Резюме: Практическое сравнение стеллита 6 и стеллита 21, объясняющее, как содержание углерода и соотношение вольфрама и молибдена влияют на компромисс между твердостью и ударной вязкостью.
Стеллит 6 и Стеллит 21 — это два износостойких сплава на основе кобальта, которые чаще всего сравнивают друг с другом. Обычно по умолчанию указывается Stellite 6, когда есть неопределенность. У этой привычки есть разумное основание: Stellite 6 имеет долгую историю применения, хорошо документированное поведение и зрелый опыт обработки. Но в двух ситуациях значение по умолчанию может привести к ненужному риску: когда деталь подвергается быстрому термоциклированию или термическому удару, а также когда деталь имеет тонкие стенки или резкое изменение сечения.
Стеллит 21 существует в основном для устранения ограничений прочности Стеллита 6 в таких условиях. Понимание компромисса между ними более полезно, чем запоминание того, какой из них «лучше».
Различия в составе определяют разделение производительности
Разрыв в характеристиках этих сплавов сводится к двум вариантам состава.
Содержание углерода. Стеллит 6 содержит значительно более высокий уровень углерода. В соответствии со стандартом SAE AMS 5387 отливки из стеллита 6 имеют номинальный состав 60Co-29Cr-4,5W, при этом содержание углерода обычно находится в диапазоне 0,9–1,4% для литых изделий. Больше углерода означает больше твердых карбидных выделений, что напрямую повышает твердость и износостойкость. Стеллит 21 имеет гораздо меньше углерода, с номинальным составом примерно C ~ 0,25%, Cr 25–30%, Mo 4,5–6,5%, Ni 1,5–3,5%, остальное Co. Более низкое содержание углерода означает более низкую объемную долю карбидов и микроструктуру, в которой преобладает матрица твердого раствора кобальта.
Вольфрам против молибдена. В Stellite 6 в качестве основного упрочнителя на твердом растворе используется вольфрам (W); Стеллит 21 заменяет большую часть вольфрама молибденом (Мо). Молибден имеет примерно половину атомного веса вольфрама, поэтому при том же весовом проценте он содержит примерно вдвое больше атомов. Молибден также имеет более сильное сродство к углероду и способствует образованию карбидов. Однако в Стеллите 21 низкий уровень углерода ограничивает этот эффект, и конечным результатом является существенно более низкое общее содержание карбидов, чем в Стеллите 6.
Вместе эти два различия создают два различных профиля производительности.
Стеллит 6: плотность карбида в обмен на износостойкость
Микроструктура Стеллита 6 состоит из матрицы твердого раствора на основе кобальта с относительно плотным распределением твердых карбидных частиц. Эта структура хорошо работает при абразивном износе.
Где оно подходит. Уплотняющие поверхности клапанов, втулки насосов, компоненты перекачивания шлама и детали общего износа, подвергающиеся умеренным ударам, являются типичными вариантами применения Stellite 6. Его твердость обычно находится в диапазоне Rockwell C 37–45, в зависимости от условий отливки и последующей термообработки, чего достаточно для решения большинства проблем абразивного износа. В окислительных высокотемпературных средах Стеллит 6 также образует защитный оксидный слой на основе Cr₂O₃ и CoCr₂O₄, с более низкой скоростью окисления, чем Стеллит 21.
Где проявляются ограничения. Плотность карбидов имеет побочный эффект: при быстром термоциклировании или локальном термическом ударе разница теплового расширения между карбидами и матрицей может стать местом зарождения трещин. Для деталей тонкого сечения более высокое содержание углерода и карбидов также может повысить риск растрескивания во время литья и механической обработки. Это не означает, что Stellite 6 нельзя использовать в таких ситуациях, но когда термическая усталость является доминирующим видом разрушения, следует серьезно оценить альтернативу.
Стеллит 21: более низкое содержание карбидов в обмен на ударную вязкость и сопротивление термической усталости.
Stellite 21 следует другой логике проектирования. Низкое содержание углерода и добавление молибдена резко снижают объемную долю карбидов, оставляя матрицу твердого раствора кобальта в качестве фазы, обеспечивающей механические характеристики.
Прямое следствие: Твердость при комнатной температуре и стойкость к чистому абразивному износу ниже, чем у Стеллита 6, но ударная вязкость, стойкость к термическому удару и сопротивление термической усталости лучше. Твердость литья обычно указывается в диапазоне HRC 30 от низкого до среднего, что ниже, чем у Stellite 6 (точные значения зависят от формы продукта и условий испытаний — прежде чем указывать, сверьтесь с данными поставщика). Его преимуществом является не износ абразивов, а сохранение структурной целостности при термоциклировании.
Где оно подходит. Стеллит 21 использовался в лопатках газовых турбин, клапанах для горячей обработки, высокотемпературных крепежных изделиях и наплавках, которые должны компенсировать несоответствие теплового расширения. Там, где Stellite 6 служит верхним слоем и необходим промежуточный слой, Stellite 21 исторически использовался в качестве буфера для смягчения разницы в тепловом расширении между стальной подложкой и верхним слоем Stellite 6. Исследование стальных подложек F91 с буферными слоями Stellite 21, состаренных при 550–650°C в течение 8760 часов, выявило значительную потерю ударной вязкости на границе раздела F91/S21, поэтому буферные слои на основе никеля становятся все более предпочтительными в этом конкретном применении. Это хорошо иллюстрирует положение сплава: его ценность заключается в прочности в конкретных условиях, а не в повсеместной замене стеллита 6.
Ограничение, которое легко упустить из виду. Стеллит 21 имеет относительно ограниченную устойчивость к эрозии твердых частиц. Поскольку плотность карбида низкая, матрица обеспечивает меньшую защиту при ударе острых частиц на скорости. При малоугловой эрозии и сильном абразивном износе Stellite 21 обычно не лучший выбор.
Практический путь выбора
Следующий путь основан на эксплуатационных характеристиках двух сплавов. Он может служить руководством по первоначальному отбору, но не должен заменять инженерную оценку конкретного применения.
Наклоняйтесь к Stellite 6, когда:
- Преобладающим видом разрушения является абразивный или адгезионный износ, а термоциклирование не является основной нагрузкой.
- Деталь имеет толстое сечение, и чувствительность к растрескиванию во время литья и механической обработки является управляемой.
- Температура эксплуатации высока в окислительной атмосфере, а защитный оксидный слой является частью конструкции.
- Приложение имеет установленную историю Stellite 6 с данными об ошибках, на которые можно ссылаться.
Наклоняйтесь к Stellite 21, когда:
- Деталь подвергается многократному быстрому нагреву и охлаждению, и известный риск термического усталостного растрескивания.
- Деталь имеет тонкие стенки или резкие изменения сечения, а прочность имеет большее значение, чем исходная твердость.
- Между стальной подложкой и твердой облицовкой необходим переходный слой, чтобы компенсировать несоответствие теплового расширения (но необходимо оценить долговременную стабильность при высоких температурах).
- Механизмом изнашивания является главным образом скользящий износ металла по металлу или кавитация, а не эрозия твердых частиц.
Когда ни один из них не подходит идеально: Если применение требует как высокой стойкости к абразивному износу, так и превосходной стойкости к термической усталости, возможно, стоит рассмотреть Stellite 12 (более высокий уровень углерода, более высокая износостойкость) или семейство интерметаллически-упрочненных сплавов Tribaloy, или, возможно, потребуется рассмотреть терморегулирование детали на уровне проектирования. Эти направления выходят за рамки этого сравнения, но относятся к обзору выбора материала на ранней стадии.
Что включить в запрос предложения
Какой бы сплав ни был выбран, поставщику литья и механической обработки обычно необходимо следующее, прежде чем он сможет предоставить значимое ценовое предложение:
- Чертежи деталей с основными размерами и требованиями по допускам.
- Условия обслуживания: диапазон температур, среда и тип нагрузки (износ, удар, термоциклирование).
- Ожидаемый срок службы или известный вид отказа, с исторической частью, если таковая имеется.
- Стандарт материала, например, необходимо ли соблюдать AMS 5387 или другую применимую спецификацию.
- Количество, поскольку отдельные детали, небольшие партии и объемы производства приводят к разным выборам процесса.
Для отливок из сплавов на основе кобальта также стоит подтвердить, имеет ли поставщик собственные возможности от литья до чистовой обработки, поскольку эти сплавы заметно упрочняются, а переключение между процессами влияет как на стоимость, так и на время выполнения заказа.
