Willkommen - Welcome

Willkommen - Welcome

Willkommen - Welcome

Willkommen - Welcome

Willkommen

Willkommen - Welcome

Willkommen - Welcome

Willkommen - Welcome

Willkommen - Welcome

Willkommen - Welcome

Willkommen - Welcome

Willkommen - Welcome

Willkommen - Welcome

Welcome - Willkommen

Willkommen - Welcome

Kobaltbasis-Hartlegierungen

Anwendungstemperaturen oberhalb 700 °C erfordern häufig die noch warmfesteren Co- Basismatrizen. Die Warmfestigkeit des Elements Kobalt ist auf die sehr geringe SFE zurückzuführen. Dadurch wird einerseits ein hohes Maß an Verfestigung erreicht und andererseits der Erholungs- und Rekristallisationsbeginn hin zu höherer Temperatur verschoben, so dass Entfestigungsprozesse in ihrem Ablauf effektiv behindert werden. Auf diese Weise sind Verfestigungsprozesse auch noch bei hoher Temperatur wirksam.

Gegossene Co-Basishartlegierungen werden vor allem für Leitschaufeln in Flugtriebwerken und stationären Gasturbinen eingesetzt. Außerdem finden die Co-Legierungen breite Anwendung für Ofeneinbauten in der Glas-, Keramik- und Metallhüttentechnik.

Hinsichtlich der Zeitstandfestigkeit und der Oxidationsbeständigkeit liegen diese Werkstoffe zwischen den austenitischen Stählen und den γ’-gehärteten Ni-Legierungen, festigkeitsmäßig allerdings deutlich näher an den Stählen. Die wesentlichen Vor- und Nachteile der Co-Basishartlegierungen sind folgende:

+ Da die üblichen Co-Legierungen keine hochreaktiven Elemente wie Ti und Al enthalten, können sie an Luft vergossen werden. Außerdem ist die Bauteilgröße nicht durch eine Vakuumgießanlage begrenzt. Es entfällt eine aufwendige Wärmebehandlung, wodurch die Bauteile billiger herstellbar als vergleichbare γ’-gehärtete Ni-Legierungen sind.

+ Co-Legierungen lassen sich vergleichbar mit den austenitischen Stählen gut schweißen.

+ Aufgrund der niedrigen SFE von Co weist die Matrix von Co eine relativ hohe (Kriech-) Festigkeit auf.

+/- Die Heißgaskorrosionsbeständigkeit kann unter gewissen Bedingungen besser sein als die von Ni-Legierungen. Die flüssige Co-S-Phase kann erst ab 877 °C auftreten (Ni-S: 637 °C). Außerdem ist der Cr-Gehalt von Co-Legierungen deutlich höher als von den meisten Ni-Varianten. Allerdings ist das Niedertemperatur-Heißgaskorrosionsverhalten bei Co-Werkstoffen tendenziell schlechter, es sei denn ihr Cr-Gehalt liegt extrem hoch.

- Es lassen sich keine besonders hohen Anteile härtender Phasen verwirklichen, ohne andere Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

- Kobalt zeigt ähnlich dem Eisen eine reversible allotrope Phasentransformation beim Erwärmen und Abkühlen. Wie beim Eisen ist bei hoher Temperatur die kubisch flächenzentrierte Phase (α-Co), die sich beim Abkühlen bei etwa 420 °C in die hexagonal dichte Phase (ε-Co) umwandelt, stabil. Die damit verbundenen Eigenschaftsänderungen sind unerwünscht, so dass man die verformungsfähigere kfz Phase durch Zugabe von Ni und Fe stabilisieren muss, was zu einer höheren SFE führt.

Da technische Co- Basislegierungen bis zu 30 Gew.-% Chrom, bis zu 15 Gew.-% Wolfram und bis zu 8 Gew.-% Molybdän enthalten, sind deren Metallmatrizen meist Phasengemische aus α- und ε-Kobalt. Molybdän und Wolfram wirken sich positiv auf die Warmfestigkeit aus, da ihre Atomradien sehr viel größer sind als die des Co-Atomes. Auf diese Weise behindern sie die Bewegung von Versetzungen, so dass eine Erholung erst bei wesentlich höherer Temperatur ablaufen kann.

Die Struktur der Karbidphasen, die - von Ausnahmen abgesehen - durch die Primärkristallisation bestimmt wird, kann bei der schweißtechnischen Verarbeitung von Metallpulvern durch vorhergehendes Beifügen verschiedener weiterer Karbide oder anderer Hartstoffe verändert werden. Im Schweißgut sind die daraus gebildeten Hartstoffphasen mit Kohlenstoff, Bor und teilweise Silizium thermodynamisch oft instabil, aber für den Verschleißwiderstand interessant.

Die Schmelztemperatur bzw. der Schmelzbereich wird ausschließlich durch die chemische Zusammensetzung der Legierungen bestimmt. Marktgängige Legierungen der Pulverschweißtechnik enthalten Zusätze von Nickel, Mangan, Eisen, Silizium und fallweise Bor. Die Schmelztemperaturen dieser Vielstofflegierungen liegen üblicherweise zwischen 1050 und 1400 °C.

Die duktilere α-Phase ist bei Verschleißbeanspruchung häufig gewünscht, weil sie metastabil ist und spannungsinduziert umwandeln kann. Die Umwandlungstemperaturen (MS, AS), verschieben sich durch die Zugabe von Legierungselementen, so dass in technischen Legierungen zwischen reiner α- und reiner ε- Phase alle Phasengemische möglich sind. Hartlegierungen und -verbundwerkstoffe auf Co-Basis entstammen hauptsächlich dem System Co-Cr-W-C. In diesen Legierungen, die mit dem Handelsnamen Stellite bezeichnet werden, stellt sich die Metallmatrix als Co-Cr-W-Mischkristall dar, der aufgrund der mit der Temperatur abnehmenden Löslichkeit für WC auch ausgeschiedenes WC enthalten kann. Metallmatrizen technischer Legierungen kommen dadurch auf eine Mikrohärte bis zu 450 HV0.05. In reibbeanspruchten Oberflächen können derartige Metallmatrizen durch Kaltverfestigung und Umwandlung der metastabilen α-Phase eine Härte von 650 HV0.05 erreichen, ein Härteniveau, das sonst den martensitischen Fe-Matrizes vorbehalten ist. Neben der Mischkristallhärtung spielt auch die Ausscheidungshärtung durch intermetallische Phasen eine Rolle. Sowohl in α- als auch in ε-Co- Legierungen mit Wolfram und Molybdän in entsprechenden Gehalten können nach dem Lösungsglühen durch 70-stündiges Auslagern bei 850 °C intermetallische Phasen des Typs Co3(W, Mo) ausgeschieden werden. Diese Metallmatrizen eignen sich selbst für die Anwendung bis 1000 °C, da der mit der Überalterung einhergehende Festigkeitsverlust gering ist.

Die manchmal angeführte höhere thermische Ermüdungsbeständigkeit gegenüber Ni-Werkstoffen aufgrund der relativ hohen Wärmeleitfähigkeit des reinen Co kann für Co-Legierungen nicht bestätigt werden. So wird für die Knetlegierung „Haynes 188“ sowie die Gußlegierungen X 40 und X 45 bei Raumtemperatur ein Wert von ca. 11 Wm-1K-1 angegeben, der genauso hoch wie der für Ni-Legierungen und austenitische Stähle liegt. Die Temperaturabhängigkeit von λ ist ebenfalls ähnlich. Auch beim Wärmeausdehnungskoeffizienten werden mit ca. 16...17.10-6 K-1 keine nennenswerten Unterschiede festgestellt. Eine geringe Neigung zu thermischen Ermüdungsrissen bei Co-Basishartlegierungen entspricht auch nicht den praktischen Erfahrungen unter vergleichbaren Betriebsbedingungen. Eher wird aufgrund geringerer Festigkeit im Vergleich zu den konkurrierenden Ni- Legierungen der gegenteilige Trend beobachtet.

 

Korrosionsverhalten von NT® - Kobaltbasis-Hartlegierungen

  Korrosions-Medium
 
Konzentration
Gew.-%
Temperatur
oC
NT®
Lite 21
NT®
Lite 6
NT®
Lite12
NT®
Lite 1
  Phosphorsäure
  H3PO4
 
10
85
10
RT
RT
65
 
 
 
1
1
1
 
 
 
1
1
1
  Salpetersäure
  HNO3
 
10
70
70
RT
RT
65

 
 1
1
1
2
1
1
1
1
1
1
  Schwefelsäure
  H2SO4
 
10
90
10
RT
RT
65
1
1
1
1
2
4
1
1
4
1
1
1
  Salzsäure
  HCl
 
5
37
10
RT
RT
ST
1
2
 
3
4
4
3
4
4
1
3-4
4
  Essigsäure
  CH3COOH
 
20
90
30
RT
RT
ST
1
1
1
1
1
1
1
1
1

1
 
  Flusssäure
  HF
 
6
40
 
RT
ST
 

 
 
4
 
 
4
 
 
2
4
 
  Chromsäure
  
 
10
10
 
RT
ST
 

 
 
1
4
 
1
4
 

 
 
  Natronlauge
  NaOH
 
10
40
5
RT
RT
ST

 
 
1
1
 
1
 
 
1
 
1
  Kupferchloride
  CuCl2
 
2
10
 
RT
RT
 

 
 
1
1
 

 
 
1
1
 
  Eisenchloride
  FeCl3
 
2
 
 
RT
 
 

 
 
1
 
 
1
 
 
1
 
 
  Ammoniumnitrat
  NH4NO3
 
10
 
 
RT
 
 
1
 
 

 
 
1
 
 

 
 
  Straußtest
  
 
 
 
 
 
 
 
1
 
 
1
 
 
3
 
 
1
 
 

 

  Abtragsraten
     
1 = < 1 g/m2 Tag 2 = 1–10 g/m2 Tag 3 = 11–25 g/m2 Tag 4 = > 25 g/m2 Tag

 

RT: Raumtemperatur; ST: Siedetemperatur