Boutons en carbure cémenté Les carbures de tungstène offrent une résistance extrême à l'usure dans les équipements industriels, qu'il s'agisse de concasseurs de roches, d'outils de coupe ou de filières de tréfilage. Ce guide passe en revue les nuances de carbure, les propriétés, les méthodes de fabrication, le contrôle de la qualité, les applications, les prix et les alternatives afin d'informer les acheteurs.
Boutons en carbure cémenté Aperçu
Également appelés boutons en métal dur, les carbures cémentés décrivent classiquement des combinaisons métallurgiques de carbures réfractaires durs cimentés par des liants de cobalt résistants. Leurs principales propriétés sont les suivantes
- Dureté supérieure à 1500 HV pour résister à l'usure par abrasion
- Résistance à la compression 2 à 3 fois supérieure à celle des aciers
- Les matériaux de base réfractaires supportent des températures supérieures à 1000°C
- Résiste à la corrosion dans les environnements acides, caustiques ou à base de solvants
- Cobalt réglable de 6-25% accordant la dureté contre la ténacité
Avec une performance d'usure extrême sous des charges et des températures élevées, au-delà des aciers à outils et des aciers inoxydables, boutons en carbure cémentéLes goujons et les produits de protection de surface protègent les équipements critiques dans les secteurs de l'exploitation minière, du forage, de la pétrochimie, des produits forestiers et d'autres industries soumises à des modes d'usure par impaction, abrasion par glissement ou érosion à haute température.
Compositions de carbure cémenté
Le carbure de tungstène (WC) constitue la base de la plupart des qualités commerciales, largement complétée par des carbures secondaires minoritaires :
| Principaux carbures | Description |
|---|---|
| Carbure de tungstène (WC) | 88-97% typique. Assure la dureté et la résistance à l'usure |
| Carbure de titane (TiC) | Typique 0-8%. Ajoute de la ténacité et du pouvoir lubrifiant. Réduit le rapport des coûts des matériaux |
| Carbure de tantale (TaC) | 0-8% remplaçant le WC, plus coûteux, contribue à la ténacité. |
Ajouts mineurs
| Carbure | Impact | Niveaux d'utilisation |
|---|---|---|
| Carbure de niobium (NbC) | Améliore la résistance à la corrosion et à l'oxydation, cruciale pour les niches à haute température. | <4% |
| Carbure de vanadium (VC) | Inhibition de la croissance des grains pour adapter les microstructures et les performances mécaniques | <1% |
Tableau 1. Mélange de carbures majeurs et mineurs courants dans des alliages de carbures cémentés de tungstène et de cobalt pour améliorer les propriétés sur mesure
La manipulation de WC, TaC, TiC avec des fractions complémentaires de niobium, de vanadium et de chrome permet de personnaliser la résistance à l'usure, la ténacité et les comportements à la corrosion en fonction des exigences de durée de vie des boutons dans diverses interfaces et mécanismes d'équipement nécessitant une atténuation bien supérieure à celle des aciers à outils ou inoxydables mais inférieure à celle des céramiques.
Propriétés et caractéristiques des boutons en carbure cémenté
- Dureté - 1300-2300 Vickers (HV30) par dispersion de grains de WC fins et alliage en solution solide
- Densité - 11-15 g/cm3 en fonction des rapports d'alliage. La qualité de la forme nette réduit le poids des composants.
- La force - Résistance à la compression 4-9 GPa. 2 à 3 fois l'acier. Résistance à la traction égale à la moitié de la résistance à la compression.
- TOUGHNESS - Mesure de l'intégrité mécanique conservant les géométries affûtées à travers les charges cycliques et les impacts. Les ajouts de cobalt et d'alliages sont essentiels pour les accordeurs.
- Module - des modules élastiques de 550-650 GPa proches des aciers porteurs supportant des charges unitaires élevées sans brinelling des risques d'endommagement de la subsurface.
- CTE - Coefficients de dilatation thermique compris entre 3,5 et 5,5 x 10-6 m/K. Paramètres pris en compte lors du montage.
- Conductivité thermique - 60-100 W/m-K facilite le refroidissement des pointes de contact lors de l'usinage par décharge électrique des électrodes. Plus faible que les métaux purs, mais plus élevé que les céramiques comparables.
Le mélange et l'optimisation des contributions mécaniques additionnées des propriétés des composants individuels permettent aux carbures cémentés de supporter des pressions localement intenses, des impacts cycliques et des modes d'attaque d'usure composés qui provoqueraient autrement une défaillance rapide des matériaux de protection alternatifs.
Grades de carbure cémenté pour boutons
Des dizaines de nuances de carbure sont disponibles dans le commerce, mais il est possible de simplifier la sélection en différenciant la teneur en carbone en fonction du mode de protection contre l'usure - faible (C), moyen (M), élevé (K) :
| Grade | Description | Contenu total en C | Applications clés |
|---|---|---|---|
| YG11/12 | Grains ultrafins. Bonne résistance à l'usure + résistance thermique/chimique jusqu'à 600°C | Faible C : 4-6% | Bagues, tréfilage, poussoirs pour moules en verre chaud |
| YG15 | La teneur plus élevée en cobalt renforce la résistance à la fracturation. Supporte des températures inférieures de 200°C | Faible C : 6% | Matrices de presse à briques, dents de broyeurs de calibrage |
| YG20 | Le grain moyennement grossier convient à une résistance modérée aux chocs et à l'abrasion | Moyen C : 8% | Broyeurs à anneau, marteaux de pulvérisateur |
| YG6X | Le mélange de grains ultrafins et grossiers optimise l'usure. | Moyen C : 6% | Embouts d'hydrocyclone, corps de pompe à boues |
| YG35 | Des carbures Ta et TiC plus élevés améliorent les comportements d'usure par frottement | Haut C : 9% | Dents de godet, lames de cisailles, écorçage de grumes |
Tableau 2. Familles représentatives de grades commerciaux de boutons en carbure de tungstène classées par teneur en carbone, manipulant la dureté contre la ténacité équilibrant les types d'usure dominants - abrasion, adhésion, érosion ou usure par frottement.
Il n'existe pas de nuance optimale unique résolvant universellement tous les problèmes d'usure - il faut plutôt définir des modes d'attaque d'usure spécifiques, des conditions de charge et des risques de défaillance pour identifier la solution appropriée, les interfaces de résistance aux matériaux dégradant prématurément les cycles de vie des composants à partir de choix technologiques limités en matière de matériaux il y a des siècles. Heureusement, les pressions concurrentielles continues exercées par les producteurs de carbure cémenté à l'échelle mondiale entraînent des développements rentables chaque année, ce qui signifie que des solutions éprouvées existent probablement aujourd'hui.
Fabrication de boutons en carbure cémenté
Les processus de fabrication de boutons de qualité exigent :
Fraisage - Les mélanges de poudres pré-alliées par broyeur à billes réduisent les agglomérats de particules et assurent une distribution homogène des poudres pour une réaction optimale de renforcement de la solution solide dans les composants finaux.
Le compactage - Une presse à simple action pouvant atteindre 20 tonnes métriques compacte la poudre broyée en atteignant une densité proche de celle d'un widget sans nécessiter de liants secondaires. Des presses de compactage isostatiques à haute pression sont disponibles en option pour une plus grande uniformité et des géométries plus complexes.
Frittage - Les fours à vide densifient les formes compactes en utilisant des mécanismes de transport de phase liquide capillaire entre le cobalt et les éléments d'alliage. 1300-1500°C pour une durée typique de 1-10 heures atteignant une densité de charge >98% - crucial pour assurer une porosité fermée supportant des applications soumises à des charges cycliques exigeant une qualité sans défaut pour des durées de vie attendues dans des conditions exténuantes, empêchant les candidats à d'autres matériaux d'atteindre les rapports coût-performance nécessaires pour assurer la durabilité.
Broyage - atteindre les tolérances dimensionnelles et de qualité de surface finales. La rectification au diamant convient le mieux à la plupart des alliages de carbure qui atteignent des valeurs de rugosité inférieures à 0,5 micron, mais elle risque de provoquer des dommages par arrachement dans les nuances plus dures/fragiles, ce qui conduit à préférer l'usinage des contours par électroérosion, bien que les taux plus lents et l'usure plus importante de l'outillage rendent les coûts moins attrayants à mesure que les volumes de production augmentent, un facteur qui doit être soigneusement pris en compte lors de l'établissement du devis initial des composants et de l'évaluation de la durée de vie du projet.
Contrôle de la qualité - vérifier la chimie, l'intégrité du matériau et la conformité dimensionnelle par métrologie optique et tomographie assistée par ordinateur, capable de mettre en évidence les défauts de subsurface devant être éliminés soutenir les temps de production des clients prévenir les arrêts de production imprévus réduire la réputation positive de la marque et la loyauté de la part du portefeuille construites au fil des ans maintenant potentiellement effacées par un seul lot de produit dérapé autorisé à atteindre l'utilisation sur le terrain manquant de la rigueur requise par l'industrie de la protection des équipements en carbure cémenté par rapport aux produits de matériaux alternatifs permettant historiquement des tolérances de variation de la qualité beaucoup plus larges passant largement inaperçues faute de surveillance.
Applications des boutons en carbure cémenté
Les niches non exhaustives bénéficiant d'une dureté Vickers extrême de 1900, d'une résistance à la compression de plus de 4 GPa et d'une inertie chimique allant jusqu'à 800C sont les suivantes
Exploitation minière - Les domaines du concassage, du broyage, de la flottation et des équipements de manutention, en particulier Codelco, qui utilise largement le carbure cémenté depuis des décennies, sont aujourd'hui à la tête de la production mondiale de cuivre (tonnes traitées par an), ce qui réduit considérablement les dépenses totales d'équipement opérationnel pour les pièces et la main-d'œuvre, dont la valeur est bien supérieure aux modestes coûts d'acquisition de matériaux supplémentaires, les contraintes devenant de plus en plus critiques chaque année, à mesure que les équipes se réduisent, Les coûts d'acquisition de matériel deviennent des contraintes critiques chaque année, alors que les équipes sont de plus en plus petites et de moins en moins expérimentées, et que les mines sont de plus en plus minces, tout en étant poursuivies par des investisseurs impatients. tester une véritable excellence opérationnelle séparer les meilleurs de leur catégorie constituer des réserves financières internes suffisantes faire face à des récessions prolongées des talents attendre l'inévitable cycle haussier des matières premières revenir lorsque les producteurs et les fournisseurs qui se sont préparés à l'avance capturer des gains de parts de marché plus importants que ceux qui ont été paralysés avoir besoin d'années pour reconstruire des relations de confiance, les compétences et les stocks perdus à courte vue en suivant les récentes tendances de budgétisation à base zéro, elles-mêmes démontrées à maintes reprises comme ne parvenant pas à rétablir rapidement les capacités opérationnelles pendant les périodes d'amélioration soudaine des prix. Ainsi, si l'on se demande si les carbures cémentés répondent raisonnablement aux problèmes réels de production et de maintenance dans les mines, il suffit d'interroger les ingénieurs en charge de l'équipement et les responsables de la ligne de produits - les utilisateurs de l'échantillonnage qui affirmeront rapidement les économies de coûts sur toute la durée de vie résumées ci-dessous :
Pétrochimie - Vannes de régulation du débit dans les unités de craquage, de cokéfaction et de viscoréduction. Dents des godets de récupération. Zones d'érosion des particules solides au-dessus des superalliages.
Sylviculture - LesCOMPONENTS D'ECARCAGE et les zones d'usure des broyeurs de copeaux, qui nécessitaient auparavant des piles de tôle renouvelées chaque semaine, sont désormais en ligne depuis plus d'un an grâce à des interventions de maintenance mineures programmées périodiquement, ce qui améliore considérablement les taux de fonctionnement et d'utilisation des équipements d'exploitation forestière, historiquement affectés par des temps d'arrêt cachés dus à des retouches, gonflés par les retards de déplacement des techniciens de pièces détachées, ce qui permet d'améliorer rapidement les mesures de coût total de possession et les retours sur investissement des mises à niveau des composants évacués.
Fabrication du verre - Les composants en contact avec le verre à température extrême, tels que les agitateurs, les plongeurs, les plaques d'anneau d'orifice et les rouleaux de décharge, dont les prédécesseurs en acier ne mesuraient que des campagnes d'une semaine, sont désormais transformés en cycles trimestriels, ce qui permet de réduire les interruptions de changement de ligne, de diminuer les dépenses de combustible et de main-d'œuvre des fours et d'obtenir un retour sur investissement parmi les plus élevés du marché.
En résumé, toute spécification de composant présentant une abrasion extrême à trois corps, un martelage cyclique métal-métal, une érosion par particules solides, une attaque chimique corrosive ou des fluctuations de température dégradant les aciers pour roulements alternatifs, les alliages de fer ou de bronze en quelques jours ou semaines permet d'explorer les qualités de carbure cémenté probablement déjà développées dans le commerce - nécessitant simplement des mesures d'usure précises et une collaboration proactive du fournisseur identifiant le facteur de défaillance racine, augmentant efficacement le temps moyen entre les interventions, maximisant ainsi les temps de production du client.
Fournisseurs de boutons en carbure cémenté
Les principaux fabricants internationaux de boutons en carbure cémenté sont les suivants
| Entreprise | Localisation | Description |
|---|---|---|
| Ceratizit | Luxembourg | La plus vaste gamme mondiale de carbures, y compris des liants de nickel spécialisés pour les applications chimiques. |
| Matériaux Mitsubishi | Japon | Leader de l'industrie fournissant ses propres poudres brutes aux composants finis pour le contrôle de la qualité |
| Élément six | Mondial | Spécialisation dans les qualités 90%+ ultrafines et renforcées par des nanoparticules |
| Kennametal | États-Unis | Expertise en matière d'applications minières et de traitement des minerais en profondeur |
| Sandvik | Suède | Cibler les composants de petite taille et à géométrie creuse, y compris l'outillage indexable |
Tableau 3. Principaux fournisseurs de carbure cémenté proposant des goujons et des composants d'usure personnalisés
Des dizaines d'autres producteurs locaux proposent des alliages standard, mais ne prennent pas en compte les nuances personnalisées ou les besoins de développement d'applications qui nécessitent des partenariats métallurgiques collaboratifs, en travaillant avec des innovations diversifiées à l'échelle mondiale qui se traduisent par une concurrence féroce garantissant une amélioration constante de la qualité et des prix pour l'utilisateur final - les fruits profitant aux acheteurs qui ne disposent pas d'experts internes en la matière.
Coûts des boutons en carbure cémenté
| Taille | Fourchette de prix |
|---|---|
| Diamètre inférieur à 25 mm (1 pouce) | $5 - $30 par bouton |
| 25-75mm (1 - 3 pouces) de diamètre | $30 - $250 chaque |
| Au-dessus de 75 mm (3 pouces) | Obtenir une proposition |
Les géométries personnalisées plus grandes correspondent aux surfaces d'accouplement des équipements individuels, ce qui optimise les interfaces des composants et minimise les écarts qui empêchent une distribution cohérente des forces introduites dans les pièces en carbure - ce qui est crucial pour maintenir la résistance aux fissures et détermine finalement la durée de vie réelle des boutons, ce qui justifie les investissements et cimente en particulier les partenariats avec les fournisseurs capables de proposer de telles offres.
Comparaison des carbures cémentés avec les produits de substitution
| Paramètres | Carbure cémenté | Céramique | Soudage de surfaces dures | Chrome dur |
|---|---|---|---|---|
| Dureté | 1600-2300 HV | 2000-3500 HV | 550-650 HV | 1000-1300 HV |
| Solidité | Plus élevé | Extrêmement fragile | Le plus bas | Faible |
| Température de service maximale | 1200°C | 1800°C | Approches substrat | 900°C |
| Résistance à la corrosion | Moyenne-élevée | Moyen | Faible-élevé en fonction de l'alliage | Haut |
| Taille du composant | Grandes dimensions | Petit ou revêtement | Toute pièce soudable | Revêtements uniquement |
| Coût | $$$ | $$$$ | $ | $$ |
Tableau 4. Comparaison qualitative des carbures cémentés avec d'autres technologies de matériaux d'usure extrême
Les carbures cémentés présentent un point faible qui optimise l'équilibre entre la dureté et les coûts du cycle de vie des composants tout en évitant les modes de rupture fragile catastrophiques qui affectent les céramiques d'oxyde sans post-traitement, alors que les alliages soudés introduisent des microfissures solidifiées qui dégradent les performances en matière de corrosion et les propriétés de ductilité, ce qui en limite l'utilisation à grande échelle.
Ainsi, dans des situations dépassant les aciers austénitiques au manganèse ou les aciers martensitiques pour soupapes de la série 400, mais ne nécessitant pas de propriétés de résistance électrique isolante, les composants en carbure allié entièrement denses méritent d'être pris en considération pour évaluer les possibilités d'économies de matériaux de transition potentiellement plus doux, trop souvent rejetées en l'absence de collecte de données pertinentes, de travail à domicile disciplinaire, d'attribution de postes de production spécifiques pour le suivi de telles mises à niveau "expérimentales" du parc, fournissant des informations qui déterminent les politiques de mise à niveau futures.
Les lignes directrices générales - les températures d'application inférieures à 800°C avec principalement des expositions à l'usure par glissement ou érosion bénéficieront probablement de composants en carbure cémenté de tungstène ou de tantale améliorés, tandis que les températures supérieures à 1000°C ou les modes d'usure hautement dynamiques/adhésifs amèneront les ingénieurs à envisager plutôt des céramiques ou des options de revêtement spécialisées - tout en notant que les risques financiers liés à la durée de vie augmentent en conséquence, de sorte que toutes les décisions relatives aux matériaux ne peuvent pas reposer uniquement sur des résultats de tests simulés en laboratoire, mais également sur des tests sur le terrain également pondérés fournissant un retour d'information à l'opérateur, garantissant des transitions durables.
FAQ
Q : Les carbures cémentés peuvent-ils également être appliqués à l'aide de revêtements ou de traitements spécialisés ?
R : Oui, les composants appliquent souvent des couches minces multicouches de céramique, de DLC, de nitrure ou d'aluminisation par diffusion spécialisée, de chromisation, qui renforcent la résistance à l'oxydation et à la corrosion, la lubrification solide, l'isolation électrique ou les propriétés de gestion thermique, sans commune mesure avec les alternatives monolithiques en carbure. Bien que les épaisseurs de revêtement imposent des limites de température de service maximale avant que les défaillances interfaciales ne limitent les gains totaux obtenus, chaque couche nécessite une surveillance de la compatibilité garantissant que les synergies attendues se traduisent lors de l'utilisation par le client sans risques supplémentaires.
Q : Quelles sont les causes des fissures dans les boutons en carbure cémenté?
R : Les fractures se développent à partir de contraintes de traction dépassant les seuils critiques résultant de charges cycliques, d'expansions incontrôlées, de désadaptations par rapport aux substrats ou de dommages dus à la manipulation, tels que des chutes ou un usinage ou un meulage inadéquat, éliminant un excès de matériau de bord nécessaire pour supporter les forces de compression en cercle empêchant les amorces de fissures de se propager rapidement en quelques minutes à travers des pièces entières si rien n'est fait pour y remédier. La gestion des risques nécessite un changement fondamental pour que les contrôles de qualité aident les utilisateurs et ne leur nuisent pas.
Q : Les carbures de tungstène peuvent-ils remplacer les applications d'usinage de l'acier à outils ?
R : Il est absolument nécessaire de remplacer les plaquettes en acier à outils pour une production économique de moins de 1000 pièces identiques, mais les coûts plus élevés des matériaux ne justifient pas une utilisation au-delà de ces volumes, sauf exceptions dans le domaine du micro-usinage spécialisé. Les ateliers d'outillage progressif sont les mieux placés pour évaluer rapidement les avantages potentiels des métaux durs.
Q : Quelle est la soudabilité des carbures cémentés ?
R : C'est un véritable défi, car les alliages se sensibilisent rapidement aux impuretés de fer ou de carbone qui risquent de provoquer des fissures expansives suivies d'une corrosion accélérée, ce qui finit par compromettre les gains de durée de vie escomptés. Les assemblages soudés sont donc remplacés par des raccords brasés/soudés ou des fixations mécaniques - un artefact qui remonte aux faux départs du début des années 1960-70 et qui a nui à la crédibilité collective de l'industrie, qui a mis des décennies à se reconstruire grâce aux efforts persistants d'éducation déployés par les principaux fabricants dans le monde entier.
