épuise progressivement, mais il faut des années avant que la partie en carbure ne soit exposée. À ce stade, la pièce peut être renvoyée pour un nouveau placage et remise en service. Il s'agit donc d'un revêtement anti-usure renouvelable.
Est-il possible d'usiner ou de rectifier des composants en carbure plaqué noir pour obtenir des tolérances serrées ou cela risque-t-il d'endommager le placage ?
Tout enlèvement mécanique excessif compromettant la profondeur du revêtement doit être évité pour maintenir l'intégrité de la résistance à la corrosion. Le meulage et le polissage de précision sont possibles, mais ils doivent laisser une épaisseur de revêtement d'au moins 2 microns pour les applications pétrolières typiques. L'usinage par décharge électrique pour obtenir une forme nette avant le revêtement est recommandé avant toute étape d'usinage secondaire.
Résumé
Le carbure de tungstène plaqué noir est un carbure de tungstène ultra-dur et dense dans une matrice de cobalt, transformé métallurgiquement en roulements, bagues, plaques, buses et autres géométries optimisées pour les équipements soumis à des pressions et vitesses extrêmes, ainsi qu'à des produits chimiques corrosifs, en particulier dans les contextes de forage pétrolier/gazier et d'exploitation minière. Une séquence de placage de conversion spécialisée confère une couche d'oxyde extérieure noire qui améliore considérablement la résistance à la corrosion, même dans les acides chauds, les alcalis, les chlorures, le H2S et le CO2 qui érodent rapidement les aciers à outils conventionnels. Offrant la combinaison optimale d'une dureté supérieure à 1500 Vickers, d'une résistance supérieure à 550 MPa et d'une résistance chimique adaptée, le carbure de tungstène plaqué noir constitue une option de matériau renouvelable et rentable dont la durée de vie est 5 à 10 fois supérieure à celle des autres matériaux dans les conditions d'exploitation industrielle les plus difficiles.
