Les performances d’un composant d’usure en carbure de tungstène sont rarement déterminées par une seule propriété du matériau.
Une nuance de carbure performante sous une usure abrasive continue peut être trop sensible à l’écaillage sous des impacts répétés. Une nuance plus tenace peut résister aux sollicitations mécaniques, mais subir une perte dimensionnelle plus rapide par usure. Même une nuance adaptée peut donner de mauvais résultats si le composant présente des transitions abruptes, un soutien insuffisant, une géométrie de contact défavorable ou des relations dimensionnelles inappropriées.
Une conception fiable des composants d’usure exige donc d’examiner conjointement plusieurs facteurs :
- la nuance de carbure ;
- la taille des grains de WC ;
- la teneur en liant ;
- la géométrie du composant ;
- le soutien mécanique ;
- les tolérances et l’ajustement ;
- l’état de surface ;
- l’environnement de fonctionnement ;
- le mécanisme dominant d’usure ou de défaillance.
L’objectif consiste à adapter le matériau et la conception du composant aux conditions réelles de service, plutôt qu’à sélectionner le carbure le plus dur possible.
Choix de la nuance : équilibrer résistance à l’usure et ténacité
L’équilibre entre dureté et ténacité est l’un des critères fondamentaux du choix d’un carbure cémenté.
La dureté contribue à la résistance à la pénétration abrasive, à la formation de sillons et à la perte dimensionnelle progressive. La ténacité à la rupture décrit la résistance à la propagation des fissures et contribue à la résistance à l’écaillage et à la rupture sous les charges mécaniques. La résistance mécanique et la ténacité à la rupture sont des propriétés distinctes ; aucune ne doit être déduite de la seule dureté.
La taille des grains de WC et la teneur en liant sont des variables importantes pour établir cet équilibre.
En général, modifier la teneur en liant et la structure des grains peut orienter le matériau vers une dureté et une résistance à l’usure supérieures, ou vers une meilleure résistance aux dommages mécaniques. Ces relations ne doivent toutefois pas être considérées comme des règles universelles simples.
L’équilibre approprié dépend de la géométrie du composant et des conditions de fonctionnement, ainsi que du matériau lui-même.
Abrasion continue
Lorsque l’usure abrasive progressive est le mécanisme dominant et que les charges d’impact sont relativement limitées, il est souvent possible d’accorder davantage d’importance à la dureté et à la résistance à l’usure.
Les exemples peuvent comprendre des composants principalement exposés à l’abrasion par glissement, aux particules abrasives, aux poudres ou aux contacts répétés, tout en restant bien soutenus mécaniquement.
Augmenter la dureté sans tenir compte de la ténacité peut toutefois rendre un composant plus vulnérable en cas d’impact imprévu, de vibrations ou de surcharge localisée.
Abrasion combinée aux impacts
Lorsque l’abrasion s’accompagne d’impacts répétés ou de sollicitations mécaniques sévères, le choix de la nuance devient plus complexe.
Une nuance optimisée principalement pour la résistance à l’abrasion peut subir un écaillage ou une rupture prématurés si sa ténacité est insuffisante pour les conditions mécaniques.
Dans ces applications, la conception doit équilibrer la résistance à l’usure progressive et la capacité à supporter les impacts et les contraintes localisées.
Le mode de défaillance observé est donc particulièrement important. Un composant qui s’use progressivement et un autre qui s’écaille de façon répétée ne doivent pas recevoir automatiquement la même nuance de remplacement.
Taille des grains de WC et teneur en liant
La taille des grains de WC influence la dureté, la ténacité et le comportement à l’usure.
À teneur en liant et qualité microstructurale comparables, des grains de WC plus fins augmentent généralement la dureté et peuvent améliorer la résistance à la perte dimensionnelle par abrasion dans des applications adaptées. Des grains plus grossiers favorisent généralement la ténacité à la rupture et peuvent être avantageux lorsque la résistance à la propagation des fissures devient plus importante. Les nuances à grains fins peuvent également offrir une résistance mécanique élevée ; cela ne rend pas la résistance mécanique et la ténacité à la rupture interchangeables.
La teneur en liant influence également l’équilibre entre dureté et ténacité. Dans les nuances WC-Co conventionnelles présentant une taille de grains de WC et une qualité microstructurale comparables, une augmentation de la teneur en liant cobalt améliore généralement la ténacité à la rupture tout en réduisant la dureté et la résistance à l’usure abrasive. Une teneur plus faible en liant favorise généralement la dureté et la résistance à l’usure abrasive, mais peut réduire la ténacité à la rupture. Ces tendances ne doivent pas être généralisées à tous les systèmes de liants ni à tous les mécanismes d’usure.
Ni la taille des grains de WC ni la teneur en liant ne doivent toutefois être choisies indépendamment.
Deux composants fonctionnant dans des environnements apparemment similaires peuvent nécessiter des nuances différentes en raison de différences concernant :
- les dimensions du composant ;
- la zone de carbure non soutenue ;
- la géométrie de contact ;
- la sévérité des impacts ;
- les vibrations ;
- le matériau traité ;
- la température ;
- l’état de surface ;
- le montage et le soutien.
Pour cette raison, le choix de la nuance doit commencer par les conditions de fonctionnement et le mécanisme de défaillance observé, plutôt que par un pourcentage de cobalt ou une plage de tailles de grains prédéterminés.
Géométrie : maîtriser la répartition des contraintes
Le choix du matériau détermine la réponse du carbure aux charges, tandis que la géométrie influence fortement les zones où elles se concentrent.
Les angles vifs, les changements brusques de section, les sections minces, les zones insuffisamment soutenues, les trous et les points de contact localisés peuvent créer de fortes concentrations de contraintes.
Comme le carbure cémenté présente une ductilité limitée par rapport à l’acier, ces contraintes locales peuvent contribuer à l’écaillage ou à l’amorçage de fissures, même lorsque le matériau présente une résistance mécanique globale adéquate.
Arêtes et transitions
Les arêtes sont particulièrement importantes dans les composants soumis aux impacts ou à des contacts concentrés.
Une arête très vive peut offrir des avantages fonctionnels dans certaines applications, mais elle réduit également la surface sur laquelle la charge mécanique se répartit.
Lorsque l’application le permet, un chanfrein, un rayon ou une transition adaptés peuvent réduire les concentrations locales de contraintes et fournir un soutien mécanique supérieur.
Cela ne signifie pas que chaque composant en carbure doit recevoir le plus grand chanfrein ou rayon possible.
La géométrie doit toujours répondre aux exigences fonctionnelles du composant. Une arête de coupe, une surface d’étanchéité, un élément de guidage et un insert de protection contre l’usure ont chacun des priorités géométriques différentes.
L’objectif consiste à éviter les concentrations inutiles de contraintes sans compromettre la fonction prévue du composant.
Le soutien du carbure est aussi important que sa résistance mécanique
Un composant en carbure ne fonctionne pas indépendamment de la structure qui l’entoure.
La quantité de carbure exposée aux charges, la localisation du soutien, la rigidité des composants environnants et la direction des forces appliquées influencent toutes la répartition des contraintes.
Une section de carbure non soutenue ou mal soutenue peut subir des contraintes de flexion ou de traction qui n’avaient pas été anticipées à partir de la charge nominale de fonctionnement.
À l’inverse, un soutien mécanique adapté peut permettre au carbure de résister à une usure sévère tout en réduisant son exposition aux contraintes défavorables. Le carbure cémenté résiste généralement mieux aux charges de compression qu’aux charges de traction, mais des contraintes locales de traction peuvent tout de même se développer dans un contact apparemment compressif. Le soutien, la précharge de l’assemblage et l’ajustement de montage doivent donc être évalués conjointement. Une interférence excessive ou un serrage inégal peuvent introduire des contraintes dommageables ; un maintien supplémentaire n’est pas automatiquement bénéfique.
Lorsqu’un écaillage ou une rupture prématurés surviennent, il est donc utile d’examiner non seulement la nuance de carbure, mais aussi :
- la localisation des dommages ;
- la direction des charges ;
- les zones soutenues et non soutenues ;
- la géométrie des composants environnants ;
- l’alignement ;
- la répartition du contact ;
- les vibrations ;
- les changements de conditions de fonctionnement.
Tolérances et ajustements : des exigences fonctionnelles plutôt que des valeurs génériques
Les tolérances dimensionnelles constituent un élément important de la conception des composants en carbure, car elles influencent l’installation, l’alignement, le jeu, la pression de contact et les performances générales de l’équipement.
Il n’existe toutefois pas de plage unique de tolérances adaptée à tous les composants d’usure en carbure de tungstène.
Les exigences de tolérance doivent être déterminées selon :
- la fonction du composant ;
- sa taille et sa géométrie ;
- les composants en contact ;
- le jeu ou l’ajustement requis ;
- la température de fonctionnement ;
- les exigences d’alignement ;
- le procédé de fabrication ;
- la méthode de contrôle ;
- la précision requise du produit.
Une bague de guidage, un manchon de précision, un bloc d’usure, un insert de coupe et une grande plaque d’usure peuvent présenter des exigences dimensionnelles très différentes. Les seules tolérances de taille peuvent être insuffisantes : il faut définir les références pertinentes et les exigences géométriques, comme la planéité, le parallélisme, la concentricité ou le battement, lorsqu’elles déterminent la fonction, et s’assurer que la méthode de contrôle permet de les vérifier.
Des tolérances inutilement serrées peuvent augmenter la complexité et le coût de fabrication sans améliorer les performances en service. À l’inverse, une maîtrise dimensionnelle insuffisante peut provoquer un mauvais alignement, des charges défavorables, des vibrations, un jeu excessif ou une perte de précision fonctionnelle.
La tolérance appropriée est donc celle requise par l’application, et non simplement la plus serrée qu’il soit possible de fabriquer.
Effets thermiques et relations dimensionnelles
Le carbure et les matériaux environnants peuvent réagir différemment aux variations de température.
Lorsqu’un composant en carbure fonctionne avec de l’acier ou un autre matériau, les variations de température peuvent modifier les jeux, les conditions de contact et la répartition des contraintes, car les matériaux ne se dilatent pas nécessairement au même rythme.
L’importance de cet effet dépend de la plage de température, des dimensions du composant, de la configuration de l’assemblage et des conditions de fonctionnement.
Pour les applications présentant des variations importantes de température, les relations dimensionnelles doivent donc être évaluées dans les conditions pertinentes de service, plutôt qu’à partir des seules dimensions à température ambiante. L’effet sur le jeu ou la précharge dépend de la géométrie de l’assemblage et du composant qui se dilate ; il ne faut pas supposer qu’il agit dans le même sens pour toutes les conceptions. Un chauffage non uniforme, une dilatation contrainte et des cycles thermiques répétés peuvent également contribuer à la fissuration.
Qualité de surface : la fonction détermine l’exigence
Les exigences de surface doivent également être définies selon la fonction de chaque zone du composant.
Surfaces d’ajustement et de guidage
Pour les surfaces assurant un guidage de précision, un contact glissant ou un positionnement dimensionnel, la rugosité et la précision dimensionnelle peuvent influencer le frottement, le jeu, la précision de positionnement et l’usure.
Ces surfaces peuvent donc nécessiter une rectification ou un polissage maîtrisés selon leurs exigences fonctionnelles.
Surfaces d’usure
Les surfaces d’usure nécessitent un équilibre différent.
Une rugosité excessive peut augmenter les contraintes locales de contact ou fournir des sites d’amorçage pour l’accumulation de matière et les dommages de surface. L’état de surface approprié dépend toutefois du mécanisme d’usure, des conditions de lubrification, du matériau traité et de la fonction du composant.
Une exigence universelle de rugosité ne doit donc pas être appliquée à tous les composants d’usure en carbure.
Surfaces soumises aux impacts
Pour les composants exposés à des sollicitations mécaniques répétées, les rayures, les cavités, les dommages de rectification, les microfissures et les autres défauts de surface peuvent devenir des concentrateurs de contraintes.
L’intégrité de la surface peut donc être aussi importante que la rugosité nominale.
Le contrôle doit viser non seulement l’obtention d’un état de surface spécifié, mais aussi l’absence de défauts susceptibles de contribuer à une défaillance prématurée. Il faut examiner les conditions de rectification et d’usinage par électroérosion (EDM), lorsque utilisés, notamment toute couche superficielle affectée, les contraintes résiduelles et les opérations de finition nécessaires. Une faible valeur de rugosité ne prouve pas, à elle seule, qu’une surface est exempte de microfissures.
L’abrasion continue et l’abrasion avec impacts exigent des priorités différentes
Une distinction utile dans la conception des composants en carbure est celle entre une usure abrasive principalement continue et une abrasion combinée à des impacts importants.
Usure abrasive principalement continue
Sous un contact abrasif continu, la matière est progressivement enlevée de la surface fonctionnelle.
Si le composant reste mécaniquement intact tout en perdant progressivement de la matière, la résistance à l’usure peut constituer la principale limite de sa durée de vie.
Dans ces cas, la dureté et la résistance à la perte progressive de matière peuvent recevoir davantage d’importance, à condition de conserver une ténacité suffisante pour les charges réelles.
Impacts combinés à l’abrasion
Lorsque des impacts répétés s’ajoutent à un environnement abrasif, le processus de défaillance peut changer.
Les impacts peuvent amorcer des dommages localisés, de l’écaillage ou des fissures. Le contact abrasif peut ensuite accélérer la perte de matière autour de ces zones endommagées.
Un composant peut donc présenter une défaillance parce que des dommages mécaniques surviennent avant que sa résistance à l’usure puisse être pleinement utilisée, plutôt que parce que sa résistance à l’abrasion est insuffisante.
Cette distinction est importante lors de l’évaluation des composants défaillants.
Si une pièce existante présente une usure progressive et uniforme, un matériau plus résistant à l’usure peut mériter d’être envisagé.
Si elle présente un écaillage ou des ruptures répétés, une simple augmentation de la dureté peut être inefficace, voire contre-productive.
Il n’existe pas de conception universelle du carbure
Les composants d’usure en carbure de tungstène sont utilisés dans des environnements industriels très différents.
Une bague de guidage de précision peut nécessiter une stabilité dimensionnelle et un état de surface maîtrisé.
Un insert d’usure dans un équipement de manutention de matériaux abrasifs peut nécessiter une résistance à la perte progressive de matière.
Un composant de coupe peut nécessiter à la fois une résistance à l’abrasion et une ténacité suffisante pour supporter des charges intermittentes.
Un composant exposé à des particules abrasives et à des impacts répétés peut nécessiter un autre équilibre.
Ces applications ne peuvent pas être optimisées avec une seule nuance de carbure, teneur en cobalt, taille de grains, finition de surface ou règle géométrique.
Le processus de conception doit plutôt commencer par l’identification des conditions de fonctionnement et des mécanismes de défaillance dominants.
Une démarche pratique de conception
Lors du développement ou du remplacement d’un composant d’usure en carbure, la séquence suivante constitue une démarche d’ingénierie utile.
1. Identifier le mécanisme d’usure et le mode de défaillance dominants
Il faut distinguer le mécanisme d’enlèvement de matière des charges appliquées et de la défaillance qui en résulte. Déterminez si la durée de vie est principalement limitée par :
- l’abrasion ;
- l’érosion par particules ;
- l’usure adhésive ;
- les dommages liés aux impacts ;
- l’écaillage ;
- la rupture ;
- les sollicitations thermomécaniques ;
- la perte des dimensions fonctionnelles due à l’usure cumulative ;
- ou une combinaison de mécanismes.
Les éléments ci-dessus ne sont pas tous des mécanismes physiques d’usure : les impacts et les sollicitations thermomécaniques décrivent des conditions de service, tandis que l’écaillage, la rupture et la perte dimensionnelle décrivent des dommages ou des résultats fonctionnels. Dans les applications chimiquement agressives ou de gestion des fluides, la corrosion, la cavitation ou l’érosion-corrosion combinée peuvent également nécessiter une évaluation.
2. Examiner le profil de défaillance existant
Un composant usé ou défaillant peut fournir des renseignements importants.
Déterminez si l’usure est uniforme ou localisée, si des fissures ou des éclats sont présents, où les dommages commencent et si le composant reste mécaniquement intact jusqu’à ce que ses dimensions deviennent inacceptables.
3. Évaluer les sollicitations mécaniques
Considérez la pression de contact, les impacts, les vibrations, la flexion, les charges cycliques et les autres forces agissant sur le carbure.
Accordez une attention particulière aux zones non soutenues et aux transitions géométriques.
4. Choisir l’équilibre entre dureté et ténacité
Utilisez les conditions d’usure et de chargement observées pour déterminer s’il faut privilégier la résistance à l’usure, la ténacité ou un équilibre entre les deux.
La taille des grains de WC et la teneur en liant peuvent ensuite être examinées dans le cadre du choix de la nuance.
5. Examiner la géométrie et le soutien
Examinez les arêtes, les rayons, les transitions, les épaisseurs de paroi, les zones de contact et la manière dont le carbure est soutenu mécaniquement.
L’objectif consiste à réduire les concentrations inutiles de contraintes tout en préservant la fonction requise du composant.
6. Définir les tolérances fonctionnelles
Spécifiez les tolérances selon les exigences réelles d’ajustement, d’alignement, de jeu, de dimensions et de fonctionnement.
Évitez d’appliquer des valeurs génériques de tolérance à des composants ayant des fonctions très différentes.
7. Définir les exigences de surface
Distinguez les surfaces d’usure, de guidage, d’ajustement et les autres zones fonctionnelles.
Spécifiez l’état de surface requis pour chacune, plutôt que d’attribuer une seule exigence de finition à tout le composant.
8. Valider par les performances en service
Pour les applications exigeantes ou peu connues, les performances sur le terrain fournissent des renseignements précieux.
La durée de vie, le profil d’usure, les variations dimensionnelles, l’écaillage, la fissuration et les changements de conditions de fonctionnement doivent être documentés et utilisés pour affiner les choix ultérieurs de nuances ou de composants. Définissez les critères d’acceptation avant les essais et comparez la vitesse d’usure, la qualité de production, le temps de remplacement et la fiabilité dans des conditions raisonnablement comparables. Lorsque cela est possible, modifiez un seul facteur majeur à la fois. Un intervalle de remplacement plus long n’est bénéfique que si les performances fonctionnelles restent acceptables.
Pour les géométries complexes ou fortement sollicitées, une évaluation appropriée des contraintes peut appuyer l’examen de conception. Les valeurs issues d’essais de matériaux, comme la résistance à la rupture transversale, ne constituent pas directement des contraintes admissibles de conception ; l’évaluation doit tenir compte de la géométrie, des défauts, de la variabilité des charges et de la fatigue, selon le cas.
Renseignements utiles pour des composants d’usure sur mesure en carbure
Lors du développement d’un nouveau composant d’usure en carbure de tungstène ou d’un remplacement, les renseignements utiles comprennent :
- le type d’équipement et de composant ;
- la fonction du composant ;
- le matériau traité ;
- les conditions d’usure dominantes ;
- les conditions de fonctionnement et de chargement ;
- le matériau actuel ou la nuance de carbure, si connue ;
- le mode d’usure ou de défaillance observé ;
- les dimensions du composant ou la référence du plan ;
- les tolérances requises ;
- les exigences d’état de surface ;
- la quantité estimée ;
- la durée de vie du composant existant.
Pour les composants de remplacement, un échantillon physique peut également fournir des renseignements précieux pour la rétro-ingénierie.
Un composant usé ne doit toutefois pas être considéré automatiquement comme représentatif de ses dimensions d’origine. Les dimensions fonctionnelles et les zones affectées par l’usure en service doivent être identifiées autant que possible.
Conclusion
La conception de composants d’usure en carbure de tungstène consiste à équilibrer les propriétés du matériau, la géométrie, les exigences dimensionnelles et les conditions réelles de service.
Le choix de la nuance établit l’équilibre entre résistance à l’usure et ténacité. La géométrie détermine la répartition des charges et les zones où des concentrations de contraintes peuvent se développer. Les tolérances et la qualité de surface influencent l’ajustement, l’alignement, les conditions de contact et la précision fonctionnelle.
Il est surtout essentiel de ne pas aborder automatiquement de la même manière une usure abrasive principalement continue et une abrasion combinée à des impacts importants.
Un composant qui s’use progressivement peut nécessiter une résistance accrue à l’usure, tandis qu’un composant qui s’écaille ou se rompt peut nécessiter une ténacité supérieure, un meilleur soutien, une géométrie modifiée ou des changements ailleurs dans le système.
Le composant en carbure le plus fiable n’est donc pas nécessairement le plus dur ni le plus tenace. C’est celui dont la nuance de carbure, la géométrie, les tolérances, l’état de surface et le soutien mécanique correspondent aux conditions dominantes d’usure et de chargement de l’application.