Существует множество деталей и изделий, рассчитанных на применение в сложных условиях (химически активные среды, повышенные нагрузки, термическое влияние и т. д.). Для их производства применяют особые материалы, к которым относится стеллит.
Содержание
- Описание
- Коррозионная стойкость
- Химический состав
- Физические свойства
- Твердость
- Свойства при растяжении
- Изделия
- Типовая структура
- Применение
- Вам также могут быть интересны статьи:
Описание
Под данным термином понимают тип твердых высокоуглеродистых сплавов, состоящих преимущественно из кобальта в легированной матрице. Они принадлежат к группе цветных литых сплавов, однако ранее существовал черный вариант стеллита с содержанием железа до 20% объема.
Стеллит отличается значительно лучшими эксплуатационными параметрами от быстрорежущей стали. Данные сплавы, твердые в исходном виде, не требуют закалки и термической обработки. Несмотря на изменения структуры при высоких температурах сохраняют режущую способность примерно до 800 °C. Ввиду отсутствия влияния отпуска, характерного для стали, структура стеллита стабильна. В ней присутствуют включения карбида в виде мелких игл, количество которых возрастает при быстром охлаждении. Этим объясняется сокращение хрупкости сплавов при отливке тонких профилей. Они устойчивы к влиянию кислот и прочих химически активных веществ. Удельный вес составляет 9 кг/дм3. К недостаткам относят ограниченную возможность обработки путем шлифовки и отливки и хрупкость после отливки.
Следует отметить, что существуют усовершенствованные варианты рассматриваемых сплавов с оптимизированным химическим составом и улучшенными механическими параметрами, называемые стеллен.
Кроме того, было создано множество прочих аналогов. Среди них – горан, акрит, мироманнит, цельзит, смена.
Коррозионная стойкость
Коррозийную стойкость относят к основным параметрам стеллита. Причем она сохраняется и при нагреве.
Например, для стеллита 6 в морской воде при 22 °C потеря массы составляет около 0,05 мм в год, а электродный потенциал -0,25 В, -0,4 В для типа 1, -0,3W для типа 12.
В данной среде, как и в хлоридных растворах, рассматриваемые сплавы стеллит ржавеют аналогично нержавеющим сталям путем развития точечной коррозии, а не потери массы.
Стеллит 21 отличается особо высокими параметрами. Он сохраняет стойкость к окислению и влиянию газовых и восстановительных сред до 1150 °C. Повышенная устойчивость к восстановительным и химически активным средам вроде соляной и серной кислот, сернистого газа в сравнении со стеллитом 6 обусловлена повышенной долей Mo вместо W. Электродный потенциал равен -0,3 В.
Химический состав
Стеллиты включают в качестве основных компонентов W, Ni, Mo, Co либо Cr. Доля данных элементов определяется типом сплава. Общей особенностью всех видов является отсутствие железа либо низкое содержание (до 20%) и присутствие углерода. Последний применяется по тому же принципу, что и в высококачественной стали: за счет формирования кристаллической решетки карбидов он обеспечивает твердость сплава. Таким образом, путем варьирования количества углерода меняют свойства материала. Прочие параметры (твердость, магнитные свойства, износостойкость и т. д.) также определяются составом.
Основные элементы представлены Co (47 – 62 либо 30 – 55%), Cr (27 – 33 либо 20 – 35 %), W (4 – 17 либо 9 – 15%), Fe (менее 5%) C (1 – 2,5 либо 1,3 – 2%).
Состав стеллитовых прутков регламентирован ГОСТ 21449-75.
- ПР-ВЗК на кобальтовой основе (59,19%) включают 28–32% (28,5%) Cr, 4–5% (4,67%) W, 2–2,7% (2,43%) Si, 2% Fe, 1–1,3% (1,46%) C, 0,5–2% Ni 0,07% S, 0,03% P.
- ПР-ВЗК-Р на той же основе включает то же количество Cr, 7–11% W, 3% Fe, 1,6–2% C, 1,2–1,5% Si, 0,1–2% Ni, 0,3–0,6% Mn, 0,02–0,3% Sb, 0,07% S, 0,02% P.
- В ВК2 входит 47–53% Co, 27–33% Cr, 13–17% W, 2–3% Ni, 1–2% Si, 1–1,5% Mn, 1,8–2,5% С, 2% Fe.
- Состав ВК3 представлен 58–62% Co, 28–32% Cr, 4–5% W, 2–3% Ni, 2,5–2,8% Si, 2% Fe, 1–1,5% C.
- КВ5Х30 включает 58–62% Co, 28–32% Cr, 4,5–5% W, 2–4% Fe, 1–1,5% C, 1–2% Si и столько же Ni. Еще 1,5% составляют примеси.
- Cтеллит 6 включает Cr (28% массы), W (4,5%), C (1,2%), а также Co и Fe, Mo, Ni, Si, Mn.
- Тип 1 отличается значительной долей первичных карбидов. В него входит 30% Cr, 13% W, 2,5% C, а также Ni, Fe, Mo, Si, Mn.
- Тип 12 на Co основе характеризуется большими долей W и содержанием карбидов. Его состав представлен 29% Cr, 8,5% W, 1,8% C и теми же дополнительными компонентами.
- Тип 21 на той же основе включает легированную матрицу, представленную преимущественно Cr и Mn, помимо Co. Распределение и особенности карбидов определяются историей обработки, а, следовательно, и свойства. В любом случае их доля низка. Состав данного типа сплава представлен 27% Cr, 2,5% Ni, 5,5% Mo, 1,5% Fe, а также C, Si, B, Mn.
- ПР-С27 Сормайт на основе Ni и Fe включает 25–28% (25–31% либо 13–17,5% по другим данным) Cr, 3,3–4,5% (2,5–3,3% либо 1,5–2%) C, 3% Fe, 1,5–2% (3–5% либо 1,3–2,2%) Ni, 1–2% (2,8–4,2% либо 1,5–2,2%) Si, 1–1,5% Mn, 0,2–0,4% (отсутствует) W, 0,08–0,12% Mo, 0,07% S, 0,02% P.
Стеллен имеет кобальтовую основу и включает 20–33% Cr, 4–19% W, 0,1–2,45% C, а также Ni, Fe, Si, Mn, Mo. В цельзит входит 41% Co, 26% Cr, 25% W, 4–6% Fe, 2–8% C. Смена отличается заменой Co на Ni. Его состав представлен 48% Ni, 30% Cr, 20% W, 2% C.
Скачать ГОСТ 21449-75
Следует отметить, что существует множество прочих аналогичных сплавов, где кобальт заменен никелем.
Физические свойства
Износостойкость, как и коррозионная, сохраняется при повышенных температурах. Однако вследствие этого стеллит трудно обрабатывается. Температура плавления равна 1260–1300 °C.
Для ПР-ВЗК и ПР-ВЗК-Р максимальная температура наплавок – 750 и 800 °C соответственно. Данные сплавы характеризуются износостойкостью к влиянию механических нагрузок, химически активных сред, высоких температур, хорошо затачиваются.
Стеллит 6 устойчив к многим химическим и механическим факторам в обширном температурном диапазоне (до 950 °C), а также кавитационной коррозии и ударно вязок. Плавление происходит в диапазоне 1285–1410 °C. Плотность равна около 8,44 г/см3 (8,7 г/см3 по другим данным).
Стеллит 1 отличается немного сниженной вязкостью, что компенсируется повышенной устойчивостью к истиранию и пологой эрозии. Также по сравнению с прочими вариантами сплава более подвержен растрескиванию, поэтому требует более медленного охлаждения при наплавке. Плотность равна 8,7 г/см3, температурный диапазон плавления – 1190–1345 °C.
Стеллит 12 совмещает качества двух предыдущих типов. От первого он отличается лучшей устойчивостью к скольжению, трению, истиранию, пологой эрозии, термическому влиянию при стойкости к кавитации и высокой ударной вязкости. Предельная температура применения составляет 700 °C, а плавление происходит в интервале 1200-1365 °C. Плотность равна 8,5 г/см3.
Как было отмечено, параметры стеллита 21 в значительной степени определяются историей обработки. В любом случае он ориентирован на устойчивость к износу при истирании и скольжении. Более того, возможно существенное упрочнение поверхности при износе. Однако данный тип сплава плохо переносит истирание твердыми частицами. Кроме того, рассматриваемый сплав устойчив к термическому влиянию и ударам.
Стеллит может быть окрашен в антрацитово-серый, золотистый, красно-коричневый цвета и промежуточные оттенки. Блеск незначителен. Поверхность шероховата, что определяется технологией производства.
Плавление стеллена происходит в диапазоне 1285–1410 °C либо 1295-1480 °C. Как и стеллит, данные сплавы обладают устойчивостью к износу, кавитации, эрозии, истиранию, коррозии, абразивному и химическому влиянию.
Твердость
Данный показатель для стеллита составляет 370–475 HV либо 7,5–8,5 по шкале Мооса.
- Твердость стеллита 6 составляет 36–46 HRC и сохраняется до 500 °C (она сокращается с 410 HV при 20 °C до 301 HV, к 900 °C она снижается до 95 HV).
- Для стеллита 12 данный показатель составляет 46–51 HRC. При температурном влиянии сокращается с 347 HV при 20 °C до 197 HV при 500 °C и 92 HV при 900 °C.
- Стеллит 21 имеет твердость 27–40 HRC. С ростом температуры она снижается с 546 HV при 20 °C до 371 HV при 500 °C и 153HV при 900 °C.
- Для стеллита 1 твердость составляет 51–60 HRC и сохраняется до 760 °C.
Твердость наплавленного слоя из ПР-ВЗК составляет 40 HRC, ПР-ВЗК-Р – 45,9 HRC, ВЗК – 43–45 (37–42) HRC, В2К – 45–48 HRC, ВХН1 – 20–25 HRC, ПР-С27 – 48 HRC в виде прутков и 50 HRC в виде порошка, М – 52 HRC.
Для стеллена твердость составляет 20–59 HRC.
Свойства при растяжении
Коэффициент линейного расширения для ПР-В3К-Р и ПР-В3К близок к показателю сталей 9ХФ и 9ХФМ, вследствие чего отсутствуют внутренние напряжения на краях. Предел прочности при растяжении для ВЗК равен 66 кгс мм.
Для литых изделий из стеллита 6 при комнатной температуре предельная прочность на разрыв составляет около 790 Мпа, предел текучести – примерно 660 Мпа, относительное удлинение – менее 1%.
Для деталей из стеллита 12 предельная прочность на разрыв равна 740 Мпа, предел текучести – 580 Мпа, относительное удлинение такое же.
Изделия из стеллита 21 близки по первым двум показателям к предыдущему типу сплава (710 Мпа и 565 Мпа соответственно), но характеризуются большим относительным удлинением (менее 3%).
Изделия
Стеллит применяют двумя способами: создавая из него детали методом литья и нанося данный сплав в виде покрытий путем наваривания, напыления и наплавления. Во втором случае он представлен в виде порошка, прутков, сварочных электродов и проволоки. Ковка для данных сплавов неприменима. Наплавка возможна на поверхности из низколегированной, углеродистой, нержавеющей сталей, чугуна. Таким образом, можно выделить наплавочные и литые стеллиты. Применяют совмещение данных методов путем использования наплавочных пластин. Совмещение их с поверхностью осуществляют путем пайки либо сварки шва.
Рассмотренные сплавы также ориентированы на различные методы производства.
- Стеллит 6 подходит для наплавки и плакирования. Возможна токарная обработка стеллита 6 с применением карбидных режущих инструментов.
- Тип 1 используют тем же образом. Возможна обработка исключительно путем шлифования.
- Тип 12 ориентирован на отливку и подходит для наплавки.
- ПР-C27 представлен в виде прутков и порошка. Оба варианта применяют для наплавки.
- ПР-ВЗК и ПР-ВЗК-Р также ориентированы на наплавку и представлены в виде прутков.
Следует отметить, что под термическим влиянием при электронаплавке изменяется твердость и химический состав.
Степень изменения определяется толщиной наплавленного слоя. Например, через 2 мм сокращается содержание углерода для ВЗК с 1,46 до 1,02% и кобальта с 59,19 до 55,08%. Твердость снижена на 3–4 по Роквеллу.
Детали из стеллена характеризуются высококачественной гладкой поверхностью без дефектов, что повышает устойчивость к истиранию и износу. Так, в сравнении со стеллитовыми изделиями стелленовые имеют на 40% лучшую износостойкость.
Типовая структура
Из вышеприведенного материала видно, что сплавы стеллита представлены во множестве вариантов. Далее приведены общие описания некоторых из них.
- Стеллит 6 является наиболее обширно применяемым вариантом сплава и считается стандартом износостойких материалов общего применения.
- Тип 1 представлен вариантом для наплавки с высокой стойкостью к коррозии и истиранию.
- Тип 3 является литейным вариантом предыдущего сплава с аналогичными эксплуатационными характеристиками.
- Тип 12 считают промежуточным относительно типов 6 и 1 (3). В сравнении с первым он отличается лучшей устойчивостью к скольжению, термическому влиянию, трению, истиранию, пологой эрозии при стойкости к кавитации и высокой ударной вязкости.
- Тип 21, изначально известный как стеллит 8, характеризуется повышенной устойчивостью к износу и коррозии.
- ПР-ВЗК и ПР-ВЗК-Р служат для наплавки и ориентированы на режущее оборудование.
- ПР-С27 Сормайт является наиболее дешевым вариантом. Данный сплав отличается от аналогов на кобальтовой и никелевой основе значительно меньшей стоимостью, но и немного уступает по эксплуатационным параметрам, особенно при высокой температуре.
Применение
Сфера использования стеллита определяется приведенными выше параметрами. Так, в основном его используют для создания деталей, рассчитанных на высокие истирающие нагрузки и температуры. К ним относятся седла клапанов и детали турбин ДВС, режущие инструменты, оборудование машиностроительной, нефтехимической, пищевой нефтегазодобывающей, стекольной, химической отраслей промышленности и т. д. Далее рассмотрено применение конкретных типов сплава.
- Твердые варианты ПР-ВЗК и ПР-ВЗК-Р, В2К, ВХН1 служат для бездефектных плотных наплавок на режущие инструменты и представлены в виде прутков.
- Из стеллита 6 производят насосные подшипники и валы, клапанные затворы и седла, пары качения, противоэрозионные наплавки.
- Тип 1 служит для наплавки насосных и шарикоподшипниковых втулок, накладок, уплотнений и т. д.
- Тип 12 применяют в основном для режущего оборудования, насосных лопастей, подшипниковых плунжеров и втулок, стеклянных форм, а также наплавляют на клапаны, прижимные ролики, роторные лопасти.
- ПР-С27 применяют для наплавки с целью повышения износостойкости подверженных абразивному износу поверхностей.
Для стеллена сфера применения аналогична стеллиту: металлургия, автомобиле-, авиа-, машиностроение, легкая и нефтегазовая отрасли промышленности.
Источник: