Les composants en carbure de tungstène sont choisis pour des applications exigeantes en raison de leur dureté élevée, de leur résistance à l’usure et de leur capacité à maintenir des dimensions critiques dans des conditions sévères. Toutefois, même des composants en carbure correctement sélectionnés finissent par s’user ou présenter une défaillance.
Comprendre la dégradation d’un composant est important, car les différents modes de défaillance correspondent à des exigences distinctes en matière de matériau, de conception et de fonctionnement.
Dans le laminage, le formage, le tréfilage ou l’étirage, le guidage et d’autres applications industrielles fortement soumises à l’usure, les formes courantes de dégradation comprennent l’abrasion, l’usure adhésive, l’écaillage et la rupture, les dommages thermomécaniques et la perte de dimensions critiques. L’usure dimensionnelle décrit le résultat fonctionnel d’une perte de matière plutôt qu’un mécanisme physique d’usure distinct. Plusieurs processus de dégradation agissent souvent simultanément.
Cet article porte sur les outillages soumis à des contacts intensifs et les composants de précision résistants à l’usure. Dans les applications de gestion des fluides, de boues ou de milieux chimiquement agressifs, l’érosion par particules, la cavitation, la corrosion et leurs interactions peuvent également déterminer la durée de vie et nécessiter une évaluation distincte.
Identifier le mécanisme dominant fournit une base plus solide pour choisir une nuance de carbure de remplacement ou modifier la géométrie du composant que de simplement sélectionner un matériau plus dur.
Abrasion : enlèvement progressif de matière
L’abrasion se produit lorsque des particules dures, des irrégularités de surface, le matériau des pièces travaillées ou des débris d’usure se déplacent contre une surface en carbure et enlèvent progressivement de la matière.
Il s’agit de l’une des formes les plus courantes de dégradation des composants d’usure industriels.
Dans les carbures cémentés à base de WC, les grains durs de carbure de tungstène assurent une grande partie de la résistance du matériau à la pénétration abrasive, tandis que le liant métallique maintient la cohésion de la structure et contribue à la ténacité.
En service abrasif, la surface peut subir une combinaison d’enlèvement du liant, de dommages aux grains de WC, de microfractures, d’arrachement des grains et de perte progressive de matière. L’importance relative de ces processus dépend de la microstructure du carbure et des conditions de fonctionnement.
Facteurs influençant l’usure abrasive
La résistance à l’abrasion dépend de plusieurs facteurs, notamment :
- la dureté du carbure ;
- la taille des grains de WC ;
- la teneur et la composition du liant ;
- l’uniformité microstructurale ;
- la porosité et les autres défauts du matériau ;
- la dureté et la taille des particules abrasives ;
- la pression de contact ;
- les conditions de glissement ou de roulement ;
- la lubrification ;
- la géométrie du composant.
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. À taille de grains comparable, 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. Il s’agit de tendances dans des systèmes de matériaux comparables, et non de règles universelles pour tous les mécanismes d’usure. La résistance mécanique et la ténacité à la rupture sont des propriétés distinctes ; la taille des grains ou le pourcentage de liant ne peuvent, à eux seuls, définir les performances complètes d’une nuance ni son adéquation à l’application.
En pratique, l’abrasion peut se manifester par une perte progressive de matière en surface, des sillons, des pistes d’usure, un agrandissement des diamètres intérieurs ou une perte des dimensions fonctionnelles critiques. Une piste polie ou une variation dimensionnelle ne prouve pas, à elle seule, la présence d’abrasion ; le contact glissant, le transfert de matière, la déformation et d’autres processus peuvent produire des signes similaires.
Le profil d’usure observé doit être évalué avec les conditions de fonctionnement avant de choisir une nuance de remplacement.
Usure adhésive et grippage
L’usure adhésive se produit lorsque l’interaction entre des surfaces en glissement est suffisamment forte pour provoquer un transfert de matière d’une surface à l’autre.
Dans les opérations de formage, de tréfilage ou d’étirage, de découpage à la presse et de guidage, le matériau transféré depuis la pièce travaillée peut s’accumuler sur la surface fonctionnelle et perturber la poursuite du glissement.
Des dommages adhésifs sévères peuvent évoluer vers un grippage, avec arrachement localisé, rugosification et transfert de matière. Une accumulation de matière est un indice utile au diagnostic, mais son origine doit être confirmée, car des dépôts ou des débris compactés peuvent ressembler à un transfert adhésif.
Contrairement à l’abrasion, où des particules dures enlèvent progressivement de la matière, l’usure adhésive implique un transfert localisé de matière à l’interface de contact.
L’état de surface, la pression de contact, le matériau de la pièce travaillée, la lubrification, la température et les conditions de glissement peuvent tous influencer son développement.
L’importance de l’état de surface
L’état de surface est particulièrement important lorsque le matériau de la pièce travaillée glisse continuellement sur une surface en carbure.
Les marques d’usinage, les rayures, les cavités, l’arrachement des grains et les autres irrégularités peuvent créer des zones où la matière commence à s’accumuler.
Une fois le transfert amorcé, l’accumulation qui en résulte peut modifier les conditions de contact, augmenter le frottement, endommager la surface de la pièce travaillée et accélérer la dégradation.
Pour cette raison, les exigences d’état de surface doivent être définies selon l’application, plutôt que d’appliquer une valeur universelle de rugosité à tous les composants en carbure.
Lorsque l’usure adhésive est importante, les mesures possibles comprennent l’amélioration de l’état de surface, l’optimisation de la lubrification, la réévaluation de la nuance de carbure et l’examen d’un traitement de surface ou d’un revêtement adapté, lorsque pertinent.
Écaillage et rupture
Le carbure de tungstène combine une dureté très élevée avec une ductilité nettement inférieure à celle des aciers conventionnels.
Les composants en carbure peuvent donc être sensibles à l’écaillage ou à la rupture lorsque les contraintes locales dépassent la capacité du matériau à résister à l’amorçage et à la propagation des fissures.
L’écaillage commence fréquemment dans des zones fortement sollicitées, comme les arêtes de coupe, les angles, les sections minces, les points de contact ou les zones dont le soutien mécanique est insuffisant.
Lorsqu’un petit éclat se détache, la nouvelle géométrie peut créer une concentration supplémentaire de contraintes et favoriser d’autres dommages.
Facteurs pouvant contribuer à l’écaillage
L’écaillage et la rupture peuvent être influencés par :
- une ténacité insuffisante pour l’application ;
- des impacts sévères ou des charges intermittentes ;
- des concentrations de contraintes ;
- des transitions géométriques abruptes ;
- des sections minces ou non soutenues ;
- un défaut d’alignement ;
- une pression de contact locale excessive ;
- des vibrations ;
- des problèmes de dimensions ou d’ajustement ;
- des défauts microstructuraux ;
- des combinaisons défavorables de nuance et de géométrie ;
- des dommages de surface ou des contraintes résiduelles introduits lors de la rectification, de l’électroérosion (EDM) ou de la maintenance ;
- des charges répétées et la propagation de fissures par fatigue.
La teneur en liant et la taille des grains de WC influencent l’équilibre entre dureté et ténacité, mais ne doivent pas être interprétées comme des règles simples.
Par exemple, une nuance plus dure peut bien résister à l’usure abrasive progressive, mais devenir plus sensible aux dommages sur les arêtes sous des charges mécaniques sévères. Une nuance plus tenace peut mieux résister à l’écaillage, mais subir une usure abrasive plus rapide.
L’équilibre approprié dépend du mécanisme réel de défaillance.
Distinguer l’usure de la défaillance mécanique
Un composant qui perd progressivement de la matière et un composant qui se rompt soudainement ne présentent pas nécessairement le même problème de matériau.
Une usure abrasive progressive peut indiquer qu’une résistance supplémentaire à l’usure serait bénéfique.
Un écaillage répété des arêtes peut indiquer une ténacité insuffisante, des contraintes localisées excessives, un soutien inadéquat ou une géométrie défavorable.
Une rupture importante nécessite un examen plus large des sollicitations mécaniques, de l’alignement, de la géométrie, des conditions de montage, des propriétés du matériau, de l’historique de fabrication et de maintenance et de l’équipement environnant. Les fissures peuvent provenir de dommages de rectification ou d’une surface affectée par l’électroérosion, plutôt que des seules charges en service.
Remplacer simplement un composant rompu par une nuance de carbure plus dure peut parfois aggraver le problème si les sollicitations mécaniques, plutôt que l’usure abrasive, constituent la cause dominante.
Sollicitations thermomécaniques
Certains composants en carbure fonctionnent à des températures élevées ou subissent des cycles répétés de chauffage et de refroidissement.
Le laminage à chaud, le formage à grande vitesse et d’autres procédés thermiquement exigeants peuvent exposer un composant à des gradients de température tout en lui imposant des charges mécaniques.
Un chauffage et un refroidissement non uniformes, ou une dilatation thermique contrainte par l’assemblage environnant, peuvent générer des contraintes thermiques cycliques. La dilatation uniforme d’un composant libre de se dilater n’implique pas, à elle seule, des contraintes thermiques dommageables. Combinées à la pression de contact, au couple, à la flexion, aux vibrations ou à d’autres charges mécaniques, ces contraintes peuvent contribuer à l’amorçage et à la propagation des fissures.
La gravité des dommages thermomécaniques dépend notamment des facteurs suivants :
- la température de fonctionnement ;
- la vitesse de chauffage et de refroidissement ;
- les gradients de température ;
- les conditions de refroidissement ;
- les dimensions du composant ;
- la composition du carbure ;
- les caractéristiques du liant ;
- les sollicitations mécaniques ;
- le soutien du composant.
Plutôt que de s’appuyer sur un seuil unique de température, les effets thermiques doivent être évalués dans l’ensemble de l’environnement de fonctionnement. À température élevée, le comportement du liant, l’oxydation, les interactions chimiques et les propriétés du matériau dépendantes de la température peuvent également affecter la durée de vie. L’aptitude au laminage à chaud ou à un autre procédé à haute température doit être évaluée pour la nuance et l’assemblage spécifiques.
Fissuration thermique et dommages de surface
Les dommages thermiques peuvent se manifester par des fissures superficielles, des réseaux de fissures, une dégradation localisée ou une perte progressive de matière sur la surface fonctionnelle.
La présence de fissures ne permet toutefois pas d’établir automatiquement que la fatigue thermique en est l’unique cause.
Une surcharge mécanique, des impacts, une concentration de contraintes, des dommages de surface et des défauts préexistants peuvent produire ou accélérer une fissuration similaire.
L’analyse des défaillances doit donc tenir compte de l’historique thermique et des sollicitations mécaniques.
Lorsque les cycles thermiques répétés sont importants, la composition du carbure, la géométrie du composant, les conditions de refroidissement et l’ensemble du système d’outillage ou d’équipement doivent être évalués conjointement.
Usure dimensionnelle : un composant intact qui ne respecte plus les tolérances
Pour de nombreux composants de précision en carbure, une défaillance ne signifie pas une rupture.
Un composant peut rester mécaniquement intact tandis qu’une usure progressive modifie suffisamment une dimension critique pour le rendre impropre à la poursuite du service.
Cela est particulièrement important pour :
- les filières de tréfilage ou d’étirage ;
- les bagues de guidage ;
- les manchons ;
- les inserts de précision ;
- les composants de formage ;
- les cylindres de laminage ;
- les autres pièces d’usure dont les dimensions sont critiques.
Une filière peut, par exemple, subir une modification progressive de son profil fonctionnel qui affecte les dimensions ou l’état de surface du matériau traité.
De même, l’usure d’une bague de guidage peut augmenter le jeu fonctionnel et réduire la précision de positionnement.
L’ampleur acceptable de la variation dimensionnelle dépend de l’équipement, de la fonction du composant, des pièces en contact et des tolérances requises du produit. Il n’existe pas de limite universelle d’usure applicable à tous les composants en carbure.
Les mécanismes d’usure interagissent souvent
Les composants industriels en carbure fonctionnent rarement sous un mécanisme d’usure parfaitement isolé.
L’abrasion peut rendre une surface rugueuse et favoriser un transfert ultérieur de matière. L’écaillage peut exposer une nouvelle surface qui s’use rapidement. Les cycles thermiques peuvent favoriser des fissures qui se propagent ensuite sous les charges mécaniques.
La perte dimensionnelle peut donc être le résultat final de plusieurs mécanismes qui interagissent.
Pour cette raison, examiner uniquement l’aspect final d’un composant défaillant peut parfois être trompeur.
Une évaluation plus utile tient compte des éléments suivants :
- l’endroit où l’usure a commencé ;
- sa progression ;
- son caractère uniforme ou localisé ;
- l’apparition de l’écaillage avant ou après la perte dimensionnelle ;
- la présence de fissures ;
- les changements de conditions de fonctionnement ;
- les changements d’alignement ou de soutien ;
- les changements de pièce travaillée ou de matériau traité.
Utiliser les profils d’usure pour orienter le choix du carbure
Le composant usé lui-même peut fournir des renseignements précieux pour l’ingénierie du remplacement.
Usure progressive uniforme
Si le composant reste mécaniquement intact, mais perd progressivement de la matière, il peut être approprié d’accorder davantage d’importance à la résistance à l’usure.
L’environnement abrasif, les conditions de contact, la lubrification, la géométrie et la ténacité requise doivent toutefois être examinés avant de modifier la nuance.
Écaillage localisé
Un écaillage localisé des arêtes ou des surfaces suggère que les sollicitations mécaniques méritent un examen plus approfondi.
Une augmentation de la dureté ne suffit pas nécessairement à résoudre le problème. La ténacité du carbure, la géométrie, les conditions de soutien, l’alignement et les contraintes de contact doivent également être examinés.
Fissuration ou rupture
La fissuration nécessite une investigation plus large.
Les facteurs possibles comprennent les impacts, les charges cycliques, les effets thermiques, la concentration de contraintes, le soutien insuffisant, le défaut d’alignement, un équilibre inadapté des propriétés du matériau ou une combinaison de ces facteurs.
Accumulation de matière par adhésion
Le transfert de matériau depuis la pièce travaillée ou le grippage indique que l’interface de contact doit être examinée.
L’état de surface, la lubrification, le matériau de la pièce travaillée, les conditions de fonctionnement, l’état de la surface du carbure et les traitements de surface adaptés peuvent tous être pertinents.
Dérive dimensionnelle
Lorsque le composant reste intact, mais que ses dimensions critiques sortent progressivement de la spécification, le problème peut être une usure cumulative plutôt qu’une défaillance structurale. Avant d’attribuer toute dérive dimensionnelle à un enlèvement de matière, les mesures doivent également tenir compte de la température, de la déformation élastique, de la déformation permanente, de l’accumulation de matière, du jeu dans l’assemblage et des conditions de contrôle.
Dans ces cas, les résultats de contrôle et l’historique de service sont particulièrement utiles pour déterminer les intervalles de remplacement et évaluer d’autres nuances de carbure.
Considérations pratiques pour prolonger la durée de vie
Adapter le carbure au mode de défaillance
Le choix de la nuance doit commencer par le mécanisme d’usure ou de défaillance observé.
Lorsque l’abrasion domine, la résistance à l’usure peut nécessiter davantage d’attention. Lorsque l’écaillage ou la rupture domine, la ténacité et le soutien mécanique deviennent plus importants.
Lorsque l’usure adhésive est importante, l’état de surface, la lubrification et le comportement de l’interface peuvent être aussi importants que la nuance du carbure constituant le composant.
Maîtriser la qualité de surface
Les défauts de surface peuvent influencer l’usure et l’amorçage des fissures.
Les exigences d’état de surface doivent donc correspondre à la fonction du composant, au matériau traité, aux conditions de contact et aux exigences dimensionnelles.
Une rectification de précision maîtrisée, le polissage et des procédés de finition adaptés peuvent aider à obtenir l’état de surface requis. La rugosité seule ne suffit pas à établir l’intégrité de la surface ; les dommages aux arêtes, les microfissures et toute couche affectée doivent également être examinés lorsque pertinent.
Envisager les revêtements lorsque adaptés
Les revêtements de surface peuvent être utiles dans certaines applications pour modifier le frottement, réduire l’interaction directe avec la pièce travaillée ou améliorer la résistance à des conditions particulières d’usure.
Leurs performances dépendent toutefois de l’état du substrat, du type de revêtement, de l’adhérence, de la température de fonctionnement, des contraintes de contact et du mécanisme d’usure.
Un revêtement doit donc être considéré comme un élément du système complet du composant, plutôt que comme une solution universelle à l’usure. Il ne peut pas compenser un soutien inadéquat, un substrat fissuré ou une nuance de carbure inadaptée. L’épaisseur et les conditions de dépôt doivent rester compatibles avec les dimensions critiques et l’application, et les performances doivent être validées dans des conditions de service représentatives.
Surveiller les dimensions critiques et les profils d’usure
Des contrôles réguliers peuvent détecter une usure progressive avant qu’elle entraîne une qualité de produit ou des performances d’équipement inacceptables.
Selon le composant et l’application, les contrôles peuvent comprendre des mesures dimensionnelles, un examen visuel, un contrôle de surface et d’autres méthodes appropriées.
Documenter les profils d’usure et la durée de vie peut fournir des renseignements particulièrement utiles pour optimiser les nuances et les composants futurs. Une fissuration structurale présumée justifie un retrait du service en attendant une évaluation par du personnel qualifié. Les limites de remplacement ou de remise en état doivent respecter les exigences du composant et les consignes de maintenance applicables à l’équipement.
Il faut valider les modifications de matériau ou de conception dans des conditions de fonctionnement raisonnablement comparables, en consignant la vitesse d’usure, la qualité des produits, la fréquence d’écaillage ou de rupture et les intervalles de remplacement. Un intervalle plus long n’est bénéfique que si des performances et une fiabilité acceptables sont maintenues.
Renseignements à fournir pour un composant de remplacement en carbure
Lorsqu’un composant d’usure en carbure existant doit être remplacé, les renseignements utiles à l’ingénierie comprennent :
- le type d’équipement et de composant ;
- la fonction du composant ;
- le matériau traité ou celui de la pièce travaillée ;
- les conditions de fonctionnement ;
- la nuance de carbure ou le matériau actuel, si connu ;
- le mode d’usure ou de défaillance observé ;
- la localisation de l’usure, de l’écaillage ou de la fissuration ;
- les dimensions ou la référence du plan ;
- les tolérances requises ;
- les exigences d’état de surface ;
- la quantité estimée ;
- la durée de vie du composant existant.
Lorsque les plans sont incomplets ou indisponibles, un échantillon physique peut également servir à la rétro-ingénierie.
Un échantillon usé ne doit toutefois pas être considéré automatiquement comme représentatif des dimensions d’origine. Les dimensions fonctionnelles critiques et les marges d’usure admissibles doivent être évaluées autant que possible.
Conclusion
Les composants d’usure en carbure de tungstène peuvent se dégrader selon plusieurs mécanismes distincts, mais qui interagissent.
L’abrasion produit une perte progressive de matière. L’usure adhésive peut provoquer un transfert de matière et un grippage pendant le contact glissant. L’écaillage et la rupture se produisent lorsque les contraintes mécaniques dépassent la capacité du carbure à résister à l’amorçage et à la propagation des fissures. Les sollicitations thermomécaniques peuvent contribuer à la fissuration sous des cycles répétés de température et de contraintes. La perte dimensionnelle qui résulte de ces processus peut finalement rendre un composant autrement intact impropre à la poursuite du service.
La réponse la plus efficace dépend de l’identification du mécanisme qui détermine réellement la durée de vie du composant.
La nuance de carbure, la taille des grains de WC, la teneur en liant, la géométrie du composant, l’état de surface, l’environnement de fonctionnement, les sollicitations mécaniques et les exigences dimensionnelles doivent donc être examinés ensemble.
Comprendre pourquoi le composant existant s’use ou présente une défaillance fournit une base plus solide pour choisir une nuance de carbure et une conception de remplacement adaptées, et pour obtenir des performances en service plus constantes.