Stellite 20
ステライト20の概要
ステライト20は、高温、腐食性環境、機械的摩耗を伴う過酷な使用条件に対応するよう設計された、コバルト基の高合金材料です。クロムおよびタングステン含有量の増加に加え、ニッケルとモリブデンを添加している点が特徴で、特に酸化性および硫化性雰囲気において優れた耐食性を発揮します。また、1000°Cまで構造安定性と硬さを維持できることで知られています。
ステライト20は通常、鋳造または肉盛り（ハードフェーシング）として適用された後、精密CNC加工によって仕上げられます。化学的に攻撃性の高い、または熱的に不安定な環境で使用される産業用バルブ、高温ガスシール、ポンプ部品、炉内部品などに広く用いられています。高い耐摩耗性、優れた耐食性、高温強度の組み合わせにより、エネルギー、航空宇宙、化学プロセス分野における有力な選択肢となっています。
ステライト20の化学的・物理的・機械的特性
ステライト20（UNS R30605 / AMS 5382）は、広い温度域にわたって高性能な耐摩耗特性を示す耐食性コバルト合金です。その化学バランスは、固溶強化と炭化物分散の両方をもたらし、荷重および腐食攻撃下での耐久性を確保します。
化学成分（代表値）
元素 | 組成範囲（wt.%） | 主な役割 |
|---|---|---|
コバルト（Co） | バランス（≥50.0） | 耐食性と熱安定性のための母相元素 |
クロム（Cr） | 30.0–33.0 | 耐酸化性と不動態皮膜の形成 |
タングステン（W） | 4.0–6.0 | 硬質炭化物を形成し耐摩耗性を付与 |
ニッケル（Ni） | 2.0–5.0 | 耐食性と延性を向上 |
モリブデン（Mo） | 2.0–4.0 | 孔食およびすき間腐食耐性を改善 |
炭素（C） | 1.0–1.4 | 炭化物ネットワークにより硬さへ寄与 |
鉄（Fe） | ≤3.0 | 残留元素 |
ケイ素（Si） | ≤1.2 | 鋳造流動性を向上 |
マンガン（Mn） | ≤1.0 | オーステナイト組織を安定化 |
物理特性
特性 | 値（代表値） | 試験規格／条件 |
|---|---|---|
密度 | 8.50 g/cm³ | ASTM B311 |
融点範囲 | 1300–1380°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 12.8 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 0.90 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
熱膨張 | 13.1 µm/m·°C（20–400°C） | ASTM E228 |
比熱容量 | 430 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
弾性率 | 215 GPa（20°C） | ASTM E111 |
機械的特性（鋳造状態またはHIP＋熱処理）
特性 | 値（代表値） | 試験規格 |
|---|---|---|
硬さ | 42–50 HRC（鋳造）/ 最大53 HRC（HIP処理） | ASTM E18 |
引張強さ | 950–1100 MPa | ASTM E8/E8M |
降伏強さ（0.2%） | 450–600 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | 2.0–3.5% | ASTM E8/E8M |
耐酸化性 | 1000°Cまで安定 | ASTM G111 |
耐硫化性 | 極めて良好 | NACE TM0177 |
ステライト20の主要特性
卓越した耐酸化性・耐硫化性：クロム、ニッケル、モリブデンにより、特に硫黄リッチまたは塩素含有雰囲気など、攻撃性の高い化学雰囲気中でも耐食健全性を維持します。
高温強度と安定性：1000°Cまで耐摩耗性と機械的健全性を維持し、炉やタービン関連用途に適しています。
高硬さと延性の両立：優れた耐摩耗性に加え中程度の靭性を備え、熱サイクル荷重や衝撃下での割れリスクを低減します。
酸および塩化物環境での耐食性：塩酸、二酸化硫黄、海水曝露に対して有効に抵抗し、化学・海洋用途での長寿命化に寄与します。
ステライト20のCNC加工における課題と解決策
加工上の課題
研磨性の高い炭化物組織
タングステン炭化物の生成物は非常に研磨性が高く、未コーティング工具や低グレード工具を急速に劣化させます。
加工硬化
多くのコバルト基合金と同様に、ステライト20はひずみ硬化を示し、加工中に表面硬さが増加してビビリや工具たわみを招きます。
熱蓄積
合金の低い熱伝導率により工具が過熱し、コーティングの剥離や刃先の微小亀裂につながります。
最適化された加工戦略
工具選定
パラメータ | 推奨 | 根拠 |
|---|---|---|
工具材種 | 微粒超硬（K30–K40）または PCD/CBNインサート | 炭化物による摩耗に耐え、刃先安定性を維持 |
コーティング | TiAlN または AlCrN（PVD、3–5 µm） | 熱拡散と摩擦を最小化 |
形状 | 負すくい＋刃先ホーニング 0.05 mm | 工具強度の確保とノッチ摩耗低減のバランス |
切削条件（ISO 3685準拠）
加工 | 速度（m/min） | 送り（mm/rev） | 切込み（mm） | クーラント圧（bar） |
|---|---|---|---|---|
荒加工 | 10–16 | 0.20–0.25 | 1.5–2.5 | 100–120 |
仕上げ加工 | 18–24 | 0.05–0.10 | 0.5–1.0 | 120–150 |
ステライト20加工部品の表面処理
熱間等方圧加圧（HIP）
HIPは内部空隙を除去することで機械特性を向上させ、疲労強度と硬さの均一性を高めます。
熱処理
熱処理は組織を最適化し、加工後の熱割れ抵抗と寸法変動（ドリフト）耐性を改善します。
超合金溶接
超合金溶接では、ステライト20適合の溶加材を用いることで、アセンブリにおける耐摩耗性・耐食性を保持します。
遮熱コーティング（TBC）
TBCコーティングは、高温ガスまたは燃焼環境にさらされる表面を保護し、>950°Cでの部品寿命を延長します。
放電加工（EDM）
EDMは、耐摩耗構造における精密形状加工と表面健全性の制御に最適です。
深穴加工
深穴加工は、L/D比>20:1のガイドボアやノズルオリフィスを高精度に加工できます。
材料試験・分析
材料試験には、G65摩耗試験、腐食分析、硬さ検証、ならびに超音波による欠陥検査が含まれます。
ステライト20部品の産業用途
化学プロセス機器
バルブトリム、ポンプスリーブ、攪拌シャフトは、酸性および酸化性薬品に対する耐性を備えます。
高温産業炉
バーナーノズル、シールド、ガイドチューブは、高い熱サイクル環境での安定性が求められます。
海洋・オフショア
エネルギーまたは淡水化システムにおいて、海水、塩化物リッチな蒸気、腐食性ブラインに曝される部品。
石油・ガス
砂によるエロージョンとサワーガスにさらされる坑内工具、BOP（噴出防止装置）インサート、掘削機器。
