Les tiges en carbure de tungstène sont des outils extrêmement polyvalents utilisés dans un large éventail d'applications de fabrication et d'ingénierie. Ce métal dur possède d'excellentes propriétés de dureté, de résistance à l'usure, de solidité et de durabilité qui en font un matériau idéal pour les applications exigeant une précision et des performances élevées.
Qu'est-ce que le carbure de tungstène ?
Le carbure de tungstène, également connu sous le nom de carbure cémenté, est un matériau composite fabriqué en combinant de la poudre métallique de tungstène et du carbone. Le carbure de tungstène est l'un des métaux les plus durs utilisés dans le commerce aujourd'hui. Il se situe à environ 9 sur l'échelle de dureté de Mohs, ce qui est légèrement supérieur aux alliages de titane, de chrome et de cobalt.
Le tungstène a le point de fusion le plus élevé de tous les métaux, à 3422°C. Son poids est comparable à celui de l'acier, mais il est beaucoup plus dense, puisqu'il pèse presque deux fois plus. L'extrême dureté du carbure de tungstène lui permet de conserver sa forme à haute température et le rend très résistant à l'usure.
Principales propriétés du carbure de tungstène
- Dureté extrême et haute dureté à chaud
- Excellente résistance à l'usure et à l'abrasion
- Module d'Young élevé
- Faible coefficient de dilatation thermique
- Résistance à la déformation
- Force et robustesse
- Résistance à la corrosion
Ces propriétés uniques font du carbure de tungstène un matériau idéal pour les applications impliquant des températures élevées, la friction, la corrosion et l'usure. Voici quelques propriétés notables qui le distinguent des autres matériaux :
Dureté
Le carbure de tungstène a une cote d'environ 9 sur l'échelle de Mohs, ce qui le rend extrêmement dur et rigide. Le diamant est le seul matériau plus dur. La dureté provient de la structure cristalline imbriquée du carbure de tungstène et de la liaison covalente entre les atomes de carbone et de tungstène.
La dureté du carbure de tungstène le rend très résistant à l'usure, à l'abrasion, aux rayures, à l'écaillage et à la déformation sous charge. Cette caractéristique est extrêmement utile pour les pièces qui interagissent avec des surfaces abrasives ou des matériaux durs.
La force
Le carbure de tungstène présente une résistance et une ténacité élevées malgré son extrême dureté. La résistance provient des liaisons chimiques entre les atomes de tungstène et de carbone. Les pièces fabriquées en carbure de tungstène peuvent résister à des chocs importants sans se fracturer.
Propriétés thermiques
Le carbure de tungstène conserve sa dureté même à des températures extrêmement élevées. La résistance reste constante jusqu'à 1000°C. Son coefficient de dilatation thermique est faible, ce qui lui permet de résister aux chocs thermiques.
Résistance à la corrosion
Le carbure de tungstène présente une excellente résistance à la corrosion et une inertie chimique. Il résiste à la corrosion causée par la plupart des acides minéraux que l'on trouve dans les industries de fabrication et de traitement chimique. Il peut toutefois être attaqué par l'acide fluorhydrique.
Fabrication de tiges en carbure de tungstène
Le carbure de tungstène est difficile à fabriquer en pièces telles que des tiges et nécessite des procédés de métallurgie des poudres. Voici les principales étapes :
Broyage et mélange
La poudre de tungstène métallique de haute pureté et la poudre de carbone sont broyées ensemble dans un broyeur à billes pour obtenir un mélange homogène de particules. Le broyage réduit la taille des particules et mélange intimement les poudres. Le rapport entre le tungstène et le carbone détermine la qualité finale du carbure de tungstène.
Un compact vert qui fait pression
La poudre broyée est pressée dans la forme souhaitée à l'aide d'un procédé appelé pressage isostatique à froid. Une pression énorme est appliquée uniformément dans toutes les directions pour former une masse solide appelée compact vert. Le compact vert a la forme de la pièce finale, mais il est poreux et fragile.
Frittage
Le compact vert est chauffé juste en dessous du point de fusion du tungstène dans une atmosphère contrôlée d'hydrogène. Les particules de tungstène et de carbone se lient alors métallurgiquement pour former une pièce dense et solide par le biais d'un processus appelé frittage en phase liquide. Le résultat final est un matériau de carbure de tungstène consolidé d'une dureté exceptionnelle.
Transformation secondaire
Le carbure de tungstène fritté peut nécessiter des procédés supplémentaires tels que le meulage, le tournage, le fraisage ou d'autres opérations de finition pour obtenir les dimensions finales de la tige, l'état de surface, la rectitude et la rondeur.
Grades de tiges en carbure de tungstène
Les barres de carbure de tungstène sont disponibles en plusieurs qualités qui contiennent différents rapports entre le tungstène et le carbone. Les différentes qualités offrent un équilibre entre la dureté, la ténacité et la résistance. Parmi les qualités de carbure de tungstène les plus courantes pour les tiges, on peut citer les suivantes :
- Qualités K (K01, K05, K10, K20) - Contient du cobalt 3-25% comme liant. Un taux de cobalt plus élevé augmente la ténacité.
- Qualités P (P01, P10, P20) - Semblables aux qualités K, mais avec une structure de grain plus fine pour une dureté accrue.
- Nuances C (C1, C2, C3, C4) - Carbure de tungstène pur sans liant de cobalt. La dureté augmente de C1 à C4 à mesure que la teneur en carbone augmente.
- Nuances H (H10, H20, H30) - Semblables aux nuances C mais avec une meilleure uniformité de dureté pour une résistance élevée à l'usure.
- Nuances N - Nuances à liant nickelé utilisées pour la résistance à la corrosion.
- Nuances M - Alliages de carbure de molybdène et de carbure de tungstène. Meilleure dureté à haute température que le WC pur.
Applications des barres en carbure de tungstène
Les tiges en carbure de tungstène offrent une résistance à l'usure et une durabilité inégalées dans les applications les plus exigeantes. Voici quelques-unes des applications les plus courantes :
Composants de machines et d'outils
- Outils de coupe tels que forets, fraises, scies circulaires, plaquettes de tournage
- Poinçons et matrices
- Filières de tréfilage
- Filières d'extrusion pour plastiques et métaux
- Outils de formage et d'emboutissage
- Mandrins, buses et autres composants
Le carbure de tungstène permet à ces outils et composants de résister à des frottements intenses, à l'abrasion et aux températures sans s'user rapidement. Sa dureté permet également d'obtenir des tolérances et une précision extrêmement étroites.
Pièces et surfaces d'usure
- Paliers et surfaces d'appui
- Faces d'étanchéité
- Billes et sièges de vannes à boisseau sphérique
- Buses
- Roues et corps de pompe
- Revêtements pour trémies, goulottes, cyclones
Les barres WC sont idéales pour la reconstruction et le rechargement de ces pièces à forte usure afin de prolonger leur durée de vie. Leur résistance à la corrosion leur permet également de fonctionner de manière fiable dans des environnements difficiles.
Exploitation minière et construction
- Boutons de forage de roches et têtes de forage de tunnels
- Équipement de concassage et de pulvérisation
- Cribles miniers
- Rouleaux de convoyeur
- Lames de niveleuse et de chasse-neige
L'extrême dureté du carbure de tungstène permet à ces pièces de résister aux chocs importants et à l'abrasion que l'on rencontre dans les mines, les travaux de terrassement et de construction.
Découpage et usinage des métaux
- Barres de guidage pour machines-outils
- Pinces de serrage et porte-outils
- Préhenseurs et effecteurs pour robots
- Couteaux profilés pour la coupe des métaux
- Vis et arbres d'extrudeuse
- Cylindres de gaufrage
La rigidité, la dureté et la résistance thermique du carbure de tungstène lui permettent de supporter des applications d'usinage agressives sans usure ni déformation excessives.
Caractéristiques structurelles des barres de carbure de tungstène
Les tiges en carbure de tungstène ont des caractéristiques structurelles et géométriques uniques qui leur confèrent des performances exceptionnelles :
Taille des grains
La taille des grains de carbure de tungstène influe sur la dureté et la ténacité. Des grains plus fins, inférieurs à 1 micron, permettent d'obtenir une dureté optimale. Les grains plus grossiers améliorent la ténacité. Les barres utilisent une granulométrie fine pour la dureté, mais ajoutent du cobalt pour la ténacité nécessaire.
Porosité
La consolidation du carbure de tungstène pendant le frittage vise à réduire la porosité autant que possible. Il est difficile d'éliminer complètement les pores. Une certaine quantité de porosité microscopique subsiste, mais les ingénieurs essaient de la limiter à moins de 1% afin d'éviter les points d'initiation des fissures.
Pourcentage de poids de tungstène
Une teneur plus élevée en tungstène augmente la dureté et le module d'Young. Mais elle réduit la résistance à la rupture. Les liants à base de cobalt ou de nickel permettent de fléchir et de combler les microfissures. La qualité du carbure de tungstène équilibre le pourcentage de tungstène et le liant pour optimiser les propriétés.
Densité
La densité théorique du carbure de tungstène est de 15,63 g/cc mais les densités pratiques varient de 13,5 à 15,1 g/cc. Une densité plus élevée indique une porosité moindre. La plupart des nuances visent une densité proche de la densité maximale afin de maximiser la dureté et la résistance.
Forme du grain
Les grains peuvent avoir des formes arrondies, angulaires ou irrégulières en fonction de la façon dont les poudres ont été broyées. Les grains angulaires et imbriqués améliorent la résistance au cisaillement. Les grains arrondis augmentent la résistance à la propagation des fissures.
Finition de la surface
L'état de surface des tiges est contrôlé en fonction des besoins de l'application. Les tiges de précision ont un excellent état de surface, inférieur à 32 micro-pouces. Les tiges brutes non finies ont une dureté plus élevée, idéale pour les applications d'usure.
Tolérance dimensionnelle
Les dimensions des tiges, telles que la rectitude, la rondeur et le diamètre, sont soumises à des tolérances strictes. Les tiges de carbure de précision ont des tolérances de +.0002/-.0000 pouces sur le diamètre. Cela permet de garantir les performances des instruments de précision.
Comment choisir la bonne qualité de carbure de tungstène ?
Le choix de la qualité optimale de carbure de tungstène dépend principalement des exigences de l'application. Voici les facteurs clés à prendre en compte :
Niveau de dureté
Les nuances plus dures avec une teneur en tungstène plus élevée sont nécessaires pour une résistance extrême à l'abrasion et à l'usure. Les nuances plus tendres sont plus résistantes pour les applications à fort impact.
Température
Une teneur plus élevée en cobalt améliore la dureté à haute température. Le carbure de tungstène pur est fragile au-dessus de 600°C.
Conditions de corrosion
Les liants au nickel offrent la meilleure protection contre la corrosion. Les qualités de cobalt/tungstène résistent aux acides dilués.
Besoins de précision
Les qualités de grains plus fins, comme les qualités P et H, offrent une précision, une planéité et une rectitude maximales.
Forces de choc et d'impact
Les liants à forte teneur en cobalt et en nickel offrent une meilleure résistance à la rupture pour les applications soumises à des contraintes cycliques élevées.
Consultez toujours les recommandations du fabricant en fonction de vos conditions d'utilisation. Il peut vous suggérer le grade optimal ou une formulation personnalisée pour maximiser la durée de vie.
Meilleures pratiques pour l'usinage des tiges en carbure de tungstène
Le carbure de tungstène est extrêmement difficile à usiner en raison de sa dureté. Toutefois, les fournisseurs de barres utilisent les techniques suivantes pour obtenir des tolérances de précision :
Meulage au diamant
Le diamant est l'un des seuls abrasifs suffisamment durs pour meuler le carbure de tungstène. Les meules et les bandes diamantées rectifient les tiges de carbure pour obtenir les dimensions finales et la finition de la surface. Les liquides de refroidissement sont essentiels pour minimiser les dommages thermiques.
Usinage par décharge électrique (EDM)
L'électroérosion utilise des étincelles électriques à haute énergie pour faire fondre et vaporiser la matière. Elle est très efficace pour l'usinage de caractéristiques complexes ou délicates dans les tiges de carbure. Une électrode en graphite ou en cuivre réalise les coupes.
Découpe au laser
Les lasers permettent de découper avec une grande précision des tiges de carbure de tungstène et de réaliser des géométries internes complexes. Le laser fait fondre localement le carbure le long du trait de scie. L'excès de chaleur peut altérer les propriétés du matériau.
Tournage dur
Les plaquettes de tournage en carbure avec du diamant polycristallin ou du nitrure de bore cubique peuvent tourner des tiges en carbure dur. Des installations rigides avec un faux-rond minimal sont essentielles pour éviter les vibrations et le broutage.
Perçage de trous
Les trous de petit diamètre dans les tiges de carbure nécessitent des micro-forets revêtus de diamant. Un liquide de refroidissement à haute pression est utilisé pour extraire la chaleur et les copeaux. Il est recommandé de procéder à des perçages en croix et à des changements fréquents de forets.
WEDM
L'électroérosion à fil permet de découper avec précision des trous et des fentes dans des tiges de carbure sans effort ni chaleur de l'outil. Le fil n'entre jamais en contact avec la pièce à usiner, de sorte qu'il n'y a pas d'usure de l'outil. Les fils extrêmement fins permettent d'obtenir de petites caractéristiques de précision.
Comment entretenir les tiges en carbure de tungstène
Pour maximiser la durée de vie des tiges en carbure de tungstène, il est essentiel de les entretenir correctement :
- Utiliser les paramètres de coupe appropriés - Éviter la chaleur, les avances et les vitesses excessives
- Utilisation d'un liquide de refroidissement noyé - Prévient la microfissuration thermique pendant l'usinage
- Manipuler avec soin - Éviter les ébréchures, les bosses et les rayures qui réduisent la résistance.
- Nettoyer à fond - Éliminer toutes les huiles, graisses, gravillons, salissures et résidus.
- Stocker correctement - Conserver les tiges dans un endroit propre et sec, à l'abri des vibrations.
- Inspecter périodiquement - Vérifier l'absence d'éclats, de fissures, de corrosion ou de dommages
- Remise en état en cas d'usure - EDM, meulage ou autre remise en état des surfaces usées
- Remplacer les tiges endommagées - Ne pas essayer de réutiliser des tiges fracturées, fissurées ou cassées.
Si elles sont bien entretenues, les tiges de carbure de tungstène peuvent offrir des années de performances élevées et fiables, même dans les applications les plus exigeantes. Consultez les recommandations du fabricant pour connaître les procédures de manipulation, d'entretien et de stockage idéales pour votre qualité spécifique de carbure de tungstène.
Questions fréquemment posées
Quels sont les principaux avantages des barres en carbure de tungstène ?
L'extrême dureté, la résistance à l'usure, la solidité et la résistance thermique permettent aux tiges en carbure de tungstène de surpasser les autres matériaux d'outillage dans les applications exigeantes. La précision et la rigidité permettent d'obtenir des performances précises, même dans le domaine de l'instrumentation de haute précision.
Pourquoi le carbure de tungstène est-il si dur ?
La dureté provient de la structure cristalline étroitement imbriquée et des fortes liaisons covalentes entre les atomes de tungstène et de carbone. Peu de matériaux dans la nature atteignent cette force de liaison atomique, c'est pourquoi le carbure de tungstène est exceptionnellement dur et rigide.
Quelles sont les industries qui utilisent les barres de carbure de tungstène ?
Les principales industries sont l'industrie manufacturière, l'aérospatiale, l'automobile, l'électronique, le textile, le pétrole et le gaz, l'exploitation minière, la construction, le secteur médical et bien d'autres encore. Le carbure de tungstène est utilisé dans toutes les applications qui impliquent l'usure, la friction, l'abrasion ou la haute précision.
Pouvez-vous usiner des barres de carbure de tungstène ?
Oui, le carbure de tungstène peut être usiné par meulage au diamant, par électroérosion ou par découpe laser. Le tournage dur avec des plaquettes CBN ou PCD est également possible pour les coupes de finition. La dureté nécessite des avances/vitesses lentes et des changements d'outils plus fréquents.
Quelle est la durée de vie des tiges en carbure de tungstène ?
Des nuances correctement sélectionnées et utilisées dans les limites de leurs paramètres de conception peuvent durer des années, voire des décennies, dans des environnements extrêmes. La teneur en cobalt et la qualité de la fabrication déterminent la durée de vie. Un reconditionnement périodique peut prolonger la durée de vie indéfiniment.
Comment les barres de carbure de tungstène sont-elles fabriquées ?
La fabrication consiste à broyer des poudres de tungstène et de carbone, à les comprimer et à les fritter à haute température pour former une pièce solide et consolidée. Des processus d'usinage secondaires, tels que la rectification, permettent d'obtenir les dimensions et la finition finales de la tige.
Les barres en carbure de tungstène peuvent-elles être soudées ou brasées ?
Oui, le carbure de tungstène peut être assemblé à lui-même ou à d'autres matériaux à l'aide de méthodes de soudage spécialisées. Le brasage avec des alliages à haute teneur en argent est courant. Des contrôles stricts du processus sont nécessaires pour empêcher la migration du carbone à partir du carbure.
Les barres en carbure de tungstène sont-elles chères ?
Le carbure de tungstène est plus cher que l'acier en raison des coûts des matériaux et de la fabrication. Toutefois, sa longue durée de vie le rend souvent plus rentable à long terme pour les applications d'usure extrême. Le coût dépend de la nuance, de la taille et de la qualité.
Quelle est la différence entre le tungstène et le carbure de tungstène ?
Le tungstène est un métal dur pur, tandis que le carbure de tungstène est un composite composé de poudre de tungstène et de carbone. Le carbure de tungstène est beaucoup plus dur en raison de la matrice tungstène-carbone. Le tungstène pur est plus mou mais possède d'excellentes propriétés à haute température.
Le carbure de tungstène est-il dangereux ?
Comme la plupart des matériaux en carbure, les barres de carbure de tungstène présentent peu de risques pour la santé ou l'environnement à l'état solide. Toutefois, il faut éviter de respirer les fines poussières de WC lors du meulage. Il convient de toujours respecter les protocoles de sécurité et de veiller à une bonne ventilation lors de l'usinage du carbure de tungstène.
Conclusion
Avec sa dureté suprême et sa résistance à l'usure inégalée, le carbure de tungstène sous forme de tiges, barres, plaques ou其他工具 est devenu le matériau de choix pour certaines des applications les plus exigeantes dans tous les secteurs d'activité. Le choix de la qualité optimale pour chaque application et l'entretien adéquat du carbure de tungstène permettent aux fabricants de réduire les temps d'arrêt, d'allonger la durée de vie des équipements et d'augmenter la productivité. Alors que les ingénieurs en matériaux continuent d'innover de nouvelles qualités et de nouveaux composites de carbure à l'échelle nanométrique, l'avenir semble prometteur pour une adoption plus large de ce matériau polyvalent et durable.
