sažetak: Praktično poređenje Stellite 6 i Stellite 21, objašnjavajući kako sadržaj ugljika i volframa naspram molibdena utiču na kompromis između tvrdoće i žilavosti.
Stelit 6 i Stelit 21 su dvije legure na bazi kobalta koje se najčešće uspoređuju jedna s drugom. Uobičajeno zadano je da se navede Stellite 6 kad god postoji nesigurnost. Ta navika ima razumnu osnovu: Stellite 6 ima dugu istoriju primene, dobro dokumentovano ponašanje i zrelo iskustvo obrade. Ali u dvije situacije zadano može uvesti nepotreban rizik: kada dio doživljava brzi termički ciklus ili termalni udar, i kada dio ima tanke zidove ili nagle promjene presjeka.
Stelit 21 uglavnom postoji kako bi se riješio ograničenje žilavosti Stellite 6 u tim uvjetima. Razumijevanje kompromisa između njih dvoje korisnije je od pamćenja koji je „bolji“.
Razlike u kompoziciji utiču na podjelu performansi
Razlika u performansama između ovih legura svodi se na dva izbora kompozicije.
Sadržaj ugljika. Stelit 6 ima značajno veći nivo ugljenika. Prema SAE AMS 5387, odljevci Stellite 6 imaju nominalni sastav od 60Co-29Cr-4,5W, sa ugljikom koji je tipično u rasponu od 0,9-1,4% za livene proizvode. Više ugljenika znači više taloženja tvrdog karbida, što direktno povećava tvrdoću i otpornost na habanje. Stelit 21 ima mnogo niži ugljik, sa nominalnim sastavom od otprilike C ~0,25%, Cr 25–30%, Mo 4,5–6,5%, Ni 1,5–3,5%, balans Co. Niži ugljik znači niži volumni udio karbida i mikrostrukturu kojom dominira matrica čvrstog rastvora kobalta.
Volfram naspram molibdena. Stellite 6 koristi volfram (W) kao glavni učvršćivač čvrste otopine; Stelit 21 zamjenjuje većinu tog volframa molibdenom (Mo). Molibden ima otprilike polovinu atomske težine volframa, tako da u istom procentu težine doprinosi otprilike dvostruko više atoma. Molibden također ima jači afinitet prema ugljiku i teži stvaranju karbida. U Stellite 21, međutim, niska razina ugljika ograničava taj učinak, a neto rezultat je znatno niži ukupni sadržaj karbida od Stellite 6.
Zajedno, ove dvije razlike proizvode dva različita profila performansi.
Stelit 6: gustina karbida u zamjenu za otpornost na habanje
Mikrostruktura Stellite 6 sastoji se od matrice čvrstog rastvora na bazi kobalta sa relativno gustom distribucijom čestica tvrdog karbida. Ova struktura dobro radi pod abrazivnim habanjem.
Gde stane. Zaptivne površine ventila, čahure pumpe, komponente za rukovanje muljom i općeniti dijelovi koji se troše pod umjerenim udarom su tipične primjene Stellite 6. Njegova tvrdoća obično pada u rasponu Rockwell C 37–45, ovisno o stanju livenja i naknadnoj toplinskoj obradi, što je dovoljno za većinu problema abrazivnog trošenja. U oksidirajućim okruženjima visoke temperature, Stelit 6 također formira zaštitni oksidni sloj baziran uglavnom na Cr₂O₃ i CoCr₂O₄, sa nižom stopom oksidacije od Stellite 21.
Gdje se granice pokazuju. Gustoća karbida ima nuspojavu: pod brzim termičkim ciklusom ili lokaliziranim termičkim udarom, razlika u toplinskom širenju između karbida i matrice može postati mjesto nastanka prsline. Za dijelove tankog presjeka, veći sadržaj ugljika i karbida također može povećati rizik od pucanja tijekom livenja i strojne obrade. To ne znači da se Stellite 6 ne može koristiti u ovim situacijama, ali kada je termički zamor dominantan način kvara, alternativu treba ozbiljno procijeniti.
Stelit 21: manji sadržaj karbida u zamjenu za žilavost i otpornost na termički zamor
Stellite 21 slijedi drugačiju logiku dizajna. Njegov nizak sadržaj ugljika i dodatak molibdena naglo smanjuju volumni udio karbida, ostavljajući matricu čvrstog rastvora kobalta kao fazu koja nosi mehaničke performanse.
Direktna posljedica: Tvrdoća na sobnoj temperaturi i otpornost na čisto abrazivno habanje su niži od Stellite 6, ali su žilavost, otpornost na termalni udar i otpornost na termički zamor bolji. Tvrdoća pri livenju se obično navodi u niskim do srednjim HRC 30s, ispod one kod Stellite 6 (tačne vrijednosti zavise od oblika proizvoda i uslova testiranja — provjerite u odnosu na podatke dobavljača prije specificiranja). Njegova prednost nije trošenje abraziva, već održavanje strukturalnog integriteta pod termičkim ciklusom.
Gde stane. Stellite 21 se koristio u lopaticama plinskih turbina, ventilima za vruću obradu, pričvrsnim elementima na visokim temperaturama i zavarenim slojevima koji moraju ublažiti neusklađenost toplinskog širenja. Tamo gdje Stellite 6 služi kao gornji sloj, a međusloj je potreban, Stellite 21 se povijesno koristio kao tampon za ublažavanje razlike u toplinskom širenju između čelične podloge i Stellite 6 gornjeg sloja. Studija na čeličnim podlogama F91 sa puferskim slojevima Stellite 21, odležanim na 550–650°C do 8.760 sati, otkrila je značajan gubitak udarne žilavosti na F91/S21 interfejsu, zbog čega su puferski slojevi na bazi nikla sve više preferirani u toj specifičnoj primeni. Ovo dobro ilustruje položaj legure: njena vrijednost leži u žilavosti pod određenim uvjetima, a ne u zamjeni Stellite 6 svuda.
Ograničenje koje se lako previdi. Stelit 21 ima relativno ograničenu otpornost na eroziju tvrdih čestica. Budući da je gustina karbida niska, matrica nudi manju zaštitu kada oštre čestice udare velikom brzinom. Pod niskim uglom erozije i tvrdog abrazivnog habanja, Stellite 21 obično nije najbolji izbor.
Praktičan put selekcije
Sljedeći put se zasniva na karakteristikama performansi dvije legure. Može poslužiti kao početni vodič za skrining, ali ne bi trebao zamijeniti inženjersku procjenu specifične primjene.
Nagnite se prema Stellite 6 kada:
- Dominantni način kvara je abrazivno ili adhezivno habanje, a termički ciklus nije veliko opterećenje.
- Dio ima debeli presjek, a osjetljivost na pucanje tokom livenja i obrade je podesna.
- Radna temperatura je visoka u oksidirajućoj atmosferi, a zaštitni oksidni sloj je dio dizajna.
- Aplikacija ima uspostavljenu istoriju Stellite 6 sa podacima o neuspjehu za referencu.
Nagnite se prema Stellite 21 kada:
- Dio se podvrgava stalnom brzom zagrijavanju i hlađenju, a poznati rizik je pucanje od termičkog zamora.
- Dio ima tanke zidove ili nagle promjene presjeka, a žilavost je važnija od sirove tvrdoće.
- Potreban je prijelazni sloj između čelične podloge i neusklađenosti toplinskog širenja tvrdog sloja na tamponu (ali se mora procijeniti dugoročna stabilnost na visokim temperaturama).
- Mehanizam habanja je uglavnom klizno trošenje metala na metal ili kavitacija, a ne erozija tvrdih čestica.
Kada ni jedno ni drugo nije čisto: Ako primjena zahtijeva i visoku otpornost na abrazivno habanje i odličnu otpornost na termički zamor, Stellite 12 (veći ugljik, veća otpornost na habanje) ili Tribaloy porodica intermetalno ojačanih legura može biti vrijedna razmatranja, ili će se možda trebati pozabaviti upravljanjem toplinom dijela na razini dizajna. Ovi pravci nadilaze ovo poređenje, ali pripadaju pregledu odabira materijala u ranoj fazi.
Šta uključiti u RFQ
Koja god legura odabrana, dobavljaču odljevaka i strojne obrade obično je potrebno sljedeće prije nego što može dati smislen citat:
- Crteži dijelova sa ključnim dimenzijama i zahtjevima tolerancije.
- Uslovi usluge: temperaturni raspon, medij i tip opterećenja (habanje, udar, termički ciklus).
- Očekivani vijek trajanja ili poznati način kvara, s povijesnim dijelom ako postoji.
- Standard materijala, na primjer da li AMS 5387 ili neka druga primjenjiva specifikacija mora biti zadovoljena.
- Količina, budući da pojedinačni komadi, male serije i količine proizvodnje dovode do različitih izbora procesa.
Za odljevke od legura na bazi kobalta, također je vrijedno potvrditi da li dobavljač ima vlastite mogućnosti od livenja do završne obrade, jer ove legure primjetno očvršćavaju i prijenos između procesa utječe i na troškove i vrijeme isporuke.
