Le carbure cémenté est un alliage dur composé d'un métal réfractaire et d'un liant métallique, obtenu par métallurgie des poudres. Il possède d'excellentes propriétés, notamment une dureté élevée, une résistance à l'usure, une bonne résistance mécanique et ténacité, ainsi qu'une résistance à la chaleur et à la corrosion. Sa dureté et sa résistance à l'usure restent particulièrement remarquables, même à 500 °C, et il conserve une dureté élevée à 1000 °C. Le carbure est largement utilisé comme matériau d'outillage (outils de tournage, fraises, rabots, forets, alésoirs, etc.) pour l'usinage de la fonte, des métaux non ferreux, des plastiques, des fibres chimiques, du graphite, du verre, de la pierre et de l'acier ordinaire. Il convient également à l'usinage de matériaux difficiles à usiner tels que l'acier réfractaire, l'acier inoxydable, l'acier à haute teneur en manganèse et l'acier à outils. La vitesse de coupe des nouveaux outils en carbure est aujourd'hui des centaines de fois supérieure à celle de l'acier au carbone.
Application du carbure cémenté
(1) Matériau de l'outillage
Le carbure est le matériau le plus utilisé pour l'outillage, notamment pour la fabrication d'outils de tournage, de fraises, de rabots, de forets, etc. Parmi les carbures, le carbure de tungstène-cobalt est adapté à l'usinage par copeaux courts des métaux ferreux et non ferreux, ainsi qu'à l'usinage de matériaux non métalliques comme la fonte, le laiton coulé et la bakélite. Le carbure de tungstène-titane-cobalt est quant à lui adapté à l'usinage par copeaux longs des métaux ferreux, comme l'acier. Parmi les alliages similaires, ceux à forte teneur en cobalt conviennent à l'ébauche, tandis que ceux à faible teneur sont plus adaptés à la finition. Les carbures cémentés d'usage général offrent une durée de vie nettement supérieure à celle des autres carbures cémentés pour l'usinage de matériaux difficiles à usiner, tels que l'acier inoxydable.
(2) Matériau du moule
Le carbure cémenté est principalement utilisé pour les matrices de travail à froid telles que les matrices d'étirage à froid, les matrices de poinçonnage à froid, les matrices d'extrusion à froid et les matrices de perçage à froid.
Les matrices de frappe à froid en carbure doivent présenter une bonne résilience, une bonne ténacité à la rupture, une bonne résistance à la fatigue, une bonne résistance à la flexion et une bonne résistance à l'usure dans des conditions de travail exigeantes telles que les chocs ou les impacts violents. On utilise généralement des alliages à teneur moyenne à élevée en cobalt et à grains moyens à gros, comme le YG15C.
De manière générale, la relation entre la résistance à l'usure et la ténacité du carbure cémenté est contradictoire : l'augmentation de la résistance à l'usure entraîne une diminution de la ténacité, et inversement. Par conséquent, le choix des nuances d'alliage doit tenir compte des exigences spécifiques liées à l'objet usiné et aux conditions de mise en œuvre.
Si la nuance choisie est sujette à la fissuration et à l'endommagement prématurés lors de son utilisation, il convient de privilégier une nuance présentant une ténacité supérieure. À l'inverse, si la nuance choisie est sujette à l'usure et à l'endommagement prématurés lors de son utilisation, il convient de privilégier une nuance présentant une dureté et une résistance à l'usure supérieures. Les nuances suivantes sont : YG15C, YG18C, YG20C, YL60, YG22C et YG25C. De gauche à droite, la dureté et la résistance à l'usure diminuent, tandis que la ténacité augmente ; et inversement.
(3) Outils de mesure et pièces résistantes à l'usure
Le carbure est utilisé pour les incrustations de surface résistantes à l'usure et les pièces d'outils de mesure, les roulements de précision des rectifieuses, les plaques et tiges de guidage des rectifieuses sans centre, les plateaux de tours et autres pièces résistantes à l'usure.
Les métaux liants sont généralement des métaux du groupe du fer, le plus souvent le cobalt et le nickel.
Lors de la fabrication du carbure cémenté, la granulométrie de la poudre de matière première sélectionnée est comprise entre 1 et 2 microns, et sa pureté est très élevée. Les matières premières sont dosées selon la composition prescrite, puis broyées par voie humide dans un broyeur à billes afin d'obtenir un mélange homogène et une pulvérisation fine. Le mélange est ensuite tamisé, granulé, pressé et chauffé à une température proche du point de fusion du liant métallique (1300-1500 °C). La phase durcie et le liant forment alors un alliage eutectique. Après refroidissement, les phases durcies se répartissent dans le réseau du liant et s'y solidifient étroitement, formant un matériau solide. La dureté du carbure cémenté dépend de la teneur en phase durcie et de la taille des grains : plus la teneur en phase durcie est élevée et plus les grains sont fins, plus la dureté est importante. La ténacité du carbure cémenté est déterminée par la teneur en liant : plus cette teneur est élevée, plus la résistance à la flexion est importante.
En 1923, l'Allemand Schlerter ajouta 10 à 20 % de cobalt à de la poudre de carbure de tungstène comme liant, inventant ainsi un nouvel alliage de carbure de tungstène et de cobalt. Sa dureté n'était surpassée que par celle du diamant. Il s'agissait du premier carbure cémenté fabriqué. Lors de la coupe de l'acier avec un outil en cet alliage, le tranchant s'usait rapidement, voire se fissurait. En 1929, aux États-Unis, Schwarzkov ajouta une certaine quantité de carbures composés de carbure de tungstène et de carbure de titane à la composition originale, améliorant ainsi les performances de l'outil pour la coupe de l'acier. Ce fut une autre avancée majeure dans l'histoire du développement du carbure cémenté.
Le carbure cémenté possède d'excellentes propriétés, telles qu'une dureté élevée, une résistance à l'usure, une bonne résistance mécanique et ténacité, une résistance à la chaleur et à la corrosion. Sa dureté et sa résistance à l'usure, en particulier, restent pratiquement inchangées même à 500 °C et conservent une dureté élevée à 1000 °C. Le carbure est largement utilisé comme matériau d'outillage, notamment pour les outils de tournage, les fraises, les rabots, les forets, les alésoirs, etc., pour la coupe de la fonte, des métaux non ferreux, des plastiques, des fibres chimiques, du graphite, du verre, de la pierre et de l'acier ordinaire. Il peut également être utilisé pour la coupe de matériaux difficiles à usiner tels que l'acier réfractaire, l'acier inoxydable, l'acier à haute teneur en manganèse, l'acier à outils, etc. La vitesse de coupe des nouveaux outils en carbure est aujourd'hui des centaines de fois supérieure à celle de l'acier au carbone.
Le carbure peut également être utilisé pour fabriquer des outils de forage de roche, des outils miniers, des outils de forage, des outils de mesure, des pièces résistantes à l'usure, des abrasifs métalliques, des chemises de cylindre, des roulements de précision, des buses, des moules métalliques (tels que des filières de tréfilage, des filières de boulons, des filières d'écrous et divers moules de fixation ; les excellentes performances du carbure cémenté ont progressivement remplacé les anciens moules en acier).
Par la suite, le carbure cémenté revêtu fit son apparition. En 1969, la Suède développa avec succès un outil revêtu de carbure de titane. La base de cet outil est en carbure de tungstène-titane-cobalt ou en carbure de tungstène-cobalt. L'épaisseur du revêtement en carbure de titane n'est que de quelques microns, mais, comparée à celle des outils en alliage de même marque, la durée de vie est triplée et la vitesse de coupe est augmentée de 25 % à 50 %. Dans les années 1970, une quatrième génération d'outils revêtus apparut pour l'usinage des matériaux difficiles.
Comment le carbure cémenté est-il fritté ?
Le carbure cémenté est un matériau métallique fabriqué par métallurgie des poudres à partir de carbures et de métaux liants, composés d'un ou plusieurs métaux réfractaires.
Mprincipaux pays producteurs
Plus de 50 pays dans le monde produisent du carbure cémenté, pour une production totale de 27 000 à 28 000 tonnes. Les principaux producteurs sont les États-Unis, la Russie, la Suède, la Chine, l'Allemagne, le Japon, le Royaume-Uni et la France. Le marché mondial du carbure cémenté est quasiment saturé, et la concurrence y est féroce. L'industrie chinoise du carbure cémenté a commencé à se développer à la fin des années 1950. Entre les années 1960 et 1970, elle a connu une croissance rapide. Au début des années 1990, la capacité de production totale de la Chine atteignait 6 000 tonnes, pour une production totale de 5 000 tonnes, la plaçant au deuxième rang mondial, derrière la Russie et les États-Unis.
Coupe-WC
①Carbure cémenté de tungstène et de cobalt
Les principaux composants sont le carbure de tungstène (WC) et le liant cobalt (Co).
Sa qualité est composée de « YG » (« dur et cobalt » en pinyin chinois) et du pourcentage de teneur moyenne en cobalt.
Par exemple, YG8 signifie que la teneur moyenne en WCo est de 8 %, et le reste est du carbure de tungstène-cobalt ou du carbure de tungstène.
Couteaux TIC
②Carbure de tungstène-titane-cobalt
Les principaux composants sont le carbure de tungstène, le carbure de titane (TiC) et le cobalt.
Sa qualité est composée de « YT » (« dur, titane », deux caractères en préfixe pinyin chinois) et de la teneur moyenne en carbure de titane.
Par exemple, YT15 signifie WTi moyen = 15 %, le reste étant du carbure de tungstène et du carbure de tungstène-titane-cobalt avec une teneur en cobalt.
Outil en tungstène, titane et tantale
③Carbure cémenté tungstène-titane-tantale (niobium)
Les principaux composants sont le carbure de tungstène, le carbure de titane, le carbure de tantale (ou le carbure de niobium) et le cobalt. Ce type de carbure cémenté est également appelé carbure cémenté général ou carbure cémenté universel.
Son grade est composé de « YW » (le préfixe phonétique chinois de « dur » et « wan ») plus un numéro de séquence, tel que YW1.
Caractéristiques de performance
Inserts soudés en carbure
Dureté élevée (86～93HRA, équivalent à 69～81HRC) ;
Bonne dureté thermique (jusqu'à 900～1000℃, maintien de 60 HRC) ;
Bonne résistance à l'abrasion.
Les outils de coupe en carbure sont 4 à 7 fois plus rapides que ceux en acier rapide, et leur durée de vie est 5 à 80 fois supérieure. Pour la fabrication de moules et d'outils de mesure, leur durée de vie est 20 à 150 fois plus longue que celle des aciers à outils alliés. Ils permettent d'usiner des matériaux durs d'une dureté d'environ 50 HRC.
Cependant, le carbure cémenté est fragile et ne peut être usiné, et il est difficile de fabriquer des outils monoblocs aux formes complexes. C'est pourquoi on fabrique souvent des lames de formes différentes, qui sont fixées sur le corps de l'outil ou le moule par soudage, collage, serrage mécanique, etc.
Barre de forme spéciale
Frittage
Le procédé de frittage du carbure cémenté consiste à presser la poudre en une billette, puis à l'introduire dans le four de frittage pour la chauffer à une certaine température (température de frittage), à la maintenir pendant un certain temps (temps de maintien), puis à la refroidir pour obtenir un matériau en carbure cémenté possédant les propriétés requises.
Le procédé de frittage du carbure cémenté peut être divisé en quatre étapes de base :
1 : Lors de l'étape d'élimination de l'agent de formage et de préfrittage, le corps fritté évolue comme suit :
Lors de l'élimination de l'agent de moulage, l'augmentation de température en début de frittage entraîne sa décomposition ou sa vaporisation progressive, et le corps fritté est ainsi séparé. Le type, la quantité et le procédé de frittage varient.
Les oxydes présents à la surface de la poudre sont réduits. À la température de frittage, l'hydrogène peut réduire les oxydes de cobalt et de tungstène. Si l'agent de mise en forme est éliminé sous vide et que le frittage est effectué, la réaction carbone-oxygène est faible. Les contraintes de contact entre les particules de poudre diminuent progressivement, la poudre métallique liée commence à se recristalliser, la diffusion superficielle s'amorce et la résistance au briquetage est améliorée.
2 : Étape de frittage en phase solide (800℃ – température eutectique)
À la température précédant l'apparition de la phase liquide, en plus de poursuivre le processus de l'étape précédente, la réaction et la diffusion en phase solide sont intensifiées, l'écoulement plastique est amélioré et le corps fritté se rétracte considérablement.
3 : Étape de frittage en phase liquide (température eutectique – température de frittage)
Lorsque la phase liquide apparaît dans le corps fritté, le retrait s'achève rapidement, suivi d'une transformation cristallographique pour former la structure de base et la structure de l'alliage.
4 : Étape de refroidissement (température de frittage – température ambiante)
À ce stade, la structure et la composition de phase de l'alliage subissent quelques modifications selon les conditions de refroidissement. Cette propriété peut être exploitée pour chauffer le carbure cémenté et ainsi améliorer ses propriétés physiques et mécaniques.
Date de publication : 11 avril 2022
