È noto che esistono due importanti indicatori di prestazione per le leghe di metalli duri: durezza e resistenza. Questi due fattori sono spesso difficili da bilanciare, proprio come un’altalena. Tuttavia, l’aggiunta di renio alle leghe ad alta temperatura può aumentare significativamente la tenacità e la resistenza alla deformazione ad alta temperatura dei materiali, comprese le leghe ad alta temperatura a base di ferro, nichel e cobalto.

Caratteristiche dell'ipercarburo

I materiali ipercarburi, costruiti sulla base di costituenti generali di leghe di metalli duri, incorporano uno o più componenti metallici refrattari ad alta temperatura provenienti da iperleghe, come renio, rutenio, osmio, molibdeno, vanadio, tantalio, niobio, ecc. Questa modifica conferisce caratteristiche eccezionali tra cui maggiore robustezza, durezza e resistenza alla temperatura rispetto alle tradizionali leghe di metalli duri.

Un effetto particolarmente notevole si osserva quando tracce di renio vengono introdotte nelle leghe di metalli duri. Questa aggiunta aumenta e migliora significativamente le proprietà fisiche dei materiali in lega di metalli duri, in particolare in termini di durezza rossa e rigidità della lega (modulo elastico). Il renio applica un solido effetto di rafforzamento della soluzione ai metalli in fase legante esistenti (serie di ferro, cobalto, nichel) nelle leghe di metalli duri, in particolare nel campo del taglio ad alta velocità e della lavorazione di precisione di materiali difficili da lavorare come l'alto contenuto di nichel -leghe termiche, acciai inossidabili resistenti al calore, leghe di titanio, leghe speciali della classe tungsteno-molibdeno-tantalio-niobio-zirconio-afnio. L'utilizzo di utensili da taglio e stampi di precisione realizzati con questi materiali in ipercarburo di nuova concezione presenta uno straordinario vantaggio in termini di costi e prestazioni, sostituendo in modo notevole gli utensili convenzionali.

Il principio del miglioramento del renio nelle prestazioni del carburo

Le persone sono arrivate a riconoscere che l'aggiunta di renio al legante delle leghe di metalli duri a base di WC può migliorare le loro prestazioni alle alte temperature.

La Figura 1 illustra schematicamente il diagramma di fase W-Co-Re-C in condizioni di 9wt% Re + 6wt% Co. Questo diagramma, basato sulla letteratura e risultati sperimentali, viene confrontato con un diagramma di fase ridisegnato di WC-Co in condizioni di 10wt% Co. Considerando che la densità del Re è significativamente superiore a quella del Co, la lega di metallo duro WC-Co-Re con 9wt% Re e 6wt% Co contiene quasi la stessa proporzione di fase legante in termini di volume del materiale WC-Co con 10wt% Co .

Dalla Figura 1, è evidente che il diagramma di fase W-Co-Re-C differisce dal diagramma di fase W-Co-C. Di seguito le caratteristiche del diagramma di stato W-Co-Re-C:

Innanzitutto, nel diagramma di stato W-Co-Re-C, tutti i punti di fusione si spostano verso temperature più elevate. Pertanto, rispetto ai tradizionali materiali WC-Co, le leghe metalliche dure WC-Co-Re richiedono la sinterizzazione a temperature più elevate.

In secondo luogo, per le leghe di metalli duri WC-Co-Re, la regione a due fasi senza la fase η e il carbonio libero si sposta leggermente verso l'estremità superiore con contenuti di carbonio più elevati. Questo cambiamento è relativamente minore ma deve ancora essere considerato nella preparazione delle leghe di metalli duri WC-Co-Re. Vale la pena notare che la larghezza delle regioni a due fasi nel diagramma di fase W-Co-Re-C è simile a quella nel diagramma di fase W-Co-C.

Infine, l'aggiunta di renio al legante espande notevolmente la regione in cui esiste l'equilibrio WC + fase η + fase liquida a temperature superiori a circa 1430°C. Ciò implica che se le leghe metalliche dure WC-Co-Re a medio-basso contenuto di carbonio e a basso contenuto di carbonio vengono rapidamente raffreddate dalla temperatura di sinterizzazione, potrebbero contenere la fase η invece di decomporsi in miscele WC + Co/Re termodinamicamente stabili. Pertanto, le leghe di metalli duri WC-Co-Re post-sinterizzazione devono essere raffreddate a velocità di raffreddamento relativamente basse per garantire la completa decomposizione della fase η.

La Figura 2 illustra ciò, mostrando che i lotti di WC-Co-Re con contenuto di carbonio da medio a basso contengono la fase η incapsulata dopo un raffreddamento rapido, mentre non contengono la fase η dopo un raffreddamento lento.

Le figure 3 e 4 presentano le microstrutture tipiche della lega metallica dura WC-Co-Re a grana media, rispetto ai tradizionali materiali WC-Co preparati con lo stesso livello di polvere WC. Dalla Figura 3, è evidente che la microstruttura della lega di metallo duro WC-Co-Re è notevolmente più fine di quella della tradizionale lega di metallo duro WC-Co. Pertanto, il renio funge da potente inibitore della crescita dei grani di WC, frenando il processo di ingrossamento del WC. Secondo i risultati della ricerca, il renio tende a concentrarsi ai confini del grano WC/legante. Pertanto, si può dedurre che il ruolo di inibire la crescita dei grani WC nei materiali WC-Co-Re è analogo all’azione inibitoria dei tradizionali inibitori della crescita dei grani alle interfacce WC-Co.

Le leghe di metalli duri WC-Co-Re sub-micron sono comunemente utilizzate in componenti ad alta temperatura e alta pressione, dove il ruolo del renio nell'inibire la crescita del grano è cruciale. Ciò è significativo in quanto elimina la necessità di aggiungere inibitori convenzionali della crescita del grano alle leghe di metalli duri WC-Co-Re sub-micron. Le Figure 4 e 5 raffigurano la microstruttura della lega di metallo duro WC-Co-Re sub-micron senza inibitori della crescita dei grani, esibendo particelle fini e uniformi senza grani WC eccezionalmente grandi. La temperatura di sinterizzazione per questa lega di metallo duro è 1520°C, notevolmente superiore alla temperatura di sinterizzazione tipica per le leghe WC-Co submicroniche.

Prestazioni dell'ipercarburo WC-Co-Re

La ricerca ha rivelato che le leghe di metalli duri WC-Co-Re presentano proprietà fisiche e meccaniche significativamente migliorate alle alte temperature. Le curve in Figura 6 indicano che la durezza del materiale WC-Co-Re rimane più stabile al diminuire della temperatura (20-800°C) rispetto alle tradizionali leghe metalliche dure WC-Co. Temperature di esercizio di 300°C e 500°C sono comuni per i componenti HPHT (High Pressure High Temperature). Rispetto ai materiali WC-Co convenzionali, a queste due temperature la durezza della lega metallica dura WC-Co-Re si riduce di quasi due volte. Una maggiore durezza termica è fondamentale per la produzione di strumenti utilizzati per leghe ad alta temperatura a base di nichel o altri materiali che generano calore. Questi utensili richiedono taglienti con elevata stabilità termica e robustezza meccanica.

Fig. 6. La variazione della durezza con la temperatura confrontando il carburo cementato WC-Co-Re submicronico contenente il 5,5% di % Co + 3,7% di % Re con il tradizionale carburo cementato submicronico contenente il 6% di % Co

La Figura 6 illustra la variazione della durezza con la temperatura per la lega di metallo duro WC-Co-Re di dimensioni inferiori al micron contenente 5,5 wt% Co + 3,7 wt% Re, rispetto alla tradizionale lega di metallo duro sub-micrometrico con 6 wt% Co.

Sulla base della maggiore durezza termica precedentemente menzionata della lega di metallo duro WC-Co-Re, si può dedurre che le leghe di metallo duro contenenti ricontenenti presentano una migliore resistenza allo scorrimento alle alte temperature. Infatti, come illustrato nella Figura 7, la lega di metallo duro WC-Co-Re raggiunge lo stesso valore di tasso di sollecitazione di compressione sotto un carico significativamente più elevato rispetto al materiale WC-Co convenzionale. Ciò suggerisce che il legante Co-Re dimostra prestazioni di scorrimento alle alte temperature significativamente migliorate.

La Figura 7 illustra la relazione tra la velocità di deformazione e lo stress di compressione per le leghe di metalli duri WC-Co-Re e WC-Co a 800°C.