Letteratura scientifica selezionata sul tema "Carbure de tungstène – Teneur en cobalt"

En raison de sa grande dureté et sa résistance à l'usure, le carbure de tungstène avec liant cobalt (WC-Co) est le matériau incontournable pour la fabrication des outils d’usinage, des outillages de découpe et de formage, ainsi que des pièces d'usure nécessitant une dureté importante et une grande précision. La modification de la microstructure du carbure de tungstène, et plus particulièrement sa teneur en cobalt suscite aujourd’hui le plus grand intérêt de la part des fabricants pour développer de nouvelles nuances plus performantes et ainsi gagner de nouveaux parts de marché. Cette thèse propose d’étudier l’effet de la teneur en cobalt des outils carbure sur les grandeurs mesurées et les mécanismes d’usure lors de l’usinage des superalliages durs à base de titane (Ti-6Al-4V). Le travail de recherche, à la fois expérimental et numérique, est consacré d’une part à la compréhension des mécanismes microscopiques d’endommagement conduisant à l’usure macroscopique du composite WC-Co, et d’autre part à l’influence de la teneur en cobalt sur le comportement du WC-Co en tenant compte du couplage mécanique-microstructure-endommagement. Sur la base d’une analyse expérimentale, l’identification des phénomènes physiques macroscopiques et microscopiques mis en jeu aux niveaux des interfaces de contact outil/copeau et outil/pièce a été conduite. A cet effet, des essais d’usinage ont été réalisés dans un premier temps sur le couple outil-matière WC-Co/Ti-6Al-4V avec différentes teneurs en cobalt pour les outils. Dans un deuxième temps, une caractérisation tribologique, du même couple outil-matière, a été menée afin d’évaluer l’influence de la teneur en cobalt et les conditions de contact (vitesse de glissement, effort appliqué) sur le coefficient de frottement et l’usure. Toutefois, l’inaccessibilité des zones de contact pendant l’usinage et les essais tribologiques n’ont pas permis une description complète des mécanismes d’usure observés qu’ils soient macroscopiques (collage, abrasion, déformation, ...), ou microscopique (fissuration, endommagement des phases WC, Co). La simulation numérique par éléments finis s’est avérée alors un outil complémentaire intéressant pour l’analyse de ces mécanismes d’usure. Notre stratégie de modélisation s’est intéressée à la réponse du WC-Co à l’échelle de la microstructure sous un chargement thermomécanique représentatif de l’usinage. Le modèle proposé tient compte du comportement des phases WC et Co séparément et celui des interfaces WC-WC et WC-Co. Cette stratégie a permis d’étudier et identifier les paramètres influant sur le comportement de la microstructure depuis la phase élastique jusqu’à l’initiation de l’endommagement. Un bon accord a été obtenu entre les résultats du comportement numérique à l’initiation de l’endommagement dans la microstructure et ceux des observations expérimentales en termes d’effets de la teneur en cobalt dans le carbure de tungstène et des conditions d’usinage appliquées
Due to their high hardness and wear resistance, cemented carbide (WC-Co) is the main material used to manufacture machining tools and forming tooling, as well as wear parts requiring high hardness and high precision. The modification of tungsten carbide microstructure, and more particularly its cobalt content, is currently attracting the greatest interest from manufacturers to develop new grades tools with high performance, and then expand new markets.This thesis aims to study the effect of the cobalt content of carbide tools on the measured values and wear mechanisms when machining hard superalloys such as the aeronautical titanium alloys Ti-6Al-4V. Both experimental and numerical research work are devoted on one hand to the understanding of the microscopic damage mechanisms leading to the macroscopic wear of the WC-Co composite and on the other hand, to the influence of the cobalt content on the behavior of the WC-Co taking into account the mechanical-microstructure-damage coupling.On the basis of an experimental analysis, the identification of the macroscopic and microscopic physical phenomena involved at the tool/chip and tool/workpiece contact interfaces was conducted. Machining tests were firstly carried out on the tool-material couple WC-Co/Ti-6Al-4V with different cobalt contents for the tools (from 6 to 15%). In a second step, a tribological characterization of the same tool-material couple was carried out to evaluate the influence of the cobalt content and the contact conditions (sliding speed, applied force) on the friction coefficient and wear. However, the inaccessibility of the contact zones during machining and the tribological tests did not allow a complete description of the wear mechanisms observed, whether macroscopic mechanisms (adhesion, abrasion, deformation, ...), or microscopic mechanisms (cracking, damage of the WC and Co phases). The numerical simulation using finite elements (FE) proved to be a very interesting complementary tool for the analysis of these wear mechanisms.Our modeling strategy focused on the response of WC-Co at the microstructure scale for the thermomechanical loading close to that obtained by machining. The proposed model takes into account the behavior of the WC and Co phases separately and that of the interfaces WC-WC and WC-Co of the composite. This strategy allowed to study and identify parameters influencing the behavior of the microstructure from the elastic stage to the damage initiation. A good agreement was obtained between the results of the numerical behavior at the initiation of damage in the microstructure and those of the experimental observations in terms of the effects of the cobalt content in the tungsten carbide and of the applied machining conditions

L'objectif de cette thèse était de trouver des traitements de surface adéquats pour adapter les propriétés physico-chimiques du carbure de tungstène fritté cobalt (WC-Co) au dépôt de diamant par CVD. Sans traitement, des couches composées de graphite et non de diamant sont obtenues. La première partie de ce travail a consisté à étudier le dépôt par électrochimie des alliages nickel-tungstène sur le WC-Co. Puis, une phase d'étude sur le comportement chimique et électrochimique des ions tungstates a été effectuée. Ces travaux ont montré, en particulier, une réduction en deux étapes monoélectriques pour mener à l'oxyde de tungstène V. Ce dernier matériau possède des propriétés catalytiques vis-à-vis de la réduction du proton. Avec cette phase d'optimisation, la teneur de 20 % at. En tungstène a été atteinte. Néanmoins, les couches de diamant obtenues sur des substrats de carbure de tungstène fritté avec 16 % de cobalt, recouvert de Ni-W, sont de faible qualité, avec une importante présence de carbone graphitique. Le dépôt diamant par HFCVD a montré que la couche la plus adéquate était le niture de titane. Puis par une phase d'étude sur les traitements de surface du substrat et de la couche intermédiaire, des couches de diamant de très bonne qualité ont été obtenues. Enfin, une méthode de brasage de pastilles de diamant a été développée. Avec une brasure Ag-Cu-Ti, le diamant, de 0,5 mm d'épaisseur, adhère très bien au substrat. Les tests tribologiques sur ce composite ont révélé l'inadéquation du diamant type CVD à l'abattage des roches. Par opposition, des tests complémentaires sans choc ont montré la possible utilisation du diamant CVD pour l'usinage des matériaux non ferreux.

Les nanomatériaux sont utilisés dans de nombreux secteurs industriels, et plusieurs produits de consommation contenant des nanomatériaux sont d’ores et déjà commercialisés. Dans ce contexte d’exposition humaine croissante aux nanomatériaux, l’évaluation de leur potentiel génotoxique est d’une importance significative. Cependant, la pertinence des tests classiques de génotoxicité, développés pour des produits non nanoparticulaires, est fréquemment remise en question pour l’évaluation des nanomatériaux. Un témoin positif de référence sous forme nanoparticulaire pourrait donc constituer une avancée importante pour l’évaluation de la génotoxicité des nanomatériaux, permettant de s’assurer que les systèmes d’essais sont appropriés et/ou d’en valider de nouveaux.Dans un premier temps, nous avons étudié la possibilité d’utiliser des nanoparticules de carbure de tungstène – cobalt (WC-Co) commerciales, préalablement caractérisées sur le plan physico-chimique (distribution de taille et charge dans les milieux utilisés), comme témoin positif dans trois essais de génotoxicité in vitro. Le test de mutations géniques au locus thymidine kinase sur cellules de lymphome de souris, le test des micronoyaux étudiant les dommages chromosomiques et le test des comètes détectant les dommages primaires à l’ADN ont ainsi été réalisés, les deux derniers essais dans deux types cellulaires, la lignée de lymphome de souris L5178Y et des cultures primaires de lymphocytes humains. Nos résultats montrent que les nanoparticules de WC-Co pourraient être utilisées comme témoin positif dans ces essais de génotoxicité in vitro, selon le type cellulaire et le schéma de traitement.Nous avons ensuite étudié les mécanismes d’action impliqués dans la génotoxicité des nanoparticules de WC-Co. Le marquage des centromères dans les micronoyaux grâce à la technique d’hybridation in situ en fluorescence (FISH) montre l’implication d’évènements clastogènes et aneugènes. Ces résultats ont été confirmés par un essai d’aberrations chromosomiques sur lymphocytes humains bloqués en métaphase, avec l’observation de cassures de chromatides et de cellules polyploïdes. Par ailleurs, les mécanismes oxydants étant les plus décrits pour les nanomatériaux, nous avons étudié les lésions oxydatives à l’ADN en utilisant le test des comètes in vitro modifié avec l’enzyme de réparation de l’ADN formamidopyrimidine DNA glycosylase (FPG). Nous avons également détecté par résonance paramagnétique électronique une production de radicaux hydroxyles après mise en suspension des nanoparticules de WC-Co en présence et en absence de cellules. Dans le cadre d’études haut-débit des nanoparticules de WC-Co réalisées dans trois lignées cellulaires humaines correspondant aux principaux organes cibles pour les nanomatériaux (la lignée pulmonaire A549, la lignée hépatique Hep3B et la lignée rénale Caki-1), il a été confirmé que le stress oxydant joue un rôle important dans la toxicité des nanoparticules de WC-Co. En effet, la production d’espèces réactives de l’oxygène dans les cellules traitées avec les nanoparticules de WC-Co était corrélée avec l’observation d’une cytotoxicité et de génotoxicité, étudiée à l’aide du test de détection des foyers γH2AX.Finalement, nous avons appliqué les tests de génotoxicité les plus pertinents à l’étude de nanodiamants et de nanocapsules lipidiques, qui constituent des candidats prometteurs pour la vectorisation de principes actifs. Les tests des comètes et des micronoyaux in vitro ont ainsi été réalisés sur d’autres types cellulaires mimant des organes cibles : la lignée intestinale T84 et la lignée bronchique 16-HBE exposées à des nanodiamants de trois tailles différentes et des lymphocytes humains exposés à des nanocapsules lipidiques de 3 tailles et 3 charges différentes
Nanomaterials are used in many industrial sectors, and many nanomaterial-containing consumer products are already available. In this context of increasing human exposure to nanomaterials, the evaluation of their genotoxicity is of significant importance. However, the relevance of routinely used genotoxicity assays, developed for non-nanoparticular products, is often questioned for the evaluation of nanomaterials. A nanoparticulate reference positive control would therefore constitute an important step to a better testing of nanomaterials genotoxicity, ensuring that test systems are actually appropriate and/or allowing the validation of new ones.Firstly, we studied the possibility of using commercially-available tungsten carbide-cobalt (WC-Co) nanoparticles, previously characterized for physicochemical properties (size distribution and charge in used media), as positive control in three in vitro genotoxicity assays. The mouse lymphoma thymidine kinase gene mutation assay, the micronucleus assay studying chromosomal aberrations and the comet assay detecting primary DNA damage were performed. The last two assays were realized in two cell types, the mouse lymphoma cell line L5178Y and primary cultures of human lymphocytes. Our results show that WC-Co nanoparticles could be used as positive control in these in vitro genotoxicity assays, according to cell type and treatment schedule.Secondly, we investigated the mechanisms of action involved in WC-Co nanoparticles genotoxicity. Detection of centromeres in micronuclei using fluorescence in situ hybridization (FISH) show the involvement of both clastogenic and aneugenic activities. This was correlated with the results of a chromosome aberration assay on human lymphocytes blocked in metaphase, showing chromatid breaks and polyploid cells. Moreover, as oxidative mechanisms are the most described for nanomaterials, we studied oxidative DNA damage using the modified in vitro comet assay with the DNA repair enzyme formamidopyrimidine DNA glycosylase (FPG). We also detected a production of hydroxyl radicals using electron paramagnetic resonance in suspensions of WC-Co nanoparticles with and without cells. While performing high-throughput assays on WC-Co nanoparticles in three human cell lines corresponding to the main target organs for nanomaterials (A549 lung cell line, Hep3B liver cell line and Caki-1 kidney cell line) it was confirmed that oxidative stress play a significant role in the toxicity of WC-Co nanoparticles. Indeed, the production of reactive oxygen species in cells exposed to WC-Co nanoparticles was correlated to the observation of cytotoxicity and genotoxicity, studied using the detection of γH2AX foci.Finally, we carried out the most relevant genotoxicity assays to study nanodiamonds and lipid nanocapsules, which constitute promising nanovectors for drug delivery. The in vitro comet and micronucleus assays were performed on other cell types mimicking target organs: the T84 intestinal epithelial cell line and the 16-HBE bronchial epithelial cell line exposed to nanodiamonds of three different sizes, and human lymphocytes exposed to lipid nanocapsules of three different sizes and three different charges

La fréquence des opérations de maintenance lors de l’excavation du sol par les tunneliers est problématique pour les entreprises de travaux publics. Ces opérations de maintenance engendrent des temps morts onéreux et nécessitent l'intervention d'opérateurs dans des conditions de travail hyperbares. Une des raisons aux nombreuses interventions humaines pour la maintenance est l’endommagement des outils racleurs du sol excavé (dents) qui sont placés sur la tête du tunnelier. Ces outils sont sujets à l’usure compte tenu de l’abrasivité des différents milieux qu’ils rencontrent. Le but de cette thèse est de contribuer à augmenter d’au moins 20% la durée de vie des matériaux constitutifs de ces outils, afin de réduire les différentes opérations de maintenance qui exposent les opérateurs à des risques importants. Pour atteindre cet objectif, les investigations menées dans ce travail ont porté sur plusieurs axes. Dans un premier temps, une expertise est menée pour identifier les modes d’endommagement prédominants sur les inserts à base de carbure de tungstène placés sur les dents ; ensuite, de nouveaux matériaux avec des propriétés mécaniques et des microstructures optimisées, développés dans le cadre du projet européen NeTTUN, sont caractérisés sur des bancs d’essais représentatifs. Ces essais ont permis de bien comprendre les mécanismes d’usure des nouveaux matériaux à base de carbure de tungstène. Les résultats de ce travail peuvent ensuite donner lieu à de nouvelles orientations en matière de choix de matériaux pour renforcer les dents de tunnelier
The frequency of maintenance operations during the excavation of the ground by the tunnel boring machines (TBM) is problematic for civil engineering companies. These maintenance operations provoke expensive timeouts and they bring in excavation operators in risky hyperbaric work conditions. One of the reasons which leads to the numerous human interventions for the maintenance is the damage of drag bits located on the cutting wheel of the TBM. These drag bits undergo wear due to the abrasiveness of the various media they meet. The purpose of this thesis is to contribute to increase by 20 % at least the lifetime of the materials of the dag bits, in order to reduce the various maintenance operations which expose the operators to important risks. To achieve this goal, the investigations led in this work concerned several axes. At first, an expertise is led to identify the wear modes prevailing on the carbide inserts located on the drag bits; then, new materials with enhanced mechanical properties and optimized microstructures, developed in the framework of the European project NeTTUN, are characterized on representative lab testing devices. These tests allowed us to understand well the wear mechanisms of the newly developed grades of tungsten carbides. The results of this work can lead to new strategies for the selection of materials to reinforce the drag bits

Le carbure cémenté (WC-Co) est un système biphasé constitué de grains de carbure de tungstène enrobés dans un liant à base de cobalt. Dans ce matériau composite, qui allie donc la dureté du carbure à la résilience du cobalt, la maîtrise de la microstructure est un paramètre clef pour l’optimisation des propriétés mécaniques.Le but de ce travail est de mettre au jour les mécanismes régissant le développement des joint de grain et des joints de phase lors du frittage. L’effet de la teneur en liant, du taux de carbone et du temps de frittage ont été particulièrement étudiés.Ce travail est basée sur la caractérisation du matériau par EBSD (Electron BackScattered Diffraction), une méthode qui facilite la séparation des grains et donc l’utilisation de techniques d’analyse d’image pour étudier la microstructure. En outre un programme basé sur les données d’orientation des grains collectées par EBSD et permettant l’analyse de la texturation des joints de grain et des joints de phase a été développé pour cette étude.L’étude de la contiguité montre qu’elle ne dépend pas du taux de frittage ni de la teneur en carbone du liant, mais essentiellement de la fraction volumique de liant. Cela implique que l’encombrement et l’imbrication des particules sont les principaux paramètres entrant en compte dans l’établissement de la contiguité. Un grossissement plus rapide et plus marqué a été observé dans les échantillons riches en carbone, ainsi que dans ceux présentant un fort taux de liant. Un grossissement anormal a été observé dans les échantillons riches en carbone et à fort taux de liant. La désorientation aux joints de grains est caractérisée par un couple axe/angle décrivant la rotation liant les deux cristaux. L’étude de la distribution des axes a révélé que trois rotations sont particulièrement abondantes : celles autour de [101 ̅0], [21 ̅1 ̅0] et [0001]. Elles représentent environ 30% de la surface totale des joints de grains. Pour chacune des rotations particulières ont été détectées : [101 ̅0]/90°, [21 ̅1 ̅0] / (48°- 60°- 90°) et [0001]/90°. L’étude de la géométrie de ces joints suggère que leur remarquable stabilité est due au fort taux de cohérence dans le plan de joint. L’analyse statistique des plans de joint de grain et de joint de phase montre que la plupart d’entre eux correspond à un plan basal ou prismatique pour au moins l’un des deux grains (70% environ de la surface totale de joint de grain, et 50% environ de la surface totale de joint de phase). Sur la base de ces résultats, un scénario décrivant l’évolution de la microstructure durant le frittage est finalement proposé
WC-Co cemented carbide is a two phase system constituted of a cobalt based binder matrix embedding hard tungsten carbide grains. This material is especially used in fields such as metal cutting or mining, where high mechanical properties are required. Therefore, the microstructure is a key parameter to control to optimize the mechanical properties of the alloy.This work aims at understanding the mechanisms of grain boundary and phase boundary development during sintering, and how they may influence the final microstructure. The effect of the binder content, carbon content and sintering time was especially investigated.Electron BackScattered Diffraction characterization was chosen to conduct this study. First because the precise separation of grains in the resulting images makes possible automation of the measurements, and thus allows a statistical analysis of several microstructural parameters (as grain size, contiguity) on numerous samples. Secondly because orientation data collected by this way make possible the analysis of grain boundary and phase boundary texture. To this end, an automated method was developed for analysis of grain boundaries and estimation of remarkable boundary planes fraction from 2D EBSD measurements.The study of contiguity shows that it does not depend on sintering time or carbon content in the binder, but essentially of the carbide grain volume fraction. This result implies that impingement is the first order parameter in the evolution of contiguity. Grains appear to grow faster and in a larger extent in samples with a carbon rich binder, as well as in high binder content samples. Abnormal grain growth seems to be favored by high binder content in carbon rich samples. All grain boundaries were characterized by a couple of rotation axis and misorientation angle. Three particular rotation axes were identified: [101 ̅0], [21 ̅1 ̅0] and [0001]. They represent around 30% of the total grain boundary surface area. In addition, specific rotations were found to be particularly abundant in the microstructure: [101 ̅0]/90°, [21 ̅1 ̅0] / (48°- 60°- 90°) and [0001]/90°.A study of their geometry suggests that their stability would be due to a particularly coherent boundary plane. A statistical analysis shows that most grain boundaries and phase boundaries have a habit plane parallel to a basal or prismatic plane (about 70% of the total grain boundary surface area and 50% of the total phase boundary area. Finally, a scenario is proposed for the microstructure development model during sintering of cemented carbides on the basis of the results