Stellite 31
Stellite 31 简介
Stellite 31 是一种钴基耐磨合金，以其在高温、高载荷、强腐蚀环境下的综合性能而著称。该牌号具有较高的碳与铬含量，并形成大量复杂碳化物相，从而带来出色的硬度、热稳定性以及金属对金属滑动耐磨能力。相较于多数 Stellite 合金，Stellite 31 在磨粒磨损抗力方面更突出，并可在高达 1100°C 的高温下保持较强的强度与耐磨能力。
该合金通常以铸造、HIP 致密化或堆焊硬面层形式获得毛坯，随后通过先进的 CNC 加工 进行精密后加工以满足关键公差要求。Stellite 31 广泛用于航空航天、油气、核电与化工处理等行业，典型部件包括阀内件（trim）、阀座圈、泵部件及其他高磨损/高温服役零件。
Stellite 31 的化学、物理与机械性能
Stellite 31（UNS R30031 / ASTM F75 系家族）面向极端磨粒磨损与高温耐受设计，在钴-铬固溶体基体中分布高体积分数碳化物，以实现强耐磨与耐热性能。
化学成分（典型值）
元素 | 含量范围（wt.%） | 关键作用 |
|---|---|---|
钴（Co） | 余量（≥50.0） | 提供热稳定性与耐腐蚀性的基体 |
铬（Cr） | 25.0–28.0 | 提升抗氧化与耐腐蚀能力 |
碳（C） | 2.4–3.0 | 促进高体积分数碳化物形成以增强耐磨性 |
钨（W） | 5.0–7.0 | 形成富 W 碳化物，提升硬度与高温磨损抗力 |
镍（Ni） | ≤3.0 | 改善延展性与焊接适应性 |
铁（Fe） | ≤3.0 | 残余元素 |
硅（Si） | ≤1.2 | 辅助铸造与提升高温氧化膜稳定性 |
锰（Mn） | ≤1.0 | 改善热加工性与组织控制 |
物理性能
性能 | 数值（典型） | 测试标准/条件 |
|---|---|---|
密度 | 8.65 g/cm³ | ASTM B311 |
熔化范围 | 1320–1400°C | ASTM E1268 |
导热系数 | 13.5 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
电阻率 | 0.94 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
热膨胀系数 | 13.1 µm/m·°C（20–400°C） | ASTM E228 |
比热容 | 420 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 处理态）
性能 | 数值（典型） | 测试标准 |
|---|---|---|
硬度 | 50–58 HRC | ASTM E18 |
抗拉强度 | 1100–1250 MPa | ASTM E8/E8M |
屈服强度（0.2%） | 600–750 MPa | ASTM E8/E8M |
延伸率 | 1.0–2.0% | ASTM E8/E8M |
耐磨性 | >4×（相对 316 不锈钢，ASTM G65） | ASTM G65 |
工作温度 | 最高可达 1100°C | N/A |
Stellite 31 的关键特性
极强的磨粒磨损抗力：高体积分数碳化物（约 30–35%）使其在高应力、干摩擦工况下具有非常突出的耐磨寿命。
优异的高温性能：可在持续高温环境下保持硬度与结构完整性，适用于最高 1100°C 的服役需求。
出色的抗咬合与低摩擦倾向：适用于润滑不足或金属对金属接触组合，如阀座-阀杆配副。
耐化学与耐氧化：在酸性介质、蒸汽、燃烧气体以及高盐环境中表现稳定。
Stellite 31 的 CNC 加工挑战与解决方案
加工挑战
刀具快速磨损
复杂碳化物组织对刀具产生强烈磨粒磨损，尤其在连续啮合的切削工况中更为明显。
切削力大
由于材料强度高且延性有限，机床需要更高功率与系统刚性，否则易出现振动、让刀与尺寸漂移。
表面开裂风险
切削热集中且导热性相对有限，在干切或冷却不足时可能导致表面微裂纹、崩边或热损伤。
优化加工策略
刀具选择
参数 | 建议 | 理由 |
|---|---|---|
刀具材料 | 超细晶硬质合金（K40）或陶瓷（SiAlON）用于粗加工；精加工采用 CBN | 在极端载荷下提供更高耐磨性与热稳定性 |
涂层 | AlTiN 或 TiAlCrN（PVD，3–5 µm） | 提升抗热与抗摩擦能力，延缓刃口失效 |
几何参数 | 负前角，刃口钝化半径 0.05 mm | 增强刃口强度，降低崩刃与早期破损 |
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 | 8–12 | 0.20–0.30 | 1.5–2.0 | 100–120 |
精加工 | 16–20 | 0.05–0.10 | 0.3–0.8 | 120–150 |
Stellite 31 机加工零件的表面处理
热等静压（HIP）
HIP 可消除内部孔隙，提高疲劳性能与尺寸一致性，适用于铸造件或 3D 打印件的致密化与稳定化。
热处理
热处理 有助于改善碳化物分布均匀性与组织稳定性，并在后加工后进一步提升耐磨性能。
高温合金焊接
高温合金焊接 使用相容填充材料可在高温接头区域保持耐磨与抗氧化能力，降低接头性能衰减风险。
热障涂层（TBC）
TBC 涂层 可为暴露在 1000°C 以上燃烧气氛的零件提供额外隔热屏障，提升表面寿命与抗热冲击能力。
电火花加工（EDM）
EDM 适合硬化区域的高精度细节加工，可避免机械切削带来的挤压变形与切削力诱发缺陷。
深孔钻削
深孔钻削 可在泵部件与阀类零件上实现高精度通道/内流道加工，保证同轴度与表面完整性。
材料测试与分析
材料测试 包括硬度剖面、ASTM G65 耐磨测试、金相分析与超声探伤等缺陷检测。
Stellite 31 零部件的行业应用
油气装备
阀座、球阀内件、井下工具等，长期暴露于含砂介质、盐水与压力循环工况。
航空航天透平机械
密封环、耐磨条与导向叶片等，需要高温抗氧化与长寿命耐磨能力。
电力与能源
锅炉部件、燃烧器喷嘴与给水阀等，在蒸汽与热循环环境中工作。
金属成形与矿山
挤压模、冲头与耐磨衬套等，适用于高冲击、高磨粒磨损系统。
