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Stellite 4

Le Stellite 4 est un alliage à base de cobalt résistant à l’usure et à la corrosion, offrant un bon équilibre entre dureté et ténacité. Idéal pour les pièces usinées CNC destinées aux vannes, pompes et systèmes mécaniques à fort contact avec une endurance thermique modérée.

Introduction à Stellite 4

Stellite 4 est un alliage cobalt-chrome-tungstène développé pour des applications nécessitant une excellente résistance à l’usure, au grippage (galling) et à la corrosion sous fortes charges et dans des conditions thermiques modérées. Positionné entre Stellite 1 et Stellite 6 en termes de dureté et de ténacité, il offre un équilibre entre usinabilité et durabilité.

Stellite 4 est largement utilisé pour des pièces usinées CNC exposées au glissement métal sur métal, à l’usure par fretting et à des environnements à impacts modérés. Sa microstructure se compose d’une matrice cobaltée tenace renforcée par des phases de carbures durs, ce qui le rend adapté aussi bien à l’état moulé qu’après usinage, dans les secteurs de l’aérospatiale, de l’énergie, du maritime et du pétrole & gaz.

Propriétés chimiques, physiques et mécaniques de Stellite 4

Stellite 4 (UNS R30004 / AMS 5387 / groupe ISO 5832-4) est un alliage cobalt à teneur moyenne en carbone, conçu pour résister à l’usure et à la corrosion dans des environnements à haute pression, corrosifs et légèrement thermiques.

Composition chimique (typique)

Élément	Plage de composition (en % masse)	Rôle clé
Cobalt (Co)	Équilibre (≥50,0)	Élément de base pour la dureté à chaud et la résistance à la corrosion
Chrome (Cr)	28,0–32,0	Apporte une résistance à l’oxydation et aux attaques chimiques
Tungstène (W)	12,0–15,0	Renforce la résistance à l’usure et à l’abrasion
Carbone (C)	1,5–2,0	Forme des carbures pour augmenter la dureté
Nickel (Ni)	≤3,0	Augmente la ductilité
Fer (Fe)	≤3,0	Élément résiduel mineur
Silicium (Si)	≤1,2	Améliore les caractéristiques de coulée
Manganèse (Mn)	≤1,0	Facilite l’aptitude au travail à chaud

Propriétés physiques

Propriété	Valeur (typique)	Norme/condition d’essai
Densité	8,75 g/cm³	ASTM B311
Plage de fusion	1260–1345°C	ASTM E1268
Conductivité thermique	12,0 W/m·K à 100°C	ASTM E1225
Résistivité électrique	0,95 µΩ·m à 20°C	ASTM B193
Dilatation thermique	12,6 µm/m·°C (20–400°C)	ASTM E228
Capacité calorifique massique	410 J/kg·K à 20°C	ASTM E1269
Module d’élasticité	210 GPa à 20°C	ASTM E111

Propriétés mécaniques (à l’état coulé ou HIP + traitement thermique)

Propriété	Valeur (typique)	Norme d’essai
Dureté	43–48 HRC (à l’état coulé) / jusqu’à 50 HRC (traité HIP)	ASTM E18
Résistance à la traction	950–1150 MPa	ASTM E8/E8M
Limite d’élasticité (0,2%)	550–700 MPa	ASTM E8/E8M
Allongement	1,5–3,5%	ASTM E8/E8M
Indice de résistance à l’usure	>2× l’acier inoxydable 316	ASTM G65

Caractéristiques clés de Stellite 4

Équilibre entre résistance à l’usure et ténacité : Offre une forte protection contre l’usure sans la fragilité des qualités Stellite plus dures, ce qui le rend idéal pour les contacts en glissement et les composants exposés aux impacts.
Dureté modérée avec une bonne usinabilité : Plus facile à usiner que Stellite 1 ou 3 tout en conservant une durabilité de surface supérieure.
Résistance à la corrosion : Résiste aux milieux acides, salins et oxydants jusqu’à 900°C, ce qui le rend adapté aux internes de vannes et de pompes.
Stabilité dimensionnelle : Maintient l’intégrité structurelle et des tolérances serrées pour des pièces exposées à la pression, au frottement et à une chaleur modérée.

Défis et solutions d’usinage CNC pour Stellite 4

Défis d’usinage

Usure abrasive des outils

Un volume de carbures modéré entraîne encore une usure en dépouille sur des outils non revêtus ou mal sélectionnés.

Arête rapportée (BUE) et étalement

Un refroidissement insuffisant ou un angle de coupe inadapté peut provoquer de l’adhérence, dégradant l’état de surface et le contrôle des tolérances.

Génération de chaleur

La faible conductivité thermique concentre la chaleur à l’interface de coupe, entraînant une dégradation de l’arête de l’outil.

Stratégies d’usinage optimisées

Choix de l’outil

Paramètre	Recommandation	Justification
Matériau de l’outil	Carbure revêtu PVD (K20–K30), ou CBN pour la finition	Gère l’usure abrasive et conserve l’intégrité de l’arête
Revêtement	TiAlN ou AlCrN (3–5 µm)	Réduit la chaleur et le frottement
Géométrie	Angle de coupe positif à neutre (5° à 0°), arête arrondie 0,03 mm	Contrôle les efforts de coupe et évite l’écaillage

Paramètres de coupe (ISO 3685)

Opération	Vitesse (m/min)	Avance (mm/tr)	Profondeur de passe (mm)	Pression de lubrifiant (bar)
Ébauche	10–18	0,20–0,30	2,0–3,0	100–120
Finition	20–28	0,05–0,10	0,5–1,0	120–150

Traitements de surface pour les pièces en Stellite 4 usinées

Pressage isostatique à chaud (HIP)

HIP à 1150°C et 150 MPa affine la microstructure, réduit la porosité et améliore la résistance à la fatigue et à l’usure.

Traitement thermique

Traitement thermique peut être utilisé après usinage pour soulager les contraintes résiduelles et stabiliser les carbures.

Soudage de superalliages

Soudage de superalliages permet un rechargement sans fissuration via des procédés TIG ou PTA, avec préchauffage et température inter-passes contrôlée.

Revêtement barrière thermique (TBC)

Revêtement TBC protège les pièces exposées à l’érosion par gaz chauds dans des systèmes à grande vitesse et haute température.

Usinage par électroérosion (EDM)

EDM est recommandé pour la finition de pièces en Stellite 4 durcies avec des tolérances ±0,005 mm et Ra <0,6 µm.

Perçage profond

Perçage profond est idéal pour fabriquer des alésages résistants à l’usure dans des cages et chemises de vannes.

Essais et analyse des matériaux

Essais matériaux incluent les tests de dureté, la simulation d’usure (ASTM G65) et la cartographie métallographique des carbures.

Applications industrielles des composants en Stellite 4

Sièges et tiges de vannes

Pièces usinées CNC pour des internes de vannes haute pression fonctionnant en service corrosif et érosif.

Pétrole et gaz

Orifices, chemises et garnitures de vannes de réglage (choke) exposés à des écoulements chargés (slurry), des fluides chargés de sable ou l’étranglement de gaz.