Carbure de tungstène
Modèle:Infobox Chimie Le carbure de tungstène est un composé chimique de formule WC. Il s'agit d'une céramique réfractaire ultradure, avec une raideur environ le double de celle de l'acier et un module de Young d'environ Modèle:Unité/2. 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 [[Alumine|α-Modèle:Fchim]], 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 Modèle:Tmp et un point d'ébullition d'environ Modèle:Tmp à pression atmosphérique<ref name="978-1-4377-7869-4">{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Richard P. Pohanish, Sittig's Handbook of Toxic and Hazardous Chemicals and Carcinogens, Modèle:6e, Elsevier, 2012, Modèle:P.. Modèle:ISBN</ref>. Sa conductivité thermique vaut Modèle:Unité/2<ref name="978-0-08-044301-0">{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Peter J. Blau, Wear of Materials, Elsevier, 2003, Modèle:P.. Modèle:ISBN</ref> et son coefficient de dilatation thermique est de Modèle:Unité/2<ref name="10.1007/978-3-319-00524-9.p3">{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Alexey S. Kurlov et Aleksandr I. Gusev, Tungsten Carbides: Structure, Properties and Application in Hardmetals, Springer Science & Business Media, 2013, Modèle:P.. Modèle:DOI Modèle:ISBN Modèle:LCCN</ref>.
C'est un matériau très dur, avec une dureté Vickers d'environ Modèle:Nombre<ref name="978-0-470-46700-8">{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Mikell P. Groover, Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, John Wiley & Sons, 2010, Modèle:P.. Modèle:ISBN</ref>, et de 9 sur l'échelle de Mohs. Il présente un module d'Young d'environ Modèle:Unité/2<ref name="978-0-08-044301-0"/>,<ref name="10.1007/978-3-319-00524-9.p3"/>,<ref name="978-0-470-46700-8"/>,<ref name="978-1-84628-669-8">{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} François Cardarelli, Materials Handbook: A Concise Desktop Reference, Springer Science & Business Media, 2008, Modèle:P.. Modèle:ISBN</ref>, un module d'incompressibilité de Modèle:Unité/2, un module de cisaillement de Modèle:Unité/2<ref name="10.1007/978-3-319-00524-9.p30">{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Alexey S. Kurlov et Aleksandr I. Gusev, Tungsten Carbides: Structure, Properties and Application in Hardmetals, Springer Science & Business Media, 2013, Modèle:P.. Modèle:DOI Modèle:ISBN Modèle:LCCN</ref>, une résistance à la traction de Modèle:Unité/2<ref name="978-1-84628-669-8"/>, une résistance à la compression de Modèle:Unité/2 et un coefficient de Poisson 0,31<ref name="10.1007/978-3-319-00524-9.p30"/>.
La faible résistivité électrique du carbure de tungstène, d'environ Modèle:Unité/2, est comparable à celle de certains métaux comme le vanadium<ref name="0-8155-1300-3">{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Hugh O. Pierson, Handbook of Chemical Vapor Deposition (CVD): Principles, Technology, and Applications, William Andrew Inc., 1992. Modèle:ISBN</ref>,<ref name="81-265-1045-5">{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Charles Kittel, Introduction to Solid State Physics, Modèle:7e, Wiley-India, 1995. Modèle:ISBN</ref>.
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 PModèle:Surlignerm2 (Modèle:N°, symbole de Pearson hP2)<ref name="10.1007/978-3-319-00524-9.p22">{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Alexey S. Kurlov et Aleksandr I. Gusev, Tungsten Carbides: Structure, Properties and Application in Hardmetals, Springer Science & Business Media, 2013, Modèle:P.. Modèle:DOI Modèle:ISBN Modèle:LCCN</ref>,<ref name="0-19-855370-6">{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} A. F. Wells, Structural Inorganic Chemistry, Modèle:5e, Oxford Science Publications, 1984. Modèle:ISBN</ref>. 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<ref name="0-19-855370-6" />. Il est possible de déduire la longueur des liaisons dans le cristal à partir de la maille cristalline, ce qui donne Modèle:Unité/2 entre atomes de tungstène dans les couches hexagonales, Modèle:Unité/2 au minimum entre atomes de tungstène de couches adjacentes, et Modèle:Unité/2 pour la liaison tungstène–carbone<ref name="10.1007/BF01189609"> Modèle:Article</ref>. Cette dernière est semblable à celle de Modèle:Unité/2 observée dans l'hexaméthyltungstène Modèle:Fchim, qui présente une géométrie prismatique trigonale fortement distordue<ref name="10.1002/(SICI)1521-3765(19980904)4:9"> Modèle:Article</ref>.
Il existe également une forme cubique, dite bêta (β-WC), stable à température élevée, ayant une structure cristalline de type halite<ref name="10.1111/j.1151-2916.1965.tb14731.x"> Modèle:Article</ref>.
La molécule WC existe à l'état gazeux et présente une longueur de liaison mesurée à Modèle:Unité/2 pour le 184W12C<ref name="10.1063/1.1427068"> Modèle:Article</ref>.
Propriétés chimiques
Il existe deux composés de tungstène et de carbone bien caractérisés : le carbure de tungstène WC et le semicarbure de tungstène Modèle:Fchim. Ces deux composés peuvent être présents comme revêtements, et leur proportion peut dépendre de la méthode de dépôt<ref name="10.1361/105996398770350954"> Modèle:Article</ref>.
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 Modèle:Abréviation et Modèle:Abréviation<ref name="10.1007/BF02659015"> Modèle:Article</ref>.
Le carbure de tungstène commence à s'oxyder à partir de Modèle:Tmp. Il résiste aux acides et n'est attaqué que par des mélanges d'acide fluorhydrique HF et d'acide nitrique Modèle:Fchim à chaud<ref name="0-8155-1300-3"/>. Il réagit avec le fluor Modèle:Fchim à température ambiante et avec le chlore Modèle:Fchim au-dessus de Modèle:Tmp. Il demeure chimiquement inerte vis-à-vis de l'hydrogène Modèle:Fchim sec jusqu'à son point de fusion<ref name="0-8155-1300-3"/>. Les poudres de carbure de tungstène finement divisé s'oxydent rapidement dans les solutions de peroxyde d'hydrogène Modèle:Fchim<ref name="10.1007/BF02659015" />. À températures et pressions élevées, il réagit avec le carbonate de calcium Modèle:Fchim pour former du tungstate de sodium Modèle:Fchim, 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 Modèle:Tmp sous vide ou dans une atmosphère d'hydrogène :
Pour obtenir des blocs de WC, on chauffe un mélange tungstène-carbone dans un tube en carbone ou un four haute fréquence à environ Modèle:Tmp<ref name="INCHEM"> Modèle:Lien web.</ref>.
La production commence généralement à partir de minerai de tungstène, de déchets en tungstène, de scheelite, d'acide tungstique Modèle:Fchim ou de paratungstate d'ammonium Modèle:Fchim. 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 Modèle:Tmp par l'hydrogène. Les particules métalliques sont cémentées à Modèle:Tmp. Cette méthode est utilisée pour les poudres fines avec une taille de particule moyenne de Modèle:Unité/2<ref name="INCHEM"/> :
- [[Acide tungstique|Modèle:Fchim]] + 3 [[Dihydrogène|Modèle:Fchim]] ⟶ W + 4 [[Eau|Modèle:Fchim]] ;
- 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<ref name="INCHEM"/> :
- (1) [[Trioxyde de tungstène|Modèle:Fchim]] + 4 C ⟶ WC + 3 CO ;
- (2) [[Acide tungstique|Modèle:Fchim]] + 4 C ⟶ WC + 3 CO + [[Eau|Modèle:Fchim]] ;
- (3) [[paratungstate d'ammonium|Modèle:Fchim]] + 48 C ⟶ 12 WC + 10 [[Ammoniac|Modèle:Fchim]] + 10 [[Eau|Modèle:Fchim]] + 36 CO ;
- (4) [[Tungstate de calcium|Modèle:Fchim]] + 4 C ⟶ WC + CaO + 3 CO.
Le tungstène et l'oxyde de tungstène(IV) Modèle:Fchim peuvent également être combinés au carbone avec des gaz tels que le monoxyde de carbone CO et le méthane Modèle:Fchim<ref name="INCHEM"/> :
- [[Oxyde de tungstène(IV)|Modèle:Fchim]] + [[Méthane|Modèle:Fchim]] ⟶ WC + 2 [[Eau|Modèle:Fchim]].
Du carbure de tungstène très fin peut être formé par réaction de tungstène ou de résidus de tungstène avec du chlore Modèle:Fchim, puis par réduction avec de l'hydrogène Modèle:Fchim, et enfin par traitement avec le carbone :
- W + 3 [[Dichlore|Modèle:Fchim]] ⟶ [[Hexachlorure de tungstène|Modèle:Fchim]] ;
- [[Hexachlorure de tungstène|Modèle:Fchim]] + 3 [[Dihydrogène|Modèle:Fchim]] ⟶ W + 6 HCl ;
- W + C ⟶ WC.
Applications
Outils de coupe pour usinage et perçage
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<ref name="978-0-07-008769-9">{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Rao, Manufacturing Technology, Modèle:Vol., 2E, Tata McGraw-Hill Education, 2009, Modèle:P.. Modèle:ISBN</ref>,<ref name="978-0-87170-545-7">{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Joseph R. Davis, ASM International Handbook Committee, Tool materials, ASM International, 2005, Modèle:P.. Modèle:ISBN</ref>. 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 Modèle:Fchim 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<ref name="78-0-7603-0847-9">{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Roger Ford, Germany's Secret Weapons in World War II, Zenith Imprint, 2000, Modèle:P.. Modèle:ISBN</ref>,<ref name="978-1-84176-798-7">{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Steven J. Zaloga, US Tank and Tank Destroyer Battalions in the ETO 1944–45, Osprey Publishing, 2005, Modèle:P.. Modèle:ISBN</ref>. 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
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<ref name="NASA"> Modèle:Lien web.</ref>.
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 Modèle:Langue utilisée pour le bombardement d'Hiroshima.
Un accident de criticité est survenu au laboratoire national de Los Alamos le Modèle:Nobr 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 Modèle:Unité plus tard la mort d'Harry Daghlian Jr., alors chercheur du projet Manhattan, à la suite d'un syndrome d'irradiation aiguë<ref name="LAS Criticity">{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Kevin N. Roark, « Criticality accidents report issued », laboratoire national de Los Alamos, Modèle:Nobr</ref>,<ref name="978-0-8061-3891-6">{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Jon Hunner, Inventing Los Alamos, 2004 Modèle:ISBN.</ref>.
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 Modèle:Unité 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<ref name="10.1155/2016/8164524"> Modèle:Article</ref>.
Crampons et clous pour l'adhérence
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<ref name="978-0-07-143010-4">{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Craig Connally, The mountaineering handbook: modern tools and techniques that will take you to the top, McGraw-Hill Professional; 2004, Modèle:P.. Modèle:ISBN</ref>.
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<ref name="978-0-913875-02-5">{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Richard Hermance, Snowmobile and ATV accident investigation and reconstruction, Lawyers & Judges Publishing Company, 2006, Modèle:P.. Modèle:ISBN</ref>.
Les crampons en carbure de tungstène sur les pneus neige de voiture, de moto et de vélo, destinés à assurer l'adhérence sur la glace, offrent une meilleure résistance à l'usure que les pointes en acier<ref name="978-0-7603-4000-4">{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Ron Hamp, Eric Gorr et Kevin Cameron, Four-Stroke Motocross and Off-Road Performance Handbook, MotorBooks International, 2011, Modèle:P.. Modèle:ISBN</ref>. De la même manière, le carbure de tungstène peut être utilisé dans le ferrage des chevaux pour améliorer l'adhérence des fers sur les surfaces glissantes comme les routes ou la glace.
Divers
Des recherches ont porté sur l'utilisation du carbure de tungstène comme catalyseur, mettant en lumière des analogies avec le platine dans la catalyse de la production d'eau à partir d'hydrogène et d'oxygène à température ambiante, la réduction du trioxyde de tungstène Modèle:Fchim par l'hydrogène en présence d'eau, l'isomérisation du 2,2-diméthylpropane (néopentane Modèle:Fchim) en 2-méthylbutane (isobutane Modèle:Fchim)<ref name="10.1126/science.181.4099.547"> Modèle:Article</ref>.
Le carbure de tungstène a été proposé comme substitut à l'iridium comme catalyseur de la décomposition de l'hydrazine Modèle:Fchim dans les micropropulseurs des satellites de télécommunication<ref name="10.1023/A:1019059410876"> Modèle:Article</ref>.
En BTP, ce matériau est notamment utilisé dans la réfection de route avec les raboteuses de chaussées : la raboteuse à pics est équipée de rotors à haute résistance plantés de pointes en carbure de tungstène qui tournent à grande vitesse, les pointes très dures attaquant la chaussée.
Il est présent en insert à l'extrémité des pointes à tracer de qualité utilisées par les chaudronniers pour tracer sur la tôle ainsi que par les carreleurs pour marquer la coupe des carreaux de faïence.
Il constitue la bille des stylos bic.
Inconvénients
Par sa très grande stabilité (mise en évidence par sa densité et sa résistance mécanique), le carbure de tungstène est très difficile à recycler. Il est néanmoins possible de le faire grâce au « procédé au zinc » qui permet de séparer les constituants et donc de retrouver de la poudre de tungstène et de la poudre de carbone. Ce procédé nécessite une importante quantité d'énergie et est donc très coûteux.
L'autre problème du carbure de tungstène est sa toxicité, les outils en carbure de tungstène contenant souvent du cobalt (qui joue le rôle de liant, à hauteur de quelques pourcents). Celui-ci, nocif pour le corps humain, peut être présent dans des microparticules de carbure inhalées et rester pendant un temps très long dans le système respiratoire, impliquant une toxicité à long terme et des risques de cancer. Modèle:Référence nécessaire.
