mim材質ステンレス鋼17-4

MIM 17-4 PHの概要

AISI 17-4 PH規格に基づくMIM 17-4 PHは、マルテンサイト系析出硬化型ステンレス鋼です。耐食性と機械的特性の融合が特徴です。

最も広く使用されているMIM材料の1つ 金属射出成形 成形部門では17-4PHステンレス鋼が使用されています。この金属は、耐食性、硬度、強度の優れたバランスを備えています。17-4の優れた特性により、複雑な形状でも優れた強度を持つ部品の製造が可能になっています。さらに、焼結工程において特定のパラメータを調整することで、二次硬化処理が行われます。

17-4 PH は 304L と同様に耐腐食性があるため、機械的特性が要求される用途で頻繁に使用されます。

さらに、MIM-17-4 PH は、UNS S17400、AISI 630、ASTM A564、AMS 5643、およびステンレス鋼 17-4 PH によって識別されます。

 

化学物質の組成

ステンレス鋼 17-4 の化学組成は、元素とそれぞれの重量割合とともに以下に記載されています。

• 鉄（Fe）： 残高（残額）
• ニッケル（Ni）： 3.00～5.00%
• シリコン（Si）： 1.00%
• 炭素（C）： 0.07%
• クロム（Cr）： 15.50～17.50%
• ニオブ（Nb）: 0.15～0.45%
• マンガン（Mn）: 1.00%
• 銅（Cu）： 3.00～5.00%
• 硫黄（S）： 0.03%

この組成により、材料の強度、耐腐食性、およびさまざまな産業用途に適したその他の特性が保証されます。

MIM 17-4 PHステンレス鋼の機械的特性は、通常、鍛造17-4 PHステンレス鋼よりも10～25%劣ります。主な原因は以下のとおりです。

焼結欠陥には、残留炭素不純物、残留気孔、粒子が含まれます。
蒸発による元素の損失：Cr、Cu、Ni。
不純物含有量：O、C、N。

焼結速度が遅くなると、面心立方オーステナイト相は炭素と窒素成分によって安定化されます。一方、体心立方デルタフェライトは焼結速度を加速します。ステンレス鋼17-4PHは析出反応を起こし、高い硬度と強度をもたらしますが、残留デルタフェライトは強度を低下させます。さらに、焼結後の冷却過程でマルテンサイトが発生します。

の重要な構成要素 ミム製品sは酸素です。酸化物でコーティングされたステンレス鋼粉末の初期表面積は高く、粉末の製造方法によって酸素の量は異なります。MIM 17-4 PH部品中の酸素レベルが高いと、これらの酸化物がクロムの腐食抑制能力を奪うため、耐食性が低下し、機械特性も低下します。

 

典型的な特性

複雑で高性能なステンレス鋼部品を製造するための高度な技術がMIMです。ピーク温度、加熱速度、環境、保持時間、粉末粒子径はすべて、ステンレス鋼17-4PHの焼結状態に影響を与えます。17-4PH合金の組成には多くの要因が影響し、それが微細構造相、焼結挙動、そして最終的な特性に影響を与えます。プロセス雰囲気中の窒素、粉末または雰囲気中の酸素、そして粉末またはバインダー中の炭素が主な成分です。

 

17-4 PHは、強度、硬度、耐食性の理想的なバランスにより、広く選ばれています。電子機器、歯科、医療、航空宇宙分野の製品では、熱処理後のこれらの特性が魅力的に映ります。組成によってFe、Ni、Cu、Crの含有量が変化します。固相線温度は約1405℃、液相線温度は約1440℃です。機械的特性は熱処理に敏感で、破断伸びは8～14%、降伏強度は760～1240MPa、引張強度は1000～1340MPa、硬度は43HRCに達します。

 

17-4 PHステンレス鋼は、その優れた強度、硬度、耐食性の組み合わせにより、金属射出成形（MIM）業界において最適な選択肢となっています。最も一般的に析出硬化処理されるマルテンサイト系ステンレス鋼は17-4 PHです。

• 偉大な強さ
• 非常に難しい
• 優れた耐腐食性
• 骨折に対する強さ
• 熱処理と溶接の特性

 

バインダーと脱バインダーの効果

ステンレス鋼 17-4 PH 射出成形では、さまざまなバインダー システムが使用されます。最も一般的なものは、フィラー 60%、バックボーン 30%、界面活性剤 10% です。

残留バインダー成分は最終的な酸素または炭素濃度を変化させるため、脱バインダーは最終的な特性に影響を与えます。脱バインダーの初期段階は脱重合または溶媒抽出です。例えば、パラフィンワックスはヘプタンに溶解し、ポリエチレングリコールは熱水に溶解します。さらに、触媒脱バインダーでは発煙硝酸を用いてポリオキシメチレンを除去します。脱バインダーの第二段階でバインダーを除去する最良の方法は、水素雰囲気下で600～1000℃に保持することです。この段階は焼結開始段階と呼ばれることもあります。

 

焼結パラメータの影響

ステンレス鋼17-4PHの焼結過程においては、多くの変数が相互作用し、最終的な密度、相、微細構造、および特性を決定します。統計分析の主要要素は、熱処理、焼結雰囲気、初期酸素濃度、および粒子サイズの4つです。

焼結密度に最も影響を与えるのは焼結温度です。

 

粒子の大きさ

表面拡散は、焼結中に最初の粒子結合が起こるプロセスです。より小さな粒子でより大きな表面積を持つ粒子は、初期の結合を強化します。バインダーの熱分解が起こると、主鎖ポリマーの粒子接着は表面拡散結合に置き換えられます。粒界拡散は、金属粒子間の焼結結合が強化されるにつれて、粒子間に粒界を形成するためにネック成長を必要とします。粒界が形成されると、収縮が始まる焼結において粒径が大きな役割を果たし、焼結速度に逆効果をもたらします。しかし、初期粒子サイズの影響は、ピーク温度を高くするか、保持時間を長くすることで相殺できます。

 

雰囲気

ステンレス鋼の場合、標準的な焼結環境オプションには、真空、水素、窒素、水素-窒素、アルゴン-水素などがあります。


ステンレス鋼17-4 PHの焼結雰囲気として最もよく使用されるのは、水素と真空の2つです。炭素を添加すると、酸化物濃度が顕著に低下します。シリコンとクロムはどちらも、グラファイトによる炭素添加なしでも酸素を保持できます。酸化物の還元は、温度が高く水素濃度が高いときに起こります。低露点であれば、このプロセスは確実に行われます。焼結後に起こる低温表面酸化により、シリコン、鉄、クロムからなる耐腐食性皮膜が形成されます。

窒素は強力なオーステナイト安定剤として、マルテンサイトの生成とステンレス鋼の究極の特性に影響を与えます。冷却に伴い、オーステナイト中に溶解している窒素はCr₂Nとして析出します。この析出物によって粒界領域のクロムが枯渇し、局部腐食が急速に進行します。そのため、焼結雰囲気への窒素の混入を防ぎ、部品を毎分200℃の速度で900℃以下に冷却する必要があります。ステンレス鋼17-4PHでは、窒化クロムの生成を防ぐためです。

グラファイトは真空炉内で低い一酸化炭素分圧を生成するため、グラファイト真空炉は真空焼結に優れています。1300℃、0.001という低い一酸化炭素分圧で、酸化クロムをクロムに変換できます。

 

 

温度と加熱速度

典型的な焼結サイクルには、不純物除去とバインダーのバーンアウトプロセスが含まれており、これらには様々な温度での加熱と保持が含まれます。不純物の除去には1000℃付近が理想的ですが、ポリマーを完全に除去するには600℃付近が理想的です。

ステンレス鋼17-4PHは、膨張試験において焼結収縮のピーク速度が約1250℃であるのに対し、完全な密度（98%）を得るには1300℃のピーク温度が必要です。しかし、この高温では銅とクロムが蒸発し、熱処理および耐食性が低下する可能性があります。

 

さらに、デルタフェライトの合成は高温によって促進され、拡散速度が速いため、この段階では最終的な緻密化が促進されます。以下のMIM 17-4PH焼結体の微細構造グラフには、白いデルタフェライトコロニーと円形の酸化物細孔の暗い領域が見られます。

1260 SS17-4 MIMの微細構造

 

炭素の制御

焼結過程において、炭素はオーステナイト安定化剤として機能します。17-4鋼の残留炭素含有量を0.1重量%未満に抑えることで、より高い強度と硬度が得られます。ステンレス鋼17-4 PHの相、緻密化、および機械的特性は、炭素含有量の変化によってすべて影響を受けます。

 

MIMプロセスにおけるアトマイズ粉末、バインダー残留物、脱脂サイクル、焼結環境、開始酸素、ピーク焼結温度などは、炭素含有量に影響を与える変数です。焼結中の最終的な炭素含有量を決定づける主な要因は、初期の酸素濃度です。例えば、17-4ガスアトマイズ粉末を1343℃で水素焼結すると、0.03%の炭素が失われます。さらに、特に焼結温度が低い場合、バインダー残留物も炭素汚染の原因となる可能性があります。

水素焼結および真空焼結において、ステンレス鋼17-4の引張強度は残留炭素量の影響を受けます。H900またはH1100熱処理、あるいは1300～1360℃での標準焼結においても同様です。次の図は、炭素含有量の増加に伴い引張強度が著しく低下する様子を示しています。

 

時間を維持する

焼結において、最高温度での保持時間は60分から120分です。これは、焼結密度と温度および時間の関係を示す以下のグラフから分かります。温度が1240℃から1360℃に上昇するにつれて、密度は96.3%から98.3%へと徐々に増加します。焼結体は60分間保持した後、完全な密度（98%）に達します。この段階では、気孔が除去され、気孔の消滅速度が低下します。主な原因は、粒界の消失と気孔疲労です。

 

MIM 17-4の利点

高い耐腐食性
熱処理誘起時効硬化
工業的な強度と耐久性
優れた耐熱性
MIMの複雑な形状に最適

 

機械的特性

構造デバイスにはMIM 17-4 PHが使用されています。好ましい比較特性は、強度、硬度、伸びです。さらに、疲労強度、降伏強度、破壊靭性は、いくつかの加工変数の影響を受ける問題です。

以下の図は、複数のMIMプロジェクトの統計分析に基づいて算出された17-4 PHの平均パラメータをまとめたものです。焼結パラメータは、特性の変動の約60%に影響を及ぼします。

 

MIM業界標準によると、ステンレス鋼17-4PHは、焼結後の引張強度が790MPa以上、硬度が27HRC以上、熱処理後の硬度が1070MPa、33HRC以上で、いずれも4%の伸びが求められます。1350℃焼結およびH900熱処理後のステンレス鋼17-4PHの引張強度は、ガスアトマイズ粉末で1280MPa、水アトマイズ粉末で1136MPaです。なお、ガスアトマイズ粉末は、熱処理後の引張強度が1485MPa、伸びが9%に達することもあります。

 

耐腐食性

4種類の焼結ステンレス鋼（304、316、430、および17-4）を様々な条件下で標準的な腐食試験に供しました。その結果、17-4はこれらの条件に対する耐性が最も低いことが示されました。さらに、焼結部品の気孔は濃度分極によって局部腐食を引き起こすため、鍛造材は焼結材よりも耐食性に優れています。残留酸素が問題となるため、耐食性を向上させる方法として水素焼結とガスアトマイズ粉末の2つが広く用いられています。

耐食性は生体適合性にも関連しています。チタン合金やコバルト合金と比較すると、ステンレス鋼17-4PHは細胞毒性は良好ですが、全体的な生体適合性は劣ります。

 

MIM 17-4のPHアプリケーション市場

17-4PHステンレス鋼は、350℃という高温でも優れた機械的特性を発揮します。さらに、花瓶の金属部分や溶接部にも十分な耐久性を備えており、低温で短時間加熱することで反りやスケールの発生を軽減できます。

航空宇宙用17-4ステンレス鋼は、優れた耐食性と耐熱性を備えているため、航空宇宙用途に最適です。粉末の高純度化と緻密化により、MIM 17-4製品の寿命が確保され、誤差変動を最小限に抑えることができます。

車両
自動車製造において最も広く使用されている材料は、様々な形状への加工が容易な17-4ステンレス鋼です。優れた耐久性に加え、金属射出成形技術により複雑な形状にも対応可能です。

顧客
17-4は優れた耐腐食性を備えているため、MIM技術を活用した民生用途で広く使用されています。さらに、この材料の並外れた強度と硬度は、エラーのない機能を保証します。

結論は

MIM 17-4 PHは、構造特性の最適化において驚異的な進歩を遂げています。様々な用途において、様々な魅力的な焼結特性の組み合わせを提供します。焼結温度は、粉末の種類、粒子径、成形体密度、保持時間などのパラメータと比較すると、最終的な特性を決定する主な要因です。さらに、焼結材料中に存在する相も焼結特性に影響を与えます。

一方、焼結後の熱処理、焼結密度、相形態はすべて特性に影響を与えます。焼結密度は特性を決定づけますが、熱間等方圧加圧（HIP）はそれらの特性を向上させます。

金属射出成形（MIM）は、ステンレス鋼17-4 PHの活用により、ますます高度化しています。焼結17-4 PHのさらなる用途拡大のため、JHMIMはMIM技術基盤を活用しています。