Systèmes de liant dans le carbure de tungstène cémenté : cobalt, nickel et performances du matériau

Le liant métallique n’est pas simplement le « ciment » qui maintient les grains de WC ensemble. Il fait partie intégrante de la microstructure et influence la ténacité, le comportement à la fissuration, le frittage, la réponse à la corrosion et les performances globales du matériau.

Introduction

Le carbure de tungstène cémenté est un matériau composite.

Ses performances exceptionnelles en matière d’usure proviennent principalement des grains durs de carbure de tungstène (WC), mais le comportement du matériau fini ne peut pas être compris à partir de la seule phase WC.

Le liant métallique qui entoure et relie les grains de WC joue un rôle important dans :

• la cohésion microstructurale ;
• la ténacité ;
• le comportement à la fissuration ;
• le transfert des charges ;
• la densification pendant le frittage ;
• le comportement des interfaces WC–liant ;
• la réponse à la corrosion ; et
• les performances sous l’effet combiné des sollicitations mécaniques et environnementales.

Le cobalt est le système de liant le plus largement établi dans le carbure de tungstène cémenté, mais des systèmes à base de nickel et d’autres liants spécialement formulés peuvent être appropriés pour certaines applications.

Le choix du système de liant ne se résume donc pas à une simple décision entre le cobalt et le nickel. Il doit être évalué conjointement avec :

• les caractéristiques des grains de WC ;
• la teneur en liant ;
• les additifs et la formulation ;
• les conditions de fabrication ;
• la dureté et la ténacité requises ;
• les mécanismes d’usure ;
• l’environnement chimique ;
• la température ; et
• la conception du composant.

Cet article explique comment les systèmes de liant métallique influencent le carbure de tungstène cémenté et pourquoi la sélection du liant doit être considérée comme une composante de l’ingénierie microstructurale globale.

1. Rôle du liant métallique

Le liant métallique remplit plusieurs fonctions interdépendantes dans le carbure de tungstène cémenté.

1.1 Cohésion microstructurale

Le liant contribue à relier les grains de WC afin de former une structure composite dense.

Pendant le frittage en phase liquide, le liant participe :

• au mouillage de la phase carbure ;
• à la redistribution de la matière ;
• à la densification ;
• à la réduction de la porosité ; et
• au développement de la microstructure finale WC–liant.

L’efficacité de ce processus dépend de la formulation complète et des conditions de fabrication, et non uniquement de la chimie du liant.

1.2 Ténacité et comportement à la fissuration

Le WC est extrêmement dur, mais sa capacité à accommoder la déformation est limitée. Le liant métallique apporte une phase plus ductile au sein du composite.

Selon la microstructure complète, il peut contribuer :

• à la déformation plastique localisée ;
• à l’absorption d’énergie ;
• à la déviation des fissures ;
• au pontage des fissures ; et
• à la résistance à la propagation rapide des fissures.

Ces mécanismes sont influencés non seulement par la teneur en liant, mais également par :

• les caractéristiques des grains de WC ;
• la distribution du liant ;
• le libre parcours moyen du liant ;
• la porosité et les autres défauts ;
• la qualité des interfaces ; et
• l’état de contrainte du composant.

1.3 Transfert des charges

Le liant participe au transfert des charges entre les grains de WC. Cela permet au composite de fonctionner comme un matériau intégré plutôt que comme un ensemble de particules dures isolées.

Cependant, le comportement sous charge dépend de la microstructure complète, de la géométrie du composant, des conditions de support et de l’état des contraintes appliquées. Le liant ne doit donc pas être considéré comme assurant à lui seul la distribution de toutes les contraintes mécaniques.

1.4 Stabilité des phases et de la microstructure

La chimie du liant influence les conditions thermodynamiques et cinétiques pendant la fabrication du carbure. Elle peut agir sur :

• la solubilité du carbone et du tungstène dans le liant ;
• le comportement de croissance des grains ;
• la formation ou la suppression de phases secondaires ;
• la chimie des interfaces ; et
• la stabilité microstructurale finale.

La sélection du liant constitue donc également une considération métallurgique et de fabrication.

1.5 Réponse à l’environnement

Dans certains environnements, le liant métallique peut être chimiquement plus actif que la phase WC. Une attaque chimique du liant peut affaiblir le support autour des grains de WC et contribuer à une perte progressive de matière.

Cependant, le comportement à la corrosion est une propriété du système complet matériau–environnement. Il dépend notamment :

• de la chimie du liant ;
• de la microstructure de WC ;
• des additifs ;
• de la chimie du fluide ;
• de la température ;
• du pH ;
• des conditions électrochimiques ;
• des espèces dissoutes ;
• des conditions d’écoulement ; et
• de l’usure mécanique.

La résistance à la corrosion ne doit donc pas être réduite à la seule chimie du liant.

2. Teneur en liant et équilibre dureté–ténacité

La teneur en liant constitue une variable importante dans la conception du carbure cémenté.

En général, la modification de la quantité relative de liant métallique modifie l’équilibre entre :

• la dureté ;
• la ténacité ;
• la résistance à la rupture ; et
• le comportement à l’usure.

Une fraction plus faible de liant augmente généralement la proportion relative de la phase dure de WC. Cela peut favoriser une dureté plus élevée et une forte résistance à certaines formes d’usure abrasive.

Une fraction plus élevée de liant augmente généralement la quantité de phase métallique ductile susceptible de participer à la déformation et aux mécanismes associés aux fissures. Dans des conditions microstructurales et de chargement appropriées, cela peut favoriser une ténacité plus élevée.

Toutefois, ces tendances ne doivent pas être interprétées comme des règles universelles. Le comportement final dépend également :

• de la taille et de la distribution des grains de WC ;
• de la chimie du liant ;
• du libre parcours moyen du liant ;
• des additifs ;
• de la densité ;
• de la porosité ;
• de la qualité du frittage ; et
• des conditions de service.

Il n’existe donc pas de pourcentage de liant universellement optimal.

3. La teneur en liant et les caractéristiques des grains de WC doivent être considérées ensemble

La teneur en liant ne peut pas être évaluée indépendamment de la microstructure de WC.

Pour une même teneur nominale en liant, des variations des caractéristiques des grains de WC peuvent modifier :

• l’espacement entre les grains de WC ;
• la continuité et la distribution de la phase liante ;
• le libre parcours moyen effectif du liant ;
• le confinement local de la phase métallique ;
• la dureté ;
• la ténacité ; et
• le comportement à la fissuration.

De même, deux nuances présentant une taille moyenne de grains de WC similaire peuvent se comporter différemment si leur teneur en liant ou leur distribution de liant diffère.

La teneur en liant et les caractéristiques des grains de WC sont des variables microstructurales interdépendantes. Aucune ne doit être sélectionnée isolément.

4. Libre parcours moyen du liant

Une notion microstructurale utile est la distance effective parcourue dans la phase liante entre les grains de WC, souvent décrite comme le libre parcours moyen du liant.

Ce paramètre est influencé par :

• les caractéristiques des grains de WC ; et
• la teneur et la distribution du liant.

Les variations de l’espacement du liant peuvent influencer :

• la déformation localisée de la phase métallique ;
• la déviation des fissures ;
• le pontage des fissures ;
• la dureté ; et
• le comportement à la rupture.

Toutefois, le libre parcours moyen du liant ne doit pas être considéré comme un indicateur unique des performances du carbure. Il constitue un élément du système microstructural global.

5. Systèmes de liant à base de cobalt

Le cobalt est le liant le plus largement établi pour le carbure de tungstène cémenté.

Son utilisation étendue repose sur plusieurs caractéristiques avantageuses dans les matériaux WC–Co correctement conçus, notamment :

• une interaction efficace avec le WC pendant le frittage en phase liquide ;
• des procédés de fabrication bien établis ;
• une bonne cohésion microstructurale ;
• une ténacité utile ; et
• une large gamme d’équilibres dureté–ténacité disponibles.

Les nuances WC–Co peuvent donc être conçues pour de nombreuses applications industrielles, notamment :

• les composants soumis à l’usure abrasive ;
• les composants pour l’exploitation minière et le traitement des minerais ;
• les pièces d’usure pour le pétrole et le gaz ;
• les applications de formage et d’outillage ; et
• les composants industriels destinés à des conditions de service sévères.

Cependant, il n’existe pas un seul « niveau de performance WC–Co ». Les différentes nuances WC–Co peuvent varier considérablement en matière de :

• caractéristiques des grains de WC ;
• teneur en cobalt ;
• additifs ;
• dureté ;
• ténacité ;
• comportement à la corrosion ; et
• procédé de fabrication.

6. Limites des systèmes à base de cobalt

Les liants à base de cobalt sont largement utilisés, mais ils ne conviennent pas nécessairement à tous les environnements.

Leurs limites potentielles peuvent comprendre :

• une sensibilité à certaines attaques chimiques ;
• une dissolution préférentielle du liant dans certaines conditions électrochimiques ;
• une évolution du comportement à l’oxydation à température élevée ; et
• des considérations environnementales, sanitaires ou réglementaires propres à certaines applications.

L’importance de ces limites dépend fortement des conditions réelles de service. Un carbure à liant cobalt offrant de bonnes performances dans un fluide ou une plage de température peut se comporter différemment dans un autre environnement.

La présence d’un milieu acide, salin, oxydant ou à température élevée doit donc conduire à une évaluation du matériau adaptée à l’application, et non à l’exclusion automatique du cobalt.

7. Systèmes de liant à base de nickel

Les liants à base de nickel sont utilisés dans certaines nuances de carbure cémenté lorsqu’un équilibre différent entre comportement chimique et mécanique est nécessaire.

Selon la formulation et l’environnement de service, les systèmes à base de nickel peuvent présenter des avantages dans certaines conditions chimiquement agressives.

Parmi les raisons pouvant justifier l’étude d’un liant à base de nickel figurent :

• une meilleure résistance à certains milieux corrosifs ;
• une sensibilité réduite à certaines formes d’attaque préférentielle du liant ;
• un comportement différent à l’oxydation ;
• des exigences particulières en matière de propriétés magnétiques ; ou
• la compatibilité avec la conception d’une nuance spécialisée.

Le nickel n’est pas universellement plus résistant à la corrosion que le cobalt dans toutes les conditions.

Les performances en matière de corrosion dépendent :

• de la chimie de l’alliage ;
• de la composition du fluide ;
• du pH ;
• des conditions oxydantes ou réductrices ;
• des chlorures et des autres espèces dissoutes ;
• de la température ;
• de l’écoulement ;
• de l’usure ; et
• des interactions électrochimiques.

Une nuance à base de nickel doit donc être sélectionnée en fonction de l’environnement réel plutôt que sur la base d’une désignation générale « résistante à la corrosion ».

8. Comportement mécanique des nuances à base de nickel

Le passage du cobalt au nickel ne modifie pas uniquement le comportement à la corrosion. Il peut également modifier :

• la réponse au frittage ;
• l’interaction WC–liant ;
• le comportement de croissance des grains ;
• la résistance du liant ;
• la ténacité ;
• la dureté ; et
• la conception microstructurale globale.

Le WC–Ni ne doit donc pas être considéré comme un substitut direct au WC–Co à teneur nominale en liant identique.

Une nuance à base de nickel correctement conçue peut offrir d’excellentes performances, mais ses propriétés doivent être évaluées comme celles d’un système matériau distinct.

9. Systèmes de liant à base de nickel allié

Les liants à base de nickel peuvent être alliés à d’autres éléments afin d’ajuster :

• le comportement à la corrosion ;
• la résistance à l’oxydation ;
• les propriétés mécaniques ;
• la réponse au frittage ; et
• la stabilité microstructurale.

Les systèmes de liant à base de nickel contenant du chrome en constituent un exemple. D’autres approches d’alliage peuvent également être utilisées selon le fabricant, la conception de la nuance et l’application prévue.

La composition chimique précise ne doit pas être prescrite à partir d’une règle générique sans validation dans l’environnement de service.

Pour la sélection d’un matériau OEM, une question plus utile est souvent :

Quelle chimie de liant et quelle nuance de carbure ont été validées pour cette combinaison d’usure, de chimie, de température et de sollicitations mécaniques ?

10. Cobalt–nickel et autres systèmes de liant techniques

Certains carbures cémentés utilisent des systèmes de liant mixtes ou alliés plutôt que des systèmes principalement à base de cobalt ou de nickel.

Ils peuvent être développés afin d’équilibrer des propriétés telles que :

• la ténacité ;
• la résistance à la corrosion ;
• le comportement à l’oxydation ;
• la réponse magnétique ;
• le comportement au frittage ; et
• les performances à l’usure.

Il existe également des systèmes contenant du fer ou d’autres liants spécialisés. Leur aptitude dépend de la conception complète de la nuance.

Ils ne doivent pas être automatiquement considérés comme inférieurs, supérieurs ou économiques uniquement en fonction de l’élément principal du liant.

11. Carbures sans liant conventionnel ou à très faible teneur en liant

Certains matériaux en carbure spécialisés contiennent très peu de liant métallique conventionnel, tandis que d’autres sont conçus sans phase liante conventionnelle riche en cobalt ou en nickel.

Selon leur composition et leur procédé de fabrication, ces matériaux peuvent offrir :

• une dureté très élevée ;
• une forte résistance à l’usure dimensionnelle ;
• un comportement différent à température élevée ; ou
• une meilleure résistance à certaines formes d’attaque chimique.

Cependant, la réduction ou l’élimination du liant métallique conventionnel modifie également :

• la ténacité ;
• le comportement à la rupture ;
• l’aptitude à la fabrication ;
• la densification et le comportement au frittage ; et
• la sensibilité aux sollicitations mécaniques.

Ces matériaux constituent donc des solutions spécialisées plutôt que des nuances de carbure universellement supérieures.

12. Attaque préférentielle du liant

Dans certains environnements chimiques, le liant métallique peut être attaqué plus rapidement que la phase WC. Ce phénomène est souvent décrit comme une attaque préférentielle du liant.

À mesure que le liant se dégrade, la structure locale de WC peut perdre son support. Le processus peut comprendre :

1. une attaque chimique ou électrochimique du liant ;
2. un affaiblissement du support local WC–liant ;
3. une exposition accrue des interfaces des grains de WC ;
4. le déchaussement ou le détachement des grains de WC ; et
5. une accélération de la perte mécanique de matière.

Ce phénomène est particulièrement important lorsque la corrosion interagit avec :

• l’abrasion ;
• l’érosion par particules ;
• les écoulements de boues abrasives ; ou
• les sollicitations mécaniques répétées.

13. Effets électrochimiques

Le carbure de tungstène cémenté est un matériau multiphasé. Des interactions électrochimiques peuvent donc se développer entre le liant métallique et la structure contenant du WC lorsque le matériau est exposé à un électrolyte.

Le comportement qui en résulte dépend :

• de la chimie du liant ;
• de la composition du carbure ;
• de la chimie du fluide ;
• du potentiel électrique ou électrochimique ;
• de la teneur en oxygène ;
• des sels dissous ;
• de la température ; et
• de l’état de surface.

Dans certaines conditions, le liant peut se dissoudre préférentiellement. Dans d’autres, différentes réactions ou couches de surface peuvent modifier le processus de corrosion.

Le comportement électrochimique doit donc être évalué dans le milieu réel de service.

14. Milieux acides et chimiquement agressifs

Les fluides acides ou chimiquement agressifs peuvent accroître le risque de dégradation du liant dans certains systèmes de carbure cémenté.

Cependant, une désignation générale telle que « service acide » ne suffit pas pour sélectionner un liant. Les performances réelles peuvent dépendre :

• de l’espèce acide ;
• de sa concentration ;
• du pH ;
• de la température ;
• du potentiel oxydant ;
• des solides dissous ;
• des chlorures ;
• de la vitesse d’écoulement ;
• de la durée d’exposition ; et
• de l’usure mécanique simultanée.

Différentes formulations à base de cobalt ou de nickel peuvent se comporter différemment dans ces conditions. Pour les applications critiques en milieu chimique, les essais ou un historique de service validé sont particulièrement utiles.

15. Température élevée et oxydation

À température élevée, le comportement du carbure cémenté peut évoluer parce que la phase WC et le liant métallique peuvent tous deux participer à l’oxydation ou à d’autres réactions dépendantes de la température.

L’importance de ces phénomènes dépend :

• de la température ;
• de la durée d’exposition ;
• de l’atmosphère ;
• de la disponibilité en oxygène ;
• des cycles thermiques ;
• de la chimie du liant ;
• de la structure des grains de WC ;
• des revêtements ou traitements de surface ; et
• des sollicitations mécaniques.

Il n’existe pas de température universelle au-delà de laquelle tous les carbures à liant cobalt deviennent inadaptés ou les carbures à base de nickel automatiquement préférables.

Les performances à température élevée doivent être évaluées comme un problème global associant le matériau et les conditions de service.

16. Interaction entre érosion et corrosion

L’érosion et la corrosion peuvent interagir de manière à accélérer la dégradation du matériau. Par exemple :

• l’impact des particules peut enlever ou perturber une couche de surface ;
• de nouvelles surfaces du liant et du carbure peuvent être exposées ;
• l’attaque chimique peut affaiblir la phase liante ;
• l’affaiblissement du support des grains peut accroître le détachement du WC ; et
• la poursuite de l’érosion peut exposer davantage de matière fraîche.

La perte totale de matière peut donc différer de celle attendue lorsque l’érosion et la corrosion sont considérées séparément.

Cette interaction est particulièrement pertinente dans :

• les boues abrasives ;
• les systèmes de traitement des minerais ;
• les flux de procédés chimiques contenant des solides ;
• les équipements de régulation des fluides ; et
• d’autres applications fluidiques en service sévère.

17. Sélection du liant dans les conditions d’érosion–corrosion

Il n’existe pas de système de liant universel pour toutes les applications associant érosion et corrosion.

Le choix approprié dépend de l’équilibre entre :

• la résistance à l’érosion par particules ;
• la résistance à l’usure abrasive ;
• la résistance du liant à la corrosion ;
• la ténacité ;
• les charges d’impact ;
• la température ;
• la chimie du fluide ; et
• la géométrie du composant.

Un liant à base de nickel ou un liant allié peut être avantageux dans certains environnements. Une nuance à base de cobalt peut rester appropriée dans d’autres.

La décision correcte nécessite l’évaluation du système complet d’usure et de corrosion.

18. Système de liant et usure abrasive

Lorsque l’usure abrasive domine, une dureté élevée est souvent importante. Cela peut conduire à envisager des nuances présentant :

• une proportion relativement élevée de WC ;
• des caractéristiques de grains de WC appropriées ; et
• une teneur en liant compatible avec la fiabilité mécanique requise.

Cependant, la teneur en liant la plus faible possible n’est pas automatiquement la meilleure solution.

Si le composant subit également :

• des impacts ;
• de la flexion ;
• des vibrations ;
• des charges sur les arêtes ;
• des contraintes d’assemblage ; ou
• des cycles thermiques,

une ténacité supplémentaire peut être nécessaire. La teneur en liant doit donc être adaptée à l’ensemble des conditions de chargement et d’usure.

19. Système de liant et charges d’impact

Lorsque les impacts ou les chocs mécaniques sont importants, une nuance plus tenace peut être nécessaire. Cela peut impliquer un ajustement :

• de la teneur en liant ;
• des caractéristiques des grains de WC ;
• de la chimie du liant ; et
• de la microstructure globale.

Cependant, une simple augmentation de la teneur en liant ne garantit pas une résistance adéquate aux impacts.

Les performances du composant dépendent également fortement :

• de la géométrie ;
• de l’épaisseur des sections ;
• des conditions de support ;
• des concentrations de contraintes ;
• de l’état de surface ;
• de l’assemblage ; et
• de la répartition des charges.

Le système de liant et la conception du composant doivent donc être considérés conjointement.

20. Système de liant et interaction entre corrosion et usure

Lorsque la corrosion et l’usure mécanique se produisent simultanément, le liant doit être évalué par rapport à l’environnement chimique réel, tandis que la nuance complète de carbure doit conserver des performances mécaniques et tribologiques suffisantes.

Les facteurs pertinents comprennent :

• la chimie du fluide ;
• le pH ;
• les chlorures ou les autres espèces dissoutes ;
• la température ;
• les particules abrasives ;
• les conditions d’écoulement ;
• la pression ;
• les impacts ; et
• la durée de service.

Cette approche est plus fiable que de sélectionner automatiquement un liant à base de nickel dès qu’une corrosion est présente.

21. Chimie du liant et traitements de surface

Les revêtements ou autres traitements de surface peuvent être utiles dans certaines applications, mais ils ne doivent pas être considérés comme une solution universelle à l’attaque du liant.

Leurs performances dépendent :

• de la chimie du revêtement ;
• de son intégrité ;
• de son adhérence ;
• de la nuance du substrat ;
• de la température de fonctionnement ;
• des impacts ;
• du mécanisme d’usure ;
• de la géométrie du composant ; et
• du maintien de l’intégrité du revêtement en service.

Si le revêtement est éliminé ou endommagé par l’abrasion, l’érosion, les impacts ou la fissuration, le comportement du carbure sous-jacent dans l’environnement de service redevient déterminant.

Le traitement de surface doit donc compléter, et non remplacer, une sélection appropriée du matériau de base.

22. Distribution du liant et constance de fabrication

La sélection de la chimie et de la teneur appropriées du liant ne représente qu’une partie du défi. Le liant doit également être réparti de manière uniforme dans la microstructure.

Les variables de fabrication susceptibles d’influencer sa distribution comprennent :

• la préparation des poudres ;
• la constance des matières premières ;
• la formulation ;
• le broyage ;
• le mélange ;
• le pressage ;
• le contrôle du carbone ;
• le frittage ; et
• le refroidissement.

Une mauvaise distribution locale peut créer des zones présentant des différences de :

• dureté ;
• ténacité ;
• réponse à la corrosion ;
• comportement à l’usure ; et
• résistance à la fissuration.

Pour les applications en service sévère, la constance de fabrication est donc aussi importante que la composition nominale du liant.

23. Chimie du liant et équilibre en carbone

L’équilibre en carbone constitue un élément important de la métallurgie du carbure cémenté.

La relation entre :

• le WC ;
• le liant ;
• le carbone ;
• le tungstène ; et
• les éventuels éléments d’alliage

influence les phases qui se développent pendant le frittage.

Un équilibre en carbone inapproprié peut contribuer à la formation de phases indésirables ou à d’autres modifications de la microstructure. La fenêtre de procédé acceptable dépend de la formulation spécifique de la nuance.

Le contrôle du carbone relève donc principalement de l’ingénierie des matériaux et de la fabrication plutôt que d’un simple paramètre à inscrire sur un plan OEM.

24. Que devrait spécifier un OEM ?

Pour la plupart des composants OEM, il n’est pas nécessaire que le plan prescrive la formulation complète du liant.

Des exigences plus utiles peuvent comprendre :

• une nuance de carbure approuvée ou une désignation de matériau convenue ;
• les conditions d’application ;
• le comportement à l’usure requis ;
• l’environnement corrosif ;
• la plage de température ;
• les sollicitations mécaniques ;
• la dureté ou d’autres propriétés convenues du matériau ;
• les exigences dimensionnelles ; et
• les normes applicables de matériau ou d’inspection.

Lorsque l’environnement chimique est critique, la spécification peut également définir :

• la composition pertinente du fluide ;
• les espèces corrosives ;
• la plage de pH lorsqu’elle est pertinente ;
• la température ; et
• la durée ou le type d’exposition en service.

Une chimie de liant spécifique devrait être prescrite lorsqu’une justification technique validée l’exige.

Dans le cas contraire, permettre au fabricant de carbure de sélectionner et de valider la nuance complète peut offrir davantage de flexibilité pour atteindre les performances requises.

25. Cadre pratique de sélection du liant

Étape 1 — Identifier les mécanismes de défaillance dominants

Déterminer si les performances sont principalement limitées par :

• l’abrasion ;
• l’érosion ;
• la rupture ;
• l’impact ;
• la corrosion ;
• l’interaction entre corrosion et usure ;
• la dégradation thermomécanique ; ou
• une combinaison de mécanismes.

Étape 2 — Définir l’environnement chimique

Identifier :

• la composition du fluide ;
• le pH lorsqu’il est pertinent ;
• les sels dissous ou les espèces corrosives ;
• les conditions oxydantes ou réductrices ;
• les solides entraînés ; et
• la durée d’exposition.

Étape 3 — Définir les sollicitations mécaniques

Évaluer :

• la compression ;
• les impacts ;
• la flexion ;
• les vibrations ;
• les charges cycliques ;
• les contraintes de contact ; et
• les charges d’assemblage.

Étape 4 — Définir les conditions de température

Prendre en compte :

• la température normale de fonctionnement ;
• les températures transitoires ;
• les cycles thermiques ;
• les gradients thermiques ; et
• les matériaux environnants.

Étape 5 — Définir l’équilibre de propriétés requis

Déterminer l’équilibre nécessaire entre :

• la dureté ;
• la ténacité ;
• la résistance à l’abrasion ;
• la résistance à l’érosion ;
• la résistance à la corrosion ;
• la stabilité thermique ; et
• la résistance à l’usure dimensionnelle.

Étape 6 — Évaluer conjointement le liant et la microstructure de WC

Examiner :

• la chimie du liant ;
• la teneur en liant ;
• les caractéristiques des grains de WC ;
• les additifs et la formulation ;
• la distribution du liant ;
• la porosité ; et
• la constance de fabrication.

Étape 7 — Valider la nuance candidate

Pour les applications exigeantes, la validation peut comprendre :

• le contrôle du matériau ;
• des essais de corrosion ou d’usure en laboratoire ;
• des essais mécaniques représentatifs ;
• l’évaluation de prototypes ;
• des essais sur le terrain ; ou
• une comparaison avec un historique de service établi.

26. Le principe d’ingénierie

Le liant n’est pas simplement une « colle » métallique. Il constitue un élément structurel, métallurgique et chimique du composite en carbure de tungstène cémenté.

Son effet ne peut être dissocié :

• des caractéristiques des grains de WC ;
• de la teneur en liant ;
• des additifs et de la formulation ;
• de la maîtrise de la fabrication ;
• de la géométrie du composant ;
• des sollicitations mécaniques ;
• de la température ; et
• de la chimie du milieu de service.

De manière générale :

• les liants à base de cobalt constituent une plateforme largement éprouvée pour de nombreuses applications de carbure cémenté ;
• les liants à base de nickel et les systèmes alliés peuvent présenter des avantages dans certains environnements chimiquement exigeants ;
• l’augmentation de la teneur en liant peut modifier l’équilibre dureté–ténacité, mais ne détermine pas à elle seule les performances ;
• le comportement à la corrosion doit être évalué par rapport au milieu de service réel ; et
• un changement de liant ne doit pas servir à compenser un problème indépendant de géométrie, d’assemblage ou de chargement.

La bonne question n’est pas simplement :

« Ce carbure doit-il utiliser du cobalt ou du nickel ? »

La bonne question est :

« Quelle microstructure WC–liant fournit les performances mécaniques, tribologiques, chimiques et de fabrication requises pour ce composant particulier ? »

Conclusion

Le liant métallique est l’un des éléments déterminants du carbure de tungstène cémenté.

Il contribue :

• à la cohésion microstructurale ;
• à la ténacité ;
• au comportement à la fissuration ;
• au frittage ;
• au transfert des charges ;
• à la réponse à la corrosion ; et
• à la fiabilité globale en service.

Le cobalt constitue le système de liant le plus établi pour de nombreuses nuances industrielles, tandis que les systèmes à base de nickel et d’autres liants spécialement formulés peuvent offrir des solutions utiles lorsqu’un équilibre différent entre performances mécaniques et environnementales est requis.

Cependant, la chimie du liant ne définit pas à elle seule les performances du carbure. Le comportement final dépend de l’interaction entre la chimie du liant, la teneur en liant, les caractéristiques des grains de WC, l’uniformité microstructurale, la qualité de fabrication, la conception du composant et les conditions de service.

La sélection du liant ne doit donc pas être fondée sur des règles simplifiées telles que :

• « faible teneur en cobalt pour l’usure » ;
• « forte teneur en cobalt pour les impacts » ;
• « nickel pour la corrosion » ; ou
• « nickel pour les températures élevées ».

Ces tendances peuvent constituer des points de départ utiles, mais la décision finale concernant le matériau doit tenir compte de l’environnement technique complet.

Le meilleur système de liant n’est pas nécessairement le cobalt, le nickel, ni celui qui présente isolément la résistance à la corrosion ou la ténacité la plus élevée.

C’est le système de liant qui permet à la microstructure complète du carbure cémenté de fournir la combinaison requise de résistance à l’usure, de fiabilité mécanique, de résistance à l’environnement et de constance de fabrication dans l’application réelle.