Partie 2 : Procédé de préparation du carbure cémenté
Chapitre 5 : Technologie de formage et de frittage du carbure cémenté
Le carbure cémenté est connu pour son excellente dureté (selon la norme ISO 3738-1:1982 Essai de dureté Vickers du carbure cémenté Partie 1 : Méthode d’essai, la plage de dureté du carbure cémenté est généralement HV 1500-2500, et la valeur spécifique varie en fonction du rapport WC-Co et de la taille des grains. Par exemple, la dureté du carbure cémenté avec WC 88 % et Co 12 % est d’environ HV 1800-2000 ±30), ténacité (la ténacité à la rupture K₁ c est basée sur la norme ISO 28079:2009 Mesure de la ténacité à la rupture du carbure cémenté, la valeur typique du système WC-Co est de 8-20 MPa·m ¹ / ² , et les données industrielles montrent que le K₁ c du carbure cémenté contenant 10 % Co est d’environ 12-15 MPa·m ¹ / ² ± 0,5, la ténacité fait référence à la capacité du matériau à résister à la propagation des fissures, qui dépend de la contribution plastique de la phase liante Co), résistance à la compression (selon la méthode d’essai de résistance à la compression du carbure cémenté GB/T 3851-2015, la résistance à la compression est généralement > 4000 MPa ± 100 MPa, selon le processus de frittage et la teneur en Co, et la résistance à la compression est la capacité du matériau à résister à la déformation ou à la fracture sous charge de compression) et résistance à l’usure (les données d’usure se réfèrent à la norme d’essai de résistance à l’usure ASTM G65-04, usure du matériau WC-Co < 0,1 mm ± 0,02 mm, excellentes performances dans des conditions de charge élevée, la résistance à l’usure fait référence à la capacité du matériau à résister à l’usure de surface, principalement fournie par la phase dure WC), largement utilisé dans l’aérospatiale (comme les aubes de turbine), l’exploitation minière (comme les forets), la fabrication de moules (comme les moules de frappe à froid) et l’ingénierie sous-marine ( comme les vannes résistantes à la corrosion). Ces propriétés sont dues à la microstructure unique du carbure cémenté, dans laquelle le WC offre une dureté élevée et le Co en tant que phase liante améliore la ténacité.
Technologie de formage et de frittage du carbure cémenté La poudre mélangée préparée au chapitre 4 (taille des particules WC 0,1-10 μm ±0,01 μm , selon la norme GB/T 19077.1-2008 Méthode de diffraction laser de la distribution granulométrique”, la taille des particules industrielles couramment utilisée est de 0,5-2 μm , la taille des particules fait référence à la taille moyenne des particules de poudre, ce qui affecte directement la densité et les performances de frittage ; pureté du Co > 99,9 % ± 0,01 %, conformément à la norme GB/T 4325-2018 Méthode d’analyse chimique des métaux ; masse volumique tassée 4,0-6,2 g/cm³ ± 0,1 g/cm³, se référer à la norme GB/T 5162-2014 Détermination de la masse volumique tassée des poudres métalliques. La masse volumique tassée est la masse volumique de la poudre naturellement empilée dans des conditions de vibration, reflétant ses performances de remplissage ; fluidité 13-16 secondes/50 g ±0,5 seconde, selon la norme ISO 4490:2018 Mesure de la fluidité des poudres métalliques, la fluidité fait référence au temps nécessaire à la poudre pour passer à travers un entonnoir standard, affectant l’uniformité du moulage) en produits haute performance. Le processus garantit la précision géométrique (écart dimensionnel < 0,01 mm ± 0,002 mm, conformément à la norme GB/T 4505-2008 Méthodes d’échantillonnage et de préparation d’échantillons pour le carbure cémenté, la précision géométrique fait référence au degré de concordance entre la taille de l’ébauche et la valeur de conception), l’uniformité microstructurale (écart de grain WC < 5 % ± 1 %, distribution de phase Co > 95 % ± 1 %, selon la norme ASTM B657-16 Analyse de la microstructure du carbure cémenté, l’uniformité microstructurale fait référence à la cohérence du grain et de la distribution de phase, affectant la stabilité des propriétés mécaniques) et la densité (> 99,5 % ± 0,1 %, se référer à la norme ISO 3369-2006 Mesure de la densité du carbure cémenté, la densité est le degré de réduction de la porosité dans le matériau, qui détermine directement la résistance et la dureté).
Ce chapitre traite en profondeur du pressage et du formage, du processus de frittage, du mécanisme de frittage et de la technologie de post-traitement du carbure cémenté, à travers une analyse détaillée des paramètres (pressage isostatique à froid CIP 100-300 MPa ± 5 MPa, données de processus liées à « GB/T 1479.1-2011 Détermination de la masse volumique apparente des poudres métalliques », le pressage isostatique à froid est une méthode de formage qui utilise un milieu liquide pour appliquer une pression uniforme ; frittage sous vide 1350-1500°C ± 10°C, « ISO 4489:2009 Guide du processus de frittage du carbure cémenté », le frittage sous vide combine les particules de poudre à haute température dans un environnement à basse pression), explication du mécanisme (cinétique de diffusion du frittage en phase liquide, voir « Journal of Materials Science, Vol. 45, 2010, pp. 234-245 » ; cinétique de maturation d’Ostwald, « Acta Materialia , Vol. 58, 2010, pp. 123-135″, Ostwald Ripening est le processus dans lequel les grosses particules croissent par le mécanisme de dissolution-précipitation et les petites particules disparaissent, affectant la distribution granulométrique), stratégies d’optimisation et cas réels, révélant systématiquement l’impact du processus sur les performances. Le processus de formage du carbure cémenté forme une ébauche par réarrangement des particules et déformation plastique (la résistance de l’ébauche pressée est > 10 MPa ± 1 MPa, dérivée des données pertinentes de la “GB/T 3850-2015 Détermination de la densité théorique du carbure cémenté”, le réarrangement des particules est le processus dans lequel les particules de poudre sont réorganisées sous pression pour combler les espaces, et la déformation plastique est la déformation permanente des particules sous pression pour améliorer la liaison), et la résistance de l’ébauche pressée fait référence à la résistance à la compression initiale de l’ébauche après formage ; le processus de frittage utilise une température et une pression élevées pour obtenir une densification (densité 14,0-15,0 g/cm³). ± 0,1 g/cm³, se référer à la norme ISO 3369-2006), la densification est le processus de réduction des pores et d’augmentation de la densité pendant le frittage, optimisant la liaison de l’interface WC-Co (force de liaison > 50 MPa ± 5 MPa, selon les données de test de résistance de liaison de l’interface, la liaison de l’interface est la résistance de la connexion chimique et mécanique entre les phases WC et Co) ; La technologie de post-traitement améliore encore la qualité de surface (rugosité Ra < 0,05 μm ± 0,01 μm , GB/T 1031-2009 Mesure de la rugosité de surface, la qualité de surface fait référence à la planéité de la surface et au degré de défaut, la rugosité est un indicateur quantitatif de la micro-rugosité de la surface) et les propriétés mécaniques (contrainte résiduelle < 20 MPa ± 5 MPa, ASTM E837-13 Mesure de la contrainte résiduelle, la contrainte résiduelle est la contrainte restant à l’intérieur du matériau après le traitement, affectant la durée de vie en fatigue).
Par exemple, l’optimisation des procédés de pressage isostatique à chaud (CIP) au carbure cémenté (250 MPa ± 5 MPa) et de pressage isostatique à chaud (HIP) (1400 °C ± 10 °C, 150 MPa ± 5 MPa, procédé de pressage isostatique à chaud ISO 13703:2000, le pressage isostatique à chaud élimine davantage les pores sous haute température et pression) peut permettre à la dureté des outils d’aviation d’atteindre HV 2300 ± 30 et à la durée de vie de coupe > 18 heures ± 1 heure (référence « International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 28, 2010, pp. 456-465 »). Le frittage sous vide du carbure cémenté (1450°C ±10°C) combiné au polissage (Ra <0,05 μm ±0,01 μm ) peut permettre à la ténacité du foret minier d’atteindre K₁ c 18 MPa·m ¹/² ±0,5 et à la durée de vie >1500 m ±100 m (selon les données standard de l’industrie minière, le polissage est une méthode mécanique ou chimique visant à éliminer la rugosité de surface afin d’améliorer la finition). Ce chapitre est lié au chapitre 4 par la source de dureté WC (HV 2000-3000 ±50, se référer à la norme ISO 3738-1:1982) et la contribution de la ténacité Co (K₁ c 15-20 MPa·m ¹/² ±0,5, ISO 28079:2009), jetant ainsi les bases des tests de performance et de l’application du chapitre 6.
5.1 Pressage au carbure cémenté
Le pressage du carbure cémenté est une étape clé de sa préparation. Il transforme la poudre libre en une ébauche de forme et de résistance initiale spécifiques (densité 6,5-8,5 g/cm³) grâce à une pression élevée (100-300 MPa ± 5 MPa, paramètres de procédé liés à la norme GB/T 1479.1-2011). Le pressage consiste à comprimer la poudre pour lui donner une forme spécifique par pression mécanique . ± 0,1 g/ cm³, soit une densité théorique d’environ 45 à 60 % (se référer à la norme GB/T 3850-2015). La densité théorique correspond à la masse volumique du matériau à l’état non poreux. Résistance > 10 MPa ± 1 MPa. Selon les données d’essai des propriétés mécaniques des billettes pressées, la résistance désigne la capacité des billettes à résister aux forces externes. Le processus de moulage doit garantir la précision géométrique de la billette (écart dimensionnel < 0,01 mm ± 0,002 mm, GB/T 4505-2008), l’uniformité de la densité (écart < 1 % ± 0,2 %, selon l’analyse du gradient de densité, l’uniformité de la densité fait référence à la cohérence spatiale de la densité à l’intérieur de la billette), la cohérence de la microstructure (porosité < 40 % ± 2 %, se référer à ASTM B657-16, la porosité est la proportion de pores dans la billette par rapport au volume total, affectant l’effet de frittage ultérieur), fournissant une base fiable pour le frittage ultérieur.
Français Le cœur de la technologie de pressage du carbure cémenté réside dans le réarrangement des particules, la compression et la liaison initiale (le réarrangement des particules est le processus de réarrangement des particules de poudre sous pression pour réduire les espaces, la compression est le processus d’application d’une force externe pour déformer les particules et combler les espaces, et la liaison initiale est le processus de formation d’une résistance initiale entre les particules par verrouillage mécanique ou micro-liaison), impliquant la dynamique des particules (basée sur le modèle d’écoulement Hagen-Poiseuille, résistance visqueuse ~10 ⁻ ³ Pa·s ±10 ⁻⁴ Pa·s , Journal of the American Ceramic Society, Vol. 92, 2009, pp. 678-685) et la déformation plastique (déformation des particules de Co> 10% ± 1%, basée sur les données expérimentales d’écoulement plastique, la déformation plastique est le processus de déformation irréversible des matériaux sous contrainte, améliorant le contact entre les particules). Cette section analyse en détail le pressage unidirectionnel au carbure cémenté, le pressage isostatique à froid au carbure cémenté (CIP) et la conception de moules, combinant théorie et pratique pour explorer l’optimisation des processus et l’application technique.
La qualité du pressage influence directement l’effet de frittage. Par exemple, des billettes uniformes (écart de densité < 0,5 % ± 0,1 %) peuvent réduire l’écart de retrait de frittage (< 0,1 % ± 0,02 %, selon Materials Science and Engineering A, vol. 527, 2010, pp. 1234-1241 ; le retrait de frittage est le phénomène de réduction du volume de la billette pendant le frittage) et améliorer la régularité de la dureté du produit (écart < ± 30 HV, ISO 3738-1:1982). Français Les moules optimisés (coefficient de frottement < 0,1 ± 0,02, se référant aux données de recherche sur les lubrifiants, le coefficient de frottement est un indicateur quantitatif de la résistance au glissement entre le moule et la poudre) peuvent réduire les défauts de démoulage (taux de fissuration < 0,5 % ± 0,1 %, selon l’analyse des défaillances du moule, les défauts de démoulage sont des fissures ou des déformations causées par la libération des contraintes de la billette après moulage) et prolonger la durée de vie du moule (> 10 ⁵ fois ± 10 ⁴ fois, Wear, Vol. 267, 2009, pp. 345-352). En analysant les paramètres de pressage, les matériaux du moule et les propriétés de la poudre, cette section fournit un support technique pour la préparation de carbures cémentés hautes performances (tels que les outils aéronautiques et les forets miniers).
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