Lorsque nous avons découvert toutes les propriétés du carbure de tungstène, l’utiliser pour nos créations s’est rapidement imposé comme une évidence. Laissez-nous vous en partager un petit tour d’horizon.

Histoire du carbure de tungstène

Le tungstène a été découvert en 1781 par Carl Wilhelm Scheele. Il a cependant fallu plus de 150 ans pour que ses efforts et ceux de ses successeurs ne conduisent à son utilisation dans l’industrie.

Carbure cémenté

Actuellement, le tungstène sous forme de carbure de tungstène est principalement utilisé dans la production de carbure cémenté. Le carbure cémenté (également appelé métal dur) est un matériau créé en « cimentant » des grains de monocarbure de tungstène (WC) très durs dans une matrice de liant en métal dur de cobalt, en utilisant le procédé de frittage en phase liquide.

La combinaison de WC et de cobalt métallique comme liant est un système bien modifié. Non seulement en ce qui concerne ses propriétés, mais aussi son comportement au frittage.

À haute température, le WC est très soluble dans le cobalt et le liant de cobalt liquide permet également un excellent mouillage du WC. Ces propriétés conduisent à une excellente densification lors du frittage en phase liquide, et à une structure sans pores. C’est pourquoi on obtient un matériau qui intègre ténacité, haute résistance et une excellente dureté.

Production du Carbure de tungstène

La production de carbure de tungstène remonte au début des années 1920, lorsque la société allemande Osram, spécialisée dans les ampoules électriques, a cherché des substituts aux trop coûteuses filières de tréfilage en diamant utilisées dans la fabrication du fil de tungstène.

Ces efforts ont conduit à l’invention du carbure cémenté, qui a rapidement été fabriqué et commercialisé par de nombreuses entreprises pour plusieurs applications, où sa grande résistance à l’usure était particulièrement cruciale.

Les premières nuances de carbure de tungstène-cobalt ont rapidement été appliquées de manière efficace dans la découpe et le fraisage de la fonte. Au début des années 1930, les entreprises pionnières du carbure cémenté ont introduit les premières nuances d’acier pour le fraisage qui, outre le cobalt et le carbure de tungstène, contenaient également des carbures de tantale et de titane.

Avantage de son utilisation

En incorporant du carbure de tantale et du carbure de titane, la dureté à chaud, la résistance à l’usure à haute température et la stabilité à l’oxydation des métaux durs ont été considérablement améliorées. Les métaux durs sont des outils de coupe exceptionnels pour l’usinage de l’acier.

Par rapport à l’acier rapide, la vitesse de coupe est passée de 25 à 50 m/minute à 250 m/minute pour le tournage et le fraisage de l’acier, ce qui a transformé la productivité dans un certain nombre d’industries.

Peu de temps après, la révolution des outils miniers a commencé. Les premiers outils miniers à pointes en carbure cémenté ont permis de multiplier par au moins 10 la durée de vie des forets de roche par rapport à un outil de forage en acier.

Consommation

La consommation de carbure cémenté a été continue dans toutes ces applications, passant d’un total annuel mondial de 10 tonnes en 1930 à 100 tonnes vers 1935. 1 000 tonnes au début des années 1940. 10 000 tonnes au début des années 1960. Et jusqu’à environ 30 000 tonnes actuellement.

La croissance des outils de coupe en métal a été assez rapide au cours des 40 dernières années, ayant été considérablement stimulée par de meilleures méthodes de conception et de fabrication, par exemple, l’ajout de plaquettes indexables dans les années 1950 et l’invention des nuances revêtues en 1970.

Revêtements

Le premier revêtement était une fine couche (~5 µm d’épaisseur) de carbure de titane développée par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Il a permis de multiplier la durée de vie des outils par un facteur de 2 à 5.

Cette méthode a depuis été améliorée par des revêtements multicouches, où des couches de nitrure de titane, d’alumine et d’autres matériaux ont été ajoutées. Ce qui a permis de multiplier par 5 à 10 la durée de vie utile.

Nouvelles méthodes

Cependant, le revêtement et un meilleur design ne sont qu’une facette de la médaille. L’amélioration constante des méthodes de fabrication et des produits intermédiaires a permis d’améliorer les performances des métaux durs et d’ouvrir de nouveaux champs d’application. L’avènement de l’extraction par solvant dans la chimie du tungstène – nouvelles méthodes de réduction de l’hydrogène et de carburation – a amélioré l’uniformité et la pureté du tungstène et de la poudre de carbure de tungstène.

De même, de nouvelles méthodes de séchage par pulvérisation, de broyage et de frittage ont amélioré les propriétés et les performances du métal dur. En particulier, le développement continu de la technologie de frittage sous vide et, à partir de la fin des années 1980, le frittage sous pression isostatique à chaud a conduit à de nouvelles normes de qualité pour le métal dur.

Taille des grains

L’histoire de la métallurgie des poudres de tungstène, et en particulier celle de l’industrie des métaux durs, est marquée par l’élargissement progressif de la gamme des granulométries disponibles pour la transformation dans l’industrie ; tandis que, simultanément, la distribution des granulométries pour chaque grade de poudre de WC devenait de plus en plus étroite.

La raison la plus importante de cet élargissement du spectre des qualités de WC disponibles est qu’en plus des différences obtenues par la teneur en cobalt et certains additifs de carbure, les propriétés des métaux durs telles que la résistance à l’abrasion, la dureté, la résistance, la ténacité et la conductivité thermique peuvent être très différentes grâce à la taille des grains de WC.

Demandes

Grâce à une grande variété de granulométries actuellement disponibles, qui comprennent des versions très dures et résistantes à l’abrasion et des versions très tenaces, les métaux durs peuvent être fabriqués pour de nombreuses applications dans les outils de haute technologie, les outils miniers et les pièces d’usure ainsi que dans de nombreux secteurs de l’industrie mécanique.

Outils d’exploitation minière et de coupe

Les outils d’exploitation minière et de coupe de la pierre ont connu un développement rapide, avec de meilleures performances qui ont entraîné le remplacement croissant des outils en acier par des outils en carbure cémenté, en particulier dans le secteur pétrolier. En particulier, l’utilisation de métaux durs à grains très grossiers se développe dans ce domaine d’application.

Pièces d’usure

Un pourcentage important du volume de tungstène dans le carbure cémenté est actuellement utilisé dans des applications de pièces d’usure, où l’on trouve une grande variété de produits allant des très petits (comme les billes pour les stylos à bille) aux produits lourds et de grande taille, comme les matrices, les poinçons ou les cylindres à chaud pour les laminoirs dans le secteur de l’acier.

Nombre de ces pièces d’usure et outils miniers sont composés de métaux durs WC-Co droits sans aucune incorporation d’autres carbures.

Les métaux durs WC à grains fins et ultrafins sont devenus de plus en plus importants aujourd’hui dans les outils de formage sans copeaux, le domaine des pièces d’usure et les outils de coupe pour les alliages non ferreux, la fonte et le bois.

Les premiers métaux durs submicroniques ont été commercialisés à la fin des années 1970 et, depuis lors, les microstructures de ces métaux durs sont devenues très fines. L’intérêt principal des métaux durs à granulométrie aussi fine vient de la compréhension du fait que la résistance à l’usure et la dureté augmentent avec la diminution de la granulométrie des WC.

Exercices de précision

Une application unique pour les métaux durs fins ou ultrafins de WC, impliquant d’énormes quantités de carbure cémenté, est dans les forets pour le perçage de trous très fins dans les cartes de circuits imprimés pour les industries électroniques et informatiques. À cette fin, de nouvelles compositions de carbure cémenté, à base de carbure à grain très fin, ont été lancées.