Podsumowanie: Praktyczne porównanie Stellite 6 i Stellite 21, wyjaśniające, w jaki sposób zawartość węgla oraz stosunek wolframu do molibdenu wpływają na kompromis w zakresie twardości i wytrzymałości.
Stellite 6 i Stellite 21 to dwa najczęściej porównywane stopy ścierne na bazie kobaltu. Typowym ustawieniem domyślnym jest określenie Stellite 6, gdy istnieje niepewność. Ten nawyk ma rozsądne podstawy: Stellite 6 ma długą historię zastosowań, dobrze udokumentowane zachowanie i dojrzałe doświadczenie w przetwarzaniu. Jednak w dwóch sytuacjach ustawienie domyślne może wprowadzić niepotrzebne ryzyko: gdy część ulega szybkim cyklom termicznym lub szokowi termicznemu oraz gdy część ma cienkie ścianki lub nagłe zmiany przekroju.
Stellite 21 powstał głównie po to, aby przezwyciężyć ograniczenia wytrzymałości Stellite 6 w takich warunkach. Zrozumienie kompromisu między nimi jest bardziej przydatne niż zapamiętywanie, który z nich jest „lepszy”.
Różnice w składzie wpływają na podział wydajności
Różnica w wydajności pomiędzy tymi stopami sprowadza się do dwóch wyborów składu.
Zawartość węgla. Stellite 6 zawiera znacznie wyższą zawartość węgla. Zgodnie z SAE AMS 5387, odlewy Stellite 6 mają nominalny skład 60Co-29Cr-4,5W, przy zawartości węgla zazwyczaj w zakresie 0,9–1,4% w przypadku produktów odlewanych. Więcej węgla oznacza więcej wydzieleń twardego węglika, co bezpośrednio zwiększa twardość i odporność na zużycie. Stellit 21 ma znacznie niższą zawartość węgla, o nominalnym składzie około C ~ 0,25%, Cr 25–30%, Mo 4,5–6,5%, Ni 1,5–3,5%, resztę Co. Niższy węgiel oznacza niższą frakcję objętościową węglika i mikrostrukturę zdominowaną przez matrycę stałego roztworu kobaltu.
Wolfram kontra molibden. Stellite 6 wykorzystuje wolfram (W) jako główny wzmacniacz w postaci stałej; Stellite 21 zastępuje większość wolframu molibdenem (Mo). Molibden ma mniej więcej połowę masy atomowej wolframu, więc przy tym samym procencie wagowym zawiera około dwa razy więcej atomów. Molibden ma również większe powinowactwo do węgla i ma tendencję do sprzyjania tworzeniu się węglików. Jednakże w Stellite 21 niski poziom węgla ogranicza ten efekt, a wynikiem netto jest znacznie niższa całkowita zawartość węglików niż w Stellite 6.
Razem te dwie różnice tworzą dwa różne profile wydajności.
Stellite 6: gęstość węglika w zamian za odporność na zużycie
Mikrostruktura Stellite 6 składa się z matrycy w roztworze stałym na bazie kobaltu ze stosunkowo gęstym rozkładem cząstek twardego węglika. Struktura ta dobrze sprawdza się w warunkach zużycia ściernego.
Gdzie to pasuje. Powierzchnie uszczelniające zaworów, tuleje pomp, elementy do transportu szlamu i ogólne części zużywające się pod wpływem umiarkowanych uderzeń to typowe zastosowania Stellite 6. Jego twardość zwykle mieści się w zakresie Rockwell C 37–45, w zależności od stanu odlewu i późniejszej obróbki cieplnej, która jest wystarczająca w przypadku większości problemów związanych ze zużyciem ściernym. W utleniających środowiskach o wysokiej temperaturze Stellite 6 tworzy również ochronną warstwę tlenku opartą głównie na Cr₂O₃ i CoCr₂O₄, o niższym stopniu utleniania niż Stellite 21.
Gdzie pojawiają się granice. Gęstość węglika ma efekt uboczny: w przypadku szybkich cykli termicznych lub zlokalizowanego szoku termicznego różnica rozszerzalności cieplnej pomiędzy węglikami a osnową może stać się miejscem inicjacji pęknięć. W przypadku części o cienkich przekrojach wyższa zawartość węgla i węglika może również zwiększać ryzyko pękania podczas odlewania i obróbki. Nie oznacza to, że Stellite 6 nie może być stosowany w takich sytuacjach, ale gdy zmęczenie cieplne jest dominującym rodzajem awarii, należy poważnie rozważyć alternatywę.
Stellite 21: niższa zawartość węglików w zamian za wytrzymałość i odporność na zmęczenie cieplne
Stellite 21 kieruje się inną logiką projektowania. Niska zawartość węgla i dodatek molibdenu znacznie zmniejszają udział objętościowy węglika, pozostawiając matrycę kobaltu w roztworze stałym jako fazę przenoszącą właściwości mechaniczne.
Bezpośrednia konsekwencja: Twardość w temperaturze pokojowej i odporność na zużycie ścierne są niższe niż Stellite 6, ale wytrzymałość, odporność na szok termiczny i odporność na zmęczenie cieplne są lepsze. Twardość odlewu jest zwykle podawana w zakresie od niskiej do średniej HRC 30, poniżej twardości Stellite 6 (dokładne wartości zależą od postaci produktu i warunków testowych — przed podaniem sprawdź dane dostawcy). Jego zaletą nie jest to, że zużywają się materiały ścierne, ale utrzymanie integralności strukturalnej w warunkach cykli termicznych.
Gdzie to pasuje. Stellit 21 był stosowany w łopatkach turbin gazowych, zaworach do pracy na gorąco, elementach złącznych wysokotemperaturowych i napawaniach spawanych, które muszą buforować niedopasowanie rozszerzalności cieplnej. Tam, gdzie Stellite 6 służy jako warstwa wierzchnia i potrzebna jest warstwa pośrednia, Stellite 21 był w przeszłości używany jako bufor w celu złagodzenia różnicy rozszerzalności cieplnej pomiędzy podłożem stalowym a górną warstwą Stellite 6. Badanie podłoży ze stali F91 z warstwami buforowymi Stellite 21, starzonych w temperaturze 550–650°C przez maksymalnie 8760 godzin, wykazało znaczną utratę udarności na styku F91/S21, dlatego w tym konkretnym zastosowaniu coraz częściej preferowane są warstwy buforowe na bazie niklu. To dobrze ilustruje pozycję stopu: jego wartość polega na wytrzymałości w określonych warunkach, a nie na zastąpieniu wszędzie Stellite 6.
Ograniczenie, które łatwo przeoczyć. Stellite 21 ma stosunkowo ograniczoną odporność na erozję twardych cząstek. Ponieważ gęstość węglika jest niska, matryca zapewnia mniejszą ochronę, gdy ostre cząstki uderzają z dużą prędkością. W przypadku erozji pod niskim kątem i dużego zużycia ściernego Stellite 21 zwykle nie jest najlepszym wyborem.
Praktyczna ścieżka selekcji
Poniższa ścieżka opiera się na charakterystyce użytkowej obu stopów. Może służyć jako przewodnik wstępnej selekcji, ale nie powinien zastępować oceny technicznej konkretnego zastosowania.
Pochyl się w stronę Stellite 6, gdy:
- Dominującym rodzajem awarii jest zużycie ścierne lub adhezyjne, a cykle termiczne nie stanowią większego obciążenia.
- Część ma gruby przekrój, a wrażliwość na pękanie podczas odlewania i obróbki jest możliwa do kontrolowania.
- Temperatura pracy w atmosferze utleniającej jest wysoka, a częścią konstrukcji jest ochronna warstwa tlenku.
- Aplikacja ma ustaloną historię Stellite 6 z danymi dotyczącymi awarii, do których można się odwołać.
Pochyl się w stronę Stellite 21, gdy:
- Część podlega wielokrotnemu szybkiemu nagrzewaniu i chłodzeniu, a pękanie zmęczeniowe cieplnie jest znanym ryzykiem.
- Część ma cienkie ścianki lub nagłe zmiany przekroju, a wytrzymałość jest ważniejsza niż surowa twardość.
- Potrzebna jest warstwa przejściowa pomiędzy podłożem stalowym a twardą okładziną, aby buforować niedopasowanie rozszerzalności cieplnej (należy jednak ocenić długoterminową stabilność w wysokiej temperaturze).
- Mechanizmem zużycia jest głównie zużycie ślizgowe metal-metal lub kawitacja, a nie erozja twardymi cząstkami.
Gdy żadne z nich nie jest idealnie dopasowane: Jeśli zastosowanie wymaga zarówno wysokiej odporności na zużycie ścierne, jak i doskonałej odporności na zmęczenie cieplne, warto rozważyć Stellite 12 (wyższy węgiel, wyższa odporność na zużycie) lub rodzinę stopów wzmocnionych międzymetalicznie Tribaloy lub może zaistnieć potrzeba uwzględnienia zarządzania cieplnego części na poziomie projektu. Wskazówki te wykraczają poza to porównanie, ale należą do przeglądu wyboru materiałów na wczesnym etapie.
Co uwzględnić w zapytaniu ofertowym
Niezależnie od wybranego stopu, dostawca odlewów i obróbki mechanicznej zazwyczaj potrzebuje następujących informacji, zanim będzie mógł podać sensowną wycenę:
- Rysunki części z kluczowymi wymiarami i wymaganiami dotyczącymi tolerancji.
- Warunki usługi: zakres temperatur, medium i rodzaj obciążenia (zużycie, uderzenia, cykle termiczne).
- Oczekiwany czas życia lub znany tryb awarii, z częścią historyczną, jeśli jest dostępna.
- Norma materiałowana przykład, czy musi być spełniona norma AMS 5387 lub inna mająca zastosowanie specyfikacja.
- Ilość, ponieważ pojedyncze sztuki, małe partie i wielkości produkcji prowadzą do różnych wyborów procesowych.
W przypadku odlewów ze stopów na bazie kobaltu warto również potwierdzić, czy dostawca posiada własne możliwości od odlewu po obróbkę wykańczającą, ponieważ stopy te wyraźnie utwardzają się podczas pracy, a przekazywanie między procesami wpływa zarówno na koszt, jak i czas realizacji.
