Stellite 21
Stellite 21 简介
Stellite 21 是一种变形（锻制）钴基合金，以其卓越的韧性、耐腐蚀性以及高温力学稳定性而闻名。与其他更侧重硬度与耐磨粒磨损的 Stellite 牌号不同，Stellite 21 面向需要耐磨、优异抗冲击与抗热冲击性能的应用场景而设计。其钴、铬、镍与钼的均衡成分带来出色的冶金稳定性与抗咬合能力，使其适用于滑动接触与机械冲击工况。
Stellite 21 通常通过锻造或铸造成形，然后采用先进的 CNC 加工 技术进行精密精加工。它常用于航空航天、核能、石化与医疗行业的阀座、发动机衬套、关节植入物以及涡轮部件等零件——尤其适合对尺寸稳定性与低摩擦金属对金属接触有严格要求的场合。
Stellite 21 的化学、物理与机械性能
Stellite 21（UNS R30021 / AMS 5385 / ISO 5832-3）是一种耐腐蚀、耐磨的钴-铬-钼合金，具有更高的抗冲击强度与抗热疲劳能力。该材料可提供变形材、铸态以及粉末冶金形态。
化学成分（典型值）
元素 | 含量范围（wt.%） | 关键作用 |
|---|---|---|
钴（Co） | 余量（≥60.0） | 耐腐蚀、韧性与热强度的基体 |
铬（Cr） | 26.0–30.0 | 提升抗氧化能力并形成钝化保护层 |
钼（Mo） | 5.0–6.0 | 增强抗点蚀与缝隙腐蚀能力 |
镍（Ni） | 2.0–4.0 | 提高韧性与可焊性 |
碳（C） | 0.20–0.30 | 形成碳化物以提供耐磨性，同时保持延展性 |
铁（Fe） | ≤3.0 | 残余元素 |
硅（Si） | ≤1.0 | 改善铸造过程中的流动性与表面质量 |
锰（Mn） | ≤1.0 | 细化晶粒并提高热加工性 |
物理性能
性能 | 数值（典型） | 测试标准/条件 |
|---|---|---|
密度 | 8.33 g/cm³ | ASTM B311 |
熔化范围 | 1385–1435°C | ASTM E1268 |
导热系数 | 14.0 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
电阻率 | 0.98 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
热膨胀系数 | 13.4 µm/m·°C（20–400°C） | ASTM E228 |
比热容 | 430 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
弹性模量 | 210 GPa（20°C） | ASTM E111 |
机械性能（变形材或 HIP + 热处理）
性能 | 数值（典型） | 测试标准 |
|---|---|---|
硬度 | 30–35 HRC（退火态）/ 35–42 HRC（时效态） | ASTM E18 |
抗拉强度 | 900–1100 MPa | ASTM E8/E8M |
屈服强度（0.2%） | 400–600 MPa | ASTM E8/E8M |
延伸率 | 8–15% | ASTM E8/E8M |
冲击韧性 | ≥80 J（室温 Charpy V 缺口） | ASTM E23 |
抗咬合性 | 优秀 | ASTM G98 |
Stellite 21 的关键特性
高韧性与抗裂性：由于碳含量较低，相比其他 Stellite 牌号具有更强的抗热疲劳、抗冲击载荷与抗机械冲击能力。
在氯化物与酸性介质中的耐腐蚀性：钼与铬的协同作用带来优异的抗点蚀与抗缝隙腐蚀能力。
良好的抗咬合性能：在压力作用下的金属对金属接触中，即使缺乏润滑也能保持良好表现。
高温下的尺寸稳定性：在循环热环境中可可靠工作至 850°C，变形小、性能衰减低。
Stellite 21 的 CNC 加工挑战与解决方案
加工挑战
中等碳化物含量
虽不如 Stellite 6 或 12 那样强磨蚀，但由于弥散碳化物与材料韧性较高，刀具磨损仍然是需要关注的问题。
导热性较低
会导致局部温升并存在加工硬化风险，尤其在精加工或长时间刀具啮合时更明显。
回弹与刀具挠曲
较高的弹性模量与强度可能导致粗加工与轮廓切削时出现颤振与尺寸误差。
优化加工策略
刀具选择
参数 | 建议 | 理由 |
|---|---|---|
刀具材料 | PVD 涂层硬质合金（K20–K30）或 CBN（用于精加工） | 兼顾耐磨性与韧性 |
涂层 | TiSiN 或 AlCrN（3–5 µm） | 降低刀具温度与摩擦 |
几何参数 | 中性至微负前角，刃口钝化（0.03 mm） | 提升刃口完整性与表面质量 |
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 | 12–18 | 0.15–0.25 | 1.5–2.5 | 100–120 |
精加工 | 20–28 | 0.05–0.10 | 0.5–1.0 | 120–150 |
Stellite 21 机加工零件的表面处理
热等静压（HIP）
HIP 可提升疲劳寿命并消除内部孔隙，尤其适用于承受动态载荷的铸件或 3D 打印零件。
热处理
热处理 可稳定晶粒结构、提升硬度，并释放机加工残余应力。
高温合金焊接
高温合金焊接 采用匹配填充材料（Stellite 21 焊条）可获得高接头完整性，同时不牺牲耐腐蚀或耐磨性能。
热障涂层（TBC）
TBC 涂层 可在零件长期暴露于 800°C 以上的燃烧或热气流工况中延长使用寿命。
电火花加工（EDM）
EDM 可实现复杂几何并获得 Ra <0.5 µm 的表面质量，同时避免精加工过程中的机械应力影响。
深孔钻削
深孔钻削 可确保耐磨孔、密封腔与润滑通道的加工精度。
材料测试与分析
材料测试 包括拉伸测试、硬度验证、金相分析以及无损检测（超声、渗透、X 射线）。
Stellite 21 零部件的行业应用
航空航天与发电
用于涡轮发动机与热端组件的阀导向件、衬套以及高载荷滑动耐磨部件。
核能与石化
耐高压腐蚀与辐射暴露的反应堆阀座、泵轴与控制部件。
医疗与骨科器械
用于髋/膝关节部件，因其良好的生物相容性与动态载荷下的机械耐久性。
通用工业
用于往复或摆动磨损工况下的工具、耐磨垫与轴承套筒等承压部件。
