Ce qu’il faut savoir au sujet du rechargement dur aux carbures de tungstène

Les dépôts de rechargements durs en carbures de tungstène sont des matériaux composites composés d'une matrice d’alliage métallique renforcée par des particules de carbures de tungstène. Ces dépôts peuvent contenir jusqu'à 85% de carbures, avec des matrices en acier, en alliage de nickel (Ni-B-Si), en alliage de cuivre (Cu-Zn-Ni) ou en alliages de cobalt (Co-Cr-W ou Mo).

Les matrices d’acier offrent un durcissement significatif, mais elles sont plus susceptibles de se fissurer en raison de la dissolution partielle des carbures pendant leur exposition au bain de fusion. En revanche, les matrices d'alliages non ferreux présentent une meilleure résistance à la fissuration et une capacité de mouillage supérieure pour les carbures, offrant également une meilleure résistance à la corrosion.

Les alliages de cuivre, de nickel et de cobalt fondent à des températures inférieures à celles des alliages à base d’acier : Cu-Zn-Ni (750-950°C / 1400-1750°F), Ni-B-Si (1050°C / 2100°F) et Co-Cr-W ou Mo (1285-1435°C / 2340-2615°F). Le choix de ces matrices réduit la dissolution des particules et minimise la déformation du métal de base. L’alliage Ni-Si-B présente également des avantages grâce à son auto-décapage et sa résistance élevée aux attaques chimiques.

Les rechargements en carbures de tungstène offrent une résistance à l’abrasion supérieure à celle des carbures de chrome, ce qui se traduit par un rendement et une longévité améliorés. Ils sont particulièrement prisés pour les pièces et équipements  soumis à de fortes contraintes d'abrasion, tels que les têtes de forage, tunneliers, vis sans fin dans les briqueteries, les pâles de malaxeurs, les racleurs de fonderies, les lames de grattage, les équipements de dragage, et les aubes de pompes.

Propriétés des particules de tungstène

Les particules de tungstène se distinguent par :

• Densité élevée : 15 g/cm³ (deux fois plus que l’acier).
• Résistance à l’oxydation : jusqu’à 500°C (1000°F).
• Stabilité dans des milieux acides et basiques.

Les particules de tungstène se présentent souvent sous forme de mélange eutectique (polycristallins) WC/W₂C. Les particules WC (HV 2000- 3000) sont plus dures que celles de W₂C (HV 1200-2300). Dans certains cas, elles sont monocrystalline, offrant une dureté légèrement inférieure mais une richesse en carbone supérieure

Contrairement aux carbures de chrome, qui se forment par la réaction du carbone et du chrome lors de la solidification du bain de fusion, les carbures de tungstène sont présents sous la forme de carbures dans les électrodes tubulaires (SMAW), dans le flux des fils fourrés (FCAW) ou intégrés dans la matrices des baguettes de soudage à la flamme (OFW).

Lors du soudage, les particules de tungstène se mélangent au bain de fusion du métal d’apport et se lient au métal de base pendant la solidification. La résistance à l'usure abrasive dépend de la préservation des carbures dans le bain de fusion.

Facteurs influençant la résistance à l'usure

Plusieurs facteurs influencent la résistance à l’usure et l'intégrité des dépôts de rechargement dur aux carbures de tungstène : 

• Ductilité de la matrice : Permet des dépôts multipasses avec moins de fissures. Les matrices à base de cuivre sont plus ductiles, suivies par celles à base de nickel, de cobalt, et enfin celles à base de fer.
• Quantité de carbures : La dureté du dépôt augmente avec le nombre de couches déposées.
• Morphologie des particules : les carbures sphérique présentent une moindre dissolution comparativement aux carbures angulaires, ce qui améliore la résistance à l’usure.
• Énergie de soudage et temps d’interaction : Doivent être optimisés pour réduire la dissolution des particules. Des tests d’abrasion selon la norme ASTM G65 montrent que les dépôts de l'OFW offrent la meilleure résistance, suivi par le TIG, le SMAW, et le FCAW.
• Réactions des matrices : Les matrices à base de nickel, de cobalt, et de cuivre ne réagissent pas avec les carbures de tungstène, contrairement aux matrices à base d’acier, qui peuvent subir une dissolution et durcissement par trempe.

La grande densité des particules de tungstène peut également entraîner une ségrégation, où les grosses particules se déposent au fond du dépôt, tandis que les plus petites restent en surface. Avoir des particules de différentes tailles et limiter le temps de solidification aide à réduire la ségrégation.

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Khemici Badri, ing., M.Ing., IWE/EWE