Stellite 20
Stellite 20 简介
Stellite 20 是一种钴基高合金材料，专为在高温、腐蚀环境与机械磨损并存的严苛工况下工作而设计。其特点在于更高的铬与钨含量，并额外添加镍与钼，使 Stellite 20 具备更出色的耐腐蚀能力，尤其适用于氧化性与硫化性气氛。该合金还以在高达 1000°C 仍能保持结构稳定性与硬度而著称。
Stellite 20 通常以铸造或堆焊硬面方式成形/施加，随后通过精密 CNC 加工 完成精加工。它广泛应用于工业阀门、高温气体密封、泵部件以及炉内构件等，这些部件往往在化学腐蚀强或热稳定性差的环境中运行。高耐磨性、优异的耐腐蚀性与高温强度的组合，使其成为能源、航空航天与化工过程行业的首选材料之一。
Stellite 20 的化学、物理与机械性能
Stellite 20（UNS R30605 / AMS 5382）是一种耐腐蚀钴基合金，在宽温域范围内提供高性能的耐磨特性。其化学平衡兼顾固溶强化与碳化物弥散强化，使其在承载与腐蚀/侵蚀介质共同作用下仍具备良好的耐久性。
化学成分（典型值）
元素 | 含量范围（wt.%） | 关键作用 |
|---|---|---|
钴（Co） | 余量（≥50.0） | 耐腐蚀与热稳定性的基体元素 |
铬（Cr） | 30.0–33.0 | 抗氧化并形成钝化膜 |
钨（W） | 4.0–6.0 | 形成硬质碳化物以提升耐磨性 |
镍（Ni） | 2.0–5.0 | 提高耐腐蚀性与延展性 |
钼（Mo） | 2.0–4.0 | 提升抗点蚀与缝隙腐蚀能力 |
碳（C） | 1.0–1.4 | 通过碳化物网络提高硬度 |
铁（Fe） | ≤3.0 | 残余元素 |
硅（Si） | ≤1.2 | 增强铸造流动性 |
锰（Mn） | ≤1.0 | 稳定奥氏体结构 |
物理性能
性能 | 数值（典型） | 测试标准/条件 |
|---|---|---|
密度 | 8.50 g/cm³ | ASTM B311 |
熔化范围 | 1300–1380°C | ASTM E1268 |
导热系数 | 12.8 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
电阻率 | 0.90 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
热膨胀系数 | 13.1 µm/m·°C（20–400°C） | ASTM E228 |
比热容 | 430 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
弹性模量 | 215 GPa（20°C） | ASTM E111 |
机械性能（铸态或 HIP + 热处理）
性能 | 数值（典型） | 测试标准 |
|---|---|---|
硬度 | 42–50 HRC（铸态）/ 最高可达 53 HRC（HIP 处理） | ASTM E18 |
抗拉强度 | 950–1100 MPa | ASTM E8/E8M |
屈服强度（0.2%） | 450–600 MPa | ASTM E8/E8M |
延伸率 | 2.0–3.5% | ASTM E8/E8M |
抗氧化性 | 最高可稳定至 1000°C | ASTM G111 |
抗硫化性 | 优秀 | NACE TM0177 |
Stellite 20 的关键特性
卓越的抗氧化与抗硫化能力：铬、镍与钼使 Stellite 20 能在强腐蚀化学气氛中保持耐蚀完整性，尤其适用于富硫或含氯环境。
高温强度与热稳定性：最高可在 1000°C 仍保持耐磨性与力学完整性，适用于炉内与透平相关应用。
高硬度兼具一定延性：在提供优异耐磨粒磨损能力的同时保持中等韧性，降低在热循环载荷或冲击下的开裂风险。
耐酸与耐氯化物腐蚀：可有效抵抗盐酸、二氧化硫以及海水环境侵蚀，确保化工与海洋应用中的长期服役寿命。
Stellite 20 的 CNC 加工挑战与解决方案
加工挑战
磨蚀性的碳化物组织
碳化钨相极具磨蚀性，会快速磨损未涂层或低等级刀具。
加工硬化
与多数钴基合金类似，Stellite 20 存在应变硬化现象，加工过程中表面硬度上升，可能引发颤振或刀具偏转。
热量积聚
该合金导热性较低，导致刀具过热，可能出现涂层剥落或刃口微裂纹。
优化加工策略
刀具选择
参数 | 建议 | 理由 |
|---|---|---|
刀具材料 | 细晶硬质合金（K30–K40）或 PCD/CBN 刀片 | 抵抗碳化物磨损并保持刃口稳定 |
涂层 | TiAlN 或 AlCrN，PVD（3–5 µm） | 降低热扩散与摩擦 |
几何参数 | 负前角，刃口钝化 0.05 mm | 兼顾刀具强度并减少缺口磨损 |
切削参数（符合 ISO 3685）
工序 | 速度（m/min） | 进给（mm/rev） | 切削深度（mm） | 冷却液压力（bar） |
|---|---|---|---|---|
粗加工 | 10–16 | 0.20–0.25 | 1.5–2.5 | 100–120 |
精加工 | 18–24 | 0.05–0.10 | 0.5–1.0 | 120–150 |
Stellite 20 机加工零件的表面处理
热等静压（HIP）
HIP 可通过消除内部孔隙提升力学性能，提高疲劳强度并改善硬度均匀性。
热处理
热处理 可优化显微组织，并提升抗热裂与机加工后尺寸漂移的抵抗能力。
高温合金焊接
高温合金焊接 采用与 Stellite 20 相容的焊材，可在装配体中保持耐磨与耐腐蚀性能。
热障涂层（TBC）
TBC 涂层 可保护热气或燃烧环境中的暴露表面，在 >950°C 工况下延长零件寿命。
电火花加工（EDM）
EDM 适用于在高耐磨结构上实现精密几何与表面完整性控制。
深孔钻削
深孔钻削 可实现导向孔与喷嘴节流孔的高精度加工，长径比可达 >20:1。
材料测试与分析
材料测试 包括 G65 磨损测试、腐蚀分析、硬度验证以及超声缺陷检测。
Stellite 20 零部件的行业应用
化工过程设备
阀内件（trim）、泵套筒与搅拌轴可抵抗酸性与氧化性化学介质。
高温工业炉
燃烧器喷嘴、防护罩与导向管需要在高热循环环境中保持稳定性。
海洋与海上工程
用于能源或海水淡化系统中，暴露于海水、富氯蒸汽或腐蚀性盐水的部件。
油气行业
井下工具、防喷器嵌件与钻井硬件可承受砂蚀与含硫酸性气体（sour gas）环境。
