Сплави кобальту

Спла́ви ко́бальту або ко́бальтові спла́ви (англ. Cobalt alloys) — сплави на основі кобальту, що належать до жароміцних, магнітних та інших прецизійних сплавів. Застосовуються переважно для виготовлення деталей, що працюють при високих температурах (наприклад, лопаток турбореактивних двигунів) а також, постійних магнітів.

Загальна інформація

Використання кобальту як основи жароміцних, магнітних та інших прецизійних сплавів пов'язане з тим, що він з багатьма елементами (Fe, Ni, Cr, Mo та ін.) дає широкі області твердих розчинів[1]. Скорочення області твердих розчинів при зниженні температури і утворення з них хімічних сполук при відповідній термічній обробці дозволяє отримувати кобальтові сплави з високодисперсною гетерогенною структурою.

Кобальтові сплави відомі у декількох композиціях: Со-Cr, Co-Cr-Ni, Co-Cr-Ni-W та багатокомпонентні кобальтові сплави з легуючими елементами, що додають їм високу жароміцність. Так само як і нікелеві, кобальтові жароміцні сплави містять у ролі другого, головного компонента хром (до 20 %), що забезпечує високу стійкість до корозії[2]. Крім цього, до складу кобальтових сплавів входять вуглець, молібден, вольфрам, ніобій та інші елементи. Високий вміст цих елементів, змінна розчинність фаз при зміні температури змінюють властивості сплавів при старінні в інтервалі температур 600…900 °С. З великою схильністю кобальтових сплавів до старіння і пов'язане їхнє зміцнення при високій температурі.

Історична довідка

Ще на початку XX століття компанією «Гейнс» (англ. Haynes) були отримані патенти на сплави системи Co-Cr та Co-Cr-W. Ці сплави, що отримали назву «стеліти» використовувались при виготовленні різального інструменту та зносостійких деталей. В 1930-х роках було розроблено ливарний Co-Cr-Mo сплав віталіум (Vitallium®) для зубного протезування (65 % Co, 30 % Cr, 5 % Mo). Схожий за складом сплав HS-21 став використовуватись десятиліття по тому в турбонагнітачах і газових турбінах. Тоді ж почали використовувати сплав системи Co-Ni-Cr для напрямних лопаток газотурбінних двигунів. У 1943 році було розроблено ливарний сплав системи Co-Ni-Cr-W (X-40), що також знайшов застосування при виготовленні лопаток. У 1950—1970 роки було розроблено нові нікелеві жароміцні сплави, виготовлені шляхом вакуумного плавлення і зміцнювані за рахунок виділення γ-фази, що обумовило зменшення використання сплавів на основі кобальту.

Жароміцні та зносостійкі кобальтові сплави

Так звані ливарні кобальтові сплави — сплави системи Cо-Cr-C-X, де X — W, Мо, Nb, Ni, мають хороші ливарні властивості; у зв'язку з тим, що зміцнення таких кобальтових сплавів створюється в основному карбідними фазами, вони містять 0,2…1,0 % С[3]. Додавання бору покращує ливарні характеристики сплавів, але може погіршити їх зварюваність.

При термічних ударах і циклічних теплових навантаженнях аж до 1100 °С литі кобальтові сплави значно стійкіші, ніж нікелеві. Характерна особливість кобальтових сплавів — здатність зберігати жароміцність до температур, незначно менших (приблизно на 110°) від температури їх плавлення. При температурі близько 980 °С жароміцність їх є набагато вищою за жароміцність складно легованих сплавів на нікелевій основі (які, у свою чергу, відрізняються від кобальтових більшою жароміцністю за нижчих температур 750…860 °С)

Кобальтові сплави проявляють досить хороший опір термічній втомі. Середній коефіцієнт теплового розширення невисокий (15,9…16,5)•10−6 1/°C в інтервалі температур 20…870 °С. Найбільш жароміцні кобальтові сплави зберігають працездатність при температурах до 1100 °С, границя тривалої міцності ≈ 70 МН / м2[4].

Сплави кобальту системи Co-Cr-Ni-Mn, що містять до 50 % Co (деформівні кобальтові сплави), характеризуються високим опором термічній втомі й задовільно обробляються тиском. Кобальтові сплави стеліти (30 % Cr, а також W, Si і C) застосовують для наплавлення на інструменти та деталі машин (без подальшої термічної обробки) з метою підвищення їх зносостійкості.

Прецизійні сплави з кобальтом

Як основний або легувальний елемент кобальт входить до складу магнітних матеріалів. Особливості структури кобальтових сплавів забезпечують їм додаткові області застосування. Висока дисперсність і гетерогенність структури забезпечує високу коерцитивну силу деяких кобальтових сплавів, високу стійкість їх до повзучості тощо. Наприклад, сплави сплави на основі системи залізо — кобальт — нікель — алюміній (8–12 % Al, 15–26 % Ni, 5–24 % Co, до 6 % Cu, до 1 % Ti, решта — Fe)[5] мають високу намагнічуваність у магнітних полях напруженістю вище від 6 Е. Сплав кобальту з платиною після гартування від 1200 °С та відпуску при 650 °С має дуже високу коерцитивну силу 2650 Е, завдяки чому його використовують для виготовлення дуже коротких постійних магнітів.

Високою магнітною проникністю та малою коерцитивною силою у слабких магнітних полях характеризується прецизійний магнітно-м'який сплав пермендюр (47…50 % Fe, 48…50 % Co, 1,5…2 % Co), що знайшов застосування при виготовленні полюсних кінців електромагнітів, роторних пластин малогабаритних електродвигунів та інших приладів, де необхідно сконцентрувати в малому просторі потужний потік різних силових ліній[6].

Див. також

Примітки
  1. Sato, J (2006). Cobalt-Base High-Temperature Alloys. Science 312 (5770): 90–91. PMID 16601187. doi:10.1126/science.1121738.
  2. Coutsouradis, D.; Davin, A.; Lamberigts, M. (April 1987). Cobalt-based superalloys for applications in gas turbines. Materials Science and Engineering 88: 11–19. doi:10.1016/0025-5416(87)90061-9.
  3. Cui, C (2006). A New Co-Base Superalloy Strengthened by γ' Phase. Materials Transactions 47 (8): 2099–2102. doi:10.2320/matertrans.47.2099.
  4. Кобальтовые сплавы // Большая советская энциклопедия : в 30 т. / главн. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : «Советская энциклопедия», 1969—1978. (рос.)
  5. Cullity, B. D.; C. D. Graham (2008). Introduction to Magnetic Materials. Wiley-IEEE. p. 485. — ISBN 978-0-471-47741-9
  6. Alex Goldman Handbook of Modern Ferromagnetic Materials, 2nd ed — Kluwer Academic publishers, 2002. — P. 137-144

Джерела
  • Дурягіна З. А. Сплави з особливими властивостями / З.А. Дурягіна, О. Я. Лизун, В. Л. Пілюшенко. — Л. : Вид-во НУ «Львівська політехніка», 2007. — 236 с. — ISBN 978-966-553-646-8.
  • Химическая энциклопедия: В 5 т.: т.2: Даффа-Меди / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) и др. — М.: Сов. энцикл. , 1990. — 671 с.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.