Stellite 20
Einführung in Stellite 20
Stellite 20 ist ein kobaltbasierter, hochlegierter Werkstoff, der für harte Einsatzbedingungen mit erhöhten Temperaturen, korrosiven Umgebungen und mechanischem Verschleiß entwickelt wurde. Stellite 20 zeichnet sich durch einen erhöhten Chrom- und Wolframgehalt sowie durch zugesetztes Nickel und Molybdän aus und bietet eine überlegene Korrosionsbeständigkeit – insbesondere in oxidierenden und sulfidierenden Atmosphären. Außerdem ist die Legierung dafür bekannt, ihre strukturelle Stabilität und Härte bis zu 1000°C beizubehalten.
Stellite 20 wird typischerweise gegossen oder als Hartauftragsschicht (Hardfacing) aufgebracht und anschließend durch präzise CNC-Bearbeitung fertigbearbeitet. Es wird häufig in Industriearmaturen, Heißgasdichtungen, Pumpenkomponenten und Ofenbauteilen eingesetzt, die in chemisch aggressiven oder thermisch instabilen Umgebungen arbeiten. Die Kombination aus hoher Verschleißbeständigkeit, exzellenter Korrosionstoleranz und Hochtemperaturfestigkeit macht Stellite 20 zur ersten Wahl für die Energie-, Luft- und Raumfahrt- sowie die chemische Prozessindustrie.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Stellite 20
Stellite 20 (UNS R30605 / AMS 5382) ist eine korrosionsbeständige Kobaltlegierung, die über einen breiten Temperaturbereich hinweg Hochleistungs-Verschleißeigenschaften bietet. Ihr chemisches Gleichgewicht liefert sowohl Mischkristallverfestigung als auch Karbidverteilung (Carbiddispersion) für Dauerhaftigkeit unter Belastung und chemischem Angriff.
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Kobalt (Co) | Rest (≥50,0) | Basiselement für Korrosions- und thermische Stabilität |
Chrom (Cr) | 30,0–33,0 | Oxidationsbeständigkeit und Bildung einer Passivschicht |
Wolfram (W) | 4,0–6,0 | Bildet harte Karbide für Verschleißbeständigkeit |
Nickel (Ni) | 2,0–5,0 | Erhöht Korrosionsbeständigkeit und Duktilität |
Molybdän (Mo) | 2,0–4,0 | Verbessert die Beständigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion |
Kohlenstoff (C) | 1,0–1,4 | Trägt über das Karbidnetzwerk zur Härte bei |
Eisen (Fe) | ≤3,0 | Restanteil |
Silizium (Si) | ≤1,2 | Verbessert die Gießfließfähigkeit |
Mangan (Mn) | ≤1,0 | Stabilisiert die austenitische Struktur |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm/Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 8,50 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1300–1380°C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 12,8 W/m·K bei 100°C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 0,90 µΩ·m bei 20°C | ASTM B193 |
Wärmeausdehnung | 13,1 µm/m·°C (20–400°C) | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 430 J/kg·K bei 20°C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 215 GPa bei 20°C | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (Gusszustand oder HIP + wärmebehandelt)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Härte | 42–50 HRC (Guss) / bis zu 53 HRC (HIP-behandelt) | ASTM E18 |
Zugfestigkeit | 950–1100 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2%) | 450–600 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | 2,0–3,5% | ASTM E8/E8M |
Oxidationsbeständigkeit | Stabil bis 1000°C | ASTM G111 |
Sulfidationsbeständigkeit | Ausgezeichnet | NACE TM0177 |
Wesentliche Eigenschaften von Stellite 20
Außergewöhnliche Oxidations- und Sulfidationsbeständigkeit: Chrom, Nickel und Molybdän ermöglichen es Stellite 20, seine Korrosionsintegrität in aggressiven chemischen Atmosphären zu erhalten – insbesondere in schwefelreichen oder chloridhaltigen Umgebungen.
Thermische Festigkeit und Stabilität: Erhält Verschleißbeständigkeit und mechanische Integrität bis 1000°C und eignet sich damit für Ofen- sowie turbinennahe Anwendungen.
Hohe Härte bei gleichzeitiger Duktilität: Bietet hervorragende Abrasionsbeständigkeit bei moderater Zähigkeit und reduziert das Rissrisiko unter zyklischen thermischen Lasten oder bei Stoßbeanspruchung.
Korrosionsbeständigkeit in Säuren und Chloriden: Wirksam gegen Salzsäure, Schwefeldioxid und Meerwassereinwirkung und gewährleistet eine lange Lebensdauer in chemischen und maritimen Anwendungen.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Stellite 20
Bearbeitungsherausforderungen
Abrasive Karbidstrukturen
Wolframkarbidbildungen sind stark abrasiv und verschleißen unbeschichtete oder minderwertige Werkzeuge sehr schnell.
Kaltverfestigung
Wie bei den meisten kobaltbasierten Legierungen zeigt Stellite 20 eine Verfestigung durch Umformung (Strain Hardening), wodurch die Oberflächenhärte während der Bearbeitung ansteigt und Rattern oder Werkzeugauslenkung verursachen kann.
Wärmeakkumulation
Die geringe Wärmeleitfähigkeit der Legierung führt zu Überhitzung am Werkzeug, was Beschichtungsablösungen oder Mikrorisse an der Schneidkante begünstigt.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | Feinkorn-Hartmetall (K30–K40) oder PCD/CBN-Wendeschneidplatten | Widersteht Karbidverschleiß und erhält die Schneidkantenstabilität |
Beschichtung | TiAlN oder AlCrN, PVD-beschichtet (3–5 µm) | Minimiert thermische Diffusion und Reibung |
Geometrie | Negativer Spanwinkel mit 0,05 mm Schneidkantenverrundung | Balanciert Werkzeugfestigkeit und reduziert Kerbverschleiß |
Schnittparameter (ISO 3685-konform)
Operation | Geschwindigkeit (m/min) | Vorschub (mm/U) | Schnitttiefe (mm) | Kühldruck (bar) |
|---|---|---|---|---|
Schruppen | 10–16 | 0,20–0,25 | 1,5–2,5 | 100–120 |
Schlichten | 18–24 | 0,05–0,10 | 0,5–1,0 | 120–150 |
Oberflächenbehandlung für bearbeitete Stellite-20-Teile
Heißisostatisches Pressen (HIP)
HIP verbessert die mechanischen Eigenschaften durch das Entfernen innerer Hohlräume und erhöht die Ermüdungsfestigkeit sowie die Härtegleichmäßigkeit.
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung optimiert die Mikrostruktur und verbessert die Beständigkeit gegen thermisches Risswachstum sowie Maßabweichungen nach der Bearbeitung.
Superlegierungs-Schweißen
Superlegierungs-Schweißen mit Stellite-20-kompatiblen Zusatzwerkstoffen erhält die Verschleiß- und Korrosionsleistung in Baugruppen.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC)
TBC-Beschichtung schützt exponierte Oberflächen in Heißgas- oder Verbrennungsumgebungen und verlängert die Standzeit bei >950°C.
Funkenerodieren (EDM)
EDM ist ideal für präzise Geometrien und die Kontrolle der Oberflächenintegrität in hochverschleißfesten Strukturen.
Tieflochbohren
Tieflochbohren ermöglicht die präzise Bearbeitung von Führungsbohrungen und Düsenöffnungen mit Längen-Durchmesser-Verhältnissen >20:1.
Materialprüfung und Analyse
Materialprüfung umfasst G65-Verschleißtests, Korrosionsanalysen, Härtevalidierung und Ultraschall-Fehlerprüfung.
Industrieanwendungen von Stellite-20-Komponenten
Ausrüstung für chemische Prozessanlagen
Ventil-Trimteile, Pumpenbuchsen und Rührwerkswellen sind beständig gegen saure und oxidierende Chemikalien.
Hochtemperatur-Industrieöfen
Brennerdüsen, Schilde und Führungsrohre benötigen Stabilität in Umgebungen mit starkem thermischem Zyklieren.
Marine und Offshore
Komponenten, die Meerwasser, chloridreichen Dämpfen oder korrosiven Solen in Energie- oder Entsalzungsanlagen ausgesetzt sind.
Öl & Gas
Bohrlochwerkzeuge, Einsätze für Blowout-Preventer und Bohrhardware, die Sanderosion und saurem Gas (Sour Gas) ausgesetzt sind.
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