Резюме: Практичне порівняння Stellite 6 і Stellite 21, пояснюючи, як вміст вуглецю та співвідношення вольфраму проти молібдену впливають на компроміс між твердістю та міцністю.
Stellite 6 і Stellite 21 — це два сплави на основі кобальту, які найчастіше порівнюють один з одним. Зазвичай за умовчанням указується Stellite 6, коли є невизначеність. Ця звичка має розумну основу: Stellite 6 має довгу історію застосування, добре задокументовану поведінку та зрілий досвід обробки. Але в двох ситуаціях замовчування може створити непотрібний ризик: коли деталь відчуває швидкий термоцикл або тепловий удар, і коли деталь має тонкі стінки або різкі зміни профілю.
Stellite 21 існує здебільшого для вирішення проблеми обмеження міцності Stellite 6 у таких умовах. Розуміння компромісу між ними корисніше, ніж запам’ятовувати, який із них «кращий».
Розбіжності в складі призводять до розколу продуктивності
Різниця в продуктивності між цими сплавами зводиться до двох варіантів складу.
Вміст вуглецю. Stellite 6 містить значно вищий рівень вуглецю. Відповідно до SAE AMS 5387, виливки Stellite 6 мають номінальний склад 60Co-29Cr-4,5W, із вмістом вуглецю, як правило, у діапазоні 0,9–1,4% для литих виробів. Більше вуглецю означає більше виділення твердого карбіду, що безпосередньо підвищує твердість і зносостійкість. Stellite 21 має набагато менший вміст вуглецю з номінальним складом приблизно C ~0,25%, Cr 25–30%, Mo 4,5–6,5%, Ni 1,5–3,5%, залишок Co. Нижчий вміст вуглецю означає нижчу об’ємну частку карбіду та мікроструктуру, в якій переважає матриця твердого розчину кобальту.
Вольфрам проти молібдену. Stellite 6 використовує вольфрам (W) як основний зміцнювач твердого розчину; Stellite 21 замінює більшу частину вольфраму молібденом (Mo). Молібден має приблизно половину атомної ваги, ніж вольфрам, тому при тому самому масовому відсотку він містить приблизно вдвічі більше атомів. Молібден також має сильнішу спорідненість з вуглецем і має тенденцію сприяти утворенню карбіду. Однак у Stellite 21 низький рівень вуглецю обмежує цей ефект, і кінцевим результатом є значно нижчий загальний вміст карбіду, ніж у Stellite 6.
Разом ці дві відмінності створюють два відмінні профілі продуктивності.
Stellite 6: щільність карбіду в обмін на зносостійкість
Мікроструктура Stellite 6 складається з матриці твердого розчину на основі кобальту з відносно щільним розподілом частинок твердого карбіду. Ця структура добре працює в умовах абразивного зносу.
Де годиться. Ущільнювальні поверхні клапанів, манжети насосів, компоненти транспортування суспензії та загальні зношувані деталі, що піддаються помірному впливу, є типовим застосуванням Stellite 6. Його твердість зазвичай знаходиться в діапазоні Rockwell C 37–45, залежно від умов лиття та подальшої термічної обробки, чого достатньо для більшості проблем абразивного зношування. У високотемпературних окислювальних середовищах Stellite 6 також утворює захисний оксидний шар на основі Cr₂O₃ і CoCr₂O₄ з меншою швидкістю окислення, ніж Stellite 21.
Де виявляються межі. Щільність карбіду має побічний ефект: за швидкого термічного циклу або локального теплового удару різниця теплового розширення між карбідами та матрицею може стати місцем виникнення тріщин. Для деталей з тонким перерізом високий вміст вуглецю та карбіду також може підвищити ризик розтріскування під час лиття та механічної обробки. Це не означає, що Stellite 6 не можна використовувати в таких ситуаціях, але коли термічна втома є домінуючим типом відмови, слід серйозно оцінити альтернативу.
Stellite 21: менший вміст карбіду в обмін на міцність і стійкість до термічної втоми
Stellite 21 дотримується іншої логіки дизайну. Його низький вміст вуглецю та додавання молібдену різко зменшують об’ємну частку карбіду, залишаючи матрицю твердого розчину кобальту як фазу, яка забезпечує механічні властивості.
Прямий наслідок: Твердість при кімнатній температурі та стійкість до чистого абразивного зношування нижчі, ніж у Stellite 6, але міцність, стійкість до термічного удару та стійкість до термічної втоми є кращими. Твердість у литому стані, як правило, становить від низького до середнього HRC 30 с, нижче, ніж у Stellite 6 (точні значення залежать від форми виробу та умов випробування — перевірте дані постачальника, перш ніж вказувати). Його перевага полягає не в зношуванні абразивів, а в збереженні структурної цілісності під час термоциклування.
Де годиться. Stellite 21 використовується в лопатках газових турбін, клапанах для гарячої обробки, високотемпературних кріпильних елементах і зварювальних накладках, які потребують буферизації невідповідності теплового розширення. Там, де Stellite 6 служить верхнім шаром і потрібен проміжний шар, Stellite 21 історично використовувався як буфер для пом’якшення різниці теплового розширення між сталевою підкладкою та верхнім шаром Stellite 6. Дослідження сталевих підкладок F91 з буферними шарами Stellite 21, витриманих при 550–650°C протягом 8760 годин, виявило значну втрату ударної в’язкості на межі F91/S21, тому буферні шари на основі нікелю все частіше надають перевагу в цьому конкретному застосуванні. Це добре ілюструє позицію сплаву: його цінність полягає в міцності за певних умов, а не в повній заміні Stellite 6.
Обмеження, яке легко пропустити. Stellite 21 має відносно обмежену стійкість до ерозії твердих часток. Оскільки щільність карбіду низька, матриця забезпечує менший захист, коли гострі частинки вдаряються на швидкості. За умов низькокутової ерозії та сильного абразивного зношування Stellite 21 зазвичай не найкращий вибір.
Практичний вибір
Наступний шлях заснований на експлуатаційних характеристиках двох сплавів. Він може слугувати початковим посібником для перевірки, але не повинен замінювати інженерну оцінку конкретного застосування.
Схиляйтеся до Stellite 6, коли:
- Домінуючим типом руйнування є абразивне або адгезивне зношування, а термічний цикл не є основним навантаженням.
- Деталь має товстий перетин, і чутливість до розтріскування під час лиття та механічної обробки є керованою.
- Температура експлуатації висока в окислювальній атмосфері, і захисний оксидний шар є частиною конструкції.
- Програма має встановлену історію Stellite 6 із даними про помилки для посилання.
Схиляйтеся до Stellite 21, коли:
- Деталь піддається багаторазовому швидкому нагріванню та охолодженню, а розтріскування від термічної втоми є відомим ризиком.
- Деталь має тонкі стінки або різкі перерізи, і в’язкість має більше значення, ніж твердість.
- Перехідний шар необхідний між сталевою підкладкою та твердим покриттям для буферизації невідповідності теплового розширення (але слід оцінити довготривалу високотемпературну стабільність).
- Механізм зношування - це переважно ковзання метал-метал або кавітація, а не ерозія твердих часток.
Коли ні те, ні інше не є чистим: Якщо застосування вимагає як високої стійкості до абразивного зношування, так і чудової стійкості до термічної втоми, варто розглянути Stellite 12 (вищий вміст вуглецю, вища зносостійкість) або сімейство інтерметалічних зміцнених сплавів Tribaloy, або, можливо, доведеться розглянути питання управління температурою деталі на рівні проекту. Ці вказівки виходять за рамки цього порівняння, але належать до аналізу відбору матеріалів на ранній стадії.
Що включати в запит пропозицій
Який би сплав не було обрано, постачальнику лиття та обробки зазвичай потрібно наступне, перш ніж він зможе надати значущу пропозицію:
- Креслення деталей з основними розмірами та вимогами допуску.
- Умови обслуговування: температурний діапазон, середовище та тип навантаження (знос, удар, термічний цикл).
- Очікуваний термін служби або відомий режим відмови, з історичною частиною за наявності.
- Стандарт матеріалу, наприклад, чи має відповідати AMS 5387 або інша відповідна специфікація.
- Кількість, оскільки окремі штуки, невеликі партії та обсяги виробництва призводять до різних процесів вибору.
Для виливків зі сплавів на основі кобальту також варто підтвердити, чи є у постачальника власні можливості від лиття до кінцевої обробки, оскільки ці сплави помітно зміцнюються, а передача між процесами впливає як на вартість, так і на час виконання.
