Le frittage du carbure est une étape cruciale dans la production de carbure. Pendant le processus de pressage de la poudre de carbure, la liaison entre les particules de poudre repose principalement sur la pression exercée lors du pressage, et les particules de poudre ne peuvent pas se lier les unes aux autres en raison du manque de tension d'élasticité. Le compact pressé existe dans un état poreux. La méthode de frittage en phase liquide de la métallurgie des poudres est requise pour le frittage. Il existe principalement plusieurs méthodes de frittage du carbure : le frittage à l'hydrogène, le frittage sous vide, le frittage basse pression et le pressage isostatique à chaud. L'équipement varie également en fonction des différents procédés et méthodes de frittage.

L’état de la formation Carbide Compact

Une fois le comprimé de carbure formé, il existe dans un état poreux. Au cours du processus de meulage humide, la forme du WC est soumise à de forts impacts, ce qui entraîne une augmentation de l'énergie de surface et une réactivité améliorée. Plus le temps de contact du compact avec l'air est long, plus le degré d'oxydation est élevé, nécessitant plus de carbone pour la réduction. La teneur théorique en carbone du carbure restant à 6,128%, le rapport atomes d'oxygène/atomes de carbone est de 12/16. Par conséquent, pour chaque unité supplémentaire d’oxygène, elle consommera les 3/4 de la teneur en carbone. Ceci conduit à la formation de la phase η plus facilement après le frittage de l'alliage.

L'existence de l'oxygène dans les mélanges de carbures

La teneur en oxygène dans le mélange de carbures peut être considérée comme existant sous trois formes : l'oxygène occlus, l'oxygène de surface du cobalt et l'oxygène dans WO2 ou WO3. La teneur en oxygène mesurée par dosage chimique de l'oxygène incluant la somme de ces trois types d'oxygène, il est difficile de déterminer leurs proportions respectives dans la production. Cela pose donc des défis à la production. De plus, l’enrichissement en oxygène de l’environnement est omniprésent, il est donc essentiel de gérer chaque processus de manière raisonnable dans le cadre de la production réelle.

Oxygène occulté

Existe dans les interstices du compact et à la surface du compact et du mélange ; généralement éliminé par évacuation sous vide au début du frittage, cela n'affecte donc pas le frittage de l'alliage.

Oxygène de surface du cobalt

En raison de la grande sensibilité du cobalt à l’oxydation à température ambiante, l’oxydation s’intensifie avec l’augmentation de la température. Après broyage humide et séchage ultérieur, une couche de film d'oxyde se forme à la surface du cobalt ; plus le matériau ou le compact est stocké longtemps avant le frittage, plus le degré d'oxydation du cobalt est élevé. Cette partie de l'oxyde nécessite du carbone pour la réduction ; avant que la température n'atteigne 600°C pendant le frittage, la réduction repose principalement sur le carbone libre, et les oxydes non réduits restants doivent être réduits par le carbone combiné. Cette portion d’oxygène est essentielle à l’équilibre carbone-oxygène lors du frittage de l’alliage et est difficile à contrôler.

WO2 ou WO3 Oxygène

Également connu sous le nom d’oxygène composé ; avant la carbonisation du WC, WO3 se transforme progressivement en WO2 puis en poudre de tungstène (W), suivi d'une carbonisation. Certains oxydes peuvent rester incomplètement réduits ou partiellement oxydés en raison de la durée de stockage, de W → W2C → WC, et peuvent persister même après leur achèvement. Alternativement, une protection inadéquate pendant le stockage peut entraîner une oxydation. Ces résidus d'oxyde sont appelés oxygène composé ; la température de réduction se produit généralement avant 1 000 °C, mais une oxydation importante peut retarder la réduction jusqu'à 1 200 °C. Ce résidu d'oxyde consomme beaucoup de carbone, réduisant la marge pour les niveaux de carbone et rendant difficile le contrôle de la teneur en carbone de frittage, compliquant ainsi l'obtention d'une formation suffisante de phase liquide.

 

La forme du carbone dans le carbure

La teneur en carbone du carbure existe principalement de trois manières : la stœchiométrie WC, l'augmentation du carbone provenant de la décomposition du liant et l'infiltration du carbone provenant des gaz de four.

Généralement, le WC est ajusté en fonction de la teneur théorique en carbone du carbure ; un ajustement raisonnable du carbone est effectué sur la base de petits échantillons avant le broyage humide ; dans le processus de cire, la teneur en carbone est ajustée en soustrayant la quantité de carbone infiltrée des gaz du four et en ajoutant la quantité de carbone consommée par les oxydes. Lors du processus de fabrication du caoutchouc, un tiers du poids du caoutchouc doit être soustrait.

Incrément de carbone dû à la décomposition du liant

Lors du déliantage et du frittage, que ce soit à l'aide de cire, de PEG ou de caoutchouc, il y a plus ou moins de décomposition ; ainsi, le carbure peut gagner du carbone, bien que la quantité d'augmentation de carbone varie selon les différents liants. Étant donné que la cire repose principalement sur l’évaporation, on considère généralement qu’elle n’augmente pas la teneur en carbone. D’un autre côté, le caoutchouc et le PEG dépendent de la décomposition, la décomposition du caoutchouc se produisant à des températures plus élevées, entraînant une augmentation accrue du carbone.

Infiltration de carbone provenant des gaz de fournaise

Étant donné que la plupart des éléments chauffants, des couches d'isolation, des plaques de frittage ou des nacelles dans les fours de frittage en carbure sont constitués de produits en graphite, leurs effets deviennent évidents à 600°C ; Lorsque la température de frittage dépasse 1 200 °C, une grande quantité de carbone et de CO libérés par le graphite exacerbent l'infiltration de carbone dans le carbure.

Impact du cobalt sur les propriétés du carbure

Le cobalt a une structure cristalline hexagonale compacte, ce qui le rend très réactif et sujet à l'oxydation. Dans les alliages WC-Co, le cobalt agit comme métal liant. Lorsque la phase cobalt présente la structure cristalline ε-Co, avec moins de plans de glissement (théoriquement pas plus de 3), la ténacité de l'alliage est faible. Cependant, lorsque la phase cobalt présente la structure cristalline α-Co, le nombre maximum de plans de glissement théoriques peut augmenter jusqu'à 12, ce qui entraîne une plus grande résistance à la fracture. Avec l'augmentation de la température de frittage, la structure cristalline du cobalt passe d'une structure hexagonale compacte à une structure cubique à faces centrées ; l’inverse se produit lors du refroidissement. Étant donné que le tungstène se dissout davantage dans le cobalt, jouant un rôle de « clouage », la transformation de la structure cristalline lors du refroidissement varie en fonction de la quantité de tungstène dissoute.

Jusqu'à 1% de cobalt peuvent se dissoudre dans les WC à température ambiante ; lorsque la température de frittage atteint entre 400°C et 800°C, une diffusion et un réarrangement vigoureux du cobalt se produisent. Pendant cette période, une quantité plus faible de carbone libre est plus propice à une augmentation des plans de glissement ; ceci est avantageux dans les procédés à la cire. Cependant, les processus de caoutchouc nécessitent une décomposition complète autour de 600°C, ce qui affecte l'apparition effective des plans de glissement de phase cobalt.

À 1 000 °C pendant le frittage, l’oxyde a presque terminé le processus de réduction, c’est pourquoi cette étape est appelée frittage sans oxygène. La teneur en carbone du carbure est généralement testée à ce stade ; cependant, le carbone dit sans oxygène ne contient qu’une quantité minime d’oxygène. Néanmoins, l’oxyde à la surface du cobalt a été complètement réduit à ce stade et les bords de la phase cobalt ont produit moins de phases liquides. A cette étape, le compact a acquis une certaine dureté, appelée étape de pré-frittage. Les produits à ce stade peuvent subir une transformation plastique si nécessaire.

Phase liquide dans le carbure

Théoriquement, la phase liquide dans les alliages WC-Co apparaît à 1340°C. La température à laquelle la phase liquide apparaît suffisamment varie avec la teneur en carbone. À mesure que la température de frittage augmente, la quantité de phase liquide augmente ; les fines particules de WC forment progressivement une phase liquide. Un retrait intense se produit dans le produit, réduisant la distance entre les particules de WC. Les fines particules de WC sont progressivement fondues par des particules plus grosses, ce qui donne des particules de WC plus grossières. Ce phénomène est connu sous le nom de croissance des grains. La croissance des grains pendant le frittage est inévitable, en particulier dans les WC ultrafins ou submicroniques, où la croissance des grains est plus prononcée. Pour inhiber efficacement la croissance excessive des grains, des inhibiteurs tels que VC, TaC et Cr3C2 peuvent être ajoutés.

Après le frittage, les WC et W2C non dissous précipitent rapidement, suivis d'une formation eutectique ternaire, jetant les bases de l'alliage. Plus le temps de refroidissement est long au-dessus de 1 200°C, plus la précipitation est complète, mais plus les chances de croissance des grains sont grandes.

Conclusion

La recherche de structures eutectiques ternaires est l’aspect le plus critique du frittage dans le carbure WC-Co. Les structures eutectiques ternaires constituent la charpente fondamentale du carbure. Dans le système ternaire WC-Co, la gestion efficace de la croissance des grains WC, permettant à davantage de tungstène de se dissoudre dans le cobalt sans décarburation, améliorant ainsi la durabilité et la ténacité du carbure, est toujours l'objectif des fabricants d'alliages. Un expert technique allemand a dit un jour : « L’essence du frittage réside dans « une température élevée et une faible teneur en carbone ». »