Plaques de carbure frittéégalement connues sous le nom de plaques en carbure cémenté, sont fabriquées par compactage et frittage de poudres de carbures métalliques réfractaires avec des liants métalliques. Elles présentent une dureté et une résistance à l'usure très élevées, ce qui les rend adaptées aux applications nécessitant une durabilité dans des conditions extrêmes.
Aperçu des plaques en carbure fritté
Les plaques de carbure fritté sont des matériaux composites constitués de.. :
- Particules de carbure dur comme le carbure de tungstène (WC), le carbure de titane (TiC), le carbure de tantale (TaC) qui offrent une résistance à l'usure.
- Des liants métalliques tels que le cobalt, le nickel ou le fer qui maintiennent les particules de carbure ensemble.
Ils sont produits par métallurgie des poudres - compactage puis frittage du mélange de poudres à haute température. Les particules de carbure et le liant sont ainsi fusionnés en une microstructure de carbures dispersés dans la matrice du liant.
Avantages des plaques de carbure fritté :
- Dureté et résistance à l'usure extrêmement élevées
- Maintien de la résistance à des températures élevées
- Résistant à l'abrasion, à l'érosion et à la corrosion
- Stabilité dimensionnelle à différentes températures
- Propriétés personnalisables en modifiant la composition de la poudre
- Possibilité de réaliser des géométries complexes
Applications :
Les plaques de carbure fritté sont utilisées dans des applications qui exigent une durabilité sous des contraintes mécaniques, thermiques ou chimiques extrêmes :
- Outils de coupe, fraisage, perçage
- Matrices, poinçons
- Joints d'étanchéité, buses
- Revêtements et plaques à haute résistance à l'usure
- Matériel d'exploitation minière et de forage pétrolier
- Éléments de four à haute température
Voici une comparaison des qualités de carbure fritté et de leurs propriétés :
| Grade | Dureté (HRA) | Résistance à la rupture transversale (MPa) | Applications clés |
|---|---|---|---|
| P10-P20 | 86-90 | 340-550 | Pièces d'usure à usage général |
| P30-P40 | 90-94 | 550-970 | Matrices d'étirage, lames de cisailles |
| P50-P60 | 92-96 | 690-1100 | Plaquettes de coupe, perçage, fraisage |
| P01 | 89-93 | 480-690 | Résistant aux températures élevées et aux produits chimiques |
Composition des plaques de carbure fritté
Les principaux ingrédients des plaques de carbure fritté sont les suivants :
Poudres de carbure :
- Carbure de tungstène (WC) - Le plus utilisé en raison de sa résistance à l'usure.
- Carbure de titane (TiC) - Dureté élevée à des températures élevées
- Carbure de tantale (TaC) - Extrêmement dur avec une bonne stabilité chimique
- Carbure de niobium (NbC) - Haute résistance et ténacité à la rupture
Métaux liants :
- Cobalt (Co) - Le plus courant, il confère résistance et robustesse.
- Nickel (Ni) - ajouté pour la résistance à l'acide
- Fer (Fe) - Alternative moins onéreuse au cobalt
Éléments supplémentaires :
- Vanadium, chrome, molybdène - Pour l'inhibition de la croissance des grains
- Carbone, azote - Pour influencer les transformations de phase
La composition peut être modifiée pour optimiser les propriétés physiques, mécaniques et chimiques. Quelques exemples :
| Grade | Composition |
|---|---|
| Objectif général | 88% WC - 12% Co |
| Haute ténacité | 76% WC - 10% TiC - 14% Co |
| Haute résistance à la chaleur | 65% WC - 35% TaC - 9% Co |
| Résistance aux acides | 73% WC - 8% TiC - 8% TaC - 3% Ni - 8% Co |
Propriétés des Plaques de carbure fritté
Les propriétés uniques des plaques de carbure fritté proviennent de leur microstructure composite spéciale composée de grains de carbure durs soutenus par une matrice de liant métallique plus résistante :
Propriétés physiques
| Propriété | Valeur |
|---|---|
| Densité | 13-16 g/cc |
| Porosité | <1% pour les grades P/M |
| Taille des grains | 1-10 microns |
| Coefficient d'expansion | 4-6 x 10-6 /K |
Propriétés mécaniques
| Propriété | Valeur |
|---|---|
| Dureté | Jusqu'à 96 HRA (1700 HV) |
| Résistance à la rupture transversale | Jusqu'à 2,5 GPa |
| Résistance à la compression | Jusqu'à 8 GPa |
| Ténacité à la rupture | Jusqu'à 30 MPa√m |
| Module d'Young | 500-700 GPa |
Les propriétés physiques et mécaniques peuvent être adaptées en fonction de la composition, des caractéristiques de la poudre, des paramètres de frittage et des conditions de traitement thermique.
Caractéristiques principales du matériau :
- Microstructure avec des grains de carbure anguleux soutenus par un liant métallique
- Densité relative élevée > 98% densité théorique
- Distribution uniforme de grains de carbure fins de 1 à 10 microns
- Quantité optimale de liant pour la résistance et la ténacité
- Défauts intrinsèques minimes comme des pores ou des fissures
Processus de fabrication des plaques de carbure fritté
Les plaques de carbure fritté et divers produits sont fabriqués par des techniques de métallurgie des poudres :
Les étapes
- Fraisage: Les poudres de carbure et de métal liant sont broyées ensemble pour assurer un mélange uniforme.
- Compactage: Le mélange de poudres granuleuses est compacté dans les formes souhaitées à des pressions de 100 à 300 MPa.
- Débouclage: Les liants organiques sont retirés des formes compactées.
- Frittage: Le compact vert est densifié par chauffage à 1400-1500°C dans un four à atmosphère contrôlée.
- Finition: Les pièces frittées sont rectifiées, usinées et rodées aux dimensions finales.
Paramètres du processus de frittage :
- Température : 1350-1500°C
- Atmosphère : Vide ou hydrogène/azote inerte
- Durée : de quelques heures à plusieurs dizaines d'heures
- Assistance à la pression : Pressage à chaud ou pressage isostatique à chaud
- Vitesse de refroidissement : Important pour le développement d'une microstructure optimale
Méthodes de fabrication avancées
- Le moulage par injection de métal (MIM) permet des géométries complexes
- Fabrication additive (AM) par jet de liant et fusion sélective au laser
- La fabrication hybride en couches (HLM) combine l'AM et l'usinage
Caractéristiques et particularités
Caractéristiques microstructurales
- Grains de WC anguleux dans une matrice de Co avec un peu de phase eta
- Taille moyenne des grains de WC entre 1 et 10 microns
- Microstructure uniforme sans grains anormalement gros
- Densité proche de la pleine densité avec une porosité intrinsèque minimale
- Absence de fissures, de vides, d'inclusions ou de défauts similaires
Caractéristiques physiques
- Structure dense avec une densité relative élevée >98% théorique
- Forme et géométrie uniformes selon les spécifications de conception
- Finition de surface lisse inférieure à 10 microns Ra
- Bords chanfreinés ou profils extérieurs et intérieurs
- Tolérance dimensionnelle ±0,2% dimension nominale
Propriétés mécaniques
- Dureté Vickers de 1600-1800 HV en fonction de la qualité
- Excellente résistance à l'abrasion et à l'érosion
- Forte résistance à l'écaillage, à la fissuration et à la rupture
- Bonne résistance des arêtes et résistance aux chocs
- Ténacité moyenne à la rupture de l'ordre de 12-18 MPa√m
Caractéristiques de performance
- Comportement d'usure cohérent et prévisible dans toutes les conditions d'utilisation
- Durée de vie de l'outil longue et fiable dans des conditions de pression et de température extrêmes
- Excellente résistance aux chocs thermiques grâce à un faible CDT
- Chimiquement inerte à la plupart des acides autres que l'acide nitrique ou l'acide fluorhydrique
- Corrosion minimale en milieu humide
Applications typiques des plaques de carbure fritté
Grâce à leur équilibre optimisé entre dureté, résistance et propriétés réfractaires, les plaques de carbure fritté offrent une durée de vie exceptionnelle dans les applications difficiles suivantes :
Résistance à l'usure et à l'abrasion
- Plaquettes et outils de coupe
- Matrices de dessin
- Buses, joints, sièges de soupape
- Roues et corps de pompe
- Revêtements d'équipements de granulation
- Chutes, vis, broyeurs dans l'industrie minière
Résistance aux températures élevées et à la corrosion
- Wagons de four et revêtements de four
- Tubes de protection des thermocouples
- Cibles de pulvérisation dans l'industrie des semi-conducteurs
- Pistons et tiges dans l'industrie chimique
Applications techniques spécialisées
- Blindage pare-balles et plaques composites
- Embouts de micro-perçage
- Composants d'équipements optiques et laser
Pour la plupart des applications, des nuances de carbure fritté avec des quantités variables de liants métalliques sont utilisées en fonction du niveau de ténacité, de résistance aux chocs ou aux chocs thermiques requis. La qualité, l'épaisseur, la taille et les tolérances des plaques peuvent être sélectionnées en fonction des conditions de service.
| L'industrie | Composants | Exemples de grades |
|---|---|---|
| Usinage | Plaquettes de coupe | P25 pour le tournage de l'acier P35 pour l'usinage de l'aluminium P50-P60 pour l'usinage à grande vitesse |
| Formage des métaux | Matrices d'emboutissage, poinçons | P20-P40 avec céramique mixte |
| Forage pétrolier | Faces d'étanchéité, buses de fluide | C1-C3 pour la résistance à l'érosion C5-C7 pour la résistance à l'usure |
Spécifications de taille des plaques de carbure fritté
Les plaques de carbure fritté sont produites dans des dimensions standard et personnalisées, avec une épaisseur typique allant de 1 mm à 50 mm. Les plaques de plus de 4 mm d'épaisseur sont fabriquées par frittage-HIP, tandis que les plaques plus fines de 1 à 3 mm peuvent être fabriquées par pressage et frittage :
Tailles standard disponibles
- Plaques carrées jusqu'à 400 mm x 400 mm
- Plaques rectangulaires de différentes longueurs et largeurs
- Plaques ou disques ronds d'un diamètre allant jusqu'à 300 mm
- Découpe de pièces sur mesure pour les besoins du client
Gamme d'épaisseur
- Plaques ultra-minces de 0,5 mm à 1 mm d'épaisseur
- Plaques standard de >1 mm à 4 mm d'épaisseur
- Tôles épaisses de plus de 4 mm fabriquées par pressage isostatique à chaud
Tolérances dimensionnelles
| Dimension | Tolérance |
|---|---|
| Longueur / Largeur | ±0,20% |
| Épaisseur | ±0,25% |
| Planéité | ±0,10% par 25 mm |
| Angularité | 1 degré |
Les dimensions appropriées des plaques - épaisseur, surface et taille - sont choisies en fonction des exigences de l'application finale. Les plaques plus épaisses supportent des charges plus élevées dans les applications d'usure, tandis que les plaques minces de 0,5 à 1 mm sont utilisées comme faces d'étanchéité ou comme cibles de pulvérisation.
Grades et normes des plaques de carbure fritté
Les qualités de carbure fritté ont des compositions normalisées référencées par classe de composite, sources de poudre et procédés selon les systèmes de classification publiés par ISO, ASTM et les organismes de normalisation nationaux :
Classe composite
- Carbures cémentés désignés comme grades P, M ou K en fonction de leur structure
- Nuances P basées sur WC-Co avec différents ajouts de carbure
- Grades M avec ajouts de Mo pour la résistance à haute température
- Nuances K avec teneur en NbC et TaC pour la résistance à l'usure
Matières premières pour poudres
- Sources de poudre de carbure qualifiées en fonction de leur pureté
- Les poudres de liant métallique doivent avoir une taille et une forme de particule
- Teneur en carbone, inhibiteurs, agents de croissance du grain
Normes de classification
| Standard | Définition des grades |
|---|---|
| ISO 513 | Nuances de carbure cémenté : composition et application |
| ASTM B766 | Exigences relatives à la microstructure et aux propriétés physiques et mécaniques |
| JIS C 4020 | Norme industrielle japonaise pour les nuances de carbure cémenté |
Ces normes garantissent que les spécifications et les qualités des produits en carbure fritté ont des propriétés normalisées à l'échelle mondiale pour le contrôle de la qualité et l'interchangeabilité des pièces.
Fournisseurs et coûts des plaques de carbure fritté
Les plaques de carbure fritté sont proposées par plusieurs fournisseurs mondiaux spécialisés dans la production de carbures cémentés et de céramiques techniques. Les fabricants asiatiques dominent le marché en raison des coûts moins élevés des matières premières et de l'énergie.
Principaux fournisseurs de carbure fritté
- Sandvik Hard Materials (Suède)
- Groupe Ceratizit (Luxembourg)
- NTK Cutting Tools (Japon)
- Zhuzhou Cemented Carbide (Chine)
- Tungaloy Corporation (Japon)
Tarification
- Le coût par plaque dépend de la taille, de la qualité requise et des volumes commandés.
- La gamme va de $5 par pièce pour la qualité P10 à $250 par pièce pour les qualités ultrafines ou pressées à chaud.
- Le coût moyen est de $25-50 par plaque pour les qualités courantes de milieu de gamme.
Considérations relatives à l'approvisionnement
- Le délai d'exécution pour les grades personnalisés peut être de 10 à 12 semaines.
- Stock prêt disponible plus rapidement pour les tailles standard du catalogue
- Il est préférable de s'approvisionner auprès de distributeurs agréés
Lors de l'estimation des budgets, les exigences de l'application finale déterminent le choix de la nuance du matériau, qui détermine ensuite le coût par plaque. Il est utile de consulter les ingénieurs d'application pour sélectionner la nuance la plus rentable pour des conditions de travail données.
Avantages et inconvénients de Plaques de carbure fritté
| Avantages | Inconvénients |
|---|---|
| Excellente dureté et résistance à l'usure | Fragile avec une ténacité à la rupture plus faible |
| Résistance maintenue à des températures élevées | Sensible aux chocs thermiques |
| Chimiquement inerte à la plupart des acides et solvants | Relativement plus cher que l'acier |
| Comportement cohérent et fiable | Nécessite un meulage au diamant en raison de sa dureté |
| Possibilité de réaliser des formes complexes | Résistance à la flexion inférieure à celle de l'acier |
| Personnalisable par la composition et la transformation | Nécessite un liant à base de cobalt pour la solidité |
| Meilleure finition que les carbures coulés | Difficile à usiner en raison de sa dureté |
Quand utiliser le carbure fritté ?
Envisager des carbures frittés lorsque l'acier ne peut pas survivre aux conditions d'utilisation :
- Usure extrêmement abrasive
- Contraintes de charge et de contact élevées
- Impacts répétés ou charge cyclique
- Températures supérieures à 500°C
- Exposition à des produits chimiques très corrosifs
Quand éviter le carbure fritté ?
- Pour les composants flexibles nécessitant un retour élastique
- Applications susceptibles de subir des chocs mécaniques
- Situations nécessitant une ténacité élevée à la rupture
- Applications à coûts réduits où l'acier peut suffire
Pour de nombreux composants critiques travaillant dans des conditions extrêmes, tels que les buses, les joints et les matrices, le carbure fritté est le meilleur choix de matériau malgré un prix initial plus élevé.
Comparaison avec d'autres nuances de carbure
| Paramètres | Carbure fritté | Carbure coulé | Carbures revêtus PVD |
|---|---|---|---|
| Composition | WC-Co avec frittage | Pas de liant, microstructure coulée | Substrat WC-Co avec revêtement PVD |
| Dureté | Jusqu'à 96 ARH | 85-88 HRA | 92-94 HRA |
| Résistance à la rupture transversale | 550 - 1100 MPa | 210 - 350 MPa | 500 - 600 MPa |
| Ténacité à la rupture | 10 - 25 MPa√m | 3 - 6 MPa√m | 8 - 15 MPa√m |
| Résistance chimique | Moyenne | Excellent | Bonne protection contre la corrosion |
| Résistance aux chocs thermiques | Juste | Le meilleur | Bonne résistance à la fatigue thermique |
| Fabrication | Pièces PM complexes | Limites géométriques pour la coulée | Revêtement après frittage |
| Exemples d'applications | Outils de coupe, matrices | Faces d'étanchéité, pièces de vannes | Plaquettes de perçage, de fraisage et de tournage |
Principales différences :
- Le carbure coulé contient moins de liant et est donc extrêmement fragile.
- Les grades frittés offrent le meilleur équilibre entre dureté et ténacité grâce à une composition WC-Co adaptée.
- Le revêtement PVD améliore l'inertie et la résistance à l'oxydation
La solution optimale en matière de carbure dépend des exigences de l'application finale - contraintes attendues, températures, besoins de précision, etc. Il est recommandé de consulter des experts en matériaux.
FAQ
Q : Les plaques en carbure fritté peuvent-elles être utilisées dans les acides ?
R : Les plaques de carbure fritté offrent une résistance chimique moyenne. Les qualités personnalisées avec un liant en nickel offrent une meilleure résistance aux acides. Mais elles ne doivent pas être utilisées avec du HF concentré, du HNO3 ou du H2SO4 chaud qui attaquent à la fois le WC et le liant.
Q : Quelle est la fonction des inhibiteurs de croissance des grains dans les carbures cémentés ?
R : De faibles ajouts de VC, Cr3C2, TaC contrôlent la taille des grains de WC pendant le frittage. Les grains fins < 2 microns améliorent la dureté et la résistance. Les inhibiteurs de croissance des grains limitent le mûrissement d'Ostwald en formant des secondes phases sur les limites WC-Co.
Q : Dois-je utiliser des grades à teneur en cobalt plus ou moins élevée pour mon application ?
R : Le cobalt 9-15% plus élevé lie les grains de WC, ce qui améliore la résistance à la rupture et aux chocs, mais diminue légèrement la dureté. Le cobalt 3-6% plus faible maximise la dureté pour la résistance à l'abrasion mais rend le produit plus fragile avec un SRT plus faible.
Q : Qu'est-ce qui provoque des fissures thermiques dans les composants en carbure fritté ?
R : Les carbures ont une dilatation thermique beaucoup plus faible que les pièces en acier. Un chauffage ou un refroidissement rapide induit des contraintes thermiques en raison de l'inadéquation du coefficient de dilatation thermique. Ces contraintes temporaires entraînent l'apparition et la propagation de fissures à l'intérieur du carbure, ce qui réduit considérablement la résistance.
Q : Comment les formes complexes des joints et des matrices sont-elles produites à partir de carbure fritté ?
R : Les composants complexes de forme quasi-nette sont fabriqués à partir de poudres fines par moulage par injection de poudre. Cela permet de fritter des composants précis répondant aux spécifications de conception après élimination du liant et densification.
