Dans la production de ciment et la production d’énergie, l’usure résulte rarement d’un seul mécanisme. Les composants critiques soumis à l’usure peuvent être exposés simultanément à des particules abrasives, à une érosion à grande vitesse, à des charges mécaniques, à des températures élevées, à des cycles thermiques, à des vibrations et à des environnements corrosifs propres à l’application.
Par exemple, les composants utilisés dans la manutention du charbon pulvérisé, le traitement du clinker, la manutention des cendres, les classificateurs, les séparateurs et d’autres systèmes soumis à des conditions sévères peuvent subir une combinaison d’érosion par les particules et de contraintes mécaniques ou thermiques.
Dans de telles conditions, la sélection d’une nuance de carbure de tungstène ne consiste pas simplement à choisir la dureté la plus élevée disponible. Une sélection efficace exige un équilibre approprié entre la dureté, la ténacité, les caractéristiques du liant, la microstructure, les conditions thermiques et la résistance à l’environnement, selon les mécanismes de défaillance dominants.
Bien que les formulations de carbure cémenté puissent être beaucoup plus complexes, trois facteurs sont particulièrement importants lors de l’évaluation des nuances destinées aux applications en conditions de service sévères.
La taille des grains de carbure de tungstène influence fortement la relation entre la dureté, la résistance à l’usure et la ténacité.
Les nuances de WC à grains fins et ultrafins présentent généralement une dureté élevée et peuvent offrir une excellente résistance à l’usure abrasive et érosive. Elles peuvent donc être avantageuses lorsque l’enlèvement de matière causé par les particules constitue le principal mécanisme de défaillance et que les charges d’impact sont limitées.
Les nuances à grains plus grossiers sont couramment envisagées lorsqu’une résistance à la rupture et une ténacité supérieures sont nécessaires, particulièrement lorsque les composants subissent des impacts, des charges de choc ou d’autres sollicitations mécaniques sévères.
La taille des grains ne doit toutefois pas être considérée isolément. Son influence dépend de la teneur et de la composition du liant, du procédé de fabrication et de la microstructure globale du carbure cémenté.
Le cobalt est largement utilisé comme liant métallique dans les carbures cémentés WC-Co conventionnels.
L’augmentation de la teneur en liant améliore généralement la ténacité et la résistance à la rupture, tout en réduisant la dureté et, dans de nombreuses applications abrasives, la résistance à l’usure. Une teneur plus faible en liant favorise généralement la dureté et la résistance à l’usure, mais peut réduire la capacité à supporter les impacts et les chocs mécaniques.
La composition du liant peut également être adaptée à l’environnement de fonctionnement. Des systèmes de liant contenant du nickel ou d’autres liants peuvent être envisagés pour certaines applications où la résistance à la corrosion ou d’autres exigences environnementales sont importantes.
Le système de liant approprié doit donc être sélectionné en fonction de la combinaison d’usure, de charges mécaniques, de température et d’environnement de procédé, et non en fonction d’une seule propriété du matériau.
Des carbures secondaires et des éléments d’alliage — notamment le TaC, le NbC, le TiC, les additions contenant du Cr et d’autres modifications de formulation — peuvent être utilisés dans certains systèmes de carbure cémenté afin de contrôler la croissance des grains et de modifier le comportement mécanique, thermique, chimique ou tribologique.
Leurs effets dépendent fortement de la composition, de la concentration, de la microstructure, du procédé de fabrication et de la température de service.
Ces additions ne doivent donc pas être considérées comme des solutions universelles contre l’usure à haute température. Elles font plutôt partie d’une stratégie de conception de nuance adaptée à chaque application.
La nuance de carbure appropriée dépend principalement du mécanisme de défaillance dominant et de la combinaison des conditions de fonctionnement auxquelles le composant est exposé.
Exemples : certaines buses, certains manchons, inserts d’usure, composants de classificateurs, composants de séparateurs et autres surfaces d’usure exposées aux particules.
Lorsque la perte de matière est principalement causée par des particules abrasives ou par l’érosion particulaire, et que les impacts mécaniques sont relativement limités, une dureté et une résistance à l’usure élevées deviennent des critères de sélection importants.
Les nuances à base de WC à grains fins, avec une teneur en liant adéquatement contrôlée, peuvent offrir une excellente résistance à la coupe, aux rayures et au micro-labourage causés par les particules.
La nuance appropriée ne peut cependant pas être sélectionnée uniquement en fonction de la teneur en cobalt. La taille, la dureté, la vitesse et la concentration des particules, l’angle d’impact, la géométrie du composant, la température de fonctionnement et les charges mécaniques doivent également être évalués.
Une nuance à faible teneur en liant et à dureté élevée peut offrir un excellent rendement dans des conditions abrasives contrôlées, mais peut ne pas convenir lorsque des impacts ou des vibrations importants sont présents.
Exemples : certains composants de broyage, composants de pulvérisateurs, plots d’usure, inserts et composants exposés à la fois à l’abrasion et à des charges mécaniques.
Lorsqu’un composant subit des charges mécaniques importantes en plus de l’usure abrasive, la maximisation de la dureté peut augmenter le risque de fissuration ou de rupture.
Une nuance de carbure plus tenace — comportant souvent une combinaison appropriée de taille des grains de WC et de teneur en liant — peut offrir un meilleur équilibre entre la résistance à l’usure et la fiabilité mécanique.
Lorsque la teneur en liant augmente, la ténacité s’améliore généralement, mais cette amélioration s’accompagne d’une diminution de la dureté et potentiellement de la résistance à l’abrasion. La sélection de la nuance devient donc un compromis technique entre des exigences concurrentes.
L’objectif n’est pas de sélectionner la nuance la plus dure ou la plus tenace, mais de déterminer une microstructure capable de résister à la combinaison réelle des conditions d’usure et de chargement.
Les conditions de service à température élevée exigent une attention particulière.
Le carbure de tungstène cémenté conserve des propriétés mécaniques utiles à des températures élevées, mais son comportement dépend fortement de la composition de la nuance, de l’atmosphère, de la durée d’exposition, des cycles thermiques, des charges mécaniques et de l’exposition directe ou non de la surface du carbure à des conditions oxydantes.
À des températures suffisamment élevées dans l’air, l’oxydation des carbures cémentés à base de WC devient de plus en plus importante. Le liant métallique et la microstructure globale peuvent également subir des transformations réduisant les propriétés mécaniques et la résistance à l’usure.
Par conséquent, une nuance de carbure de tungstène offrant un excellent rendement à une température modérée peut ne pas convenir à une exposition directe et prolongée à des températures nettement plus élevées.
Le TaC, le NbC, le TiC et d’autres additions connexes sont utilisés dans certaines formulations de carbure cémenté afin d’influencer la croissance des grains, la stabilité microstructurale et les propriétés à température élevée.
Leurs avantages sont toutefois propres à chaque formulation et doivent être évalués en fonction de la combinaison réelle de la température, du mécanisme d’usure, des charges mécaniques et de l’atmosphère.
Des additions contenant du chrome sont également utilisées dans certaines formulations de carbure cémenté, notamment comme inhibiteurs de croissance des grains et pour modifier certaines propriétés du matériau.
Leur influence sur la corrosion et l’oxydation dépend du système complet carbure-liant et des conditions de fabrication. Il serait donc inapproprié de supposer que les additions de chrome créent systématiquement une couche protectrice de Cr2O3 ou augmentent la température de fonctionnement admissible d’une valeur fixe.
Les systèmes de liant contenant du nickel et d’autres liants alternatifs peuvent offrir des avantages dans certains environnements corrosifs ou à température élevée.
Les concepts avancés de liants, notamment les systèmes d’alliages multicomposants, font également l’objet de recherches continues en science des matériaux. Toutefois, les résultats obtenus en laboratoire avec des carbures cémentés expérimentaux ne doivent pas être automatiquement interprétés comme des performances industrielles établies dans les applications liées au ciment ou à la production d’énergie.
Pour les composants de production, la sélection du matériau doit reposer sur les propriétés validées de la nuance, la conception du composant, les conditions réelles de service et, lorsque cela est nécessaire, des essais propres à l’application.
Une distinction technique importante doit être établie : la température du procédé ne correspond pas nécessairement à la température du composant.
Un système de production de ciment ou d’énergie peut contenir des gaz ou des matières de procédé à des températures très élevées, tandis qu’un composant en carbure, un insert, une surface d’usure protégée ou un composant exposé de façon intermittente fonctionne à une température considérablement différente.
La sélection de la nuance doit donc être fondée sur la température réelle subie par le composant en carbure, notamment :
Cette distinction est particulièrement importante lors de l’évaluation du carbure de tungstène pour les applications à température élevée dans les secteurs du ciment et de l’énergie.
Un processus pratique de sélection des nuances doit commencer par l’identification des mécanismes de défaillance dominants plutôt que par le choix d’un matériau fondé uniquement sur les données de dureté.
Pour une abrasion sévère accompagnée d’impacts limités, une dureté et une résistance à l’usure supérieures peuvent être privilégiées.
Pour une combinaison d’abrasion et d’impacts, une nuance de carbure plus tenace peut offrir un meilleur rendement global en service.
Pour les applications à température élevée, le comportement à l’oxydation, les caractéristiques du liant, la stabilité microstructurale, la durée d’exposition et les cycles thermiques doivent être pris en compte en plus de la dureté et de la ténacité conventionnelles.
Dans les environnements de procédé corrosifs, la composition chimique du liant et la compatibilité chimique peuvent devenir tout aussi importantes.
Dans de nombreuses applications réelles, plusieurs de ces mécanismes se produisent simultanément. La nuance offrant le meilleur rendement est donc généralement celle qui présente le meilleur équilibre entre les propriétés, plutôt que la valeur maximale d’une seule propriété.
La sélection du carbure de tungstène pour les applications liées au ciment et à la production d’énergie est plus complexe que le simple choix de la nuance la plus dure disponible.
Une sélection efficace du matériau exige de comprendre le mode de défaillance réel du composant : abrasion, érosion par les particules, impacts, charges mécaniques, cycles thermiques, oxydation, corrosion ou, plus couramment, combinaison de plusieurs mécanismes.
La taille des grains de WC, la teneur et la composition du liant, les carbures secondaires, la microstructure, la géométrie du composant et la qualité de fabrication influencent tous le rendement. Ces variables doivent être évaluées en fonction de l’environnement réel de fonctionnement.
En adaptant la nuance de carbure et la conception du composant aux mécanismes d’usure dominants, aux charges mécaniques, à la température de fonctionnement et à l’environnement du procédé, les ingénieurs peuvent obtenir un équilibre plus efficace entre la résistance à l’usure, la ténacité, la stabilité dimensionnelle et la fiabilité en service dans les applications exigeantes des secteurs du ciment et de l’énergie.