Tungstène vs carbure de tungstène : quelle est la différence

Le tungstène et le carbure de tungstène sont souvent confondus, mais leurs noms similaires cachent des propriétés distinctes qui les distinguent. Bien que tous deux proviennent d'un élément métallique rare, le tungstène, l'ajout d'atomes de carbone dans le carbure de tungstène donne naissance à un composé unique doté de ses propres caractéristiques.

Dans cet article de blog, nous examinerons les principales distinctions entre le tungstène et le carbure de tungstène, en explorant des facteurs tels que la dureté, la fragilité, la densité, la résistance à la corrosion et le coût.

Qu'est-ce que le tungstène

Le tungstène, également connu sous le symbole chimique W, est un élément métallique naturel. Il est considéré comme un métal rare, ne constituant qu'environ 1,5 ppm de la croûte terrestre. Le tungstène a le numéro atomique 74 et se situe dans la période 6, groupe 6 du tableau périodique, ce qui le place parmi les métaux de transition.

Sous sa forme élémentaire pure, le tungstène est un métal gris acier ou blanc étain. Il possède plusieurs propriétés remarquables, notamment le point de fusion le plus élevé (3422 °C, 6192 °F) et la résistance à la traction la plus élevée de tous les métaux. Le tungstène a également le deuxième poids atomique le plus élevé (183,84 u) de tous les éléments naturels, derrière l'uranium. Sa densité de 19,3 g/cm³ est comparable à celle de l'or (19,32 g/cm³) et est bien supérieure à celle du plomb (11,34 g/cm³).

Qu'est-ce que le carbure de tungstène

Le carbure de tungstène (WC) est un composé chimique inorganique contenant des parts égales d'atomes de tungstène et de carbone. Également connu sous le nom de monocarbure de tungstène, c'est le carbure de tungstène le plus important et le plus utilisé.

Les atomes de tungstène et de carbone du WC sont liés ensemble dans une structure cristalline hexagonale, ce qui lui confère des propriétés de matériau semblables à celles de la céramique. Avec une dureté Mohs comprise entre 9 et 9,5, le carbure de tungstène se rapproche de la dureté du diamant (10). Il a un point de fusion élevé de 2 870 °C (5 200 °F), bien que ce point soit inférieur à celui du tungstène pur en raison de la présence de carbone.

Types de liants pour le carbure de tungstène

Bien que le carbure de tungstène pur présente une excellente dureté, il est cassant et a tendance à se briser, notamment sous l'effet d'un impact. Pour améliorer sa résistance et sa durabilité, les poudres de carbure de tungstène sont mélangées à des liants métalliques avant d'être frittées en pièces solides.

Cobalt (Co)

Le cobalt est le liant le plus utilisé pour le carbure de tungstène. Le carbure de tungstène lié au cobalt, souvent appelé simplement carbure, est la norme industrielle pour les outils de coupe et les pièces d'usure. La teneur en cobalt varie généralement de 3% à 30% en poids, avec des proportions de cobalt plus élevées offrant une ténacité accrue au détriment d'une certaine dureté et résistance à l'usure. Le cobalt a d'excellentes propriétés de mouillage et d'adhérence avec le carbure de tungstène, ce qui permet la production de pièces frittées très denses et sans vides.

Nickel (Ni)

Le nickel peut servir de liant alternatif au cobalt dans les composites à base de carbure de tungstène. Par rapport au cobalt, les liants à base de nickel offrent une meilleure résistance à la corrosion et une meilleure stabilité chimique, en particulier dans les environnements acides. Cependant, les carbures liés au nickel ont des indices de dureté et de résistance à l'usure inférieurs. Le nickel est parfois utilisé en conjonction avec le cobalt pour affiner les propriétés du composite à base de carbure de tungstène.

Autres classeurs

D'autres métaux, tels que le chrome et le fer, sont moins couramment utilisés comme liants uniques, mais peuvent être combinés avec du cobalt ou du nickel pour conférer des propriétés spécifiques :

• Le chrome améliore la résistance à la corrosion et à l'oxydation du composite de carbure de tungstène. Il est souvent utilisé en combinaison avec des liants à base de nickel.
• Le fer peut servir d'alternative économique ou de complément aux liants au cobalt. Le carbure de fer-tungstène présente une dureté inférieure mais une ténacité supérieure par rapport aux nuances liées au cobalt.

La différence entre le tungstène et le carbure de tungstène

Dureté et durabilité

Le carbure de tungstène est nettement plus dur que le tungstène pur. Sur l'échelle de dureté de Mohs, le carbure de tungstène est évalué à environ 9-9,5, presque aussi dur que le diamant (10). En revanche, le tungstène a une dureté d'environ 7,5, similaire à celle d'autres métaux durs comme l'acier trempé.

La dureté extrême du carbure de tungstène se traduit par une résistance à l'usure et une durabilité exceptionnelles. Les outils et composants en carbure de tungstène conservent un tranchant net et résistent mieux à l'abrasion que le tungstène dans des conditions difficiles. Cependant, la dureté du carbure de tungstène le rend également plus cassant.

Fragilité et résistance aux chocs

Le carbure de tungstène a pour inconvénient d'être plus fragile que le tungstène pur, ce qui le rend relativement ductile et lui confère une meilleure résistance aux chocs. Il peut résister à des chocs plus violents sans s'écailler ni se fracturer.

Dans les applications à impacts ou vibrations élevés, le tungstène est souvent le meilleur choix. Le carbure de tungstène est plus adapté aux applications où une résistance extrême à l'usure est requise mais où les forces d'impact sont plus faibles, comme dans les outils de coupe, les matrices et les abrasifs.

Densité et poids

Le tungstène est l’un des métaux les plus denses, avec une densité de 19,3 g/cm³, soit environ 1,7 fois celle du plomb.

Le carbure de tungstène est légèrement moins dense, environ 15,6 g/cm³, mais toujours beaucoup plus lourd que l'acier (7,8 g/cm³).

Résistance à la corrosion

Le tungstène et le carbure de tungstène présentent tous deux une bonne résistance à la corrosion grâce à la formation d'une fine couche d'oxyde à leur surface. Cependant, le carbure de tungstène contient généralement des liants au cobalt ou au nickel qui peuvent être plus sensibles à la corrosion dans certains environnements, notamment les conditions acides.

Le tungstène pur offre généralement une meilleure résistance à la corrosion dans une plus large gamme d'environnements. Pour les applications les plus exigeantes, le tungstène pur ou les alliages de tungstène sont généralement préférés au carbure.

Résistance à la chaleur

Le tungstène a le point de fusion le plus élevé de tous les métaux, soit 3 422 °C (6 192 °F). Il est donc idéal pour les applications à très haute température telles que les filaments d'éclairage, les buses de moteurs-fusées et les électrodes de soudage.

Le carbure de tungstène a un point de fusion plus bas, autour de 2870 °C (5198 °F), mais il reste exceptionnellement élevé par rapport à la plupart des autres matériaux. Le carbure de tungstène conserve la majeure partie de sa dureté et de sa résistance à des températures élevées.

Conductivité électrique

Le tungstène pur est un bon conducteur d'électricité et est souvent utilisé pour les contacts électriques et les électrodes. Il a une résistivité de 5,6 μΩ·cm, inférieure à celle du nickel et de l'acier au carbone.

En revanche, le carbure de tungstène est davantage un isolant électrique, avec une résistivité beaucoup plus élevée, autour de 20 μΩ·cm ou plus selon le matériau liant. Le liant cobalt du carbure cémenté lui confère une certaine conductivité, mais bien inférieure à celle du tungstène pur.

Apparence

Le tungstène pur a un éclat métallique blanc grisâtre semblable à celui des autres métaux.

Le carbure de tungstène est généralement de couleur gris mat, charbon de bois, en raison de sa teneur en carbone et des matériaux liants. La teinte exacte peut varier en fonction du rapport tungstène/carbure et de la composition spécifique du liant.

Coût

La poudre de carbure de tungstène est moins chère que le tungstène pur car elle utilise moins de tungstène par unité de volume.

Cependant, le traitement et le frittage des composants en carbure de tungstène ont tendance à être plus coûteux et plus énergivores. La nature fragile du carbure entraîne également davantage de déchets lors des opérations d'usinage. En général, les pièces finies en carbure de tungstène sont donc plus coûteuses que celles en tungstène pur.