概要: Stellite 6 と Stellite 21 の実際の比較。炭素含有量とタングステン対モリブデンが硬度と靱性のトレードオフをどのように左右するかを説明します。
ステライト 6 とステライト 21 は、最もよく比較される 2 つのコバルトベースの摩耗合金です。一般的なデフォルトでは、不確実性がある場合は常に Stellite 6 を指定します。この習慣には合理的な根拠があります。Stellite 6 には長いアプリケーションの歴史があり、十分に文書化された動作、および成熟した処理経験があります。しかし、2 つの状況では、デフォルトによって不必要なリスクが生じる可能性があります。1 つは部品に急速な熱サイクルや熱衝撃が発生した場合、もう 1 つは部品の壁が薄かったり、急激な断面変化があった場合です。
ステライト 21 は主に、これらの条件におけるステライト 6 の靱性制限に対処するために存在します。どちらが「優れているか」を覚えるよりも、2 つの間のトレードオフを理解する方が役立ちます。
構成の違いがパフォーマンスの分裂を引き起こす
これらの合金間の性能の差は、2 つの組成の選択によって決まります。
炭素含有量。 Stellite 6 は、炭素レベルが大幅に高くなります。 SAE AMS 5387 に基づくステライト 6 鋳造品の公称組成は 60Co-29Cr-4.5W で、鋳造製品の炭素含有量は通常 0.9 ～ 1.4% の範囲です。炭素が多くなると、硬質炭化物の析出が多くなり、硬度と耐摩耗性が直接的に向上します。ステライト 21 は炭素がはるかに少なく、公称組成はおおよそ C ～ 0.25%、Cr 25 ～ 30%、Mo 4.5 ～ 6.5%、Ni 1.5 ～ 3.5%、残部 Co です。炭素が少ないということは、炭化物の体積分率が低く、コバルト固溶体マトリックスが大半を占める微細構造を意味します。
タングステン対モリブデン。 Stellite 6 は、主な固溶強化剤としてタングステン (W) を使用しています。ステライト 21 は、タングステンの大部分をモリブデン (Mo) に置き換えます。モリブデンの原子量はタングステンの約半分であるため、同じ重量パーセントでは約 2 倍の原子が含まれます。モリブデンは炭素との親和性も高く、炭化物の形成を促進する傾向があります。しかし、ステライト 21 では炭素レベルが低いためその効果が制限され、最終的には総炭化物含有量がステライト 6 よりも大幅に低くなります。
これら 2 つの違いにより、2 つの異なるパフォーマンス プロファイルが生成されます。
ステライト 6: 耐摩耗性と引き換えに炭化物密度を向上
ステライト 6 の微細構造は、硬質炭化物粒子が比較的高密度に分布したコバルトベースの固溶体マトリックスで構成されています。この構造は摩耗に対して優れた性能を発揮します。
ぴったり合うところ。 バルブのシール面、ポンプ スリーブ、スラリー処理コンポーネント、および中程度の衝撃を受ける一般的な摩耗部品は、典型的な Stellite 6 用途です。その硬度は、鋳造条件とその後の熱処理に応じて、通常、ロックウェル C 37 ～ 45 の範囲に収まります。これは、ほとんどの摩耗の問題には十分です。酸化性の高温環境では、ステライト 6 も主に Cr2O3 と CoCr2O4 をベースにした保護酸化層を形成し、ステライト 21 より酸化速度が低くなります。
限界が現れる場所。 炭化物密度には副作用があります。急速な熱サイクルや局所的な熱衝撃下では、炭化物とマトリックスの熱膨張差が亀裂の発生場所になる可能性があります。薄肉部品の場合、炭素と炭化物の含有量が高くなると、鋳造や機械加工中に亀裂が発生するリスクが高まる可能性があります。これは、このような状況では Stellite 6 を使用できないという意味ではありませんが、熱疲労が主な故障モードである場合は、代替品を真剣に評価する必要があります。
ステライト 21: 靱性と熱疲労耐性と引き換えに炭化物含有量を低減
Stellite 21 は異なる設計ロジックに従っています。低炭素含有量とモリブデンの添加により炭化物の体積分率が大幅に減少し、コバルト固溶体マトリックスが機械的性能を担う相として残ります。
直接的な影響: 室温硬度と耐摩耗性はステライト 6 よりも劣りますが、靭性、熱衝撃耐性、熱疲労耐性は優れています。 鋳放しの硬度は通常、ステライト 6 よりも低い、低から中程度の HRC 30 と報告されています (正確な値は製品の形状とテスト条件によって異なります。指定する前にサプライヤーのデータと照合してください)。その利点は、摩耗しやすい研磨材ではなく、熱サイクル下でも構造の完全性を維持できることです。
ぴったり合うところ。 Stellite 21 は、熱膨張の不一致を緩和する必要があるガス タービン ブレード、熱間加工バルブ、高温ファスナー、肉盛溶接に使用されています。ステライト 6 が上層として機能し、中間層が必要な場合、歴史的にステライト 21 は鋼基材とステライト 6 上層の間の熱膨張差を緩和する緩衝材として使用されてきました。ステライト 21 バッファ層を備えた F91 鋼基板を 550 ～ 650 °C で最大 8,760 時間時効処理した研究では、F91/S21 界面で重大な衝撃靱性損失が見られました。そのため、特定の用途ではニッケルベースのバッファ層がますます好まれています。これはこの合金の立場をよく表しています。その価値は特定の条件下での靭性にあり、あらゆる場所でステライト 6 を置き換えることではありません。
見落とされがちな制限。 ステライト 21 の硬質粒子浸食に対する耐性は比較的限られています。炭化物密度が低いため、鋭利な粒子が高速で衝突した場合、マトリックスによる保護力が低下します。低角度の浸食や激しい摩耗が発生する場合、ステライト 21 は通常、最良の選択ではありません。
現実的な選択パス
次のパスは、2 つの合金の性能特性に基づいています。これは初期のスクリーニング ガイドとして機能しますが、特定のアプリケーションのエンジニアリング評価に代わるものではありません。
次の場合は、Stellite 6 に寄りかかります。
- 主な故障モードは摩耗または凝着摩耗であり、熱サイクルは大きな負荷ではありません。
- この部品には厚い断面があり、鋳造や機械加工中に発生する亀裂の発生は問題ありません。
- 酸化雰囲気では使用温度が高く、保護酸化層が設計の一部です。
- このアプリケーションには、参照すべき障害データを含む確立された Stellite 6 履歴があります。
次の場合は Stellite 21 に寄りかかります。
- この部品は急速な加熱と冷却を繰り返すため、熱疲労亀裂が発生するリスクが知られています。
- この部品には薄肉または急激な断面変化があり、未加工の硬度よりも靭性が重要です。
- 熱膨張の不一致を緩和するには、鋼基材と硬化面の間に遷移層が必要です (ただし、長期の高温安定性を評価する必要があります)。
- 摩耗メカニズムは、硬質粒子の侵食ではなく、主に金属間の滑り摩耗またはキャビテーションです。
どちらも適切ではない場合: アプリケーションで高い耐摩耗性と優れた熱疲労耐性の両方が必要な場合は、Stellite 12 (高炭素、高耐摩耗性) または金属間強化合金の Tribaloy ファミリを検討する価値があるかもしれません。あるいは、部品の熱管理を設計レベルで対処する必要があるかもしれません。これらの方向性はこの比較を超えたものですが、初期段階の材料選択レビューに属します。
RFQ に含める内容
どの合金を選択する場合でも、鋳造および機械加工のサプライヤーは通常、意味のある見積もりを提示する前に次のことを行う必要があります。
- 部品図 主要な寸法と公差要件を備えています。
- 使用条件: 温度範囲、媒体、負荷の種類 (摩耗、衝撃、熱サイクル)。
- 期待寿命または既知の故障モード、利用可能な場合は歴史的な部分が含まれます。
- 材質規格たとえば、AMS 5387 または別の該当する仕様を満たす必要があるかどうかなどです。
- 数量なぜなら、単一の部品、小さなバッチ、生産量によってプロセスの選択が異なるからです。
コバルト基合金鋳物の場合、サプライヤーが鋳造から仕上げ機械加工まで社内で対応できるかどうかを確認することも価値があります。これらの合金は著しく加工硬化し、プロセス間の受け渡しがコストとリードタイムの両方に影響するためです。
