Русский

Stellite 31

Stellite 31 — кобальтовый сплав с высоким содержанием углерода и хрома, предназначенный для ЧПУ-компонентов, работающих в условиях экстремального износа, высоких температур и химически агрессивных сред. Обладает высокой твёрдостью, структурной надёжностью и коррозионной стойкостью.

Введение в Stellite 31

Stellite 31 — кобальтовый износостойкий сплав, известный исключительной работоспособностью в условиях высоких температур, высоких нагрузок и сильнокоррозионных сред. Он характеризуется повышенным содержанием углерода и хрома, а также значительной долей сложных карбидов, что обеспечивает выдающуюся твердость, термостабильность и устойчивость к трению металл-металл. По сравнению с другими сплавами Stellite, Stellite 31 демонстрирует более высокую стойкость к абразивному износу и лучше сохраняет прочность при температурах до 1100°C.

Сплав обычно получают литьем, подвергают HIP-обработке либо наносят как наплавочный (hardfacing) слой, после чего выполняют прецизионную доводку с применением современной обработки на станках с ЧПУ для обеспечения критически важных допусков. Stellite 31 широко используется в авиационно-космической отрасли, нефтегазовом секторе, атомной энергетике и химической промышленности для клапанной арматуры (trim), седловых колец, насосных деталей и других узлов, работающих при высокой температуре и интенсивном износе.

Химические, физические и механические свойства Stellite 31

Stellite 31 (UNS R30031 / семейство на базе ASTM F75) разработан для экстремальной абразивной и жаростойкой службы за счет высокого содержания карбидов в кобальт-хромовой матрице твердого раствора.

Химический состав (типичный)

Элемент	Диапазон содержания (мас.%)	Ключевая роль
Кобальт (Co)	Остальное (≥50.0)	Матрица для термостабильности и коррозионной стойкости
Хром (Cr)	25.0–28.0	Повышает окислительную и коррозионную стойкость
Углерод (C)	2.4–3.0	Обеспечивает образование большого объема карбидов для износостойкости
Вольфрам (W)	5.0–7.0	Формирует W-обогащенные карбиды для твердости и жароизносостойкости
Никель (Ni)	≤3.0	Повышает пластичность и свариваемость сплава
Железо (Fe)	≤3.0	Остаточный элемент
Кремний (Si)	≤1.2	Способствует литейности и стойкости к термоокислению
Марганец (Mn)	≤1.0	Улучшает горячую деформируемость и контроль структуры

Физические свойства

Свойство	Значение (типичное)	Стандарт/условие испытания
Плотность	8.65 г/см³	ASTM B311
Диапазон плавления	1320–1400°C	ASTM E1268
Теплопроводность	13.5 Вт/м·К при 100°C	ASTM E1225
Удельное электрическое сопротивление	0.94 µΩ·м при 20°C	ASTM B193
Тепловое расширение	13.1 µм/м·°C (20–400°C)	ASTM E228
Удельная теплоемкость	420 Дж/кг·К при 20°C	ASTM E1269
Модуль упругости	215 ГПа при 20°C	ASTM E111

Механические свойства (литое или HIP-обработанное состояние)

Свойство	Значение (типичное)	Стандарт испытания
Твердость	50–58 HRC	ASTM E18
Предел прочности при растяжении	1100–1250 МПа	ASTM E8/E8M
Предел текучести (0.2%)	600–750 МПа	ASTM E8/E8M
Относительное удлинение	1.0–2.0%	ASTM E8/E8M
Износостойкость	>4× по сравнению с 316 SS (ASTM G65)	ASTM G65
Рабочая температура	До 1100°C	N/A

Ключевые характеристики Stellite 31

Экстремальная стойкость к абразивному износу: высокая доля карбидов (~30–35% по объему) обеспечивает выдающуюся износостойкость при высоких напряжениях и сухом скольжении.
Высокотемпературная работоспособность: сохраняет твердость и целостность структуры при длительной работе до 1100°C.
Отличная стойкость к задирам (galling) и трению: оптимален для пар металл-металл с ограниченной смазкой, например, комбинаций седло/шток клапана.
Химическая и окислительная стойкость: стабильно работает в кислотах, паре, продуктах сгорания и средах с высокой соленостью.

Сложности и решения при обработке Stellite 31 на станках с ЧПУ

Сложности обработки

Быстрый износ инструмента

Сложная карбидная микроструктура вызывает интенсивный абразивный износ режущего инструмента, особенно при непрерывном контакте.

Высокие силы резания

Требуются повышенная мощность и жесткость оборудования из-за высокой прочности и низкой пластичности сплава.

Риск поверхностного растрескивания

Чрезмерное тепловыделение и низкая теплопроводность могут приводить к микротрещинам поверхности или выкрашиванию кромок при сухой обработке или недостаточном охлаждении.

Оптимизированные стратегии обработки

Выбор инструмента

Параметр	Рекомендация	Обоснование
Материал инструмента	Ультрамелкозернистый твердый сплав (K40) или керамика (SiAlON) для черновой; CBN для чистовой	Обеспечивает износостойкость при экстремальных нагрузках
Покрытие	AlTiN или TiAlCrN (PVD, 3–5 µm)	Защищает от тепла и трения
Геометрия	Отрицательный передний угол, притупление кромки радиусом 0.05 мм	Снижает выкрашивание и риск преждевременного разрушения инструмента

Режимы резания (соответствие ISO 3685)

Операция	Скорость (м/мин)	Подача (мм/об)	Глубина резания (мм)	Давление СОЖ (бар)
Черновая обработка	8–12	0.20–0.30	1.5–2.0	100–120
Чистовая обработка	16–20	0.05–0.10	0.3–0.8	120–150

Поверхностная обработка деталей из Stellite 31 после мехобработки

Горячее изостатическое прессование (HIP)

HIP устраняет внутреннюю пористость и повышает усталостную стойкость и размерную стабильность литых или 3D-печатных деталей.

Термообработка

Термообработка улучшает однородность карбидов и стабилизирует микроструктуру, повышая износостойкость после мехобработки.

Сварка сверхсплавов

Сварка сверхсплавов с использованием совместимой присадки сохраняет износо- и жароокислительную стойкость в зонах высокотемпературных соединений.

Теплозащитное покрытие (TBC)

Покрытие TBC обеспечивает дополнительное теплозащитное экранирование для деталей, контактирующих с продуктами сгорания при температурах выше 1000°C.

Электроэрозионная обработка (EDM)

EDM позволяет выполнять высокоточную обработку упрочненных зон и сложных геометрий без механической деформации.

Глубокое сверление

Глубокое сверление обеспечивает получение высокоточных каналов и внутренних проходов в насосных компонентах и клапанах.

Испытания и анализ материала

Испытания материалов включают профилирование твердости, испытания износа по G65, металлографию и ультразвуковую дефектоскопию.

Отраслевые применения компонентов из Stellite 31

Нефтегазовое оборудование

Седла клапанов, шаровые краны и забойный инструмент, работающие в условиях песка, рассола и циклов давления.

Авиационно-космическая турбомашиностроение

Уплотнительные кольца, износные планки и направляющие лопатки, требующие длительного ресурса и окислительной стойкости при высоких температурах и на больших высотах.