آلیاژهای استلایت -بخش دوم: ترکیب شیمیایی و ریزساختار
آلیاژهای استلایت یک گروه از سوپرآلیاژهای پایه کبالت هستند که برای کاربردهای مقاوم به سایش طراحی شده اند. آن ها شامل مقادیر زیادی کروم هستند. علاوه بر این، در ترکیب آن ها تنگستن یا مولیبدن به همراه مقادیر کمی از کربن وجود دارد. این آلیاژ توسط Elwood Haynes در دهه 1900 ابداع شد و بعدا با نام تجاری شرکت Deloro Stellite وارد بازار شد. در ابتدا، ماهیت زنگ نزن و استحکام بالای آلیاژهای دو تایی کبالت-کروم توسط او کشف شد، سپس او آلیاژهای سه تایی کبالت-کروم-مولیبدن و کبالت-کروم-تنگستن را به عنوان اثرات استحکام بخش مولیبدن و تنگستن در سیستم کبالت-کروم عنوان کرد. به دلیل درخشش ستاره مانند آلیاژها به استلایت نامیده شدند که از کلمه Stella گرفته شده است. این آلیاژ امروز با نام تجاری شرکت Deloro Stellite وارد بازار می شود. در حین جنگ جهانی اول، آلیاژهای استلایت به عنوان مواد ابزار برش استفاده شده است، زیرا استحکام آن ها در دماهای بالا زیاد است. بعدا، از حدود سال 1923، آلیاژهای پایه کبالت در روکش کاری با جوشکاری استفاده شد تا سطوح ضد سایش بر قطعات ایجاد شود. برای برآوردن نیاز مواد برای کاربردهای مقاوم به خوردگی دما بالا، آلیاژهای مقاوم به خوردگی پایه کبالت در دهه 1930 و در اوایل دهه 1940 ابداع شدند. اخیرا آلیاژهای پایه کبالت با مقدار کربن کم و زیست سازگار به عنوان مواد دندانی و کاشتنی های بدن انسان استفاده می شود.
آلیاژهای استلایت شامل مقادیر مختلف کبالت، کروم، تنگستن، مولیبدن، نیکل، آهن، آلومینیوم، بور، کربن، منگنز، فسفر، گوگرد، سیلسیم و تیتانیوم هستند. اغلب آلیاژها شش عنصر اول را دارند. اختلاف اساسی در آلیاژهای استلایت مقدار کربن و تنگستن است که بر مقدار و نوع کاربیدهای تشکیل شده در ریزساختار در حین انجماد تاثیر می گذارد. امروزه، بسیاری از آلیاژهای استلایت تجاری تغییر کمی نسبت به ترکیبات کبالت-کروم-تنگستن و کبالت-کروم-مولیبدن کشف شده توسط Haynes داشته است. اصلاحات انجام شده باعث شده است تا از این آلیاژها برای کاربردهای مختلف در حجم زیاد استفاده می شود. این آلیاژها مقاوم به خوردگی، مقاوم به حرارت و سایش هستند و ترکیب شیمیایی آن ها برای کاربرهای ویژه در محیط های خاص بهینه سازی شده است.
ریزساختار آلیاژ استلایت 3
ترکیب شیمیایی و ریزساختار آلیاژهای استلایت مبانی فهم و پیش بینی رفتار مکانیکی و خواص ترویبولوژیکی مواد است. مقدار کبن در آلیاژهای استلایت مسئول ریزساختار و انواع کاربیدهای تشکیل شده در این مواد است که عامل استحکام بخش اصلی آلیاژهای استلایت برای مقاومت به سایش است. به عنوان مثال، در مقدار کربن %4/2 وزنی (استلایت 3)، کاربیدها حدود %30 ماده را به خود اختصاص می دهد. این کاربیدها از نوع M7C3 اولیه (غنی از کروم) و M6C (یوتکتیکی غنی از تنگستن) هستند که M نشان دهنده اجزاء فلزی است. در مقدار کربن %1 وزنی (استلایت B6)، کسر حجمی کاربیدها حدود %13 است، آن ها اصولا کاربیدهای یوتکتیکی غنی از کروم از نوع M7C3 هستند. آلیاژهای استلایت را می توان بر اساس مقدار کربن طبقه بندی کرد: آلیاژهای با مقدار کربن زیاد (%3-1 وزنی) برای شرایط سرویس سایش، آلیاژهای با مقدار کربن کم (کمتر از %5/0 وزنی) برای شرایط سرویس دما بالا (بیشتر از ℃500) و آلیاژهای با مقدار کربن بسیار کم (کمتر از %25/0 وزنی) که ترکیبی از مقاومت به سایش و خوردگی را دارند. برای مقادیر کربن کمتر از %2 وزنی، این آلیاژها هیپویوتکتیک با دندریت های کبالت با ساختار fcc (مکعبی سطوح مرکزدار) هستند که با یک شبکه از کاربیدهای M7C3 یوتکتیکی احاطه شده اند. برای مقادیر بیشتر از %5/2 وزنی، آن ها هایپریوتکتیک هستند و اصولا شامل کاربیدهای M7C3 در زمینه یوتکتیکی بین دندریتی با محلول جامد و کاربیدها هستند. سایر کاربیدهای تشکیل شده در آلیاژهای استلایت هایپریوتکتیک شامل M6C غنی از تنگستن و MC و M23C6 غنی از کروم هستند. آلیاژهای با مقدار کربن بسیار کم (حدود %1/0 وزنی) به آلیاژهای استحکام دهی شده با محلول جامد شناخته می شوند.
ریزساختار آلیاژ استلایت 6
کبالت در این آلیاژها ساختار کریستالی ناپایدار fcc با انرژی نقص چیده شدن کم دارد. این ناپایداری ناشی از کبالت عنصری است، اگر بسیار آرام سرد شود، از ساختار fcc به ساختار کریستالی hcp در دمای ℃417 تبدیل می شود. به دلیل ماهیت آهسته استحاله، ساختار fcc کبالت و آلیاژهای آن در دمای اتاق ثابت باقی می ماند و استحاله hcp توسط تنش های مکانیکی یا زمان زیاد در دمای بالا ایجاد می شود. ساختار ناپایدار fcc و انرژی نقص چیده شدن کم باعث استحکام تسلیم زیاد، نرخ کارسختی بالا به دلیل برهم کنش بین نقایص چیده شدن، حساسیت کم به خستگی تحت تنش های چرخه ای به دلیل کمبود دیواره سلولی با مناطق تغییرشکل یافته پلاستیکی، توانایی تنش گیری از طریق استحاله ساختاری به hcp شده است. سه مزیت اولیه مربوط به اهمیت در جلوگیری از آسیب ماده در حین سایش لغزشی است. دو مزیت آخر باعث پایداری در برابر حفره ای شدن و مقاومت به رفتگی آلیاژ می شود. در حالی که کبالت عامل اصلی خواص آلیاژهای استلایت است، خواص اضافی از طریق اضافه کردن عناصر آلیاژی حاصل می شود.
اضافه کردن کروم، معمولا در محدوده بین 20 تا %30 وزنی موجب مقاومت به خوردگی و رفتگی می شود. کروم دو وظیفه اصلی در آلیاژهای استلایت دارد: 1)تشکیل دهنده قوی کاربید از طریق تشکیل کاربیدهای فلزی از نوع M7C3 و M23C6 غنی از کروم. رایج ترین کاربید در آلیاژهای استلایت از نوع M7C3 غنی از کروم است، اگرچه کاربیدهای M23C6 غنی از کروم نیر در آلیاژهای با کربن کم تشکیل می شود. 2)مهمترین عنصر آلیاژی در زمینه است که استحکام کافی را فراهم می کند (به عنوان یک عنصر حل شونده) و مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون را به وجود می آورد. کروم خصوصیات قابل توجهی در این آلیاژها ایجاد می کند. اضافه کردن کروم (حدود %30-15 وزنی) مقاومت به اکسیداسیون و خوردگی در محلول های اکسید کننده را بهبود می دهد. عناصر آلیاژی متداول در استلایت شامل مولیبدن و تنگستن است. این عناصر اثرات مشابهی بر آلیاژهای استلایت دارند. مولیبدن (1 تا %28 وزنی) و تنگستن (%17-14 وزنی) سهم قابل توجهی بر سخت گردانی محلول جامد و استحکام دهی با تشکیل کاربیدهای اولیه M6C همراه با کاربیدهای MC و فازهای بین فلزی مثل Co3(Mo,W) دارند، اما بیشتر تنگستن در زمینه به صورت محلول جامد در کبالت باقی می ماند. اضافه کردن مولیبدن موجب بهبودی قابل توجه در اسیدهای غیراکسید کننده می شود. تنگستن و مولیبدن استحکام اضافی به دلیل اندازه اتمی بزرگ تر ایجاد می کنند که مانع از حرکت نابجایی ها و لغزش می شود. مقدار مولیبدن اضافه شده باید تقریبا دو برابر تنگستن باشد، زیرا وزن اتمی مولیبدن (g 94/94) تقریبا نصف تنگستن (g84/183) است. به هر حال، لازم به ذکر است که مولیبدن و تنگستن ضرایب اصطکاک زیادی دارند، به همین دلیل است که معمولا برای کاربردهای لغزشی در حالت خالص مناسب نمی باشند، اما به عنوان عنصر آلیاژی می توانند در استحکام آلیاژهای استلایت موثر باشند.
آلیاژهای استلایت عناصر آلیاژی دیگری نیز دارند که شامل نیکل، آهن، آلومینیوم، بور، کربن، منگنز، فسفر، گوگرد، سیلسیم و تیتانیوم هستند. این عناصر آلیاژی در نسبت های مختلف اضافه می شوند، اغلب آلیاژهای استلایت 4 تا 6 عدد از این عناصر را دارند. برای مثال، اضافه کردن عناصر آلیاژی نیکل، مس یا آهن موجب پایداری ساختار fcc می شوند (حتی تا دمای نقطه ذوب)، به هر حال، آن ها انرژی نقص چیده شدن زمینه غنی از کبالت را افزایش می دهند. برعکس، عناصر کروم، مولیبدن و تنگستن دردمای پایین ساختار hcp را پایدار می کنند و انرژی نقص چیده شدن را کاهش می دهند. این دو گروه از عناصر انرژی نقص چیده شدن را متعادل می کنند و افزایش در انرژی نقص چیده شدن موجب تمایل بیشتر به لغزش متقاطع بر صفحات {111} و مقاومت به رفتگی را کاهش می دهد.
