Резюме: Практическо сравнение на Stellite 6 и Stellite 21, обясняващо как съдържанието на въглерод и волфрам спрямо молибден водят до компромис между твърдост и издръжливост.
Stellite 6 и Stellite 21 са двете износоустойчиви сплави на основата на кобалт, които най-често се сравняват една с друга. Обичайно по подразбиране е да се посочи Stellite 6 винаги, когато има несигурност. Този навик има разумна основа: Stellite 6 има дълга история на приложения, добре документирано поведение и зрял опит в обработката. Но в две ситуации по подразбиране може да въведе ненужен риск: когато частта претърпи бърз термичен цикъл или термичен шок и когато частта има тънки стени или резки промени в сечението.
Stellite 21 съществува до голяма степен, за да се справи с ограничението на издръжливостта на Stellite 6 при тези условия. Разбирането на компромиса между двете е по-полезно от запаметяването кой е „по-добър“.
Разликите в състава водят до разделяне на представянето
Разликата в производителността между тези сплави се свежда до два избора на състав.
Съдържание на въглерод. Stellite 6 носи значително по-високо ниво на въглерод. Съгласно SAE AMS 5387, отливките Stellite 6 имат номинален състав от 60Co-29Cr-4,5W, като въглеродът обикновено е в диапазона 0,9–1,4% за отливките. Повече въглерод означава повече утаяване на твърд карбид, което директно повишава твърдостта и устойчивостта на износване. Stellite 21 има много по-нисък въглерод, с номинален състав от приблизително C ~0,25%, Cr 25–30%, Mo 4,5–6,5%, Ni 1,5–3,5%, баланс Co. По-нисък въглерод означава по-ниска обемна фракция на карбида и микроструктура, доминирана от кобалтовия твърд разтвор матрица.
Волфрам срещу молибден. Stellite 6 използва волфрам (W) като основен усилвател на твърд разтвор; Stellite 21 замества по-голямата част от този волфрам с молибден (Mo). Молибденът има приблизително половината от атомното тегло на волфрама, така че при същия тегловен процент допринася около два пъти повече атоми. Молибденът също има по-силен афинитет към въглерода и има тенденция да насърчава образуването на карбид. В Stellite 21 обаче ниското ниво на въглерод ограничава този ефект и крайният резултат е значително по-ниско общо съдържание на карбид в сравнение със Stellite 6.
Заедно тези две разлики създават два различни профила на ефективност.
Stellite 6: плътност на карбид в замяна на устойчивост на износване
Микроструктурата на Stellite 6 се състои от матрица от твърд разтвор на основата на кобалт със сравнително плътно разпределение на твърди карбидни частици. Тази структура се представя добре при абразивно износване.
Където пасва. Уплътнителните повърхности на клапаните, втулките на помпата, компонентите за обработка на суспензията и общите износващи се части при умерен удар са типични приложения на Stellite 6. Твърдостта му обикновено попада в диапазона Rockwell C 37–45, в зависимост от състоянието на отливката и последващата топлинна обработка, което е достатъчно за повечето проблеми с абразивното износване. В окислителни среди с висока температура, Stellite 6 също образува защитен оксиден слой, базиран главно на Cr2O3 и CoCr2O4, с по-ниска скорост на окисление от Stellite 21.
Къде се появяват границите. Плътността на карбида има страничен ефект: при бърз термичен цикъл или локализиран термичен шок, разликата в термичното разширение между карбидите и матрицата може да се превърне в място за започване на пукнатини. За детайлите с тънък профил по-високото съдържание на въглерод и карбид също може да повиши риска от напукване по време на леене и машинна обработка. Това не означава, че Stellite 6 не може да се използва в тези ситуации, но когато термичната умора е доминиращият режим на повреда, алтернативата трябва да бъде сериозно оценена.
Stellite 21: по-ниско съдържание на карбид в замяна на устойчивост и устойчивост на термична умора
Stellite 21 следва различна логика на дизайна. Неговото ниско съдържание на въглерод и добавянето на молибден рязко намаляват обемната фракция на карбида, оставяйки кобалтовата матрица от твърд разтвор като фазата, която носи механични характеристики.
Пряката последица: твърдостта при стайна температура и чисто абразивната устойчивост на износване са по-ниски от Stellite 6, но здравината, устойчивостта на термичен удар и устойчивостта на термична умора са по-добри. Твърдостта на отлято състояние обикновено се отчита при ниски до средни HRC 30s, под тази на Stellite 6 (точните стойности зависят от формата на продукта и условията на теста — проверете спрямо данните на доставчика, преди да посочите). Неговото предимство не е износването на абразивите, а запазването на структурната цялост при термични цикли.
Където пасва. Stellite 21 се използва в лопатки на газови турбини, вентили за гореща обработка, високотемпературни крепежни елементи и заваръчни покрития, които трябва да буферират несъответствието на топлинното разширение. Когато Stellite 6 служи като горен слой и е необходим междинен слой, Stellite 21 исторически се е използвал като буфер за смекчаване на разликата в термичното разширение между стоманения субстрат и горния слой Stellite 6. Проучване на стоманени субстрати F91 с буферни слоеве Stellite 21, остарели при 550–650°C за до 8760 часа, установи значителна загуба на якост на удар при интерфейса F91/S21, поради което буферните слоеве на базата на никел са все по-предпочитани в това конкретно приложение. Това добре илюстрира позицията на сплавта: нейната стойност се крие в издръжливостта при определени условия, а не в замяната на Stellite 6 навсякъде.
Лесно пренебрегвано ограничение. Stellite 21 има относително ограничена устойчивост на ерозия от твърди частици. Тъй като плътността на карбида е ниска, матрицата предлага по-малко защита, когато остри частици се ударят със скорост. При ерозия под малък ъгъл и силно абразивно износване Stellite 21 обикновено не е най-добрият избор.
Практичен път за избор
Следващият път се основава на работните характеристики на двете сплави. Може да служи като ръководство за първоначален скрининг, но не трябва да замества инженерната оценка на конкретното приложение.
Наклонете се към Stellite 6, когато:
- Доминиращият режим на повреда е абразивно или адхезивно износване, а термичните цикли не са голямо натоварване.
- Частта има дебело сечение и чувствителността към напукване по време на леене и обработка е управляема.
- Работната температура е висока в окислителна атмосфера и защитният оксиден слой е част от дизайна.
- Приложението има установена история на Stellite 6 с данни за неизправности, които да се справят.
Наклонете се към Stellite 21, когато:
- Частта претърпява многократно бързо нагряване и охлаждане и напукването от термична умора е известен риск.
- Частта има тънки стени или резки промени в сечението, а здравината е по-важна от суровата твърдост.
- Необходим е преходен слой между стоманен субстрат и твърда облицовка, за да се буферира несъответствието на топлинното разширение (но трябва да се оцени дългосрочната стабилност при висока температура).
- Механизмът на износване е главно износване при плъзгане метал към метал или кавитация, а не ерозия от твърди частици.
Когато нито едно от двете не е чисто: Ако приложението изисква както висока устойчивост на абразивно износване, така и отлична устойчивост на термична умора, Stellite 12 (по-висок въглерод, по-висока устойчивост на износване) или фамилията Tribaloy от подсилени с интерметали сплави може да си струва да се обмисли или може да се наложи да се обърне внимание на термичното управление на частта на ниво проектиране. Тези насоки надхвърлят това сравнение, но принадлежат към ранен етап на преглед на избора на материали.
Какво да включите в RFQ
Която и сплав да бъде избрана, доставчикът на леене и машинна обработка обикновено се нуждае от следното, преди да може да даде смислена оферта:
- Чертежи на части с основни размери и изисквания за толеранс.
- Условия за обслужване: температурен диапазон, среда и тип натоварване (износване, удар, термичен цикъл).
- Очакван живот или известен режим на повреда, с историческа част при наличие.
- Стандарт на материала, например дали трябва да се спазва AMS 5387 или друга приложима спецификация.
- Количество, тъй като единичните бройки, малките партиди и производствените обеми водят до различни избори на процеси.
За отливките от сплави на основата на кобалт също си струва да потвърдите дали доставчикът разполага с вътрешни възможности от леене до крайна обработка, тъй като тези сплави се втвърдяват значително и прехвърлянето между процесите влияе както на разходите, така и на времето за изпълнение.
