Polissage carbures cémentés frittés et revêtus (WC-Co) : méthode complète et consommables Akasel
Les carbures cémentés (WC-Co, communément appelés métal dur ou hardmetal) sont parmi les matériaux les plus durs préparés en métallographie courante — la phase WC atteint 2200 HV et la matrice de cobalt liant offre une dureté plus modeste (≈ 300 HV) qui peut être préférentiellement érodée. Cette combinaison crée le défi central : éviter le déchaussement des grains de WC tout en révélant correctement la microstructure (taille moyenne, distribution granulométrique, présence éventuelle de phase η ou de carbures mixtes type WC-TiC-TaC). Pour les nuances revêtues (TiN, TiAlN, AlₓCryNz, Al₂O₃ déposés par CVD ou PVD), s'ajoute la nécessité de préserver l'interface revêtement/substrat sans arrondir le bord de coupe. La méthodologie Akasel AKA-brief #6 utilise une approche en 4 étapes obligatoires, avec un planage diamanté agressif, deux étapes de polissage diamant et une finition silice colloïdale optionnelle. Elle s'applique au contrôle qualité selon ISO 4499 pour la mesure de taille de grain WC et la quantification de la fraction volumique de cobalt.
Caractéristiques métallographiques
- Dureté typique
- 1300–1900 HV30 (WC-Co selon teneur cobalt) · 2200–2500 HV (carbures revêtus TiN/TiAlN/Al₂O₃)
- Normes applicables
- ISO 4499-1 (microstructure) · ISO 4499-2 (mesure taille de grain WC) · ISO 3878 (dureté Vickers) · ISO 28079 (résistance à la rupture)
- Applications industrielles
- Outils de coupe (plaquettes tournage, fraisage)
- Outils de perçage (forets, taraudages)
- Pièces d'usure (matrices d'extrusion, filières)
- Outils de tréfilage (filières diamant cémenté)
- Composants pour forage pétrolier (PDC, outils tricônes)
Les carbures cémentés standards sont des composites WC-Co avec une teneur en cobalt de 3 à 25 % en poids, dictant les propriétés mécaniques : faible cobalt (3–6 %) pour dureté maximale (1900 HV30) et applications coupe ; cobalt élevé (15–25 %) pour ténacité et applications d'usure ou impact. La taille moyenne des grains WC va de 0,2 µm (« ultrafin », pour outils de finition) à 8 µm (« grossier », pour pièces d'usure). Les nuances multi-carbures contiennent en plus du WC des carbures mixtes (Ti,Ta,Nb)C qui forment une phase γ cubique distincte, généralement plus grosse et plus claire à l'observation. Une décarburation pendant le frittage peut faire apparaître la phase η (M₆C ou M₁₂C, généralement Co₃W₃C ou Co₆W₆C) — défaut critique à détecter par métallographie. À l'inverse, une carburation excessive produit du carbone libre (graphite) entre les grains de WC. La taille moyenne de grain WC se mesure par méthode d'intercept selon ISO 4499-2, nécessitant une préparation où chaque grain est nettement délimité — l'attaque chimique étant souvent inutile si le polissage final à la silice est bien exécuté.
Méthode de préparation pas à pas
1Tronçonnage
Le tronçonnage des carbures cémentés exige impérativement un disque diamanté à liant métallique. Tout disque abrasif standard (alumine, SiC, CBN même) sera détruit en quelques coupes. La référence Akasel est l'Aka-Cut 3000 HV pour les nuances dures (HRA ≥ 92), avec une avance très lente (0,01 à 0,03 mm/s, soit 10 fois plus lente que pour un acier) et un débit abondant et continu d'Aka-Cool 5 %. Pour les nuances à plus haute teneur en cobalt (plus tenaces, moins fragiles), l'Aka-Cut 2000 HV offre un meilleur compromis durée de vie/qualité de coupe. Pour les plaquettes amovibles de petit format (< 20 mm), une machine de précision avec disque Aka-Cut 1000 HV 150 mm est très adaptée — la coupe est plus lente mais l'état de surface obtenu réduit considérablement le travail de pré-polissage en aval. Points critiques : (1) ne jamais forcer la coupe — un encrassement du disque peut provoquer une rupture catastrophique du fait de la fragilité intrinsèque du carbure ; (2) maintenir le débit de lubrifiant constant — un échauffement local peut amorcer des fissures intergranulaires invisibles à l'œil ; (3) pour les outils revêtus, orienter la coupe pour préserver une section transversale révélant l'épaisseur du revêtement (typiquement 5 à 20 µm) — la coupe doit être perpendiculaire à la surface revêtue. Le disque diamanté de précision peut suivre une coupe plus complexe sans risque d'écaillement du revêtement.
2Enrobage
L'enrobage des carbures cémentés peut être réalisé indifféremment à chaud ou à froid sans contrainte métallurgique (la cobalt liant est insensible aux cycles thermiques courts d'enrobage). À chaud, l'Aka-Resin Phenolic 2 noire (formulation à haute dureté) est recommandée car elle offre une excellente tenue mécanique pendant les longues étapes de polissage diamant à forte pression (45 N). Cycle 180 °C, 8 min. Pour les nuances multi-carbures avec revêtements à très petite épaisseur (< 5 µm), un enrobage à froid avec Aka-Resin Liquid Epoxy garantit une planéité parfaite et un appui homogène qui limite l'arrondissement de bord — défaut majeur pour la mesure d'épaisseur de revêtement. Pour les pièces avec géométrie complexe (forets coniques, outils avec arête tranchante à conserver), penser à l'imprégnation sous vide qui élimine les bulles d'air entre la pièce et la résine, garantissant un soutien mécanique homogène. La dureté très élevée du WC justifie la résine la plus dure disponible : éviter l'Aka-Resin PP (polypropylène) trop tendre, qui s'érode plus vite que le carbure et crée un sur-relief de la pièce après quelques étapes. Privilégier Phenolic, Epoxy ou résine époxy à froid.
3Pré-polissage
Le pré-polissage des carbures cémentés est inhabituel : on ne passe pas par du papier SiC (inefficace sur WC) mais directement sur disque diamanté rigide à liant métallique. Étape 1 : planage Aka-Piatto 220+, lubrification eau, 300 rpm, force élevée à 40 N (vs 30 N pour les aciers), jusqu'à plan. La force importante est nécessaire pour vaincre la dureté du WC ; ne pas hésiter à prolonger l'étape si la surface présente encore des creux visibles à la loupe x10. Étape 2 (pré-polissage déjà avec grain fin) : drap Aka-Allegran 3 avec suspension DiaUltra 3 µm (et non 9 µm comme pour des matériaux plus tendres), lubrifiant Aka-Lube Blue, 150 rpm, 45 N, 4 minutes. Le saut direct vers 3 µm est possible parce que le Piatto 220+ laisse déjà une surface avec rugosité < 3 µm sur WC du fait de la dureté du matériau. Force élevée (45 N) indispensable pour que le diamant attaque effectivement le WC. Pour les nuances ultrafines (grains WC < 0,5 µm) ou les outils revêtus avec couche TiAlN très dure, on peut allonger cette étape à 5 minutes sans risque de relief excessif. Inspection à la loupe x10 obligatoire avant passage à l'étape suivante : si des grains WC apparaissent encore en relief ou si la matrice cobalt présente des stries d'arrachement, prolonger ou augmenter la lubrification.
4Polissage final et attaque chimique
Le polissage final des carbures cémentés se déroule en deux étapes avec la 4e optionnelle. Étape 3 : drap Aka-Silk (drap court fin en soie synthétique) avec suspension DiaUltra 1 µm, lubrifiant Aka-Lube Blue, 150 rpm, 30 N, 3 minutes. Cette étape efface les rayures de 3 µm et prépare une surface où chaque grain WC est nettement délimité de son voisin. C'est ici que se définit la qualité du contrôle de taille de grain selon ISO 4499-2 : sur un échantillon bien préparé, la frontière de chaque grain est visible nettement en lumière polarisée ou DIC, permettant un comptage automatique par analyse d'image. Étape 4 (optionnelle, recommandée pour les contrôles fins) : drap Aka-Daran avec silice colloïdale 50 nm alcaline, 150 rpm, 20 N, 1 minute seulement (durée courte car la silice alcaline attaque la matrice cobalt plus rapidement que le WC et crée du relief si prolongée). Cette finition révèle d'éventuelles phases secondaires (phase η, carbone libre) et donne le meilleur contraste pour la mesure de fraction volumique cobalt par analyse d'image. Mouiller le drap à l'eau avant démarrage, rincer 10 s à l'eau avant arrêt. Sécher à l'éthanol et flux d'air sec. Pour révéler la microstructure : attaque au réactif de Murakami (10 g K₃Fe(CN)₆ + 10 g KOH + 100 mL eau), immersion 30 s à 3 min selon la nuance. Pour distinguer phase η : réactif spécifique selon nuance (alcaline ferricyanure pour phase η classique).
Attaques chimiques recommandées
Réactif de Murakami (K₃Fe(CN)₆ + KOH + eau) : 30 s à 3 min selon nuance · Réactifs spécifiques pour phase η · Souvent non nécessaire pour mesure de taille de grain selon ISO 4499-2 après silice activée.
Séquence Akasel — récapitulatif (système 300 mm, échantillon Ø 40 mm)
| Étape | Surface | Abrasif | Lubrifiant | Vitesse | Force | Temps |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1. Planage | Aka-Piatto 220+ | Disque diamanté grain 220 | Eau | 300 rpm | 40 N | jusqu'à plan |
| 2. Pré-polissage diamant | Aka-Allegran 3 | DiaUltra 3 µm | Aka-Lube Blue | 150 rpm | 45 N | 4 min |
| 3. Polissage diamant fin | Aka-Silk | DiaUltra 1 µm | Aka-Lube Blue | 150 rpm | 30 N | 3 min |
| 4. Finition (optionnelle) | Aka-Daran | Silice colloïdale 50 nm alcaline | — | 150 rpm | 20 N | 1 min |
Sur système 250 mm, augmenter les temps de 30 %. Sur 200 mm, doubler les temps. Adapter les forces au prorata de la surface réelle si plusieurs échantillons.
Produits Akasel recommandés
Sélection des consommables Akasel utilisés dans cette méthodologie, par ordre d'intervention.
Aka-Cut 3000 HV
Aka-Cut 2000 HV
Aka-Cool
Aka-Resin Phenolic-2, noir
Aka-Resin liquide Epoxy
Aka-Piatto 220+
Aka-Allegran 3
DiaUltra 3 µm
Aka-Silk
DiaUltra 1 µm
Aka-Daran
Aka-Lube bleu
Questions fréquentes
Comment éviter le déchaussement des grains WC dans une nuance à faible cobalt (3 % Co) ?
Quelle norme ISO suivre pour mesurer la taille de grain WC ?
Comment révéler la phase η dans une nuance décarburée ?
Peut-on préparer un revêtement TiAlN sans arrondir l'interface ?
Quelles précautions de sécurité spécifiques aux WC-Co ?
Pour aller plus loin
Source originale (anglais)
Akasel AKA-Brief #6 — carbures cémentés frittés et revêtus (WC-Co) (PDF)Document publié par Akasel A/S, Danemark. Disponible en français sur demande auprès de Metallab.