Resum: Una comparació pràctica de Stellite 6 i Stellite 21, que explica com el contingut de carboni i el tungstè versus el molibdè impulsen la compensació de duresa i duresa.
Stellite 6 i Stellite 21 són els dos aliatges de desgast basats en cobalt que es comparen amb més freqüència. Un valor predeterminat comú és especificar Stellite 6 sempre que hi hagi incertesa. Aquest hàbit té una base raonable: Stellite 6 té un llarg historial d'aplicacions, un comportament ben documentat i una experiència de processament madura. Però en dues situacions el predeterminat pot introduir un risc innecessari: quan la peça veu un cicle tèrmic ràpid o un xoc tèrmic, i quan la peça té parets primes o canvis bruscos de secció.
Stellite 21 existeix en gran mesura per abordar la limitació de duresa de Stellite 6 en aquestes condicions. Entendre el compromís entre els dos és més útil que memoritzar quin és "millor".
Les diferències de composició impulsen la divisió de rendiment
La diferència de rendiment entre aquests aliatges es redueix a dues opcions de composició.
Contingut de carboni. Stellite 6 porta un nivell de carboni significativament més alt. Sota la norma SAE AMS 5387, les peces de fosa Stellite 6 tenen una composició nominal de 60Co-29Cr-4,5W, amb carboni normalment entre el 0,9 i l'1,4% per als productes de fosa. Més carboni significa més precipitació de carbur dur, que augmenta directament la duresa i la resistència al desgast. Stellite 21 té molt menys carboni, amb una composició nominal d'aproximadament C ~ 0,25%, Cr 25–30%, Mo 4,5–6,5%, Ni 1,5–3,5%, balance Co. El carboni més baix significa una fracció de volum de carbur més baixa i una microestructura dominada per la matriu de solució sòlida de cobalt.
Tungstè versus molibdè. Stellite 6 utilitza tungstè (W) com a principal reforçador de solució sòlida; L'estelit 21 substitueix la major part d'aquest tungstè amb molibdè (Mo). El molibdè té aproximadament la meitat del pes atòmic del tungstè, de manera que amb el mateix percentatge de pes aporta aproximadament el doble d'àtoms. El molibdè també té una afinitat més forta pel carboni i tendeix a promoure la formació de carburs. A Stellite 21, però, el baix nivell de carboni limita aquest efecte, i el resultat net és un contingut total de carbur substancialment menor que l'Stellite 6.
En conjunt, aquestes dues diferències produeixen dos perfils de rendiment diferents.
Estel·lit 6: densitat de carbur a canvi de resistència al desgast
La microestructura de Stellite 6 consisteix en una matriu de solució sòlida a base de cobalt amb una distribució relativament densa de partícules de carbur dur. Aquesta estructura funciona bé sota el desgast abrasiu.
On encaixa. Les cares de segellat de les vàlvules, els mànigues de la bomba, els components de manipulació de purins i les peces de desgast general sota un impacte moderat són aplicacions típiques de Stellite 6. La seva duresa sol caure en el rang Rockwell C 37–45, depenent de les condicions de fosa i del tractament tèrmic posterior, que és suficient per a la majoria dels problemes de desgast abrasiu. En ambients oxidants d'alta temperatura, Stellite 6 també forma una capa d'òxid protectora basada principalment en Cr₂O₃ i CoCr₂O₄, amb una taxa d'oxidació més baixa que l'Stellite 21.
On apareixen els límits. La densitat de carbur té un efecte secundari: sota un cicle tèrmic ràpid o un xoc tèrmic localitzat, la diferència d'expansió tèrmica entre els carburs i la matriu pot convertir-se en un lloc d'inici d'esquerdes. Per a peces de secció prima, el contingut més elevat de carboni i carbur també pot augmentar el risc d'esquerdes durant la fosa i el mecanitzat. Això no vol dir que Stellite 6 no es pugui utilitzar en aquestes situacions, però quan la fatiga tèrmica és el mode de fallada dominant, s'hauria d'avaluar seriosament una alternativa.
Stellite 21: menor contingut de carbur a canvi de duresa i resistència a la fatiga tèrmica
Stellite 21 segueix una lògica de disseny diferent. El seu baix contingut de carboni i l'addició de molibdè redueixen dràsticament la fracció de volum de carbur, deixant la matriu de solució sòlida de cobalt com la fase que comporta el rendiment mecànic.
La conseqüència directa: La duresa a temperatura ambient i la resistència al desgast abrasiu pur són inferiors a Stellite 6, però la duresa, la resistència al xoc tèrmic i la resistència a la fatiga tèrmica són millors. La duresa com a fosa s'acostuma a informar entre els 30 HRC de baix a mitjà, per sota de la de Stellite 6 (els valors exactes depenen de la forma del producte i de la condició de la prova; comproveu-ho amb les dades del proveïdor abans d'especificar-ho). El seu avantatge és no superar els abrasius, sinó mantenir la integritat estructural sota el cicle tèrmic.
On encaixa. Stellite 21 s'ha utilitzat en pales de turbines de gas, vàlvules de treball en calent, elements de fixació d'alta temperatura i superposicions de soldadura que necessiten amortir el desajust de l'expansió tèrmica. Quan Stellite 6 serveix com a capa superior i es necessita una capa intermèdia, Stellite 21 s'ha utilitzat històricament com a amortidor per suavitzar la diferència d'expansió tèrmica entre el substrat d'acer i la capa superior de Stellite 6. Un estudi sobre substrats d'acer F91 amb capes de tampó Stellite 21, envellits entre 550 i 650 ° C durant un màxim de 8.760 hores, va trobar una pèrdua significativa de resistència a l'impacte a la interfície F91/S21, motiu pel qual les capes de tampó basades en níquel són cada cop més preferides en aquesta aplicació específica. Això il·lustra bé la posició de l'aliatge: el seu valor rau en la duresa en condicions específiques, no en substituir Stellite 6 a tot arreu.
Una limitació fàcil de passar per alt. Stellite 21 té una resistència relativament limitada a l'erosió de partícules dures. Com que la densitat de carbur és baixa, la matriu ofereix menys protecció quan les partícules afilades xoquen a gran velocitat. Sota l'erosió d'angle baix i el desgast abrasiu dur, Stellite 21 no sol ser la millor opció.
Un camí de selecció pràctic
El camí següent es basa en les característiques de rendiment dels dos aliatges. Pot servir com a guia de selecció inicial, però no ha de substituir una avaluació d'enginyeria de l'aplicació específica.
Inclineu-vos cap a Stellite 6 quan:
- El mode de fallada dominant és el desgast abrasiu o adhesiu, i el cicle tèrmic no és una càrrega important.
- La peça té una secció gruixuda i la sensibilitat al trencament durant la fosa i el mecanitzat és manejable.
- La temperatura de servei és alta en una atmosfera oxidant i una capa d'òxid protectora forma part del disseny.
- L'aplicació té un historial establert de Stellite 6 amb dades d'errors per fer referència.
Inclineu-vos cap a Stellite 21 quan:
- La peça experimenta un escalfament i un refredament ràpids repetits, i l'esquerdament per fatiga tèrmica és un risc conegut.
- La peça té parets primes o canvis bruscos de secció, i la duresa importa més que la duresa bruta.
- Es necessita una capa de transició entre un substrat d'acer i un revestiment dur per amortir el desajust de l'expansió tèrmica (però s'ha d'avaluar l'estabilitat a alta temperatura a llarg termini).
- El mecanisme de desgast és principalment un desgast o cavitació de lliscament metall a metall en lloc de l'erosió de partícules dures.
Quan cap dels dos és net: Si l'aplicació requereix una alta resistència al desgast abrasiu i una excel·lent resistència a la fatiga tèrmica, pot ser que val la pena tenir en compte Stellite 12 (més carboni, major resistència al desgast) o la família Tribaloy d'aliatges reforçats intermetàl·lics, o pot ser que calgui abordar la gestió tèrmica de la peça a nivell de disseny. Aquestes indicacions van més enllà d'aquesta comparació, però pertanyen a una revisió de selecció de material en fase inicial.
Què incloure en una RFQ
Independentment de l'aliatge seleccionat, un proveïdor de fosa i mecanitzat sol necessitar el següent abans de poder donar una cotització significativa:
- Dibuixos de peces amb dimensions clau i requisits de tolerància.
- Condicions del servei: rang de temperatura, mitjà i tipus de càrrega (desgast, impacte, cicle tèrmic).
- Vida esperada o mode d'error conegut, amb una part històrica si està disponible.
- Material estàndard, per exemple si s'ha de complir l'AMS 5387 o una altra especificació aplicable.
- Quantitat, ja que peces individuals, lots petits i volums de producció donen lloc a diferents opcions de procés.
Per a les peces de fosa d'aliatges a base de cobalt, també val la pena confirmar si el proveïdor té capacitat interna des de la fosa fins al mecanitzat d'acabat, perquè aquests aliatges s'endureixen notablement i el traspàs entre processos afecta tant el cost com el temps de lliurament.
