鈷基合金

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(zhì)合金。鈷基合金是以鈷作為主要成分，含有相當(dāng)數(shù)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(jù)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。

鈷基合號組織

在我國，主要對鈷基耐高溫合金研究比較深入和透徹、鈷基耐高溫合金的典型牌號有：Hayness188，Haynes25(L-605),Alloy S-816,UMCo-50，MP-159，F(xiàn)SX-414，X-40，Stellite6B等，中國牌號有：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(jié)合的有序沉淀相來強(qiáng)化，而是由已被固溶強(qiáng)化的奧氏體fcc基體和基體中分布少量碳化物組成。鑄造鈷基高溫合金卻是在很大程度上依靠碳化物強(qiáng)化。純鈷晶體在417℃以下是密排六方（hcp）晶體結(jié)構(gòu)，在更高溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)閒cc。為了避免鈷基高溫合金在使用時發(fā)生這種轉(zhuǎn)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(nèi)使組織穩(wěn)定化。鈷基合金具有平坦的斷裂應(yīng)力-溫度關(guān)系，但在1000℃以上卻顯示出比其他高溫下具有優(yōu)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。

鈷基合金發(fā)展歷程

鈷基高溫合金發(fā)展過程 20世紀(jì)30年代末期，由于活塞式航空發(fā)動機(jī)用渦輪增壓器的需要，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)制作渦輪增壓器葉片取得成功。在使用過程中這種合金不斷析出碳化物相而變脆。因此﹐把合金的含碳量降至0.3%，同時添加2.6%的鎳，以提高碳化物形成元素在基體中的溶解度，這樣就發(fā)展成為HA-21合金。40年代末，X-40和HA-21制作航空噴氣發(fā)動機(jī)和渦輪增壓器鑄造渦輪葉片和導(dǎo)向葉片，其工作溫度可達(dá)850-870℃。1953年出現(xiàn)的用作鍛造渦輪葉片的S-816，是用多種難熔元素固溶強(qiáng)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用于制作燃燒室和導(dǎo)管。1966年出現(xiàn)的HA-188，因其中含鑭而改善了抗氧化性能。蘇聯(lián)用于制作導(dǎo)向葉片的鈷基合金∏K4﹐相當(dāng)于HA-21。鈷基合金的發(fā)展應(yīng)考慮鈷的資源情況。鈷是一種重要戰(zhàn)略資源，世界上大多數(shù)國家缺鈷，以致鈷基合金的發(fā)展受到限制。 [1]

鈷基合金性能

一般鈷基高溫合金缺少共格的強(qiáng)化相，雖然中溫強(qiáng)度低(只有鎳基合金的50-75%)，但在高于980℃時具有較高的強(qiáng)度、良好的抗熱疲勞、抗熱腐蝕和耐磨蝕性能，且有較好的焊接性。適于制作航空噴氣發(fā)動機(jī)、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)、艦船燃?xì)廨啓C(jī)的導(dǎo)向葉片和噴嘴導(dǎo)葉以及柴油機(jī)噴嘴等。

碳化物強(qiáng)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(xì)小的M23C6能與基體γ形成共晶體。MC碳化物顆粒過大，不能對位錯直接產(chǎn)生顯著的影響，因而對合金的強(qiáng)化效果不明顯，而細(xì)小彌散的碳化物則有良好的強(qiáng)化作用。位于晶界上的碳化物(主要是M23C6)能阻止晶界滑移，從而改善持久強(qiáng)度，鈷基高溫合金HA-31(X-40)的顯微組織為彌散的強(qiáng)化相為 (CoCrW)6 C型碳化物。

在某些鈷基合金中會出現(xiàn)的拓?fù)涿芘畔嗳缥鞲瘳斚嗪蚅aves等是有害的，會使合金變脆。鈷基合金較少使用金屬間化合物進(jìn)行強(qiáng)化，因為Co3 (Ti﹐Al)﹑Co3Ta等在高溫下不夠穩(wěn)定，但近年來使用金屬間化合物進(jìn)行強(qiáng)化的鈷基合金也有所發(fā)展。

鈷基合金中碳化物的熱穩(wěn)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(可達(dá)1100℃)﹐因此在溫度上升時﹐鈷基合金的強(qiáng)度下降一般比較緩慢。

鈷基合金有很好的抗熱腐蝕性能，一般認(rèn)為，鈷基合金在這方面優(yōu)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，并且硫在鈷中的擴(kuò)散率比在鎳中低得多。而且由于大多數(shù)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(hù)層)。但鈷基合金抗氧化能力通常比鎳基合金低得多。 早期的鈷基合金用非真空冶煉和鑄造工藝生產(chǎn)。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，用真空冶煉和真空鑄造生產(chǎn)。

鈷基合金耐磨損

合金工件的磨損在很大程度上受其表面的接觸應(yīng)力或沖擊應(yīng)力的影響。在應(yīng)力作用下表面磨損隨位錯流動和接觸表面的互相作用特征而定。對于鈷基合金來說，這種特征與基體具有較低的層錯能及基體組織在應(yīng)力作用或溫度影響下由面心立方轉(zhuǎn)變?yōu)榱矫芘啪w結(jié)構(gòu)有關(guān)，具有六方密排晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料，耐磨性是較優(yōu)的。此外，合金的第二相如碳化物的含量、形態(tài)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(qiáng)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(guān)，冷卻快則碳化物顆粒比較細(xì)。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(tài)下，合金的磨料磨損耐磨性明顯優(yōu)于石墨型鑄造（碳化物顆粒較細(xì)），而粘著磨損耐磨性兩者沒有明顯差異，說明粗大的碳化物有利于改善抗磨料磨損能力。 [1]

鈷基合金熱處理

鈷基合金中的碳化物顆粒的大小和分布以及晶粒尺寸對鑄造工藝很敏感，為使鑄造鈷基合金部件達(dá)到所要求的持久強(qiáng)度和熱疲勞性能，必須控制鑄造工藝參數(shù)。鈷基合金需進(jìn)行熱處理，主要是控制碳化物的析出。對鑄造鈷基合金而言，首*行高溫固溶處理，溫度通常為1150℃左右，使所有的一次碳化物，包括部分MC型碳化物溶入固溶體；然后再在870-980℃進(jìn)行時效處理，使碳化物重新析出。 [1]

鈷基合金堆焊

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，宏觀硬度加大，抗磨料磨損性能提高，但耐沖擊能力，焊接性，機(jī)加工性能都會下降。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℃仍能保持較高的硬度和強(qiáng)度，這是該類合金區(qū)別于鎳基和鐵基合金的重要特點。鈷基合金機(jī)加工后表面粗糙度低，具有高的抗擦傷能力和低的摩擦系數(shù)，也適用于粘著磨損，尤其在滑動和接觸的閥門密封面上。但在高應(yīng)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(yè)人士的指導(dǎo)，才能發(fā)揮材料的潛力。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，在金屬摩擦付中與之配對的材料磨損較小。