Sažetak: Praktična usporedba Stellite 6 i Stellite 21, koja objašnjava kako sadržaj ugljika i volfram u odnosu na molibden pokreću kompromis između tvrdoće i žilavosti.
Stellite 6 i Stellite 21 dvije su habajuće legure na bazi kobalta koje se međusobno najčešće uspoređuju. Uobičajeno je da se navede Stellite 6 kad god postoji nesigurnost. Ta navika ima razumnu osnovu: Stellite 6 ima dugu povijest primjene, dobro dokumentirano ponašanje i zrelo iskustvo obrade. Ali u dvije situacije zadana vrijednost može predstavljati nepotreban rizik: kada dio doživljava brze toplinske cikluse ili toplinski šok i kada dio ima tanke stijenke ili nagle promjene presjeka.
Stellite 21 uglavnom postoji kako bi riješio ograničenje žilavosti Stellitea 6 u tim uvjetima. Razumijevanje kompromisa između to dvoje korisnije je od pamćenja koji je "bolji".
Razlike u sastavu uzrokuju podjelu izvedbe
Razlika u performansama između ovih legura svodi se na dva izbora sastava.
Sadržaj ugljika. Stellite 6 nosi značajno višu razinu ugljika. Prema SAE AMS 5387, odljevci Stellite 6 imaju nominalni sastav od 60Co-29Cr-4,5W, s ugljikom obično u rasponu od 0,9–1,4% za lijevane proizvode. Više ugljika znači više taloženja tvrdog karbida, što izravno povećava tvrdoću i otpornost na trošenje. Stelit 21 ima puno niži udio ugljika, s nominalnim sastavom od otprilike C ~0,25%, Cr 25-30%, Mo 4,5-6,5%, Ni 1,5-3,5%, ravnoteža Co. Niži udio ugljika znači niži volumni udio karbida i mikrostrukturu kojom dominira matrica krute otopine kobalta.
Volfram protiv molibdena. Stellite 6 koristi volfram (W) kao svoj glavni ojačivač čvrste otopine; Stelit 21 zamjenjuje većinu tog volframa molibdenom (Mo). Molibden ima otprilike polovicu atomske težine od volframa, tako da pri istom težinskom postotku doprinosi otprilike dvostruko više atoma. Molibden također ima jači afinitet prema ugljiku i teži poticanju stvaranja karbida. U Stellite 21, međutim, niska razina ugljika ograničava taj učinak, a neto rezultat je značajno niži ukupni sadržaj karbida nego u Stellite 6.
Zajedno, ove dvije razlike proizvode dva različita profila performansi.
Stelit 6: gustoća karbida u zamjenu za otpornost na trošenje
Mikrostruktura Stellita 6 sastoji se od matrice čvrste otopine na bazi kobalta s relativno gustom raspodjelom čestica tvrdog karbida. Ova struktura dobro funkcionira pod abrazivnim trošenjem.
Gdje stane. Brtvene površine ventila, rukavci pumpe, komponente za rukovanje gnojnicom i općenito potrošni dijelovi pod umjerenim udarima tipične su primjene Stellite 6. Njegova tvrdoća obično pada u rasponu Rockwell C 37–45, ovisno o stanju lijevanja i naknadnoj toplinskoj obradi, što je dovoljno za većinu problema abrazivnog trošenja. U oksidirajućim okruženjima visoke temperature, Stellite 6 također stvara zaštitni oksidni sloj temeljen uglavnom na Cr₂O₃ i CoCr₂O₄, s nižom stopom oksidacije od Stellite 21.
Gdje se pokazuju granice. Gustoća karbida ima nuspojavu: pod brzim toplinskim ciklusima ili lokaliziranim toplinskim udarom, razlika u toplinskom širenju između karbida i matrice može postati mjesto početka pukotine. Za dijelove tankog presjeka, veći sadržaj ugljika i karbida također može povećati rizik od pucanja tijekom lijevanja i strojne obrade. To ne znači da se Stellite 6 ne može koristiti u tim situacijama, ali kada je toplinski zamor dominantan način kvara, treba ozbiljno procijeniti alternativu.
Stellite 21: manji sadržaj karbida u zamjenu za žilavost i otpornost na toplinski zamor
Stellite 21 slijedi drugačiju logiku dizajna. Njegov nizak sadržaj ugljika i dodatak molibdena oštro smanjuju volumni udio karbida, ostavljajući matricu čvrste otopine kobalta kao fazu koja nosi mehaničku izvedbu.
Izravna posljedica: tvrdoća na sobnoj temperaturi i čista otpornost na abrazivno habanje niži su od Stellite 6, ali su žilavost, otpornost na toplinski udar i otpornost na toplinski zamor bolji. Tvrdoća u lijevanom stanju obično se javlja u nižim do srednjim HRC 30s, ispod one za Stellite 6 (točne vrijednosti ovise o obliku proizvoda i uvjetima testiranja — provjerite podatke dobavljača prije navođenja). Njegova prednost nije trošenje abraziva, već održavanje strukturnog integriteta pod toplinskim ciklusima.
Gdje stane. Stellite 21 korišten je u lopaticama plinskih turbina, ventilima za vruću obradu, spojnim elementima za visoke temperature i zavarenim slojevima koji trebaju ublažiti neusklađenost toplinskog širenja. Tamo gdje Stellite 6 služi kao gornji sloj i potreban je međusloj, Stellite 21 se povijesno koristio kao pufer za ublažavanje razlike u toplinskom širenju između čelične podloge i gornjeg sloja Stellite 6. Studija o F91 čeličnim podlogama sa Stellite 21 tampon slojevima, starenjem na 550–650°C do 8760 sati, otkrila je značajan gubitak udarne žilavosti na F91/S21 međusklopu, zbog čega se pufer slojevi na bazi nikla sve više preferiraju u toj specifičnoj primjeni. Ovo dobro ilustrira položaj legure: njezina vrijednost leži u žilavosti pod određenim uvjetima, a ne u zamjeni Stellite 6 posvuda.
Ograničenje koje se lako previdi. Stellite 21 ima relativno ograničenu otpornost na eroziju tvrdih čestica. Budući da je gustoća karbida niska, matrica nudi manju zaštitu kada oštre čestice udare velikom brzinom. Pod erozijom pod malim kutom i jakim abrazivnim trošenjem, Stellite 21 obično nije najbolji izbor.
Praktičan odabir
Sljedeći put se temelji na karakteristikama izvedbe dviju legura. Može poslužiti kao početni vodič za provjeru, ali ne bi trebao zamijeniti inženjersku procjenu specifične primjene.
Nagnite se prema Stellite 6 kada:
- Dominantni način kvara je abrazivno ili adhezivno trošenje, a toplinski ciklusi nisu veliko opterećenje.
- Dio ima debeli presjek, a osjetljivost na pucanje tijekom lijevanja i strojne obrade je podesiva.
- Radna temperatura je visoka u oksidirajućoj atmosferi, a zaštitni oksidni sloj dio je dizajna.
- Aplikacija ima uspostavljenu povijest Stellite 6 s podacima o kvarovima na koje se može referencirati.
Nagnite se prema Stelliteu 21 kada:
- Dio se podvrgava opetovanom brzom zagrijavanju i hlađenju, a pucanje uslijed toplinskog zamora poznat je rizik.
- Dio ima tanke stijenke ili nagle promjene presjeka, a žilavost je važnija od sirove tvrdoće.
- Potreban je prijelazni sloj između čelične podloge i tvrdog sloja za prigušivanje neusklađenosti toplinske ekspanzije (ali mora se procijeniti dugotrajna stabilnost na visokim temperaturama).
- Mehanizam trošenja uglavnom je klizno trošenje ili kavitacija metala na metal, a ne erozija tvrdim česticama.
Kada ni jedno nije dobro: Ako primjena zahtijeva i visoku otpornost na abrazivno trošenje i izvrsnu otpornost na toplinski zamor, Stellite 12 (više ugljika, veća otpornost na habanje) ili obitelj Tribaloy legura ojačanih intermetalima mogu biti vrijedni razmatranja ili se možda treba pozabaviti toplinskim upravljanjem dijela na razini dizajna. Ove upute nadilaze ovu usporedbu, ali pripadaju pregledu odabira materijala u ranoj fazi.
Što uključiti u Zahtjev za ponudu
Bez obzira koja se legura odabere, dobavljač lijevanja i strojne obrade obično treba sljedeće prije nego što može dati smislenu ponudu:
- Crteži dijelova s ključnim dimenzijama i zahtjevima tolerancije.
- Uvjeti usluge: temperaturni raspon, medij i vrsta opterećenja (habanje, udar, toplinski ciklusi).
- Očekivani životni vijek ili poznati način kvara, s povijesnim dijelom ako je dostupan.
- Standard materijala, na primjer mora li se ispuniti AMS 5387 ili neka druga primjenjiva specifikacija.
- 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 ima li dobavljač vlastitu sposobnost od lijevanja do završne strojne obrade, jer te legure primjetno otvrdnu i prijenos između procesa utječe i na troškove i na vrijeme isporuke.
