Comment inspecter la microstructure, la porosité et le graphite du métal dur

Types et structures des métaux durs

Les alliages issus de la métallurgie des poudres, tels que le WC-Co et le WC-TiC-Co, sont communément appelés « carbures cémentés » ou « métaux durs ». Les principales familles comprennent le tungstène-cobalt (YG), le tungstène-titane-cobalt (YT), le tungstène-titane-molybdène-niobium (YW), les alliages à liant acier (YE), titane-nickel-molybdène (YN) et le carbure de tungstène coulé (YZ). Le WC-Co offre généralement une résistance mécanique et une ténacité aux chocs plus élevées, tandis que le WC-TiC-Co présente une meilleure résistance à l’usure, une dureté à chaud plus élevée et une vitesse de coupe admissible plus importante.

Le carbure YG contient généralement une phase alpha de carbure de tungstène (WC) claire et une phase bêta de liant foncée. Parmi les nuances à grain fin, on trouve le YG3X (K01), le YG (K20) et le YG6X (K10) ; le YG6X est particulièrement fin. Les nuances YG8 et YG8N (K30) se situent entre les nuances à grain fin et à grain moyen. Les nuances à WC grossier et à forte teneur en liant, telles que le YG11C et les nuances supérieures, présentent une dureté moindre mais une meilleure ténacité, ce qui les rend adaptées aux matrices soumises à des chocs et aux outils miniers. Cette classification est conforme à la norme ISO 4499-1:2008.

Le carbure dur YT contient généralement une phase alpha de WC de forme anguleuse, une phase bêta de liant et une phase gamma de TiC-WC de forme arrondie, dont la couleur varie du jaune orangé au brun. La couleur dépend des conditions d'oxydation. Ses grains de WC sont généralement de taille moyenne et peuvent devenir grossiers à mesure que la teneur en phase gamma augmente.

Les ajouts de TaC et de NbC affinent les grains de WC et de TiC-WC et forment des carbures durs, fins, irréguliers et complexes. Le carbure cémenté à liant en acier peut contenir du TiC ou du WC dans une matrice en acier traitable thermiquement ; ses particules de carbure restent stables tandis que le liant en acier peut être recuit, normalisé, trempé et revenu.

Préparation des échantillons

La porosité pouvant varier entre la surface et le cœur, on opte souvent pour une coupe transversale de fracture. Réalisez cette coupe par électroérosion à fil ou par rupture mécanique. Pour une préparation manuelle, meuler à refroidissement à l’eau sur une meule en carbure de silicium de 150 à 250 μm, puis polir avec de la poudre de carbure de bore ou de carbure de silicium de 10 ou 12 μm sur un disque en fonte à environ 450 tr/min. Le polissage peut être effectué à l’aide d’une solution composée de 1 000 ml d’eau, de 10 g de ferricyanure de potassium, de 10 g d’hydroxyde de potassium et d’environ 40 g d’oxyde de chrome ou d’alumine, ou encore à l’aide d’une pâte de diamant synthétique.

Le polissage mécanique se déroule en deux étapes : grossière et fine. Les échantillons montés pour le polissage grossier peuvent être fixés à l'aide de soufre dans un anneau d'environ 80 mm. Le polissage fin peut être réalisé à l'aide d'un disque en alumine 85% et d'un disque en caoutchouc 15%, avec une solution saturée de permanganate de potassium pendant environ 20 minutes.

Attaque métallographique et identification des phases

Des mélanges frais, à volumes égaux, de solutions de ferricyanure de potassium et d'hydroxyde de potassium à 20%, 10% ou 5% révèlent des phases WC et TiC-WC ; des concentrations plus faibles peuvent révéler la phase eta, dont la couleur varie du jaune orangé au rouge orangé. Il est également possible de chauffer un échantillon poli et sec à l’air à une température comprise entre 450 et 500 °C pendant environ 10 à 15 minutes, jusqu’à ce qu’il prenne une couleur jaune pâle. Les surfaces bleu foncé suroxydées doivent être repolies.

Évaluation de la porosité et du graphite

La porosité se présente sous la forme de trous circulaires noirs aux contours bien définis, d’une taille inférieure à 40 μm. Examiner un échantillon poli non gravé à un grossissement de 100× ou 200× sur plusieurs champs, du bord vers le centre, et indiquer à la fois la porosité générale et la porosité grave, en mettant l’accent sur cette dernière. La norme ISO 4499-4:2016 peut être consultée à titre de méthode de référence internationale ; cela n’implique aucune déclaration d’équivalence ou d’acceptation.

Un excès de carbone produit du graphite fin, sous forme de nids ou de points. À une fraction volumique d’environ 2% dans le WC-Co, il prend une forme lamellaire ; dans le WC-TiC-Co, une fraction d’environ 1,5% peut produire une forme plus fine, semblable à des nids. Évaluer les échantillons polis non gravés en fonction de la quantité, de la taille, de la morphologie et de la répartition du graphite. Le graphite, la porosité et la phase eta réduisent la résistance mécanique, la ténacité et la résistance à l'usure ; leur identification permet donc de contrôler les processus de préparation de la poudre, de mélange, de compression et de frittage.