Les outils en carbure cémenté dominent le marché des machines-outils à commande numérique. Dans certains pays, plus de 90 % des outils de tournage et plus de 55 % des outils de fraisage sont fabriqués en carbure cémenté. Ce matériau est également couramment utilisé pour la fabrication d'outils courants tels que les forets et les fraises à surfacer. Son utilisation se développe également dans les outils complexes comme les alésoirs, les fraises en bout, les outils de taille d'engrenages à module moyen et élevé pour l'usinage de surfaces de dents trempées, ainsi que les broches. L'efficacité de coupe des outils en carbure cémenté est 5 à 8 fois supérieure à celle des outils en acier rapide (HSS). La quantité de métal enlevée par unité de teneur en tungstène est environ 5 fois plus importante qu'avec l'acier rapide. Par conséquent, l'utilisation généralisée du carbure cémenté comme matériau d'outillage constitue l'un des moyens les plus efficaces d'optimiser l'utilisation des ressources, d'améliorer la productivité de coupe et d'accroître la rentabilité.
Classification des matériaux d'outils en carbure cémenté
En fonction de la composition chimique principale, le carbure cémenté peut être divisé en carbure cémenté à base de carbure de tungstène et en carbure cémenté à base de carbonitrure de titane (Ti(C,N)), comme indiqué dans le tableau 3-1.
Le carbure cémenté à base de carbure de tungstène comprend :
Tungstène-cobalt (YG)
Tungstène-cobalt-titane (YT)
Avec ajout de carbures rares (YW)
Chaque type présente ses propres avantages et inconvénients. Parmi les carbures ajoutés, on trouve le carbure de tungstène (WC), le carbure de titane (TiC), le carbure de tantale (TaC), le carbure de niobium (NbC), etc., le cobalt (Co) étant la phase de liant métallique la plus couramment utilisée.
Le carbure cémenté à base de carbonitrure de titane est principalement composé de TiC (certains avec d'autres carbures ou nitrures ajoutés), avec le molybdène (Mo) et le nickel (Ni) comme phases de liant métallique couramment utilisées.
En fonction de la taille des grains, le carbure cémenté peut être classé en :
carbure cémenté ordinaire
carbure cémenté à grain fin
carbure cémenté à grains ultrafins
Selon la norme GB/T 2075-2007, les symboles des lettres sont les suivants :
HW : Carbure cémenté non revêtu contenant principalement du carbure de tungstène (WC) avec une taille de grain ≥ 1 μm
HF : Carbure cémenté non revêtu contenant principalement du carbure de tungstène (WC) avec une taille de grain < 1 µm
HT : Carbure cémenté non revêtu contenant principalement du carbure de titane (TiC) ou du nitrure de titane (TiN) ou les deux (également connu sous le nom de cermet)
HC : Les carbures cémentés susmentionnés avec un revêtement
L’Organisation internationale de normalisation (ISO) classe les carbures cémentés de coupe en trois catégories :
Classe K (K10 à K40) :
Équivalent à la classe YG chinoise (principalement composée de WC-Co)
Classe P (P01 à P50) :
Équivalent à la classe YT chinoise (principalement composée de WC-TiC-Co)
Classe M (M10 à M40) :
Équivalent à la classe YW chinoise (principalement composée de WC-TiC-TaC(NbC)-Co)
Chaque catégorie est représentée par un nombre compris entre 01 et 50, indiquant une série d'alliages allant de la dureté la plus élevée à la ténacité la plus grande, pour une sélection adaptée à différents procédés de coupe et conditions d'usinage, et ce, pour divers matériaux de pièces. Si nécessaire, un code intermédiaire peut être inséré entre deux codes de classification adjacents, par exemple P15 entre P10 et P20, ou K25 entre K20 et K30, mais il ne peut y en avoir qu'un seul. Dans certains cas particuliers, le code de classification P01 peut être subdivisé en ajoutant un chiffre supplémentaire séparé par une virgule, par exemple P01.1, P01.2, etc., afin de préciser davantage la résistance à l'usure et la ténacité des matériaux pour les opérations de finition.
Performances des matériaux d'outils en carbure cémenté
1. Dureté : Le carbure cémenté contient une grande quantité de carbures durs (tels que WC et TiC), ce qui lui confère une dureté bien supérieure à celle des aciers rapides. Plus la dureté du carbure cémenté est élevée, meilleure est sa résistance à l’usure, généralement bien supérieure à celle des aciers rapides.
Plus la teneur en phase liante de cobalt est élevée, plus la dureté de l'alliage est faible.
Le TiC étant plus dur que le WC, les alliages WC-TiC-Co présentent une dureté supérieure à celle des alliages WC-Co. Plus la teneur en TiC est élevée, plus la dureté est importante.
L'ajout de TaC aux alliages WC-Co augmente la dureté d'environ 40 à 100 HV ; l'ajout de NbC l'augmente de 70 à 150 HV.
2. Résistance La résistance à la flexion du carbure cémenté n'est que d'environ 1/3 à 1/2 de celle des matériaux en acier rapide.
Plus la teneur en cobalt est élevée, plus l'alliage est résistant.
Les alliages contenant du TiC ont une résistance inférieure à ceux qui n'en contiennent pas ; plus la teneur en TiC est élevée, plus la résistance est faible.
L'ajout de TaC au carbure cémenté WC-TiC-Co accroît sa résistance à la flexion et améliore considérablement la résistance à l'écaillage et à la rupture du tranchant. La résistance à la fatigue s'améliore également avec l'augmentation de la teneur en TaC.
La résistance à la compression du carbure cémenté est de 30 % à 50 % supérieure à celle de l'acier rapide.
3. Ténacité La ténacité du carbure cémenté est bien inférieure à celle de l'acier rapide.
Les alliages contenant du TiC ont une ténacité inférieure à ceux qui n'en contiennent pas ; la ténacité diminue à mesure que la teneur en TiC augmente.
Dans les alliages WC-TiC-Co, l'ajout d'une quantité appropriée de TaC peut augmenter la ténacité d'environ 10 % tout en maintenant la résistance à la chaleur et à l'usure.
En raison de sa moindre ténacité, le carbure cémenté ne convient pas aux conditions de forts impacts ou de fortes vibrations, en particulier à faibles vitesses de coupe où l'adhérence et l'écaillage sont plus importants.
4. Propriétés thermophysiques La conductivité thermique du carbure cémenté est environ 2 à 3 fois supérieure à celle de l'acier rapide.
La conductivité thermique du TiC étant inférieure à celle du WC, les alliages WC-TiC-Co présentent une conductivité thermique plus faible que les alliages WC-Co. Plus la teneur en TiC est élevée, plus la conductivité thermique est faible.
5. Résistance à la chaleur Le carbure cémenté possède une résistance à la chaleur bien supérieure à celle de l'acier rapide et peut effectuer des coupes entre 800 et 1000 °C avec une bonne résistance à la déformation plastique à haute température.
L'ajout de TiC augmente la dureté à haute température. Comme la température de ramollissement du TiC est supérieure à celle du WC, la dureté des alliages WC-TiC-Co diminue moins rapidement avec la température que celle des alliages WC-Co. Plus la teneur en TiC est élevée et moins elle est élevée en cobalt, plus la diminution est faible.
L'ajout de TaC ou de NbC (dont les températures de ramollissement sont plus élevées que celles du TiC) augmente encore la dureté et la résistance à haute température.
6. Propriétés anti-adhésives La température d'adhérence du carbure cémenté est supérieure à celle de l'acier rapide, ce qui lui confère une meilleure résistance à l'usure par adhérence.
La température d'adhérence du cobalt à l'acier est bien inférieure à celle du WC ; plus la teneur en cobalt augmente, plus la température d'adhérence diminue.
La température d'adhérence du TiC étant supérieure à celle du WC, les alliages WC-TiC-Co présentent une température d'adhérence plus élevée (environ 100 °C de plus) que les alliages WC-Co. Le TiO₂ formé à haute température lors de la coupe réduit l'adhérence.
Le TaC et le NbC présentent des températures d'adhérence supérieures à celles du TiC, ce qui améliore leurs propriétés antiadhésives. L'affinité du TaC pour les matériaux de la pièce est bien moindre que celle du WC.
7. Stabilité chimique La résistance à l'usure des outils en carbure cémenté est étroitement liée à leur stabilité physique et chimique aux températures de travail.
La température d'oxydation du carbure cémenté est supérieure à celle de l'acier rapide.
La température d'oxydation du TiC étant beaucoup plus élevée que celle du WC, les alliages WC-TiC-Co prennent moins de poids par oxydation à haute température que les alliages WC-Co ; plus la teneur en TiC est élevée, plus la résistance à l'oxydation est forte.
La température d'oxydation du TaC est également supérieure à celle du WC, et les alliages contenant du TaC et du NbC présentent une meilleure résistance à l'oxydation à haute température. Cependant, une teneur plus élevée en cobalt favorise l'oxydation.
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Date de publication : 23 juillet 2025
