Stellite 31
ステライト31の概要
ステライト31（Stellite 31）は、コバルト基の耐摩耗合金であり、高温・高荷重・強腐食環境において卓越した性能を発揮することで知られています。高い炭素およびクロム含有量に加え、複雑炭化物を高体積率で含むため、非常に高い硬さ、熱安定性、金属同士の摺動抵抗を実現します。一般的なステライト合金と比較して、ステライト31は優れた耐アブレシブ摩耗性を示し、最大1100°Cまでの高温域でも強度保持に優れます。
本合金は通常、鋳造、HIP処理、または肉盛（ハードフェーシング）として適用された後、重要公差を満たすために高度なCNC加工で精密仕上げされます。航空宇宙、石油・ガス、原子力、化学プロセス産業において、バルブトリム、シートリング、ポンプ部品などの高摩耗・高温用途で広く採用されています。
ステライト31の化学的・物理的・機械的特性
ステライト31（UNS R30031 / ASTM F75系ファミリー）は、コバルト-クロム固溶体母相中に高炭化物量を含むことで、極限の耐摩耗性と耐熱性を狙って設計されています。
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） | 熱安定性と耐食性の母相 |
クロム（Cr） | 25.0–28.0 | 耐酸化性・耐食性を向上 |
炭素（C） | 2.4–3.0 | 高体積率の炭化物生成を促進し耐摩耗性を向上 |
タングステン（W） | 5.0–7.0 | Wリッチ炭化物を形成し硬さと高温摩耗抵抗を付与 |
ニッケル（Ni） | ≤3.0 | 延性と溶接性を補助 |
鉄（Fe） | ≤3.0 | 残留元素 |
ケイ素（Si） | ≤1.2 | 鋳造性と熱酸化耐性を補助 |
マンガン（Mn） | ≤1.0 | 高温加工性と組織制御を改善 |
物理特性
特性 | 値（代表値） | 試験規格／条件 |
|---|---|---|
密度 | 8.65 g/cm³ | ASTM B311 |
融点範囲 | 1320–1400°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 13.5 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 0.94 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
熱膨張 | 13.1 µm/m·°C（20–400°C） | ASTM E228 |
比熱容量 | 420 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
弾性率 | 215 GPa（20°C） | ASTM E111 |
機械的特性（鋳造材またはHIP処理材）
特性 | 値（代表値） | 試験規格 |
|---|---|---|
硬さ | 50–58 HRC | ASTM E18 |
引張強さ | 1100–1250 MPa | ASTM E8/E8M |
降伏強さ（0.2%） | 600–750 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | 1.0–2.0% | ASTM E8/E8M |
耐摩耗性 | >4×（316SS比、ASTM G65） | ASTM G65 |
使用温度 | 最大1100°C | N/A |
ステライト31の主要特性
極限の耐アブレシブ摩耗性：高い炭化物含有（体積比約30–35%）により、高応力・乾式摺動条件下でも卓越した耐摩耗性を発揮します。
高温性能：最大1100°Cの持続高温下でも硬さと構造健全性を保持します。
優れた耐かじり性・低摩擦特性：潤滑が限られる金属同士の接触（例：バルブシートとステム）に最適です。
耐薬品性・耐酸化性：酸、蒸気、燃焼ガス、高塩分環境などで安定して性能を維持します。
ステライト31のCNC加工における課題と解決策
加工上の課題
急速な工具摩耗
複雑炭化物を含む微細組織が切削工具に強いアブレシブ摩耗を与え、特に連続切削では摩耗が顕著になります。
高い切削抵抗
高い引張強さと低い延性により、加工には高い主軸出力と高剛性の機械構成が要求されます。
表面割れリスク
発熱が過大で冷却不足の場合、低い熱伝導性と相まって表面マイクロクラックやエッジ欠け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 | 超微粒超硬（K40）またはセラミック（SiAlON）で荒加工；仕上げはCBN | 極限負荷下での耐摩耗性を確保 |
コーティング | AlTiN または TiAlCrN（PVD、3–5 µm） | 熱・摩擦から刃先を保護 |
刃形 | 負すくい＋刃先Rホーニング 0.05 mm | エッジ摩耗と破損を抑制 |
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 | 8–12 | 0.20–0.30 | 1.5–2.0 | 100–120 |
仕上げ加工 | 16–20 | 0.05–0.10 | 0.3–0.8 | 120–150 |
ステライト31加工部品の表面処理
熱間等方圧加圧（HIP）
HIPは内部気孔を除去し、鋳造材または3Dプリント材の疲労抵抗と寸法一貫性を向上させます。
熱処理
熱処理は炭化物の均一性と組織安定性を高め、加工後の耐摩耗性を改善します。
超合金溶接
超合金溶接では、適合する溶加材を用いることで高温接合部における耐摩耗性・耐酸化性を維持します。
遮熱コーティング（TBC）
TBCコーティングは、1000°Cを超える燃焼ガスにさらされる部品に追加の遮熱効果を提供します。
放電加工（EDM）
EDMは、機械的変形を与えずに硬化部の高精度加工（微細形状）を可能にします。
深穴加工
深穴加工は、ポンプ部品やバルブの内部流路・通路を高精度に加工できます。
材料試験・分析
材料試験には、硬さプロファイル、G65摩耗試験、金属組織観察、超音波探傷などが含まれます。
ステライト31部品の産業用途
石油・ガス機器
砂、塩水、圧力サイクルにさらされる、バルブシート、ボールバルブ、坑内ツール。
航空宇宙ターボ機械
高高度・高温で長寿命の耐摩耗性と耐酸化性が求められる、シールリング、摩耗ストリップ、ガイドベーン。
発電
蒸気および熱サイクル環境で作動する、ボイラ部品、バーナーノズル、給水バルブ。
金属成形・鉱業
押出・高衝撃アブレシブ系で使用される、ダイ、パンチ、ライナー。
