Сплавы Co-Cr-W и Co-Cr-Mo: следует ли в сплаве кобальта-хрома использовать вольфрам или молибден?

Кобальт-хромовые сплавы используются там, где обычные стали борются с адгезионным износом, коррозией, повышенной температурой или комбинацией этих механизмов. Типичные промышленные применения включают шары и седла клапанов, втулки, детали для горячей обработки, детали, полученные экструзией, наплавочные отложения и поверхности локализованного износа.

Однако «сплав кобальт-хром» не является полной характеристикой материала.

Добавление вольфрама, молибдена, углерода, никеля, кремния и железа может существенно изменить микроструктуру сплава и эксплуатационные характеристики. Маршрут производства не менее важен. Не следует ожидать, что литая деталь Co-Cr-W, деталь Co-Cr-Mo порошковой металлургии и наплавленный кобальтовый наплавочный материал будут вести себя одинаково, даже если их химические анализы кажутся схожими.

Один из наиболее важных вопросов при выборе материала заключается в том, должен ли вольфрам или молибден обеспечивать основной эффект дополнительного упрочнения.

Оба элемента могут укрепить богатую кобальтом матрицу и участвовать в образовании карбидов. Тем не менее, их эффекты не взаимозаменяемы.

В этой статье объясняется:

• Роль кобальта и хрома
• Как вольфрам изменяет сплавы Co-Cr
• Как молибден изменяет сплавы Co-Cr
• Почему содержание углерода влияет на обе системы
• Как литье, порошковые и сварочные маршруты меняют результат
• Какие сервисные данные должны определять выбор сплава
• Как указать требования к химическому составу и проверке
• Какую информацию отправлять с запросом предложения

Базовая архитектура сплава кобальта и хрома

Промышленные износостойкие кобальтовые сплавы обычно содержат богатую кобальтом матрицу и дисперсные твердые фазы.

Кобальт обеспечивает базовую матрицу. Хром поддерживает стойкость к коррозии и окислению, а также участвует в образовании карбидов. Углерод контролирует количество и тип карбида, который может образоваться. Вольфрам или молибден могут укрепить матрицу, изменить химический состав карбидов и повлиять на поведение при повышенных температурах.

Микроструктура может включать в себя:

• Богатые кобальтом гранецентрированные кубические или гексагональные плотноупакованные матричные фазы
• Карбиды с высоким содержанием хрома
• Карбиды, содержащие вольфрам или молибден
• Эвтектические составляющие в междендритных областях
• Интерметаллические фазы при некоторых составах или термических историях
• Отдельные области, созданные во время затвердевания
• Оксиды или включения, внесенные в результате обработки

ASM International подчеркивает, что структура, свойства и поведение кобальтового сплава зависят как от химического состава, так и от способа производства. Сплавы кобальта можно отливать, деформировать, сваривать для наплавки или консолидировать с помощью процессов порошковой металлургии.
Источник: ASM – Трение и износ сплавов на основе кобальта.

Что вольфрам делает в сплаве Co-Cr-W

Вольфрам – тяжелый тугоплавкий элемент с высокой температурой плавления. В кобальт-хромовых сплавах он может способствовать упрочнению твердого раствора и участию в образовании твердых карбидов или сложных фаз.

Укрепление твердым раствором

Атомы вольфрама намного крупнее и тяжелее атомов кобальта. Когда вольфрам растворяется в богатой кобальтом матрице, разница в размерах атомов создает деформацию решетки, которая затрудняет движение дислокаций.

Это может поддерживать:

• Сила матрицы
• Устойчивость к пластической деформации
• Горячая твердость
• Устойчивость к адгезионному износу и истиранию
• Опора нагрузки под твердосплавными фазами

Полезный эффект зависит от того, сколько вольфрама остается в растворе, а не концентрируется в карбидах или отдельных областях.

Вольфрамсодержащие карбиды

При наличии достаточного количества углерода вольфрам может участвовать в образовании карбидов. В зависимости от полного химического состава и условий затвердевания сплав может содержать карбиды с высоким содержанием хрома, карбиды с высоким содержанием вольфрама или сложные карбиды смешанных металлов.

Твердые карбиды могут улучшить износостойкость, сопротивляясь:

• Микрорезка
• Поверхностная вспашка
• Деформация клеевого соединения
• Локальный отступ
• Проникновение абразивных частиц

Однако карбиды должны быть адекватно поддержаны матрицей. Высокое содержание карбидов в слабой или сильно сегрегированной матрице может привести к растрескиванию и выдергиванию карбидов.

Прочность при повышенных температурах

Вольфрам имеет низкий коэффициент диффузии и может способствовать повышению прочности и структурной стабильности при повышенных температурах. Это делает сплавы Co-Cr-W привлекательными для применения в условиях горячего износа, горячей резки, а также для высокотемпературных клапанов или уплотнений.

Результат все равно необходимо проверить при фактической температуре. Окисление, термоциклирование, ползучесть, тепловое расширение и контактное напряжение могут влиять на эксплуатационные характеристики даже при высокой твердости при комнатной температуре.

Плотность и последствия обработки

Вольфрам значительно плотнее молибдена. Таким образом, высокие добавки вольфрама могут увеличить плотность компонентов или наплавленного слоя.

Вольфрам также может увеличить:

• Сложность обращения с расплавом
• Риск композиционной сегрегации
• Чувствительность к неполному растворению
• Сложность обработки
• Стоимость сырья
• Необходимость тщательного контроля процесса

Номинальное процентное содержание вольфрама не является достаточным доказательством того, что элемент равномерно распределен по большой отливке.

Что делает молибден в сплаве Co-Cr-Mo

Молибден также является тугоплавким легирующим элементом. Он может укрепить матрицу кобальта, участвовать в образовании карбидов и влиять на коррозионное поведение.

Усиление матрицы

Молибден, растворенный в матрице, богатой кобальтом, может препятствовать движению дислокаций и повысить прочность матрицы.

Исследования, сравнивающие сплавы CoCrNi, CoCrW и CoCrMo, полученные порошковой металлургией, показали, что никель, вольфрам и молибден создают разные фазовые балансы, значения твердости и реакции на высокотемпературное изнашивание. Исследование также показало, что коэффициент трения не влияет напрямую на скорость износа.

Поскольку образцы были изготовлены методом порошковой металлургии при определенных составах и условиях испытаний, рейтинг не следует переносить непосредственно на отливки в песчаные формы или наплавку.
Источник: Влияние Ni, W и Mo на сплавы с матрицей CoCr.

Образование карбида

Молибден может входить в сложные карбиды и изменять их распределение, морфологию и стабильность. Как и в случае с вольфрамом, эффект сильно зависит от углерода и хрома.

Молибден самостоятельно не создает износостойкости. Его польза зависит от того, создает ли путь термической обработки или затвердевания:

• Адекватно усиленная матрица
• Полезное количество карбидов
• Приемлемая морфология твердого сплава
• Ограниченное образование хрупкой фазы
• Подходящая связка матрица-карбид

Коррозия и пассивность

Хром обычно является основным пассивирующим элементом в кобальт-хромовых сплавах. Молибден может изменить поведение пассивной пленки и улучшить устойчивость в некоторых хлоридсодержащих или восстановительных средах.

Исследование Co-30Cr-6Mo в растворе, содержащем хлориды и бикарбонаты, показало, что хром и молибден подавляют растворение кобальта и вызывают хромоподобное пассивное поведение.

В исследовании использовался смоделированный физиологический раствор, а не промышленная суспензия или кислотный процесс. Его результаты демонстрируют механизм, но не позволяют сплаву использоваться в горнодобывающей, химической или нефтепромысловой сфере. Фактические испытания технологической жидкости все еще могут быть необходимы.
Источник: Пассивация и коррозионное поведение кобальта и сплава Co-Cr-Mo.

Пластичность и поддержка матрицы

Некоторые системы Co-Cr-Mo могут обеспечить благоприятный баланс между прочностью матрицы, пластичностью и твердосплавной основой. Это может уменьшить склонность твердых частиц к отслоению при скользящем контакте.

Однако Co-Cr-Mo не является автоматически более прочным, чем любой сплав Co-Cr-W. Углерод, дефекты литья, термообработка, толщина профиля и температура испытания могут изменить кажущуюся классификацию.

Тенденции отбора Co-Cr-W и Co-Cr-Mo

Это инженерные тенденции, а не гарантированные рейтинги.

Исследование 2020 года выявило различное поведение трения и износа среди порошковых сплавов CoCrW и CoCrMo от комнатной температуры до 1000 ° C. Отдельное исследование конкретных стоматологических сплавов Co-Cr-Mo и Co-Cr-W-Mo показало, что протестированный материал Co-Cr-Mo обладает лучшей износостойкостью в конкретных условиях.

И наоборот, исследования отложений сварочной проволоки CoCrMo и CoCrW на подложке из суперсплава показали зависящие от условий различия в усталости и высокотемпературном износе.

Эти результаты подтверждают один центральный принцип: рейтинг производительности зависит от точного состава, маршрута производства, микроструктуры и метода испытаний.
Источники: исследование матричных сплавов CoCr, исследование осаждения Co-Cr-Mo и Co-Cr-W-Mo, а также сварочные отложения CoCrMo и CoCrW.

Углерод может иметь большее значение, чем этикетка W-or-Mo

Вольфрам и молибден невозможно оценить без углерода.

Углерод контролирует потенциальное количество образования карбидов. Сплав с низким содержанием углерода может в большей степени зависеть от упрочнения твердого раствора и поведения матрицы. Сплав с более высоким содержанием углерода может содержать большую долю карбидов и более высокую твердость, но пониженную пластичность.

Правильное содержание углерода зависит от компонента и механизма отказа.

Седло клапана, подверженное адгезионному износу, коррозии и уплотнительному контакту, не требует такого же баланса матрицы и карбида, как слой наплавки, подвергающийся минеральному истиранию.

Co-Cr-W — это не то же самое, что цементированный карбид WC-Co

Термин «сплав вольфрам-кобальт» может вызвать путаницу.

Литой или наплавленный сплав Co-Cr-W содержит кобальт в качестве основной матрицы с хромом, вольфрамом, углеродом и другими добавками.

Цементированный карбид WC-Co представляет собой другую систему материалов. Он состоит в основном из частиц карбида вольфрама, связанных меньшим количеством кобальта. Обычно его производят методами порошковой металлургии и спекания.

Материалы различаются по составу, фазовой доле, обработке, ударной вязкости, ремонтопригодности и стоимости. Их никогда не следует рассматривать как взаимозаменяемые, поскольку оба содержат кобальт и вольфрам.

Маршрут производства меняет сплав

Инвестиционное или песчаное литье

Литье создает дендритную структуру затвердевания. Вольфрам, молибден, хром и углерод могут сегрегировать между ядрами дендритов и междендритными областями.

Важные элементы управления кастингом включают в себя:

• Идентификация шихты
• Химия расплава
• Практика раскисления
• Температура заливки
• Материал пресс-формы
• Скорость затвердевания
• Контроль подачи и усадки
• Переходы толщины сечения
• Термическая обработка
• Припуск на обработку

Большие изменения сечения могут привести к разным скоростям охлаждения и морфологии карбидов в пределах одного компонента.

Порошковая металлургия

Порошковые маршруты могут обеспечить:

• Более мелкие исходные частицы
• Различное поведение сегрегации
• Больший контроль над геометрией околосети
• Потенциально равномерное распределение
• Различные риски остаточной пористости
• Различное воздействие оксидов

Результат, полученный на образце, полученном методом порошковой металлургии, не следует предполагать для обычной отливки.

Сварка и наплавка

Наплавка вводит дополнительные переменные:

• Разбавление основного металла
• Скорость охлаждения
• Толщина отложения
• Количество слоев
• Предварительный нагрев и температура между проходами
• Остаточное напряжение
• Зона термического влияния
• Защитный газ
• Устойчивость к растрескиванию
• Послесварочная обработка

AWS A5.21/A5.21M охватывает классификацию голых электродов и стержней для наплавки. Текущее издание 2024 года включает классификации на основе кобальта. Классификация присадочных металлов описывает расходуемый или неразбавленный химический состав наплавляемого металла; он сам по себе не гарантирует химических свойств окончательного разбавленного слоя.
Источник: AWS A5.21/A5.21M:2024.

Термическое напыление, HVOF, PTA и лазерная наплавка

Порошок кобальтового сплава можно использовать для различных процессов осаждения, но размер частиц, морфология и химический состав должны соответствовать оборудованию.

Окончательное покрытие зависит от:

• Распределение порошка по размерам
• Сферичность и поток
• Содержание кислорода
• Тепловложение
• Скорость частиц
• Разбавление
• Пористость
• Содержание оксидов
• Прочность связи
• Метод отделки

Порошок, подходящий для одного процесса, не должен автоматически использоваться в другом.

Соответствие сплава механизму разрушения

Адгезивный износ и истирание

Для скольжения металл по металлу спросите:

• Каков материал контрлица?
• Есть ли смазка?
• Каково контактное давление?
• Скольжение непрерывное или колебательное?
• Является ли припадок основной неудачей?
• Должна ли поверхность сохранять герметичность?

Сплав Co-Cr-W может быть привлекателен своей твердостью в горячем состоянии и стойкостью к истиранию, но окончательный выбор должен учитывать качество поверхности и совместимость встречной поверхности.

Абразивный износ

Для абразивного истирания минералами или частицами запишите:

• Абразивная твердость
• Размер и форма частиц
• Скорость скольжения
• Контактное давление
• Энергия удара
• Влажное или сухое состояние

Сплав кобальта с высоким содержанием карбидов может противостоять истиранию, но может стать уязвимым, если карбидная совокупность слишком крупная или плохо закреплена.

Коррозионный износ

Коррозионный износ невозможно предсказать с помощью испытания на твердость в сухом состоянии.

Предоставлять:

• Жидкостная химия
• рН
• Концентрация хлоридов
• Серосодержащие виды
• Температура
• Концентрация твердых веществ
• Скорость потока
• Условия отключения и очистки

Молибден может быть полезен в некоторых агрессивных средах, но лабораторные испытания должны воспроизводить реальную жидкость там, где последствия отказа значительны.

Высокотемпературный износ

К горячему обслуживанию относятся:

• Нормальная и максимальная температура металла
• Скорость нагрева и охлаждения
• Атмосфера
• Окислительное или восстановительное состояние
• Воздействие серы, углерода или галогенов
• Контактный стресс
• Частота теплового цикла

Высокое содержание вольфрама не исключает окисления, термической усталости и ползучести.

Требования к проверке кобальтовых сплавов

В плане проверки должны быть определены места испытаний и критерии приемки до начала производства.

Вопросы для включения в запрос предложений по Co-Cr-W или Co-Cr-Mo

Предоставлять:

• Название компонента и номер детали
• Модель оборудования
• Чертеж с размерами
• Требуемый производственный маршрут
• Текущее обозначение сплава
• Текущий отчет о химическом составе
• Желаемый общий стандарт или спецификация заказчика
• Нормальная и максимальная температура
• Механизм износа
• Контактное давление и скорость скольжения
• Уровень воздействия
• Коррозионная среда и концентрация
• Материал контртела
• Состояние смазки
• Требуемый диапазон твердости
• Обработанная поверхность
• Размерные и геометрические допуски
• Требования неразрушающего контроля
• Места взятия проб на химический анализ
• Количество
• Место доставки
• Фотографии вышедшего из строя компонента
• Текущие сервисные данные и режим неисправности

Не запрашивайте «самый высокий вольфрамовый сплав» или «максимальную твердость» без эксплуатационных данных. Большее содержание легирующих добавок может увеличить стоимость и хрупкость, не устраняя при этом фактический отказ.

Соответствующие страницы кастингов EB

Информацию о литых компонентах из кобальтового сплава см.:

• Шарики и седла клапанов из кобальт-хромового сплава
• Отливки из сплава на основе кобальта по индивидуальному заказу

Информацию о наплавленных изнашиваемых поверхностях см.:

• Порошок сплава на основе кобальта для PTA, HVOF и лазерной наплавки
• Проволока для наплавки из кобальтового сплава

Для получения дополнительной информации прочитайте:

• Кобальт-хром-молибденовый сплав
• Эксплуатационные качества и износостойкость сплавов на основе кобальта

На этих страницах описаны различные продукты и процессы. Сплав и процесс должны быть подтверждены чертежом заказчика, условиями эксплуатации и требованиями приемки.

Границы проектирования и безопасности

В этой статье представлены общие рекомендации по выбору материалов. Это не означает, что Co-Cr-W или Co-Cr-Mo являются универсальными.

Ответственность за окончательный выбор материала остается за владельцем оборудования, ответственным инженером, покупателем и производителем в соответствии с согласованной спецификацией.

Литье, шлифовка, механическая обработка, термическое напыление и сварка кобальтсодержащих материалов могут образовывать кобальтсодержащую пыль или дым. NIOSH определяет вдыхание, проглатывание, контакт с кожей или глазами как пути воздействия пыли и паров металлического кобальта и относит дыхательную систему и кожу к органам-мишеням.

Используйте документированную оценку промышленной гигиены, технологическое ограждение или местную вытяжную вентиляцию, соответствующие средства уборки и средства индивидуальной защиты для конкретных задач. Выбор респиратора должен основываться на измеренном воздействии и применимой программе защиты органов дыхания.
Источники: Карманный справочник NIOSH — Металлическая пыль и дым кобальта и Местная вытяжная вентиляция NIOSH для сварки.

Часто задаваемые вопросы

Всегда ли вольфрам лучше подходит для высокотемпературного износа?

Нет. Вольфрам может поддерживать горячую твердость и прочность матрицы, но окисление, морфология карбидов, термическая усталость и производственный маршрут также влияют на производительность.

Всегда ли молибден лучше защищает от коррозии?

Нет. Молибден может способствовать пассивности в некоторых средах, но содержание хрома, химический состав жидкости, температура и механическое удаление пленки остаются важными. Проверьте фактическую технологическую среду, если риск коррозии значителен.

Можно ли заменить вольфрам и молибден по весу?

Нет. Они имеют разную атомную массу, поведение карбидов, эффекты разделения и обработки. Замена требует перепроектирования и квалификации сплава.

Означает ли более высокая твердость лучшую износостойкость?

Не обязательно. Износ также зависит от твердосплавной основы, вязкости, режима трения, температуры, коррозии и материала контртела.

Может ли XRF-анализатор подтвердить целостность сплава?

РФА может помочь идентифицировать кобальт, хром, вольфрам и молибден, но обычно не может дать результат по углероду, необходимый для контроля карбидов. Используйте подходящий метод анализа углерода.

Эквивалентны ли литые детали и наплавки?

Нет. Отливки затвердевают как целые компоненты. На наплавочные отложения влияют разбавление, толщина слоя, охлаждение и основной металл.

Должны ли мы указывать торговое название или химический состав?

По возможности указывайте признанную родовую классификацию или согласованный химический состав и план приемки. Торговые названия могут охватывать различные формы или исторические варианты.

Может ли EB Castings порекомендовать W или Mo только по рисунку?

Чертеж определяет геометрию, но также необходимы служебные данные. Предоставьте информацию о механизме износа, температуре, среде, нагрузке, противодействии и текущих отказах.

Заключение

Вольфрам и молибден являются ценными добавками к кобальт-хромовым сплавам, но они решают различные металлургические проблемы.

Вольфрам может способствовать сильному упрочнению твердого раствора, горячей твердости и вольфрамсодержащим твердым фазам. Это также может увеличить плотность, чувствительность к сегрегации и сложность обработки.

Молибден может укрепить матрицу, богатую кобальтом, участвовать в образовании карбидов и поддерживать коррозионное поведение в определенных средах. Его польза по-прежнему зависит от хрома, углерода, термической обработки и способа производства.

Правильный инженерный вопрос не таков:

«Вольфрам лучше молибдена?»

Это:

«Какая комбинация химического состава матрицы, структуры карбида и производственного процесса лучше всего соответствует документально подтвержденным износу, коррозии и температурным условиям?»

Отправляйте чертежи, текущую химическую информацию, фотографии неисправных деталей и эксплуатационные данные черезСтраница контактов EB Castingsили по электронной почтеcast@ebcastings.com.

Все требования к сплавам, процессам и проверкам должны быть подтверждены до предложения и производства.

Ссылки

1. АСМ Интернешнл. Кобальт и его сплавы.
2. АСМ Интернешнл. Трение и износ сплавов на основе кобальта.
3. Ли и др. Влияние Ni, W и Mo на сплавы с матрицей CoCr.
4. Дженко и др. Влияние дисперсионного твердения на сплавы Co-Cr-Mo и Co-Cr-W-Mo.
5. Ли и др. Микроструктура и высокотемпературные свойства сварочных наплавок CoCrMo и CoCrW.
6. АВС. AWS A5.21/A5.21M:2024 — Голые электроды и стержни для наплавки.
7. НИОШ. Кобальтовая металлическая пыль и дым.