3D 프리팅의 18Ni300 합금 분말 스테인레스 스틸 니켈

작성자: 트레사 M. 폴락

트레사 폴락 박사는 산타바바라 캘리포니아 대학교의 알코아 재료학 석좌교수이자 미국 국립 공학한림원 회원입니다. 그녀는 퍼듀 대학교에서 야금 공학 학사 학위를, MIT에서 재료 과학 및 공학 박사 학위를 받았습니다.

그녀의 연구 분야는 합금 설계, 3D 재료 특성화, 극한 환경에서의 구조 재료 가공 및 성능, 초고속 레이저 상호작용 등 다양합니다. 폴락 박사는 TMS 및 ASM과 같은 전문 학회에서의 펠로우십과 광물, 금속 및 재료 학회의 전 회장과 같은 리더십 역할을 포함하여 수많은 영예를 안았습니다.

고성능 금속 소재의 세계에서 마레이징 스틸은 의심할 여지없이 빛나는 별입니다. 특유의 초고강도, 우수한 인성 및 우수한 가공성으로 많은 첨단 분야에서 대체 불가능한 위치를 차지하고 있습니다. 이 유형의 강철에서 니켈 함량이 최대 18%인 18Ni300 마징강은 그 숫자에서 볼 수 있듯이 주목할 만한 강철 중 하나입니다. 항공 우주, 정밀 금형 제조 및 매우 엄격한 성능 요구 사항을 가진 고성능 기계 부품에서 점점 더 광범위한 응용 가능성을 보여주고 있습니다. 18Ni300의 등장으로 인성 및 피로 성능에서 기존 고강도 강철의 병목 현상이 어느 정도 해결되었습니다.

이 백서에서는 18Ni300 합금 분말의 고유한 장점을 분석합니다. 절묘한 화학적 조성이 어떻게 특별한 기계적 특성을 제공하는지, 그리고 현재 주목받고 있는 적층 제조 분야에서 18Ni300 합금 분말이 가져온 최첨단 응용 분야와 표면을 살펴볼 것입니다.

18Ni300을 선택하는 이유:

많은 합금 중에서 18Ni300을 선호하는 이유는 무엇인가요? 18Ni300 합금 분말, 특히 스테인리스 스틸 니켈 기반 합금 시스템에서 독보적인 위치를 차지하고 있는 18Ni300은 성능과 용도의 완벽한 조합을 보여주는 예입니다.

초고강도 및 인성: 항복 강도, 인장 강도 및 파괴 인성 사이의 완벽한 균형을 이루고 있습니다. 기존 강재 분야에서는 강도와 인성 사이에서 절충점을 찾아야 하는 경우가 많습니다. 하지만 18Ni300은 만능 플레이어답게 기존 강철을 훨씬 뛰어넘는 극한의 강도를 제공하면서도 우수한 파괴 인성을 유지하므로 높은 응력과 높은 충격 하중을 견뎌야 하는 주요 부품을 설계하는 데 완벽한 소재입니다.

뛰어난 치수 안정성: 정밀 제조 분야에서 소재의 치수 안정성은 제품의 성패를 좌우하는 핵심 요소 중 하나입니다. 18Ni300은 이 점에서 매우 뛰어난 성능을 발휘합니다. 마르텐사이트 변성 온도가 낮기 때문에 다음과 같은 장점이 있습니다.

우수한 가공성: 어닐링 상태에서 18Ni300은 최종 강도가 너무 높다고 생각하지 마시고, 실제로 가공 성능이 좋은 비교적 "유순한" 소재입니다. 즉, 최종 경화 공정 전에 절단, 드릴링 및 기타 작업을 수행하여 제조 유연성과 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 한 가지 더 언급할 만한 점은 분말 형태일 때 적층 제조 공정(예: SLM, EBM)에 매우 적합하다는 것입니다. 저는 개인적으로 분말 야금과 적층 제조의 결합이 18Ni300의 미래 발전을 위한 중요한 방향이라고 생각합니다. 이는 기존 제조의 기하학적 한계를 극복하고 복잡한 구조의 통합 성형을 실현할 수 있는 무한한 가능성을 제공합니다.

적용 분야: 이러한 우수한 특성으로 인해 18Ni300의 적용 분야는 점점 더 광범위 해지고 있으며 모두 "고정밀"영역입니다. 예를 들어, 항공 우주 산업의 랜딩 기어 부품 및 다양한 구조 부품, 비행 안전을 보장하는 고강도 및 고인성. 고성능 금형, 특히 다이캐스팅 금형 및 플라스틱 금형인 18Ni300은 고온 및 고압을 견딜 수 있어 금형 수명을 크게 연장할 수 있습니다. 레이싱 분야에서 가볍고 고강도는 영원한 추구이며, 18Ni300 합금 부품은 차량 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 수술 도구나 임플란트와 같은 의료 기기에서도 볼 수 있습니다. 대체로 강도, 인성, 치수 안정성이 필요한 경우 18Ni300은 우선 순위 옵션입니다.

무엇을 18Ni300 평균?

“18”: 이 합금의 니켈(Ni) 함량은 약 18%입니다. 니켈은 마르텐사이트 형성의 핵심 요소일 뿐만 아니라 이후 노화 경화의 결정적인 요소이기도 합니다. 니켈이 충분하지 않으면 이 합금의 특성을 기대할 수 없습니다. 저는 항상 니켈을 합금의 '골격'으로 생각하며 전체 성능 시스템을 뒷받침합니다.

"Ni"이것은 더 직관적이며, 이것이 니켈 기반 합금 또는 적어도 니켈 함량이 매우 중요한 합금임을 명확하게 나타냅니다. 합금의 세계에서는 원소 식별이 매우 중요하기 때문에 재료의 광범위한 범주와 잠재적 특성을 빠르게 파악할 수 있습니다.

“300”: 이 숫자는 일련의 열처리 후 이 합금의 일반적인 인장 강도 등급을 나타내며, 일반적으로 KSI(평방인치당 킬로파운드) 단위로 약 300 KSI이며, 보다 친숙한 단위로 환산하면 약 2070 MPa입니다. 이것이 가장 중요한 기계적 성능 지수입니다. 엔지니어들이 고강도 소재가 필요하다고 하면 먼저 고강도 디지털 마킹이 있는 합금을 떠올립니다.

18Ni300 화학 성분:

주요 합금 원소와 그 역할

• 니켈 (Ni, ~ 17.0-19.0%): 니켈은 마레이징 강철의 "영혼" 원소입니다. 오스테나이트를 안정화시키고 마르텐사이트 변성점을 감소시킬 뿐만 아니라 후속 노화 경화에 필수적인 부드러운 마르텐사이트 매트릭스를 얻을 수 있도록 해줍니다. 그리고 니켈의 존재는 합금의 인성을 크게 향상시킵니다. 즉, 인성이 없는 고강도, 즉 우리가 원하는 것은 아닙니다. 더 좋은 점은 니켈은 많은 주요 침전물의 형성의 기초이기도 합니다.
• 코발트 (Co, ~ 8.5-9.5%): 코발트는 저에게 약간의 촉진제입니다.". 마르텐사이트 변환 온도를 높일 수 있으므로 냉각 중에 마르텐사이트를 형성하기가 더 쉽습니다. 동시에 코발트는 철에서 니켈의 용해도를 미묘하게 감소시킬 수 있는데, 이는 약간 직관적이지 않게 들리지만 실제로는 노화 과정에서 침전상의 형성을 가속화하여 경도를 더 빠르고 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.
• 몰리브덴 (Mo, ~ 4.6-5.2%): 몰리브덴은 18Ni300에서 다양한 역할을 합니다. 첫째, 고용체 강화를 통해 매트릭스의 강도를 향상시킬 수 있습니다. 둘째, 입자를 정제하고 입자 경계 이동을 억제하여 재료의 포괄적인 기계적 특성을 개선하는 데 매우 유용합니다. 물론, 더 중요한 것은 몰리브덴이 노화 과정에서 침전되어 합금의 경도 향상에 더욱 기여하는 Ni3Mo와 같은 니켈과 금속 간 화합물을 형성한다는 것입니다.
• 티타늄 (Ti, ~ 0.6-0.8%): 노화 경화에 관해서는 티타늄을 결코 무시할 수 없습니다! 제 생각에 티타늄은 18Ni300 '경도 폭발'의 핵심입니다. 니켈과 Ni3Ti와 같은 금속 간 화합물을 형성하고 이러한 나노 크기의 침전물은 마르텐사이트 매트릭스에 분산되어 강력한 전위 고정점을 형성하여 재료의 항복 강도와 경도를 크게 향상시킵니다. 티타늄이 없었다면 18Ni300의 상징적인 고강도는 존재하지 않았을 것이라고 말할 수 있습니다.
• 알루미늄 (Al, ~ 0.05-0.15%): 이 공식의 알루미늄은 양은 많지 않지만 그 효과는 작지 않습니다. 무엇보다도 제련 공정에서 산소 함량을 제어하는 데 도움이되는 효과적인 탈산제입니다. 둘째, 알루미늄은 곡물을 어느 정도 정제 할 수도 있습니다. 물론 복잡한 강수량 강화 메커니즘에도 관여 할 수 있습니다.

추적 요소 제어:

재료 과학자로서 저는 재료의 '순도'에 대한 거의 편집증적인 요구를 가지고 있습니다. 합금의 '검은 양'과 같은 탄소(C), 황(S), 인(P) 등 유해한 불순물의 함량을 엄격하게 관리합니다." 과도한 탄소 함량은 용접성과 인성에 영향을 미치며, 황과 인은 입자 경계에서 저융점 화합물을 형성하기 쉬워 재료 취성을 초래합니다. 따라서 18Ni300의 우수한 성능을 보장하기 위해서는 함량을 매우 낮은 수준으로 유지하는 것이 필수적입니다.

보다 직관적인 이해를 돕기 위해 18Ni300의 일반적인 화학 성분 범위를 보여주는 표를 작성했습니다.

표: 18Ni300의 일반적인 화학 성분 범위(중량 백분율)

요소	콘텐츠(%)
Ni	17.0-19.0
Co	8.5-9.5
Mo	4.6-5.2
Ti	0.6-0.8
Al	0.05-0.15
C	<0.03
S	<0.01
P	<0.01
Fe	잔액

적층 제조에서 18Ni300 합금 분말의 응용 및 과제

분말 야금과 적층 제조의 시너지 효과

18Ni300이 적층 제조와 완벽하게 결합할 수 있는 이유는 분말 형태가 핵심이기 때문입니다. 우리가 흔히 말하는 적층 제조 또는 3D 프린팅은 본질적으로 재료를 한 층씩 쌓아 올리는 '빌딩 블록'입니다. 파우더 형태 없이 어떻게 복잡한 형상을 구현할 수 있을까요? 저는 학생들에게 파우더의 유동성, 부피 밀도, 균일성 등 사소해 보이는 파라미터가 실제로 최종 출력물의 품질과 효율성을 직접 결정한다고 자주 강조합니다. 특히 고성능 합금 18Ni300의 경우, 파우더의 고순도와 완벽한 구형성은 프린트 성능을 보장하는 기본 요소입니다.

현재 우리가 가장 일반적으로 사용하는 적층 제조 기술에는 크게 두 가지 유형이 있습니다. 첫 번째는 레이저 파우더 베드 용융 (L-PBF)는 고에너지 레이저를 사용하여 고밀도 파우더 층을 선택적으로 용융하는 방식으로, 특히 매우 높은 정밀도가 필요한 복잡한 부품을 제조하는 데 적합합니다. 다른 하나는 전자빔 용융 (EBM)은 진공 환경에서 작동하며 전자빔으로 분말을 녹이는 방식입니다. EBM은 에너지 효율이 높고 잔류 응력을 효과적으로 줄일 수 있지만 표면 거칠기가 약간 떨어질 수 있다는 단점이 있습니다.

기술에 관계없이 파우더 품질에 대한 요구 사항은 거의 엄격합니다. 파우더의 입자 크기 분포는 일반적으로 15-45미크론 또는 20-63미크론 사이이며, 이 범위는 엄격하게 제어되어야 합니다. 또한 구형도, 위성 분말 함량, 산소 함량 및 분말 표면 형태는 적층 제조 공정의 안정성과 최종 부품의 밀도 및 기계적 특성에 직접적인 영향을 미칩니다.

적층 제조 공정이 18Ni300의 특성에 미치는 영향

적층 가공의 장점은 '속도'입니다. 그러나 이 속도는 또한 독특한 과제를 수반합니다.

빠른 응고 효과

적층 제조 과정에서 재료는 급속 가열과 급속 냉각이라는 극단적인 사이클을 거칩니다. 18Ni300의 경우, 이는 미세 구조와 상전이 과정이 기존 공정과 매우 다르다는 것을 의미합니다. 급속 냉각으로 인해 입자가 매우 미세해져 초미세 마르텐사이트 구조가 형성됩니다. 때때로 이러한 급속 냉각은 특정 노화 침전물의 형성을 억제하거나 형태를 변화시킬 수도 있습니다.

성능의 관점에서 볼 때, 세분화된 강화는 일반적으로 재료의 초기 강도를 향상시키며 이는 훌륭하게 들립니다. 하지만 문제도 있습니다. 빠른 응고로 인한 결정 방향과 조직 불균일성은 인쇄된 제품의 이방성을 초래할 수 있으며, 이는 후속 설계 및 적용 시 심각하게 고려해야 할 사항입니다.

잔류 응력 및 균열

잔류 응력은 적층 제조 분야의 장기적인 문제입니다. 높은 온도 구배, 재료의 빠른 냉각, 고르지 않은 수축은 모두 잔류 응력의 원인입니다. 저는 잔류 응력으로 인해 뒤틀리고 변형된 부품이 너무 많았고, 심지어 거시적 또는 미세한 균열도 보았습니다. 이는 정말 골치 아픈 일입니다. 결국 하드 프린트된 부품이 부족한 것을 보고 싶어하는 사람은 아무도 없습니다.

이 문제를 해결하기 위해 일반적으로 기판 예열, 스캐닝 전략 최적화 (체스 판 스캐닝이 일반적인 방법), 레이저 또는 전자 빔의 출력 및 속도 조정, 물론 나중에 열처리, 특히 응력 제거 어닐링과 같은 몇 가지 전략을 채택하고, 그것은 또한 필수적입니다.

밀도 및 결함 관리

부품의 밀도, 저는 이것이 적층 제조 성공의 초석이라고 생각합니다. 밀도가 높지 않으면 다른 특성, 특히 피로 성능에 대해 이야기할 수 없습니다. 고밀도 프린트를 얻기 위한 기초가 되는 분말 유동성, 부피 밀도, 입자 크기 분포, 순도 등의 품질을 원천부터 제어해야 합니다.

다음으로 에너지 밀도에 직접적인 영향을 미치는 레이저 출력, 스캐닝 속도, 라인 간격, 층 두께와 같은 공정 파라미터를 최적화하여 분말이 완전히 용융되고 안정적인 용융 풀을 형성할 수 있도록 해야 합니다. 동시에 과연소 또는 과소 연소를 방지하고 재용융 영역을 최적화하기 위한 스캐닝 전략도 중요합니다. 불완전한 융합, 다공성 및 내포물과 같은 일반적인 결함을 피하기 위해 최선을 다해야 합니다.

후처리 프로세스의 중요성

적층 제조 부품은 종종 일련의 후처리가 필요합니다. 이 중 두 가지 공정이 중요합니다.

열간 등방성 프레싱(HIP)

HIP라고 하는 열간 등방성 프레스는 내부 모공을 제거하는 "킬러"입니다.". 고온 고압의 환경에서 재료는 소성 변형과 확산 크리프를 겪게 되어 고립된 내부 기공이 닫힙니다. 저는 종종 부품을 깊게 '마사지'하여 내부를 더 조밀하게 만드는 것과 비교하곤 합니다.

HIP 처리 후 재료의 밀도가 크게 향상되고 항복 강도, 인장 강도, 연신율 및 피로 수명을 포함한 기계적 특성도 질적으로 도약합니다. 제 경험에 따르면 HIP 처리된 적층 제조 18Ni300 부품의 성능은 기존 단조품의 성능에 매우 근접할 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 파라미터는 일반적으로 고온(예: 1150-1200°C), 고압(예: 100-150MPa), 2-4시간 유지입니다.

열처리

열처리, 특히 용액 처리 및 노화 처리(용액 담금질-노화)는 18Ni300 침전 경화를 유도하고 기계적 특성을 최적화하기 위한 핵심 단계입니다.

첫 번째는 솔루션 처리. 그 목적은 합금의 원소, 특히 티타늄, 몰리브덴, 코발트가 마르텐사이트 매트릭스에 완전히 용해되도록 하는 것입니다. 이를 통해 내부 스트레스를 제거할 뿐만 아니라 조직이 더욱 균일해질 수 있습니다.

다음은 노화 치료. 이것은 18Ni300 성능 폭발의 중요한 순간입니다. 일정 시간 동안 적당한 온도(보통 480~520°C)에서 니켈, 티타늄, 몰리브덴이 풍부한 금속 간 화합물(예: Ni3Ti, Ni3Mo)이 마르텐사이트 매트릭스에서 균일하게 침전되어 나노 크기의 분산 강화상을 형성하는 것을 볼 수 있습니다. 이 작은 침전물은 무수히 많은 "강철 못"과 같아서 재료의 경도와 강도를 크게 향상시킵니다.

일반적인 열처리 파라미터는 815-830°C에서 1시간 동안 용액 처리한 후 공냉 또는 수냉 처리, 480-520°C에서 3-6시간 동안 노화 처리한 후 공냉 처리입니다. 하지만 여기서 한 가지 주의할 점은 고유한 미세 구조로 인해 적층 제조 18Ni300의 최적 열처리 파라미터가 기존 주조 및 단조와 다를 수 있으므로 여전히 최적화 작업을 수행해야 한다는 점입니다.

요약하면, 18Ni300 마레이징 강 분말은 초고강도, 우수한 인성 및 우수한 치수 안정성으로 인해 항공 우주, 정밀 금형 및 고성능 기계 제조 분야에서 광범위한 응용 가능성을 보여주었습니다. 특히 적층 제조(3D 프린팅)에서 18Ni300 합금 분말은 우수한 분말 특성과 적응성으로 복잡한 구조 설계 및 경량 제조를 위한 새로운 솔루션을 제공합니다. 분말 품질의 합리적인 제어, 공정 파라미터의 최적화, 열간 등방성 프레스 및 열처리 및 기타 후처리 수단과 결합하여 18Ni300 부품의 종합적인 성능은 기존 단조품과 비슷하거나 더 우수합니다. 분말 야금 및 적층 제조 기술의 지속적인 성숙에 따라 18Ni300 마레이징 강은 고급 제조의 중요한 지원 재료이자 향후 첨단 제조 기술 개발을 촉진하는 핵심 동력이 될 것으로 예상됩니다.