鈷基合金司太立

發(fā)布時(shí)間：2022-05-10 作者：焱狄金屬次數(shù)：1308次

鈷基合金，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。即通常所說的鈷鉻鎢（鉬）合金或司太立（Stellite）合金（司太立合金由美國人Elwood Hayness 于1907年創(chuàng)造）。鈷基合金是以鈷作為主要成分，含有適當(dāng)數(shù)量的鎳、鉻、鎢和少量的鉬、鈮、鉭、鈦、鑭等合金元素，偶爾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。

分類

按使用用途分類，鈷基合金可以分為鈷基耐磨損合金，鈷基耐高溫合金及鈷基耐磨損和水溶液腐蝕合金。一般使用工況下，其實(shí)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一起耐高溫耐磨損耐腐蝕，而越是在這種雜亂的工況下，才越能表現(xiàn)鈷基合金的優(yōu)勢(shì)。

牌號(hào)組織

在我國，主要對(duì)鈷基耐高溫合金研討比較深化和透徹（國內(nèi)典型的研討與推行單位有鋼鐵研討總院與北京融品科技有限公司等）。鈷基耐高溫合金的典型商標(biāo)有：Hayness188，Haynes25(L-605),Alloy S-816,UMCo-50，MP-159，F(xiàn)SX-414，X-40，Stellite6B等，我國商標(biāo)有：GH5188(GH188)，GH159，GH605，K640，DZ40M等。與其它高溫合金不同，鈷基高溫合金不是由與基體牢固結(jié)合的有序沉淀相來強(qiáng)化，而是由已被固溶強(qiáng)化的奧氏體fcc基體和基體中散布少數(shù)碳化物組成。鑄造鈷基高溫合金卻是在很大程度上依靠碳化物強(qiáng)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。為了防止鈷基高溫合金在使用時(shí)產(chǎn)生這種轉(zhuǎn)變，實(shí)際上所有鈷基合金由鎳合金化，以便在室溫到熔點(diǎn)溫度范圍內(nèi)使安排安穩(wěn)化。鈷基合金具有平整的斷裂應(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?yàn)樵摵辖鸷t量較高，這是這類合金的一個(gè)特征。

發(fā)展歷程

鈷基高溫合金開展過程 20世紀(jì)30年代末期，由于活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)用渦輪增壓器的需求，開始研制鈷基高溫合金。1942年﹐美國首先用牙科金屬材料Vitallium (Co-27 Cr-5 Mo-0.5Ti)制造渦輪增壓器葉片取得成功。在使用過程中這種合金不斷分出碳化物相而變脆。因而﹐把合金的含碳量降至0.3%，同時(shí)添加2.6%的鎳，以進(jìn)步碳化物構(gòu)成元素在基體中的溶解度，這樣就開展成為HA-21合金。40年代末，X-40和HA-21制造航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪增壓器鑄造渦輪葉片和導(dǎo)向葉片，其工作溫度可達(dá)850-870℃。1953年呈現(xiàn)的用作鑄造渦輪葉片的S-816，是用多種難熔元素固溶強(qiáng)化的合金。從50年代后期到60年代末，美國曾廣泛使用過4種鑄造鈷基合金：WI-52，X-45，Mar-M509和FSX-414。變形鈷基合金多為板材，如L-605用于制造燃燒室和導(dǎo)管。1966年呈現(xiàn)的HA-188，因其間含鑭而改善了抗氧化性能。蘇聯(lián)用于制造導(dǎo)向葉片的鈷基合金∏K4﹐相當(dāng)于HA-21。鈷基合金的開展應(yīng)考慮鈷的資源狀況。鈷是一種重要戰(zhàn)略資源，世界上大多數(shù)國家缺鈷，致使鈷基合金的開展受到限制。

性能

一般鈷基高溫合金缺少共格的強(qiáng)化相，盡管中溫強(qiáng)度低(只有鎳基合金的50-75%)，但在高于980℃時(shí)具有較高的強(qiáng)度、杰出的抗熱疲勞、抗熱腐蝕和耐磨蝕性能，且有較好的焊接性。適于制造航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)、艦船燃?xì)廨啓C(jī)的導(dǎo)向葉片和噴嘴導(dǎo)葉以及柴油機(jī)噴嘴等。

碳化物強(qiáng)化相。鈷基高溫合金中最主要的碳化物是 MC﹑M23C6和M6C在鑄造鈷基合金中，M23C6是緩慢冷卻時(shí)在晶界和枝晶間析出的。在有些合金中，細(xì)微的M23C6能與基體γ形成共晶體。MC碳化物顆粒過大，不能對(duì)位錯(cuò)直接發(fā)生顯著的影響，因而對(duì)合金的強(qiáng)化效果不明顯，而細(xì)微彌散的碳化物則有良好的強(qiáng)化效果。坐落晶界上的碳化物(主要是M23C6)能阻撓晶界滑移，從而改進(jìn)耐久強(qiáng)度，鈷基高溫合金HA-31(X-40)的顯微組織為彌散的強(qiáng)化相為 (CoCrW)6 C型碳化物。

在某些鈷基合金中會(huì)出現(xiàn)的拓?fù)涿芘畔嗳缥鞲瘳斚嗪蚅aves等是有害的，會(huì)使合金變脆。鈷基合金較少運(yùn)用金屬間化合物進(jìn)行強(qiáng)化，因?yàn)镃o3 (Ti﹐Al)﹑Co3Ta等在高溫下不夠穩(wěn)定，但近年來運(yùn)用金屬間化合物進(jìn)行強(qiáng)化的鈷基合金也有所發(fā)展。

鈷基合金中碳化物的熱穩(wěn)定性較好。溫度上升時(shí)﹐碳化物集聚長(zhǎng)大速度比鎳基合金中的γ 相長(zhǎng)大速度要慢﹐重新回溶于基體的溫度也較高(最高可達(dá)1100℃)﹐因此在溫度上升時(shí)﹐鈷基合金的強(qiáng)度下降一般比較緩慢。

鈷基合金有很好的抗熱腐蝕功能，一般認(rèn)為，鈷基合金在這方面優(yōu)于鎳基合金的原因，是鈷的硫化物熔點(diǎn)(如Co-Co4S3共晶，877℃)比鎳的硫化物熔點(diǎn)(如Ni-Ni3S2共晶645℃)高，而且硫在鈷中的分散率比在鎳中低得多。而且因?yàn)榇蠖鄶?shù)鈷基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(hù)層)。但鈷基合金抗氧化能力一般比鎳基合金低得多。前期的鈷基合金用非真空鍛煉和鑄造工藝生產(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，用真空鍛煉和真空鑄造生產(chǎn)。

耐磨損

合金工件的磨損在很大程度上受其外表的接觸應(yīng)力或沖擊應(yīng)力的影響。在應(yīng)力效果下外表磨損隨位錯(cuò)流動(dòng)和接觸外表的相互效果特征而定。關(guān)于鈷基合金來說，這種特征與基體具有較低的層錯(cuò)能及基體安排在應(yīng)力效果或溫度影響下由面心立方轉(zhuǎn)變?yōu)榱矫芘啪w結(jié)構(gòu)有關(guān)，具有六方密排晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料，耐磨性是較優(yōu)的。此外，合金的第二相如碳化物的含量、形狀和分布對(duì)耐磨性也有影響。由于鉻、鎢和鉬的合金碳化物分布于富鈷的基體中以及部分鉻、鎢和鉬原子固溶于基體，使合金得到強(qiáng)化，從而改善耐磨性。在鑄造鈷基合金中，碳化物顆粒尺寸與冷卻速度有關(guān)，冷卻快則碳化物顆粒比較細(xì)。砂型鑄造時(shí)合金的硬度較低，碳化物顆粒也較粗大，這種狀態(tài)下，合金的磨料磨損耐磨性顯著優(yōu)于石墨型鑄造（碳化物顆粒較細(xì)），而粘著磨損耐磨性兩者沒有顯著差異，闡明粗大的碳化物有利于改善抗磨料磨損才能。

熱處理

鈷基合金中的碳化物顆粒的巨細(xì)和散布以及晶粒尺度對(duì)鑄造工藝很靈敏，為使鑄造鈷基合金部件到達(dá)所要求的持久強(qiáng)度和熱疲勞功能，必須操控鑄造工藝參數(shù)。鈷基合金需進(jìn)行熱處理，主要是操控碳化物的分出。對(duì)鑄造鈷基合金而言，首要進(jìn)行高溫固溶處理，溫度通常為1150℃左右，使所有的一次碳化物，包含部分MC型碳化物溶入固溶體；然后再在870-980℃進(jìn)行時(shí)效處理，使碳化物重新分出。

堆焊

鈷基堆焊合金含鉻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，微觀硬度加大，抗磨料磨損功能進(jìn)步，但耐沖擊能力，焊接性，機(jī)加工功能都會(huì)下降。被鉻和鎢合金化的鈷基合金具有很好的抗氧化性，抗腐蝕性和耐熱性。在650℃仍能堅(jiān)持較高的硬度和強(qiáng)度，這是該類合金差異于鎳基和鐵基合金的重要特色。鈷基合金機(jī)加工后外表粗糙度低，具有高的抗擦傷能力和低的沖突系數(shù)，也適用于粘著磨損，尤其在滑動(dòng)和觸摸的閥門密封面上。但在高應(yīng)力磨料磨損時(shí)，含碳低的鈷鉻鎢合金耐磨性還不如低碳鋼，因此，價(jià)格昂貴的鈷基合金的選用，必須有專業(yè)人士的輔導(dǎo)，才能發(fā)揮材料的最大潛力。國外還有用鉻，鉬合金化的含Laves相的鈷基堆焊合金，如Co-28Mo-17Cr-3Si和Co-28Mo-8Cr-2Si。由于Laves相比碳化物硬度低，在金屬?zèng)_突付中與之配對(duì)的材料磨損較小。

牌號(hào)

牌號(hào)

金屬號(hào)

化學(xué)成分(重量%)

硬度

應(yīng)用

國際國內(nèi)參考標(biāo)準(zhǔn)

Shield 1

Co101

2.50

29.00

1.00

≤3.00

13.00

≤3.00

≤1.00

Bal

50-60

旋轉(zhuǎn)密封環(huán)、牙輪軸承套筒、鉆頭等

AWS A5.21 ERCoCr-C

Shield 3

Co103

2.40

30.00

1.00

≤3.00

13.00

≤3.00

≤1.00

Bal

50-56

破碎機(jī)刀口、磨損面板、無心磨床工件架、閥座等

AWS A5.21 ERCoCr-C

Shield 4

Co104

1.00

32.00

1.00

≤3.00

14.00

≤1.00

≤0.50

Bal

45-50

銅、鋁合金熱壓模、干電池模具等

Shield 6

Co106

1.15

29.00

1.00

≤3.00

4.50

≤3.00

≤1.00

Bal

40-46

發(fā)動(dòng)機(jī)氣門、高溫高壓閥門密封面、渦輪機(jī)葉片等

AWS A5.21 ERCoCr-A

Shield 8

Co108

0.20

28.00

1.00

2.25

≤3.00

≤1.00

6.50

Bal

30-35

燃?xì)鉁u輪葉片及銅鑄模、擠壓模等

Shield 12

Co112

1.40

29.00

1.20

≤3.00

8.00

≤3.00

≤1.00

Bal

44-50

高溫高壓閥門、剪切刀刃、鋸齒、螺旋推桿等

AWS A5.21 ERCoCr-B

Shield 19

Co119

3.30

26.00

0.90

≤1.00

14.00

≤2.50

≤1.00

Bal

≥54

石油鉆頭等特殊用途

AWS A5.21 ERCoCr-G

Shield 20

Co120

2.50

32.00

1.20

≤3.00

17.00

≤3.00

≤0.50

≤1.00

Bal

55-59

高壓閥座、磨損面板、旋轉(zhuǎn)密封環(huán)等

AWS A5.21 ERCoCr-E

Shield 21

Co121

0.20

27.00

1.00

≤3.00

0.50

≤2.00

≤1.50

5.50

Bal

20-42

各種液體閥，閥座，水輪機(jī)葉片，熱鍛模等

Shield 25

Co125

0.05

20.00

1.00

10.00

15.00

≤2.00

≤1.50

≤1.00

Bal

≤24

高溫耐腐蝕閥門密封面、無縫管穿頂頭、壓鑄模等

Shield 31

Co131

0.45

26.00

1.00

10.00

7.00

≤3.00

≤1.00

Bal

30-35

黃銅鑄模，擠壓模，燃?xì)鉁u輪機(jī)片等

Shield 32

Co132

1.80

25.00

1.00

22.00

12.00

≤1.35

≤0.50

≤1.00

Bal

40-45

內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣閥密封面

AWS A5.21 ERCoCr-F

Shield 37

Co137

2.00

33.00

1.10

24.00

5.00

≤1.35

≤1.00

Bal

44-50

鋸齒、剪刀刀刃，螺旋推桿的保護(hù)及修復(fù)等

Shield T-400

Co140

0.08

8.50

2.60

1.50

≤1.50

≤1.00

28.00

Bal

50-60

強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中的閥門，軌道，擠塑器等

Shield 50

Co150

0.12

28.00

1.00

21.00

≤1.00

Bal

較好的高溫抗腐蝕、高溫抗疲勞性能、

Shield T-800

Co180

0.08

18.00

3.50

≤1.50

≤1.00

28.00

Bal

52-56

強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中的閥門，軌道，擠塑器等

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