Chapitre 3 : Propriétés physiques et chimiques du carbure cémenté
Le carbure cémenté de tungstène est devenu le matériau de base des outils de coupe, des pièces résistantes à l’usure, des équipements miniers, de l’aérospatiale, des équipements chimiques, des centrales nucléaires et des équipements sous-marins grâce à ses excellentes propriétés physiques et chimiques. Ces propriétés comprennent des propriétés mécaniques (dureté, ténacité, résistance à la compression, résistance à la flexion), thermiques (conductivité thermique, coefficient de dilatation thermique, stabilité à haute température, résistance aux chocs thermiques), chimiques (résistance à la corrosion, résistance à l’oxydation) et électriques et magnétiques (conductivité, magnétisme de la phase Co), qui découlent de la rigidité de la liaison covalente du carbure de tungstène (WC) et de la synergie plastique de la phase de liaison cobalt (Co) ou nickel (Ni).
Ce chapitre analyse chaque propriété physico-chimique, les méthodes d’inspection et d’essai, les facteurs affectant divers aspects des performances et les cas d’application étendus. Il explore en profondeur les fondements théoriques, la technologie d’essai, le mécanisme de régulation, l’adaptabilité environnementale et les performances en conditions de travail. Grâce à des modèles théoriques détaillés, des données expérimentales précises, des cas inter-domaines riches et une analyse d’impact sur les performances, ce chapitre révèle le mécanisme inhérent aux propriétés physico-chimiques, offrant ainsi une référence complète pour l’optimisation des performances, l’adaptation aux conditions de travail extrêmes et la recherche interdisciplinaire sur le carbure cémenté.
3.1 Propriétés mécaniques du carbure cémenté
Les propriétés mécaniques sont la pierre angulaire de la fiabilité du carbure cémenté dans les environnements soumis à de fortes charges, aux chocs, à l’usure et aux contraintes complexes. Il est largement utilisé dans la découpe, l’exploitation minière, l’emboutissage, l’aviation et le forage en haute mer. Cette section analyse la dureté, la ténacité, la résistance à la compression et à la flexion une par une, et ajoute de nouvelles méthodes d’inspection et d’essai, ainsi que des facteurs d’influence.
3.1.1 Dureté du carbure cémenté
La dureté désigne la capacité d’un matériau à résister aux pressions ou aux rayures d’objets extérieurs sur sa surface. C’est l’un des indicateurs importants pour mesurer ses propriétés mécaniques. Elle reflète généralement la résistance mécanique, la résistance à l’usure et la résistance à la déformation d’un matériau, et se caractérise souvent par sa capacité à résister à la compression, au cisaillement ou à la déformation plastique. Les méthodes de mesure courantes incluent la dureté Brinell (HB), la dureté Rockwell (HR), la dureté Vickers (HV) et la dureté Shore (HS). Leurs valeurs sont calculées en fonction du type de pénétrateur (bille d’acier ou diamant, par exemple), de la taille de la charge et de la surface d’indentation (ISO 6507, ASTM E10). Par exemple, la dureté Vickers du carbure cémenté est généralement comprise entre 1200 et 2400 HV, selon la granulométrie et la teneur en phase liante. La dureté est étroitement liée à la microstructure du matériau (granulométrie, composition des phases, par exemple) et au traitement thermique, et constitue un critère essentiel pour le choix des matériaux et l’évaluation de leur durabilité.
La dureté Vickers (HV) du carbure cémenté est de 1 500 à 2 500 ± 30, dépassant largement celle de l’acier rapide (HV 800 à 1 000), de la céramique (HV 1 200 à 1 800) et des alliages de titane (HV 300 à 400), ce qui est au cœur de sa résistance à l’usure. Cette dureté provient du réseau de liaisons covalentes du WC (énergie de liaison WC 6,0 eV ± 0,2 eV, longueur de liaison 2,0 Å ± 0,05 Å), et sa structure cristalline hexagonale (P6m², module de Young 700 GPa ± 10 GPa) lui confère une résistance à la déformation plastique. La dureté du carbure cémenté contenant 10 % de Co est HV 1800 ± 30, et celle du carbure cémenté contenant 20 % de Co tombe à HV 1400 ± 30, car la douceur de la phase Co (HV 300 – 400, structure FCC cubique à faces centrées) réduit la résistance à la compression.
la dureté du carbure cémenté est exceptionnelle.
Français À 600°C, la dureté du carbure cémenté contenant 6% de Co maintient HV 1500±30, chute à HV 1200±20 à 800°C et chute à HV 1000±30 à 1000°C, ce qui est meilleur que l’acier rapide (baissé à HV 500 à 600°C) et la céramique (baissé à HV 800 à 1000°C). L’ajout de Cr₃C₂ (0,5%1%) augmente la dureté à HV 1900 – 2200±50 par renforcement de la solution solide (rayon atomique du Cr 1,28 Å, déformation du réseau <2%±0,2%). Par exemple, un outil en carbure cémenté (HV 1900) contenant 8 % de Co et 0,5 % de Cr₃C₂ présente une quantité d’usure de <0,1 mm±0,02 mm et une durée de vie de 15 heures±1 heure dans la coupe à grande vitesse de l’acier inoxydable (résistance à la traction >1000 MPa, vitesse de coupe 200 m/min, coefficient de frottement <0,3±0,05), ce qui est meilleur que les outils en céramique (durée de vie <5 heures, quantité d’usure >0,3 mm).
L’impact de l’environnement sur la dureté nécessite une attention particulière.
Français Dans un environnement chaud et humide (40°C, 90% d’humidité, 168 heures), une micro-corrosion de la phase Co est induite (perte de poids <0,1 mg/cm² ± 0,02 mg/cm² , profondeur de corrosion <1μm±0,2μm), et la dureté diminue de <2%±0,5% ; dans un environnement extrêmement froid (40°C), la dureté augmente légèrement de 1%±0,3% en raison de la fragilisation de la phase Co (la déformation plastique diminue de <3%±0,3%) ; à haute pression (>100 MPa, 5000 m de profondeur), il n’y a pas de changement significatif (diminution <0,5%±0,1%) ; le rayonnement (énergie nucléaire, 10⁴Gy , rayons γ) induit des défauts ponctuels, et la dureté diminue de <1%±0,2%.
Le carbure cémenté contenant du Ni (12 % Ni, HV 1700±30) est plus stable en milieu marin (salinité 3,5 %, pH 8, Cl⁻19 g/L), avec une baisse de dureté inférieure à 1 %. En pratique, les rouleaux en carbure cémenté contenant 6 % de Co présentent une profondeur d’usure inférieure à 0,05 mm±0,01 mm et une durée de vie supérieure à 300 heures±20 heures dans l’exploitation minière (granit, dureté de la roche > 1000 MPa, fréquence d’impact > 1000 fois/min), ce qui est supérieur à celui de l’acier rapide (durée de vie inférieure à 50 heures).
L’optimisation de la dureté nécessite un compromis avec la ténacité.
Français L’ajout de TiC (10%15%, dureté 20 GPa±1 GPa) augmente la dureté à HV 2000±50, tout en réduisant la densité (à 12 g/cm³ ± 0,1 g/cm³), ce qui convient aux pièces aéronautiques légères, telles que les moules d’aubes de turbine (charge > 2000 MPa, tolérance de déformation < 0,01 mm). Lors de l’emboutissage composite (600 °C, fréquence > 10 ⁴ fois/heure), la rugosité de surface du moule en carbure cémenté contenant 15 % de TiC est Ra<0,1 μm±0,02 μm, et la durée de vie est augmentée de 40 %±5 %, ce qui est meilleur que les moules en acier (Ra>0,5 μm, durée de vie < 2000 heures). La comparaison inter-domaines montre que la dureté du carbure cémenté est meilleure que celle de l’acier à haute résistance (HV 600800) et de l’alliage de titane (HV 300400), mais inférieure à celle du diamant (HV > 8000).
3.1.1.1 Méthode d’expression de la dureté
Il existe de nombreuses façons d’exprimer la dureté, adaptées à différents scénarios de test et comparaisons de matériaux :
Dureté Vickers ( HV)
La dureté Vickers (HV) est une méthode standard pour mesurer avec précision la dureté des matériaux. Elle utilise un pénétrateur pyramidal en diamant (angle au sommet de 136°) pour enfoncer la surface du matériau sous une charge spécifiée (généralement de 5 à 100 kgf, la plage pouvant être étendue de 1 à 120 kgf). Après 10 à 15 secondes de maintien, la longueur diagonale de l’empreinte (d, en mm) est mesurée pour calculer la dureté. La formule est : HV = 1,8544 × F / d², où F est la charge appliquée (kgf), d la longueur diagonale moyenne de l’empreinte (mm), et le résultat est exprimé en kgf / mm², généralement désigné directement comme valeur HV (ISO 6507-1:2018).
La dureté Vickers s’applique à une grande variété de matériaux, notamment le carbure cémenté, l’acier, la céramique et les matériaux en couches minces, en raison de sa faible indentation (diamètre de 0,01 à 1 mm), de sa grande précision (erreur < 5 %) et de sa large plage de test (HV de 10 à 3 000 et plus). Par exemple, la HV du carbure cémenté conventionnel est de 1 200 à 2 000, tandis que celle du carbure cémenté nanométrique (grains de 0,05 à 0,2 μm) peut atteindre 2 000 à 2 400 (Journal of Materials Science 2025). Son avantage est de pouvoir tester de petites zones (comme des revêtements) ou des feuilles minces (épaisseur > 0,1 mm), mais la durée du test est longue et les exigences de planéité de surface sont élevées (Ra < 0,8 μm, ITIA 2024).
Dureté Rockwell (HRC/HRB)
La dureté Rockwell (HRC/HRB) est une méthode courante de mesure de la dureté des matériaux. Le pénétrateur (cône en diamant ou bille d’acier) est enfoncé dans le matériau sous une charge initiale (10 kgf) et une charge totale (60-150 kgf). La valeur de dureté est déterminée en mesurant la différence de profondeur d’indentation (ASTM E18-22). Cette méthode se caractérise par des tests rapides, une faible indentation et une utilisation simple, et est largement utilisée dans les matériaux métalliques.
HRC : Utiliser un pénétrateur à cône diamant (angle au sommet 120°) d’une charge totale de 150 kgf, adapté aux matériaux de dureté élevée (tels que l’acier trempé et le carbure cémenté). La valeur HRC est calculée selon la formule suivante : HRC = 100 – (h/0,002), où h est la profondeur d’indentation (mm). La plage HRC est généralement comprise entre 20 et 70 ; par exemple, pour le carbure cémenté, HRC est de 60-70, ce qui équivaut à une dureté Vickers HV de 1 200-2 400.
HRB : Utiliser un pénétrateur à bille d’acier de 1/16 pouce avec une charge totale de 100 kgf, adapté aux matériaux tendres (tels que l’acier recuit et les alliages de cuivre). La formule de calcul de la valeur HRB est la suivante : HRB = 130 – (h/0,002), comprise entre 20 et 100. Par exemple, la valeur HRB de l’acier recuit est d’environ 70 à 90 (ITIA 2024).
L’avantage de la dureté Rockwell est qu’elle peut être lue directement avec une grande précision (erreur < 3 %), mais elle ne convient pas aux matériaux minces ou aux petites surfaces (ISO 6508-1:2016).
Dureté Brinell (HB)
La dureté Brinell (HB) est une méthode de mesure de la dureté d’un matériau. On enfonce une bille d’acier trempé ou un pénétrateur en carbure de tungstène (généralement de 2,5, 5 ou 10 mm de diamètre) à la surface du matériau sous une charge spécifiée (F, généralement de 500 à 3 000 kgf), on la maintient pendant un certain temps (10 à 30 secondes), puis on mesure le diamètre d’indentation (d, en mm) pour calculer la dureté. La formule est : HB = (2F) / (πD(D – √(D² – d² ))), où D est le diamètre du pénétrateur (mm), F est la charge (kgf), d est le diamètre d’indentation (mm), et le résultat est exprimé en kgf / mm² (ASTM E10-18).
La dureté Brinell convient aux matériaux tendres ou moyennement durs (tels que l’acier, la fonte et les métaux non ferreux) et se situe généralement entre HB 30 et 650. Par exemple, la dureté Brinell de l’acier non trempé est d’environ 120 à 200, tandis que le carbure cémenté ne convient généralement pas à cette méthode en raison de sa dureté élevée (HV 1200 à 2400) (ITIA 2024). Son avantage réside dans sa grande surface d’empreinte, reflétant les performances moyennes du matériau, et elle convient aux matériaux hétérogènes, mais pas aux pièces minces ni aux matériaux très durs (l’erreur est d’environ 3 à 5 %, selon la norme ISO 6506-1:2014).
dureté de Mohs
La dureté de Mohs est une échelle relative permettant de mesurer qualitativement la dureté des matériaux. Elle a été proposée par le minéralogiste allemand Friedrich Mohs en 1812 pour évaluer la dureté en comparant la résistance du matériau à la rayure. La méthode utilise 10 minéraux standards comme référence, dont la dureté est graduée de 1 (le plus tendre) à 10 (le plus dur) : 1 talc, 2 gypse, 3 calcite, 4 fluorite, 5 apatite, 6 orthose, 7 quartz, 8 topaze, 9 corindon, 10 diamant. Lors de l’essai, grattez la surface du matériau avec un échantillon standard. Si une marque subsiste, la dureté du matériau est inférieure à celle de l’échantillon standard.
La dureté Mohs est simple et intuitive, applicable aux minéraux et à certains matériaux techniques. Cependant, sa précision est faible et il ne s’agit que d’une valeur relative. Par exemple, la dureté Mohs du carbure cémenté est d’environ 9-9,5, proche de celle du corindon et bien supérieure à celle de l’acier (environ 5-6) (ITIA 2024). Ses limites sont l’impossibilité de quantifier la différence de dureté (par exemple, la différence entre 9 et 10 est bien supérieure à celle entre 1 et 2) et son inadéquation aux tests de matériaux hétérogènes ou de couches minces (l’erreur est d’environ ± 0,5).
Lors de la conversion, veuillez tenir compte de la relation non linéaire : HV ≈ 10·HRC + 900 (erreur < 5 %), HB et erreur de conversion Mohs > 10 %. En pratique, HV est la méthode principale et HRC/HS la méthode auxiliaire pour garantir une constance des performances > 95 % ± 2 %.
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