Zhrnutie: Praktické porovnanie Stellite 6 a Stellite 21, ktoré vysvetľuje, ako obsah uhlíka a volfrám verzus molybdén spôsobujú kompromis medzi tvrdosťou a húževnatosťou.
Stellite 6 a Stellite 21 sú dve zliatiny na báze kobaltu, ktoré sa najčastejšie porovnávajú. Bežnou predvolenou hodnotou je zadať Stellite 6 vždy, keď existuje neistota. Tento zvyk má rozumný základ: Stellite 6 má dlhú históriu aplikácií, dobre zdokumentované správanie a vyspelé skúsenosti so spracovaním. Ale v dvoch situáciách môže predvolené nastavenie predstavovať zbytočné riziko: keď súčiastka zaznamenáva rýchle tepelné cykly alebo tepelný šok a keď má súčiastka tenké steny alebo prudké zmeny prierezu.
Stellite 21 existuje do značnej miery na riešenie obmedzenia húževnatosti Stelitu 6 v týchto podmienkach. Pochopenie kompromisu medzi týmito dvoma je užitočnejšie ako zapamätanie si toho, ktorý z nich je „lepší“.
Rozdiely v zložení spôsobujú rozdelenie výkonu
Rozdiel vo výkonnosti medzi týmito zliatinami spočíva v dvoch možnostiach zloženia.
Obsah uhlíka. Stellite 6 nesie výrazne vyššiu úroveň uhlíka. Podľa SAE AMS 5387 majú odliatky Stellite 6 nominálne zloženie 60Co-29Cr-4,5W, s uhlíkom typicky v rozsahu 0,9 – 1,4 % pre liate produkty. Viac uhlíka znamená viac zrážania tvrdších karbidov, čo priamo zvyšuje tvrdosť a odolnosť proti opotrebovaniu. Stellit 21 má oveľa nižší uhlík, s nominálnym zložením približne C ~0,25 %, Cr 25–30 %, Mo 4,5–6,5 %, Ni 1,5–3,5 %, zvyšok Co. Nižší uhlík znamená nižší objemový podiel karbidu a mikroštruktúru, v ktorej dominuje matrica pevného roztoku kobaltu.
Volfrám verzus molybdén. Stellite 6 používa volfrám (W) ako hlavný spevňovač v tuhom roztoku; Stellite 21 nahrádza väčšinu tohto volfrámu molybdénom (Mo). Molybdén má zhruba polovičnú atómovú hmotnosť ako volfrám, takže pri rovnakom hmotnostnom percente prispieva približne dvojnásobným počtom atómov. Molybdén má tiež silnejšiu afinitu k uhlíku a má tendenciu podporovať tvorbu karbidu. V Stellite 21 však tento účinok obmedzuje nízka hladina uhlíka a čistým výsledkom je podstatne nižší celkový obsah karbidov ako pri Stellite 6.
Tieto dva rozdiely spolu vytvárajú dva odlišné výkonnostné profily.
Stellite 6: hustota karbidu výmenou za odolnosť proti opotrebovaniu
Mikroštruktúra Stellite 6 pozostáva z matrice tuhého roztoku na báze kobaltu s relatívne hustou distribúciou častíc tvrdého karbidu. Táto štruktúra dobre funguje pri abrazívnom opotrebovaní.
Kde sa to hodí. Tesniace plochy ventilov, objímky čerpadiel, komponenty na manipuláciu s kalom a všeobecné diely podliehajúce opotrebovaniu pri miernom náraze sú typické aplikácie Stellite 6. Jeho tvrdosť zvyčajne spadá do rozsahu Rockwell C 37–45, v závislosti od podmienok odliatku a následného tepelného spracovania, čo je dostatočné na väčšinu problémov s opotrebením abrazívnym účinkom. V oxidačných vysokoteplotných prostrediach Stellite 6 tiež vytvára ochrannú oxidovú vrstvu založenú hlavne na Cr203 a CoCr204, s nižšou mierou oxidácie ako Stellite 21.
Tam, kde sa ukazujú hranice. Hustota karbidu má vedľajší účinok: pri rýchlom tepelnom cyklovaní alebo lokálnom tepelnom šoku sa rozdiel v tepelnej rozťažnosti medzi karbidmi a matricou môže stať miestom iniciácie trhliny. V prípade dielov s tenkým prierezom môže vyšší obsah uhlíka a karbidu zvýšiť aj riziko praskania počas odlievania a obrábania. To neznamená, že Stellite 6 nemožno použiť v týchto situáciách, ale keď je dominantným spôsobom poruchy tepelná únava, mala by sa vážne posúdiť alternatíva.
Stellite 21: nižší obsah karbidov výmenou za húževnatosť a odolnosť proti tepelnej únave
Stellite 21 má inú logiku dizajnu. Jeho nízky obsah uhlíka a pridanie molybdénu výrazne znižuje objemový podiel karbidu, pričom matricu tuhého roztoku kobaltu ponecháva ako fázu, ktorá nesie mechanický výkon.
Priamy dôsledok: Tvrdosť pri izbovej teplote a čistota abrazívneho opotrebenia sú nižšie ako Stellite 6, ale húževnatosť, odolnosť proti tepelným šokom a odolnosť proti tepelnej únave sú lepšie. Tvrdosť po odliatí sa zvyčajne uvádza v nízkych až stredných hodnotách HRC 30s, pod úrovňou Stellite 6 (presné hodnoty závisia od formy produktu a podmienok testu – pred špecifikáciou overte podľa údajov dodávateľa). Jeho výhodou nie je opotrebovanie abrazív, ale zachovanie štrukturálnej integrity pri tepelných cykloch.
Kde sa to hodí. Stellite 21 sa používa v lopatkách plynových turbín, ventiloch pracujúcich za tepla, vysokoteplotných spojovacích materiáloch a zvarových prekrytiach, ktoré potrebujú vyrovnávať nesúlad pri tepelnej rozťažnosti. Tam, kde Stellite 6 slúži ako vrchná vrstva a je potrebná medzivrstva, Stellite 21 sa historicky používal ako nárazník na zmiernenie rozdielu tepelnej rozťažnosti medzi oceľovým substrátom a vrchnou vrstvou Stellite 6. Štúdia na oceľových substrátoch F91 s tlmiacimi vrstvami Stellite 21, starnutými pri 550–650 °C po dobu až 8 760 hodín, zistila významnú stratu rázovej húževnatosti na rozhraní F91/S21, a preto sú v tejto špecifickej aplikácii čoraz viac preferované tlmiace vrstvy na báze niklu. To dobre ilustruje pozíciu zliatiny: jej hodnota spočíva v húževnatosti za špecifických podmienok, nie v nahradzovaní Stellite 6 všade.
Ľahko prehliadnuteľné obmedzenie. Stellite 21 má relatívne obmedzenú odolnosť voči erózii tvrdými časticami. Pretože hustota karbidu je nízka, matrica ponúka menšiu ochranu, keď ostré častice narážajú rýchlosťou. Pri nízkouhlovej erózii a tvrdom opotrebení nie je Stellite 21 zvyčajne najlepšou voľbou.
Praktická cesta výberu
Nasledujúca cesta je založená na výkonnostných charakteristikách týchto dvoch zliatin. Môže slúžiť ako úvodná príručka skríningu, ale nemala by nahradiť technické posúdenie konkrétnej aplikácie.
Nakloňte sa k Stellite 6, keď:
- Dominantným spôsobom poruchy je abrazívne alebo adhézne opotrebovanie a tepelné cyklovanie nepredstavuje veľkú záťaž.
- Diel má hrubú časť a citlivosť na praskanie počas odlievania a obrábania je zvládnuteľná.
- Prevádzková teplota je v oxidačnej atmosfére vysoká a súčasťou konštrukcie je ochranná vrstva oxidu.
- Aplikácia má zavedenú históriu Stellite 6 s údajmi o poruchách, na ktoré sa dá odkazovať.
Nakloňte sa k Stellite 21, keď:
- Diel sa opakovane rýchlo zahrieva a ochladzuje a známym rizikom je praskanie tepelnou únavou.
- Diel má tenké steny alebo prudké zmeny prierezu a húževnatosť je dôležitá viac ako surová tvrdosť.
- Prechodová vrstva je potrebná medzi oceľovým substrátom a tvrdým návarom na vyrovnávaciu tepelnú rozťažnosť (musí sa však vyhodnotiť dlhodobá stabilita pri vysokých teplotách).
- Mechanizmus opotrebovania je skôr klzné opotrebovanie alebo kavitácia kov na kov než erózia tvrdých častíc.
Keď ani jedno nie je vhodné: Ak aplikácia vyžaduje vysokú odolnosť proti abrazívnemu opotrebeniu a vynikajúcu odolnosť proti tepelnej únave, Stellite 12 (vyšší uhlík, vyššia odolnosť proti opotrebeniu) alebo Tribaloy rodina intermetalicky spevnených zliatin, môže byť potrebné riešiť tepelné riadenie dielu na úrovni návrhu. Tieto pokyny idú nad rámec tohto porovnania, ale patria do počiatočného štádia preskúmania výberu materiálu.
Čo zahrnúť do RFQ
Bez ohľadu na zvolenú zliatinu dodávateľ odlievania a obrábania zvyčajne potrebuje nasledujúce informácie, aby mohol poskytnúť zmysluplnú cenovú ponuku:
- Výkresy dielov s kľúčovými rozmermi a požiadavkami na toleranciu.
- Servisné podmienky: teplotný rozsah, médium a typ zaťaženia (opotrebenie, náraz, tepelné cyklovanie).
- Očakávaná životnosť alebo známy režim poruchy, s historickou časťou, ak je k dispozícii.
- Materiálový štandard, napríklad či musí byť splnená AMS 5387 alebo iná použiteľná špecifikácia.
- Množstvo, pretože jednotlivé kusy, malé série a objemy výroby vedú k rôznym výberom procesov.
V prípade odliatkov zliatin na báze kobaltu sa tiež oplatí potvrdiť, či má dodávateľ interné možnosti od odlievania až po konečné obrábanie, pretože tieto zliatiny sa značne vytvrdzujú a odovzdávanie medzi procesmi ovplyvňuje náklady aj dodaciu dobu.
