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Anwendung von Kobaltlegierungen in Umgebungen mit extrem niedrigen Temperaturen

2025-07-04 09:00

Im Bereich der Tieftemperaturtechnik müssen die Materialien für Gerätezubehör mechanische Stabilität, Versprödungsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei extremen Temperaturen aufweisen. Kobaltbasierte Legierungen zeichnen sich aufgrund ihrer einzigartigen Zusammensetzung und Mikrostruktur durch eine hervorragende Gesamtleistung in Tieftemperaturumgebungen aus. Sie haben sich zu Schlüsselwerkstoffen für Ersatzteile in der Luft- und Raumfahrt, der Flüssigerdgas-Industrie, der Supraleitungstechnologie und anderen Bereichen entwickelt.

Kobaltlegierungen

Kobaltlegierungen basieren auf Kobalt, dem hauptsächlich Chrom, Wolfram, Kohlenstoff und andere Elemente zugesetzt werden. Die dicht gepackte hexagonale Kristallstruktur von Kobalt weist eine ausgezeichnete Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen auf, und die dichte Cr2DER3Oxidfilme können Korrosion effektiv widerstehen. Wolfram verbessert die Festigkeit der Matrix durch Mischkristallverfestigung, während Kohlenstoff mit Chrom und Wolfram hochharte Carbide bildet, die gleichmäßig in der kobaltbasierten Mischkristalllösung verteilt sind und eine harte Skelettstruktur bilden, die sowohl Verschleißfestigkeit als auch Zähigkeit bietet. Diese komplexe Phasenstruktur macht das Material weniger anfällig für Versprödung bei extrem niedrigen Temperaturen und weist eine hervorragende Schlagzähigkeit auf.

Der Hauptvorteil von Kobaltlegierungen in Umgebungen mit extrem niedrigen Temperaturen

Kobaltlegierungen behalten auch bei -196 °C ihre hohe Festigkeit und Plastizität. Die Tieftemperaturzähigkeit ihrer kobaltbasierten Mischkristalle hemmt wirksam die Rissausbreitung. Im Gegensatz dazu neigt gewöhnlicher Edelstahl bei extrem niedrigen Temperaturen zur Versprödung durch martensitische Umwandlung. Gleichzeitig verhindert eine Kobaltlegierung durch optimierte Zusammensetzung Phasenänderungen der Kristallstruktur und gewährleistet so strukturelle Stabilität.

In Medien mit extrem niedrigen Temperaturen wie LNG ist die Oberflächenbeschichtung aus Kobaltlegierungen beständig gegen korrosive Umgebungen mit Cl⁻. Beispielsweise verwendet ein spezielles LNG-Absperrventil einen Ventilkörper aus Kobaltlegierung, kombiniert mit einem kryogenen Behandlungsprozess. Dadurch erreicht die wechselseitig schwimmende Struktur des Dichtrings eine radiale dynamische Ausgleichsdichtung, was den Verschleiß deutlich reduziert und die Lebensdauer verlängert.

Das hochharte Karbid der Kobaltlegierung widersteht abrasivem Verschleiß und Erosionsverschleiß bei extrem niedrigen Temperaturen. Beispielsweise sorgt die Verschleißfestigkeit der Kobaltlegierung bei LNG-Pumpenhülsen und Dichtringen für eine drei- bis fünfmal längere Lebensdauer als bei herkömmlichen Materialien. Darüber hinaus hält ihre Ermüdungsbeständigkeit häufigen Temperaturwechseln stand.

Anwendung von Kobaltlegierungen im Ultratieftemperaturbereich

Flüssigerdgas (LNG)-Ausrüstung

Kobaltlegierungen haben sich aufgrund ihrer niedrigen Temperaturbeständigkeit und Verschleißfestigkeit als ideales Material für Ventildichtflächen, Pumpenlaufräder und Lager in Schlüsselkomponenten von LNG-Lagertanks, Transportschiffen und Fernleitungen erwiesen. Nach der Kryobehandlung erfüllen die hergestellten Dichtungskomponenten die strengen Anforderungen an Niedertemperatur-Arbeitsbedingungen, reduzieren das Öffnungs- und Schließdrehmoment der Anlage deutlich und verlängern die Lebensdauer. Dies gewährleistet effektiv einen sicheren und stabilen Betrieb der LNG-Industriekette.

Kryogenes Weltraumantriebssystem

Kobaltlegierungen spielen eine Schlüsselrolle in Turbinenpumpen, Ventilen und Rohrleitungskomponenten von Flüssigwasserstoff-/Flüssigsauerstoff-Raketentriebwerken. Ihre hervorragende Kavitations- und Thermoschockbeständigkeit gewährleistet bei extrem niedrigen Temperaturen von -253 °C die zuverlässige Leistung von Kernkomponenten wie Turbinenschaufeln und Dichtungen unter wechselnden Hoch- und Tieftemperaturbelastungen. Diese Legierungsart ist sowohl hochwarmfest als auch tiefwarmzäh und kann sich an die komplexen thermomechanischen Bedingungen im Antriebssystem anpassen.

Supraleitungstechnologie und Kryotechnik

Kobaltlegierungen haben sich aufgrund ihres niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten zum bevorzugten Material für Stützstrukturen und Verbindungselemente im strukturellen Design supraleitender Magnete und kryogener Kühlgeräte entwickelt. Dadurch sind sie thermisch gut mit supraleitenden Materialien kompatibel und reduzieren die Auswirkungen thermischer Spannungen in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen effektiv. Selbst bei extrem niedrigen Temperaturen von -269 °C gewährleisten ihre stabilen mechanischen Eigenschaften die Zuverlässigkeit und Integrität der Gerätestruktur.

Vergleichende Analyse von Materialeigenschaften

Im Leistungsvergleich zeichnen sich Kobaltlegierungen durch herausragende Härte, Tieftemperaturzähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit aus. Ihre Härte bei Raumtemperatur kann 40–60 HRC erreichen und ist damit deutlich höher als bei Titanlegierungen und Edelstahl.

Was die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen betrifft, weisen Kobaltlegierungen bei -196 °C kein Versprödungsphänomen auf, Titanlegierungen können bei -253 °C eine gewisse Plastizität beibehalten und gewöhnlicher Edelstahl neigt bei -196 °C zu Sprödbrüchen.

Kobaltlegierungen weisen eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Cl⁻-Korrosion auf, Titanlegierungen weisen eine gute Beständigkeit gegen oxidierende Medien auf und Edelstahl muss passiviert werden, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.

In Bezug auf die Verschleißfestigkeit weisen Kobaltlegierungen aufgrund der Karbidverstärkung eine hervorragende Leistung auf, Titanlegierungen weisen eine mäßige Verschleißfestigkeit auf und sind auf eine Oberflächenbehandlung angewiesen, und Edelstahl weist eine geringe Verschleißfestigkeit auf und neigt während des Gebrauchs zu Verschleißproblemen.

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