آلیاژهای پایه کبالت و سوپر آلیاژهای آن:

 

خواص فیزیکی فلز کبالت  

1495 C نقطه ذوب کبالت

2870C  نقطه جوش

دانسیته 8.9

شعاع اتمی 1.67

0.745  A شعاع یونی

کبالت در دماهای بالاترC427 بصورت FCC و در دمای پایین‌تر از آن به صورت HCPاست.

اکسایش آلیاژهای کبالت

همانند ابرآلیاژهای نیکل مهمترین عنصری که برای بهبود مقاومت کبالت در برابر اکسایش به آن اضافه می‌شود کروم است شکل زیر نشان می‌دهد که مقدار بحرانی کروم بین 20 تا 30٪ است. که در آن ثابت پوسته شدن برای اکسایش در مقایسه با کبالت خالص کاهش می‌یابد.

 


آلیاژCr%30 _COاساس بسیاری از آلیاژهای مورد استفاده در ساخت ابزارهای جراحی ودندانپزشکی است این آلیاژ در برابر خوردگی در C250بسیار مقاوم است تاثیر عناصر دیگر بر اکسایش و مقاومت  در برابر خوردگی را باید بررسی کرد. آلیاژهای دو تایی iS5%_ CO و IA10%_COمقاومت خوبی در برابر اکسایش نشان می دهند و آلیاژ AI_COخواصی بهتری از آلیاژCr_CO دارد. درهر حال آلیاژهای دوتاییAI_CO در دمای بالا استحکام کافی ندارند تا بتوان آنها را پایه ای برای  ساخت آلیاژهای کبالت در نظر گرفت.

آهن و نیکل بی‌تاثیرند ولی منگنز تمایل به پوسته شدن را افزایش می دهد. در برخی موارد مولیبدن، وانادیم و تنگستن مضرند. کروم در این آلیاژها نیز مانند آلیاژهای نیکل عنصر اصلی است.

استحاله آلوتروپیک در کبالت

واکنش تبدیل فاز αبه فازε اترمال بوده و درسیکل گرمایش دارای طبیعت برگشت پذیری است . در حین سرد کردن استحاله در 390درجه حرارت درجه سلسیوس اتفاق میافتد و با گرم کردن مجدد استحاله معکوس   درجه حرارت 430درجه سلسیوس به وقوع میپیوندد . عوامل متالورژیکی از قبیل اندازه دانه اولیه و خلوص مواد بر مقدار فازHCP تشکیل شده موثر بوده ، به طوریکه اگر دانه ها ریز و میزان ناخالصی ها زیاد باشد ، مقدار فاز HCPتشکیل شده کمتر خواهد بود. از طرفی انجام کار سرد موجب افزایش مقدار فاز HCPمیشود .


ساختار فازی آلیاژهای دو تایی پایه کبالت

سیستم دو تایی کبالت – کرم

کرم عنصر آلیاژی اصلی در آلیاژ کبالت کرم میباشد . ساختمان کریستالی کرم مکعبی مرکز دارBCC میباشد که حلالیت آنرا در کبالت FCCو HCPمحدود مینماید . طبق دیاگرام فاز دوتایی Cr_COارائه شده در شکل (2) حلالیت کرم در فازهایα و εدر دمای 700 درجه سلسیوس به ترتیب برابر 20 و 10 درصد وزنی میباشد . با افزایش دما حلالیت کرم افزایش یافته و در دمای 991 درجه سلسیوس به 35.1 درصد در فاز αمی رسد  . حداکثر حلالیت کرم در فازα در دمای 1312 درجه سلسیوس بدست می آید که معادل حدود 39 درصد میباشد .

نمودار فازی آلیاژ کبالت کرم


سیستم دوتایی کبالت – مولیبدن  


مولیبدن اثرات مشابهی بر ساختمان کبالت داشته و همانند کرم دامنه پایداری فاز  αرا باگسترده نمودن منطقه فازε کاهش میدهد شکل (3 ) حلالیت مولیبدن نیز به علت داشتن یک ساختمان کریستالیBCC در کبالت محدود میباشد . ولی حلالیت آن با دما افزایش یافته و در دمای 1335 درجه سلسیوس به حداکثر مقدار خود یعنی 28 درصد وزنی میرسد. فاز εحلالیت کمتری برای برای مولیبدن نشان داده که در دمای پریتکتوید 50 ± 700 درجه سلسیوس به میزان حداکثر خود یعنی 14 درصد وزنی میرسد

نمودار فازی آلیاژ کبالت مولیبدن

سیستم دو تایی کبالت – کربن


قسمتی از نمودار فاز دوتایی C_COدر شکل (4) نشان داده شده است . درجه حرارت ذوب با افزایش مقدار کربن کاهش یافته و در دمای 1321 درجه سلسیوس طی یک واکنش اتکتیک فاز αرا که حداکثر یک درصد وزنی کربن به صورت محلول جامد بین نشینی در خود حفظ نموده ، بوجود میاورد . حلالیت کربن در فازα با کاهش دما افت نموده و در دمای  1000 درجه سلسیوس به 35/0 درصد وزنی می رسد .

نمودار فازی آلیاژ کبالت کربن


استحکام بخشی آلیاژهای کبالت

  1. استحکام بخشی محلول جامد
  2. g' رسوبگذاری
  3. عیوب چیدن صفحه‌های اتمی
  4. تشکیل کاربید


1)  استحکام بخشی محلول جامد: WوTaوoMعناصر مناسبی در استحکام بخشی محلول جامد هستند. شکل زیر تاثیر شدید استحکام بخشی این عناصر را بر آلیاژهای سه تایی x_rC_Coنشان می‌دهد.

رسوبگذاری -

پریمg اکنون امکان رسوب سختی آلیاژها کبالت را بررسی میکنیم باتوجه به استحکام بخشی شدید آلیاژهای نیکل ازطریق رسوب


AI_3Niدر آلیاژهای کبالت نیز عامل رسوب سختی رسوب AI3OCوiT3oC می باشد

در آلیاژهایiT_Cr_oCعامل رسوب سختی, رسوبهای از نوع((iT¸rC) 3oC) با مساحت (γ پریم)می باشد در ضمن استحکام در این مورد به اندازه استحکام آلیاژهای γپریم نیکل که در آنها رسوب می کند نیست.

 3)عیوب چیدن صفحه‌های اتمی: عیب در چیدن صفحه‌های اتمی در استحکام بخشی محلول جامد اهمیت دارد هر چه انرژی عیب در چیدن صفحه‌های اتمی بالاتر باشد آلیاژ مستحکم‌تر است.

    

در کبالت خالص Fccمقدار زیادی عیب در چدن صفحه‌های اتمی مشاهده می‌شود حلالیت کروم در هر دو فاز Fccو Hcpزیاد است و عیوب چیدن صفحه‌های اتمی در آلیاژهای rC_ oC به آسانی ایجاد می‌شوند. اضافه کردن عناصر آلیاژی به شدت بر انرژی عیب چیدن صفحه‌های اتمی تأثیر می‌گذارد مثلا نیکلccF ، ساختارFcc را پایدار می‌کند و انرژی عیب چیدن صفحه‌های اتمی را افزایش می‌دهد بطوری که مقدار نابجایی ها کمتر می‌شود.

 ولی عناصرBcc مانندWوoM انرژی عیب چیدن صفحه‌های اتمی را کاهش می‌دهند. از نظر  تاثیر افزایش عناصر آلیاژیNiوFe اهمیت زیادی دارند زیرا حلالیت آنها در کبالت کاملا بالاست Feنیز ساختار Fccرا پایدار می‌کند.


4)  تشکیل کاربید:

در آلیاژهای کبالت بسته به ترتیب آلیاژ انواع مختلف کاربید تشکیل می‌شود. مقدار عناصر آلیاژی برای تشکیل و توزیع مناسب کاربید  و پایدار کردن آنها که بهترین خواص مخصوصا خواص خزشی دما بالا ایجاد می‌کند چون مقدار Crدر این آلیاژها معمولاً زیاد است یعنی بیشتر از 20٪ است،3C7M و 2C3Mبه ندرت دیده می‌شود ولی وجود rCبه تشکیل کاربید نوع 6C23Mکمک می‌کند. این کاربید مهمترین نوع کاربید است.

  

توزیع مطلوب کاربیدها چنان توزیعی است که به حد کافی ظریف باشد تا باعث استحکام آلیاژ شود ولی مقدار کاربیدها آن قدر زیاد نباشد که داکتیل بودن را کاهش دهد ( معمولاً مقدار  کاربید را با محدود کردن مقدار کربن کنترل می‌ کنند) معمولا سعی می شود که از تشکیل لایه‌های پیوسته یا نیم پیوسته کاربید جلوگیری شود. ضمنا در این آلیاژها  حضور منگنز به عنوان عنصر آلیاژی باوجود گوگرد منجر به بروز Mnsمی‌شود که بصورت آخال نمایان می‌گردد.


سوپر آلیاژهای پایه کبالت

بیشتر خواص فیزیکی کبالت شبیه به نیکل است مانند اندازه اتمی، نقطه ذوب و چگالی. با آلیاژ کردن کبالت با کروم، نیکل و تنگستن، کربن و سایر عناصر بتدریج سوپر آلیاژهای پیچیده توسعه پیداکرد.

ترکیب شیمیایی و کاربردهای خاص

سوپر آلیاژهای پایه کبالت ازنظرشیمیایی نسبت به آلیاژهای پایه نیکل پیچیدگی کمتری دارند.سوپرآلیاژهای پایه کبالت ریخته‌ شده دارای ترکیب حدودC 0.1-1%وW 5-10%وCr20-30%وCo50-60%می‌باشند. و سوپر آلیاژهای پایه کبالت کار شده دارای حدود Co 40% و مقدار بیشتری نیکل(حدود 20٪) برای کار پذیری می‌باشند همچنین سایر عناصر آلیاژی به آنها افزوده می شود.

       سوپر آلیاژهای پایه کبالت در برخی از قسمتهای توربین های صنعتی بکار می‌روند ، زیرا کمتر از آلیاژهای پایه نیکل در معرض خوردگی قرار می‌گیرند، اگرچه مقاومت اکسایشی آنها خوب نیست. همچنین از این آلیاژها در برخی موتورهای هواپیما استفاده می‌شود.

زمینه استنیتی:

زمینه استنیتی بیشتر سوپر آلیاژهای کبالت تقریبا شامل Co 50 Cr25% است و بقیه آن نیکل و عناصر دیرگداز مثل تنگستن، تانتالیم، آهن و یا مولیبدن می باشند. آستینت سوپر آلیاژهای پایه کبالت ساختار Fccدارد.

کاربیدها:  

درصد کربن آلیاژهای پایه کبالت نسبتاً بالاست( یعنی 1/0 تا 1٪) به طور کلی سه نوع اساسی کاربید در سوپر آلیاژهای پایه کبالت وجود دارد:

کاربیدهای 6 C 23M

کاربیدهای MC

کاربیدهای C6M

کاربیدهای سوپر آلیاژهای پایه کبالت را به روش‌های مختلف استحکام می‌بخشند.

اول : آنها( اساسا  6 C 23M )در هر دو آلیاژ ریخته شده و کار شده در مرز دانه‌ها رسوب می‌کنند.

دوم : برخی از این ذرات کاربیدی در خطاهای چیدن رسوب می‌کنند.

چنین سدهایی از حرکت نابجایی ها شدیداً جلوگیری می‌کنند و بنابراین استحکام آلیاژ افزایش می‌یابد. اما این رسوبها می توانند منجر به کاهش چشمگیر شکل پذیری ‌شوند.

اثر عملیات گرمایی بر ریز ساختار

پیر کردن به مدت 24 ساعت دردمای925 درجه سانتی گراد باعث رسوب ذرات 6 C 23M می شود. MC هم رسوب می‌کند.

استحکام تنش -  گسیختگی در دمای بالا

اصولاً آلیاژهای پایه کبالت در قطعاتی به کار می روند که در تنش پایین و دمای بالا طول عمر زیادی دارند مانند پروانه‌های توربین صنعتی.


نتیجه گیری

آلیاژهای کبالت می‌توانند با آلیاژهای نیکل رقابت کنند ایجاد استحکام کافی در دمای بالا در این آلیاژها بر اساس استحکام بخشی محلول جامد و تشکیل ساختار کار بیدی پخش شده استوار است پخش مناسب کار بیدها از طریق افزایش کافی کربن مثلاً (3/0٪) وعناصر کاربیدزا مانند Tiو Zrو از طریق انتخاب عملیات گرمایی مناسب انجام می‌شود. آلیاژهای کبالت هم به صورت کار شده و هم ریختگی قابل استفاده اند. 




نوشته شده در تاريخ ۱۳۸۸/٩/٢۸ توسط رضا علیزاده-سید محمد درودی
.: Weblog Themes By Blog Skin :.

اسلایدر