大気圧下でのレーザー粉末床溶融によるニッケルフリー高窒素オーステナイト系ステンレス鋼の製造

寄稿者: 王全偉、陸中良寄稿部署: 西安交通大学機械製造システム工学国家重点研究室

鋼は最も広く使用されている構造工学合金です。その中でも、オーステナイト系ステンレス鋼（特にグレード 304、316、320）は、優れた機械的特性（強度、延性、靭性）と耐食性を兼ね備えているため、重要な位置を占めています。オーステナイト系ステンレス鋼では、8～12重量%のNiを添加することで、高温のFeの面心立方（FCC）相（広義には「オーステナイト」と呼ばれる）を安定化させることができるため、これらの鋼は非常に高価になります。コストが高いことに加え、Ni の発がん性により、優れた耐食性を備えたこれらの鋼は、生物医学用途には考慮されません。そのため、Ni を Mn、C、または N に置き換えるための研究が盛んに行われています。中でも、Nとの合金化は、(1)豊富で安価であること、(2)強力なオーステナイト安定剤であること、(3)Cよりも固溶度が高く、固溶強化効果が高いこと、Mnに比べて耐孔食性を向上させることができることなどの理由から有利である。フェライト（室温で安定な Fe の体心立方 (BCC) 相）の N 含有量が 0.08 wt% を超える場合、またはオーステナイトの場合は 0.4 wt% を超える場合、その鋼は高窒素鋼 (HNS) と呼ばれます。これらは、焼きなまし処理された AISI 200 および 300 シリーズ鋼よりも 2 ～ 3.5 倍強力です。

HNS の合成における主な課題は、大気圧 (atm) での Fe ベースの材料への N の溶解度が限られていることと、従来の製造装置と高圧製造プロセスが複雑であることから生じます。付加製造（AM）の登場により、特に金属合金や複合材料の材料開発と製造に新たな道が開かれました。これに基づいて、本論文では、常圧で 0.8 wt% を超える N を含む Ni フリー HNS を調製するためのワンステップレーザー粉末床溶融 (LPBF) 製造方法を提案し、その実現可能性を実証します。

HNS（300 mm/s で印刷）の微細構造を電子後方散乱回折（EBSD）を使用して研究しました（図 1 を参照）。ほとんどの相が確かにオーステナイトであることが確認されました。少量の BCC (<0.5%) と微量の不完全溶融 CrxN (<0.1%) も観察されました。

図 1 175 W、300 mm/s IPF で製造された試験片の微細構造を示す顕微鏡写真。Z: Z 方向に沿った逆極点図図 2 TD および BD に沿って荷重を受けた HNS の応力-ひずみ曲線。 HNS の硬度 (383.99 ± 16.25 HV0.5) は、N なしの硬度 (265.89 ± 12.76 HV0.5) と比較して大幅に向上しました (約 44%)。後者の主な微細構造相は BCC (>60wt%) であり、これは一般に FCC 相よりもはるかに硬く、多孔性もはるかに低くなります (同じスキャン速度 300 mm/s と比較して)。 HNS は多孔度が高いにもかかわらず、その機械的特性は、多孔度が約 0.06% の AM 製造 316L よりも大幅に優れています。 Nによる固溶強化により、HNSの硬度は70%以上増加し、降伏強度も約59%増加します。

図2 TDとBDに沿って荷重をかけたHNSの応力-ひずみ曲線（挿入図は引張試験片の寸法を示す）
要約すると、現在の高圧製造技術の欠点を克服するために、窒素源として二元金属窒化物を使用して、大気圧下で LPBF プロセスによって HNS を製造することもできます。印刷されたサンプルは窒素含有量が高く、優れた機械的特性を備えています。この発見は、N 鋼の産業および生物医学的応用の促進に大きな影響を与えます。
参考文献:

Cheng B、Wei F、Teh W、他大気圧下でのレーザー粉末床溶融結合によるニッケルフリー高窒素オーステナイト系ステンレス鋼の製造[J]。付加製造、2022：102810。

大気圧下でのレーザー粉末床溶融によるニッケルフリー高窒素オーステナイト系ステンレス鋼の製造

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