積層造形による高い耐摩耗性

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12554 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

電子ビーム溶解 (EBM) によって処理された、約 22.5 vol% のクロム (Cr) およびバナジウム (V) に富む炭化物からなる高炭素マルテンサイト ステンレス鋼 (HCMSS) の乾式滑り摩耗挙動が捕捉されました。 微細構造は、サブミクロンサイズの V リッチ炭化物とミクロンサイズの Cr リッチ炭化物が均一に分布したマルテンサイト相と残留オーステナイト相で構成され、比較的高い硬度をもたらしました。 定常状態での負荷の増加に伴い、CoF は約 14.1% 減少しました。これは、摩耗トラックからカウンターボディ上の材料が移動したためです。 同じ方法で処理されたマルテンサイト工具鋼と比較した HCMSS の摩耗率は、低い負荷荷重下ではほぼ同一でした。 主な摩耗メカニズムは、摩耗による鋼マトリックスの除去とそれに続く摩耗痕跡の酸化であり、負荷の増加に伴って三体摩耗が発生しました。 断面硬度マッピングにより、摩耗痕跡の下の塑性変形ゾーンが明らかになりました。 摩耗条件がますます激しくなるにつれて発生する特定の現象が、炭化物の亀裂、V リッチな炭化物の引き抜き、およびマトリックスの亀裂として説明されました。 この研究により、積層造形された HCMSS の摩耗性能が明らかになり、シャフトからプラスチック射出成形金型に至るまで、EBM を介して摩耗関連用途のコンポーネントを製造する道が開かれる可能性があります。

ステンレス鋼 (SS) は、高い耐食性と適切な機械的特性により、航空宇宙、自動車、食品加工、その他の多くの工学用途で広く使用されている多用途鋼です 1、2、3。 高い耐食性は、SS に含まれるクロム含有量が高い (11.5 重量%以上) ことに起因しており、表面にクロムを豊富に含む酸化膜の形成が容易になっています1。 ただし、ほとんどの SS グレードは炭素含有量が低いため、硬度と耐摩耗性が制限されており、航空機の着陸コンポーネントなどの摩耗関連の用途では耐用年数が短くなります4。 通常、それらは低い硬度 (180 ～ 450 HV の範囲) を持ち、熱処理されたマルテンサイト SS グレードの一部だけが、その高い炭素含有量 (最大 1.2% wt) に関連して高い硬度 (最大 700 HV) を示します。マルテンサイトの１． 簡単に言えば、炭素含有量が高いとマルテンサイト変態温度が低下し、高い冷却速度で完全にマルテンサイトの微細構造が得られ、耐摩耗性の微細構造が得られます。 マトリックスの摩耗性能をさらに高めるために、硬質相（炭化物など）を鋼マトリックスに組み込むことができます。

積層造形 (AM) を導入すると、望ましい組成、微細構造の特徴、および優れた機械的特性を備えた新規材料の製造が可能になります 5、6。 たとえば、最も商業化されている AM プロセスの 1 つであるパウダー ベッド フュージョン (PBF) では、レーザーや電子ビームなどの熱源を使用して粉末を溶融することにより、プレアロイされた粉末を堆積させてニアネットシェイプ部品を形成できます。 いくつかの研究により、AM 加工された SS 部品は従来の方法で製造された同等品よりも優れていることが示されています。 たとえば、AM 処理されたオーステナイト系 SS は、より微細な微細構造 (つまり、ホールペッチ関係) により機械的特性が向上していることが示されています 3,8,9。 AM 処理されたフェライト SS の熱処理により、追加の析出物の形成が促進され、従来の同等品と同様の機械的特性が得られました 3,10。 高い強度と硬度を有する AM 処理された二相 SS が導入されており、改善された機械的特性は微細構造内の Cr に富んだ金属間相に起因すると考えられます 11。 さらに、微細組織内の残留オーステナイトを制御し、AM 加工および熱処理パラメータを最適化することにより、AM 加工マルテンサイト SS および析出硬化 SS の機械的特性を向上させることができます 3,12,13,14。