鈷基合金司太立

發布時間：2022-05-10 作者：焱狄金屬次數：1304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年創造）。鈷基合金是以鈷作為主要成分，含有適當數量的鎳、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，才越能表現鈷基合金的優勢。

牌號組織

在我國，主要對鈷基耐高溫合金研討比較深化和透徹（國內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有：Hayness188，Haynes25(L-605),Alloy S-816,UMCo-50，MP-159，FSX-414，X-40，Stellite6B等，我國商標有：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基體和基體中散布少數碳化物組成。鑄造鈷基高溫合金卻是在很大程度上依靠碳化物強化。純鈷晶體在417℃以下是密排六方（hcp）晶體結構，在更高溫度下轉變為fcc。為了防止鈷基高溫合金在使用時產生這種轉變，實際上所有鈷基合金由鎳合金化，以便在室溫到熔點溫度范圍內使安排安穩化。鈷基合金具有平整的斷裂應力-溫度關系，但在1000℃以上卻顯示出比其他高溫下具有優異的抗熱腐蝕性能，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。

發展歷程

鈷基高溫合金開展過程 20世紀30年代末期，由于活塞式航空發動機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%，同時添加2.6%的鎳，以進步碳化物構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制造航空噴氣發動機和渦輪增壓器鑄造渦輪葉片和導向葉片，其工作溫度可達850-870℃。1953年呈現的用作鑄造渦輪葉片的S-816，是用多種難熔元素固溶強化的合金。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管。1966年呈現的HA-188，因其間含鑭而改善了抗氧化性能。蘇聯用于制造導向葉片的鈷基合金∏K4﹐相當于HA-21。鈷基合金的開展應考慮鈷的資源狀況。鈷是一種重要戰略資源，世界上大多數國家缺鈷，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化相，盡管中溫強度低(只有鎳基合金的50-75%)，但在高于980℃時具有較高的強度、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動機、工業燃氣輪機、艦船燃氣輪機的導向葉片和噴嘴導葉以及柴油機噴嘴等。

碳化物強化相。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是緩慢冷卻時在晶界和枝晶間析出的。在有些合金中，細微的M23C6能與基體γ形成共晶體。MC碳化物顆粒過大，不能對位錯直接發生顯著的影響，因而對合金的強化效果不明顯，而細微彌散的碳化物則有良好的強化效果。坐落晶界上的碳化物(主要是M23C6)能阻撓晶界滑移，從而改進耐久強度，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。

在某些鈷基合金中會出現的拓撲密排相如西格瑪相和Laves等是有害的，會使合金變脆。鈷基合金較少運用金屬間化合物進行強化，因為Co3 (Ti﹐Al)﹑Co3Ta等在高溫下不夠穩定，但近年來運用金屬間化合物進行強化的鈷基合金也有所發展。

鈷基合金中碳化物的熱穩定性較好。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(最高可達1100℃)﹐因此在溫度上升時﹐鈷基合金的強度下降一般比較緩慢。

鈷基合金有很好的抗熱腐蝕功能，一般認為，鈷基合金在這方面優于鎳基合金的原因，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，而且硫在鈷中的分散率比在鎳中低得多。而且因為大多數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。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。

耐磨損

合金工件的磨損在很大程度上受其外表的接觸應力或沖擊應力的影響。在應力效果下外表磨損隨位錯流動和接觸外表的相互效果特征而定。關于鈷基合金來說，這種特征與基體具有較低的層錯能及基體安排在應力效果或溫度影響下由面心立方轉變為六方密排晶體結構有關，具有六方密排晶體結構的金屬材料，耐磨性是較優的。此外，合金的第二相如碳化物的含量、形狀和分布對耐磨性也有影響。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，冷卻快則碳化物顆粒比較細。砂型鑄造時合金的硬度較低，碳化物顆粒也較粗大，這種狀態下，合金的磨料磨損耐磨性顯著優于石墨型鑄造（碳化物顆粒較細），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和散布以及晶粒尺度對鑄造工藝很靈敏，為使鑄造鈷基合金部件到達所要求的持久強度和熱疲勞功能，必須操控鑄造工藝參數。鈷基合金需進行熱處理，主要是操控碳化物的分出。對鑄造鈷基合金而言，首要進行高溫固溶處理，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℃進行時效處理，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，抗磨料磨損功能進步，但耐沖擊能力，焊接性，機加工功能都會下降。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℃仍能堅持較高的硬度和強度，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，也適用于粘著磨損，尤其在滑動和觸摸的閥門密封面上。但在高應力磨料磨損時，含碳低的鈷鉻鎢合金耐磨性還不如低碳鋼，因此，價格昂貴的鈷基合金的選用，必須有專業人士的輔導，才能發揮材料的最大潛力。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，在金屬沖突付中與之配對的材料磨損較小。

牌號

金屬號

化學成分(重量%)

硬度

應用

國際國內參考標準

Shield 1

Co101

2.50

29.00

1.00

≤3.00

13.00

≤3.00

≤1.00

Bal

50-60

旋轉密封環、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

發動機氣門、高溫高壓閥門密封面、渦輪機葉片等

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

燃氣渦輪葉片及銅鑄模、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、旋轉密封環等

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，燃氣渦輪機片等

Shield 32

Co132

1.80

25.00

1.00

22.00

12.00

≤1.35

≤0.50

≤1.00

Bal

40-45

內燃機進排氣閥密封面

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，螺旋推桿的保護及修復等

Shield T-400

Co140

0.08

8.50

2.60

1.50

≤1.50

≤1.00

28.00

Bal

50-60

強腐蝕介質中的閥門，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

強腐蝕介質中的閥門，軌道，擠塑器等

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