マルエージング鋼とは、炭素ではなく金属間化合物の析出によって強度を得る高強度鋼の一群を指す。マルエージング鋼は、高強度、良好な破壊靭性、良好な溶接性といった機械的特性の優れた組み合わせを提供し、様々な重要な産業用途で有用です。
マルエージング鋼MS1粉末は、レーザー粉末床溶融法（LPBF）や指向性エネルギー堆積法（DED）のような付加製造技術用に設計されたマルエージング鋼合金粉末です。先端エンジニアリング材料であるMS1は、粉末ベースのAMプロセスにおいて、従来のマルエージング鋼種とは異なる明確な利点を提供します。この記事では、マルエージング鋼MS1の組成、主要特性、加工方法、用途、長所／短所、供給に関する詳細など、マルエージング鋼MS1の包括的な概要を紹介します。
マレージング鋼MS1パウダーの概要
マルエージング鋼は、時効熱処理中に形成される金属間析出物から強度を得るように設計されたユニークな低炭素マルテンサイト鋼である。低炭素鋼は良好な溶接性を提供する一方で、重要な合金添加は析出硬化メカニズムによる高強度を可能にします。
MS1パウダーは、粉末溶融法または指向性エネルギー堆積法を用いたマルエージング鋼部品の積層造形用に特別に設計されています。MS1パウダーの主な詳細
マルエージング・スチール MS1 パウダーの主な詳細
| パラメータ |
詳細 |
| 合金指定 |
18% Ni, 9% Co, 5% Mo , Fe bal. |
| 標準仕様 |
ASTM B986 |
| 密度 |
8.1 g/cm3 |
| 粒子径範囲 |
15-53 μm |
| 製造工程 |
ガス噴霧 |
| 主な特徴 |
超高強度、時効硬化後の良好な破壊靭性と延性、AMにおける優れた寸法能力、良好な耐食性、良好な溶接性 |
| 代表的なアプリケーション |
航空宇宙部品、金型部品、自動車部品、機械部品 |
組成と粒度分布を調整したMS1は、従来のマルエージング鋼種と同等以上の機械的特性を持つ、緻密で高品質なマルエージング鋼部品の積層造形を可能にします。
マルエージング鋼MS1の組成と組織
マルエージング鋼は、その低炭素マルテンサイト母相と特殊合金添加物からユニークな特性を得ている。組成は時効処理後の最終的な機械的性能に重要な役割を果たします。
マルエージング鋼 MS1 - 公称組成
| 合金元素 |
重量 % |
役割 |
| ニッケル（Ni） |
17-19 |
焼入れ時にマルテンサイトが形成され、硬化効果が得られる。 |
| コバルト |
8-9 |
析出による硬化に寄与する |
| モリブデン (Mo) |
4.5-5.5 |
降水強化剤 |
| チタン（Ti） |
0.3-0.8 |
沈殿物を形成し、粒度を細かくする |
| アルミニウム（Al） |
0.05-0.15 |
窒化物の形成を防ぐ |
*その他の不純物（C、Si、Mnなど）は、破壊靭性の低下を避けるために最小限に抑えられている。鉄はバランス。
低炭素、高ニッケルのマルテンサイトマトリックスは、高強度と良好な靭性の組み合わせを提供します。コバルトとモリブデンの大幅な添加により、時効処理中にNi3(Ti, Mo)のような非常に硬い金属間析出物が形成され、材料に非常に高い強度が付与される。
従来のグレードとは異なり、MS1パウダーは、積層造形において再現可能な特性を実現するため、より厳密な化学的制御により特別に設計されています。
主な特性と特徴
マルエージング鋼MS1粉末は、超高強度、良好な破壊靭性と延性、優れたAM加工性、その他重要な産業用途に適した有用な工学的特性という卓越した組み合わせを提供します。
マルエージング鋼 MS1パウダー - 主要特性
| 機械的特性 |
|
| 引張強度 |
2450MPa以上 |
| 降伏強さ（0.2%オフセット） |
2310MPa以上 |
| 伸び |
8% |
| 硬度 |
56HRC以上 |
| パフォーマンス特性 |
|
| 耐食性 |
300系ステンレス鋼に似ている。 |
| 熱伝導率 |
10-12 W/m.K |
| 電気抵抗率 |
0.8μhm-cm |
主な特徴
- 析出硬化による超高強度
- 非常に高い強度にもかかわらず良好な破壊靭性
- AMにおける均一な特性と性能
- AMにおける優れた寸法能力
- 粉体の一貫した化学管理
- 良好な耐食性
- 高い硬度がシャープなツーリングエッジを維持
- AMプロセスによる複雑な形状が可能
この特性の組み合わせにより、航空宇宙、金型、自動車、機械、その他の主要産業における重要な部品に機能的な性能を発揮することができる。
熱処理と加工
マルエージング鋼で最適な特性を得るための重要なステップは、適切な熱処理と時効処理である。MS1粉末は、付加製造のための最適化された熱処理パラメータと、それに続く時効処理を必要とする。
マルエージング鋼 MS1 標準熱処理
| ステップ |
温度 |
時間 |
フェーズ/コンディション |
| 1 |
1160-1200°C |
変動あり |
ソリューション化 |
| 2 |
490°C |
6時間 |
エージング - 硬化沈殿物の形成 |
| 3 |
室温まで冷ます |
– |
空気が冷たいか、速いか |
AM加工に関する推奨事項
- ビルド中のチャンバー温度を80～100℃に保つ
- プレートに固定された支持構造を使用する
- 加工後にサポートが取り外せるよう、部品に向きをつける
- エージング前の応力を緩和するために、製造時の表面を機械加工する。
- 必要に応じてHIP（熱間静水圧プレス）の後処理を施す。
- 大規模な機械加工が必要な場合は、ミルアニールを行う。
典型的なAMプロセス・パラメーター
| パラメータ |
詳細 |
| レイヤーの厚さ |
20-50 μm |
| レーザー出力 |
195-500 W |
| スキャン速度 |
800-3500 mm/s |
| ハッチの間隔 |
60-120 μm |
| パウダーベッド温度 |
80-100°C |
粒子結合を維持し、時効処理によってその後の特性を向上させるために最適化された微細構造を維持しながら、完全に緻密なMS1コンポーネントを実現するには、特殊なAM加工が必要である。
マルエージング鋼 MS1パウダーの用途
高い強度対重量比、優れた破壊靭性、複雑な形状に対応する能力を持つマルエージング鋼MS1は、重要な商業用および防衛用アプリケーションで幅広い需要があります：
マルエージング鋼MS1部品の代表的な用途
| 産業 |
コンポーネント |
需要ドライバー |
| 航空宇宙 |
構造部品、エンジン部品、着陸装置、ファスナー |
高強度、軽量化、耐疲労性 |
| 工業用金型 |
ダイカスト金型、射出金型、ブロー金型 |
高硬度、寸法安定性、複雑な冷却チャンネル |
| 自動車 |
シャフト、エンジン部品、機械加工用治具 |
高強度、疲労寿命 |
| 兵器 |
発射体、保持部品 |
超高強度 |
| 機械 |
ローラー、シャフト、プレス部品、治具 |
耐摩耗性、耐荷重 |
航空宇宙分野では、MS1により、従来の航空宇宙用合金と同等以上の機械的性能を持つ、より軽量な機体部品や着陸装置部品が可能になります。AMによる生産は、従来の高強度合金の鍛造や鋳造プロセスでは実現不可能な、複雑で最適化された形状を容易にします。
金属射出成形金型やダイカスト金型では、MS1は、一体化されたコンフォーマル冷却チャンネルとともに、何十万ものサイクルにわたって極めて高い圧力強度と長期的な寸法安定性を提供し、サイクル時間を短縮します。疲労亀裂やヒートチェックを起こしやすい工具鋼製金型と比較して、MS1金型はより長時間の生産を可能にします。
繰り返し荷重や腐食環境にさらされる自動車パワートレイン部品において、MS1は、競合するステンレス鋼や工具鋼合金と比較して、耐久性と耐損傷性で大きな優位性を示しています。高い硬度は、プレス金型や機械加工用ワークホールドフィクスチャーにおいても、低強度の代替品よりも優れています。
物件と代替品の比較
マルエージング鋼MS1は、同様の用途で使用される他の候補材料と比較して、特性において明確な優位性を示します：
マルエージング鋼MS1と比較材料
| 工具鋼 |
グッド |
フェア |
グッド |
フェア |
フェア |
| ステンレス鋼 |
フェア |
素晴らしい |
フェア |
素晴らしい |
素晴らしい |
| チタン合金 |
グッド |
素晴らしい |
グッド |
素晴らしい |
フェア |
| 超合金 |
素晴らしい |
フェア |
グッド |
フェア |
フェア |
比較特性の議論：
という点では
張力マルエージング鋼MS1は、航空宇宙用アルミニウム鋼種、ステンレス鋼、そして特殊な冷間加工用工具鋼を除くほとんどの工具鋼をはるかに凌駕します。チタン合金やニッケル超合金はマルエージング鋼の超高強度に匹敵しますが、破壊靭性には欠けます。
以下の場合
破壊靭性MS1は、脆くなりがちな工具鋼や超合金のような高強度材料に比べ、亀裂進展や衝撃損傷に対して優れた抵抗性を示す。しかし、チタン合金やステンレス鋼は、より優れた靭性を提供します。
において
疲労強度MS1は、アルミニウム、ステンレス鋼、工具鋼をしのぎ、チタン合金に匹敵する繰返し応力下での優れた疲労寿命を持っています。これは動的部品に有利です。
耐食性 MS1は、工具鋼よりもはるかに優れており、300シリーズ・ステンレス鋼種に匹敵するため、工具鋼部品が錆びるような環境に適している。
溶接性 は、析出硬化ステンレス鋼や時効硬化ア ルミニウムおよびチタン合金と比較して、MS1 マルエージング鋼種が輝きを放つ重要な分野である。低炭素とニッケルの合金化により、いくつかの従来型およびAMベースの溶接プロセスで良好な溶接性が得られます。
MS1 は、航空宇宙、金型、自動車、および一般産業分野 の同様のエンジニアリング用途で使用される既存材 料に対して、非常に競争力のある特性を示します。
コスト分析
マルエージング・スチールMS1パウダーは、高価値のパフォーマンスを提供しますが、より広く使用されている金属よりも割高な価格設定となっています：
価格比較 - マルエージング鋼 vs 代替品
| 素材 |
価格（$/kg） |
相対価格 |
| マレージング鋼 MS1 |
$100-130 |
高い |
| 工具鋼（P20） |
$12-15 |
低い |
| ステンレススチール（316） |
$8-12 |
低い |
| アルミニウム合金（6061） |
$3-5 |
非常に低い |
| チタン合金（Ti64） |
$80-100 |
高い |
| ニッケル超合金（インコネル718） |
$90-120 |
非常に高い |
マルエージング鋼は、高い材料品質が要求されるため、チタン合金と同様の価格であり、工具鋼やステンレス鋼よりもはるかに高価です。しかしながら、強度、疲労寿命、硬度保持、その他の特性においてより高い性能が要求される重要な部品においては、その高いコストは正当化されます。
コスト要因：
- 粉末冶金による加工は、錬成製品よりもコストがかかる
- 化学的要件の厳格化により製造コストが上昇
- ステンレス鋼に比べて生産量が比較的少ない。
- 合金の割合が高いと、材料投入コストが高くなる
- 特殊な熱処理工程がコストを押し上げる
価格プレミアムのため、使用は特別な特性を必要とする特定の用途に限定される。しかし、アディティブ・マニュファクチャリングの需要によって生産量が増えれば、将来的にはある程度のコスト削減が見込まれる。
可用性とサプライチェーン
マルエージング鋼 MS1 粉末は、特殊鋼販売業者および金属 AM 粉末製造業者を通じて世界中に供給されています：
主なマレージング鋼 MS1 粉末サプライヤー
| 会社概要 |
本社所在地 |
主要国 |
| サンドビック・オスプレイ |
英国 |
ヨーロッパ、APAC |
| カーペンター・テクノロジー |
アメリカ |
北米 |
| ヘガネス |
スウェーデン |
ヨーロッパ、アジア |
| プラクセア |
アメリカ |
北米 |
| トリトン合金 |
カナダ |
北米 |
| 北京興隆源科技 |
中国 |
アジア太平洋 |
MS1パウダーのカスタムバリエーションは、GE Additive、EOS、3D Systems、Renishawなどの主要な金属AMシステムOEMから、パラメータ最適化のために入手することもできます。
広く大量生産されている工業用合金に比べ、マルエージング鋼の入手可能量は少ないが、航空宇宙、防衛、自動車、産業機械分野での高性能用途が市場の拡大を牽引している。グローバルなサプライチェーン・ロジスティクスと現地生産は、AMを利用した生産による需要の高まりに対応することができる。
限界と懸念
マルエージング鋼MS1は優れたオールラウンドな特性を示すが、いくつかの限界も存在する：
マルエージング鋼MS1の限界
| 制限 |
説明 |
| 高コスト |
炭素鋼やステンレス鋼よりも4～10倍高価であるため、重要な部品への使用が制限される。 |
| 低い耐酸化性 |
400℃以上の酸化性環境での長時間の使用は推奨しない。 |
| 管理された雰囲気が必要 |
AMビルド時に低酸素環境を必要とする |
| 低熱伝導率 |
AM加工部品は導電率が低く、性能限界に影響する |
| 安全性への懸念 |
コバルト含有が呼吸器系への危険性を高める |
| リサイクル困難 |
複雑な組成がリサイクルの課題となる |
価格プレミアムは、普遍的な採用を制限する最も禁止的な要因である。使用例は、機械的性能がコストに見合う高価値の用途に限定される。
耐酸化性は、ニッケル超合金やステンレス合金に比べ、クロムとアルミニウムの含有量が少ないため劣る。長時間の高温使用には、保護コートや管理された環境が必要。
粉末冶金用には、酸化を防ぐために低酸素チャンバーが必要であり、コバルト含有量は粉末の取り扱い中に呼吸器系のリスクを引き起こすため、安全管理が必要である。
よくあるご質問
Q:積層造形用マルエージング鋼MS1の主な利点は何ですか？
A: 主な利点としては、2450MPaを超える超高強度と良好な破壊靭性、制御された粉末組成による一貫した予測可能な特性、AM部品の優れた寸法安定性、冷間工具鋼に匹敵する56HRC以上の高硬度、アルミニウム部品よりも薄肉・軽量化が可能、複雑な形状の製造能力、繰り返し荷重下での工具鋼よりも優れた寿命などが挙げられます。
Q: マルエージング・スチールMS1に最も近い特性を持つ材料は何ですか？
A: 超高強度と良好な破壊靭性を併せ持つという点では、Ti64 (Ti-6Al-4V)のような航空宇宙用チタン合金が最も近い選択肢です。しかし、Ti64は4.4g/ccと密度が高く、MS1は比強度が高くなります。56HRC以上の硬度を保持するためには、冷間工具鋼が最も適合するが、破壊靭性は低い。
Q: マルエージング・スチールMS1はどのような産業で使用されていますか？
A: MS1を使用している主な産業には、航空機の継手、部品、ファスナー用の航空宇宙、自動車や家電部品の生産用の射出成形金型やダイカスト金型などの金型、シャフト、ギア、プレス部品などの自動車ドライブトレイン部品、耐食性を必要とする食品加工ローラーなどの産業機器などがあります。今後の成長分野としては、車両構造、人工装具、スポーツ用品などに広く採用される。
Q: MS1は使用前に熱処理が必要ですか？
A: 2450 MPaを超える超高強度と、析出硬化メカニズムによる56 HRCを超える硬度を実現するには、溶体化焼鈍に続く時効処理による熱処理が重要です。最適化されたAMビルド・パラメーターと時効処理を組み合わせることで、最高の機械的性能が得られます。
Q: マルエージング鋼 MS1 部品を溶接できますか？
A: はい、MS1は300系ステンレス鋼に匹敵 する良好な溶接性を示しますが、析出硬化 鋼種は溶接後に特性が低下します。適合する組成の溶加材を推奨し、熱影響部を通してピーク強度を回復するために溶接後に時効処理が必要な場合があります。
結論
時効硬化後の強度が2450MPaを超えるよう調整された化学的性質と加工ルートにより、マルエージング・スチールMS1粉末は、次世代の航空宇宙、自動車、金型工具、および重要な産業用アプリケーションに画期的な機能を提供します。
超高強度は冷間工具鋼に匹敵する一方、チタンやニッケル合金に匹敵する靭性、300シリーズステンレス鋼種に近い耐食性、さらに他の析出硬化合金よりも容易な溶接性を提供します。
MS1 を使用した積層造形は、AM がより広範な商業用および消費者用アプリケーションでスケールアップするにつれて、防衛および航空宇宙セクターからフィルターダウンする前例のないコンポーネント性能を解き放ちます。工業用金属AMによる大量生産が拡大するにつれ、マルエージング・スチールMS1は、モビリティ、インフラストラクチャー、近代的な技術進歩のバックボーンを提供する高度なエンジニアリング材料としての地位を確実なものにするでしょう。
