Shrnutí: Praktické srovnání Stellite 6 a Stellite 21, vysvětlující, jak obsah uhlíku a wolfram versus molybden řídí kompromis mezi tvrdostí a houževnatostí.
Stellite 6 a Stellite 21 jsou dvě slitiny proti opotřebení na bázi kobaltu, které se nejčastěji vzájemně porovnávají. Běžným výchozím nastavením je zadat Stellite 6 vždy, když existuje nejistota. Tento zvyk má rozumný základ: Stellite 6 má dlouhou historii aplikací, dobře zdokumentované chování a vyspělé zkušenosti se zpracováním. Ale ve dvou situacích může výchozí nastavení představovat zbytečné riziko: když součást zaznamená rychlé tepelné cykly nebo tepelný šok a když má součást tenké stěny nebo náhlé změny průřezu.
Stellite 21 existuje převážně proto, aby řešil omezení houževnatosti Stellite 6 v těchto podmínkách. Pochopení kompromisu mezi těmito dvěma je užitečnější než zapamatování si toho, který z nich je „lepší“.
Rozdíly ve složení ovlivňují rozdělení výkonu
Rozdíl ve výkonu mezi těmito slitinami spočívá ve dvou možnostech složení.
Obsah uhlíku. Stellite 6 nese výrazně vyšší hladinu uhlíku. Podle SAE AMS 5387 mají odlitky Stellite 6 jmenovité složení 60Co-29Cr-4,5W, s uhlíkem typicky v rozmezí 0,9–1,4 % pro lité výrobky. Více uhlíku znamená více srážení tvrdších karbidů, což přímo zvyšuje tvrdost a odolnost proti opotřebení. Stellite 21 má mnohem nižší uhlík, s nominálním složením zhruba C ~0,25 %, Cr 25–30 %, Mo 4,5–6,5 %, Ni 1,5–3,5 %, zbytek Co. Nižší uhlík znamená nižší objemový podíl karbidu a mikrostrukturu, které dominuje matrice pevného roztoku kobaltu.
Wolfram versus molybden. Stellite 6 používá wolfram (W) jako hlavní zpevňovač pevného roztoku; Stellite 21 nahrazuje většinu tohoto wolframu molybdenem (Mo). Molybden má zhruba poloviční atomovou hmotnost než wolfram, takže při stejném hmotnostním procentu přispívá přibližně dvojnásobkem atomů. Molybden má také silnější afinitu k uhlíku a má tendenci podporovat tvorbu karbidu. Ve Stellite 21 však tento účinek omezuje nízká hladina uhlíku a čistým výsledkem je podstatně nižší celkový obsah karbidů než u Stellite 6.
Společně tyto dva rozdíly vytvářejí dva odlišné profily výkonu.
Stellite 6: hustota karbidu výměnou za odolnost proti opotřebení
Mikrostruktura Stellite 6 se skládá z matrice pevného roztoku na bázi kobaltu s relativně hustou distribucí částic tvrdého karbidu. Tato struktura dobře funguje při abrazivním opotřebení.
Kam se to hodí. Těsnicí plochy ventilů, objímky čerpadel, součásti pro manipulaci s kalem a obecně opotřebitelné díly vystavené mírnému nárazu jsou typické aplikace Stellite 6. Jeho tvrdost obvykle spadá do rozmezí Rockwell C 37–45 v závislosti na podmínkách odlitku a následném tepelném zpracování, což je dostatečné pro většinu problémů s opotřebením abraziva. V oxidačních vysokoteplotních prostředích Stellite 6 také vytváří ochrannou oxidovou vrstvu založenou převážně na Cr203 a CoCr204, s nižší oxidační rychlostí než Stellite 21.
Kde se ukazují limity. Hustota karbidu má vedlejší účinek: při rychlém tepelném cyklování nebo lokalizovaném tepelném šoku se rozdíl v tepelné roztažnosti mezi karbidy a matricí může stát místem iniciace trhliny. U tenkostěnných dílů může vyšší obsah uhlíku a karbidu také zvýšit riziko praskání během odlévání a obrábění. To neznamená, že Stellite 6 nelze v těchto situacích použít, ale pokud je dominantním způsobem poruchy tepelná únava, měla by být vážně posouzena alternativa.
Stellite 21: nižší obsah karbidů výměnou za houževnatost a odolnost proti tepelné únavě
Stellite 21 se řídí jinou logikou designu. Jeho nízký obsah uhlíku a přídavek molybdenu prudce snižují objemový podíl karbidu a ponechává matrici pevného roztoku kobaltu jako fázi, která nese mechanický výkon.
Přímý následek: Tvrdost při pokojové teplotě a čistě abrazivní odolnost proti opotřebení jsou nižší než Stellite 6, ale houževnatost, odolnost proti tepelným šokům a odolnost proti tepelné únavě jsou lepší. Tvrdost po odlití se obvykle uvádí v nízkých až středních hodnotách HRC 30s, pod úrovní Stellite 6 (přesné hodnoty závisí na formě produktu a podmínkách testu – před specifikací ověřte podle údajů dodavatele). Jeho výhodou není opotřebení brusiva, ale zachování strukturální integrity při tepelném cyklování.
Kam se to hodí. Stellite 21 byl použit u lopatek plynových turbín, ventilů pracujících za tepla, vysokoteplotních spojovacích prvků a svarových překryvů, které potřebují vyrovnávat nesoulad tepelné roztažnosti. Tam, kde Stellite 6 slouží jako vrchní vrstva a je potřeba mezivrstva, byl Stellite 21 historicky používán jako nárazník pro zmírnění rozdílu tepelné roztažnosti mezi ocelovým substrátem a vrchní vrstvou Stellite 6. Studie na ocelových substrátech F91 s nárazníkovými vrstvami Stellite 21, stárnoucími při 550–650 °C po dobu až 8 760 hodin, zjistila významnou ztrátu rázové houževnatosti na rozhraní F91/S21, což je důvod, proč jsou v této konkrétní aplikaci stále více preferovány nárazníkové vrstvy na bázi niklu. To dobře ilustruje pozici slitiny: její hodnota spočívá v houževnatosti za specifických podmínek, nikoli v nahrazení Stellite 6 všude.
Snadno přehlédnutelné omezení. Stellite 21 má relativně omezenou odolnost proti erozi tvrdými částicemi. Protože hustota karbidu je nízká, matrice nabízí menší ochranu, když ostré částice narazí rychlostí. Při nízkoúhlové erozi a tvrdém abrazivním opotřebení není Stellite 21 obvykle tou nejlepší volbou.
Praktická cesta výběru
Následující cesta je založena na výkonnostních charakteristikách těchto dvou slitin. Může sloužit jako úvodní screeningová příručka, ale neměla by nahrazovat technické posouzení konkrétní aplikace.
Nakloňte se ke Stellite 6, když:
- Dominantním způsobem poruchy je abrazivní nebo adhezivní opotřebení a tepelné cyklování nepředstavuje velkou zátěž.
- Díl má tlustý průřez a citlivost na praskání během odlévání a obrábění je zvládnutelná.
- Provozní teplota je v oxidační atmosféře vysoká a součástí konstrukce je ochranná vrstva oxidu.
- Aplikace má zavedenou historii Stellite 6 s údaji o selhání, na které lze odkazovat.
Nakloňte se ke Stellite 21, když:
- Součást prochází opakovaným rychlým ohřevem a ochlazováním a známým rizikem je praskání tepelnou únavou.
- Součást má tenké stěny nebo náhlé změny průřezu a houževnatost je důležitější než hrubá tvrdost.
- Je potřeba přechodová vrstva mezi ocelovým substrátem a tvrdým potahem s nesouladem tepelné roztažnosti tlumiče (musí se však vyhodnotit dlouhodobá stabilita při vysokých teplotách).
- Mechanismus opotřebení je především kluzné opotřebení kov na kov nebo kavitace spíše než eroze tvrdých částic.
Když ani jedno není čisté: Pokud aplikace vyžaduje jak vysokou odolnost proti abrazivnímu opotřebení, tak vynikající odolnost proti tepelné únavě, může být vhodné zvážit Stellite 12 (vyšší uhlík, vyšší odolnost proti opotřebení) nebo rodinu intermetalicky zpevněných slitin Tribaloy, případně může být potřeba řešit tepelné řízení dílu na úrovni návrhu. Tyto pokyny jdou nad rámec tohoto srovnání, ale patří do počátečního hodnocení výběru materiálu.
Co zahrnout do RFQ
Ať už je vybrána jakákoli slitina, dodavatel odlévání a obrábění obvykle potřebuje následující, než může poskytnout smysluplnou nabídku:
- Výkresy dílů s klíčovými rozměry a požadavky na toleranci.
- Servisní podmínky: teplotní rozsah, médium a typ zatížení (opotřebení, náraz, tepelné cykly).
- Očekávaná životnost nebo známý režim poruchy, s historickou částí, pokud je k dispozici.
- Materiálový standard, například zda musí být splněna AMS 5387 nebo jiná platná specifikace.
- množství, protože jednotlivé kusy, malé série a objemy výroby vedou k různým výběrům procesů.
U odlitků ze slitin na bázi kobaltu také stojí za to potvrdit, zda má dodavatel vlastní schopnosti od odlévání až po dokončovací obrábění, protože tyto slitiny znatelně tvrdnou a předávání mezi procesy ovlivňuje jak náklady, tak dodací lhůty.
