Le carbure de tungstène (WC) est un matériau extrêmement dur, résistant à la chaleur et à l'usure, fabriqué en mélangeant de la poudre de tungstène et de la poudre de carbone dans le cadre d'un processus appelé cémentation. Le carbure de tungstène est l'un des carbures les plus importants et le plus utilisé dans les applications industrielles et commerciales.
Vue d'ensemble Poudre de carbure de tungstène
La poudre de carbure de tungstène, également connue sous le nom de carbure cémenté, est un matériau composite fabriqué en mélangeant de la poudre de tungstène et de la poudre de carbone, puis en frittant le mélange de poudres compactées dans une atmosphère protectrice à des températures comprises entre 1400 et 1500°C.
Le carbure de tungstène ainsi obtenu se caractérise par une dureté, une résistance à l'usure, une solidité et une ténacité exceptionnelles, ce qui fait de WC un matériau idéal pour les outils de coupe, l'exploitation minière et le forage, où il est souvent plus performant que l'acier et où de fortes contraintes sont rencontrées en même temps que l'usure.
Les poudres de carbure de tungstène sont produites en différentes qualités de tailles de particules, de formes, de surfaces et de chimies pour être utilisées dans diverses applications de métallurgie des poudres, de pulvérisation thermique, de soudage et de carbure dur/cimenté dans l'ensemble de l'industrie.
Types de poudre de carbure de tungstène
| Type | Description |
|---|---|
| Poudre de WC à macro-grains | Pour les applications d'usinage lourd nécessitant une bonne résistance à l'usure. Taille des particules > ; 1 micron |
| Poudre de WC à micro-grains | Largement utilisé pour la ténacité des outils miniers et des trépans. Taille des particules : 1-0,5 microns |
| Poudre de WC à grain ultrafin | Applications de haute dureté telles que les outils de coupe, les inserts de matrice. Taille des particules < ; 0.5 microns |
| Poudre de WC nanométrique | Applications spécialisées exigeant une résistance maximale à l'abrasion. Taille des particules inférieure à 100 nm |
Composition de la poudre de carbure de tungstène
Le carbure de tungstène est composé d'atomes de tungstène (W) et de carbone (C) dans un rapport de un à un. Sa formule chimique est WC et son poids moléculaire est de 195,86 g/mol.
La composition et la structure des carbures cémentés peuvent être modifiées afin d'optimiser les propriétés pour différentes applications. De petites quantités d'autres carbures ou de métaux sont fréquemment ajoutées. Certains additifs courants sont énumérés ci-dessous :
| Additif | Fonction | Montant type |
|---|---|---|
| cobalt | Classeur métallique | 3 - 25 % en poids |
| Carbure de titane | Inhibiteur de croissance des grains | 0 - 8% |
| Carbure de tantale | Résistance aux chocs thermiques | 0 - 8% |
| Carbure de niobium | Résistance à l'usure | 0 - 8% |
Propriétés du carbure de tungstène
Le carbure de tungstène possède des propriétés nettement supérieures à celles de l'acier rapide, ce qui le rend idéal pour les applications nécessitant une grande résistance à l'usure.
Certaines de ses principales caractéristiques sont décrites ci-dessous :
| Propriété | Carbure de tungstène Valeur |
|---|---|
| Densité | 14,95 g/cm<sup>3</sup> ; |
| Point de fusion | 2870°C |
| Dureté | 88 - 93 HRA |
| Résistance à la compression | 5,52 GPa |
| Ténacité à la rupture | 10 - 15 MPa√m |
Sa dureté exceptionnelle, sa résistance à l'usure, sa solidité et ses propriétés thermiques lui permettent de surpasser l'acier dans les applications mécaniques, minières, d'usinage et de forage les plus exigeantes.
Caractéristiques des Poudre de carbure de tungstène
Les caractéristiques et les critères de qualité utilisés pour évaluer les poudres de carbure de tungstène sont présentés dans le tableau ci-dessous :
| Caractéristique | Spécification typique | Importance |
|---|---|---|
| Teneur en carbone | Généralement 6,09 - 6,13 % en poids | Le carbone apporte la dureté |
| Teneur en oxygène | < ; 0,5 % en poids | Une forte teneur en oxygène peut réduire la dureté |
| Impuretés totales | < ; 0,4 % en poids | Les impuretés réduisent la densité et la dureté |
| Taille des particules | 0,2 à 15 microns | Les tailles submicroniques améliorent les propriétés |
| Surface spécifique | 0,4 à 5 m<sup>2</sup>/g | Des valeurs plus élevées favorisent le frittage |
| Morphologie | Angulaire, arrondi | Les poudres arrondies/sphériques s'écoulent mieux. |
Le contrôle des caractéristiques des poudres, telles que la distribution de la taille des particules, les niveaux de pureté, la surface, la morphologie et la microstructure, est essentiel pour obtenir des compacts denses et une qualité de produit constante après le frittage.
Applications du carbure de tungstène
Les propriétés uniques d'extrême dureté, de résistance à l'usure, de haute résistance et de résistance aux chocs thermiques font que le carbure de tungstène est très largement utilisé dans les applications suivantes :
Applications du carbure de tungstène
| L'industrie | Exemples de demandes de WC |
|---|---|
| Exploitation minière | Trépans, trépans, trépans diamantés imprégnés |
| Usinage | Outils de coupe, plaquettes, fraises en bout |
| La construction | Forets de maçonnerie, pointes de scie, outils de forage du sol |
| Fabrication | Filières d'extrusion, outils de formage, couteaux de granulation |
| Automobile | Embouts de buses d'injection de carburant, abrasifs pour plaquettes de frein |
| Électronique | Forets pour circuits imprimés, filières de tréfilage |
Le carbure de tungstène conserve sa dureté à des températures élevées bien mieux que d'autres matériaux résistants à l'abrasion. Cela lui permet de couvrir une gamme exceptionnellement large d'applications dans l'ensemble de l'industrie.
Spécifications de la poudre de carbure de tungstène
La poudre de carbure de tungstène est produite dans une gamme de distributions de tailles de particules, de niveaux de pureté, de spécifications de surface, de niveaux d'oxyde et de grades de morphologie pour répondre aux besoins des applications :
| Spécifications | Gamme typique | Importance |
|---|---|---|
| Taille des particules | 0,2 à 15 microns | Submicron pour des propriétés optimales. Adaptation à l'application |
| Teneur en carbone | 6,09 - 6,13 % en poids | Essentiel pour les propriétés mécaniques |
| Impuretés totales | < ; 0,4 % en poids | Une grande pureté évite les défauts |
| Surface spécifique | 0,4 à 5 m<sup>2</sup>/g | Des valeurs plus élevées favorisent le frittage |
| Niveau d'oxyde (O2) | < ; 0,5 % en poids | Les oxydes réduisent la dureté et la résistance à la rupture |
| cobalt | 3 - 25 % en poids | Phase de liant. Varie pour optimiser la résistance, la dureté et/ou la ténacité. |
| Inhibiteurs de croissance des grains | Carbure de titane, carbure de tantale, etc. | Contribuer au contrôle de la microstructure |
Les méthodes d'essai normalisées internationales telles que l'ISO 4499 sont utilisées pour l'analyse et l'essai des poudres de carbure cémenté. Les méthodes courantes sont l'analyse par voie humide, le XRD, l'analyse de la taille des particules à l'aide de techniques de diffraction laser.
Grades de poudre de carbure de tungstène
Le carbure de tungstène est classé par catégories en fonction de ses propriétés, de sa méthode de fabrication, de son niveau de qualité, de son utilisation finale ou d'autres spécifications :
| Grade | Description | Utilisations courantes |
|---|---|---|
| Micrograin WC | Poudre de 0,5 à 1 micron | Robustesse pour les outils d'exploitation minière et de construction |
| WC de qualité ultra-fine | Poudre micronique à submicronique | Dureté des plaquettes de coupe, des matrices |
| Résistance à la flexion rotative | Classification selon la résistance à la rupture transversale | Applications minières et de construction |
| Classe de résistance à l'usure | En rapport avec la résistance à l'abrasion | Pièces d'usure, matrices, plaquettes de coupe |
| Revêtement par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) | Revêtement uniforme de WC pur d'une épaisseur de 1 à 50 microns | Pièces d'usure haute performance |
Les normes internationales aident à définir les qualités de carbure de tungstène pour la composition, les propriétés, la fabrication et les essais, notamment les normes ISO 513 et ASTM B776.
Normes mondiales pour la poudre de carbure de tungstène
Les normes mondiales largement acceptées pour la composition, les essais, l'analyse et la classification des poudres de carbure de tungstène sont présentées ci-dessous :
Normes mondiales pour le carbure de tungstène
| Standard # | Titre standard |
|---|---|
| ISO 513 | Carbures cémentés – ; Détermination de la résistance à la rupture transversale |
| ISO 3326 | Carbures cémentés — ; Détermination de la teneur en oxygène par fusion — ; Méthode de détection infrarouge |
| ISO 4499 | Carbures cémentés – ; Détermination de la teneur en carbone – ; Méthode de détection infrarouge après combustion dans un four à induction |
| ASTM B388 | Spécification standard pour les billettes contrôlées thermomécaniquement en barres composites de tungstène-cuivre |
| ASTM B776 | Spécification standard pour la poudre d'hafnium et la poudre d'alliage d'hafnium |
Ces normes mondiales relatives à la composition des matériaux, aux procédures d'essai, à l'échantillonnage, à l'analyse et aux spécifications facilitent le contrôle de la qualité et la compréhension technique entre les fabricants internationaux, les distributeurs et les utilisateurs finaux.
Fournisseurs de poudre de carbure de tungstène
La poudre de carbure de tungstène est fabriquée commercialement par plusieurs fournisseurs de premier plan dans le monde. Parmi les principaux producteurs de poudre de WC, on peut citer
| Entreprise | Emplacement du siège |
|---|---|
| Sandvik | Stockholm, Suède |
| Kennametal | Latrobe, PA, États-Unis |
| Guangdong Xianglu Tungsten | Ville de Ganzhou, Chine |
| Nouveau métal japonais (JNMET) | Nagoya, Japon |
| Société Wolfram | Schwäbisch Gmünd, Allemagne |
Les consommateurs peuvent se procurer des poudres de carbure de tungstène directement auprès des producteurs ou par l'intermédiaire de plusieurs distributeurs et revendeurs spécialisés dans le monde entier. Lors de la sélection d'une qualité de carbure de tungstène, il convient de tenir compte de facteurs tels que les exigences de l'application, le prix, les délais de livraison, les certifications et les relations antérieures avec les fournisseurs.
Prix de la poudre de carbure de tungstène
Le prix du carbure de tungstène dépend de plusieurs paramètres tels que la taille des particules, la teneur en carbone, la morphologie, la surface et la quantité achetée. Les coûts typiques de la poudre de carbure de tungstène sont indiqués ci-dessous :
| Type | Fourchette de prix |
|---|---|
| Poudre WC micrograin | 27 $ – ; 45 $ par livre |
| Poudre de WC à l'échelle nanométrique | 160 $ – ; 240 $ par livre |
| Classe de résistance à la flexion rotative | ~33 $ par livre |
| Dépôt chimique en phase vapeur WC | 80+ par livre |
Les prix dépendent également du canal de distribution – ; l'achat direct auprès d'un fabricant permet d'obtenir des prix plus bas que l'achat auprès d'un revendeur ou d'un distributeur. Des volumes d'achat plus importants permettent également, dans la plupart des cas, de négocier des remises avec les fournisseurs.
Comparaison du carbure de tungstène avec d'autres matériaux durs
Le carbure de tungstène présente une dureté et une résistance à l'usure exceptionnellement élevées par rapport à d'autres matériaux importants pour l'industrie :
| Matériau | Dureté (Vickers) | Résistance à l'usure | Ténacité à la rupture |
|---|---|---|---|
| Carbure de tungstène | 2500-3500 HV | Excellent | Modéré 10-15 MPa√m |
| Nitrure de titane | 2000-2200 HV | Très bon | Faible à ~6 MPa√m |
| Céramiques d'alumine | 1800-2200 HV | Bon | Faible à modéré |
| Acier à outils | 650-850 HV | Modéré | Plus élevé que le WC |
| acier inoxydable | 150-300 HV | Faible | Excellent |
Parmi tous les matériaux couramment utilisés, le carbure cémenté possède la meilleure combinaison de dureté, de résistance à l'usure et de ténacité à la rupture – ; ce qui lui permet de couvrir la plus large gamme d'applications industrielles exigeantes.
Avantages de l'utilisation de la poudre de carbure de tungstène
L'utilisation du carbure de tungstène offre des avantages significatifs, notamment
- Dureté extrêmement élevée – ; permet une performance d'usure exceptionnelle dans l'exploitation minière, l'usinage, etc.
- Résistance et ténacité supérieures à celles des céramiques
- Maintient la dureté à haute température – ; reste rigide à 800°C
- Résiste à la corrosion dans les environnements acides/alcalins
- La conductivité thermique élevée facilite la dissipation de la chaleur des arêtes de coupe.
- Gamme de matériaux disponibles pour optimiser les propriétés
Les propriétés uniques des poudres de carbure de tungstène en font un matériau essentiel pour l'ingénierie de production.
Limites de la Poudre de carbure de tungstène
Malgré ses avantages, l'utilisation du carbure de tungstène présente également certaines restrictions :
- Rupture fragile – ; Fissuration soudaine sous des charges élevées en raison d'une faible tolérance à la déformation
- Coûts élevés des matériaux – ; Le tungstène est relativement rare et la fabrication de WC nécessite un traitement important.
- Faible résistance aux chocs thermiques – ; Risque de fissuration en cas de températures élevées et soudaines
- Résistance chimique limitée – ; Dissolution dans des solutions d'hydroxyde de sodium très alcalines et chaudes
- Recyclage difficile – ; La récupération des déchets de tungstène a un faible rendement
En comprenant les limites liées à la fragilité, au coût ou à la stabilité environnementale, les utilisateurs finaux peuvent choisir en connaissance de cause la qualité de carbure de tungstène qui convient à leurs applications spécifiques.
Questions fréquemment posées
FAQ sur la poudre de carbure de tungstène
| Question | Réponse |
|---|---|
| De quoi est composée la poudre de carbure de tungstène ? | La poudre de carbure de tungstène est obtenue en mélangeant de la poudre de tungstène pur et de la poudre de carbone dans un broyeur à billes. La poudre est broyée avec un liant de cire organique et pressée en un compact avant d'être frittée à 1500°C dans de l'hydrogène pour former du WC. |
| Pourquoi le carbure de tungstène est-il si dur ? | L'extrême dureté résulte d'une liaison interatomique unique où les atomes de carbone s'insèrent dans les interstices entre les atomes de tungstène – ; formant une structure cristalline incroyablement dure et stable. |
| Quelle est la différence entre le tungstène et le carbure de tungstène ? | Le tungstène est un métal pur dont la densité est de 19 g/cm3, tandis que le carbure de tungstène est un composite composé d'atomes de tungstène et de carbone. Le tungstène lui-même est relativement mou, tandis que le carbure de tungstène est l'un des matériaux les plus durs que l'on connaisse. |
| Quelle est la résistance du carbure de tungstène ? | Le carbure de tungstène présente une dureté extrêmement élevée (2500-3500 Vickers), une résistance à la compression supérieure à 5 GPa et une résistance à la flexion d'environ 2-3 GPa – ; bien supérieure à celle de la plupart des aciers. |
| Le carbure de tungstène est-il fragile ? | Les qualités de carbure de tungstène ont une ténacité à la rupture et une tolérance à la déformation relativement faibles, ce qui les rend susceptibles de se fissurer brusquement sous l'effet de charges élevées dépassant les limites de résistance du matériau. Une conception adéquate est essentielle pour éviter ce problème. |
| Le carbure de tungstène est-il cher ? | Le carbure de tungstène coûte beaucoup plus cher que l'acier à outils en raison du traitement intensif des minerais de tungstène, mais ses performances justifient des prix plus élevés pour les applications critiques en termes d'usure, comme les plaquettes de coupe. |