钴铬钨(CoCrW)合金的性能、特点和应用

作者： 超级管理员 时间：2023-05-03 11:31:06 阅读：1190

昆山迈拓瑞和能源材料科技有限公司的钴铬钨(CoCrW)合金球产品和常规合金结构件产品，在和国内高校进行了多年的科研合作，产品研发和测试应用，在地质勘察，极地钻探，矿产勘探，煤炭机械，石油钻探和海洋深钻等领域有突破进展。我们希望在钴铬钨(CoCrW)合金产品领域，共同合作，一起开拓出优秀的产品来满足未来的前端工业化应用。为此我司专门收集了部分专业技术资料，供您参考。

钴铬钨(CoCrW)合金是一种以钴(Co)为基础的高温合金，主要有两种组合形式:(a)由Co- cr -W- c组成的钨(W)族。(b)含有Co-Cr-Mo-C的钼(Mo)基团。

钴铬钨(CoCrW)合金具有优异的耐蚀性、抗氧化性、耐磨性、耐热性和低磁导率。钴铬钨合金制成的组件在高腐蚀性环境下工作良好，并在高温下保持这些优越的性能。钴铬钨合金制成的组件广泛应用于石油和天然气汽车、核电、造纸和纸浆、化学和石化、炼油厂、汽车、航空航天和航空工业。由于其非磁性、防腐和对人体体液的不反应性。钴铬钨合金用于医疗外科手术、外科工具、牙齿和骨骼植入物和替代品、心脏瓣膜和心脏起搏器。

钴铬钨(CoCrW)合金的硬度范围为32 ~ 55 HRC，属于脆性材料，但杨氏模量较低。由于钴铬钨合金硬度高、密度高但不均匀:分子结构和较低的热导率，对钴铬钨合金零件的加工操作极其困难，钴铬钨合金被归类为像钛合金一样难以加工的材料。铬镍铁合金、复合材料和不锈钢通常，由钴铬钨合金制成的机器部件是通过一种沉积方法在钢基体上生产的，而不是用昂贵的固体钴铬钨合金棒。沉积的钴铬钨(CoCrW)合金的粗糙表面是通过磨削来完成的，而不是其他一些经济的加工过程，这些加工过程既昂贵又耗时，使得钨铬钴合金产品非常昂贵。

钴铬钨(CoCrW)合金从一开始就有一段鼓舞人心的历史。埃尔伍德·p·海恩斯(Elwood P. Haynes)是人类历史上最早发明无马马车的两名发明家之一，他在自己的实验室里开发了许多钴。基于金属合金，用于生产内燃机的各种关键部件，以及用于加工无马车部件的更坚固的车床工具，他在20世纪将这些合金命名为“钴铬钨合金”。海恩斯的这个名字来源于拉丁语“Stella”，意思是“星星”，因为它们像星星一样的光泽。与其他金属和金属合金相比，这些合金的硬度非常高;最初，海恩斯开发了镍铬(Ni-Cr)合金和钴铬(Co-Cr)合金，并在1907年获得了这两种高温合金的专利。根据他的后续研究，海恩斯生产了两组新的钴基allov，添加了钨(W)和钼(Mo)，他添加了这两组新的allov，组名为“Stellites”，并于1912年获得专利。海恩斯在实验室开发了钨铬钴合金，用于生产新的耐腐蚀和耐热金属，用于汽车零部件、牙科器械和手术工具。锋利的工具,餐具。金属加工工具，和许多其他需要防腐，高耐磨性，高硬度和更长的时间耐热性的应用。海恩斯在1913年又获得了另一项专利，因为他开发了钴-铬-钼-钨-碳复合高温合金(Co-Cr-Mo-W-C)，称为哈夫尼斯合金6E。

如今，许多钴铬钨合金是由不同数量/比例的钴混合而成的，铬、钼、钨、钛、镍、铁、铝、碳、硼、锰、磷、硅和硫。由于其低磁导率和优异的防腐性能，钴铬钨合金非常适用于医疗外科手术、牙科植入物、骨置换、人工心脏瓣膜和心脏起搏器。由于其具有较高的硬度和良好的延展性，分子结构致密，较硬碳化物组织较规则，导热系数较低，抗塑性变形的倾向较低杨氏模量、钴铬钨(CoCrW)合金和其他钴基合金，如钛合金，被归类为难以加工材料加工性能差。材料的可加工性是由表面粗糙度决定的获得的质量和表面完整性，刀具寿命，切削区发热，切屑形成困难、材料去除率(MRR)和功耗、机床动力学等参数参与金属加工。难加工材料是指产生过度刀具磨损的材料，切削力过大，产生热量高，切屑形成困难，表面光洁度在加工操作中难加工。材料加工中的一个重要现象是切削区产生的热量过多，导致一次和二次切削区的温度增长非常高剪切区和堆积边缘(BUE)又导致了加工表面的相变，过早刀具损坏。

由于钴合金的切削性能较差，大多数由这些合金制成的部件是通过精密铸造生产的：粉末冶金和烧结。采用磨削和非常规加工技术(电火花加工、LBM等)加工[2。3．4． 5)。这导致了低生产力和高制造成本的钴合金组件，特别是医疗植入物，如髋关节和牙科植入物。

钴是一种坚韧的银灰色低磁导率金属，带淡蓝色调。钴在4210℃以下以CPH结构出现，高于此温度则以FCC晶格结构出现。钴具有高放射性居里点/温度(1121°C)，由于其延展性，它具有高阻尼特性。这些特性使钴成为振动和高温合金中有用的成分/内含物。钴存在于Co-50 ~ Co-75的26种同位素中。Co-59是其中唯一稳定的同位素。钴的磁导率约为铁的2/3。使钴合金成为仅次于ti合金的非磁性生物材料。钴的密度为8.90克/立方厘米，原子质量为58.9332 amu。钴的熔点为1495°C 。所有这些特性都有利于提高钨铬钴合金(Co-allovs)的性能，在金属刀具材料中添加钴有助于降低切削区(刀具和工件材料的相互作用)的摩擦系数，并有助于保持红色硬度。钴基合金适用于要求更高的耐蚀性、耐磨性、高温下的高强度和良好的抗侵蚀性能的应用化学环境。钴铬钨合金也适用于需要高蠕变抗力、结构稳定性、耐热蠕变抗力和耐热腐蚀抗力的领域。如前所述，目前有两种钴铬钨合金的主要组合。含W的Co-Cr-W-C组合:如钴铬钨合金6. 钴铬钨合金12。钴铬钨矿1和钴铬钨矿190，以及含Mo的Co-Cr-Mo-C组合:如钴铬钨矿706。钴铬钨合金712. 钴铬钨合金701和钴铬钨合金790。

较高的铬(Cr)含量提供了钴铬钨合金，在高温下具有较高的耐腐蚀和耐磨性和良好的磁性能。铬作为碳化物形成剂，是合金基体中最重要的强化元素。铬还提供了优异的耐腐蚀和抗氧化合金。钨(W)和钼(Mo)是钨铬钴合金的主要元素，它们能提高合金基体的强度。钼有助于提高硬度，在合金中形成坚硬而稳定的碳化物。钼本身在已知材料中具有第六高的熔点(2623°C)。钨(W)作为一种合金元素，具有足够的韧性和硬度。密度高，红硬度高。碳提供了导电性较低但导热性最高的合金。钴铬钨合金中的碳化物为合金提供高硬度和红色硬度。

钢晶合金中硬质碳化物的形成提供了滑动磨损和耐磨性，碳化铬(Cr-C)基体提供了耐磨性，空蚀和腐蚀。钴铬钨合金具有优良的金属对金属抗磨损性能。

下面的表1显示了不同等级的钴铬钨合金的化学成分，而表2显示了一些可用钴铬钨合金的力学性能。

如表2所示，钴铬钨合金的延伸系数6和12是非常低的，而钴铬钨合金6B和21是高的，足以适应各种应用。因此，钴铬钨合金6B和21具有相对较低的硬度和较高的伸长率，具有较高的延展性。使它们适合于要求更低的脆性的目的，而这些钴铬钨合金被用作优秀的生物材料。硬钴铬钨合金，如钴铬钨合金6用于磨损和腐蚀速率非常高的氧化铝精炼厂的硬面泥浆阀。这些阀门需要精确加工，以提供更好的功能表面匹配，以防止流体泄漏，并防止阀门的过度磨损和腐蚀。较好的加工表面光洁度也能降低腐蚀和腐蚀疲劳裂纹的发生。unutumau钴合金的优异性能归因于钴的晶体性质、铬(Cr)和钼(Mo)的固溶强化作用、极硬的碳化物的形成以及铬的耐腐蚀和耐磨性。钨(W)在钴合金中提供高密度，创造高硬度和红色硬度，具有很大的延展性和高耐热性。钴合金中的钼促进合金中硬质和稳定的碳化物。如前所述，钼本身的熔点在已知金属中排名第六(2.623°C)

钴铬钨合金的工业应用在工程工业中使用钴铬钨合金的理由是提供耐腐蚀和耐磨的表面，这将有助于对抗机械部件的磨损和腐蚀。然而，耐磨材料具有均匀分布的特点。致密碳化物基体由于其碳化物含量高，自然难以加工。在某些情况下硬质合金分布不均匀。较低的热导率和较高的硬度导致这些材料的切削性能较差。

钴基合金有时是非磁性材料，但强度高。这些合金以其高磨损、耐腐蚀和耐热性能而闻名，具有高硬度但足够延展性的材料。这些合金即使在高温下很长一段时间也能很好地保持其强度，并且在腐蚀性和酸性环境中表现良好。如前所述，钴基合金在体液环境中表现出优异的抗降解性能，这使其成功地应用于内科手术和外科植入物。几项医学测试已证实钴基合金具有生物相容性，适合用作外科植入物和骨置换物。

根据其应用的常规他可以将171分为以下几种:

l 耐磨合金，

l 高温合金，

l 耐腐蚀合金。

钴铬钨合金(Stellite 6B)和钨铬钴合金(Stellite 6K)属于高比例(约30%)Cr和约65% Co的耐磨合金。高比例Cr是合金凝固过程中主要的碳化物形成剂，具有较高的强度。这些合金优异的耐磨性归因于形成的碳化物晶粒的最均匀的富钴基体。钴铬钨合金6由于其优异的耐磨性和韧性，已广泛应用于制造用于采矿、岩石等深部钻探设备的切削钻头。破碎辊、水泥和钢铁设备、输送系统、蒸汽涡轮机防蚀罩、无法润滑或无法有效润滑的半套管和衬套。钴铬钨合金6K。其成分中没有钼(Mo)，只有Cr的30%，具有很高的硬度(47 HRC)。是否高度适合生产用于切割软的有机材料和植物材料，如烟草。

另一种合金，司太立 3，其钨 (W) 是司太来 6、6B 和 6K 的 3 倍，并且不含钼，在腐蚀性环境中不如司太立 6、6B 和 6K，因此不建议在这种情况下使用。 但由于碳 (C) 含量较高，碳化物的体积分数增加，司太来 3 的耐磨性是司太来 6 的 3 到 4 倍，是司太来 12 的两倍。司太来 3 具有更高的红硬性和抗腐蚀性 像所有司太立合金一样磨损。 因此，建议使用司太立 3 制造轴承滚珠和滚针、套筒和衬套、非腐蚀环境中的阀座嵌件、手术剪式嵌件、燃烧器喷嘴、钢厂导辊和封合辊。

司太立是钴基合金组的非常有用和流行的代表。 如前所述，由于上述优异的机械性能，司太立已在许多行业中得到应用，例如石油和天然气、汽车、航空航天、纸浆和造纸、食品加工、木材和木材、核工业以及用于生产的医疗手术。 手术工具和人体骨骼/部件更换。 司太立在各个领域的应用总结如下。

石油、天然气和采矿业

石油、采矿和天然气工业中的大多数机械部件都受到腐蚀、磨损、高压、磨损和高温。 钴基合金，如司太立 6、12、21 和 6B，提供卓越的耐磨性和耐腐蚀性，从而延长部件寿命。 耐磨司太立据说，让石油、天然气和采矿勘探设备制造商以及该领域的矿物勘探者[9]。 机油中常用的司太立6、12、21和6B制成的机器部件和气体工业如下：

l MWD（随钻测量）和 LWD（随钻测井）内部磨损工具，例如转子，定子、叶轮、扶正器、腐蚀嵌件、着陆、磨损和涡轮套筒、钓鱼头；

l 过滤网；

l 凯利阀内件；

l 笼子；

l 抽油杆联轴器；

l 环形防喷器；

l 球和座椅；

l 地下安全阀（挡板、飞镖）；

l 钻头。

如表1和表2所示，钨铬钴合金6、12和6B是富含钨(W)的合金，其伸长率非常低(金属接近1%)，硬度在40-50HRC范围内较高。钨铬钴合金6和钨铬钴合金12含有高比例的铬(Cr)，使它们具有很高的耐磨性和耐腐蚀性，并提高硬度。所有这些特性使得机械部件在陆上和海上油气工厂以及深海钻井现场具有很高的生存能力。

磨损和腐蚀问题据说是炼油工业的大问题。钴铬钨合金可以解决这个问题。延长使用寿命，减少计划外停机时间，减少维护费用。用于炼油厂和石化行业的钨铬钴合金6和12的主要产品有各种喷嘴、温度计套管、阀门、阀座、阀滑块和球、阀塞、阀内件、流化催化裂化装置组件和泵组件。铸造钨铬钴合金泵壳和叶轮具有最长的使用寿命，各种尺寸和形状的喷嘴用于炼油和石化加工厂，用于注入和引入高压蒸汽、压缩空气、碳氢化合物和其他化学品。空气栅喷嘴，反应器进料及其他进料喷嘴，再生室空气栅喷嘴，汽提喷嘴，孔板室喷嘴均采用钴铬钨合金制成。

喷嘴的设计和生产能够在一段计划时间内保持其结构和尺寸的完整性。钴铬钨合金6和12制成的喷嘴寿命最长。这两个钴基合金,如表2和图3显示,包含在他们的作文大约30%的钴(Co),而铬(Cr)内容的比例高达30%，以钴铬钨合金6和12为材料的喷嘴，大大延长了产品的使用寿命和更换周期。

受到高温影响的发电厂的各种部件，如燃油喷嘴、衬套、密封件和保持器、隔膜、防护罩、叶片和其他关键部件，都是由钴基和镍基合金制成的，因为发电厂的部分部件需要高温、磨损、腐蚀和疲劳保护。钨铬钴合金6和钴铬钨合金12的伸长率很低(接近1%)，杨氏模量也很高，显微组织致密，具有很高的防腐和耐磨性能，提供了所需的物理性能。适用于电力、石油化工和炼油厂中许多部件的机械性能。

纸浆及造纸工业

钴铬钨合金允许像钨铬钴合金6。6 b。6K和钨铬钴合金12。Delcrome 90解决了一些纸浆和造纸工业最棘手的磨损问题。这些钴合金用于纸浆和造纸工业的组件的例子是塞螺杆给料器，黑液喷雾喷嘴，掌心导向器，蒸汽喷嘴，给料辊点，底部分切器品牌，套筒和衬套。

食品加工行业

钴铬钨合金用于食品加工工业中主要要求具有高耐磨性和优异的耐腐蚀性的部件。这些产品的一些例子是各种类型的旋钮。别针。灌木丛中。活塞、餐具。炊具、食品加工机械零件及起子螺丝。

木材及木材工业

钴铬钨合金尖端圆盘锯齿具有更好的表面光洁度和相当长的操作时间。尽管钴铬钨合金的硬度低于硬质合金，但它具有更强的耐磨性，而且韧性和韧性足以承受冲击。与自动、长寿命锯片倾卸设备配套使用的产品有三角形和矩形锯片、圆球、三角形和梯形锯片。

Automotive行业

钴铬钨合金的历史与汽车工业有着直接的联系。正如本文开头所提到的，1900年，埃尔伍德·p·海恩斯(Elwood P. Haynes)在印第安纳州一个叫科科莫(Kokomo)的小镇首次开发了钴铬钨合金，用于生产他发明的无马车的各种关键部件。他使用他新获得专利的钴铬合金来制造内燃机零件。海恩斯还发现，这些新的钴合金中的一些比他早些时候发明的不锈钢更耐用。通常钴铬钨合金6。钴铬钨合金6 b。钴铬钨合金12和钴铬钨合金F从20世纪初开始就用于汽车零部件制造。这些汽车零部件有销、衬套、垫片、轴、耐磨件、垫圈、凸轮轴、凸轮凸缘、阀门、阀杆尖端、阀座等，通过铸造、熔模铸件等各种工艺生产。采用粉末冶金和等离子转移电弧(PTA)工艺，并采用热粉末喷涂工艺。

航空航天工业

由于金属间磨损、微动、热腐蚀、颗粒侵蚀等原因，飞机发动机存在各种退化问题。由于涉及的高温，这种降解会加速。一些钴铬钨合金，如钴铬钨合金31，钴铬钨合金6，钴铬钨合金6 b。钴铬钨合金3和钴铬钨合金19被用于提高某些飞机发动机部件的寿命。使用上述钴铬钨合金生产的零件有闪光铸件、间隔套、杆端轴承、球轴承。轴承圈、燃油喷嘴、旋流器、垫圈、发动机叶片、轴承支架等静态结构件。钴铬钨合金21和钴铬钨合金31用于铸造涡轮叶片，用于许多飞机上的军用活塞发动机。

医疗植入物，器械和器械

钴铬钨合金因其耐磨性和耐腐蚀性而广泛应用于医疗设备。由海恩斯发明的粉石的另一个辅助用途是制造刀具，外科和牙科器械锋利的工具，这些工具必须具有防腐性，便于清洗，并能在较长时间内保持其锋利，这对外科手术来说是必不可少的。钴铬钨合金用于外科工具的剪刀刀片，针架刀片和其他外科工具。钴铬钨合金，以及在更大程度上的钛合金，在工业和生物医学领域有着巨大的，在某些情况下是独特的应用，总结如下。目前，钴和镍基合金被用于生产牙科修复体，经济上比金和银基合金便宜，但提供足够的质量钴铬钨合金生产各种牙科钴铬钨合金，用于制造牙冠，桥和假牙。如上所述，这些是他们为牙科工业生产的CoCr和NiCr合金。

在生物医学应用中，金属生物材料用于制造70-80%的植入物。在植入物的制造中，钴基合金(co -alloy)是对钛合金生物相容性的改进141. 在特定情况下，Co合金的延展性优于ti合金。与不锈钢和钛合金相比，钴铬合金(CoCr)具有最高的耐磨性和更高的强度。但不锈钢的延展性和循环扭转强度优于钛合金和钴合金。另一方面，钛合金含有镍(Ni)，最近已被证明对人体有毒，这使得这些合金比钴合金的生物相容性更低。钨铬钴合金在人骨置换和外科工业中的其他应用包括单室胫骨假体、间隔胫骨假体。用于膝关节假体的旋转胫骨假体和用于髋关节假体的压合ace平板杯

其他应用领域

钴铬钨合金应用于核工业。一些由钴基合金制成的产品是电线。板和焊条。钴铬钨合金用于为海军制造探照灯反射镜，在少数情况下也用于制造车床切削工具。