Stellite 4
Einführung in Stellite 4
Stellite 4 ist eine Kobalt-Chrom-Wolfram-Legierung, die für Anwendungen entwickelt wurde, die unter hohen Lasten und moderaten thermischen Bedingungen eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit, Fressbeständigkeit (Galling) und Korrosionsbeständigkeit erfordern. In Bezug auf Härte und Zähigkeit zwischen Stellite 1 und Stellite 6 positioniert, bietet sie ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Zerspanbarkeit und Dauerfestigkeit.
Stellite 4 wird häufig in CNC-bearbeiteten Teilen eingesetzt, die Metall-auf-Metall-Gleitkontakt, Reibverschleiß (Fretting) und Umgebungen mit moderaten Stößen ausgesetzt sind. Seine Mikrostruktur besteht aus einer zähen Kobalt-Matrix, die durch harte Karbidphasen verstärkt wird, wodurch es sich sowohl für den Einsatz im Gusszustand als auch nach der Zerspanung in den Branchen Luft- und Raumfahrt, Energie, Marine sowie Öl & Gas eignet.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Stellite 4
Stellite 4 (UNS R30004 / AMS 5387 / ISO 5832-4 Gruppe) ist eine kobaltbasierte Legierung mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, die für hohe Druckbelastung, korrosive Medien und leicht thermische Umgebungen ausgelegt ist, um Verschleiß und Korrosion zu widerstehen.
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Kobalt (Co) | Rest (≥50,0) | Basiselement für Warmhärte und Korrosionsbeständigkeit |
Chrom (Cr) | 28,0–32,0 | Sorgt für Oxidations- und chemische Beständigkeit |
Wolfram (W) | 12,0–15,0 | Erhöht Verschleiß- und Abrasionsbeständigkeit |
Kohlenstoff (C) | 1,5–2,0 | Bildet Karbide zur Erhöhung der Härte |
Nickel (Ni) | ≤3,0 | Erhöht die Duktilität |
Eisen (Fe) | ≤3,0 | Geringes Restelement |
Silizium (Si) | ≤1,2 | Verbessert Gießeigenschaften |
Mangan (Mn) | ≤1,0 | Unterstützt die Warmumformbarkeit |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm/Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 8,75 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1260–1345°C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 12,0 W/m·K bei 100°C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 0,95 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 (Gusszustand oder HIP + wärmebehandelt)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Härte | 43–48 HRC (Gusszustand) / bis zu 50 HRC (HIP-behandelt) | ASTM E18 |
Zugfestigkeit | 950–1150 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2%) | 550–700 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | 1,5–3,5% | ASTM E8/E8M |
Verschleißbeständigkeitsindex | >2× 316 Edelstahl | ASTM G65 |
Wesentliche Eigenschaften von Stellite 4
Ausgewogene Verschleißfestigkeit und Zähigkeit: Bietet hohen Verschleißschutz ohne die Sprödigkeit härterer Stellite-Sorten und ist damit ideal für Gleitkontakt sowie stoßbeanspruchte Komponenten.
Moderate Härte bei guter Zerspanbarkeit: Leichter zu bearbeiten als Stellite 1 oder 3, bei gleichzeitig hervorragender Oberflächenbeständigkeit.
Korrosionsbeständigkeit: Beständig gegen saure, salzhaltige und oxidierende Umgebungen bis 900°C und damit geeignet für Ventil- und Pumpeninnenteile.
Maßhaltigkeit: Bewahrt strukturelle Integrität und enge Toleranzen bei Teilen, die Druck, Reibung und moderater Wärme ausgesetzt sind.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Stellite 4
Bearbeitungsherausforderungen
Abrasiver Werkzeugverschleiß
Ein moderater Karbidanteil führt dennoch zu Flankenverschleiß bei unbeschichteten oder falsch ausgewählten Werkzeugen.
Aufbauschneide und Schmieren
Unzureichende Kühlmittelzufuhr oder ein ungeeigneter Spanwinkel können zu Anhaftungen führen und dadurch Oberflächengüte sowie Toleranzkontrolle verschlechtern.
Wärmeentwicklung
Die geringe Wärmeleitfähigkeit konzentriert die Wärme an der Schneidzone, was zu Schneidenverschleiß und Kantenabbau führen kann.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | PVD-beschichtetes Hartmetall (K20–K30) oder CBN zum Schlichten | Bewältigt abrasiven Verschleiß und erhält die Schneidkantenintegrität |
Beschichtung | TiAlN oder AlCrN (3–5 µm) | Reduziert Wärme und Reibung |
Geometrie | Positiver bis neutraler Spanwinkel (5° bis 0°), verrundete Schneide 0,03 mm | Kontrolliert Schnittkräfte und verhindert Ausbrüche |
Schnittparameter (ISO 3685)
Operation | Geschwindigkeit (m/min) | Vorschub (mm/U) | Zustellung (mm) | Kühldruck (bar) |
|---|---|---|---|---|
Schruppen | 10–18 | 0,20–0,30 | 2,0–3,0 | 100–120 |
Schlichten | 20–28 | 0,05–0,10 | 0,5–1,0 | 120–150 |
Oberflächenbehandlung für bearbeitete Stellite-4-Teile
Heißisostatisches Pressen (HIP)
HIP bei 1150°C und 150 MPa verfeinert die Mikrostruktur, reduziert Porosität und verbessert Ermüdungs- sowie Verschleißbeständigkeit.
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung kann nach der Bearbeitung eingesetzt werden, um Eigenspannungen abzubauen und Karbide zu stabilisieren.
Superlegierungs-Schweißen
Superlegierungs-Schweißen ermöglicht rissfreie Auftragungen mittels WIG- oder PTA-Verfahren mit Vorwärmung und kontrollierter Zwischenlagentemperatur.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC)
TBC-Beschichtung schützt Teile, die in Hochgeschwindigkeits- und Hochtemperatursystemen Heißgaserosion ausgesetzt sind.
Funkenerodieren (EDM)
EDM wird zum Schlichten gehärteter Stellite-4-Teile mit Toleranzen von ±0,005 mm und Ra <0,6 µm empfohlen.
Tieflochbohren
Tieflochbohren ist ideal zur Herstellung verschleißfester Bohrungsmerkmale in Ventilkäfigen und Buchsen.
Materialprüfung und Analyse
Materialprüfung umfasst Härteprüfung, Verschleißsimulation (ASTM G65) und metallografische Karbidkartierung.
Industrieanwendungen von Stellite-4-Komponenten
Ventilsitze und Ventilschäfte
CNC-bearbeitete Teile für Hochdruck-Ventilinnenteile im korrosiven und erosiven Betrieb.
Öl und Gas
Drosselblenden, Hülsen und Choke-Ventil-Trim-Teile, die Schlammströmung, sandhaltigen Medien oder Gasdrosselung ausgesetzt sind.
Schiffstechnik
Wellenhülsen, Pumpenkomponenten und Buchsen, die gegen Biofouling und Salzwassererosion beständig sind.
Energie und Kraftwerkstechnik
Gleitpads und Verschleißringe in Dampfturbinen sowie Systemen mit thermischen Lastwechseln.
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