Stellite 3
Stellite 3の概要
Stellite 3は、高温域における極めて高い耐摩耗性・高硬度・耐食安定性が求められる用途向けに設計されたコバルト基合金です。Stellite 1よりも炭素（C）とタングステン（W）の含有量が高く、炭化物リッチな組織を形成するため、耐アブレージョン性（研磨摩耗抵抗）がさらに強化されています。高圧・高熱負荷条件下でのかじり（ガリング）、すべり摩耗、エロージョンに対して卓越した保護性能を発揮します。
一方で高硬度・高脆性のため、Stellite 3は、寸法精度、熱安定性、そして過酷な機械接触下での長寿命が重要なCNC加工部品に主に適用されます。代表的な用途として、硬質バルブトリム、オリフィスプレート、切断刃、金型など、強い摩耗や衝撃にさらされる部品が挙げられます。
Stellite 3の化学的・物理的・機械的特性
Stellite 3（UNS R30003 / AMS 5382 / ISO 5832-4系ファミリー）は、市販されているコバルト合金の中でも最も硬い部類に入り、一般に鋳造、粉末冶金、またはハードフェーシングで製造した後にCNC加工が行われます。
化学成分（代表値）
元素 | 組成範囲（wt.%） | 主な役割 |
|---|---|---|
コバルト（Co） | 残部（≥50.0） | 高温硬さ（ホットハードネス）と耐酸化性を担う母相 |
クロム（Cr） | 27.0–32.0 | 特に酸化性環境での耐食性を向上 |
タングステン（W） | 13.0–16.0 | 硬質タングステン炭化物により耐摩耗性を強化 |
炭素（C） | 2.4–3.3 | 炭化物体積率を増やし耐摩耗保護を強化 |
ニッケル（Ni） | ≤3.0 | 母相を靭化 |
鉄（Fe） | ≤3.0 | 残留元素 |
ケイ素（Si） | ≤1.2 | 鋳造性と表面仕上げ性を向上 |
マンガン（Mn） | ≤1.0 | 凝固時の組織安定化 |
物理特性
特性 | 代表値（典型） | 試験規格／条件 |
|---|---|---|
密度 | 8.75 g/cm³ | ASTM B311 |
融解温度範囲 | 1265–1355°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 11.0 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 0.98 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
熱膨張係数 | 12.5 µm/m·°C（20–400°C） | ASTM E228 |
比熱容量 | 410 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
ヤング率（弾性率） | 210 GPa（20°C） | ASTM E111 |
機械的特性（鋳造状態またはHIP＋熱処理）
特性 | 代表値（典型） | 試験規格 |
|---|---|---|
硬さ | 50–55 HRC（鋳造）／最大58 HRC（HIP処理） | ASTM E18 |
引張強さ | 1100–1250 MPa | ASTM E8/E8M |
耐力（0.2%） | 600–750 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | 0.5–1.5%（極めて低い） | ASTM E8/E8M |
耐摩耗指数 | >3×（316ステンレス比） | ASTM G65 |
Stellite 3の主な特長
極めて高い耐アブレージョン性：硬質炭化物の体積率が高く、粒子摩耗や金属同士の摩耗が大きい用途に最適です。
卓越した高温硬度：最大800°C程度まで>50 HRCの硬さを維持しやすく、熱サイクル下でも長期の耐摩耗保護を提供します。
耐食性・耐エロージョン安定性：酸性、塩化物リッチ、酸化性環境でも良好な性能を示し、流体制御や化学プロセス機器に適します。
低延性：固定位置部品に有利で、動的な曲げや高衝撃の繰り返し荷重用途には推奨されません。
Stellite 3のCNC加工における課題と解決策
加工上の課題
炭化物起因の工具摩耗
炭化物含有量が非常に高いため、低速条件でも逃げ面および刃先で研磨摩耗が進行します。
脆性
延性が限られるため、不適切な送り条件や断続切削により割れや欠けが生じることがあります。
熱損傷リスク
熱伝導率が低いため切削点に熱が集中し、工具被膜の劣化や寸法精度の悪化につながります。
最適化された加工戦略
工具選定
項目 | 推奨 | 理由 |
|---|---|---|
工具材質 | CBNまたはセラミック；仕上げはPVD被膜超硬も可 | 極高硬度・強研磨摩耗に対応 |
コーティング | AlTiN または TiSiN（3–5 µm） | 熱応力と逃げ面摩耗を抑制 |
形状 | 中立〜弱ネガ（0°〜-5°）、刃先ホーニング0.03–0.05 mm | 工具剛性を高め微小欠けを抑制 |
切削条件（ISO 3685）
加工 | 速度（m/min） | 送り（mm/rev） | 切込み（DOC）（mm） | クーラント圧（bar） |
|---|---|---|---|---|
荒加工 | 8–12 | 0.15–0.25 | 1.5–2.5 | 80–100 |
仕上げ加工 | 15–22 | 0.05–0.10 | 0.3–1.0 | 100–120 |
加工済みStellite 3部品の表面処理
熱間等方圧加圧（HIP）
HIP（1150°C、150 MPa）は、鋳造またはAM品の組織均一性を高め、耐摩耗性の改善に寄与します。
熱処理
熱処理は、加工後の残留応力を緩和し、炭化物分布を整えることで長期の硬さ保持を支援します。
超合金溶接
超合金溶接は、母材の予熱と低希釈条件でのTIGなどにより、割れのない接合と均一な耐摩耗ゾーン形成を狙います。
遮熱コーティング（TBC）
TBCコーティングは、850–1050°C域の熱負荷に加え摩耗リスクがある部品で耐熱性を強化します。
放電加工（EDM）
EDMは、複雑形状や硬化部品に必須で、±0.005 mm級の公差とRa <0.6 µmの仕上げに対応します。
深穴加工（Deep Hole Drilling）
深穴加工は、Stelliteブッシングやウェアスリーブなどにおける長尺・直線形状の加工を支援し、研磨性流体用途に有効です。
材料試験・分析
材料試験には、微小硬さマッピング、ASTM G65耐摩耗評価、断面金属組織観察が含まれます。
Stellite 3部品の産業用途
バルブトリム／バルブシート
蒸気バルブ、スロットルプレート、高圧シール部品などで優れた耐摩耗性とかじり抵抗を発揮します。
鉱業／スラリー系設備
従来合金が鉱物粒子で急速に摩耗する用途向けのポンプライナー、インペラ、オリフィス部品。
航空宇宙／タービン
エロージョンと大きな熱勾配に曝されるバーナーチップ、シュラウド、ノズルインサートなど。
切断・成形工具
難削材の加工に用いられるナイフ、シャー刃、ダイなどで、刃先保持と耐熱性が重要な用途。
