超硬合金には、硬度と強度という 2 つの重要な性能指標があることはよく知られています。これら 2 つの要素は、シーソーのようにバランスをとるのが難しいことがよくあります。ただし、高温合金にレニウムを添加すると、鉄基、ニッケル基、コバルト基の高温合金などの材料の靱性と高温変形抵抗を大幅に向上させることができます。

ハイパーカーバイドの特徴

一般的な超硬合金成分を基礎として構築されたハイパーカーバイド材料には、レニウム、ルテニウム、オスミウム、モリブデン、バナジウム、タンタル、ニオブなどのハイパー合金からの 1 つまたは複数の高融点高温金属成分が組み込まれています。この改良により、従来の超硬合金と比較して、強度、硬度、耐熱性が高いなどの優れた特性を備えています。

微量のレニウムが超硬合金に導入されると、特に顕著な効果が観察されます。この添加により、超硬合金材料の物理的特性、特に赤色硬度と合金の剛性 (弾性率) が大幅に強化および改善されます。レニウムは、超硬合金の既存の結合相金属 (鉄、コバルト、ニッケル系) に固溶強化効果をもたらします。特に、ニッケルベースの高強度合金などの加工が難しい材料の高速切断や精密機械加工の分野で効果を発揮します。 -耐熱合金、耐熱ステンレス鋼、チタン合金、タングステン・モリブデン・タンタル・ニオブ・ジルコニウム・ハフニウム系特殊合金。これら新開発の超硬材料を使用した切削工具や精密金型を採用することにより、従来の工具に比べて圧倒的なコストパフォーマンスを実現します。

レニウムによる超硬性能向上の原理

WC ベースの超硬合金のバインダーにレニウムを添加すると、高温性能が向上することが認識されるようになりました。

図 1 は、9wt% Re + 6wt% Co の条件下での W-Co-Re-C 状態図を概略的に示しています。この図は、文献と実験結果に基づいて、10wt% Co の条件下で再描画された WC-Co の状態図と比較されます。 Re の密度が Co の密度よりも大幅に高いことを考慮すると、9wt% Re と 6wt% Co を含む WC-Co-Re 超硬合金には、10wt% Co を含む WC-Co 材料と体積でほぼ同じ割合の結合相が含まれます。 。

図 1 から、W-Co-Re-C 状態図が W-Co-C 状態図とは異なることは明らかです。 W-Co-Re-C 状態図の特徴は次のとおりです。

まず、W-Co-Re-C 状態図では、すべての融点が高温側にシフトします。したがって、従来の WC-Co 材料と比較して、WC-Co-Re 超硬合金は高温での焼結が必要です。

第 2 に、WC-Co-Re 超硬合金の場合、η 相と遊離炭素を含まない 2 相領域は、炭素含有量が高くなるほど高い方にわずかにシフトします。この変化は比較的小さいですが、WC-Co-Re 超硬合金の調製では依然として考慮する必要があります。 W-Co-Re-C 状態図の二相領域の幅は、W-Co-C 状態図の幅と同様であることに注目してください。

最後に、結合剤にレニウムを添加すると、約 1430°C を超える温度で WC + η 相 + 液相の平衡が存在する領域が大幅に拡大します。これは、中炭素から低炭素および低炭素含有量の WC-Co-Re 超硬合金が焼結温度から急冷されると、熱力学的に安定な WC + Co/Re 混合物に分解せずに、η 相を含む可能性があることを意味します。したがって、焼結後の WC-Co-Re 超硬合金は、η 相の完全な分解を確実にするために、比較的低い冷却速度で冷却する必要があります。

図 2 はこれを示しており、炭素含有量が中程度から低程度の WC-Co-Re のバッチには急速冷却後にカプセル化された η 相が含まれるのに対し、徐冷後には η 相が含まれないことが示されています。

図 3 および 4 は、同じレベルの WC 粉末から調製された従来の WC-Co 材料と比較した、中粒度の WC-Co-Re 超硬合金の典型的な微細構造を示しています。図 3 から、WC-Co-Re 超硬合金の微細構造は、従来の WC-Co 超硬合金の微細構造よりも著しく微細であることが明らかです。したがって、レニウムは WC 粒子の成長の強力な阻害剤として機能し、WC の粗大化プロセスを抑制します。研究結果によると、レニウムは WC/バインダーの粒界に集中する傾向があります。したがって、WC-Co-Re材料におけるWC粒子の成長を阻害する役割は、WC-Co界面における従来の粒子成長阻害剤の阻害作用に類似していると推測できます。

サブミクロンの WC-Co-Re 超硬合金は、高温高圧の部品に一般的に使用されており、粒子の成長を抑制するレニウムの役割が重要です。これは、サブミクロンの WC-Co-Re 超硬合金に従来の粒子成長抑制剤を添加する必要がなくなるため、重要です。図 4 および 5 は、粒子成長阻害剤を含まないサブミクロンの WC-Co-Re 超硬合金の微細構造を示しており、例外的に大きな WC 粒子のない微細で均一な粒子を示しています。この超硬合金の焼結温度は 1520°C で、サブミクロンの WC-Co 合金の一般的な焼結温度よりも著しく高くなります。

超硬WC-Co-Reの性能

研究により、WC-Co-Re超硬合金は高温で大幅に改善された物理的および機械的特性を示すことが明らかになりました。図 6 の曲線は、WC-Co-Re 材料の硬度が、従来の WC-Co 超硬合金と比較して、温度が低下しても (20 ～ 800°C) より安定していることを示しています。 HPHT (高圧高温) コンポーネントの動作温度は 300 °C および 500 °C が一般的です。従来の WC-Co 材料と比較して、WC-Co-Re 超硬合金の硬度は、これら 2 つの温度でほぼ 2 倍減少します。熱硬度の向上は、ニッケルベースの高温合金やその他の発熱材料に使用される工具の製造にとって非常に重要です。これらの工具には、高い熱安定性と機械的堅牢性を備えた刃先が必要です。

図6. 5.5重量の% Co + 3.7重量の% Reを含むサブミクロンのWC-Co-Re超硬合金と、6重量の% Coを含む従来のサブミクロンの超硬合金を比較した場合の温度による硬度の変化

図 6 は、5.5 wt% Co + 3.7 wt% Re を含むサブミクロン WC-Co-Re 超硬合金の温度による硬度の変化を、6 wt% Co を含む従来のサブミクロン超硬合金と比較して示しています。

前述の WC-Co-Re 超硬合金のより高い熱硬度に基づいて、Re 含有超硬合金は改善された高温クリープ耐性を示すと推測できます。実際、図 7 に示すように、WC-Co-Re 超硬合金は、従来の WC-Co 材料よりも大幅に高い荷重下で同じ圧縮応力率値を達成します。これは、Co-Re バインダーが大幅に向上した高温クリープ性能を示していることを示唆しています。

図 7 は、800℃における WC-Co-Re および WC-Co 超硬合金のひずみ速度と圧縮応力の関係を示しています。