Người ta đều biết rằng có hai chỉ số hiệu suất quan trọng đối với hợp kim kim loại cứng: độ cứng và độ bền. Hai yếu tố này thường khó cân bằng, giống như một cái bập bênh. Tuy nhiên, việc bổ sung rheni vào hợp kim chịu nhiệt độ cao có thể tăng cường đáng kể độ dẻo dai và khả năng chống biến dạng ở nhiệt độ cao của vật liệu, bao gồm hợp kim chịu nhiệt độ cao gốc sắt, gốc niken và gốc coban.

Đặc điểm của hyper carbide

Vật liệu siêu cacbua, được chế tạo trên nền tảng hợp kim kim loại cứng nói chung, kết hợp một hoặc nhiều thành phần kim loại chịu nhiệt độ cao từ hợp kim siêu cứng, chẳng hạn như rheni, rutheni, osmi, molypden, vanadi, tantali, niobi, v.v. Sự biến đổi này mang lại các đặc tính đặc biệt bao gồm độ bền, độ cứng và khả năng chịu nhiệt cao hơn so với các hợp kim kim loại cứng thông thường.

Một hiệu ứng đặc biệt đáng chú ý được quan sát thấy khi một lượng nhỏ rheni được đưa vào hợp kim kim loại cứng. Sự bổ sung này làm tăng cường và cải thiện đáng kể các tính chất vật lý của vật liệu hợp kim kim loại cứng, đặc biệt là về độ cứng đỏ và độ cứng của hợp kim (mô đun đàn hồi). Rheni áp dụng hiệu ứng tăng cường dung dịch rắn cho các kim loại pha liên kết hiện có (sắt, coban, niken) trong hợp kim kim loại cứng, đặc biệt là trong lĩnh vực cắt tốc độ cao và gia công chính xác các vật liệu khó gia công như hợp kim chịu nhiệt độ cao gốc niken, thép không gỉ chịu nhiệt, hợp kim titan, hợp kim đặc biệt loại vonfram-molypden-tantalum-niobi-zirconium-hafni. Việc sử dụng các công cụ cắt và khuôn chính xác được làm từ các vật liệu siêu cacbua mới phát triển này mang lại lợi thế về hiệu suất chi phí phi thường, thay thế các công cụ thông thường theo một cách đáng chú ý.

Nguyên lý tăng cường Rhenium trong hiệu suất cacbua

Mọi người đã nhận ra rằng việc thêm rheni vào chất kết dính của hợp kim kim loại cứng gốc WC có thể nâng cao hiệu suất chịu nhiệt độ cao của chúng.

Hình 1 mô tả sơ đồ pha W-Co-Re-C trong điều kiện 9wt% Re + 6wt% Co. Sơ đồ này, dựa trên tài liệu và kết quả thực nghiệm, được so sánh với sơ đồ pha được vẽ lại của WC-Co trong điều kiện 10wt% Co. Xem xét rằng mật độ của Re cao hơn đáng kể so với Co, hợp kim kim loại cứng WC-Co-Re với 9wt% Re và 6wt% Co chứa tỷ lệ pha chất kết dính gần như giống nhau về mặt thể tích như vật liệu WC-Co với 10wt% Co.

Từ Hình 1, có thể thấy rõ rằng biểu đồ pha W-Co-Re-C khác với biểu đồ pha W-Co-C. Sau đây là các đặc điểm của biểu đồ pha W-Co-Re-C:

Đầu tiên, trong sơ đồ pha W-Co-Re-C, tất cả các điểm nóng chảy đều dịch chuyển về phía nhiệt độ cao hơn. Do đó, so với vật liệu WC-Co truyền thống, hợp kim kim loại cứng WC-Co-Re đòi hỏi phải thiêu kết ở nhiệt độ cao hơn.

Thứ hai, đối với hợp kim kim loại cứng WC-Co-Re, vùng hai pha không có pha η và cacbon tự do dịch chuyển nhẹ về phía đầu cao hơn ở hàm lượng cacbon cao hơn. Sự dịch chuyển này tương đối nhỏ nhưng vẫn cần được xem xét trong quá trình chế tạo hợp kim kim loại cứng WC-Co-Re. Cần lưu ý rằng chiều rộng của vùng hai pha trong sơ đồ pha W-Co-Re-C tương tự như trong sơ đồ pha W-Co-C.

Cuối cùng, việc bổ sung rheni vào chất kết dính làm mở rộng đáng kể vùng mà trạng thái cân bằng của pha WC + η + pha lỏng tồn tại ở nhiệt độ trên khoảng 1430°C. Điều này ngụ ý rằng nếu hợp kim kim loại cứng WC-Co-Re có hàm lượng carbon trung bình đến thấp và hàm lượng carbon thấp được làm nguội nhanh từ nhiệt độ thiêu kết, chúng có thể chứa pha η thay vì phân hủy thành hỗn hợp WC + Co/Re ổn định về mặt nhiệt động lực học. Do đó, hợp kim kim loại cứng WC-Co-Re sau khi thiêu kết phải được làm nguội ở tốc độ làm nguội tương đối thấp để đảm bảo phân hủy hoàn toàn pha η.

Hình 2 minh họa điều này, cho thấy các lô WC-Co-Re có hàm lượng carbon trung bình đến thấp chứa pha η được bao bọc sau khi làm nguội nhanh, trong khi chúng không chứa pha η sau khi làm nguội chậm.

Hình 3 và 4 trình bày các cấu trúc vi mô điển hình của hợp kim kim loại cứng WC-Co-Re hạt trung bình, so với các vật liệu WC-Co truyền thống được chế tạo từ cùng một mức bột WC. Từ Hình 3, rõ ràng là cấu trúc vi mô của hợp kim kim loại cứng WC-Co-Re mịn hơn đáng kể so với hợp kim kim loại cứng WC-Co truyền thống. Do đó, rheni đóng vai trò là chất ức chế mạnh sự phát triển của hạt WC, hạn chế quá trình thô hóa của WC. Theo các phát hiện nghiên cứu, rheni có xu hướng tập trung tại ranh giới hạt WC/chất kết dính. Do đó, có thể suy ra rằng vai trò ức chế sự phát triển của hạt WC trong vật liệu WC-Co-Re tương tự như tác dụng ức chế của các chất ức chế phát triển hạt truyền thống tại các giao diện WC-Co.

Hợp kim kim loại cứng WC-Co-Re dưới micron thường được sử dụng trong các thành phần nhiệt độ cao và áp suất cao, trong đó vai trò của rheni trong việc ức chế sự phát triển của hạt là rất quan trọng. Điều này rất quan trọng vì nó loại bỏ nhu cầu phải thêm chất ức chế sự phát triển của hạt thông thường vào hợp kim kim loại cứng WC-Co-Re dưới micron. Hình 4 và 5 mô tả cấu trúc vi mô của hợp kim kim loại cứng WC-Co-Re dưới micron không có chất ức chế sự phát triển của hạt, thể hiện các hạt mịn và đồng đều mà không có hạt WC đặc biệt lớn. Nhiệt độ thiêu kết cho hợp kim kim loại cứng này là 1520°C, cao hơn đáng kể so với nhiệt độ thiêu kết thông thường đối với hợp kim WC-Co dưới micron.

Hiệu suất của WC-Co-Re siêu cacbua

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng hợp kim kim loại cứng WC-Co-Re thể hiện các tính chất vật lý và cơ học được cải thiện đáng kể ở nhiệt độ cao. Các đường cong trong Hình 6 chỉ ra rằng độ cứng của vật liệu WC-Co-Re vẫn ổn định hơn khi nhiệt độ giảm (20-800°C) so với hợp kim kim loại cứng WC-Co truyền thống. Nhiệt độ hoạt động 300°C và 500°C là phổ biến đối với các thành phần HPHT (Áp suất cao nhiệt độ cao). So với vật liệu WC-Co thông thường, độ cứng của hợp kim kim loại cứng WC-Co-Re giảm gần hai lần ở hai nhiệt độ này. Độ cứng nhiệt tăng lên rất quan trọng đối với các công cụ sản xuất được sử dụng cho hợp kim nhiệt độ cao gốc niken hoặc các vật liệu sinh nhiệt khác. Các công cụ này yêu cầu các lưỡi cắt có độ ổn định nhiệt cao và độ bền cơ học.

Hình 6. Sự thay đổi độ cứng theo nhiệt độ khi so sánh cacbua xi măng WC-Co-Re dưới micron chứa 5,5 wt % Co + 3,7 wt % Re với cacbua xi măng dưới micron truyền thống chứa 6 wt % Co

Hình 6 minh họa sự thay đổi độ cứng theo nhiệt độ của hợp kim kim loại cứng WC-Co-Re dưới micron chứa 5,5 wt% Co + 3,7 wt% Re, so với hợp kim kim loại cứng dưới micron truyền thống có 6 wt% Co.

Dựa trên độ cứng nhiệt cao hơn đã đề cập trước đó của hợp kim kim loại cứng WC-Co-Re, có thể suy ra rằng hợp kim kim loại cứng chứa Re thể hiện khả năng chống biến dạng ở nhiệt độ cao được cải thiện. Trên thực tế, như được mô tả trong Hình 7, hợp kim kim loại cứng WC-Co-Re đạt được cùng giá trị tốc độ ứng suất nén dưới tải trọng cao hơn đáng kể so với vật liệu WC-Co thông thường. Điều này cho thấy chất kết dính Co-Re thể hiện hiệu suất biến dạng ở nhiệt độ cao được cải thiện đáng kể.

Hình 7 minh họa mối quan hệ giữa tốc độ biến dạng và ứng suất nén đối với hợp kim kim loại cứng WC-Co-Re và WC-Co ở nhiệt độ 800°C.