Литейные кобальтовые сплавы

Кобальтовые сплавы характеризуются более высокой температурой плавления, чем никелевые, и соответственно более пологими кривыми длительной прочности, что обеспечивает им работоспособность при более высоких температурах. Вследствие более высокого содержания хрома кобальтовые сплавы превосходят другие суперсплавы по стойкости горячей коррозии в загрязненных газовых средах газотурбинных двигателей. И, наконец, кобальтовые сплавы превосходят никелевые по сопротивлению термической усталости и по свариваемости.

К этой группе сплавов относятся кобальтовые сплавы типа виталлиум (HS-21, HS-23) и кобальтохромоникелевые сплавы с различными присадками Х40, Х41, Х50, и канадский Х63.

Основным легирующим элементом в кобальтовых сплавах является хром. На рис. 4.1 приведена диаграмма состояния системы Со—Сг.

Кобальтовые сплавы содержат очень небольшое количество железа, не более 1 …2%, и имеют чаще всего структуру твердого раствора с гранецентрированной кубической решеткой и сеткой первичных избыточных карбидов.

При комнатной температуре они имеют достаточно высокую прочность и среднюю пластичность. При высоких температурах (выше 650 °С) сплавы этого типа имеют высокую жаропрочность. Ниже приведены свойства сплавов при высоких температурах:

Т= 815 °C; а" = 410…490 МПа; 8= 12…15%;

Т= 950 °C; ст_в = 230…250 МПа; 8 = 24…35%.

Высокое содержание в этих сплавах С, Cr, Mo, W, а иногда и Nb, переменная растворимость фаз с температурой способствуют изменению их свойств при старении в интервале 600…900 °С. Несомненно, что с этой склонностью к старению связано упрочнение их при высоких температурах.

Рис. 4.1. Диаграмма состояния системы Со—Сг.

Литые кобальтохромоникелевые сплавы с различными присадками обладают высокой жаропрочностью, а среди них наибольшую жаропрочность при 815…982 °С имеют сплавы Х40, Х50.

В табл. 4.1 представлен химический состав кобальтовых сплавов.

Таблица 4.1

Химический состав кобальтовых сплавов

Кобальтохромистый сплав 65—27—6 (HS-21) в литом виде имеет структуру, состоящую из двух решеток: гранецентрированной кубической и гексагональной.

После закалки на твердый раствор гексагональная структура полностью превращается в кубическую. Большое количество составляющих с гексагональной структурой появляется после старения сплава HS-21. Сплав HS-23 как в литом, так и в закаленном на твердый раствор состоянии имеет небольшое количество составляющих с гексагональной структурой. Старение вызывает превращение сплава из гексагональной модификации в кубическую. Сплав HS-27 во всех состояниях показывает типичную полиэдрическую структуру у-твердого раствора.

В сплаве HS-21 образуются карбиды трех типов, эвтектика и эвтектоид, аналогичный перлиту. Травление в 6% растворе царской водки позволяет выявить структуру сплавов. В структуре сплавов наблюдается богатый кобальтом твердый раствор с островками карбидов и небольшого количества эвтектоида по границам зерен (рис. 4.2). Большое количество эвтектоида может быть получено медленным охлаждением сплава с 1200 °C.

Рис. 4.2. Микроструктура кобальтовых литейных сплавов.

Наблюдаются три типа карбидов:

• — Сг₄С — карбид с кубической решеткой, содержащий Со и Мо в твердом растворе:
• — Сг₇С₃ — карбид, богатый хромом, с гексагональной решеткой, содержащий в твердом растворе Со и Мо;
• — Ме₆С — карбиды, где Me может быть Со, Сг или Мо.

Все карбиды в структуре после травления имеют различную окраску.

Вотливках, изготовленных методом точного литья изсплавов HS-23, HS-27, HS-21 и Х40, эвтектоид нс образуется, а в сплаве ХЗО он присутствует в очень небольших количествах.

Увеличение содержания углерода и никеля в сплаве HS-27 предотвращает образование эвтектоида и структуры с гексагональной решеткой и сообщает сплаву лучшую длительную прочность.

Сплавы, содержащие вольфрам, претерпевают некоторые изменнеия механических свойств при высоких температурах, но эти изменения меньше, чем у сплава HS-21. Сплавы HS-27, HS-30 с никелем дают довольно постоянные результаты. Сплав HS-30 лучше всех сохраняет модуль упругости при высоких температурах (до 815 °С).

Кобальтовые сплавы очень склонны к нагартовке, которую они приобретают в результате механической обработки, полировки или пескоструйной очистки отливок на глубину до 0,075 мм. Для ее удаления применяют отжиг при температурах выше 1150 °C. При температурах нагрева выше 1170 °C происходит заметное растворение карбидов.

Свойства и модуль упругости сплавов в сильной степени зависят от величины зерна отливок.