Résumé : Une comparaison pratique du Stellite 6 et du Stellite 21, expliquant comment la teneur en carbone et le tungstène par rapport au molybdène déterminent le compromis entre dureté et ténacité.
Le Stellite 6 et le Stellite 21 sont les deux alliages d'usure à base de cobalt les plus souvent comparés. Une valeur par défaut courante consiste à spécifier Stellite 6 en cas d'incertitude. Cette habitude a une base raisonnable : Stellite 6 a un long historique d'applications, un comportement bien documenté et une expérience de traitement mature. Mais dans deux situations, le défaut peut introduire un risque inutile : lorsque la pièce subit un cycle thermique rapide ou un choc thermique, et lorsque la pièce présente des parois minces ou des changements brusques de section.
Stellite 21 existe en grande partie pour répondre à la limitation de ténacité du Stellite 6 dans ces conditions. Comprendre le compromis entre les deux est plus utile que de mémoriser lequel est le « meilleur ».
Les différences de composition déterminent la répartition des performances
L'écart de performances entre ces alliages se résume à deux choix de composition.
Teneur en carbone. Le Stellite 6 contient un niveau de carbone nettement plus élevé. Conformément à la norme SAE AMS 5387, les pièces moulées Stellite 6 ont une composition nominale de 60Co-29Cr-4,5W, avec du carbone généralement compris entre 0,9 et 1,4 % pour les produits moulés. Plus de carbone signifie plus de précipitation de carbure dur, ce qui augmente directement la dureté et la résistance à l'usure. Le Stellite 21 a beaucoup moins de carbone, avec une composition nominale d'environ C ~ 0,25 %, Cr 25 à 30 %, Mo 4,5 à 6,5 %, Ni 1,5 à 3,5 %, le reste Co. Un carbone plus faible signifie une fraction volumique de carbure plus faible et une microstructure dominée par la matrice de solution solide de cobalt.
Tungstène contre molybdène. Stellite 6 utilise le tungstène (W) comme principal renforceur de solution solide ; Le Stellite 21 remplace la majeure partie de ce tungstène par du molybdène (Mo). Le molybdène a environ la moitié du poids atomique du tungstène, donc, pour le même pourcentage pondéral, il contient environ deux fois plus d'atomes. Le molybdène a également une plus forte affinité pour le carbone et tend à favoriser la formation de carbures. Cependant, dans le Stellite 21, le faible niveau de carbone limite cet effet et le résultat net est une teneur totale en carbure nettement inférieure à celle du Stellite 6.
Ensemble, ces deux différences produisent deux profils de performances distincts.
Stellite 6 : la densité du carbure en échange de la résistance à l'usure
La microstructure du Stellite 6 est constituée d'une matrice de solution solide à base de cobalt avec une distribution relativement dense de particules de carbure dur. Cette structure se comporte bien sous usure abrasive.
Où ça correspond. Les faces d'étanchéité des vannes, les manchons de pompe, les composants de manutention des boues et les pièces d'usure générales soumises à un impact modéré sont des applications typiques du Stellite 6. Sa dureté se situe généralement dans la plage Rockwell C 37-45, en fonction des conditions de coulée et du traitement thermique ultérieur, ce qui est suffisant pour la plupart des problèmes d'usure par abrasion. Dans les environnements oxydants à haute température, le Stellite 6 forme également une couche d'oxyde protectrice à base principalement de Cr₂O₃ et de CoCr₂O₄, avec un taux d'oxydation inférieur à celui du Stellite 21.
Où les limites apparaissent. La densité des carbures a un effet secondaire : en cas de cycles thermiques rapides ou de chocs thermiques localisés, la différence de dilatation thermique entre les carbures et la matrice peut devenir un site d'initiation de fissures. Pour les pièces à section mince, la teneur plus élevée en carbone et en carbure peut également augmenter le risque de fissuration lors de la coulée et de l'usinage. Cela ne signifie pas que Stellite 6 ne peut pas être utilisé dans ces situations, mais lorsque la fatigue thermique est le mode de défaillance dominant, une alternative doit être sérieusement évaluée.
Stellite 21 : teneur en carbure inférieure en échange de ténacité et de résistance à la fatigue thermique
Stellite 21 suit une logique de conception différente. Sa faible teneur en carbone et l'ajout de molybdène réduisent fortement la fraction volumique de carbure, laissant la matrice de solution solide de cobalt comme phase porteuse des performances mécaniques.
La conséquence directe : la dureté à température ambiante et la résistance à l'usure par abrasion pure sont inférieures à celles du Stellite 6, mais la ténacité, la résistance aux chocs thermiques et la résistance à la fatigue thermique sont meilleures. La dureté telle que coulée est généralement indiquée dans la plage HRC 30 faible à moyenne, inférieure à celle du Stellite 6 (les valeurs exactes dépendent de la forme du produit et des conditions de test — vérifiez par rapport aux données du fournisseur avant de spécifier). Son avantage n'est pas l'usure des abrasifs mais le maintien de l'intégrité structurelle sous cycle thermique.
Où ça correspond. Le Stellite 21 a été utilisé dans les aubes de turbines à gaz, les vannes fonctionnant à chaud, les fixations à haute température et les superpositions de soudure qui doivent amortir les différences de dilatation thermique. Lorsque le Stellite 6 sert de couche supérieure et qu'une couche intermédiaire est nécessaire, le Stellite 21 a toujours été utilisé comme tampon pour atténuer la différence de dilatation thermique entre le substrat en acier et la couche supérieure du Stellite 6. Une étude sur des substrats en acier F91 avec des couches tampons Stellite 21, vieillis entre 550 et 650 °C pendant 8 760 heures maximum, a révélé une perte significative de résistance aux chocs à l'interface F91/S21, c'est pourquoi les couches tampons à base de nickel sont de plus en plus préférées dans cette application spécifique. Cela illustre bien la position de l’alliage : sa valeur réside dans la ténacité dans des conditions spécifiques, et non dans le remplacement du Stellite 6 partout.
Une limitation facilement négligée. Le Stellite 21 a une résistance relativement limitée à l'érosion des particules dures. La densité du carbure étant faible, la matrice offre moins de protection lorsque des particules pointues frappent à grande vitesse. En cas d'érosion à faible angle et d'usure abrasive dure, le Stellite 21 n'est généralement pas le meilleur choix.
Un parcours de sélection pratique
Le chemin suivant est basé sur les caractéristiques de performance des deux alliages. Il peut servir de guide de sélection initiale mais ne doit pas remplacer une évaluation technique de la demande spécifique.
Penchez-vous vers Stellite 6 lorsque :
- Le mode de défaillance dominant est l’usure abrasive ou adhésive, et les cycles thermiques ne constituent pas une charge majeure.
- La pièce a une section épaisse et la sensibilité à la fissuration lors de la coulée et de l'usinage est gérable.
- La température de service est élevée dans une atmosphère oxydante et une couche protectrice d'oxyde fait partie de la conception.
- L'application dispose d'un historique Stellite 6 établi avec des données de défaillance à référencer.
Penchez-vous vers Stellite 21 lorsque :
- La pièce subit un chauffage et un refroidissement rapides et répétés, et la fissuration par fatigue thermique constitue un risque connu.
- La pièce présente des parois minces ou des changements brusques de section, et la ténacité compte plus que la dureté brute.
- Une couche de transition est nécessaire entre un substrat en acier et un revêtement dur pour tamponner le décalage de dilatation thermique (mais la stabilité à long terme à haute température doit être évaluée).
- Le mécanisme d'usure est principalement une usure par glissement métal sur métal ou une cavitation plutôt qu'une érosion par particules dures.
Lorsque ni l’un ni l’autre n’est parfaitement ajusté : Si l'application exige à la fois une résistance élevée à l'usure abrasive et une excellente résistance à la fatigue thermique, le Stellite 12 (plus de carbone, plus grande résistance à l'usure) ou la famille Tribaloy d'alliages renforcés par des intermétalliques peuvent être intéressants à envisager, ou la gestion thermique de la pièce peut devoir être abordée au niveau de la conception. Ces orientations vont au-delà de cette comparaison mais appartiennent à un examen préliminaire de la sélection des matériaux.
Ce qu'il faut inclure dans une demande de prix
Quel que soit l’alliage choisi, un fournisseur de fonderie et d’usinage a généralement besoin des éléments suivants avant de pouvoir proposer un devis significatif :
- Dessins de pièces avec les dimensions clés et les exigences de tolérance.
- Conditions de service: plage de température, milieu et type de charge (usure, choc, cyclage thermique).
- Durée de vie prévue ou mode de défaillance connu, avec une partie historique si disponible.
- Norme matérielle, par exemple si l'AMS 5387 ou une autre spécification applicable doit être respectée.
- Quantité, puisque les pièces uniques, les petits lots et les volumes de production conduisent à des choix de processus différents.
Pour les pièces moulées en alliages à base de cobalt, il convient également de confirmer si le fournisseur dispose de capacités internes allant du moulage à l'usinage de finition, car ces alliages durcissent sensiblement et le transfert entre les processus affecte à la fois le coût et les délais.
