Stellite 1
Einführung in Stellite 1
Stellite 1 ist eine Kobalt-Chrom-Wolfram-Legierung, die für ihre herausragende Verschleißbeständigkeit, hohe Härte sowie sehr gute Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen bekannt ist. Sie gehört zur Stellite-Legierungsfamilie und wurde für extrem anspruchsvolle Einsatzbedingungen entwickelt, in denen mechanischer Verschleiß und thermische Stabilität kritisch sind. Stellite 1 zeichnet sich besonders durch eine exzellente Beständigkeit gegen Metall-auf-Metall-Kontakt, Fressen (Galling), Erosion und thermische Ermüdung aus. Dadurch eignet sie sich hervorragend für Hartauftragungen (Hardfacing) und CNC-bearbeitete Komponenten, die extremem Verschleiß ausgesetzt sind.
Die Legierung wird häufig in Branchen eingesetzt, die hochleistungsfähige Oberflächen benötigen – darunter Luft- und Raumfahrt, Öl & Gas, Energieerzeugung und Armaturen-/Ventilbau. Typische CNC-gefertigte Stellite-1-Teile sind Ventilsitze, Pumpenplunger, Schneidwerkzeuge sowie Lager- und Buchsenkomponenten für korrosive und abrasive Umgebungen.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Stellite 1
Stellite 1 (UNS R30001 / AMS 5385 / ASTM F75 Basisfamilie) ist eine gegossene oder geschmiedete Kobaltlegierung mit außergewöhnlicher Verschleißbeständigkeit und mechanischer Festigkeit – auch bei Temperaturen oberhalb von 800 °C.
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Kobalt (Co) | Rest (≥55,0) | Matrixelement; liefert Hochtemperaturfestigkeit |
Chrom (Cr) | 28,0–32,0 | Verbessert Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit |
Wolfram (W) | 11,0–14,0 | Erhöht Warmhärte und Verschleißbeständigkeit |
Kohlenstoff (C) | 2,4–3,0 | Bildet Karbide für extreme Abrasionsbeständigkeit |
Nickel (Ni) | ≤3,0 | Erhöht Zähigkeit |
Eisen (Fe) | ≤3,0 | Verunreinigungskontrolle |
Silizium (Si) | ≤1,2 | Verbessert Gießbarkeit |
Mangan (Mn) | ≤1,0 | Stabilisiert die Struktur während der Erstarrung |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm/Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 8,70 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1260–1350 °C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 13,0 W/m·K bei 100 °C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 0,94 µΩ·m bei 20 °C | ASTM B193 |
Wärmeausdehnung | 12,6 µm/m·°C (20–400 °C) | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 410 J/kg·K bei 20 °C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 210 GPa bei 20 °C | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (gegossen oder HIP + wärmebehandelt)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Härte | 47–53 HRC (gegossen) / bis 55 HRC (HIP-behandelt) | ASTM E18 |
Zugfestigkeit | 1000–1200 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2 %) | 580–720 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | 1–3 % (typisch geringe Duktilität) | ASTM E8/E8M |
Verschleißindex | >2,5× im Vergleich zu 316 Edelstahl | ASTM G65 |
Wesentliche Merkmale von Stellite 1
Hervorragende Verschleiß- und Fressbeständigkeit: Sehr gut bei Metall-auf-Metall-Kontakt, Erosion und abrasivem Verschleiß – ideal für Bauteile wie Ventiltrimm und Pumpenbuchsen.
Hohe Härte: Behält ≥47 HRC auch bei erhöhten Temperaturen (bis ca. 800 °C) und bleibt maßstabil bei Temperaturwechseln.
Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit: Gute Performance in sauren und chloridhaltigen Medien; widersteht Oxidation in Luft bis etwa 1100 °C.
Gute Thermoschock-Toleranz: Geeignet für Anwendungen mit wiederholten Heiz-/Kühlzyklen, z. B. Dampfarmaturen und Hochgeschwindigkeits-Schneidwerkzeuge.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Stellite 1
Bearbeitungsherausforderungen
Hohe Härte und hoher Karbidanteil
Abrasive Karbide (z. B. Cr₇C₃, W₆C) in der Matrix reduzieren die Werkzeugstandzeit und verursachen schnellen Freiflächenverschleiß.
Geringe Duktilität
Bei unzureichend kontrollierten Schnittkräften kann es während der Bearbeitung zu Absplitterungen oder Rissbildung kommen.
Aufbauschneide (BUE)
Bei zu geringer Schmierung oder ungeeigneter Werkzeuggeometrie kann Material am Werkzeug anhaften.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugwerkstoff | CBN oder PVD-beschichtetes Hartmetall (K30–K40) Wendeschneidplatten | Widersteht Abrasion durch Karbide |
Beschichtung | TiAlN oder AlCrN (3–5 µm) | Reduziert Wärmeeintrag und Verschleiß |
Geometrie | Neutral bis leicht negativ (-5° bis 5°), verrundete Schneidkante (0,02–0,05 mm) | Verringert Ausbrüche und Werkzeugbruch |
Schnittparameter (ISO 3685)
Operation | Geschwindigkeit (m/min) | Vorschub (mm/U) | Schnitttiefe (mm) | Kühlschmierstoffdruck (bar) |
|---|---|---|---|---|
Schruppen | 10–15 | 0,15–0,25 | 1,5–2,5 | 80–100 |
Schlichten | 20–25 | 0,05–0,10 | 0,5–1,0 | 100–120 |
Oberflächen-/Nachbehandlung für bearbeitete Stellite-1-Teile
Heißisostatisches Pressen (HIP)
HIP bei 1150 °C und 100–200 MPa verbessert Dichte und Verschleißlebensdauer von gegossenen oder additiv gefertigten Stellite-1-Teilen.
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung optimiert die Karbidverteilung für eine gleichmäßige Härte und Verschleißbeständigkeit.
Schweißen von Superlegierungen
Superlegierungs-Schweißen mit GTAW (geringer Wärmeeintrag) ermöglicht Stellite-Auftragungen und Fügeverbindungen ohne Rissbildung oder signifikanten Härteverlust.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC)
TBC-Beschichtung erhöht die Standzeit von Bauteilen, die thermischer Ermüdung in Turbinen, Ventilen und Schneidwerkzeugen ausgesetzt sind.
Funkenerosion (EDM)
EDM ist für enge Toleranzen an gehärteten Teilen besonders geeignet und ermöglicht Präzision bis ±0,005 mm sowie Ra <0,5 µm.
Tieflochbohren
Tieflochbohren stellt Geradheit und glatte Bohrungswände bei verschleißkritischen Teilen wie Hülsen und Drosselbohrungen sicher.
Werkstoffprüfung und Analyse
Werkstoffprüfung umfasst metallografische Karbidanalyse, Härteprüfung nach ASTM E18 sowie die Validierung der Verschleißperformance.
Industrieanwendungen von Stellite-1-Komponenten
Armaturen- und Durchflussregelung
Sitze, Spindeln und Käfige für Dampf-, petrochemische und nukleare Ventile mit hohem Verschleiß- und Erosionsanteil.
Öl und Gas
Bohrwerkzeug-Komponenten, Durchflussdrosseln und erosionsbeständige Düsen für schlamm- und sandhaltige Medien.
Luft- und Raumfahrt
Turbinen-Shrouds, Leitschaufeln und Verschleißpads in Strahltriebwerken (800–1000 °C) bei erosivem Hochgeschwindigkeitsstrom.
Industrielle Schneidwerkzeuge
Hartauftragungen und Schneideinsätze, bei denen thermische Ermüdung und Metallkontakt weichere Legierungen schnell degradieren.
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