18Ni300 合金粉末ステンレス鋼ニッケル 3 D Priting で

著：トレサ・M・ポロック

カリフォルニア大学サンタバーバラ校アルコア材料特別教授。パデュー大学で冶金工学の学士号を、マサチューセッツ工科大学（MIT）で材料科学・工学の博士号を取得。

彼女の研究は、合金設計、3次元材料特性評価、極限環境における構造材料の加工と性能、超高速レーザー相互作用に及んでいる。ポロック博士は、TMSやASMなどの専門学会のフェローシップ、鉱物・金属・材料学会の元会長などの指導的役割を含め、数々の栄誉に輝いている。

高性能金属材料の世界において、マルエージング鋼は間違いなく輝けるスターです。ユニークな超高強度、優れた靭性、良好な加工性により、多くの最先端分野でかけがえのない地位を占めています。この種の鋼の中で、18Ni300マルエージング鋼は、その番号、18%までのニッケル含有量に示されるように、注目度の高い鋼の一つです。航空宇宙、精密金型製造、高性能機械部品など、非常に厳しい性能が要求される分野で、ますます広範な用途が見込まれている。18Ni300の登場により、従来の高強度鋼のネックであった靭性と疲労性能がある程度解決された。

本稿では、18Ni300 合金粉末のユニークな利点を分析する。その絶妙な化学組成がいかにして驚異的な機械的特性をもたらすか、また、現在注目されている積層造形の分野で18Ni300合金粉末がもたらす最先端の用途と表面について探る。

18Ni300を選ぶ理由：

数ある合金の中で、なぜ私たちは18Ni300を支持するのでしょうか？18Ni300合金粉末は、特にステンレス鋼ニッケル基合金系におけるそのユニークな位置づけは、性能と用途の完璧な融合の一例です。

超高強度と強靭性:降伏強度、引張強度、破壊靭性のバランスが絶妙です。従来の鋼の分野では、しばしば強度と靭性のトレードオフを行う必要があります。しかし、18Ni300は、オールラウンドプレーヤーと同様に、優れた破壊靭性を維持しながら、従来の鋼を遥かに超える極限の強度を提供します。これは、高い応力と高い衝撃荷重に耐える必要がある主要部品の設計に最適な材料です。

優れた寸法安定性:精密製造の分野では、材料の寸法安定性が製品の成否を決める重要な要素のひとつです。18Ni300はこの点で非常に優れた性能を発揮した。マルテンサイト変態温度が低いため

良好な加工性:18Ni300は、最終的な強度はそれほど高くありませんが、焼きなまし状態では比較的「おとなしく」、加工性に優れています。つまり、最終硬化工程の前に、切削、穴あけなどの加工ができ、製造の柔軟性と効率が大幅に向上します。特筆すべきは、粉末の状態であれば、積層造形プロセス（SLMやEBMなど）に非常に適応しやすいということだ。私自身は、粉末冶金と積層造形の組み合わせは、18Ni300の将来の発展にとって重要な方向性だと考えています。粉末冶金と積層造形の組み合わせは、18Ni300の今後の発展にとって重要な方向性であり、従来の製造における幾何学的な制約を打破し、複雑な構造の一体成型を実現する無限の可能性を与えてくれます。

応用分野:このような優れた特性から、18Ni300の応用分野はますます広がっており、それらはすべて「高精度」分野である。例えば、航空宇宙産業の着陸装置部品や各種構造部品は、その高い強度と高い靭性で飛行の安全性を確保している。高性能金型、特にダイカスト金型やプラスチック金型では、18Ni300は高温・高圧に耐え、金型寿命を大幅に延ばすことができる。軽量化と高強度が永遠の課題であるレースの分野では、18Ni300合金部品は車両性能を大幅に向上させることができます。18Ni300合金は、手術器具やインプラントなどの医療器具にも使用されています。強度、靭性、寸法安定性など、あらゆる面で18Ni300は重要な選択肢である。

何をするのか？ 18Ni300平均?

“18”:この合金中のニッケル(Ni)の含有量は重量比で約 18% である。ニッケルはマルテンサイトの形成に重要な元素であるだけでなく、その後の時効硬化の決定的な要因でもある。十分なニッケルがなければ、この合金の特性は問題外です。私は常に、ニッケルは合金の「骨格」であり、性能システム全体を支えていると考えたい。

"ニ"これはより直感的で、これがニッケルベースの合金であるか、少なくともニッケルの含有量が非常に重要な合金であることを明確に指摘している。合金の世界では、元素の識別は非常に重要であり、材料の大まかな分類と潜在的な特性を素早く把握することができます。

“300”:この数値は、一連の熱処理後の合金の典型的な引張強さを表し、通常KSI（キロポンド毎平方インチ）で表示され、約300KSIをより馴染みのある単位に換算すると約2070MPaとなる。これが最も重要な機械的性能の指標である。エンジニアが高強度材料が必要だと言うとき、私はまず高強度デジタル表示のあるこれらの合金を思い浮かべる。

18Ni300 化学組成：

主な合金元素とその役割

• ニッケル (Ni、～17.0～19.0%）：ニッケルはマルエージング鋼の「魂」とも言える元素です。オーステナイトを安定させるだけでなく、マルテンサイト変態点を低下させ、その後の時効硬化に不可欠な軟質マルテンサイトマトリックスを確保します。また、ニッケルの存在は合金の靭性を著しく向上させます。靭性のない高強度など、私たちが望むものではありません。さらに良いことに、ニッケルは多くの重要な析出物の形成の基礎にもなります。
• コバルト (Co、～8.5～9.5%）：コバルトは、私にとってちょっとした促進剤です。コバルトはマルテンサイト変態温度を上昇させ、冷却中にマルテンサイトを形成しやすくします。同時に、コバルトは鉄に対するニッケルの溶解度を微妙に低下させることができる。これは少し直感に反するように聞こえるが、実際には、時効処理中の析出相の形成を促進し、それによって硬度をより速く、より効果的に向上させることができる。
• モリブデン (Mo、～4.6～5.2%）：モリブデンは18Ni300で複数の役割を果たす。第一に、固溶強化によってマトリックスの強度を高めることができる。第二に、結晶粒を微細化し、粒界移動を抑制するのに役立ち、材料の総合的な機械的特性を向上させるのに非常に有益である。もちろん、より重要な点として、モリブデンはニッケルと金属間化合物（Ni3Moなど）を形成し、時効処理中に析出し、合金の硬度向上にさらに寄与する。
• チタン (Ti、～0.6～0.8%）：時効硬化に関しては、チタンを無視することはできない！私の考えでは、チタンは18Ni300の「硬度爆発」の鍵である。チタンは、ニッケルと共にNi3Tiのような金属間化合物を形成し、これらのナノスケールの析出物がマルテンサイトマトリックス中に分散して強い転位ピン止め点を形成することにより、材料の降伏強度と硬度を著しく向上させます。チタンがなければ、18Ni300の象徴的な高強度は存在しないと言える。
• アルミニウム (Al、～0.05～0.15%）：この配合のアルミニウムは、量は多くありませんが、その効果は小さくありません。まず第一に効果的な脱酸剤であり、製錬工程における酸素含有量をコントロールするのに役立ちます。第二に、アルミニウムは粒をある程度精製することもできる。もちろん、複雑な析出強化メカニズムにも関与している可能性がある。

微量元素管理：

材料科学者として、私は材料の「純度」に対してほとんど偏執的な要求を持っている。炭素（C）、硫黄（S）、リン（P）といった有害な不純物は、合金の「黒い羊」のようなもので、その含有量を厳しく管理する。過剰な炭素含有は溶接性と靭性に影響を与え、硫黄とリンは粒界で低融点化合物を形成しやすく、材料の脆化を招きます。したがって、18Ni300の優れた性能を確保するためには、これらの含有量を非常に低いレベルに抑えることが不可欠である。

より直感的に理解できるように、18Ni300の典型的な化学組成の範囲を表にまとめてみた。

表：18Ni300の代表的な化学組成範囲（重量パーセント）

エレメント	コンテンツ(%)
ニー	17.0-19.0
Co	8.5-9.5
モ	4.6-5.2
ティ	0.6-0.8
アル	0.05-0.15
C	<0.03
S	<0.01
P	<0.01
フェ	バランス

積層造形における18Ni300合金粉末の応用と課題

粉末冶金と積層造形の相乗効果

18Ni300がアディティブ・マニュファクチャリングと完璧に組み合わせることができる理由は、その粉末形状が核となるからである。アディティブ・マニュファクチャリング（3Dプリンティング）とは本質的に「積み木」であり、材料を層ごとに積み重ねていくものである。パウダーフォームなしで、どうやって複雑な形状を実現できるのでしょうか？私はよく学生たちに、粉末の流動性、かさ密度、均一性といった一見些細なパラメータが、実は最終的なプリントの品質と効率を直接左右することを強調しています。特に高性能合金18Ni300の場合、粉末の高純度と完全な真球度が、プリントの性能を確保するための基本です。

現在、私たちが最もよく使う積層造形技術は、大きく分けて2種類ある。ひとつは レーザー粉末溶融 (L-PBF）は、高エネルギーのレーザーを用いて高密度の粉末層を選択的に溶融させるもので、極めて高い精度が要求される複雑な部品の製造に特に適している。もうひとつは 電子ビーム溶解 (EBM）は、真空環境で動作し、電子ビームで粉末を溶融する。EBMはエネルギー効率が高く、残留応力を効果的に低減できるが、表面粗さが若干劣る可能性があるという欠点がある。

技術に関係なく、パウダーの品質に対する要求はほとんど厳しい。粉末の粒度分布は通常15～45ミクロンまたは20～63ミクロンで、この範囲を厳密に管理しなければならない。また、真球度、衛星粉末含有量、酸素含有量、粉末表面の形態などがあり、これらは積層造形プロセスの安定性や最終部品の密度や機械的特性に直接影響する。

18Ni300の特性に及ぼす積層造形プロセスの影響

アディティブ・マニュファクチャリングの素晴らしさは、その「スピード」にある。しかし、このスピードは独自の課題ももたらします。

急速凝固効果

積層造形では、材料は急速加熱と急速冷却の極端なサイクルを経る。18Ni300の場合、これは微細構造と相転移プロセスが従来のプロセスとは大きく異なることを意味する。急冷によって結晶粒は極めて微細になり、いわゆる超微細マルテンサイト組織が形成される。時には、この急冷によって特定の時効析出物の形成が阻害されたり、その形態が変化したりすることさえある。

性能の観点からは、細粒強化は通常、材料の初期強度を向上させる。しかし、課題も見えてくる必要がある。急冷凝固による結晶方位や組織の凹凸は、印刷製品に異方性をもたらす可能性があり、その後の設計や応用を真剣に検討する必要がある。

残留応力と亀裂

残留応力は、積層造形の分野で長期的に問題となっている。高温勾配、材料の急冷、不均一な収縮はすべて残留応力の原因です。私は、残留応力によってゆがんだり変形したり、さらにはマクロクラックやマイクロクラックが発生したりする部品をあまりにも多く見てきた。これは本当に頭の痛い問題だ。結局のところ、誰もハードプリントされた部品が不足するのを見たくはないのだ。

この問題を解決するために、私たちは通常、基板の予熱、スキャニング戦略の最適化（チェスボードスキャニングが一般的な方法）、レーザーまたは電子ビームの出力と速度の調整など、いくつかの戦略を採用し、もちろん、後の熱処理、特に応力除去アニールも不可欠である。

密度と欠陥の管理

部品の密度、これは積層造形の成功の要だと思います。密度が高くなければ、他の特性、特に疲労性能について語ることはできません。つまり、高密度のプリントを得るための基礎となる、粉末の流動性、かさ密度、粒度分布、純度の品質を管理することから始めなければなりません。

次に、エネルギー密度に直接影響するレーザー出力、走査速度、線間隔、層厚などのプロセスパラメーターの最適化で、粉末を完全に溶融し、安定した溶融プールを形成できるようにしなければならない。同時に、過剰燃焼や過小燃焼を避け、再溶融領域を最適化するためには、スキャニング戦略も重要である。不完全溶融、ポロシティ、介在物などの一般的な欠陥は、回避するために最善を尽くさなければなりません。

後処理工程の重要性

積層造形部品は多くの場合、一連の後処理を必要とする。その中でも、2つの工程が重要である。

熱間静水圧プレス（HIP）

HIPと呼ばれる熱間静水圧プレスは、内部気孔を除去する「キラー」である。高温・高圧の環境下で、材料は塑性変形と拡散クリープを起こし、孤立した内部気孔は閉じられる。私はよく、部品を深く "マッサージ "して内部を密にすることに例える。

HIP処理後、材料の密度は大幅に改善され、降伏強度、引張強度、伸び、疲労寿命などの機械的特性も質的に飛躍します。私の経験では、HIP処理した積層造形18Ni300部品の性能は、従来の鍛造品に非常に近いものになります。私たちがよく使用するパラメータは、通常、高温（1150～1200℃など）、高圧（100～150MPaなど）、2～4時間の保持です。

熱処理

熱処理、特に溶体化処理と時効処理（溶体化-焼入れ-時効処理）は、18Ni300の析出硬化を誘発し、機械的特性を最適化するための重要なステップである。

1つ目は 溶液処理.その目的は、合金の元素、特にチタン、モリブデン、コバルトをマルテンサイトマトリックスに完全に溶解させることである。これにより、内部応力がなくなるだけでなく、組織がより均一になります。

続いて 老化治療.これは、18Ni300の性能爆発にとって決定的な瞬間である。適度な温度（通常480～520℃）で一定時間加熱すると、ニッケル、チタン、モリブデンに富む金属間化合物（Ni3Ti、Ni3Moなど）がマルテンサイトマトリックス中に均一に析出し、ナノスケールの分散強化相を形成することがわかる。これらの小さな析出物は無数の「鋼鉄の釘」のようなもので、材料の硬度と強度を大幅に向上させる。

代表的な熱処理パラメータは、815～830℃で1時間の溶体化処理、その後の空冷または水冷、480～520℃で3～6時間の時効処理、その後の空冷である。しかし、ここで少し注意していただきたいのは、その独特な微細構造のため、積層造形18Ni300の最適な熱処理パラメータは、従来の鋳造品や鍛造品とは異なる可能性があり、最適化作業を行う必要があるということです。

要約すると、18Ni300マルエージング鋼粉末は、その超高強度、優れた靭性、優れた寸法安定性により、航空宇宙、精密金型、高性能機械製造において幅広い応用の可能性を示している。特にアディティブ・マニュファクチャリング（3Dプリンティング）において、18Ni300合金粉末は、その優れた粉末特性と適応性により、複雑な構造設計と軽量製造のための新しいソリューションを提供します。粉末の品質を合理的に管理し、プロセスパラメーターを最適化し、熱間静水圧プレスや熱処理などの後処理手段と組み合わせることで、18Ni300部品の総合的な性能は従来の鍛造品に匹敵するか、それ以上となっている。粉末冶金と積層造形技術の継続的な成熟に伴い、18Ni300マルエージング鋼はハイエンド製造業の重要なサポート材料となり、将来的には先端製造技術の発展を促進する重要な力となることが予測される。