Boutons en carbure de tungstène sont des matériaux extrêmement durs et durables utilisés dans des applications exigeantes nécessitant une grande résistance à l'usure. Souvent appelé simplement "carbure", ce matériau de pointe permet aux pièces, aux composants et aux produits de résister à des environnements de travail difficiles.
Les boutons en carbure présentent des propriétés uniques qui les rendent polyvalents et utilisables dans divers secteurs, notamment la fabrication, le pétrole et le gaz, l'exploitation minière, la construction, les transports et bien d'autres encore. Ils sont nettement plus résistants que d'autres matériaux dans les environnements abrasifs et offrent une longue durée de vie qui permet d'optimiser les opérations.
Cet article fournit un guide complet sur les boutons en carbure de tungstène. Nous examinerons la composition des boutons en carbure, les types, les principales propriétés, les processus de fabrication, les applications, les tailles et les qualités les plus courantes, les considérations en matière de conception, les normes mondiales, les principaux fournisseurs, les prix et bien plus encore. Que vous soyez un ingénieur explorant les options du carbure ou un responsable de l'approvisionnement en pièces résistantes à l'usure, ce guide offre des détails essentiels pour éclairer vos décisions.
Composition des Boutons en carbure de tungstène
Le carbure de tungstène (WC) est un matériau céramique contenant des particules de carbure de tungstène (W) dans une matrice de cobalt (Co). Il est produit en mélangeant de la poudre de tungstène et du carbone à haute température dans un processus appelé cémentation.
La plupart des boutons en carbure sont constitués de particules étroitement contrôlées de carbure de tungstène incorporées dans un liant de cobalt de 6% à 25%. Le cobalt sert à cimenter les grains durs de WC afin qu'ils puissent être transformés en un produit utilisable.
Le pourcentage relatif du liant cobalt détermine la dureté et la ténacité. Les produits à faible teneur en cobalt sont plus durs et plus résistants à l'usure, mais ont tendance à être fragiles. Les grades de cobalt plus élevés sont plus durs mais légèrement plus mous.
Gamme de composition typique des boutons en carbure
| Constituant | Composition par poids % |
|---|---|
| Tungstène (W) | 72.0 – 97.5% |
| Carbone (C) | 0.6 – 6.0% |
| Liant de cobalt (Co) | 3.0 – 25% |
La vaste gamme de nuances de carbure et de pourcentages de cobalt possibles permet aux fabricants d'adapter les boutons à des conditions de fonctionnement spécifiques.
Types de boutons en carbure par méthode de fabrication
Les boutons en carbure sont produits à l'aide de diverses méthodes qui permettent d'obtenir différentes qualités de matériau adaptées à des applications particulières :
Boutons en carbure coulé
- Produit par frittage en phase liquide de poudre de tungstène et de liant
- Grandes tailles de boutons jusqu'à 3 pouces de diamètre
- Porosité plus élevée que les autres qualités
Boutons en carbure fritté
- Fabriqué à partir de particules de carbure de tungstène pressées et frittées en phase solide
- Faible porosité pour une excellente dureté
- Boutons jusqu'à 1 pouce de diamètre
Boutons en carbure pastillé
- Comprimés à partir de granulés de carbure de tungstène et non de poudres
- Densité et dureté moyennes
- Un grade rentable
Boutons en carbure cémenté
- Poudres de tungstène cémentées par un liant de cobalt
- Dureté très uniforme et structure dense
- Coût plus élevé que le carbure en pastilles
Tiges en carbure de tungstène
- Etiré en barres puis coupé en bouchons
- Tolérances très serrées
- Dureté uniforme et résistance à l'usure
Plaquettes bouton en carbure
- Pressé dans diverses formes d'inserts courants
- Plaquettes indexables réversibles à bords multiples
- Cylindrique, conique, rayon, trigone, diamant, etc.
Propriétés et caractéristiques principales
La dureté exceptionnelle et les propriétés d'usure des boutons en carbure sur une large plage de températures offrent des avantages significatifs qui en font des substituts idéaux à d'autres matériaux dans toutes les applications industrielles.
Propriétés des boutons en carbure de tungstène
| Propriété | Description |
|---|---|
| Dureté | 89 à 93 HRA à température ambiante |
| Résistance à la compression | Plus élevé que les aciers à outils |
| Résistance à la traction | Deux fois plus élevé que les aciers à outils |
| Plage de température de fonctionnement | Jusqu'à 600°C pour les qualités de cobalt |
| Coefficient de frottement | 0,2 dynamique, 0,6 statique |
| Densité | Trois fois plus que l'acier |
| Résistance à la corrosion | Résiste à la corrosion sauf en présence de HCl et de H2SO4 |
| Conductivité thermique | Plus faible que l'acier à outils, la dissipation de la chaleur est donc plus lente. |
Les caractéristiques clés qui conduisent à des avantages en termes de performance :
- Dureté extrême offrant une résistance à l'abrasion et à l'érosion
- La résistance permet de conserver la forme et la fonction sous de lourdes charges
- La structure dense résiste aux impacts sans se fissurer
- Le liant cobalt confère une résistance à la rupture
- Chimiquement inerte dans la plupart des environnements
- Stabilité dimensionnelle dans une large gamme de températures
Différences de qualité des boutons en carbure
- Dureté directement liée à la teneur en cobalt
- Le cobalt inférieur est plus dur mais plus fragile.
- Un taux de cobalt plus élevé est plus résistant mais légèrement plus souple.
- Il faut trouver un équilibre entre la résistance à l'usure et la ténacité nécessaire
Processus de fabrication des boutons en carbure de tungstène
Les boutons en carbure passent par une série d'étapes de fabrication complexes qui utilisent une chaleur et une pression extrêmes pour obtenir des propriétés métallurgiques uniques.
Quatre étapes clés :
1. Fraisage
- La poudre de tungstène pur est broyée pour obtenir des particules de taille moyenne optimisée en fonction de la qualité de carbure requise.
2. Mélange
- Des quantités mesurées de poudre de tungstène et de carbone sont mélangées et broyées pour obtenir un composé uniformément dispersé.
3. En appuyant sur
- Le mélange de poudres est pressé dans une forme compacte "verte" reflétant les dimensions finales.
4. Frittage
- Les compacts verts sont frittés par résistance dans un four sous vide à 2 500°F afin d'obtenir un produit pratiquement exempt de pores.
Une technologie avancée combine le carbone et le tungstène par diffusion pour créer un matériau extrêmement dur capable de résister à des pressions et des chaleurs extrêmes.
Principales applications et utilisations
Grâce à leurs excellentes caractéristiques d'usure et à leurs propriétés physiques, les boutons en carbure offrent une valeur ajoutée dans les industries et les applications suivantes :
Applications typiques des boutons en carbure
| L'industrie | Applications courantes |
|---|---|
| Fabrication | Bagues, joints, buses, guides, valves, outillage, moules |
| La construction | Rabotage de routes, pieux, outils d'enfoncement, boutons de forage de roches |
| Exploitation minière | Broyage, moyens de broyage, dents et crochets d'excavation |
| Transport | Lames de niveleuse et de chasse-neige, doublures de caisse de camion |
| Sylviculture | Dents de scie, têtes d'écorçage, fléaux à bois, couteaux de déchiqueteuse |
| Pétrole et gaz | Outils de fond de puits, outils filaires, instruments de diagraphie |
| Production d'acier | Matrices de coulée continue, cônes de chauffe des fours |
| Transport ferroviaire | Plaquettes et garnitures de frein, jauges d'inspection des rails |
Principales raisons pour lesquelles le carbure de tungstène est préféré à l'acier :
- La durée de vie à l'usure dépasse de 8X à 30X+ celle des pièces en acier similaires.
- Résiste à des vitesses de glissement élevées sans grippage ni détérioration par la chaleur
- Gère les environnements abrasifs ou corrosifs qui dégradent rapidement l'acier
- Permet de réaliser des économies grâce à des cycles de remplacement plus longs
Les nuances de carbure et les ratios de liants peuvent être optimisés pour répondre aux exigences de fonctionnement, qu'il s'agisse d'impacts répétitifs, d'abrasion constante ou de mécanismes d'érosion cyclique qui dégradent les composants.
Tailles populaires des boutons en carbure
Les boutons en carbure de tungstène sont produits dans des dimensions standardisées à partir du stock ou dans des dimensions personnalisées pour s'adapter à des conceptions d'équipement particulières.
Diamètres des boutons les plus courants
- 3/8 pouce
- 1/2 pouce
- 5/8 pouce
- 3/4 de pouce
- 7/8 pouce
- 1 pouce
Des bouchons de plus grand diamètre, jusqu'à 3 pouces, sont également produits, bien qu'ils soient moins souvent spécifiés.
Des boutons et des inserts plus petits, d'un diamètre inférieur à 1/8 pouce, en carbure fritté ou cimenté, sont utilisés dans les applications légères.
Ratios standard hauteur/diamètre
- Boutons de rapport 1:1
- Boutons de rapport 1:2
- Boutons de rapport 2:1
- Boutons de rapport 3:1
Le rapport 1:1 est le rapport le plus fréquemment utilisé pour les boutons en carbure afin d'assurer la polyvalence des configurations de montage. Des proportions longueur/diamètre personnalisées sont réalisées sur commande.
Grades, normes de qualité et spécifications
Système de classement des boutons en carbure
Boutons en carbure de tungstène sont classés selon une structure de classification unifiée élaborée par l'Organisation internationale de normalisation (ISO).
Ce système classe les carbures en fonction de la taille des grains et de la teneur en cobalt à l'aide d'un code alphanumérique.
Grades de carbure typiques pour les boutons
| Grade | Description |
|---|---|
| K10 / K01 | Granulométrie ultrafine de 0,2 à 0,4 micron avec une faible teneur en cobalt pour une résistance maximale à l'usure lorsqu'une haute ténacité n'est pas requise. |
| K20 / K02 | Granulométrie extra-fine de 0,5 à 1 micron avec une teneur moyenne en cobalt pour une ténacité et une résistance excellentes. |
| K30 / K03 | Granulométrie fine de 1 à 2 microns avec une teneur en cobalt plus élevée pour une meilleure résistance à la rupture en cas d'impact |
| K40 / K04 | Granulométrie moyenne de 1 à 5 microns avec une teneur élevée en cobalt pour la résistance plutôt que pour une performance d'usure extrême. |
Plus l'indice ISO est bas, plus la taille des particules de carbure de tungstène est petite et donc généralement meilleure est la résistance à l'usure. Le carbure à grain fin est plus coûteux à fabriquer.
Normes de qualité et de cohérence
Les fabricants réputés de boutons en carbure contrôlent la production en utilisant le contrôle statistique des processus et les normes de qualité ISO :
- ISO 9001 - Gestion de la qualité
- ISO 14001 - Gestion de l'environnement
- ISO 45001 - Santé et sécurité au travail
La conformité garantit la cohérence et la fiabilité des performances de la nuance de carbure. Des tests de validation peuvent être effectués sur des échantillons selon les exigences du client.
Meilleures pratiques en matière de conception et de spécification
Éléments à prendre en compte lors de la spécification des exigences relatives aux boutons en carbure :
- Conditions d'utilisation - abrasion modérée, forte ou extrême
- Matériau de base abrasé - pierre, béton, terre, acier, bois, etc.
- Dureté des abrasifs incorporés, le cas échéant
- Charges, vitesses de rotation, température, exposition aux produits chimiques
- Méthode de rétention - brasée ou serrée
Obtenez les conseils d'un expert pour sélectionner la qualité de carbure, le pourcentage de liant et la méthode de rétention optimaux, sauf si des modèles de boutons antérieurs ont fait leurs preuves dans la même application.
Fournir la qualité ISO, les dimensions, les tolérances dimensionnelles, l'état de surface, le pourcentage de cobalt, la méthode de fabrication et toute autre exigence personnalisée.
Offre mondiale et fabricants
La Chine, l'Europe et les États-Unis sont les principaux producteurs de produits en carbure de tungstène cémenté. De nombreux fournisseurs importants disposent d'installations stratégiquement situées dans ces régions.
Fabricants importants de boutons en carbure
| Entreprise | Siège |
|---|---|
| Kennametal | États-Unis |
| Sandvik | Suède |
| Ceratizit | Luxembourg |
| Matériaux Mitsubishi | Japon |
| Guangdong Xianglu Tungsten | Chine |
| Carbure fédéral | ÉTATS-UNIS |
| TaeguTec | Corée du Sud |
Lors de la sélection d'un fournisseur de boutons en carbure, il convient de s'assurer que
- Des ingénieurs commerciaux techniquement qualifiés pour aider à la sélection des produits
- Capacité à fournir des options standard et personnalisées
- Respect des normes strictes de contrôle de la qualité
- Prix compétitifs et livraison rapide à l'échelle
- Une solide réputation fondée sur les témoignages des clients
Prix des boutons en carbure
Les boutons en carbure se vendent plus cher que les boutons en acier. Cependant, une durée de vie plus longue permet de réduire le coût global de la pièce par heure ou par unité produite.
Fourchettes de coûts pour les nuances de carbure
| Qualité du carbure | Indice des prix relatifs |
|---|---|
| K10/K01 | coût le plus élevé en raison de l'importance de la transformation |
| K20/K02 | prix de milieu de gamme |
| K30/K03 | coût inférieur à celui des qualités ultrafines |
| K40/K04 | qualité de tungstène la moins chère |
Prix Conducteurs :
- Prix du marché du tungstène brut
- Complexité de la méthode de fabrication
- Étanchéité des tolérances dimensionnelles requises
- Quantité commandée - individuelle ou en vrac
- Options personnalisées telles que le chanfreinage ou le perçage de trous
Les prix varient également d'un fournisseur à l'autre en fonction :
- Pays d'origine de la fabrication
- Capacité de production et économies d'échelle
- Marges et tarifs des revendeurs
Comparaison des boutons en carbure et en acier
Le carbure de tungstène est nettement plus performant que l'acier en ce qui concerne les propriétés critiques, tout en offrant une stabilité environnementale.
Le contraste entre l'acier et le carbure
| Propriété | Bouton en carbure de tungstène | Bouton en acier |
|---|---|---|
| Dureté | Jusqu'à 93 ARH | Max 60 HRC |
| La force | 2X celle de l'acier | Résistance modérée |
| Solidité | Matériau dur et cassant | Moins dur mais plus ductile |
| Résistance à l'usure | Excellente grâce à sa dureté | sensibles aux mécanismes d'usure |
| Résistance à la corrosion | Inerte par rapport à la plupart des produits chimiques | Sujet à l'oxydation |
| Plage de température de travail | Jusqu'à 600°C | Perte de dureté au-delà de 250°C |
| Coefficient de friction | Faible à ~0,2 | ~0,7 et se bloque ou se fige |
| Principales considérations | Boutons en carbure | **Boutons en acier |
| Prix initial | Plusieurs fois plus élevé | Très économique |
| Durée de vie | Augmentation de 8 à 30 fois | Faible durabilité et durée de vie |
| Poids | Deux fois plus lourd | Poids plus léger |
| Conduction thermique | Faible pour conserver la chaleur | Dissipation thermique élevée |
| Délai d'exécution | Temps de fabrication plus long | Facilement disponible |
Les boutons en carbure apportent une valeur ajoutée en réduisant les temps d'arrêt, en économisant les coûts des consommables et en améliorant l'efficacité de l'équipement.
Meilleures pratiques en matière de conception et de sélection des boutons en carbure
Une conception appropriée et une fabrication contrôlée des composants en carbure améliorent les performances techniques tout en évitant les pièges les plus courants.
Principes de conception éprouvés
- Adapter la dureté du carbure aux mécanismes d'usure de l'application
- Assurer une épaisseur uniforme de la section transversale
- Éliminer les caractéristiques de concentration des contraintes
- Conception visant à éviter les dommages induits par les fractures fragiles
- Optimiser les mécanismes de rétention des interfaces en fonction des contraintes de fonctionnement
- Tenir compte des différences de dilatation thermique par rapport aux métaux de base
- Tenir compte d'une mauvaise conduction thermique nécessitant des aides au refroidissement
Défis en matière d'usinabilité
Extrêmement dur, le carbure de tungstène ne peut pas être usiné avec les méthodes traditionnelles. Les pièces produites sont rectifiées aux dimensions finales.
- Nécessite des meules et des procédés de meulage diamantés
- provoque une usure rapide de l'outil, ce qui nécessite de fréquents nettoyages de la meule
- Génère des copeaux fins et poussiéreux nécessitant une filtration
- Risque de microfissures et de dommages dus à la pression de l'outil
Les carbures sont plus faciles à fabriquer :
- Matériau de carbure de qualité inférieure K40/K04
- Composants à géométrie plus simple
- Grandes surfaces planes
Tirer parti de l'expertise du fabricant en matière de conception plutôt que d'essayer d'usiner des pièces en carbure difficiles à usiner.
FAQ
Q : Pourquoi le carbure de tungstène est-il si populaire par rapport à d'autres matériaux durs comme la céramique ?
R : Le carbure de tungstène offre un équilibre unique entre une dureté et une résistance à l'abrasion extrêmes et une ténacité à la rupture améliorée. Les alternatives céramiques ont tendance à se fissurer de manière catastrophique sous l'effet des charges plutôt que de s'user progressivement au fil du temps.
Q : Qu'est-ce qui fait que les boutons en carbure et les outils finissent par s'abîmer et doivent être remplacés ?
R : En raison de sa structure extrêmement dure, le carbure ne se déforme pas progressivement avant de se rompre comme les métaux. La plupart des dommages résultent de petits éclats conduisant à des fissures. Les impacts peuvent également provoquer des fractures macroscopiques. L'usure par fatigue dégrade également les surfaces de la ligne frontale par des mécanismes de friction et d'abrasion.
Q : Les boutons en carbure de tungstène doivent-ils être conservés d'une manière particulière ?
R : Compte tenu de leurs propriétés inertes, les boutons en carbure n'ont pas besoin d'être stockés dans des conditions particulières s'ils sont protégés des dommages physiques. Veillez à ce que la ventilation soit adéquate, car la poussière de liant de cobalt provenant du meulage peut présenter des risques pour les voies respiratoires.
Q : Quel est le processus de connexion des boutons en carbure aux équipements et aux machines ?
R : Les deux méthodes les plus courantes pour fixer le carbure sont le brasage et le serrage à l'aide de boulons ou d'assemblages filetés. Le choix du matériau de brasage dépend des températures de service et des coûts. Le serrage mécanique permet un remplacement plus simple mais peut souffrir des différences de taux de dilatation thermique entre le carbure et les métaux de support.
Q : Quelle est la durée de vie d'un bouton en carbure par rapport à un bouton en acier ?
R : En fonction des conditions d'exploitation et des contreparties qui abrasent les boutons, les boutons en carbure correctement conçus durent généralement de 8 à 30 fois plus longtemps que les solutions alternatives en acier. La rentabilité justifie un prix 5 à 15 fois plus élevé.
