金属射出成形（MIM）技術による高窒素ステンレス鋼の製造は発展のチャンスを迎えている

 

発売日：[2024/6/13]
 

近年、製造技術と技術の発展に伴い、窒素は安定鋼中のオーステナイトに大きな優位性があり、オーステナイトが持つ無磁性などの優れた特性を保持できることが認識されている。ステンレス製品にとってもそうです。また、3 D印刷技術の発展、応用に伴い、金属射出成形（Metal injection molding、MIM）高窒素ステンレス鋼の電子工業における応用優位性がますます明らかになってきた。

ニッケルの代わりに高窒素ステンレス鋼が誕生

ステンレス鋼は人類の材料発展史上最も偉大な発明の一つであり、現在では人類の生産と生活のあらゆる面に浸透している。優れた耐食性を持つため、ステンレス鋼は工業分野で様々な劣悪な工業環境に広く応用されている。生活分野で様々な消費財の部品や最終製品（食器など）を製造するために使用され、銀色の金属光沢を長期間維持することができ、消費者に愛されている。

ステンレス鋼の発展初期には、窒素含有ステンレス鋼の研究は重視されていなかった。1つ目は生産技術の制限を受け、ガス状窒素を鋼液に添加することが困難である、第二に、窒素がステンレス鋼を脆くするかどうかは当時議論されていた。1912年になって初めて、窒素が鋼力学性能及び安定オーステナイトに与える重大な影響を記載した文献がある。その後、1926年には、窒素がクロム、鉄クロム合金に類似の影響を与えるという研究が報告された。1930年代から、窒素を鉄クロム合金に添加して合金強度を高める研究が続々と文献に記載されている。第二次世界大戦中、ニッケル資源の不足により、窒素化ニッケルでオーステナイトを安定化させる可能性の研究が注目された。当時、ステンレス鋼の構造と強度に対する既知の窒素の影響に加えて、ステンレス鋼の耐食性に対する窒素の有利な影響が初めて発見された。

高窒素鋼の発展の歴史の中で、2つの要素が人々のステンレス合金元素としての窒素の意義に対する思考を促進した：1つはステンレス鋼における重要な合金元素ニッケルの供給量が徐々に減少したこと、第二に、高強度のオーステナイトステンレス鋼を生産するためである。AOD炉法（アルゴン酸素脱炭素法）が合金元素として窒素を可能にすると、ステンレス鋼の窒素合金化が急速に普及した。特にオーステナイトステンレス鋼においては、ニッケルの代わりに窒素とマンガンの含有量を調整することにより、良質で安価な高窒素ステンレス鋼を生産することができ、さらにニッケル含有量を0.1%未満のレベルに下げることができ、高窒素無ニッケル型のオーステナイトステンレス鋼が誕生した。

オーステナイトステンレス鋼は最も重要なエンジニアリング材料の一つであり、それは比較的強い耐食性、高い延性、無磁性を有するため、工業上で広範な応用を持っている。従来のオーステナイトステンレス鋼には大量のニッケルが含まれていた。ニッケルの存在は鋼中のオーステナイト組織を安定化させるが、解決しにくい問題もある。例えば、ニッケルのコストが高い、オーステナイト中に置換式固溶原子として存在し、材料の強度と硬度を効果的に高めることができない、生体適合性が悪く、人体アレルギー反応を引き起こしやすく、消費電子と生体医療分野への応用を制限している。

これらの問題を解決するために、ニッケルの代わりにオーステナイトステンレス鋼に窒素が導入され、高窒素ステンレス鋼が誕生した。従来のオーステナイトステンレス鋼と比較して、高窒素ステンレス鋼は相対的な優位性がある。例えば、窒素のオーステナイトに対する安定性はニッケルよりはるかに高く、少量の窒素でステンレス鋼中のオーステナイト組織を効果的に安定させ、材料の加工過程でフェライトとマルテンサイトを形成することを減少させ、それによってオーステナイトステンレス鋼が持つ高い耐食性と無磁性を保存する。窒素はギャップ固溶体元素として、材料の良好な延性を維持しながらオーステナイトの硬度と強度を効果的に高めることができる。窒素がニッケルに置換されると、材料のニッケル放出を低減し、材料の生体適合性を改善し、オーステナイトステンレス鋼のレジストとクラック腐食の能力を効果的に向上させることができる。

そのため、高窒素オーステナイトステンレス鋼は近年研究の焦点となり、工業上の応用もますます多くなっている。

MIM技術を用いた高窒素ステンレス鋼の製造

初期に開発された高窒素オーステナイトステンレス鋼の多くは鋳造技術に基づいており、金属溶融状態で窒素元素を添加していた。液体鉄における窒素の溶解度は低いため、鋼液に十分な窒素を溶解させるには、より高い窒素分圧を使用する必要がある。しかし、この方法は高価な高温高圧設備を使用する必要があり、一定の危険性があるため、工業普及に支障を来たす。

これに比べて、オーステナイト中の窒素の固溶度は液状鉄中の溶解度よりはるかに高いため、ステンレス鋼粉末は固体時に低圧下で窒素を多く浸透させることができる。これにより、粉末冶金プロセスがより経済的で効果的な高窒素オーステナイトステンレス鋼の製造方法になる。また、粉末冶金プロセスを利用することで、製品の近接成形を実現し、後続の加工を減少させることができ、同時に鋳造よりも均一な組織と性能を得ることができる。

MIM技術は粉末冶金の分野で射出成形技術を導入し、それによって生成された新しい近浄成形技術である。金属射出成形過程において、まず、要求に合致する金属粉末と高分子バインダーを選択し、その後、適切なプロセス条件下で混練して押出し、均一な顆粒状フィードを製造する。次に、射出成形により、フィードを溶融状態でキャビティに射出してビレットを形成する。最後に、脱脂プロセスにより生地中の接着剤を除去し、焼結により緻密化金属製品を得た。焼結後の完成品の密度は理論密度の96%~ 98%に達することができ、力学性能は鍛造材料に近い。

MIM技術の利点は、複雑な形状の精密金具を極めて低コストで大量に生産できることにあり、現在ではMIM技術を用いて高窒素ニッケルフリーステンレス鋼製品を製造できるようになっている。現在、工業で最も多く使用されているMIM技術を用いて製造された高窒素ニッケルフリーステンレス鋼の番号はPANACEAであり、その化学成分（質量分率）は：炭素≦0.2%、窒素≧0.65%、クロム16.5%~ 17.5%、ニッケル≦0.1%、モリブデン3.0%~ 3.5%、マンガン10%~ 12%、シリコン≦0.1%、余剰量は鉄である。この製品の原始粉末の窒素含有量は0.3%を超えず、焼結プロセスによって窒素含有量を0.65%以上に高めることができ、最終的に性能の良い高窒素ニッケルフリーオーステナイトステンレス鋼を得ることができる。このステンレス鋼は性能が優れているが、量産にはまだ技術的な障壁がある。例えば、この材料中の窒素は焼結の過程で浸透し、その窒素含有量の制御は窒化過程の熱力学と動力学の理解に関連し、ステンレス鋼における窒素の存在状態は材料熱処理の過程と関連している、メーカーによって使用する焼結炉が異なるため、最適化された焼結条件は生産前に十分に検証する必要があるなど。これらの要素はすべてこの材料の安定生産の難しさを増大させた。
MIM技術を用いて製造された高窒素ニッケルフリーステンレス鋼は、従来のオーステナイトステンレス鋼よりも強度と硬度が高く、耐食性に優れ、しかも磁性がなく、電子製品構造部品を製造する優れた材料である。深セン市御嘉鑫科技股份有限公司は金属粉末射出成形技術を採用し、各種の高精密、複雑構造金属部品を製造し、高窒素無ニッケルステンレス鋼製造分野で豊富な経験を持ち、医療、工業、軍需産業、消費電子などのミドル・ハイエンド製品部品に力を入れ、業界の技術障壁を絶えず突破している。ファーウェイは2017年末からこの材料を用いて同社の旗艦携帯電話のカメラスタンドを製造し始め、これまで2世代の携帯電話製品を経験してきた。現在、4種類のカメラスタンドが大量に生産され、それぞれの出荷量は数百万件に達し、高窒素ニッケルフリーステンレス鋼を射出成形する古典的な応用例である。ファーウェイ社の普及に伴い、ますます多くの携帯電話構造部品がこの高窒素無ニッケルオーステナイトステンレス鋼材料を選択するようになった。近い将来、MIM技術を用いて製造された高窒素ニッケルフリーステンレス鋼はより多くの発展のチャンスを迎えると信じている。