Partie 3 : Optimisation des performances du carbure cémenté
Chapitre 8 : Corrosion et résistance à haute température du carbure cémenté
Le carbure cémenté est un matériau composite fabriqué par métallurgie des poudres. Sa phase dure principale est le carbure de tungstène (WC), tandis que la phase de liaison est le cobalt (Co), le nickel (Ni). Ses excellentes performances le rendent largement utilisé dans les outils de coupe, les équipements miniers et les pièces résistantes à l’usure. Nous présentons ci-dessous brièvement son concept et ses caractéristiques typiques, tant en termes de résistance à la corrosion que de résistance aux hautes températures.
Résistance à la corrosion du carbure cémenté
La résistance à la corrosion désigne la capacité du carbure cémenté à résister à l’érosion chimique en milieu corrosif (tels que les solutions acides, alcalines et salines). Cette propriété est principalement influencée par la composition et la microstructure du matériau.
La phase de liaison du carbure cémenté joue un rôle essentiel dans sa résistance à la corrosion. Le carbure cémenté avec du cobalt comme phase de liaison (comme la série YG) présente de faibles performances en milieu acide. Par exemple, dans les environnements contenant de l’acide sulfurique ou de l’acide chlorhydrique, le cobalt se corrode facilement, entraînant une dissolution progressive de la surface du matériau. Prenons l’exemple du carbure YG6 (contenant 6 % de cobalt) : sa vitesse de corrosion dans de l’acide chlorhydrique à 10 % à température ambiante est d’environ 0,1 à 0,2 mm/an, tandis qu’il se corrode peu en milieu faiblement alcalin ou neutre (comme une solution d’hydroxyde de sodium à 10 %). En revanche, le carbure cémenté avec du nickel comme phase de liaison (comme la série YN) présente une meilleure résistance à la corrosion, notamment en milieu alcalin et oxydant. Il est plus stable et convient à une utilisation dans des conditions difficiles comme les environnements marins. De plus, des défauts de microstructure peuvent également affecter significativement la résistance à la corrosion. S’il y a une porosité élevée dans le carbure cémenté, ou s’il contient des impuretés telles que du carbone libre et de la phase η, ces défauts deviendront le point de départ de la corrosion et accéléreront la dégradation du matériau.
Résistance à haute température du carbure cémenté
La résistance à haute température désigne la capacité du carbure cémenté à conserver sa dureté, sa résistance mécanique et sa résistance à l’oxydation dans un environnement à haute température. Cette caractéristique est également influencée par la composition et la température.
Le carbure cémenté offre de bonnes performances à basse température et peut généralement maintenir une dureté et une résistance élevées en dessous de 600 °C. Par exemple, l’YG8 (contenant 8 % de cobalt) peut conserver une dureté d’environ 1 200 HV à 600 °C, soit une baisse de seulement 20 % environ. Cependant, lorsque la température dépasse 800 °C, la phase de liaison (comme le cobalt) commence à se ramollir, ce qui entraîne une diminution significative de la résistance et de la dureté globales du matériau. Prenons l’exemple de l’YG8 : sa dureté peut chuter jusqu’à 500-600 HV à 1 000 °C. De plus, la résistance à l’oxydation du carbure cémenté à haute température est également mise à rude épreuve. Le carbure de tungstène se transforme en oxyde de tungstène (WO₃ ) dans un environnement oxydant à haute température, ce qui provoque un écaillage de la surface et affecte sa durée de vie. En revanche, le carbure cémenté avec ajout de carbure de titane ( TiC ) (comme le YT15) présente une meilleure résistance à l’oxydation à 800°C, mais sa résistance diminuera toujours de 20 à 30 %.
La résistance à la corrosion et aux températures élevées du carbure cémenté sont des indicateurs clés de son application en environnements difficiles. En termes de résistance à la corrosion, le carbure cémenté au nickel est plus performant dans divers milieux, tandis que le carbure cémenté au cobalt est sensible à la corrosion en milieu acide. En termes de résistance aux températures élevées, le carbure cémenté est stable en dessous de 600 °C, mais sa dureté et sa résistance à l’oxydation diminuent considérablement à des températures plus élevées. Ces caractéristiques déterminent l’applicabilité du carbure cémenté dans différents scénarios d’application et constituent un critère important pour son choix et son utilisation.
Le carbure cémenté ( WCCo ) dans des environnements difficiles est essentiel à son application dans les domaines de la chimie, de la marine et de l’aéronautique. Par exemple, dans les solutions acides (pH < 3 ± 0,1), le carbure cémenté doit résister à une forte attaque chimique ; dans le brouillard salin marin (> 1 000 heures ± 100 heures), il doit empêcher la piqûre ; dans les moteurs d’avion (> 1 000 °C ± 10 °C), il doit maintenir sa résistance et sa résistance à l’oxydation. Cependant, l’activité électrochimique de la phase de liaison Co (potentiel de corrosion E_corr ~ 0,3 V ± 0,02 V par rapport à SCE) induit facilement de la corrosion, et le WC est oxydé à haute température pour former WO₃ (épaisseur > 1 μm ± 0,1 μm), ce qui entraîne une dégradation des performances. La stratégie d’optimisation doit partir de la microstructure (grain WC 0,52 μm ± 0,01 μm, Co 6 % 12 % ± 1 %), des additifs (tels que Cr ₃ C ₂ 0,5 % ± 0,01 %) et de la protection de surface (épaisseur du revêtement 520 μm ± 0,1 μm) pour obtenir une amélioration synergique de la résistance à la corrosion et de la résistance aux hautes températures.
discute du comportement et du chemin d’optimisation du WCCo dans les environnements acides, de brouillard salin et à haute température sous quatre aspects : mécanisme de résistance à la corrosion , performances à haute température , Méthode d’optimisation des performances et tests et évaluation. Le mécanisme de résistance à la corrosion révèle la nature de la corrosion grâce à la théorie électrochimique (courbe de Tafel, i_corr <10 ⁻⁶ A/cm²±10 ⁻⁷ A/cm²) ; les performances à haute température se concentrent sur la résistance à l’oxydation (gain de poids <0,5 mg/cm²±0,05 mg/cm²) et la fatigue thermique (fissure <0,1 mm±0,01 mm) ; la méthode d’optimisation propose une phase de liaison à base de Ni (taux de corrosion <0,01 mm/an±0,001 mm/an) et un revêtement Cr₃C₂ (dureté>HV 1500±30) ; les tests et l’évaluation combinent les normes ISO 9227, ASTM G59 et le test de choc thermique (>500 fois±50 fois) pour fournir une base quantitative.
Français Par exemple, la perte de poids du WC à base de Ni (Ni 10 % ± 1 %) dans le brouillard salin est < 0,08 mg/cm² ± 0,01 mg/cm² ; la dureté des outils revêtus de Cr₃C₂ à 1 000 °C ± 10 °C est > HV 1 200 ± 30 et la durée de vie est > 5 000 heures ± 500 heures. Ce chapitre est étroitement lié au chapitre 6 (Taux d’usure du revêtement < 0,06 mm³/N·m ± 0,01 mm³/ N · m ) et au chapitre 7 ( K ₁ c 820 MPa·m¹/² ± 0,5), jetant ainsi les bases du chapitre 9 (Matériaux composites multifonctionnels).
8.1 Mécanisme de résistance à la corrosion du carbure cémenté
La résistance à la corrosion du carbure cémenté est essentielle à sa longévité dans les environnements chimiques agressifs (acides, brouillard salin et alcalins). Sa perte de masse est généralement contrôlée à 0,1 mg/cm² ± 0,01 mg/cm² , ce qui lui confère une bonne stabilité et lui permet de résister efficacement à la corrosion en milieu acide (pH < 3 ± 0,1), brouillard salin (concentration en NaCl 5 % ± 0,1 %) et alcalin (pH > 10 ± 0,1). Le processus de corrosion est principalement entraîné par l’activité électrochimique de la phase de liaison (comme le cobalt, Co), et sa densité de courant de corrosion ( i_corr ) est d’environ 10 ⁻⁵ A/cm² ± 10 ⁻⁶ A/cm² , provoquant la dissolution préférentielle du cobalt, ce qui à son tour provoque la chute des particules de carbure de tungstène (WC) (taille 0,52 μm ± 0,01 μm ), formant des piqûres de corrosion d’un diamètre d’environ 110 μm ± 0,1 μm . Français Bien que le WC lui-même ait une stabilité chimique extrêmement élevée et que sa vitesse de dissolution soit extrêmement faible (< 10 ⁻⁸ g/cm ² · h ± 10 ⁻⁹ g/cm ² · h), si la force de liaison entre le WC et l’interface de phase de liaison (> 100 MPa ± 10 MPa) est insuffisante, un pelage est susceptible de se produire à l’interface, accélérant considérablement la défaillance par corrosion. Afin d’ améliorer la résistance à la corrosion, il est nécessaire de réduire la densité de courant de corrosion de la phase de liaison (cible i_corr < 10 ⁻⁶ A/cm ² ± 10 ⁻⁷ A/cm ² ) , améliorant sa stabilité électrochimique (potentiel de corrosion E_corr > 0,2 V ± 0,02 V par rapport à SCE) et améliorant la force de liaison de l’interface WC-Co.
Du fait du comportement électrochimique du WC et de la phase de liaison, la corrosion est essentiellement un processus électrochimique. Le cobalt agit comme anode pour la dissolution oxydative (Co → Co ² ⁺ + 2e ⁻ ) , tandis que le WC, en raison de sa grande inertie chimique, participe souvent à la réaction en tant que cathode. Cet effet galvanique est le principal moteur de la corrosion. En milieu acide (pH < 3 ± 0,1), les ions H ⁺ accélèrent la réaction de dissolution du cobalt, tandis qu’en brouillard salin (NaCl 5 % ± 0,1 %), les ions Cl ⁻ peuvent détruire le film de passivation à la surface du cobalt, entraînant une augmentation des piqûres. L’analyse microscopique montre que les piqûres de corrosion sont principalement concentrées à l’interface WC-Co, indiquant qu’une liaison interfaciale insuffisante est le facteur clé de la défaillance. Ce mécanisme a été vérifié plus avant par l’étude de la théorie électrochimique et des normes d’essai (telles que ISO 9227, ASTM G59). Dans les cas réels, le taux de perte de poids du carbure cémenté WC-10Co dans un environnement de brouillard salin est de 0,09 mg/cm² ± 0,01 mg/cm² , ce qui reflète la limitation de sa résistance à la corrosion.
En général, le mécanisme de résistance à la corrosion du carbure cémenté implique principalement la dissolution électrochimique de la phase de liaison et la rupture de l’interface , qui se manifeste par des piqûres et un détachement de particules en milieu acide et en brouillard salin. La réduction de la densité de courant de corrosion, l’amélioration de la stabilité électrochimique et le renforcement de la force de liaison de l’interface permettent d’améliorer efficacement sa résistance à la corrosion, ce qui étaye théoriquement son application en environnements difficiles.
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