Stellite: Definizione, proprietà, gradi e applicazioni
La stellite è un metallo bianco-argento noto per la sua resistenza all'usura, alla corrosione e all'ossidazione ad alta temperatura, che la rendono molto apprezzata. Le sue proprietà uniche hanno portato ad applicazioni diffuse in vari settori, tra cui quello aerospaziale, automobilistico, medico e chimico.
La stellite esiste in diversi gradi e leghe, ognuno dei quali offre proprietà distinte, adatte a specifiche applicazioni. Questo articolo definisce la stellite, ne descrive le origini e le caratteristiche, ne illustra i diversi gradi e leghe e ne esplora le applicazioni.
Che cos'è la Stellite?
La stellite è una lega a base di cobalto, tipicamente di colore bianco-argento o grigio. Conosciuta anche come lega di cobalto-cromo-molibdeno, è ampiamente classificata in due tipi: Leghe Co-Cr-Mo, spesso utilizzate per prodotti fusi, e leghe Co-Ni-Cr-Mo, tipicamente forgiate (a caldo) per lavorazioni di precisione. È rinomata per la sua durezza, che offre un'eccellente resistenza all'usura, alla corrosione e all'ossidazione ad alta temperatura. Tra le applicazioni più comuni della lega di Stellite vi sono gli utensili da taglio e le applicazioni aerospaziali, le valvole e le sedi delle valvole, le parti automobilistiche e le applicazioni nell'industria energetica e chimica.
Qual è l'origine della stellite?
Nel 1907, l'americano Elwood Haynes inventò la lega Stellite basandosi sul principio che la struttura, dalla temperatura ambiente al punto di fusione, può contare in gran parte sul rafforzamento del carburo con elementi C, W, Cr e Co per stabilizzarsi. Questa lega, composta principalmente da cobalto, cromo e tungsteno, dopo il raffreddamento appare di colore bianco argento con una brillante lucentezza metallica simile a quella delle stelle. Il nome Stellite deriva dalla parola latina "Stella", che riflette il suo aspetto scintillante. Haynes in seguito marchio di fabbrica della stellite.
Di cosa è fatta la stellite?
La lega di stellite è composta principalmente da cobalto, con quantità significative di nichel, cromo, tungsteno e piccole quantità di molibdeno, niobio, tantalio, titanio, lantanio e occasionalmente ferro come elementi di lega.
Come si produce la stellite?
Vengono selezionati cobalto di elevata purezza e altri elementi di lega come cromo, molibdeno, nichel ed eventuali materiali di rinforzo. Questi materiali vengono poi fusi e mescolati ad alte temperature per garantire una composizione uniforme della lega. La composizione chimica e la struttura cristallina sono attentamente controllate. La lega viene modellata nelle dimensioni e nelle forme desiderate attraverso processi di fusione o di lavorazione a caldo.
Le prime leghe di Stellite venivano prodotte con tecniche di fusione e colata non sotto vuoto. Le leghe successive, come la lega Mar-M509, che contengono elementi più reattivi come lo zirconio e il boro, sono prodotte con tecniche di fusione e colata sotto vuoto.
Quali sono le caratteristiche principali della Stellite?
Le proprietà e le caratteristiche della Stellite variano a seconda del grado e della lega specifica, ma ecco alcune caratteristiche generali:
Resistenza all'usura: Presenta un'elevata durezza e resiste efficacemente all'usura, particolarmente adatta per applicazioni antiusura in ambienti ad alta temperatura e alta pressione. Ampiamente utilizzato in utensili, valvole, ecc.
Resistenza alle alte temperature: Mantiene la stabilità dimensionale in ambienti ad alta temperatura, impedendo la deformazione, adatto per applicazioni aerospaziali e chimiche.
Eccellente Durezza: In genere supera i 40 HRC e può arrivare a oltre 60 HRC, offrendo vantaggi significativi in termini di resistenza all'usura, al taglio e agli urti. Ampiamente utilizzato per utensili da taglio, parti resistenti all'usura, ecc.
Resistenza alla corrosione: Cromo, cobalto e altri elementi conferiscono un'eccellente resistenza alla corrosione, in grado di resistere a varie forme di corrosione chimica e all'erosione dei gas ad alta temperatura. Ampiamente utilizzati nell'industria aerospaziale e chimica.
Alta resistenza alla fatica: Dimostra buone proprietà meccaniche, mantenendo elevate prestazioni in condizioni di stress ripetuto, ideale per applicazioni che richiedono elevata affidabilità e durata (componenti strutturali).
Alta resistenza: La sua esclusiva struttura in lega le consente di resistere a carichi e forze d'urto elevati, svolgendo un ruolo cruciale nelle applicazioni ad alta resistenza.
Quali sono i gradi più comuni di Stellite?
Le leghe di stellite, in quanto materiale ingegneristico speciale, sono oggi ampiamente utilizzate. Presentano prestazioni eccellenti in termini di resistenza alle alte temperature, resistenza all'usura, resistenza all'erosione e alla corrosione. Tuttavia, le proprietà specifiche variano a seconda dei diversi gradi. I gradi tipici delle leghe di Stellite sono: Stellite 1, Stellite 4, Stellite 6, Stellite 8, Stellite 12, Stellite 20, Stellite 21, Stellite 31, Stellite 100.
1. Stellite 1 o UNS R30001
La Stellite 1, nota anche come UNS R30001, contiene circa 30,5% Cr, 12,5% W, 2,4% C e altri elementi. Grazie all'elevato contenuto di C e W, presenta la massima durezza e un'eccellente resistenza all'usura. Il grado 1 è tipicamente utilizzato per applicazioni quali sedi di valvole, cuscinetti e taglienti.
2. Stellite 4 o UNS R30004
La Stellite 4, contenente 30% Cr, 14% W, 1% C e altri elementi, è una lega fusa adatta alla lavorazione. È caratterizzata da elevata durezza, resistenza all'usura e alle alte temperature, che la rendono adatta ad applicazioni che richiedono una resistenza superiore all'usura. La Stellite 4 è comunemente utilizzata nella produzione di utensili da taglio, parti soggette a usura e componenti ad alta temperatura.
3. Stellite 6 o UNS R30006
Stellite 6nota anche come UNS R30006, contiene circa 29% Cr, 4% W, 1,15% C, oltre a piccole quantità di Ni, Fe, Si, Mn e Mo. Con un contenuto inferiore di C e W, la Stellite 6 offre una combinazione equilibrata di resistenza all'usura e tenacità. Presenta un'eccellente resistenza alle alte temperature e all'ossidazione, che la rendono il grado più utilizzato. La Stellite 6 è comunemente impiegata nella produzione di utensili da taglio, parti soggette a usura e componenti ad alta temperatura come ugelli e pale di turbine.
4. Stellite 8 o UNS R30008
La Stellite 8, contenente 27% Cr, 6% Mo, 2% Ni, 0,2% C e altri elementi, è una lega a basso tenore di carbonio rinforzata con molibdeno, nichel e altri elementi. Pur presentando una bassa durezza a temperatura ambiente, la sua durezza aumenta dopo il raffreddamento. Possiede un'eccellente resistenza alla corrosione ad alta temperatura, resistenza agli shock termici, elevata resistenza e duttilità, con un allungamento che varia tipicamente da 8% a 10% a temperatura ambiente. La Stellite 8 è lavorabile e viene comunemente utilizzata in applicazioni quali pale di turbine a gas, stampi per colata di ottone e matrici per estrusione.
5. Stellite 12 o UNS R30012
La Stellite 12, nota anche come UNS R30012, contiene 29,5% di Cr, 8,25% di W e 1,4% di C. Con livelli moderati di C e W, è considerata una lega intermedia tra la Stellite 6 e la Stellite 1. Presenta una durezza moderata, una migliore resistenza all'usura e una maggiore resistenza alle alte temperature rispetto alla Stellite 6. Rispetto alla Stellite 6, presenta una durezza moderata, una migliore resistenza all'usura e alle alte temperature. La Stellite 12 è comunemente utilizzata nella produzione di valvole ad alta temperatura e ad alta pressione, denti di sega e aste di spinta a spirale.
6. Stellite 20 o UNS R30020
La Stellite 20, nota anche come UNS R30020, contiene 32,5% Cr, 17,5% W e 2,5% C. Grazie all'elevato contenuto di carbonio, fino a 2,5%, e alla presenza di oltre 30% carburi nella sua struttura, questo grado presenta una forte resistenza all'usura e alla corrosione. Ha un'elevata durezza, fino a 52 HRC, ed è tipicamente utilizzata nella fusione o come materiale di rivestimento. La Stellite 20 è utilizzata in applicazioni quali manicotti per cuscinetti, anelli di tenuta rotanti, piastre di usura e supporti per macchine rettificatrici senza centri.
7. Stellite 21 o UNS R30021
La Stellite 21, nota anche come UNS R30021, contiene 27,5% Cr, oltre 5,5% Mo, 0,25% C e altri elementi. Grazie al rafforzamento del Mo e al basso contenuto di carbonio, la Stellite 21 è una lega di cobalto-cromo che presenta una minore durezza a temperatura ambiente e una maggiore durezza dopo il raffreddamento. Offre una buona resistenza alla corrosione ad alta temperatura, resistenza all'usura e proprietà meccaniche complessive. La Stellite 21 è adatta per la tempra di vari stampi di forgiatura a caldo ed è comunemente utilizzata nella produzione di pale di turbine, valvole per fluidi e sedi di valvole.
8. Stellite 31 o UNS R30031
La Stellite 31 è una lega non magnetica contenente 25% Cr, 10% Ni, 7% W, 0,3% C e piccole quantità di altri elementi. Ha un coefficiente di espansione termica relativamente basso, che la rende ideale per le applicazioni che richiedono stabilità dimensionale. Con una durezza compresa tra 35 e 45 HRC, è adatta al taglio di parti. La Stellite 31 presenta anche una forte resistenza agli shock termici ed è utilizzata principalmente per componenti di motori, parti di valvole, cuscinetti e matrici di estrusione.
9. Stellite 100 o UNS R30100
La Stellite 100 è la lega più dura della famiglia delle Stellite, con una durezza superiore a 61-66 HRC. Presenta inoltre un'elevata durezza a caldo, che si mantiene intorno a HRC 45 a 800°C, e un'eccezionale resistenza all'usura abrasiva. Possiede una buona resistenza alla corrosione, ma è difficile da lavorare. Questo tipo di lega è specificamente progettato per le applicazioni di taglio dei metalli ed è comunemente utilizzato nella produzione di utensili da taglio come lame e frese.
Quali sono le principali proprietà della stellite?
Di seguito sono elencate alcune delle proprietà fisiche e chimiche della stellite:
Densità: La stellite ha una densità che varia approssimativamente da 8,5 a 9,5 g/cm³.
Colore: La stellite presenta una lucentezza bianco-argentea o grigia.
Forza: La resistenza della stellite dipende dal grado e dalla concentrazione di elementi di lega. Le leghe di stellite possono raggiungere una resistenza alla trazione nell'intervallo 1100-1500 MPa, con una resistenza allo snervamento tipicamente compresa tra 800-1100 MPa, mostrando caratteristiche di elevata resistenza.
Resistenza all'usura: La stellite è caratterizzata da un elevato carico di snervamento a trazione, durezza ed eccellente resistenza alla fatica, che la rendono altamente durevole con una lunga durata prevista.
Resistenza alle alte temperature: La stellite ha un coefficiente di espansione termica di circa 12-14 µm/m-K (nell'intervallo 20-100°C), dimostrando una buona stabilità termica. Può mantenere le proprietà meccaniche a temperature elevate (fino a circa 1200°C) e resistere all'ossidazione ad alta temperatura.
Resistenza alla corrosione: La Stellite presenta un'eccellente resistenza ai comuni mezzi corrosivi come l'acido solforico, l'acido cloridrico e il bicarbonato di sodio, mantenendo stabili le proprietà meccaniche e resistendo all'ossidazione ad alte temperature.
Quali sono le applicazioni della stellite?
In base alle caratteristiche della stellite, un'attenta selezione dei gradi in base ai requisiti tecnici è essenziale per ottenere prestazioni globali ottimali. Ecco alcune applicazioni della stellite:
Aerospaziale
Le leghe di stellite sono materiali ideali per il settore aerospaziale grazie alla loro resistenza alle alte temperature, alla corrosione e all'ossidazione e alla capacità di sopportare ambienti estremi. Sono comunemente utilizzate nella produzione di componenti di motori, pale di turbine, parti della camera di combustione, valvole di scarico, ecc.
Automotive
Grazie alla sua resistenza all'usura e alle alte temperature, la stellite viene utilizzata nella produzione automobilistica per parti come i componenti del motore e i turbocompressori per migliorare la durata e le prestazioni meccaniche. La sua applicazione nell'industria automobilistica è piuttosto limitata a causa del suo costo più elevato rispetto ad altri materiali, ma il suo uso potrebbe espandersi con l'avanzare delle tecnologie automobilistiche.
Energia
L'eccellente resistenza all'usura, alla corrosione e alle alte temperature rende la Stellite adatta alla produzione di componenti utilizzati nelle attrezzature per l'estrazione del petrolio e del gas naturale (ad esempio, punte di trapano, corpi pompa) e per i componenti delle centrali termiche e nucleari, garantendo sicurezza, efficienza e affidabilità dell'energia.
Industria chimica
La Stellite può resistere alla corrosione di acidi forti, alcali, ossidanti e riduttori, rendendola adatta alla produzione di vari reattori, recipienti e tubazioni utilizzati per la manipolazione e lo stoccaggio di sostanze chimiche corrosive. Le applicazioni più comuni includono pompe, valvole, scambiatori di calore e altri componenti resistenti alla corrosione, che migliorano la sicurezza e l'efficienza della produzione chimica.
Industria meccanica
La stellite, nota per la sua eccellente resistenza all'usura, alle alte temperature e agli urti, è ampiamente utilizzata nella produzione di utensili da taglio come torni, frese, punte, alesatori e maschi. Mantiene l'affilatura durante le operazioni di taglio ad alta velocità e per impieghi gravosi e in condizioni di alta temperatura, prolungando così la vita degli utensili.
Medico
La Stellite è rinomata per la sua eccezionale resistenza all'usura, alla corrosione e alle alte temperature, che la rendono adatta alla produzione di strumenti chirurgici, lame, componenti durevoli di apparecchiature mediche, strumenti ortopedici e componenti di protesi articolari. Sebbene le leghe di Stellite presentino generalmente una buona biocompatibilità, in alcune applicazioni è necessario tenere conto di rischi potenziali quali il rilascio di ioni cobalto e le reazioni allergiche.
Queste applicazioni evidenziano la versatilità e l'importanza della Stellite in diversi settori.
Quali sono i limiti della Stellite?
Bassa duttilità: Le leghe di stellite presentano una scarsa duttilità, spesso causa di fragilità e suscettibilità alla frattura sotto carichi d'urto. Pertanto, non sono adatte all'impiego in componenti che richiedono resistenza ai carichi d'urto.
Difficile da lavorare: La stellite ha una durezza elevata che la rende difficile da lavorare. Per la lavorazione sono necessarie attrezzature e tecniche avanzate, che comportano tempi e costi di lavorazione più elevati.
Costo elevato: Il processo di produzione della stellite è complesso e prevede l'impiego di cobalto di elevata purezza e altri metalli preziosi, il che rende il suo costo significativamente più elevato rispetto ad altri materiali come l'acciaio inossidabile.
Domande frequenti
Quali sono i vantaggi della Stellite?
Le leghe di stellite presentano un'eccellente durezza e resistenza all'usura, mantenendo l'affilatura e la durata per un uso prolungato. Dimostrano un'eccezionale resistenza a vari prodotti chimici e ambienti corrosivi, rimangono stabili alle alte temperature e possiedono un'elevata resistenza.
Qual è il colore della stellite?
Le leghe di stellite sono tipicamente di colore grigio o grigio-argento. Questo colore è determinato principalmente dalla composizione della lega a base di cobalto, che spesso ricorda l'aspetto dell'acciaio inossidabile o dell'acciaio al cromo.
Quali sono i gradi di Stellite più comunemente utilizzati?
I gradi di Stellite più comunemente utilizzati sono la Stellite 1, la Stellite 6, la Stellite 12 e la Stellite 21. Queste corrispondono a leghe di cobalto-cromo-tungsteno a basso, medio e alto tenore di carbonio, utilizzate nelle applicazioni di fusione e saldatura. Gli strati depositati presentano un'eccellente resistenza alla corrosione, al calore e all'usura, mantenendo queste proprietà anche a temperature elevate, fino a 800°C.
Sintesi
Questo articolo presenta la stellite, spiegando cos'è e quali sono le sue caratteristiche, e discute le varie applicazioni della stellite. Se desiderate saperne di più sulla stellite, vi invitiamo a contattateci.
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