Le carbure de tungstène est un composé chimique de formule WC. Il s'agit d'une céramique réfractaire ultradure, avec un module de Young d'environ . Sa masse volumique est également double de celle de l'acier, intermédiaire entre celles du plomb et de l'or. Sa dureté est comparable à celle du corindon α-, et il ne peut être poli qu'avec les abrasifs les plus durs, comme le nitrure de bore cubique et le diamant.
Il est généralement commercialisé sous forme d'une poudre grise très inflammable à partir de laquelle sont réalisées par frittage des pièces en carbure de tungstène massif.
Propriétés physiques et structure cristalline
Le carbure de tungstène a un point de fusion d'environ et un point d'ébullition d'environ à pression atmosphérique Richard P. Pohanish, Sittig's Handbook of Toxic and Hazardous Chemicals and Carcinogens, , Elsevier, 2012, . . Sa conductivité thermique vaut Peter J. Blau, Wear of Materials, Elsevier, 2003, . et son coefficient de dilatation thermique est de Alexey S. Kurlov et Aleksandr I. Gusev, Tungsten Carbides: Structure, Properties and Application in Hardmetals, Springer Science & Business Media, 2013, . .
C'est un matériau très dur, avec une dureté Vickers d'environ Mikell P. Groover, Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, John Wiley & Sons, 2010, . , et de 9 sur l'échelle de Mohs. Il présente un module de Young d'environ François Cardarelli, Materials Handbook: A Concise Desktop Reference, Springer Science & Business Media, 2008, . , un module d'incompressibilité de , un module de cisaillement de Alexey S. Kurlov et Aleksandr I. Gusev, Tungsten Carbides: Structure, Properties and Application in Hardmetals, Springer Science & Business Media, 2013, . , une résistance à la traction de , une résistance à la compression de et un coefficient de Poisson 0,31.
La faible résistivité électrique du carbure de tungstène, d'environ , est comparable à celle de certains métaux comme le vanadium Hugh O. Pierson, Handbook of Chemical Vapor Deposition (CVD): Principles, Technology, and Applications, William Andrew Inc., 1992. Charles Kittel, Introduction to Solid State Physics, , Wiley-India, 1995. .
Il existe deux polymorphes de carbure de tungstène. La forme hexagonale, dite alpha (α-WC), est stable à température ambiante et appartient au groupe d'espace Pm2 (, symbole de Pearson hP2) Alexey S. Kurlov et Aleksandr I. Gusev, Tungsten Carbides: Structure, Properties and Application in Hardmetals, Springer Science & Business Media, 2013, . A. F. Wells, Structural Inorganic Chemistry, , Oxford Science Publications, 1984. . Les atomes de tungstène s'empilent l'un au-dessus de l'autre en formant des couches hexagonales entre lesquelles les atomes de carbone remplissent la moitié des interstices, ce qui confère à l'ensemble une structure trigonale prismatique régulière dans laquelle les atomes métalliques présentent une coordinence de 6. Il est possible de déduire la longueur des liaisons dans le cristal à partir de la maille cristalline, ce qui donne entre atomes de tungstène dans les couches hexagonales, au minimum entre atomes de tungstène de couches adjacentes, et pour la liaison tungstène–carbone. Cette dernière est semblable à celle de observée dans l'hexaméthyltungstène , qui présente une géométrie prismatique trigonale fortement distordue.
Il existe également une forme cubique, dite bêta (β-WC), stable à température élevée, ayant une structure cristalline de type halite.
La molécule WC existe à l'état gazeux et présente une longueur de liaison mesurée à pour le WC.
Propriétés chimiques
Il existe deux composés de tungstène et de carbone bien caractérisés : le carbure de tungstène WC et le semicarbure de tungstène . Ces deux composés peuvent être présents comme revêtements, et leur proportion peut dépendre de la méthode de dépôt.
Le carbure de tungstène se décompose en tungstène et carbone à température élevée, et ceci peut se produire lors de la pulvérisation à haute température, par exemple par les méthodes et .
Le carbure de tungstène commence à s'oxyder à partir de . Il résiste aux acides et n'est attaqué que par des mélanges d'acide fluorhydrique HF et d'acide nitrique à chaud. Il réagit avec le fluor à température ambiante et avec le chlore au-dessus de . Il demeure chimiquement inerte vis-à-vis de l'hydrogène sec jusqu'à son point de fusion. Les poudres de carbure de tungstène finement divisé s'oxydent rapidement dans les solutions de peroxyde d'hydrogène . À températures et pressions élevées, il réagit avec le carbonate de calcium pour former du tungstate de sodium , procédé utilisé pour le recyclage des déchets en carbure cémenté.
Production
On peut obtenir du carbure de tungstène en poudre en faisant réagir un mélange de poudres de tungstène et de noir de carbone ou de graphite à une température de sous vide ou dans une atmosphère d'hydrogène :
W + C ⟶ WC.
Pour obtenir des blocs de WC, on chauffe un mélange tungstène-carbone dans un tube en carbone ou un four haute fréquence à environ ..
La production commence généralement à partir de minerai de tungstène, de déchets en tungstène, de scheelite, d'acide tungstique ou de paratungstate d'ammonium . Il existe plusieurs méthodes pour la production de poudres de carbure de tungstène. Par exemple, la poudre d'acide tungstique est réduite en tungstène à par l'hydrogène. Les particules métalliques sont cémentées à . Cette méthode est utilisée pour les poudres fines avec une taille de particule moyenne de :
+ 3 ⟶ W + 4 ; W + C ⟶ WC.
Les oxydes de tungstène (1), l'acide tungstique (2), le paratungstate d'ammonium (3) et la scheelite (4) peuvent également être combinés au carbone directement :
(1) + 4 C ⟶ WC + 3 CO ; (2) + 4 C ⟶ WC + 3 CO + ; (3) + 48 C ⟶ 12 WC + 10 + 10 + 36 CO ; (4) + 4 C ⟶ WC + CaO + 3 CO.
Le tungstène et l'oxyde de tungstène(IV) peuvent également être combinés au carbone avec des gaz tels que le monoxyde de carbone CO et le méthane :
+ ⟶ WC + 2 .
Du carbure de tungstène très fin peut être formé par réaction de tungstène ou de résidus de tungstène avec du chlore , puis par réduction avec de l'hydrogène , et enfin par traitement avec le carbone :
W + 3 ⟶ ; + 3 ⟶ W + 6 HCl ; W + C ⟶ WC.
Applications
Outils de coupe pour usinage et perçage
vignette|Fraises en carbure de tungstène.
Les outils de coupe frittés en carbure de tungstène-cobalt sont très résistants à l'abrasion et peuvent également supporter des températures supérieures à celles des outils en acier rapide standard. Ils sont souvent utilisés dans l'usinage de matériaux résistants comme l'acier au carbone et l'acier inoxydable ainsi que dans les usages où des outils en acier s'useraient rapidement. Dans la mesure où les outils en carbure de tungstène conservent un meilleur tranchant que ceux en acier, ils produisent généralement des pièces avec une meilleure finition tandis que leur résistance à des températures élevées permet un usinage plus rapide. Ce matériau est généralement appelé carbure cémenté ou carbure de tungstène-cobalt. Il s'agit d'un composite à matrice métallique de type cermet dans lequel la matrice est en cobalt et le renfort est en carbure de tungstène Rao, Manufacturing Technology, , 2E, Tata McGraw-Hill Education, 2009, . Joseph R. Davis, ASM International Handbook Committee, Tool materials, ASM International, 2005, . . On retrouve ce matériau dans divers outils comme les scies, les forets, les fraises et plus généralement les outils de tour.
Munitions anti-char
Le carbure de tungstène est utilisé dans certaines munitions anti-char, notamment comme alternative à l'usage de l'uranium appauvri, mais on peut également utiliser d'autres alliages de tungstène pour ce faire. Le carbure de tungstène et le semicarbure sont des perforateurs efficaces employés notamment par les Allemands au cours de la Seconde Guerre mondiale en raison de leur grande dureté et de leur masse volumique très élevée Roger Ford, Germany's Secret Weapons in World War II, Zenith Imprint, 2000, . Steven J. Zaloga, US Tank and Tank Destroyer Battalions in the ETO 1944–45, Osprey Publishing, 2005, . . Dans les munitions actuelles, le carbure de tungstène peut être employé sous forme monolithique frittée, mais est plus souvent mis en œuvre sous forme de carbure cémenté (cermet carbure de tungstène-cobalt).
Forages miniers
vignette|Trépans à inserts en carbure cémenté usés.
Le carbure de tungstène est largement utilisé dans les forages miniers à travers des équipements comme les marteaux fond-de-trou, divers types de trépans utilisés dans l'industrie pétrolière, les tunneliers et les outils employés dans les exploitations de charbon en longue taille. Le carbure est généralement monté sous forme d'inserts sur une pièce en acier qui constitue la masse de l'outil : au fur et à mesure que les inserts s'usent, ils exposent davantage d'acier, qui est à son tour usé, en exposant d'autres inserts en carbure, qui prennent le relai dans le forage.
Des forets en carbure de tungstène furent également utilisés sur la Lune, par exemple par la mission Apollo 17..
Réflecteur de neutrons
Le carbure de tungstène est également un réflecteur de neutrons efficace et a de ce fait été employés dans les premières mises en œuvre de réactions en chaîne, notamment dans les premières armes nucléaires. Un disque en carbure de tungstène avait ainsi été mis en œuvre comme réflecteur de neutrons dans la bombe nucléaire utilisée pour le bombardement d'Hiroshima.
Un accident de criticité est survenu au laboratoire national de Los Alamos le lors d'une erreur de manipulation de briques en carbure de tungstène utilisées comme réflecteurs de neutrons autour d'une sphère en plutonium de qualité militaire, ce qui causa plus tard la mort d'Harry Daghlian Jr., alors chercheur du projet Manhattan, à la suite d'un syndrome d'irradiation aiguë Kevin N. Roark, « Criticality accidents report issued », laboratoire national de Los Alamos, Jon Hunner, Inventing Los Alamos, 2004 ..
Joaillerie
Le carbure de tungstène, généralement sous la forme de carbure cémenté, est parfois choisi comme matériau pour bagues et alliances en raison de sa grande dureté et de sa résistance particulière aux rayures. Il est environ dix fois plus dur que l'or et des outils spéciaux sont nécessaires pour retirer des bagues en carbure de tungstène en cas d'urgence, par exemple à la suite d'une blessure à la main accompagnée d'un gonflement.
Crampons et clous pour l'adhérence
vignette|Détail d'un pneu de bicyclette Nokian muni de pointes en carbure de tungstène.
Les bâtons de randonnée, utilisés par de nombreux randonneurs pour maintenir leur équilibre et réduire la pression exercée sur les articulations des jambes, utilisent généralement des pointes en carbure cémenté afin de gagner en traction lorsqu'elles sont placées sur des surfaces dures, comme des rochers ; les pointes en carbure durent bien plus longtemps que les autres types de pointes Craig Connally, The mountaineering handbook: modern tools and techniques that will take you to the top, McGraw-Hill Professional; 2004, . .
Des pointes en carbure affûtées peuvent être insérées dans les chenilles motrices des motoneiges. Ces crampons améliorent la traction sur les surfaces glacées. Des segments plus longs en forme de v s'insèrent dans des tiges rainurées appelées tiges d'usure sous chaque ski des motoneiges. Les arêtes en carbure relativement tranchantes améliorent la direction sur les surfaces glacées plus dures. Les pointes et les segments en carbure réduisent l'usure produite lorsque la motoneige doit traverser des routes et d'autres surfaces abrasives Richard Hermance, Snowmobile and ATV accident investigation and reconstruction, Lawyers & Judges Publishing Company, 2006, . .