Co-Cr-W versus Co-Cr-Mo-legeringen: moet een kobalt-chroomlegering wolfraam of molybdeen gebruiken?

Kobalt-chroomlegeringen worden gebruikt waar gewone staalsoorten worstelen met adhesieve slijtage, corrosie, hoge temperaturen of combinaties van deze mechanismen. Typische industriële toepassingen zijn onder meer klepkogels en -zittingen, bussen, warmwerkende componenten, extrusieonderdelen, afzettingen op harde oppervlakken en plaatselijke slijtageoppervlakken.

“Kobalt-chroomlegering” is echter geen volledige materiaalspecificatie.

De toevoeging van wolfraam, molybdeen, koolstof, nikkel, silicium en ijzer kan de microstructuur en het gebruiksgedrag van de legering aanzienlijk veranderen. De productieroute is net zo belangrijk. Er mag niet worden verwacht dat een gegoten Co-Cr-W-component, een Co-Cr-Mo-poedermetallurgisch onderdeel en een gelaste kobalt-hardfacing zich identiek gedragen, zelfs als hun chemische analyses vergelijkbaar lijken.

Een van de belangrijkste vragen bij de materiaalkeuze is of wolfraam of molybdeen het belangrijkste aanvullende versterkende effect moet hebben.

Beide elementen kunnen een kobaltrijke matrix versterken en deelnemen aan de vorming van carbiden. Toch zijn hun effecten niet uitwisselbaar.

In dit artikel wordt uitgelegd:

• De rollen van kobalt en chroom
• Hoe wolfraam Co-Cr-legeringen verandert
• Hoe molybdeen Co-Cr-legeringen verandert
• Waarom het koolstofgehalte beide systemen beïnvloedt
• Hoe giet-, poeder- en lasroutes het resultaat veranderen
• Welke servicegegevens moeten als leidraad dienen voor de keuze van de legering?
• Hoe chemie- en inspectie-eisen te specificeren
• Welke informatie moet worden verzonden met een offerteaanvraag?

De basisarchitectuur van een kobalt-chroomlegering

Industriële slijtvaste kobaltlegeringen bevatten gewoonlijk een kobaltrijke matrix en verspreide harde fasen.

Kobalt levert de basismatrix. Chroom ondersteunt de corrosie- en oxidatieweerstand en neemt ook deel aan de vorming van carbiden. Koolstof regelt de hoeveelheid en het type carbide dat zich kan vormen. Wolfraam of molybdeen kunnen de matrix versterken, de carbidechemie veranderen en het gedrag bij hoge temperaturen beïnvloeden.

De microstructuur kan omvatten:

• Kobaltrijke vlakgecentreerde kubische of hexagonale dicht opeengepakte matrixfasen
• Chroomrijke carbiden
• Wolfraam- of molybdeenhoudende carbiden
• Eutectische bestanddelen in interdendritische gebieden
• Intermetallische fasen onder sommige samenstellingen of thermische geschiedenis
• Gesegregeerde regio's ontstaan ​​tijdens het stollen
• Oxiden of insluitsels die door verwerking zijn geïntroduceerd

ASM International benadrukt dat de structuur, eigenschappen en slijtagegedrag van kobaltlegeringen afhankelijk zijn van zowel de chemische samenstelling als de productieroute. Kobaltlegeringen kunnen worden gegoten, gesmeed, gelast als hardfacing of geconsolideerd door middel van poedermetallurgische processen.
Bron: ASM – Wrijving en slijtage van legeringen op kobaltbasis.

Wat wolfraam doet in een Co-Cr-W-legering

Wolfraam is een zwaar vuurvast element met een hoog smeltpunt. In kobalt-chroomlegeringen kan het bijdragen door versterking van de vaste oplossing en deelname aan hardcarbide of complexe fasevorming.

Versterking van vaste oplossingen

Wolfraamatomen zijn veel groter en zwaarder dan kobaltatomen. Wanneer wolfraam oplost in de kobaltrijke matrix, creëert het verschil in atomaire grootte roosterspanning die de beweging van dislocaties moeilijker maakt.

Dit kan ondersteunen:

• Matrixsterkte
• Weerstand tegen plastische vervorming
• Hete hardheid
• Weerstand tegen lijmslijtage en vreten
• Laadsteun onder hardmetalen fasen

Het nuttige effect hangt af van hoeveel wolfraam in oplossing blijft in plaats van geconcentreerd te zijn in carbiden of gescheiden gebieden.

Wolfraamhoudende carbiden

Als er voldoende koolstof beschikbaar is, kan wolfraam deelnemen aan de vorming van carbiden. Afhankelijk van de volledige chemie en stollingsomstandigheden kan de legering chroomrijke carbiden, wolfraamrijke carbiden of complexe gemengde metaalcarbiden bevatten.

Harde carbiden kunnen de slijtvastheid verbeteren door weerstand te bieden aan:

• Micro-snijden
• Oppervlakte ploegen
• Vervorming van lijmverbindingen
• Lokale inspringing
• Abrasieve deeltjespenetratie

Carbiden moeten echter voldoende door de matrix worden ondersteund. Een hoge carbidefractie in een zwakke of sterk gescheiden matrix kan leiden tot scheuren en carbide-uittrekking.

Sterkte bij verhoogde temperatuur

Wolfraam heeft een lage diffusiviteit en kan bijdragen aan sterkte bij hoge temperaturen en structurele stabiliteit. Dit maakt Co-Cr-W-legeringen aantrekkelijk voor warme slijtage, heet snijden en klep- of afdichtingstoepassingen bij hoge temperaturen.

Het resultaat moet nog gevalideerd worden bij de werkelijke temperatuur. Oxidatie, thermische cycli, kruip, thermische uitzetting en contactspanning kunnen de prestaties domineren, zelfs als de hardheid bij kamertemperatuur hoog is.

Dichtheid en verwerkingsgevolgen

Wolfraam is aanzienlijk dichter dan molybdeen. Hoge wolfraamtoevoegingen kunnen daarom de dichtheid van componenten of afgezette lagen verhogen.

Wolfraam kan ook toenemen:

• Moeilijkheden bij het verwerken van smelten
• Risico op compositorische segregatie
• Gevoeligheid voor onvolledige ontbinding
• Moeilijkheden bij het bewerken
• Grondstofkosten
• Noodzaak van zorgvuldige procesbeheersing

Een nominaal wolfraampercentage is niet voldoende bewijs dat het element gelijkmatig wordt verdeeld door een groot gietstuk.

Wat molybdeen doet in een Co-Cr-Mo-legering

Molybdeen is ook een vuurvast legeringselement. Het kan de kobaltmatrix versterken, deelnemen aan de vorming van carbiden en het corrosiegedrag beïnvloeden.

Matrixversterking

Molybdeen opgelost in de kobaltrijke matrix kan de dislocatiebeweging belemmeren en de matrixsterkte verbeteren.

Uit onderzoek waarbij CoCrNi-, CoCrW- en CoCrMo-legeringen uit de poedermetallurgie werden vergeleken, bleek dat nikkel, wolfraam en molybdeen verschillende fasebalansen, hardheidswaarden en slijtagereacties bij hoge temperaturen produceerden. Uit het onderzoek bleek ook dat de wrijvingscoëfficiënt de slijtagesnelheid niet direct voorspelde.

Omdat de monsters door middel van poedermetallurgie onder specifieke samenstellingen en testomstandigheden zijn geproduceerd, mag de rangorde niet rechtstreeks worden overgedragen op zandgietstukken of lasafzettingen.
Bron: Effect van Ni, W en Mo op CoCr-matrixlegeringen.

Carbidevorming

Molybdeen kan complexe carbiden binnendringen en hun distributie, morfologie en stabiliteit wijzigen. Net als bij wolfraam is de werking sterk afhankelijk van koolstof en chroom.

Molybdeen creëert op zichzelf geen slijtvastheid. Het voordeel hangt af van de vraag of de warmtebehandeling of stollingsroute het volgende creëert:

• Een voldoende versterkte matrix
• Een nuttige carbidepopulatie
• Aanvaardbare carbidemorfologie
• Beperkte vorming van brosse fasen
• Geschikte matrix-carbide-binding

Corrosie en passiviteit

Chroom is normaal gesproken het belangrijkste passiverende element in kobalt-chroomlegeringen. Molybdeen kan het gedrag van de passieve film wijzigen en kan de weerstand verbeteren in sommige chloridehoudende of reducerende omgevingen.

Uit een onderzoek naar Co-30Cr-6Mo in een chloride- en bicarbonaathoudende oplossing bleek dat chroom en molybdeen de oplossing van kobalt onderdrukten en chroomachtig passief gedrag produceerden.

Bij het onderzoek werd gebruik gemaakt van een gesimuleerde fysiologische oplossing, en niet van een industrieel slurry- of zuurproces. De resultaten tonen een mechanisme aan, maar kwalificeren een legering niet voor gebruik in de mijnbouw, de chemische industrie of op olievelden. Het kan nog steeds nodig zijn om de procesvloeistof daadwerkelijk te testen.
Bron: Passiverings- en corrosiegedrag van kobalt en Co-Cr-Mo-legering.

Ductiliteit en matrixondersteuning

Sommige Co-Cr-Mo-systemen kunnen een gunstig evenwicht bieden tussen matrixsterkte, ductiliteit en carbideondersteuning. Dit kan de neiging van harde deeltjes om los te laten bij glijdend contact verminderen.

Co-Cr-Mo is echter niet automatisch sterker dan elke Co-Cr-W-legering. Koolstof, gietfouten, warmtebehandeling, sectiedikte en testtemperatuur kunnen een schijnbare rangorde omkeren.

Co-Cr-W en Co-Cr-Mo selectietendensen

Dit zijn technische tendensen, geen gegarandeerde ranglijsten.

Een onderzoek uit 2020 heeft een verschillend wrijvings- en slijtagegedrag aangetoond tussen in poedervorm geproduceerde CoCrW- en CoCrMo-legeringen bij kamertemperatuur tot 1000 ° C. Uit een afzonderlijke studie van specifieke tandheelkundige legeringen Co-Cr-Mo en Co-Cr-W-Mo bleek dat het geteste Co-Cr-Mo-materiaal onder zijn specifieke omstandigheden een betere slijtvastheid had.

Omgekeerd rapporteerde onderzoek naar CoCrMo- en CoCrW-lasdraadafzettingen op een superlegeringssubstraat toestandsafhankelijke verschillen in vermoeidheid en slijtage bij hoge temperaturen.

Deze resultaten versterken één centraal principe: prestatierangschikkingen zijn afhankelijk van de exacte samenstelling, productieroute, microstructuur en testmethode.
Bronnen: CoCr-matrixlegeringsonderzoek, Co-Cr-Mo en Co-Cr-W-Mo-precipitatieonderzoek, en CoCrMo versus CoCrW-lasafzettingen.

Koolstof kan belangrijker zijn dan het W-or-Mo-label

Wolfraam en molybdeen kunnen niet worden beoordeeld zonder koolstof.

Koolstof regelt de potentiële hoeveelheid carbidevorming. Een legering met een lager koolstofgehalte kan sterker afhankelijk zijn van versterking van vaste oplossingen en matrixgedrag. Een legering met een hoger koolstofgehalte kan een grotere carbidefractie en een hogere hardheid bevatten, maar een verminderde ductiliteit.

Het juiste koolstofgehalte is afhankelijk van het onderdeel en het faalmechanisme.

Een klepzitting die wordt blootgesteld aan lijmslijtage, corrosie en afdichtingscontact vereist niet dezelfde matrix-carbide-balans als een hardfacetlaag die wordt blootgesteld aan minerale slijtage.

Co-Cr-W is niet hetzelfde als WC-Co hardmetaal

De term “wolfraam-kobaltlegering” kan voor verwarring zorgen.

Een gegoten of afgezette Co-Cr-W-legering bevat kobalt als de belangrijkste matrix met chroom, wolfraam, koolstof en andere toevoegingen.

WC-Co hardmetaal is een ander materiaalsysteem. Het bestaat voornamelijk uit wolfraamcarbidedeeltjes gebonden door een kleinere hoeveelheid kobalt. Het wordt over het algemeen geproduceerd door middel van poedermetallurgie en sinterprocessen.

De materialen verschillen qua samenstelling, fasefractie, verwerking, taaiheid, repareerbaarheid en kosten. Ze mogen nooit als uitwisselbaar worden beschouwd, omdat beide kobalt en wolfraam bevatten.

Productieroute verandert de legering

Investering of zandgieten

Door het gieten ontstaat een dendritische stollingsstructuur. Wolfraam, molybdeen, chroom en koolstof kunnen zich scheiden tussen dendrietkernen en interdendritische gebieden.

Belangrijke castingcontroles zijn onder meer:

• Charge-materiaal identiteit
• Smelt chemie
• Deoxidatie praktijk
• Giet temperatuur
• Vormmateriaal
• Stollingssnelheid
• Voedings- en krimpcontrole
• Overgangen van sectiedikte
• Warmtebehandeling
• Bewerkingstoelage

Grote sectieveranderingen kunnen binnen één component verschillende koelsnelheden en carbidemorfologieën creëren.

Poedermetallurgie

Poederroutes kunnen zorgen voor:

• Fijnere startdeeltjes
• Ander segregatiegedrag
• Grotere controle over de bijna-netgeometrie
• Potentieel uniforme verdeling
• Verschillende restporositeitsrisico's
• Verschillende oxideblootstelling

Voor een conventioneel gietstuk mag niet worden uitgegaan van een resultaat verkregen uit een onderzoeksmonster in de poedermetallurgie.

Lassen en hardoplassen

Hardfacing introduceert extra variabelen:

• Verdunning van basismetaal
• Koelsnelheid
• Dikte van de afzetting
• Aantal lagen
• Voorverwarm- en tussentemperatuur
• Resterende spanning
• Door hitte beïnvloede zone
• Beschermgas
• Scheurtolerantie
• Behandeling na het lassen

AWS A5.21/A5.21M behandelt de classificatie van kale elektroden en staven voor oppervlaktebehandeling. De huidige editie van 2024 bevat classificaties op kobaltbasis. De vulmetaalclassificatie beschrijft de verbruikbare of onverdunde afgezette chemie; het garandeert op zichzelf niet de chemie van de uiteindelijke verdunde overlay.
Bron: AWS A5.21/A5.21M:2024.

Thermisch spuiten, HVOF, PTA en lasercladden

Een kobaltlegeringspoeder kan voor verschillende afzettingsprocessen worden gebruikt, maar de deeltjesgrootte, morfologie en chemie moeten overeenkomen met de apparatuur.

De uiteindelijke coating is afhankelijk van:

• Poedergrootteverdeling
• Sfericiteit en stroming
• Zuurstofgehalte
• Warmte-inbreng
• Deeltjessnelheid
• Verdunning
• Porositeit
• Oxide-gehalte
• Sterkte van de binding
• Afwerkingsmethode

Een poeder dat geschikt is voor het ene proces mag niet automatisch in een ander proces worden gebruikt.

De legering afstemmen op het faalmechanisme

Lijmslijtage en vreten

Vraag voor metaal-op-metaal glijden:

• Wat is het tegenvlakmateriaal?
• Is smering beschikbaar?
• Wat is de contactdruk?
• Is glijden continu of oscillerend?
• Is een aanval het voornaamste falen?
• Moet het oppervlak een afdichting behouden?

Een Co-Cr-W-legering kan aantrekkelijk zijn vanwege de hoge hardheid en weerstand tegen vreten, maar de uiteindelijke keuze moet rekening houden met oppervlakteafwerking en compatibiliteit met het tegenvlak.

Schurende slijtage

Voor minerale of deeltjesslijtage noteert u:

• Schurende hardheid
• Deeltjesgrootte en vorm
• Glijdende snelheid
• Contactdruk
• Impact-energie
• Natte of droge toestand

Een kobaltlegering met een hoog carbidegehalte kan slijtvast zijn, maar kan kwetsbaar worden als de carbidepopulatie te grof is of slecht wordt ondersteund.

Corrosie-slijtage

Corrosieslijtage kan niet worden voorspeld door een droge hardheidstest.

Voorzien:

• Vloeibare chemie
• pH
• Chloride concentratie
• Zwavelhoudende soorten
• Temperatuur
• Concentratie van vaste stoffen
• Stroomsnelheid
• Uitschakel- en reinigingsomstandigheden

Molybdeen kan nuttig zijn in sommige corrosieve omgevingen, maar laboratoriumtests moeten de daadwerkelijke vloeistof reproduceren als de gevolgen van falen aanzienlijk zijn.

Slijtage bij hoge temperaturen

Voor warme service:

• Normale en maximale metaaltemperatuur
• Verwarmings- en koelsnelheid
• Sfeer
• Oxiderende of reducerende toestand
• Blootstelling aan zwavel, koolstof of halogeen
• Contactstress
• Thermische cyclusfrequentie

Het hoge wolfraamgehalte elimineert oxidatie, thermische vermoeidheid of kruip niet.

Inspectie-eisen voor kobaltlegeringen

Het inspectieplan moet testlocaties en acceptatiecriteria vóór productie definiëren.

Vragen die u moet opnemen in een Co-Cr-W- of Co-Cr-Mo-offerteaanvraag

Voorzien:

• Componentnaam en onderdeelnummer
• Uitrustingsmodel
• Maattekening
• Vereiste productieroute
• Huidige legeringsaanduiding
• Actueel rapport over de chemische samenstelling
• Gewenste generieke standaard of klantspecificatie
• Normale en maximale temperatuur
• Slijtagemechanisme
• Contactdruk en glijsnelheid
• Impactniveau
• Corrosief medium en concentratie
• Tegenmateriaal
• Staat van smering
• Vereist hardheidsbereik
• Bewerkte oppervlakteafwerking
• Dimensionale en geometrische toleranties
• NDT-vereisten
• Locaties voor chemische bemonstering
• Hoeveelheid
• Leveringsbestemming
• Foto's van het defecte onderdeel
• Actuele servicegegevens en storingsmodus

Vermijd het aanvragen van “de hoogste wolfraamlegering” of “maximale hardheid” zonder bedrijfsgegevens. Een hoger legeringsgehalte kan de kosten en de broosheid verhogen zonder het daadwerkelijke falen op te lossen.

Relevante EB Castings-pagina's

Voor gegoten componenten van kobaltlegering, zie:

• Klepkogels en ringzittingen van kobalt-chroomlegering
• Op maat gemaakte gietstukken van kobaltbasis

Voor afgezette slijtvlakken, zie:

• Legeringspoeder op kobaltbasis voor PTA, HVOF en lasercladding
• Kobalt-gelegeerde draad

Lees voor meer achtergrondinformatie:

• Kobalt-chroom-molybdeenlegering
• Prestaties en slijtvastheid van op kobalt gebaseerde legeringen

Op deze pagina's worden verschillende producten en processen beschreven. De legering en het proces moeten worden bevestigd aan de hand van de tekening, de serviceconditie en de acceptatievereisten van de klant.

Technische en veiligheidsgrenzen

Dit artikel biedt algemene richtlijnen voor materiaalselectie. Er wordt niet aangetoond dat Co-Cr-W of Co-Cr-Mo universeel superieur is.

De uiteindelijke materiaalkeuze blijft de verantwoordelijkheid van de eigenaar van de apparatuur, de verantwoordelijke ingenieur, de koper en de fabrikant, volgens een overeengekomen specificatie.

Bij het gieten, slijpen, machinaal bewerken, thermisch spuiten en lassen van kobalthoudende materialen kan kobalthoudend stof of rook ontstaan. NIOSH identificeert inhalatie, inslikken en huid- of oogcontact als blootstellingsroutes voor kobaltmetaalstof en -damp en noemt het ademhalingssysteem en de huid als doelorganen.

Maak gebruik van een gedocumenteerde industriële hygiënebeoordeling, procesafsluiting of lokale afzuigventilatie, passende schoonmaakmiddelen en taakspecifieke persoonlijke beschermingsmiddelen. De keuze van een ademhalingstoestel moet gebaseerd zijn op de gemeten blootstelling en een toepasselijk ademhalingsbeschermingsprogramma.
Bronnen: NIOSH Pocket Guide – Cobalt Metal Dust and Fume en NIOSH Local Exhaust Ventilation for Welding.

Veelgestelde vragen

Is wolfraam altijd beter voor slijtage bij hoge temperaturen?

Nee. Wolfraam kan de hete hardheid en matrixsterkte ondersteunen, maar oxidatie, carbidemorfologie, thermische vermoeidheid en productieroute bepalen ook de prestaties.

Is molybdeen altijd beter voor corrosie?

Nee. Molybdeen kan in sommige omgevingen de passiviteit ten goede komen, maar het chroomgehalte, de vloeistofchemie, de temperatuur en mechanische filmverwijdering blijven belangrijk. Test het daadwerkelijke procesmedium wanneer het corrosierisico aanzienlijk is.

Kunnen wolfraam en molybdeen door gewicht worden vervangen?

Nee. Ze hebben verschillende atoommassa's, carbidegedrag, verdelings- en verwerkingseffecten. Vervanging vereist een herontwerp en kwalificatie van de legering.

Betekent een hogere hardheid een betere slijtvastheid?

Niet noodzakelijkerwijs. Slijtage hangt ook af van de carbideondersteuning, taaiheid, wrijvingsmodus, temperatuur, corrosie en tegenvlakmateriaal.

Kan een XRF-analysator de volledige legering bevestigen?

XRF kan helpen bij het identificeren van kobalt, chroom, wolfraam en molybdeen, maar kan doorgaans niet het koolstofresultaat opleveren dat nodig is voor carbidecontrole. Gebruik een geschikte koolstofanalysemethode.

Zijn gegoten onderdelen en afzettingen op hardfacing gelijkwaardig?

Nee. Gietstukken stollen als complete componenten. Hardfacing-afzettingen worden beïnvloed door verdunning, laagdikte, koeling en het basismetaal.

Moeten we een handelsnaam of chemische samenstelling specificeren?

Specificeer waar mogelijk een erkende generieke classificatie of een overeengekomen chemie- en acceptatieplan. Handelsnamen kunnen verschillende vormen of historische varianten omvatten.

Kan EB Castings W of Mo alleen op basis van een tekening aanbevelen?

De tekening definieert de geometrie, maar servicegegevens zijn ook noodzakelijk. Verstrek informatie over slijtagemechanisme, temperatuur, medium, belasting, tegenvlak en huidige fouten.

Conclusie

Wolfraam en molybdeen zijn beide waardevolle toevoegingen aan kobalt-chroomlegeringen, maar ze lossen verschillende metallurgische problemen op.

Wolfraam kan bijdragen aan een sterke versterking van vaste oplossingen, hete hardheid en wolfraamhoudende harde fasen. Het kan ook de dichtheid, de segregatiegevoeligheid en de bewerkingsmoeilijkheden verhogen.

Molybdeen kan de kobaltrijke matrix versterken, deelnemen aan de vorming van carbiden en het corrosiegedrag in bepaalde omgevingen ondersteunen. Het voordeel ervan hangt nog steeds af van chroom, koolstof, warmtebehandeling en productieroute.

De juiste technische vraag is niet:

"Is wolfraam beter dan molybdeen?"

Het is:

“Welke combinatie van matrixchemie, carbidestructuur en productieproces pakt het beste aan op de gedocumenteerde slijtage-, corrosie- en temperatuuromstandigheden?”

Verzend tekeningen, huidige chemie, foto's van defecte onderdelen en bedrijfsgegevens via deEB Castings contactpaginaof e-mailcast@ebcastings.com.

Alle legerings-, proces- en inspectievereisten moeten worden bevestigd vóór de offerte en productie.

Referenties

1. ASM Internationaal. Kobalt en kobaltlegeringen.
2. ASM Internationaal. Wrijving en slijtage van legeringen op kobaltbasis.
3. Li et al. Effect van Ni, W en Mo op CoCr-matrixlegeringen.
4. Jenko et al. Invloed van neerslagharding op Co-Cr-Mo en Co-Cr-W-Mo-legeringen.
5. Li et al. Microstructuur en hogetemperatuureigenschappen van CoCrMo- en CoCrW-lasafzettingen.
6. AWS. AWS A5.21/A5.21M:2024 – Kale elektroden en staven voor oppervlaktebehandeling.
7. NIOSH. Kobaltmetaalstof en -rook.