Stellite 4
ステライト4の概要
ステライト4は、優れた耐摩耗性、耐かじり性、耐食性が高荷重かつ中程度の熱条件下で求められる用途向けに開発された、コバルト‐クロム‐タングステン合金です。硬さと靭性の面でステライト1とステライト6の中間に位置し、被削性と耐久性のバランスに優れています。
ステライト4は、金属同士の摺動、フレッティング摩耗、ならびに中程度の衝撃環境にさらされるCNC加工部品で広く使用されています。その微細組織は、硬質炭化物相で強化された靭性の高いコバルト母相から構成され、航空宇宙、エネルギー、海洋、石油・ガス分野において、鋳造状態および機械加工後のいずれの使用条件にも適しています。
ステライト4の化学的・物理的・機械的特性
ステライト4（UNS R30004 / AMS 5387 / ISO 5832-4 group）は、中炭素のコバルト合金で、高圧・腐食性・軽度の熱環境における耐摩耗性および耐食性を目的とし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） | 高温硬さと耐食性のための母材元素 |
クロム（Cr） | 28.0–32.0 | 耐酸化性および耐薬品性を付与 |
タングステン（W） | 12.0–15.0 | 耐摩耗性・耐擦傷性を向上 |
炭素（C） | 1.5–2.0 | 炭化物を形成して硬さを向上 |
ニッケル（Ni） | ≤3.0 | 延性を向上 |
鉄（Fe） | ≤3.0 | 微量残留元素 |
ケイ素（Si） | ≤1.2 | 鋳造特性を向上 |
マンガン（Mn） | ≤1.0 | 熱間加工性を補助 |
物理特性
特性 | 値（代表値） | 試験規格／条件 |
|---|---|---|
密度 | 8.75 g/cm³ | ASTM B311 |
融点範囲 | 1260–1345°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 12.0 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 0.95 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
熱膨張 | 12.6 µm/m·°C（20–400°C） | ASTM E228 |
比熱容量 | 410 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
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 | 値（代表値） | 試験規格 |
|---|---|---|
硬さ | 43–48 HRC（鋳造）/ 最大50 HRC（HIP処理） | ASTM E18 |
引張強さ | 950–1150 MPa | ASTM E8/E8M |
降伏強さ（0.2%） | 550–700 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | 1.5–3.5% | ASTM E8/E8M |
耐摩耗指数 | >2× 316ステンレス鋼 | ASTM G65 |
ステライト4の主要特性
耐摩耗性と靭性のバランス：より硬いステライト系グレードに見られる脆さを抑えつつ高い耐摩耗性を提供し、摺動接触や衝撃を受けやすい部品に最適です。
中程度の硬さと良好な被削性：優れた表面耐久性を維持しながら、ステライト1や3よりも加工しやすい特性があります。
耐食性：900°Cまでの酸性・塩水・酸化性環境に耐性を示し、バルブやポンプ内部部品に適しています。
寸法安定性：圧力・摩擦・中程度の熱にさらされる部品でも構造健全性と厳しい公差を維持します。
ステライト4のCNC加工における課題と解決策
加工上の課題
工具の摩耗（アブレシブ摩耗）
炭化物量が中程度でも、未コーティング工具や不適切に選定された工具ではフランク摩耗が発生しやすくなります。
構成刃先（BUE）とスメアリング
冷却不足またはすくい角が不適切な場合、付着が生じて表面粗さの悪化や公差管理の低下につながります。
発熱
熱伝導率が低いため切削界面に熱が集中し、工具刃先の劣化を招きます。
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）、仕上げにはCBNも可 | アブレシブ摩耗に対応し、刃先健全性を維持 |
コーティング | TiAlN または AlCrN（3–5 µm） | 発熱と摩擦を低減 |
形状 | 正〜中立すくい（5°〜0°）、ホーニング刃先 0.03 mm | 切削抵抗を制御し、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 | 10–18 | 0.20–0.30 | 2.0–3.0 | 100–120 |
仕上げ加工 | 20–28 | 0.05–0.10 | 0.5–1.0 | 120–150 |
ステライト4加工部品の表面処理
熱間等方圧加圧（HIP）
HIP（1150°C、150 MPa）は微細組織を緻密化し、気孔率を低減して疲労特性と耐摩耗性を向上させます。
熱処理
熱処理は機械加工後に実施し、残留応力の緩和および炭化物の安定化に用いることができます。
超合金溶接
超合金溶接は、予熱および層間温度の管理のもと、TIGまたはPTA方式によるクラックのない肉盛りを可能にします。
遮熱コーティング（TBC）
TBCコーティングは、高速・高温システムにおいて高温ガスによるエロージョンにさらされる部品を保護します。
放電加工（EDM）
EDMは、硬化したステライト4部品の仕上げに推奨され、許容差±0.005 mm、Ra <0.6 µmを実現可能です。
深穴加工
深穴加工は、バルブケージやスリーブの耐摩耗ボア形状の製造に最適です。
材料試験・分析
材料試験には、硬さ試験、摩耗シミュレーション（ASTM G65）、および金属組織観察による炭化物マッピングが含まれます。
ステライト4部品の産業用途
バルブシートおよびステム
腐食性・エロージョン環境で作動する高圧バルブ内部向けのCNC加工部品。
石油・ガス
スラリー流、砂を含む流体、またはガス絞りにさらされるオリフィス、スリーブ、チョークバルブトリム。
海洋工学
生物付着および海水によるエロージョンに耐えるシャフトスリーブ、ポンプ部品、ブッシュ。
エネルギー・発電
蒸気タービンや熱サイクルシステムにおけるスライディングパッドおよびウェアリング。
