司太立(Stellite)是一種能耐各種類型磨損和腐蝕以及高溫氧化的硬質(zhì)合金。即通常所說的鈷基合金, 司太立合金是以鈷作為主要成分,含有相當數(shù)量的鎳、鉻、鎢和少量的鉬、鈮、鉭、鈦、鑭等合金元素,偶而也還含有鐵的一類合金。根據(jù)合金中成分不同,它們可以制成焊絲,粉末用于硬面堆焊,熱噴涂、噴焊等工藝,也可以制成鑄鍛件和粉末冶金件。
粉末冶金具有*的化學(xué)組成和機械、物理性能,而這些性能是用傳統(tǒng)的熔鑄方法無法獲得的。運用粉末冶金技術(shù)可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品,如含油軸承、齒輪、凸輪、導(dǎo)桿、刀具等,是一種少無切削工藝。
(1)粉末冶金技術(shù)可以最大限度地減少合金成分偏聚,消除粗大、不均勻的鑄造組織。在制備高性能稀土永磁材料、稀土儲氫材料、稀土發(fā)光材料、稀土催化劑、高溫超導(dǎo)材料、新型金屬材料(如Al-Li合金、耐熱Al合金、超合金、粉末耐蝕不銹鋼、粉末高速鋼、金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料等)具有重要的作用。
(2)可以制備非晶、微晶、準晶、納米晶和超飽和固溶體等一系列高性能非平衡材料,這些材料具有優(yōu)異的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能。
(3)可以容易地實現(xiàn)多種類型的復(fù)合,充分發(fā)揮各組元材料各自的特性,是一種低成本生產(chǎn)高性能金屬基和陶瓷復(fù)合材料的工藝技術(shù)。
(4)可以生產(chǎn)普通熔煉法無法生產(chǎn)的具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的材料和制品,如新型多孔生物材料,多孔分離膜材料、高性能結(jié)構(gòu)陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。
(5)可以實現(xiàn)近凈形成和自動化批量生產(chǎn),從而,可以有效地降低生產(chǎn)的資源和能源消耗。
(6)可以充分利用礦石、尾礦、煉鋼污泥、軋鋼鐵鱗、回收廢舊金屬作原料,是一種可有效進行材料再生和綜合利用的新技術(shù)。
司太立耐磨合金合金由合金基體中的復(fù)合碳化物組成。它們耐磨損、擦傷和腐蝕,并在高溫下保持這些性能。其優(yōu)異的耐磨性主要是由于硬質(zhì)合金相分散在CoGr合金基體中的*固有特性。耐磨合金(Stellite6)是應(yīng)用廣泛的耐磨鈷基合金,具有良好的綜合性能。
它被認為是通用耐磨性應(yīng)用的行業(yè)標準,在較寬的溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)異的抗多種形式的機械和化學(xué)降解性能,在500°C(930°F)以下保持合理的硬度。它具有良好的抗沖擊和抗空蝕性能。 Stellite"6非常適合各種堆焊工藝,可使用硬質(zhì)合金刀具進行車削。例子包括閥座和閘板、泵軸和軸承、防蝕板和滾動副。它通常是自配的。
粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料,經(jīng)過成形和燒結(jié),制造金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝技術(shù)。粉末冶金法與生產(chǎn)陶瓷有相似的地方,均屬于粉末燒結(jié)技術(shù),因此,一系列粉末冶金新技術(shù)也可用于陶瓷材料的制備。由于粉末冶金技術(shù)的優(yōu)點,它已成為解決新材料問題的鑰匙,在新材料的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。
分類
按使用用途分類,司太立合金可以分為司太立耐磨損合金,司太立耐高溫合金及司太立耐磨損和水溶液腐蝕合金。一般使用工況下,其實都是兼有耐磨損耐高溫或耐磨損耐腐蝕的情況,有的工況還可能要求同時耐高溫耐磨損耐腐蝕,而越是在這種復(fù)雜的工況下,才越能體現(xiàn)司太立合金的優(yōu)勢。
典型牌號及組織
司太立合金的典型牌號有:Stellite1,Stellite4,Stellite6,Stellite8,Stellite12,Stellite20,Stellite31,Stellite100等。在我國,主要對司太立高溫合金研究比較深入和透徹(國內(nèi)主要研究機構(gòu)與推廣單位有鋼鐵研究總院與北京融品科技有限公司等)。與其它高溫合金不同,司太立高溫合金不是由與基體牢固結(jié)合的有序沉淀相來強化,而是由已被固溶強化的奧氏體fcc基體和基體中分布少量碳化物組成。
鑄造司太立高溫合金卻是在很大程度上依靠碳化物強化。純鈷晶體在417℃以下是密排六方(hcp)晶體結(jié)構(gòu),在更高溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)閒cc。為了避免司太立高溫合金在使用時發(fā)生這種轉(zhuǎn)變,實際上所有司太立合金由鎳合金化,以便在室溫到熔點溫度范圍內(nèi)使組織穩(wěn)定化。司太立合金具有平坦的斷裂應(yīng)力-溫度關(guān)系,但在1000℃以上卻顯示出比其他高溫下具有優(yōu)異的抗熱腐蝕性能,這可能是因為該合金含鉻量較高,這是這類合金的一個特征。
耐高溫耐腐蝕性能
一般鈷基高溫合金缺少共格的強化相,雖然中溫強度低(只有鎳基合金的50-75%),但在高于980℃時具有較高的強度、良好的抗熱疲勞、抗熱腐蝕和耐磨蝕性能,且有較好的焊接性。適于制作航空噴氣發(fā)動機、工業(yè)燃氣輪機、艦船燃氣輪機的導(dǎo)向葉片和噴嘴導(dǎo)葉以及柴油機噴嘴等。
碳化物強化相 鈷基高溫合金中主要的碳化物是 MC,M23C6和M6C在鑄造司太立合金中,M23C6是緩慢冷卻時在晶界和枝晶間析出的。在有些合金中,細小的M23C6能與基體γ形成共晶體。MC碳化物顆粒過大,不能對位錯直接產(chǎn)生顯著的影響,因而對合金的強化效果不明顯,而細小彌散的碳化物則有良好的強化作用。位于晶界上的碳化物(主要是M23C6)能阻止晶界滑移,從而改善持久強度,鈷基高溫合金HA-31(X-40)的顯微組織為彌散的強化相為 (CoCrW)6 C型碳化物。
在某些司太立合金中會出現(xiàn)的拓撲密排相如西格瑪相和Laves等是有害的,會使合金變脆。司太立合金較少使用金屬間化合物進行強化,因為Co3 (Ti﹐Al)﹑Co3Ta等在高溫下不夠穩(wěn)定,但近年來使用金屬間化合物進行強化的司太立合金也有所發(fā)展。
司太立合金中碳化物的熱穩(wěn)定性較好。溫度上升時﹐碳化物集聚長大速度比鎳基合金中的γ相長大速度要慢,重新回溶于基體的溫度也較高(高可達1100℃),因此在溫度上升時﹐司太立合金的強度下降一般比較緩慢。
司太立合金有很好的抗熱腐蝕性能,一般認為,司太立合金在這方面優(yōu)于鎳基合金的原因,是鈷的硫化物熔點(如Co-Co4S3共晶,877℃)比鎳的硫化物熔點(如Ni-Ni3S2共晶645℃)高,并且硫在鈷中的擴散率比在鎳中低得多。而且由于大多數(shù)司太立合金含鉻量比鎳基合金高,所以在合金表面能形成抵抗堿金屬硫酸鹽(如Na2SO4腐蝕的Cr2O3保護層)。
但司太立合金抗氧化能力通常比鎳基合金低得多。 早期的司太立合金用非真空冶煉和鑄造工藝生產(chǎn)。后來研制成的合金,如Mar-M509合金,因含有較多的活性元素鋯、硼等,用真空冶煉和真空鑄造生產(chǎn)。
堆焊
司太立堆焊合金含鉻25-33%,含鎢3-21%,含碳0.7-3.0%。,隨著含碳量的增加,其金相組織從亞共晶的奧氏體+M7C3型共晶變成過共晶的M7C3型初生碳化物+ M7C3型共晶。含碳越多,初生M7C3越多,宏觀硬度加大,抗磨料磨損性能提高,但耐沖擊能力,焊接性,機加工性能都會下降。被鉻和鎢合金化的司太立合金具有很好的抗氧化性,抗腐蝕性和耐熱性。在650℃仍能保持較高的硬度和強度,這是該類合金區(qū)別于鎳基和鐵基合金的重要特點。
司太立合金機加工后表面粗糙度低,具有高的抗擦傷能力和低的摩擦系數(shù),也適用于粘著磨損,尤其在滑動和接觸的閥門密封面上。但在高應(yīng)力磨料磨損時,含碳低的鈷鉻鎢合金耐磨性還不如低碳鋼,因此,價格昂貴的司太立合金的選用,必須有專業(yè)人士的指導(dǎo),才能發(fā)揮材料的大潛力。國外還有用鉻,鉬合金化的含Laves相的司太立堆焊合金,如Co-28Mo-17Cr-3Si和Co-28Mo-8Cr-2Si。由于Laves相比碳化物硬度低,在金屬摩擦副中與之配對的材料磨損較小。
應(yīng)用領(lǐng)域
1、 司太立鈷基1號焊絲
相當AWSERCoCr-C
主要特征及用途:
高碳Co-Cr-W合金堆焊焊絲,耐磨性、耐蝕性好。但抗沖擊韌度差。主要用于牙輪鉆頭軸承、鍋爐旋轉(zhuǎn)葉片等磨損部件的堆焊
堆焊層硬度HRC:≥52
2、司太立鈷基4號焊絲
用于較高耐磨損性能,的高溫強及耐腐蝕性能。用于銅,鋁合金熱壓模,熱擠壓模,干電池模具等。
堆焊層硬度HRC:46-50
3、司太立鈷基6號焊絲
相當AWSERCoCr-A
Co106鈷基堆焊焊絲是Co-Cr-W堆焊合金中C及W含量低、韌性好的一種。能承受冷熱條件下的沖擊,產(chǎn)生裂紋的傾向小,具有良好的耐蝕、耐熱和耐磨性能。主要用于要求在高溫工作時能保持良好的耐磨性及耐蝕性,如高溫、高壓閥門、熱剪切刀刃、熱鍛模等
堆焊層硬度HRC:40-45
4、司太立鈷基12號焊絲
相當AWSERCoCr-B
Co112鈷基堆焊焊絲,在Co-Cr-W堆焊合金中具有中等硬度,耐磨性比HS111好,但塑性稍差,具有良好的耐蝕、耐熱及耐磨性能,在650℃左右高溫下仍能保持這些特性。主要用于高溫、高壓閥門、內(nèi)燃機閥、高壓泵軸套和內(nèi)襯套筒、熱軋輥孔型等堆焊
堆焊層硬度HRC:45-50
5、司太立鈷基20號焊絲
Co120鈷基堆焊焊絲,硬度高,耐磨性非常好,但抗沖擊性較差,堆焊時產(chǎn)生裂紋傾向大,具有良好的耐蝕、耐熱、耐磨性能,在650℃左右仍可保持這些性能。主要用于牙輪鉆頭軸承、鍋爐的旋轉(zhuǎn)葉片、粉碎機刃口、螺旋送料機等堆焊
堆焊層硬度HRC:55-60
6、 HS111鈷基焊絲
HS111鈷基堆焊焊絲是Co-Cr-W堆焊合金中C及W含量低、韌性好的一種。能承受冷熱條件下的沖擊,產(chǎn)生裂紋的傾向小,具有良好的耐蝕、耐熱和耐磨性能。主要用于要求在高溫工作時能保持良好的耐磨性及耐蝕性,如高溫、高壓閥門、熱剪切刀刃、熱鍛模等
7、 HS112鈷基焊絲
相當AWSRCoCr-B
HS112鈷基堆焊焊絲,在Co-Cr-W堆焊合金中具有中等硬度,耐磨性比HS111好,但塑性稍差,具有良好的耐蝕、耐熱及耐磨性能,在650℃左右高溫下仍能保持這些特性。主要用于高溫、高壓閥門、內(nèi)燃機閥、高壓泵軸套和內(nèi)襯套筒、熱軋輥孔型等堆焊
8、 HS113鈷基焊絲
HS113鈷基堆焊焊絲,硬度高,耐磨性非常好,但抗沖擊性較差,堆焊時產(chǎn)生裂紋傾向大,具有良好的耐蝕、耐熱、耐磨性能,在650℃左右仍可保持這些性能。主要用于牙輪鉆頭軸承、鍋爐的旋轉(zhuǎn)葉片、粉碎機刃口、螺旋送料機等堆焊
9、 HS113G鈷基焊絲
堆焊層具有優(yōu)良的耐磨料磨損和耐熱、耐腐蝕性能,至800℃的高溫也能保持這些特性,單沖擊韌性較差,對堆焊層溫度較敏感。金相組織為共晶體和粗大復(fù)合碳化物。主要用于泵的套筒和旋轉(zhuǎn)密封環(huán)、磨損面板、軸承套筒、高溫熱軋輥、油田鉆頭等堆焊
堆焊層硬度HRC:≥54
該焊絲適當降低了含碳量,加入了較多的Ni及Fe等合金元素,從而提高了堆焊層的韌性和綜合機械性能。主要用于耐氣蝕、耐腐蝕性能要求較高的內(nèi)燃機氣門、排氣閥的堆焊
堆焊層硬度HRC:37-40
11、HS114鈷基焊絲
相當AWSRCoCr-C
12、HS115鈷基焊絲
相當AWSERCoCr-E
該焊絲是用鉬強化的低碳鈷鉻合金,在室溫下硬度較低,但冷作后硬度有所提高。堆焊層具有良好的男耐高溫腐蝕,耐沖擊能和良好的高溫強度
堆焊層硬度HRC:≥27
13、HS116鈷基焊絲
有較高的耐磨損性和高溫強度,但韌性較差,在耐、磷酸、硝酸等工況條件下呈優(yōu)良的耐腐蝕性。主要用于銅基及鋁基合金的熱壓模等堆焊
14、HS117鈷基焊絲
有較強的耐磨料磨損及耐腐蝕性能,在800℃高溫也能保持這些特性。用于泵的套筒和旋轉(zhuǎn)密封環(huán)等磨損面的堆焊
堆焊層硬度HRC:≥53
15、司太立鈷基12號焊條
型號:GB/T EDCoCr-B-03
相當:AWS ECoCr-B JIS DF-CoCrB
說明:鈷鉻鎢合金焊芯的鈷基堆焊焊條,采用直流反接,堆焊金屬在650℃工作仍能保持良好的耐磨性和耐腐蝕性。
用途:用于高溫高壓閥門、高壓泵的軸套筒和內(nèi)襯套以及化纖設(shè)備的斬刀刃口等。
堆焊硬度HRC:≥44