Alliages Co-Cr-W vs Co-Cr-Mo : Un alliage cobalt-chrome doit-il utiliser du tungstène ou du molybdène ?

Les alliages cobalt-chrome sont utilisés là où les aciers ordinaires peinent face à l'usure par adhérence, à la corrosion, aux températures élevées ou à des combinaisons de ces mécanismes. Les applications industrielles typiques comprennent les billes et sièges de vannes, les bagues, les composants pour le travail à chaud, les pièces d'extrusion, les dépôts de rechargement et les surfaces d'usure localisées.

Cependant, « alliage cobalt-chrome » n'est pas une spécification de matériau complète.

L'ajout de tungstène, de molybdène, de carbone, de nickel, de silicium et de fer peut modifier considérablement la microstructure et le comportement en service de l'alliage. La voie de fabrication est également importante. On ne doit pas s'attendre à ce qu'un composant Co-Cr-W coulé, une pièce en métallurgie des poudres Co-Cr-Mo et un dépôt de rechargement cobalt soudé se comportent de manière identique, même si leurs analyses chimiques semblent similaires.

L'une des questions les plus importantes en matière de sélection de matériaux est de savoir si le tungstène ou le molybdène doit fournir l'effet de renforcement supplémentaire principal.

Les deux éléments peuvent renforcer une matrice riche en cobalt et participer à la formation de carbures. Leurs effets ne sont néanmoins pas interchangeables.

Cet article explique :

• Les rôles du cobalt et du chrome
• Comment le tungstène modifie les alliages Co-Cr
• Comment le molybdène modifie les alliages Co-Cr
• Pourquoi la teneur en carbone influence les deux systèmes
• Comment les voies de coulée, de poudre et de soudage modifient le résultat
• Quelles données de service doivent guider la sélection des alliages
• Comment spécifier la chimie et les exigences d'inspection
• Quelles informations envoyer avec une demande de prix (RFQ)

L'architecture de base d'un alliage cobalt-chrome

Les alliages industriels de cobalt résistants à l'usure contiennent couramment une matrice riche en cobalt et des phases dures dispersées.

Le cobalt fournit la matrice de base. Le chrome assure la résistance à la corrosion et à l'oxydation et participe également à la formation de carbures. Le carbone contrôle la quantité et le type de carbure qui peuvent se former. Le tungstène ou le molybdène peuvent renforcer la matrice, modifier la chimie des carbures et influencer le comportement à température élevée.

La microstructure peut inclure :

• Phases de matrice cubique à faces centrées ou hexagonale compacte, riches en cobalt
• Carbures riches en chrome
• Carbures contenant du tungstène ou du molybdène
• Constituants eutectiques dans les régions interdendritiques
• Phases intermétalliques dans certaines compositions ou historiques thermiques
• Régions ségrégées créées lors de la solidification
• Oxydes ou inclusions introduits par le traitement

ASM International souligne que la structure, les propriétés et le comportement à l'usure des alliages de cobalt dépendent à la fois de la composition chimique et de la voie de fabrication. Les alliages de cobalt peuvent être coulés, forgés, soudés en rechargement ou consolidés par des procédés de métallurgie des poudres.
Source : ASM — Friction and Wear of Cobalt-Base Alloys.

Ce que fait le tungstène dans un alliage Co-Cr-W

Le tungstène est un élément réfractaire lourd avec un point de fusion élevé. Dans les alliages cobalt-chrome, il peut contribuer par le durcissement par solution solide et la participation à la formation de carbures durs ou de phases complexes.

Durcissement par solution solide

Les atomes de tungstène sont beaucoup plus gros et plus lourds que les atomes de cobalt. Lorsque le tungstène se dissout dans la matrice riche en cobalt, la différence de taille atomique crée une contrainte de réseau qui rend le mouvement des dislocations plus difficile.

Cela peut soutenir :

• La résistance de la matrice
• La résistance à la déformation plastique
• Dureté à chaud
• La résistance à l'usure par adhérence et au grippage
• Le support de charge sous les phases de carbure dur

L'effet utile dépend de la quantité de tungstène restant en solution plutôt que d'être concentré dans des carbures ou des régions ségrégées.

Carbures contenant du tungstène

Lorsque le carbone est suffisant, le tungstène peut participer à la formation de carbures. Selon la chimie complète et les conditions de solidification, l'alliage peut contenir des carbures riches en chrome, des carbures riches en tungstène ou des carbures mixtes complexes.

Les carbures durs peuvent améliorer la résistance à l'usure en résistant à :

• La micro-coupure
• Le labourage de surface
• La déformation des jonctions adhésives
• L'indentation locale
• La pénétration de particules abrasives

Cependant, les carbures doivent être adéquatement supportés par la matrice. Une fraction élevée de carbure dans une matrice faible ou fortement ségrégée peut entraîner des fissures et l'arrachement des carbures.

Résistance à haute température

Le tungstène a une faible diffusivité et peut contribuer à la résistance à haute température et à la stabilité structurelle. Cela rend les alliages Co-Cr-W attrayants pour l'usure à chaud, la coupe à chaud et les applications de vannes ou d'étanchéité à haute température.

Le résultat doit toujours être validé à la température réelle. L'oxydation, le cyclage thermique, le fluage, la dilatation thermique et la contrainte de contact peuvent dominer les performances même lorsque la dureté à température ambiante est élevée.

Conséquences sur la densité et le traitement

Le tungstène est considérablement plus dense que le molybdène. Des additions importantes de tungstène peuvent donc augmenter la densité du composant ou de la couche déposée.

Le tungstène peut également augmenter :

• La difficulté de manipulation du métal en fusion
• Le risque de ségrégation compositionnelle
• La sensibilité à la dissolution incomplète
• La difficulté d'usinage
• Le coût des matières premières
• Le besoin d'un contrôle de processus rigoureux

Un pourcentage nominal de tungstène n'est pas une preuve suffisante que l'élément est uniformément réparti dans une grande pièce coulée.

Ce que fait le molybdène dans un alliage Co-Cr-Mo

Le molybdène est également un élément d'alliage réfractaire. Il peut renforcer la matrice de cobalt, participer à la formation de carbures et influencer le comportement à la corrosion.

Renforcement de la matrice

Le molybdène dissous dans la matrice riche en cobalt peut entraver le mouvement des dislocations et améliorer la résistance de la matrice.

Une recherche comparant les alliages CoCrNi, CoCrW et CoCrMo produits par métallurgie des poudres a révélé que le nickel, le tungstène et le molybdène produisaient des équilibres de phases, des valeurs de dureté et des réponses à l'usure à haute température différents. L'étude a également révélé que le coefficient de friction ne prédisait pas directement le taux d'usure.

Étant donné que les échantillons ont été produits par métallurgie des poudres avec des compositions et des conditions de test spécifiques, le classement ne doit pas être transféré directement aux pièces moulées au sable ou aux dépôts soudés.
Source : Effet du Ni, W et Mo sur les alliages de matrice CoCr.

Formation de carbures

Le molybdène peut entrer dans des carbures complexes et modifier leur distribution, leur morphologie et leur stabilité. Comme pour le tungstène, l'effet dépend fortement du carbone et du chrome.

Le molybdène ne crée pas de résistance à l'usure indépendamment. Son bénéfice dépend de la façon dont le traitement thermique ou la voie de solidification créent :

• Une matrice adéquatement renforcée
• Une population de carbures utile
• Une morphologie de carbure acceptable
• Une formation limitée de phases fragiles
• Une liaison matrice-carbure appropriée

Corrosion et passivation

Le chrome est normalement l'élément de passivation principal dans les alliages cobalt-chrome. Le molybdène peut modifier le comportement du film passif et améliorer la résistance dans certains environnements contenant des chlorures ou réducteurs.

Une étude sur le Co-30Cr-6Mo dans une solution contenant des chlorures et des bicarbonates a montré que le chrome et le molybdène supprimaient la dissolution du cobalt et produisaient un comportement passif de type chrome.

L'étude a utilisé une solution physiologique simulée, et non une boue industrielle ou un procédé acide. Ses résultats démontrent un mécanisme mais ne qualifient pas un alliage pour les services miniers, chimiques ou pétroliers. Des tests réels avec le fluide de procédé peuvent encore être nécessaires.
Source : Passivation and Corrosion Behaviours of Cobalt and Co-Cr-Mo Alloy.

Ductilité et support de matrice

Certains systèmes Co-Cr-Mo peuvent offrir un équilibre favorable entre la résistance de la matrice, la ductilité et le support des carbures. Cela peut réduire la tendance des particules dures à se détacher sous contact glissant.

Cependant, le Co-Cr-Mo n'est pas automatiquement plus résistant que tous les alliages Co-Cr-W. Le carbone, les défauts de coulée, le traitement thermique, l'épaisseur de la section et la température de test peuvent inverser un classement apparent.

Tendances de sélection Co-Cr-W et Co-Cr-Mo

Ce sont des tendances d'ingénierie, pas des classements garantis.

Une étude de 2020 a révélé des comportements de friction et d'usure différents entre les alliages CoCrW et CoCrMo produits par poudre, de la température ambiante à 1000°C. Une étude distincte sur des alliages dentaires spécifiques Co-Cr-Mo et Co-Cr-W-Mo a montré que le matériau Co-Cr-Mo testé avait une meilleure résistance à l'usure dans ses conditions particulières.

Inversement, des recherches sur les dépôts de soudure CoCrMo et CoCrW sur un substrat superalliage ont rapporté des différences dépendant des conditions en fatigue et en usure à haute température.

Ces résultats renforcent un principe central : les classements de performance dépendent de la composition exacte, de la voie de fabrication, de la microstructure et de la méthode de test.
Sources : CoCr Matrix Alloy Study, Co-Cr-Mo and Co-Cr-W-Mo Precipitation Study, and CoCrMo vs CoCrW Welding Deposits.

Le carbone peut être plus important que l'étiquette W ou Mo

Le tungstène et le molybdène ne peuvent pas être évalués sans le carbone.

Le carbone contrôle la quantité potentielle de formation de carbure. Un alliage à plus faible teneur en carbone peut dépendre davantage du durcissement par solution solide et du comportement de la matrice. Un alliage à plus haute teneur en carbone peut contenir une fraction de carbure plus importante et une dureté plus élevée, mais une ductilité réduite.

La teneur correcte en carbone dépend du composant et du mécanisme de défaillance.

Un siège de vanne exposé à l'usure par adhérence, à la corrosion et au contact d'étanchéité ne nécessite pas le même équilibre matrice-carbure qu'une couche de rechargement exposée à l'abrasion minérale.

Le Co-Cr-W n'est pas la même chose que le carbure cémenté WC-Co

Le terme « alliage tungstène-cobalt » peut prêter à confusion.

Un alliage Co-Cr-W coulé ou déposé contient du cobalt comme matrice principale avec du chrome, du tungstène, du carbone et d'autres additions.

Le carbure cémenté WC-Co est un système de matériau différent. Il se compose principalement de particules de carbure de tungstène liées par une plus petite quantité de cobalt. Il est généralement produit par des procédés de métallurgie des poudres et de frittage.

Les matériaux diffèrent par leur composition, leur fraction de phase, leur traitement, leur ténacité, leur réparabilité et leur coût. Ils ne doivent jamais être considérés comme interchangeables car ils contiennent tous deux du cobalt et du tungstène.

La voie de fabrication modifie l'alliage

Coulée à cire perdue ou au sable

La coulée crée une structure de solidification dendritique. Le tungstène, le molybdène, le chrome et le carbone peuvent se ségréger entre les cœurs de dendrites et les régions interdendritiques.

Les contrôles de coulée importants comprennent :

• Identité du matériau de charge
• Chimie du métal en fusion
• Pratique de désoxydation
• Température de coulée
• Matériau du moule
• Vitesse de solidification
• Contrôle de l'alimentation et du retrait
• Transitions d'épaisseur de section
• Traitement thermique
• Marge d'usinage

Les changements importants de section peuvent créer différentes vitesses de refroidissement et morphologies de carbure au sein d'un même composant.

Métallurgie des poudres

Les voies de poudre peuvent fournir :

• Particules de départ plus fines
• Comportement de ségrégation différent
• Meilleur contrôle de la géométrie proche de la forme finale
• Distribution potentiellement uniforme
• Risques de porosité résiduelle différents
• Exposition différente aux oxydes

Un résultat obtenu à partir d'un échantillon de recherche en métallurgie des poudres ne doit pas être supposé pour une coulée conventionnelle.

Soudage et rechargement

Le rechargement introduit des variables supplémentaires :

• Dilution du métal de base
• Vitesse de refroidissement
• Épaisseur du dépôt
• Nombre de couches
• Température de préchauffage et interpasse
• Contrainte résiduelle
• Zone affectée par la chaleur
• Gaz de protection
• Tolérance aux fissures
• Traitement post-soudage

AWS A5.21/A5.21M couvre la classification des électrodes et baguettes nues pour le rechargement. L'édition actuelle de 2024 comprend des classifications à base de cobalt. La classification du métal d'apport décrit la chimie du consommable ou du dépôt non dilué ; elle ne garantit pas à elle seule la chimie de la couche finale diluée.
Source : AWS A5.21/A5.21M:2024.

Projection thermique, HVOF, PTA et revêtement laser

Une poudre d'alliage de cobalt peut être utilisée pour différents procédés de dépôt, mais la taille des particules, la morphologie et la chimie doivent correspondre à l'équipement.

Le revêtement final dépend de :

• Distribution granulométrique de la poudre
• Sphéricité et fluidité
• Teneur en oxygène
• Apport de chaleur
• Vitesse des particules
• Dilution
• Porosité
• Teneur en oxydes
• Force d'adhérence
• Méthode de finition

Une poudre adaptée à un procédé ne doit pas être automatiquement utilisée dans un autre.

Adapter l'alliage au mécanisme de défaillance

Usure par adhérence et grippage

Pour le glissement métal-métal, demandez :

• Quel est le matériau de la contre-face ?
• La lubrification est-elle disponible ?
• Quelle est la pression de contact ?
• Le glissement est-il continu ou oscillant ?
• Le grippage est-il la défaillance principale ?
• La surface doit-elle maintenir une étanchéité ?

Un alliage Co-Cr-W peut être attrayant pour la dureté à chaud et la résistance au grippage, mais la sélection finale doit inclure la finition de surface et la compatibilité avec la contre-face.

Usure abrasive

Pour l'abrasion minérale ou par particules, enregistrez :

• Dureté de l'abrasif
• Taille et forme des particules
• Vitesse de glissement
• Pression de contact
• Énergie d'impact
• Condition humide ou sèche

Un alliage de cobalt à haute teneur en carbure peut résister à l'abrasion, mais peut devenir vulnérable si la population de carbures est trop grossière ou mal supportée.

Usure par corrosion

L'usure par corrosion ne peut pas être prédite par un test de dureté à sec.

Fournir :

• Chimie du fluide
• pH
• Concentration en chlorures
• Espèces contenant du soufre
• Température
• Concentration des solides
• Vitesse d'écoulement
• Conditions d'arrêt et de nettoyage

Le molybdène peut être utile dans certains environnements corrosifs, mais des tests de laboratoire devraient reproduire le fluide réel lorsque les conséquences de la défaillance sont importantes.

Usure à haute température

Pour le service à chaud, inclure :

• Température normale et maximale du métal
• Vitesse de chauffage et de refroidissement
• Atmosphère
• Condition oxydante ou réductrice
• Exposition au soufre, au carbone ou aux halogènes
• Contrainte de contact
• Fréquence du cycle thermique

Une teneur élevée en tungstène n'élimine pas l'oxydation, la fatigue thermique ou le fluage.

Exigences d'inspection pour les alliages de cobalt

Le plan d'inspection doit définir les emplacements de test et les critères d'acceptation avant la production.

Questions à inclure dans une RFQ Co-Cr-W ou Co-Cr-Mo

Fournir :

• Nom du composant et numéro de pièce
• Modèle d'équipement
• Dessin coté
• Voie de fabrication requise
• Désignation actuelle de l'alliage
• Rapport de composition chimique actuel
• Norme générique souhaitée ou spécification client
• Température normale et maximale
• Mécanisme d'usure
• Pression de contact et vitesse de glissement
• Niveau d'impact
• Milieu corrosif et concentration
• Matériau de la contre-face
• Condition de lubrification
• Plage de dureté requise
• Finition de surface usinée
• Tolérances dimensionnelles et géométriques
• Exigences NDT
• Emplacements d'échantillonnage de la chimie
• Quantité
• Destination de livraison
• Photographies du composant défaillant
• Données de service actuelles et mode de défaillance

Évitez de demander « l'alliage le plus riche en tungstène » ou « dureté maximale » sans données d'exploitation. Une teneur en alliage plus élevée peut augmenter le coût et la fragilité sans résoudre la défaillance réelle.

Pages pertinentes d'EB Castings

Pour les composants en alliage de cobalt moulé, voir :

• Billes et sièges d'anneau en alliage cobalt-chrome
• Pièces moulées sur mesure en alliage à base de cobalt

Pour les surfaces d'usure déposées, voir :

• Poudre d'alliage à base de cobalt pour PTA, HVOF et revêtement laser
• Fil de rechargement en alliage de cobalt

Pour plus d'informations, lisez :

• Alliage cobalt chrome molybdène
• Performance et résistance à l'usure des alliages à base de cobalt

Ces pages décrivent différents produits et procédés. L'alliage et le procédé doivent être confirmés à partir du dessin du client, des conditions de service et des exigences d'acceptation.

Limites d'ingénierie et de sécurité

Cet article fournit des conseils généraux sur la sélection des matériaux. Il n'établit pas que le Co-Cr-W ou le Co-Cr-Mo est universellement supérieur.

La sélection finale des matériaux reste la responsabilité du propriétaire de l'équipement, de l'ingénieur responsable, de l'acheteur et du fabricant dans le cadre d'une spécification convenue.

La coulée, le meulage, l'usinage, la projection thermique et le soudage de matériaux contenant du cobalt peuvent générer de la poussière ou des fumées de cobalt. Le NIOSH identifie l'inhalation, l'ingestion et le contact cutané ou oculaire comme voies d'exposition à la poussière et aux fumées de métal de cobalt et classe le système respiratoire et la peau parmi les organes cibles.

Utilisez une évaluation documentée de l'hygiène industrielle, un confinement du processus ou une ventilation par aspiration locale, un entretien ménager approprié et un équipement de protection individuelle spécifique à la tâche. La sélection du respirateur doit être basée sur l'exposition mesurée et un programme de protection respiratoire applicable.
Sources : NIOSH Pocket Guide — Cobalt Metal Dust and Fume et NIOSH Local Exhaust Ventilation for Welding.

Foire aux questions

Le tungstène est-il toujours meilleur pour l'usure à haute température ?

Non. Le tungstène peut soutenir la dureté à chaud et la résistance de la matrice, mais l'oxydation, la morphologie des carbures, la fatigue thermique et la voie de fabrication contrôlent également les performances.

Le molybdène est-il toujours meilleur pour la corrosion ?

Non. Le molybdène peut bénéficier à la passivation dans certains environnements, mais la teneur en chrome, la chimie du fluide, la température et l'élimination mécanique du film restent importantes. Testez le milieu de procédé réel lorsque le risque de corrosion est important.

Le tungstène et le molybdène peuvent-ils être substitués en poids ?

Non. Ils ont des masses atomiques, des comportements de carbure, des partitions et des effets de traitement différents. La substitution nécessite une refonte et une qualification de l'alliage.

Une dureté plus élevée signifie-t-elle une meilleure résistance à l'usure ?

Pas nécessairement. L'usure dépend également du support des carbures, de la ténacité, du mode de friction, de la température, de la corrosion et du matériau de la contre-face.

Un analyseur XRF peut-il confirmer l'alliage complet ?

La fluorescence X peut aider à identifier le cobalt, le chrome, le tungstène et le molybdène, mais elle ne peut généralement pas fournir le résultat de carbone nécessaire au contrôle des carbures. Utilisez une méthode d'analyse du carbone appropriée.

Les pièces moulées et les dépôts de rechargement sont-ils équivalents ?

Non. Les pièces moulées se solidifient en tant que composants complets. Les dépôts de rechargement sont affectés par la dilution, l'épaisseur de la couche, le refroidissement et le métal de base.

Devrions-nous spécifier un nom de marque ou une composition chimique ?

Dans la mesure du possible, spécifiez une classification générique reconnue ou une chimie et un plan d'acceptation convenus. Les noms de marque peuvent couvrir différentes formes ou variantes historiques.

EB Castings peut-il recommander du W ou du Mo à partir d'un simple dessin ?

Le dessin définit la géométrie, mais les données de service sont également nécessaires. Fournissez le mécanisme d'usure, la température, le milieu, la charge, la contre-face et les informations sur la défaillance actuelle.

Conclusion

Le tungstène et le molybdène sont tous deux des ajouts précieux aux alliages cobalt-chrome, mais ils résolvent des problèmes métallurgiques différents.

Le tungstène peut contribuer à un fort durcissement par solution solide, à une dureté à chaud et à des phases dures contenant du tungstène. Il peut également augmenter la densité, la sensibilité à la ségrégation et la difficulté d'usinage.

Le molybdène peut renforcer la matrice riche en cobalt, participer à la formation de carbures et soutenir le comportement à la corrosion dans certains environnements. Son bénéfice dépend toujours du chrome, du carbone, du traitement thermique et de la voie de fabrication.

La bonne question d'ingénierie n'est pas :

« Le tungstène est-il meilleur que le molybdène ? »

C'est :

« Quelle combinaison de chimie de matrice, de structure de carbure et de procédé de fabrication répond le mieux aux conditions documentées d'usure, de corrosion et de température ? »

Envoyez les dessins, la chimie actuelle, les photographies des pièces défaillantes et les données d'exploitation via la page de contact EB Castings ou par e-mail à cast@ebcastings.com.

Toutes les exigences relatives aux alliages, aux procédés et aux inspections doivent être confirmées avant la cotation et la fabrication.

Références

1. ASM International. Cobalt and Cobalt Alloys.
2. ASM International. Friction and Wear of Cobalt-Base Alloys.
3. Li et al. Effect of Ni, W and Mo on CoCr Matrix Alloys.
4. Jenko et al. Influence of Precipitation Hardening on Co-Cr-Mo and Co-Cr-W-Mo Alloys.
5. Li et al. Microstructure and High-Temperature Properties of CoCrMo and CoCrW Welding Deposits.
6. AWS. AWS A5.21/A5.21M:2024—Bare Electrodes and Rods for Surfacing.
7. NIOSH. Cobalt Metal Dust and Fume.