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Stellite 31

Le Stellite 31 est un alliage à base de cobalt à haute teneur en carbone et en chrome, conçu pour des composants usinés CNC exposés à une usure extrême, à des températures élevées et à des environnements chimiquement agressifs. Il offre une dureté élevée, une fiabilité structurelle et une excellente résistance à la corrosion pour les applications critiques.

Introduction à Stellite 31

Stellite 31 est un alliage à base de cobalt résistant à l’usure, reconnu pour ses performances exceptionnelles dans des environnements à haute température, forte charge et fortement corrosifs. Il se caractérise par une teneur élevée en carbone et en chrome, ainsi que par un volume important de carbures complexes, offrant une dureté remarquable, une excellente stabilité thermique et une forte résistance au glissement métal-métal. Comparé à d’autres alliages Stellite, Stellite 31 fournit une résistance supérieure à l’usure abrasive et une meilleure conservation de la résistance à chaud jusqu’à 1100°C.

Cet alliage est généralement moulé, traité par HIP, ou déposé en couche de rechargement dur (hardfacing), puis fini avec précision via un usinage CNC avancé afin de respecter des tolérances critiques. Stellite 31 est couramment utilisé dans l’aéronautique, l’oil & gas, le nucléaire et la chimie de procédé pour des garnitures de vannes (valve trims), bagues de siège (seat rings), composants de pompes et autres applications à forte usure et haute température.

Propriétés chimiques, physiques et mécaniques de Stellite 31

Stellite 31 (UNS R30031 / famille basée sur ASTM F75) est conçu pour une résistance extrême à l’abrasion et à la chaleur, avec une forte teneur en carbures au sein d’une matrice en solution solide cobalt-chrome.

Composition chimique (typique)

Élément	Plage de composition (en % masse)	Rôle clé
Cobalt (Co)	Équilibre (≥50,0)	Matrice de base pour la stabilité thermique et la résistance à la corrosion
Chrome (Cr)	25,0–28,0	Améliore la résistance à l’oxydation et à la corrosion
Carbone (C)	2,4–3,0	Favorise la formation d’un volume élevé de carbures pour la résistance à l’usure
Tungstène (W)	5,0–7,0	Forme des carbures riches en W pour la dureté et la tenue à l’usure à chaud
Nickel (Ni)	≤3,0	Améliore la ductilité et la soudabilité de l’alliage
Fer (Fe)	≤3,0	Élément résiduel
Silicium (Si)	≤1,2	Aide à la coulée et améliore la résistance à l’oxydation à chaud
Manganèse (Mn)	≤1,0	Améliore l’aptitude au travail à chaud et le contrôle de structure

Propriétés physiques

Propriété	Valeur (typique)	Norme/condition d’essai
Densité	8,65 g/cm³	ASTM B311
Plage de fusion	1320–1400°C	ASTM E1268
Conductivité thermique	13,5 W/m·K à 100°C	ASTM E1225
Résistivité électrique	0,94 µΩ·m à 20°C	ASTM B193
Dilatation thermique	13,1 µm/m·°C (20–400°C)	ASTM E228
Capacité calorifique massique	420 J/kg·K à 20°C	ASTM E1269
Module d’élasticité	215 GPa à 20°C	ASTM E111

Propriétés mécaniques (à l’état moulé ou traité HIP)

Propriété	Valeur (typique)	Norme d’essai
Dureté	50–58 HRC	ASTM E18
Résistance à la traction	1100–1250 MPa	ASTM E8/E8M
Limite d’élasticité (0,2%)	600–750 MPa	ASTM E8/E8M
Allongement	1,0–2,0%	ASTM E8/E8M
Résistance à l’usure	>4× vs. inox 316 (ASTM G65)	ASTM G65
Température de service	Jusqu’à 1100°C	N/A

Caractéristiques clés de Stellite 31

Résistance extrême à l’abrasion : Une teneur élevée en carbures (~30–35% en volume) fournit une résistance à l’usure exceptionnelle sous fortes contraintes et en glissement à sec.
Performances à haute température : Conserve sa dureté et son intégrité structurelle en service prolongé jusqu’à 1100°C.
Excellente résistance au grippage et faible friction : Idéal pour des applications métal-métal avec lubrification limitée, comme les ensembles siège/tige de vanne.
Résistance chimique et à l’oxydation : Fonctionne de manière fiable dans les acides, la vapeur, les gaz de combustion et les environnements à forte salinité.

Défis et solutions d’usinage CNC pour Stellite 31

Défis d’usinage

Usure rapide des outils

La microstructure complexe riche en carbures provoque une abrasion intense des outils de coupe, surtout lors d’usinages à engagement continu.

Efforts de coupe élevés

Nécessite davantage de puissance et de rigidité machine en raison de la résistance élevée de l’alliage et de sa ductilité limitée.

Risque de fissuration de surface

Une génération de chaleur excessive et une conductivité thermique faible peuvent entraîner des microfissures de surface ou l’ébrèchement des arêtes en usinage à sec ou avec un refroidissement insuffisant.

Stratégies d’usinage optimisées

Choix de l’outil

Paramètre	Recommandation	Justification
Matériau de l’outil	Carbure ultra-fin (K40) ou céramique (SiAlON) pour l’ébauche ; CBN pour la finition	Apporte une résistance à l’usure sous charges extrêmes
Revêtement	AlTiN ou TiAlCrN (PVD, 3–5 µm)	Protège contre la chaleur et la friction
Géométrie	Angle négatif, arête rodée (rayon) 0,05 mm	Évite l’usure de l’arête et la rupture d’outil

Paramètres de coupe (conformes ISO 3685)

Opération	Vitesse (m/min)	Avance (mm/tr)	Profondeur de passe (mm)	Pression de lubrifiant (bar)
Ébauche	8–12	0,20–0,30	1,5–2,0	100–120
Finition	16–20	0,05–0,10	0,3–0,8	120–150

Traitements de surface pour les pièces usinées en Stellite 31

Pressage isostatique à chaud (HIP)

HIP élimine la porosité interne et améliore la résistance à la fatigue ainsi que la constance dimensionnelle des pièces moulées ou issues de fabrication additive.

Traitement thermique

Traitement thermique améliore l’uniformité des carbures et la stabilité microstructurale, renforçant la résistance à l’usure après usinage.

Soudage de superalliages

Soudage de superalliages avec métal d’apport compatible permet de conserver la résistance à l’usure et à l’oxydation dans les zones d’assemblage à haute température.

Revêtement barrière thermique (TBC)

Revêtement TBC apporte un bouclier thermique supplémentaire pour les pièces exposées à des gaz de combustion au-delà de 1000°C.

Usinage par électroérosion (EDM)

EDM permet des opérations de haute précision sur zones durcies, sans déformation mécanique.

Perçage profond

Perçage profond assure des canaux et passage internes à tolérances serrées dans les composants de pompes et de vannes.

Essais et analyse des matériaux

Essais matériaux incluent le profil de dureté, les essais d’usure G65, la métallographie et la détection de défauts par ultrasons.

Applications industrielles des composants en Stellite 31

Équipements Oil & Gas

Sièges de vannes, vannes à boisseau sphérique (ball valves) et outils de fond (downhole) exposés au sable, à la saumure et à des cycles de pression.

Turbomachines aéronautiques

Bagues d’étanchéité (seal rings), bandes d’usure (wear strips) et aubes directrices nécessitant une longue durée de vie en usure et une résistance à l’oxydation à haute altitude et haute température.