Stellite 21
ステライト21の概要
ステライト21は、卓越した靭性、耐食性、高温での機械的安定性で知られる鍛造（wrought）コバルト基合金です。硬さや耐摩耗（耐アブレージョン）を優先する他のステライト材とは異なり、ステライト21は、耐摩耗性に加えて優れた耐衝撃性と耐熱衝撃性が求められる用途向けに設計されています。コバルト、クロム、ニッケル、モリブデンのバランス組成により、優れた冶金学的安定性と耐かじり性を実現し、すべり接触や機械的衝撃に適しています。
ステライト21は鍛造または鋳造で製造され、その後、高度なCNC加工技術で精密仕上げされることが一般的です。航空宇宙、原子力、石油化学、医療分野で、バルブシート、エンジンスリーブ、人工関節インプラント、タービン用ハードウェアなどの部品に広く使用されており、特に寸法安定性と低摩擦の金属同士の接触が重要な場面で有効です。
ステライト21の化学的・物理的・機械的特性
ステライト21（UNS R30021 / AMS 5385 / ISO 5832-3）は、耐食性・耐摩耗性に優れたコバルト-クロム-モリブデン合金で、衝撃強度と熱疲労耐性が強化されています。鍛造材、鋳造材、粉末冶金材の形態で入手可能です。
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（≥60.0） | 耐食性、靭性、熱強度のための母相 |
クロム（Cr） | 26.0–30.0 | 耐酸化性を高め、不動態保護皮膜を形成 |
モリブデン（Mo） | 5.0–6.0 | 孔食およびすき間腐食耐性を向上 |
ニッケル（Ni） | 2.0–4.0 | 靭性と溶接性を改善 |
炭素（C） | 0.20–0.30 | 延性を維持しつつ、耐摩耗性のための炭化物を形成 |
鉄（Fe） | ≤3.0 | 残留元素 |
ケイ素（Si） | ≤1.0 | 鋳造時の表面品質と流動性を改善 |
マンガン（Mn） | ≤1.0 | 結晶粒を微細化し、高温加工性を改善 |
物理特性
特性 | 値（代表値） | 試験規格／条件 |
|---|---|---|
密度 | 8.33 g/cm³ | ASTM B311 |
融点範囲 | 1385–1435°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 14.0 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 0.98 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
熱膨張 | 13.4 µm/m·°C（20–400°C） | ASTM E228 |
比熱容量 | 430 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
弾性率 | 210 GPa（20°C） | ASTM E111 |
機械的特性（鍛造材またはHIP＋熱処理）
特性 | 値（代表値） | 試験規格 |
|---|---|---|
硬さ | 30–35 HRC（焼なまし）/ 35–42 HRC（時効） | ASTM E18 |
引張強さ | 900–1100 MPa | ASTM E8/E8M |
降伏強さ（0.2%） | 400–600 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | 8–15% | ASTM E8/E8M |
衝撃靭性 | ≥80 J（シャルピーVノッチ、室温） | ASTM E23 |
耐かじり性 | 優れる | ASTM G98 |
ステライト21の主要特性
高い靭性と耐割れ性：炭素量が低いため、他のステライト材より優れ、熱疲労、衝撃荷重、機械的ショックへの耐性を実現します。
塩化物および酸性媒体での耐食性：モリブデンとクロムの相乗効果により、孔食およびすき間腐食に対して非常に優れます。
良好な耐かじり性：潤滑なしの加圧条件下でも、金属同士の接触用途で良好に機能します。
高温での寸法安定性：熱サイクル環境下で850°Cまで信頼性高く動作し、歪みや劣化が最小限です。
ステライト21のCNC加工における課題と解決策
加工上の課題
中程度の炭化物含有量
ステライト6や12ほど研磨性は高くないものの、分散した炭化物と合金の高い靭性により、工具摩耗は依然として課題となります。
低い熱伝導率
局所的な発熱と加工硬化リスクを招き、特に仕上げ加工や長い工具当たり（エンゲージメント）で顕著です。
スプリングバックと工具たわみ
高い弾性率と強度により、荒加工や輪郭加工でビビリや寸法誤差が生じる可能性があります。
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 | PVDコーティング超硬（K20–K30）または仕上げ用CBN | 耐摩耗性と靭性のバランス |
コーティング | TiSiN または AlCrN（3–5 µm） | 工具温度と摩擦を低減 |
形状 | 中立～わずかに負すくい、刃先ホーニング（0.03 mm） | 刃先健全性と表面品位を向上 |
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 | 12–18 | 0.15–0.25 | 1.5–2.5 | 100–120 |
仕上げ加工 | 20–28 | 0.05–0.10 | 0.5–1.0 | 120–150 |
ステライト21加工部品の表面処理
熱間等方圧加圧（HIP）
HIPは疲労寿命を向上させ、内部空隙を除去します。特に、動的荷重下で使用される鋳造品や3Dプリント部品で重要です。
熱処理
熱処理は結晶粒組織を安定化し、加工による残留応力を除去しながら硬さを向上させます。
超合金溶接
超合金溶接では、同等材（ステライト21ロッド）を用いることで、耐食性や耐摩耗性を損なわずに高い接合健全性を確保します。
遮熱コーティング（TBC）
TBCコーティングは、800°Cを超える燃焼ガスや高温ガスにさらされる用途で部品寿命を延長します。
放電加工（EDM）
EDMは、仕上げ時の機械的応力を回避しつつ、Ra <0.5 µmで複雑形状を実現します。
深穴加工
深穴加工は、耐摩耗ボア、シールキャビティ、潤滑チャネルにおける精度を確保します。
材料試験・分析
材料試験には、引張試験、硬さ検証、金相（メタログラフィ）評価、ならびにNDT（超音波、浸透探傷、X線）が含まれます。
ステライト21部品の産業用途
航空宇宙・発電
タービンエンジンおよびホットセクションアセンブリ向けのバルブガイド、ブッシング、高荷重すべり摩耗部品。
原子力・石油化学
高圧腐食および放射線曝露に耐える、原子炉バルブシート、ポンプシャフト、制御用ハードウェア。
医療・整形外科デバイス
動的荷重下での優れた生体適合性と機械的耐久性により、股関節・膝関節部品に使用。
一般産業
加圧下の往復運動または揺動摩耗条件で使用される工具、耐摩耗パッド、ベアリングスリーブ。
