Стеллит

Стеллиты (англ. Stellite, от лат. stella - звезда) — группа литых твёрдых сплавов на основе кобальта и хрома с добавками вольфрама и/или молибдена для напыления, наплавки и напайки деталей машин, станков и инструмента с целью повышения износостойкости. Исторически предшествовали широко известным спечённым твёрдым сплавам ("победит" и т.п.). В отличие от них стеллит менее хрупок, более стоек к механическим и термическим ударам, допускает нанесение наплавкой, не требует алмазного инструмента для заточки. Изобретён Элвудом Хейнсом в 1907 году. В настоящее время торговая марка Stellite® — собственность группы компаний Kennametal Stellite Group. В отечественной литературе и практике наименование традиционно используется как нарицательное.

Свойства

Основные свойства стеллитов, определяющие сферу их применения - ударопрочность, жаростойкость порядка 800°С, высокая коррозионная стойкость. Стеллиты пригодны к литью, наплавке и напылению, в том числе при восстановлении инструмента в условиях предприятия-пользователя. Коэффициент теплового расширения стеллита близок к таковому для легированных инструментальных сталей. Стеллит в общем случае не требует термообработки, нечувствителен к отпуску. Для формовки и заточки наплавленных зубьев используются обычные абразивные круги (эльбор, карборунд, корунд).

Применение стеллита ограничивают высокая стоимость сплава, сложность обработки и выплавки в сравнении с легированной сталью, а также повышенные требования к чистоте исходных материалов. В определённых условиях (материал основы, температурные режимы нанесения) стеллитовые покрытия склонны к растрескиванию, и в ответственных применениях требуется особый контроль на микротрещины.

Применение

Стеллит широко применяется для наплавки зубьев лесопильных полотен и дисков, ножей и фрез деревообрабатывающих станков. Благодаря ударопрочности стеллита, более прочной связи с основанием, чем при пайке латунью, и близким ТКР полотна и наплавки, стойкость такого инструмента в работе по заготовкам неправильной формы с неоднородностями и посторонними включениями выше, чем напаянного более твёрдыми спечёнными сплавами.

В силу тех же свойств стеллиты нашли применение для упрочнения и восстановительного ремонта рабочих органов землеройных машин, дробилок и другого строительного, горнодобывающего и перерабатывающего оборудования.

В конструкциях автоматического огнестрельного оружия стеллит используется для изготовления вкладок в стволы (лайнеров) и деталей механизма, подверженных трению и эрозии при стрельбе. В частности, варианты стволов со стеллитовыми вставками в первой трети со стороны казенной части имеются для американских пулемётов Браунинг M2 и M60. Лейнированные стволы могут сохранять работоспособность внутренней поверхности, будучи раскалены в процессе стрельбы до появления мелких частиц отслаивающейся окалины на наружных слоях, без потери свойств при последующих циклах нагрева и охлаждения. На испытаниях M60 было отстреляно 50 метров ленты одной очередью, ствол раскалился докрасна, но после остывания остался практически неповреждённым.

Благодаря сочетанию твёрдости, жаропрочности и коррозионной стойкости стеллит используется для изготовления и упрочнения наиболее напряжённых деталей тепловых двигателей. Это клапаны и клапанные сёдла поршневых ДВС, входные кромки и установочные поверхности рабочих лопаток паровых и газовых турбин, регулирующие детали паровых и газовых трактов. Срок службы упрочнённых таким образом элементов часто определяется усталостными характеристиками основного материала, а не износом покрытия.

Также стеллит используется для покрытия деталей кислотостойкой химической аппаратуры, шнеков питателей и дозаторов, изготовления шариковых и регулирующих клапанов и в других узлах, где требуется стойкость к истиранию, эрозии, химическому воздействию, кавитации в сочетании с ударопрочностью, сравнительной лёгкостью нанесения и обработки. Известны проблемы, вызванные применением стеллита и других кобальтсодержащих сплавов в аппаратуре атомных электростанций, где вымывание небольших количеств кобальта технологическими жидкостями и их последующее нейтронное облучение в реакторе приводило к образованию кобальта-60 и увеличению жёсткого гамма-облучения персонала.

Благодаря биологической инертности стеллиты используются для изготовления медицинских имплантатов, а также в зубопротезировании. В частности, с применением стеллита был изготовлен первый коммерчески доступный искусственный сердечный клапан (Starr—Edwards, 1960 г).

Для нанесения стеллита на металл основы первоначально применялась наплавка ацетилен-кислородным пламенем, затем электродуговая наплавка под флюсом и в защитных газах, плазменная и лазерная наплавка, газотермическое и плазменное напыление. Новые технологии позволяют получить равномерное покрытие заданной толщины на большой площади, избежать нежелательного перегрева детали, в отдельных случаях - обойтись без финишной обработки наплавленной поверхности. Напайка готовых стеллитовых элементов бывает оправдана при желании использовать имеющееся оборудование и технологию напайки спечённых твёрдых сплавов, либо при особых требованиях по допустимому нагреву детали, характеристикам шва и т.п.

Состав

Основа классического стеллита - кобальт (~50-60%) и хром (~30%) с добавкой порядка 10% вольфрама и небольших количеств других элементов (см. таблицу), в том числе углерода. Готовый материал представляет собой вязкую металлическую матрицу (кобальт, хром, вольфрам) с включёнными в неё твёрдыми карбидами хрома и вольфрама. Увеличение содержания углерода в сплаве приводит к выделению свободных карбидов, увеличению твёрдости и хрупкости, и наоборот - сплавы с меньшим содержанием углерода менее твёрды, но более прочны и вязки.

Известно множество стеллитов и стеллитоподобных сплавов, состав которых оптимизирован для работы в определенных температурных условиях, агрессивных средах, с учётом требований деформируемости, особенностей технологии нанесения и сочетания с металлом основы, приемлемой стоимости. Параметры отечественных стеллитовых прутков для наплавки марок Пр-С27 (фактически сормайт), Пр-В3К и Пр-В3К-Р регламентируются ГОСТ 21449-75; допуски по составу в данном стандарте достаточно велики (несколько процентов по основным элементам) и принимались в расчёте на неответственные применения типа деревообработывающих и землеройных машин. Получение более предсказуемых свойств сплава вблизи эвтектики требует точного соблюдения обоснованно выбранного состава.

Подвидами стеллита являются сплавы Talonite (материал для ножей, подвергаемый горячей прокатке и закалке) и Vitallium (для зубных протезов и имплантации). Родственный стеллиту сплав на основе железа - сормайт.

Химический состав, масс. %