NO852315L - Austenittisk legering av rustfritt staal. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en myk austenittisk, Co-holdig legering av rustfritt stål, som har en høy resistans mot høy intensitets gravitasjon som gjør den

spesielt nyttig for fremstilling, og/eller reparasjon av hydrauliske maskindeler.

Oppfinnelsen vedrører også hydrauliske maskindeler fremstilt av, eller dekket med en slik legering.

Kavitasjonsfenomenet som hydrauliske maskiner som

f.eks, turbiner, pumper, propeller, ventiler eller vekslere er underkastet er et problem som er velkjent for spesialistene. Ved kavitasjonsfenomenet forstås det fenomenet hvorved et hulrom eller en dampboble utvikler seg i en væske når det lokale trykket faller under damptrykket. Når trykket igjen stiger over damptrykket, vil gass- eller dampboblen brått bryte sammen. Denne implosjonen er ledsaget av et kraftig fysisk fenomen, nemlig av en mikrostråle som følger boblen og hvis hastighet kan nå flere hundre meter pr. sekund.

Når en slik mikrostråle møter en vegg, vil dens kinetiske energi omvandles:til en lokalisert sjokkbølge som er i stand til å deformere selv den hardeste metalliske overflaten, og følgelig danne en viktig kjemisk erosjon. Intensiteten av de lokaliserte spenningene som dannes ved slike impulser kan spre seg over meget stort område avhengig av betingelsene i væsken,

av temperaturen og av nærværet av fremmede gasser,

av hastigheten for trykkvariasjonen og avstrømnings-hastigheten. Disse gjentatte sjokkene eroderer metalloverflaten ved å spre tetthetssprekker (elastisk deformasjon) eller ved plastisk deformasjon som fører til stripping av partikler av små dimensjoner.

Observasjoner av skader på tallrike grupper av hydrauliske maskindeler og resultatene fra akselererte kavitasjonsforsøk med ultralyd har vist at de hydrauliske maskindelene, spesielt hydrauliske turbindeler, generelt er underkastet et stort område av kavitasjonsintensiteter som kan inndeles i to kategorier som krever to forskjellige løsninger,

en av disse løsningene kan anvendes ved lav intensitets-kavitåsjon, den andre ved høy intensitetskavitasjon.

Lav intensitetskavitasjon i hydrauliske maskiner, spesielt hydrauliske turbiner har vist seg å finne sted på store områder og hovedsakelig å angripe karbon stål,..rustfritt stål angripes ikke. Denne kavitasjonen gir en langsom erosjon av karbon stål, hvor erosjonen akselereres ved korrosjon og galvanisk kobling med edle legeringer f.eks. rustfritt stål.

For å overvinne denne delen av problemet består den beste løsningen i å benytte komponenter fremstilt av rustfritt stål. En annen løsning består i å dekke alle områdene av karbonståldeler som er underkastet lav intensitetskavitasjon med et stort antall sammen-sveisede lag av rustfritt stål for å unngå den kinetiske effekten av kavitasjons-erosjonen og galvanisk korrosjon.

På den annen side, har høy intensitets kavitasjon

vist seg å finne sted i hydrauliske maskindeler eller grupper som drives ved høyere trykkhøyde og vannhastig-heter, men på små lokaliserte områder som f.eks.

deler av baksiden av turbinbladene. Denne kavitasjonen gir rask erosjon selv ved høyere resistens-materialer som f.eks. austenittisk rustfritt stål, ved hastigheter mellom 0,. 1 og 10 ml pr. år.

For å overvinne denne delen av problemet, kreves

høyere resistensmaterialer. Hårde legeringer som f.eks. Co-basert "STELLITE -1 eller -6" legeringer, aluminiumbronse, eller meget elastiske polymermaterialer som f.eks. "NYLON 66" har vært prøvet med godt resultat og benyttes ved noen spesielle anvendelser.

Det bør imidlertid bemerkes at disse spesielle anvendelsene i praksis er heller begrensede, fordi de fleste av de kjente høyresistensmaterialene er vanskelig å flyte og å anvende i tillegg til at de er dyre .

Det er i den senere tid funnet at for noen legeringer

er høy hårdhet ikke en nødvendig forutsetning for høy kavitasjonsresistens. K.C. Anthony et al. har i sin artikkel "The Effect of Composition and Micro-structure on Cavitation Erosion Resistance", 5th Int. Konf. on Erosion by Solid and Liquid Impact, artikkel 67, Cambridge, England, september 1979, vist at i Co-baserte "Stellite"-legeringer påvirkes ikke kavitasjon-erosjonsresistensen ved at karbonkonsentrasjon reduseres fra

1,3 til 0,3 samtidig som hårdheten reduseres fra 40 til 25 RC. Dette overraskende resultatet som er meget viktig for reparasjon av kavitasjonserosjonsskader der hvor nedslipning er vanskelig, har ført til omfattende forsøk med myke, Co-baserte legeringer med lavt karboninnhold, som f.eks. "STELLITE-21" for reparasjon av kavitasjonsskader i hydrauliske turbiner. Disse, forsøkene har' vist at de myke Co-baserte legeringene er mye mer effektive enn austenittisk rustfritt stål nr. 308 eller 301, som sveisebelegg for lokalisert høy intensitets kavitasjons-erosjon. Nærmere bestemt, har de undersøkte legeringene vist seg å være lettere å slipe, og, selv om de har en høyere pris, er de mer økonomiske å benytte fordi de varer mer enn 10 ganger lenger enn rustfri stålkvalitet,

der det spares store reparasjonsutgifter.

Det ovenfornevnte faktum at myke legeringer, spesielt myke Co-baserte legeringer, kan ha en høy kavitasjonsresistens, er hittil ikke gitt noen tilfredsstillende forklaring på. Opprinnelig ble den overliggende eros jonsoppf ørselen for-kobolt-legeringer som f.eks.

en "STELLITE-6", tilskrevet en spenningsindusert martensittisk transformasjon som absorberer en betydelig andel av den inngående kavitasjonsenergien.

Imidlertid har . senere forsøk vist at en slik martensittisk transformasjons bidrag til erosjonsresistensen, dersom det finnes, er meget lite (se f.eks. D.A. Woodford, "Cavitation-Erosion-Induced Phase Transformation in Alloys", Met. Trans., bind 3, side 1137, mai 1972, og S. Vaidya et al., "The Role of Twinning in the Cavitation Erosion of Cobalt Single Crystals", Met. Trans. A, bind 11A, side 1139, juli 1980). De samme forsøkene har derimot vist at en eventuell forbedring i erosjonsegenskapene løper parallelt med en avtagende energi forbundet med stablingsfeil (SFE-Stacking Fault.Energy). Det er derfor foreslått

at den plane glidemodus i materialer med lav SFE

forsinker utviklingen av de lokaliserte spenninger som kreves for å initiere brudd, dermed forbedres høy-syklus utmatningsfastheten..

S. Vaidya et al. har i den ovenfor nevnte artikkelen også foreslått at tvillingdannelse i liten skala er ansvarlig for den overlegne erosjonsresistensen av kobolt i heksagonal tettpakket.form (heretter referert til som H.C.P. eller e-fase), denne spesielle formen er

en lavtemperatur-stabil form av kobolt, som stammer fra en allotrop transformasjon som finner sted ved 420°C i rent kobolt opprinnelig i flate sentrert kubikk-form (en slik. form refereres heretter til som F.CC. eller y- fase) .

Foreliggende oppfinnelse er basert på den oppdagelsen

av utmerket kavitasjonsresistens, svarende til den som oppnås med legeringer som inneholder opp til 65% Co også kan oppnås med myke legeringer av

rustfritt stål som inneholder så lite som 8% Co,

forutsatt at minst 60% av de rustfrie stållegeringene med lavt Co-innhold ved romtemperatur befinner seg i et metastabil, F.CC. yfase som har en energi forbundet med stablingsfeil som er lav nok til å gjøre legeringene i stand til å transformeres under kavitasjonseksponering til enH.C.P. e-fase og/eller til en a-martensittisk fase som har en fin deformasjons-tvillingdannelse.

Nærmere bestemt er oppfinnelsen basert på den

oppdagelsen at myke Fe-Cr-Co-C legeringer som viser en fin, kavitasjon-indusert tvillingdannelse, hvor tvillingdannelsen er spesifikk for krystaller som har lav energi forbundet med stablingsfeil, (SFE), overraskende mottstår kavitasjon på en meget effektiv måte ved følgende mekanismer:

omfattende spenningsherding og spenningsopptak, som forsinker initiering av brudd.på grunn av utmatning; utvidelse av tvillingdannelsen i planet til hele overflaten som holder den meget glatt og flat gjennom en inkuberingsperiode; og kontinuerlig absorbsjon av' innfallen kavitasjonsenergi ved dannelsen av høy dislokasjons-tetthet og meget fine eroderte partikler; dette fører til svært lave erosjonshastigheter. Et første formål med foreliggende oppfinnelse, som direkte avledes fra den ovenfor omtalte oppdagelsen, er følgelig å tilveiebringe en myk, austenittisk, Co-holdig legering av rustfritt stål som har en høy kavitasjonserosjonsresistens, hvor legeringen innbefatter: fra 8 til 30 vekt-% Co;

fra 13 til 30 vekt-% Cr;

fra 0,03 til 0,3 vekt-% C:

opp til 0,3 vekt-% N;

opp til 3 vekt-% Si;

opp til 1 vekt-% Ni;

opp til 2 vekt-% Mo;

og

opp til 9 vekt-% Mn;

resten utgjøres hovedsakelig av Fe;

hvor mengdene av de ovenfor nevnte elementene som henholdsvis er kjent som ferritt-dannere (Gr, Mo, Si) og austenitt-dannere (C, N, Co, Ni, Mn) og,

blandt disse ferritt- og austenitt-dannerne, velges og avbalanseres mengden av elementene ovenfor som henholdsvis er kjent for å øke energien forbundet med stablingsfeil (f.eks. C og Ni) og for å nedsette energi forbundet med stablingsfeil (f.eks. Co, Si,

Mn og N), slik atminst 60 vekt-% av legeringen ved romtemperatur befinner seg i en metastabil flate sentrert kubisk (FCC) fase som har en energi forbundet med stablingsfeil (S-FE) som er lav nok til å muliggjøre transformasjon under kavitasponseksponering

til en heksagonal tettpakket (HCP) e-fase, og/eller til en a-martensittfase som viser en fin deformasjons-tvillingdannelse.

Som det fremgår av sammensetningen ovenfor, har

legeringen ifølge oppfinnelsen et lavt karboninnhold

(lavere enn 0,3%). Denne spesielle oppførselen

stemmer overens med den ovenfor nevnte observasjonen av K.C. Anthony et al. at høy kavitasjonsresistens av "STELLITE-6" legeringer opprettholdes når

karboninnholdet nedsettes fra 1,3 til 0,25%.

Som angitt ovenfor, må minst 60% av legeringen

ifølge oppfinnelsen foreligge i en austenittisk y-fase, som er metastabil og har en lav energi

forbundetmed stablingsfeil ved romtemperatur.

Metastabilitet av yfasen er et nyttig trekk ved oppfinnelsen, siden det er en forutsetning at legeringen er i stand til å transformere under kavitasjons-eksponering til en fin deformasjonstvillingdannet, heksagonal tettpakket e-fase og/eller a-martensitt-fase. For å oppnå den nødvendige mengde stabilitet av y-fasen, må mengden av ferritt-dannere (Cr, Mo, Si) og mengden av austenittdannere (C, N, Co, Ni, Mn)

som inneholdes i legeringen velges og avbalanseres på en slik måte at austenitt (dvs.Y~fasen) såvidt stabiliseres, spesielt i tilfelle med rask avkjøling, og fremme kavitasjon-indusert faseomvandling til e-fasen og martensitt.

Som antydet ovenfor, må legeringen ifølge

oppfinnelsen også vise en fin,,kavitasjons-indusert tvillingdannelse som er spesifikk for krystaller som har en lav energi forbundet med stablingsfeil.

For å oppnå en slik lav stablingsfeil-energi (SFE)

må man ta i betraktning hvert elements evne til å nedsette eller øke energien forbundet med stablingsfeil for krystallene, og de respektive mengder av de forskjellige elementene som velges i sammensetningen av gitt legering ifølge oppfinnelsen, må, i lys av hvert elements spesielle evne tilpasses slik at energien forbundet med stablingsfeil for hele sammensetningen bringes til et nivå hvor fin deformasjonstvillingdannelse kan induseres ved kavitasjonseksponering. Blant de ovenfor nevnte elementene som kan benyttes i legeringene ifølge oppfinnelsen, er Ni og C kjent for å øke SFE,

mens Co, Si, Mn og N er kjent for å nedsette den.

De sistnevnte elementene bør følgelig fortrinnsvis velges slik at de nedsetter SFEfor sammensetningen så mye som mulig. Blant de sistnevnte elementene er kobolt sannsynligvis det mest interessante elementet ved at det, i tillegg til å nedsette SFE, også gjør det.mulig å holde austenitt-fasen av legeringen i en metastabil tilstand over et stort konsentrasjons-område.

Nødvendigheten av at legeringene ifølge oppfinnelsen

viser en fin,'kavitasjons-indusert, deformasjons-" tvillingdannelse stemmer overens med observasjonene gjort av S. Vaidya et al. (se ovenfor) som til-

skriver den hø^e kavitasjonsresistensen av legeringer med høyt Co-innhold disse legeringenes lave

energi forbundet med stablingsfeil og den fine deformasjonstvillingdannelsen.i planet. Det faktum at legeringen ifølge oppfinnelsen ble mindre enn 30% Co,

og opp til 70% Fe viser i det vesentlige den samme lave SFE og fine deformasjonstvillingdannelsen som legeringer med høy Co-innhold kan imidlertid synes heller overraskende i lys av artikkelen publisert av D.A. Woodford et al.,

"A Deformation-Induced Phase Transformation Involving a Four-LayerStacking Sequence in Co-Fe Alloy", Met. Trans., 1971, bind 2, side 3223, hvor det ble vist at i Co-Fe-legeringer var bare 15% Fe tilstrekkelig til å få den kavitasjons-induserte omvandlingen y - >■ e til å forsvinne fullstendig. En mulig forklaring på denne spesielle oppførselen er at i. legeringene i følge oppfinnelsen har krom en sterk vekselvirkning med kobolt og jern som fremmer dannelsen av krystaller med lav SFE.

Overflatelaget av Fe-Cr-Co-C legeringen ifølge oppfinnelsen, viser etter kavitasjonsekspandering et meget fint nettverk av -deformasjonstvillinger i HCP e-fasen'

eller a-martensittfasen. Nærværet av denne kontinuerlige, fine tvillingdannelsen under kavitasjonseksponering forklarer den høye kavitasjonsresistensen for legeringen.

Denne fine tvillingdannelsen er en effektiv innretning for absorbsjon av innfalne kavitasjonsstøtenergi. Denne fine tvillingdannelsen gir også et effektivt spenningsopptak, derved unngås høye spenningskonsentra-sjoner og initiering og forplantning av utmatningsbrudd utsettes. Den lokale spenningsherdingen som er forbundet med den fine tvillingdannelsen øker utstrekningen av tvillingdannelsen til hele den eksponerte overflaten ved begynnelsen av kavitasjonseksponeringen, (inkuberingsperioden). Dette forklarer hvorfor denne overflaten forblir så flat og glatt under inkuberingsperioden i motsetning til det høye overflaterelieffet som produseres i .deformerende materialer med bølgeavvik. De glatte overflatene angripes mindre av den lokale tangensielle strømningen som dannes ved kavitasjonsimplosjonen. Følgelig er det eneste relieffet som dannes på Co-legeringene ifølge oppfinnelsen i inkuberingsperioden de fine overflatetrinnene ved tvillingdannelsen.

Endelig fører denne meget fine tvillingdannelsen

til en meget lav erosjonshastighet ved fjernelse av fine partikler i grenseflaten mellom tvillingene.

Den stoiE mengden av nydannede overflater for et

gitt metalltapsvolum som derved dannes, er en annen -effektiv fremgangsmåte for absorbsjon av en begynnende kavitasjonsenergi.

Ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen, innbefatter den austenittiske, Co-holdige legeringen av rustfritt stål ifølge oppfinnelsen: fra 10 til 30 vekt-% Co;

fra 13 til 2 8 vekt-% Cr;

og

fra 0,25 6il 0,3 vekt-% C;

resten utgjøres i det vesentlige av Fe;

hvor de respektive mengder av hvert av elementene ovenfor velges og avbalanseres som forklart ovenfor.

I denne fortrukne utførelsen er en spesielt velegnet legering en som innbefatter 10 vekt-% Co; 18 vekt-%

Cr og 0,3 vekt-% C, resten utgjøres i det vesentlige av Fe. Den neste spesielle legeringen som er meget effektiv er også en av de billigste legeringene. I denne sammenheng kan bemerkes at sammensetningen av denne spesielle legeringen er i det vesentlige ekvivalent med sammensetningen av standard 300-serien av rustfritt stål, den eneste forskjellen er fra hver av Ni (kjent for å øke SFE), dette er erstattet ved en økning av mengden av Co (kjent for å nedsette SFE).

Ifølge en annen foretrukket utførelse av oppfinnelsen, innbefatter den austenittiske, Co-holdige legeringen av rustfritt stål: fra 8 til 30 vekt-% Co; fra 13.til 30 vekt-% Cr; fra 0,03 til 0,3 vekt-% C; -fra 3 til 9 vekt-% Mn;

opp til 0,3 vekt-% N;

opp til 3 vekt-% Si;

opp til 1 vekt-% Ni;

og

opp til 2 vekt-% Mo;

resten utgjøres i det vesentlige av Fe.

Naturligvis velges og avbalanseres mengden av hvert av de ovenfor nevnte elementene som omtalt ovenfor.

Som tidligere nevnt, er de_ rustfrie stållegeringene

ifølge foreliggende oppfinnelse myke.

De er billigere enn de konvensjonelle legeringene

med høyt Co-innhold som f.eks. "STELLITE-611 eller "STELLITE-21", og har i det vesentlige den samme utmerkede kavitasjonresistensen som disse legeringene med høyt Co-innhold. Følgelig utgjør legeringene ifølge foreliggende oppfinnelse et økonomisk alternativ til legeringene av typen "STELLITE-21" som idag benyttes til beskyttelse av hydrauliske maskindeler mot kavitasjonserosjon. Sveisetråder eller elektroder fremstilt for slike legeringer kan være varm- eller kald-valsede, og benyttes for feltreparasjon av kavitasjonsskader. Hydrauliske maskindeler kan også

støpes direkte av slike legeringer slik at man oppnår utvikling og fremstilling av hydrauliske maskiner av høy kavitasjonsresistens.

Et andre formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en komponent av rustfritt stål for benyttelse ved fremstilling eller reparasjon av en hydraulisk maskin, hvor komponenten er fremstilt av, eller belagt med, en legering av rustfritt stål ifølge oppfinnelsen.

De rustfrie stålkomponentene ifølge oppfinnelsen

har en kavitasjonsresistens som er minst lik den for komponentene , fremstilt fra de hårdere legeringene "STELLITE-1" eller -6. Siden legeringene ifølge oppfinnelsen er myke, lar de seg mye lettere slipe.

De har alle fordelene for komponenter fremstilt

fra de mykere legeringene med høyt Co-innhold av "STELLITE-21" -typen, men til en lavere pris.

Andre fordeler og trekk ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå av den følgende beskrivelsen av utførte forsøk og eksperimenter under henvisning til tegningene hor: Figur 1 viser en sammenlikning av kavitasjonsvekt-tapene som funksjon av tiden, for forskjellige stål- og Co-legeringer; Figur 2 viser gjennomsnitlig erosjonshastigheter for Co-legeringer ifølge oppfinnelsen målt ved ultralyd-kavitasjonsforsøk; Figur 3 viser røntgendiffraksjonsspektra som viser kavitasjons-erosjonsinduserte faseomvandlinger av forskjellige Co-legeringer; Figur 4 viser en sammenlikning av kavitasjonserosjons-hastigheten, indusert faseomvandling og herding for forskjellige Co-legeringer;

og

Figur 5 viser en sammenlikning av overflatemikro--hårdheten som funksjon av kavitasjonstiden og av tverrsnittmikrohårdheten som funksjon av dybden av eroderte prøver av stål og Co-legeringer.

De eksperimentelle data og resultater som senere gjengis ble oppnådd som beskrevet nedenfor.

a) Høy intensitetskavitasjons- erosjonsresistens

Høy intensitetskavitasjons-erosjonsresistens ble målt

ifølge standard ASTM-G32 ultralyd-kavitasjonsforsøk.

Vekt-tap for 16 mia sylindriske prøver som vibrerte ved 20 kHz med en dobbelt amplitude på 50 ym i destillert vann ved 22°C ble målt hver halve time i løpet av et tidsrom på 16 timer med en elektrisk vekt med nøyaktighet på 0,1 mg. De undersøkte materialene er oppført i den følgende tabellen I sammen med nominell sammensetning, fremstillings-prosess, hårdhet og opprinnelig krystallografisk struktur. De eksperimentelle koboltlegeringene Co nr. 1 til Co nr. oppført i tabellen ovenfor, ble fremstilt ved å omsmelte på en vannavkjølt kobberplate i en liten laboratorielysbueovn egnede blandinger av noen av de følgende bestanddeler: .karbonstål, 304 rustfritt stål, "STELLITE 21", ferrokrom, elektrolytisk kobolt, ferromangan og ferrosilisium. Det bør bemerkes at sammensetningen av hver av disse eksperimentelle legeringene bortsett fra Co nr. 7, 12 og 15, som ble undersøkt som referanselegeringer, faller innenfor de ovenfor nevnte områdene for sammensetning av Co-holdige legeringer,av rustfritt stål.ifølge oppfinnelsen.

b) Andre målinger

Metallografisk observasjon, mikrohårdhetsmålinger

og røntgendiffraksjonsopptak ble gjort etter forskjellig varighet av kavitasjonseksponeringen.

De metallografiske observasjonene ble gjort på optiske- og scanning-elektron-mikrobilder tatt av den eroderte overflaten av materialene i forsøkene etter forskjellige tider for kavikasjonseksponeri g. Overflatene ble i utgangspunktet elektrokjemisk polert og etset.

Mikrohårdhetsmålinger ble utført ved å pålegge en pyramidal diamant på den eroderte overflaten av forsøksmaterialene, etter forskjellige tider av kavitasjonseksponering, inntil denne overflaten var for bulket til å tillate ytterligere måliger. -Til gjennomføring av røntgendiffraksjonsundersøkelser, ble den lengre CuK^-bølgelengden valgt slik at bare et tynt overflateareal ( v 10 ym) diffrakterer. Kavitasjonseksponeringstiden ble valgt innenfor den avsluttende delen av inkuberingsperioden slik at overflateerosjonen akkurat hadde begynt.

Tabell 1 og figurene 1 og 2 sammenfatter resultatene fra de utførte kavitasjons-erosjonsforsøkene.

Disse resultatene viser klart at 308 rustfritt stål har dobbelt så høy kavitasjonsresistens som 1020 karbonstål og at alle de eksperimentelle Co-Cr-Fe-legeringene bortsett fra Co nr. 5, 7 og 11 til 15 har en mye bedre kavitasjonsresistens, fra 10

til 50 ganger høyere, enn 308 rustfritt stål selv om de bare har marginalt høyere hårdhet.

Resultatene fra røntgendiffraksjonsforsøk er gjengitt og sammenfattet i figurene 3 og 4 -og i den følgende tabell 2. Tabellen ovenfor viser at 1020 karbonstålprøven var det eneste materiale som ikke viste noen deformasjons-indisert omvandling etter kavitasjonseksponering..

Som ventet, ble bare en liten del av den eroderte overflaten av prøven av 308 austenittisk rustfritt stål omvandlet til martensitt. Det er verd å legge merke til at på denne legeringen forandret kavitasjons-eksponering overflateteksturen, idet (200J overflate-orienterte korn ble erodert bort mens (111) kornene av høyere resistens ble bragt fram.

Det 301 rustfrie stålet ble delvis martensittisk når

det ble støpt og overflaten ble fullstendig omvandlet til martensitt under kavitasjonen. Legeringen Co nr. 5 (10% Co) var hovedsakelig ferritisk når den ble smeltet og den mindre andelen austenitt.ble ikke omvandlet fullstendig til martensitt under kavitasjonseksponeringen. Legeringen Co nr. 3 J.20% Co) , som var austenittisk etter smelting, ble i liten grad forandret hovedsakelig til HCP e-fase og i en viss grad til martensitt, mens (STELLITE 21" overflaten ble mindre omfattende omvandlet og bare til HCP e. Overraskende ble det funnet at legeringen Co nr. 6 (10% Co - 18% Cr) viste den samme utmerkede kavitasjonsresistensen med indusert omvandling, til a-martensitt og ikke til e-fasen. Derimot viste legeringene Co nr. 11 til 15, som var martensittiske, ved støping (se tabell 1), ikke de beste kavitasjons-egenskapene.

Fra resultatene ovenfor, fremgår det at graden av kavitasjons-indusert transformasjon øker i rekkefølgen: 1020 (ca. 0%), Co nr. 5 (ca. 10%), 308 (ca. 15%),

301 (ca. 75%), "STELLITE 21" (ca. 75%), Co. nr. 3 (ca. 90%), Co. nr. 6 (ca. 90%) .

Som vist i figur 4, viser den kavitasjonsinduserte herdingen samme tendensen.

Resultatene- fra de utførte målinger av mikrohårdhet er gjengitt i figur 5.

Figur 5a viser at det er en stor økning i overflate-hårdhet under inkuberingsperioden, for legeringene med høy resistens. Ingen deformasjonsherding er målt på

den myke ferritten av karbonstålprøven. Den eksperimentelle Co nr. 3 legeringen, som etter smelting er mykere enn "STELLITE 21", viste den høyeste herdingen, med en endelig hårdhet som var høyere for "STELLITE-2-1 " .

Denne herdingen øker-meget raskt i de innledende trinnene av inkuberingsperioden.

Mikrohårdhetmålinger på tverrsnitt, gjengitt i figur

5b, viser at kavitasjons -deformasjonsherdingen er begrenset til et meget tynt overflatelag (<50ym),

hvilket gjør denne type målinger meget vanskelige.

Forskjellige mikrobilder ble tatt av overflaten

av noen av forsøksmaterialene etter kavitasjonseksponeringen.

På overflaten av prøven av 1020 karbonstål ble

støtspor etter kavitasjonsimplosjon som gir en bulket ru overflate avslørt med Normaskis eliminering. Bulk- og groptettheten øket raskt med kavitasjonstiden

og nådde mer enn 2000/mm 2etter bare 30 sekunder. Ferritten var langt mer deformert enn pearlitten,

og var sprukket, revet fra hverandre, og separert fra de hårdere pearlittkoloniene etter bare 30 minutter.

Tilnærmet den "samme ruhetsdannelsen ble observert ved prøven av 308 austenittisk rustfritt stål, bortsett fra oppsprekking og riving som fant sted senere og mere homogent på dette enfasede materialet.

Svært få og svært svake martensittlinjer kunne ses på

den deformerte overflaten. På prøven av 301 ble de grove martensittlinjene som allerede var tilstede som støpte avsetninger, gjort finere og forøket ved kavitasjonsstøtene. Ruhetdannelsen var mindre uttalt og mange små opprivinger ble observert etter 30 minutter.

Ved to av Co-legeringene, nemlig "STELLITE 21", (65% Co), og Co nr. 3 (20% Co), ble det observert en helt annen oppførsel. Støtgropene var meget små og førte ikke til en dyp overflateruhet. Tallrike glidelinjer,

som allerede er identifisert i litteraturen som tvillingdannelseslinjer i rent Co, kom raskt til syne, etter bare få sekunder av kavitasjonseksponering.

Ettersom kavitasjonstiden gikk øket linjetettheten

for tvillingdannelsen og tvillingdannelsesdeformasjonen, dette førte til et meget tett nettverk av svært fine tvillingdannelser som skjærer hverandre etter en eller to timer. Deretter startet erosjonen ved å rive fra hverandre små firkantede partikler som var dannet ved grenseflateoppsprekking ved tvilling- eller korngrensene. I forsøkslegeringen Co nr. 3 var tvillingdannelsesområde separert ved små interdendrittiske martensittområder som synes å være svært fine og

har like god kavitasjonsresistens som de fineste parallelle tvillingdannelsesområdene. Som i rent kobolt, viste kornorienteringen som fremmer den fineste parallelle tvillingdannelsen i det tette planet (0001) HCP den høyeste kavitasjonsresistensen. Den samme fine tvillingdannelsen ble også observert

i den rene martensitten i den omvandlede legeringen Co nr. 6.

Observasjoner av mikrofotografier tatt på tverrsnitt viste også en større deformasjons- og oppsprekkings-sone (ca. 30 ym), for 1020 karbon stål. Denne sonen var mye mindre for de rustfrie ståltypene (få mikrometer). I prøven av Co-legeringen synes overflatelaget som inneholdt kavitasjonsspenninger å

være meget tynt ( < 1 ym). Ingen kavitasjons-indusert tvillingdannelse kunne avsløres på disse tverrsnittene. Det er interessant å legge merke til hvordan de observerte, arealene under overflaten synes å være upåvirket av kavitasjonsstøtet som om tvillingdannelse i overflaten var en meget effektiv fremgangsmåte for å absorbere eller avskjerme kavitasjonsstøtet. Generelt gjelder at jo høyere kavitasjonsresistensen for et materiale er jo glattere holder overflaten seg under kavitasjonseksponering.

De ovenfor nevnte forsøkene, målingene og observasjonene viser klart at alle forsøkslegeringene ifølge oppfinnelsen, bortsett fra Co nr. 5, 7 og 11 til 15,

har i det vesentlige den samme enestående kavitasjonsresistensen som legeringer med høy Co-innhold, som f.eks. "STELLITE 21".

De ovenfor gjengitte data, spesielt fra røntgen-dif f raks jonsf orsøk, viser at den overlegne kavitasjons-

resistensen for Co-legeringene ifølge oppfinnelsen,

kan tilskrives et fint nettverk av deformasjons-tvillingdannelser som er assosiert med omvandlingen til HCP e-fasen, eller a-martensitt, en slik fin, kavitasjonsindusert tvillingdannelse, er spesifikk

for krystaller som har en lav energi forbundet med stablingsfeil.

Det faktum at ingen fin tvillingdannelse og dårlig kavitasjonsresistens ble observert ved forsøkslegeringene Co nr. 5 og .11 til 15, sågar hovedsakelig ferrittiske eller martensittiske før de ble underkastet kavitasjons-eksponering, synes å tyde på at en kavitasjons-indusert fase-omvandling fra en FCC y- fase til en fin deformasjon-tvillingdannet HCP e-fase, og/eller a-martensitt-fase

er en forutsetning for å oppnå en høy kavitasjonsresistens. Dette kravet innbefatter i sin tur_ at legeringene ifølge oppfinnelsen ved romtemperatur må befinne seg i en metastabil austenittisk fase.

Dersom stabiliteten av den austenittiske fasen for legeringen er for god, vil faseomvandlingen under kavitasjonseksponering være liten. Følgelig vil,

som et eksempel, legeringen Co nr. 3 (20% Co), ifølge oppfinnelsen, som har en kavitasjons-indusert fase-omvandling og en spenningsherding som er mer uttalt enn for "STELLITE .21" (65% Co), som er kjent for å være meget stabil, også ha en overlegen kavitasjonsresistens, selv om den har en lavere opprinnelig hårdhet, (23 RC sammenliknet med 30 RC for "STELLITE 21").

I denne sammenhengen kan det bemerkes at den optimale sammensetningen for oppnåelsen av kavitasjonsresistens følgelig kan innbefatte en tilsats for å oppnå oppløsningsherding, som f.eks» molybden, for å opprettholde

den samme graden av faseomvandling.

Det er derfor klart at som ved 301 rustfritt stål,

må mengden av ferritt-dannere (Cr, Mo og Si)

og av austenittdannere (C, N, Co og Ni) som inneholdes i legeringene ifølga oppfinnelsen, være balansert på en slik måte at austenitten knapt stabiliseres, spesielt i tilfelle med rask avkjøling, og at man samtidig fremmer kavitasjons-indusert faseomvandling fra yfase til e-fase, eller a-martensitt, den høyere kavitasjonsresistensen for legeringene ifølge oppfinnelsen skyldes i det vesentlige sammensetningen hvor mengden av elementene som øker SFE, dvs. C.og Ni, reduseres så mye som mulig og erstattes av elementer som nedsetter SFE (Co, Si, Mn og N) slik at det tilveiebringes en finere deformasjons-tvillingdannelse.

De myke Co-legeringene ifølge oppfinnelsen kan med fordel benyttes til fremstilling eller reparasjon av hydrauliske maskindeler som f.eks. turbiner, pumper, kraner og liknende. Den kan benyttes som beskyttende lag støpt på en kjerne av karbonstål, eller støpt som sådan.~De kan varm- eller kald-valses til lag, støpetråder eller elektroder for bruk ved reparasjon av kavitasjonsskader i felten, til erstatning forden dyrere "STELLITE 21" som frem til idag har vært benyttet til slike formål.

Det bør bemerkes at ingen spesiell varmebehandling eller mekanisk behandling er påkrevet for å oppnå

den beste kvaitasjonsresistensen ved de austenittiske Co-holdige rustfrie stållegeringene ifølge oppfinnelsen. De kan benyttes som støp, hvilket gjør dem anvendbare som tilsatt materiale ved sveising.

Dersom må de kald-deformeres for ønsket form-giving, f.eks. til et flatt produkt eller et trådformet produkt, vil de kreve en høy temperatur glødningsbehandling som vanlig austenittisk rustfritt stål. Den forbedrede formbarheten sammenliknet med Co-baserte legeringer er en annen økonomisk fordel ved fremstillingen av sveisetråder.

Claims (22)

1. Rustfri stållegering som viser en høy kavitasjons-erosjonsresistens, karakterisert ved at den innbefatter: fra 8 til 30 vekt-% Co; fra' 13 til 30 vekt-% Cr; fra 0,03 til 0,3 vekt-% C; opp til 0,3 vekt-% N; opp til 3 vekt-% Si; opp til 1 vekt-% Ni; opp til 2 vekt-% Mo; og opp til 9 vekt-% Mn; resten utgjøres i det vesentlige av Fe, hvor mengden av de ovenfor nevnte elementene som henholdsvis er kjent for ferritt-dannere (Cr, Mo, Si) og som austenittdannere (C, N, Co, Ni, Mn) og, blant disse austenitt- og ferrittdannerne, mengden av rest av elementene som henholdsvis er kjent for å øke og nedsette energien forbundet med stablingsfeil, velges og avbalanseres på en slik måte at minst 60 vekt-% av legeringen ved romtemperatur foreligger i en metastabil, flatesentrert kubisk fase som har en energi forbundet med stablingsfeil som er lav nok til å gjøre den istand til å omvandles ved kavitasjonseksponering til en fin deformasjons-tvillingdanner, heksagonal tettpakket e-fase og/eller a-martensittfase.

2. Rustfri stållegering ifølge krav 1, karakterisert ved at legeringen utelukkende innbe fatte r: fra 10 til 30 vekt-% Co; fra 13 til 2 8 vekt-% Cr; fra 0,25 til 0,3 vekt-% C; og opp til 2 vekt-% Mo; resten utgjøres i det vesentlige av Fe, hvor mengden av de ovenfor nevnte elementene som henholdsvis er kjent som ferrittdannere og austenitt-dannere og, blant de nevnte austenitt- og ferrittdannerne, mengden av hvert av elementene som henholdsvis er kjent for å øke og nedsette energien forbundet med stablingsfeil, velges og avbalanseres slik at minst 60 vekt-% av legeringen ved romtemperatur foreligger i en metastabil, flatsentrert kubisk fase som har en energi forbundet med stablingsfeil som er lav nok til å gjøre .den i stand til og transformeres ved kavitasjonseksponering til en fin deformasjons-tvillingdannet, heksagonal tettpakket e-fase og/eller a-martensittfase.

3. Rustfri stållegering ifølge krav 2, karakterisert ved at den innbefatter: ca. 10 vekt-% Co; ca. 18 vekt-% Cr; og ca. 0,3 vekt-% C; resten utgjøres :i det vesentlige av Fe.

4. Rustfri stållegering ifølge krav 2, karakterisert ved at den innbefatter: ca. 15 vekt-% Co; ca. 2 8 vekt-% Cr; og ca. 0,3 vekt-% C; resten utgjøres i det vesentlige av Fe.

5. Rustfri stållegering ifølge krav 2, karakterisert ved at den innbefatter: ca. 15 vekt-% Co; ca. 18 vekt-% Cr; og ca. 0,3 vekt-% C; resten utgjøres i det vesentlige av Fe.

6. Stållegering ifølge krav 2, karakterisert ved at den innbefatter: ca. 20 vekt-% Co; ca. 13 vekt-% Cr; og ca.. 0,3 vekt-% C; resten utgjøres i det vesentlige av Fe.

7. Rustfri stållegering ifølge krav 2, karakterisert ved at den innbefatter: ca. 20 vekt-% Co; ca. 2 8 vekt-% Cr; ca. 9,3 vekt-% C; og ca. 1 vekt-% Mo; resten utgjøres i det vesentlige av Fe.

8. Stållegering ifølge krav 2, karakterisert ved at den innbefatter: ca. 20 vekt-% Co; ca. 18 vekt-% Cr; ca.0, 3 vekt-% C: og ca. 1 vekt-% Mo; resten utgjøres idet vesentlige av Fe.

9. Rustfri stållegering ifølge krav 2, karakterisert ved at den innbefatter: ca. 30 vekt-% Co; - ca. 2 5 vekt-% Cr; ca. 0,25 vekt-% C; og ca. 2 vekt-% Mo; resten utgjøres i det vesentlige av Fe.

10. Rustfri stållegering ifølge krav 2, karakterisert ved at den innbefatter: ca. 30 vekt-% Co; ca. 13 vekt-% Cr; ca. 0,2 5 vekt-% C; og ca. 2 vekt-% Mo; resten utgjøres i det vesentlige av Fe.

11. Rustfri stållegering som viser en høy kavitasjons-erosjonsresistens, karakterisert ved at legeringen innbefatter: fra 8 til 30 vekt-% Co; fra 13 til 30 vekt-% Cr; fra 0,0 3 til 0,3 vekt-% C; fra 3 til 9 vekt-% Mn; opp til 0,3 vekt-% N; opp til 3 vekt-% Si; opp til 1 vekt-% Ni; og opp til 2 vekt-% Mo; resten utgjøres i det vesentlige av Fe, hvor mengden av de ovenfor nevnte elementene som henholdsvis er kjent som ferrittdannere (Cr, Mo, Si) og som austenittdannere (C, N, Co, Ni, Mn) og, blant de nevnte austenitt- og ferrittdannerne, mengden av hvert av elementene som henholdsvis er kjent for å øke og nedsette energien forbundet med stablingsfeil, velges og avbalanseres slik at minst 60 vekt-% av legeringen ved romtemperatur foreligger i en metastabil, flatesentrert kubisk fase, som har en energi forbundet med stablingsfeil, som er lav nok til å gjøre den i stand til å omvandles ved kavitasjonseksponering til en fin deformasjbns-tvillingdannet, heksagonal tettpakket e-fase og/eller a-martensittfase.

12. Rustfri stållegering ifølge krav 11, karakterisert ved at legeringen utelukkende innbefatter: ca. 12 vekt-% Co; ca. 19 vekt-% Cr; ca. 0,2 vekt-% C; ca. 3 vekt-% Mn; og ca. 0,05 vekt-% lu- resten utgjøres i det vesentlige av Fe.

13. Rustfri stållegering ifølge krav 11, karakterisert ved at den innbefatter: ca. 8 vekt-% Co; ca. 13 vekt-% Cr; ca. 0,1 vekt-% C; ca. 9 vekt-% Mn; ca. 0,05 vekt-% N; og ca. 3 vekt-% Si; resten utgjøres i det vesentlige av Fe.

14. Rustfri stållegering ifølge krav 11, karakterisert ved at den innbefatter: ca. 12 vekt-% Co; ca. 13 vekt-% Cr; ca. 0,2 vekt-% C; ca. 9 vekt-% Mn; og ca. o,05 vekt-% N; resten utgjøres i det vesentlige av Fe.

15. Rustfri stållegering ifølge krav 11, karakterisert ved at den innbefatter: ca. 12 vekt-% Co; ca. 19 vektr% Cr; ca. 0,2 vekt-% C; ca. 9 vekt-% Mn; og ca. 0,05 vekt-% N; resten utgjøres i det vesentlige av Fe.

16. Rustfri stållegering ifølge krav 1, karakterisert ved at den innbefatter: ca. 12 vekt-% Co; ca. 19 vekt-% Cr; ca. 0,2 vekt-% C; ca. 1 vekt-% Mn; og ca. 0,2 vekt-% N; resten utgjøres i/ det vesentlige av Fe.

17. Rustfri stålkomponent for anvendelse ved fremstilling eller reparasjon av en hydraulisk maskin, karakterisert ved at komponenten er. fremstilt av eller belagt med en rustfri stållegering ifølge krav 1.

18. Rustfri stålkomponent for anvendelse ved fremstilling eller reparasjon av en hydraulisk maskin, karakterisert ved at komponenten er fremstilt av eller belagt med en rustfri stållegering ifølge krav 2.

19. Rustfri stålkomponent for anvendelse ved fremstilling eller reparasjon av en hydraulisk maskin, karakterisert ved at komponenten er fremstilt av eller belagt med en rustfri stållegering ifølge krav 11~.

20. Sveisetråd for anvendelse ved fremstilling eller reparasjon av en hydraulisk maskin, karakterisert ved at tråden er fremstilt av.en rustfri stållegering ifølge krav 1.

21. Sveisetråd for anvendelse ved fremstilling eller reparasjon av en hydraulisk maskin, karakterisert ved at tråden er fremstilt av en rustfri stållegering ifølge krav 2.

22. Sveisetråd for anvendelse ved fremstilling eller reparasjon av en hydraulisk maskin, karakterisert ved at tråden er fremstilt av en rustfri stållegering ifølge krav 11.