碳化钨-钴硬质合金是一种具有高硬度、高抗磨损性和高耐腐蚀性的材料。它主要由碳化钨（WC）颗粒和钴（Co）金属相组成。碳化钨是一种非常硬的陶瓷材料，具有极高的硬度和耐磨性。然而，单独的碳化钨脆性较高，难以加工和使用。因此，为了提高其韧性和可加工性，碳化钨通常与钴粉末一起混合，并经过高温烧结工艺进行烧结而成。钴在碳化钨颗粒之间起到结合剂的作用，增加了合金的韧性和可塑性。钴还有助于提高合金的抗腐蚀性能，使其更适用于各种恶劣环境条件下的应用。碳化钨钴硬质合金具有许多优异的性能，包括极高的硬度、优异的耐磨性、优秀的抗腐蚀性、较高的热稳定性和化学稳定性。这使得它成为广泛应用于切削工具、矿山工具、模具、钻头、研磨材料等领域的重要材料。

碳化钨钴铼系硬质合金则代表了一类新型的硬质合金材料，具有显著增加的杨氏模量、高温硬度和高温蠕变抗性。溶解在基于Co的粘结剂中的铼对于液相烧结过程中WC晶粒长大具有很强的抑制作用。WC-Co-Re硬质合金的杨氏模量、高温硬度和高温蠕变抗性均高于传统的WC-Co硬质合金。由于其独特的性能，WC-Co-Re材料可用于合成金刚石和立方氮化硼的高压高温部件，以及切削镍基高温合金和其他发热工件材料。

铼在碳化钨-钴系硬质合金中的强化效应

1、WC-Co-Re硬质合金的高温性能

人们已经充分认识到，在WC基硬质合金的粘结剂中添加铼可以改善其高温性能。

图1以示意图的方式展示了9wt% Re + 6wt% Co条件下的W-Co-Re-C相图，该图基于文献和实验结果，与重绘的10wt% Co条件下的WC-Co相图进行了比较。考虑到Re的密度显著高于Co，含有9wt% Re和6wt% Co的WC-Co-Re硬质合金与含有10wt% Co的WC-Co材料相比，从体积上来说，几乎具有相同比例的粘结相。

从图1可以看出，W-Co-Re-C相图与W-Co-C相图有所不同。以下是W-Co-Re-C相图的特点：

图1  9 wt% Re + 6 wt% Co的W-Co-Re-C相图(红线)与10 wt% Co的W-Co-C相图(黑线)

首先，W-Co-Re-C相图中所有的熔点都向高温方向移动。因此，与传统的WC-Co材料相比，WC-Co-Re硬质合金需要在更高的温度下烧结。

其次，对于WC-Co-Re硬质合金，不包含η相和自由碳的两相区在较高的碳含量下略微向高端移动。这个移动相对较小，但在制备WC-Co-Re硬质合金时仍需考虑其影响。需要注意的是，W-Co-Re-C相图中两相区的宽度与W-Co-C相图中的相似。

最后，铼对粘结剂的添加明显扩展了在温度高于约1430°C时WC + η相 + 液相平衡存在的区域。这意味着如果将中低碳和低碳含量的WC-Co-Re硬质合金从烧结温度快速冷却，它们可能会包含η相，而不会分解为热力学上稳定的WC + Co/Re混合物。因此，烧结后的WC-Co-Re硬质合金必须以相对较低的冷却速率冷却，以确保η相的完全分解。

图2说明了这一点，其中显示了具有中低碳含量的WC-Co-Re批次在快速冷却后含有η相的包裹体，而在缓慢冷却后则不含η相。

图2 在用不同冷却速度从烧结温度(1520°C)下降到1300°C的条件下:（a -冷却速度为4度/分钟，b -冷却速度为0.5度/分钟），含9wt % Re + 6wt % Co，总碳含量为5.45 wt%的中晶WC-Co-Re硬质合金的微观结构

图3和图4展示了中粒度WC-Co-Re硬质合金的典型显微结构，与从相同级别的WC粉末制备的传统WC-Co材料进行了比较。从图3可以看出，WC-Co-Re硬质合金的显微结构明显比传统WC-Co硬质合金细致。因此，铼充当了强力的WC晶粒生长抑制剂，抑制了WC粗化过程。根据研究结果，铼会富集在WC/粘结剂晶界处。因此，可以推测，在WC-Co-Re材料中抑制WC晶粒生长的作用类似于传统晶粒生长抑制剂在WC-Co晶界偏析的抑制作用。

图3 在1520℃烧结，然后缓慢冷却至1250℃的条件下，中晶WC-10%Co硬质合金(左)和中晶WC-Co-Re(含9wt % Re + 6wt %Co)硬质合金(右)的显微组织

亚微米级WC-Co-Re硬质合金通常用于高温高压组件，而铼的晶粒生长抑制作用对于制备这类型的硬质合金非常重要，因为不需要向细颗粒WC-Co-Re硬质合金中添加传统的晶粒生长抑制剂。图4和图5展示了不含晶粒生长抑制剂的亚微米WC-Co-Re硬质合金的显微结构，其颗粒细小且均匀，并且不包含异常大的WC颗粒。这种硬质合金的烧结温度为1520°C，明显高于通常用于烧结亚微米级WC-Co级别的温度。

图4 含有9 wt% Re + 6 wt% Co的中晶WC-Co-Re硬质合金(左)和含有5.5 wt% Re + 3.7 wt% Co的亚微米WC-Co-Re硬质合金(右)的显微组织

图5 含有5.5 wt% Re + 3.7 wt% Co的亚微米WC-Co-Re硬质合金的显微组织

2.WC-Co-Re硬质合金的力学性能

研究发现，WC-Co-Re硬质合金在高温下具有显著改善的物理力学性能。图6中的曲线表明，WC-Co-Re材料的硬度随温度（20-800°C）的降低比传统WC-Co硬质合金更为稳定。300°C和500°C是HPHT部件常用的操作温度，与常规WC-Co材料相比，WC-Co- Re硬质合金在这两个温度下的硬度降低了近两倍。热硬度提高，对于制造用于镍基高温合金或其他产生热量的材料的加工工具来说至关重要，因为这些工具需要具有拥有高热稳定性和机械稳定性的切削刃。

图6 在比较含有5.5 wt% Co+3.7 wt% Re的亚微米级WC-Co-Re硬质合金与含有6 wt% Co的传统亚微米级硬质合金时，硬度随温度变化的情况

根据上面提到的WC-Co-Re硬质合金具有明显更高的热硬度，可以推测含Re的硬质合金具有改善的高温蠕变抗性。实际上，如图7所示，WC-Co- Re硬质合金在明显高于常规WC-Co材料的载荷下获得了相同的压缩应力率值，这表明Co-Re粘结剂具有显著提高的高温蠕变性能。，表明Co-Re黏结剂具有明显改善的高温蠕变抗性。

图7 800℃时WC-Co- Re和WC-Co硬质合金应变速率与压缩应力的关系

超级硬质合金合金材料的应用展望

尽管铼粉价格高昂，从而导致WC-Co-Re硬质合金的生产成本较高，但它们仍然可以应用在在一些领域，特别是在高温性能起决定性作用的领域，比如：用于合成金刚石和立方氮化硼的高压高温组件，以及制造用于加工高温材料和其他产热工件材料的切削工具。

在高温高压应用中，WC-CoRe硬质合金杨氏模量的增加也应发挥重要作用。众所周知，高温高压组件在操作后可完全回收。而WC-Co-Re硬质合金也可以像常规WC-Co材料一样回收利用，因此WC-Co-Re硬质合金中所含的铼可以被多次回收再利用。因此，虽然铼的价格高昂，但是若要使用WC-Co-Re硬质合金来制造高温高压组件，其实只需要在初期投入大量资金，就能够将其应用于合成金刚石和立方氮化硼上。

CBN立方氮化硼单晶材料

众所周知，用于加工高温合金和其他产热工件材料的切削工具会受到极高的切削温度的影响。考虑到WC-Co-Re硬质合金级别显著增加的高温硬度，它们可以有效地用于加工镍和钴基高温合金。WC-Co-Re硬质合金在这种应用中的另一个优点是可以制备亚微米级和超细级，而无需使用传统的WC晶粒生长抑制剂，因为铼具有非常强的晶粒生长抑制作用，可以确保获得具有极细和均匀显微结构的切削刀片。

硬质合金刀具

本文参考文献：

WC-Co-Re-cemented-carbides-Structure-properties-and-potential

作者：I. Konyashin, S. Farag, B. Ries, B.Roebuck