MIM用17-4PHステンレス鋼金属粉

概要

17-4PHステンレス鋼は、約4%銅を含む析出硬化マルテンサイト系ステンレス鋼です。粉末冶金グレードの17-4PHステンレス鋼は、高強度、良好な耐食性、析出硬化熱処理によってさらに強化できる優れた機械的特性を兼ね備えているため、金属射出成形 (MIM) 用途に理想的な選択肢です。

17-4PH粉末は、焼結中の寸法安定性と全体的な加工のしやすさから、他の競合合金と比較してMIMに魅力的な選択肢を提供します。17-4PH金属粉末原料から作られた部品は、複雑な形状に対する高いグリーン強度、良好な成形性、残渣を最小限に抑えたクリーンなバーンアウトを示します。

以下のセクションでは、金属射出成形に使用される17-4PHステンレス鋼粉末に関する組成、特性、用途、仕様、サプライヤー、およびその他の技術的詳細について説明します。

構成

17-4PHステンレスの公称組成は以下の通りで、クロム、ニッケル、銅が主な合金元素である：

テーブル17-4PHステンレス鋼組成

エレメント	重量 %
クロム（Cr）	15.0 – 17.5
ニッケル（Ni）	3.0 – 5.0
銅（Cu）	3.0 – 5.0
ニオブ（Nb）＋タンタル（Ta）	0.15 – 0.45
ケイ素 (Si)	最大1.0
マンガン (Mn)	最大1.0
カーボン（C）	最大0.07
硫黄（S）	最大0.03
リン (P)	最大0.04
鉄（Fe）	バランス

 

銅含有量が17-4PHステンレス鋼と17-4ステンレ ス鋼を区別する要因であり、17-4は4.0-6.0% 銅を含有する。17-4PHは銅含有量が低いため、高強度を 維持しながら延性と衝撃特性が向上する。

シリコン、マンガン、炭素、硫黄、リンは、耐食性を最大化し、炭化物の析出を避けるため、微量に抑えられている。ニオブとタンタルの添加は、焼結時の結晶粒構造の微細化に役立つ。

プロパティ

17-4PHステンレス鋼は、析出硬化状態で高強度 と良好な延性の優れた組み合わせを示す。H900状態での主な特性を以下に示す：

表：17-4PHステンレス鋼の特性

プロパティ	価値
密度	7.8 g/cm3
極限引張強さ	1240-1300 MPa
降伏強さ（0.2%オフセット）	1100-1160 MPa
弾性係数	190-210 GPa
伸び	10-15%
硬度	39-43 HRC
衝撃靭性	50-60 J
疲労強度	550 MPa
せん断強度	760 MPa
圧縮強度	1275 MPa

 

このような高強度レベルを達成するために使用される析出硬化熱処理は、900～950℃の溶体化焼鈍と、それに続く450～500℃の時効処理である。この結果、銅を多く含む非常に微細な析出物が生じ、転位の動きを妨げ、延性を保ちながら金属母材を強化する。

時効処理なしの溶体化処理状態では、17-4PHステンレ ス鋼は400系ステンレス鋼に匹敵する機械的性質 を持つが、それ以下である。完全硬化を必要としない場合に は、適度な強度と延性の良いバランスを提供する。

17-4PHの耐食性はマルテンサイト系410および 416ステンレス鋼に匹敵し、大気腐食や多くの温和 な化学薬品に対して有用な耐性を示す。しかし、300系オーステナイト系ステンレ ス鋼に比べると耐食性は低い。

アプリケーション

硬化後の強度が高く、適度な耐食性を持つ17-4PHステンレス鋼は、以下の用途に使用される金属射出成形部品の一般的な選択肢となっています：

• 航空宇宙および航空機部品
• 整形外科および歯科インプラント
• 自動車、エンジン、バルブ
• プラスチック射出成形金型
• 工業用工具、パンチング／スタンピング工具
• 食品加工および製薬機器
• 石油化学用ポンプ、バルブ、計装機器
• ナイフ、船舶用金具などの消費者向け製品
• 時計ケース、ジュエリー・セッティング

MIMは、良好な焼結ままの機械的特性を持つ、小型で複雑な部品の製造に有利である。17-4PHの優れた研磨性は、装飾用途にも適しています。

他のMIM合金と比較すると、17-4PHは316Lステンレス鋼より高い強度を持ち、420や17-4ステンレス鋼と同等以上の強度と優れた靭性、工具鋼より優れた耐食性を持つ。

金属粉末の仕様

MIM原料用の17-4PHステンレス鋼粉末は、 様々なサイズ範囲、化学的性質、形態で市販さ れている。一般的な仕様を以下に示す：

テーブル17-4PHステンレス鋼金属粉の仕様

属性	詳細
粒子径	3-5um、5-9um、10-20um
化学の範囲	AMS 5643、ASTM A564、ASTM A705による
炭素含有量	<0.1%、超低炭素
酸素含有量	<0.6%、低酸素
形態学	球形、部分球形
見かけ密度	3.0-4.5 g/cm3
タップ密度	4.5-5.5 g/cm3
流量	15～35秒/50g

 

粉末の品質は、高性能のMIM部品にとって非常に重要です。粉末の形態、粒度分布、純度、粉末の流動挙動などの重要な特性が、供給原料の品質と結果として得られる部品の特性を決定します。

球状粉末の形態は、MIMに最適な流動性と充填密度を提供します。小さな粒子径（<20 um）は微細な特徴を捉えるのに好まれ、大きな粒子径は流動性と成形性を向上させます。

パウダー製造

17-4PHパウダーは、ガスアトマイゼーションまたは不活性ガスアトマイゼーションプロセスを使用して製造される。高圧水アトマイズも時折使用される。

ガスアトマイズでは、合金メルトストリームは高速不活性ガスジェットによって微細な液滴に分解されます。液滴は急速に凝固し、球状の粉末粒子になります。粒度分布は、ガス流量、ノズル設計、およびその他のプロセスパラメーターによって制御されます。

水噴霧は、金属流の分解に水ジェットを使用する。不規則なサテライトタイプの粉末粒子ができる。MIMに使用するには、粉末を球状にするための追加的なコンディショニング工程が必要である。

真空不活性ガスプロセスは、高性能MIM原料用の最もクリーンで純度の高い17-4PHパウダーを製造します。不活性ガスは、メルトとパウダーの酸化を防ぎます。

規格と等級

17-4PHステンレス鋼粉末およびMIM部品は、以下の規格および仕様を満たしています：

• ASTM A564 - 析出硬化ステンレス鋼線および鋼帯の規格
• ASTM A705 - コバルト-クロム-ニッケル-銅合金（PH15-7Mo）粉末の析出硬化規格
• AMS 5643 - 析出硬化ステンレス鋼粉末、鋼種 PH13-8Mo, PH15-7Mo
• AMS 5646 - ステンレス鋼 17-4, 析出硬化処理
• AMS 5803 - ステンレス鋼 15-5, 粉末冶金

利用可能な製品呼称と同等の等級は以下の通り：

• 17-4PH - UNS S17400（最も一般的なもの）
• 15-5ph - uns S15500
• X5CrNiCu15-5 - DIN 1.4545
• 1RK91 - AFNOR Z6CNNbCu15-05

組成グレードはAMS 5643 Group 1の合金範囲に適合します。<0.03% Cの超低炭素粉末もあります。

サプライヤー

MIM用17-4PHステンレス鋼金属粉末は、主要な特殊合金およびステンレス鋼粉末サプライヤーによって商業生産されている：

テーブル17-4PHステンレス鋼パウダーメーカー

会社概要	ブランド名
サンドビック	オスプレイ＋アンペリット
プラクセア	プリントロイPH
カーペンター	ハイドラマイトPH
ヘガネス	ステライト21 + デンシメットPH
中国石油天然気集団公司	FSM-17-4PH

 

粉末は、金属粉末販売業者、MIMサービス局、有料加工業者、原料供給業者を通じて購入することができる。

コスト分析

17-4PHステンレスの粉体コストは中程度に高く、少量で1kgあたり$25-$45です。1,000kg以上の大口注文の場合、価格は低くなります。

これに対し、316Lステンレス鋼粉末は$15-$30/kgで、工具鋼粉末（H13、P20）は$12-25/kgである。

完成したMIM部品では、部品サイズと複雑さに応じて、材料費が単価の50～70%を占める。生産量の多い小型部品は、二次加工に比べて材料費の割合が低くなります。

デザインに関する推奨事項

17-4PHステンレス鋼粉末をうまく塗布し、十 分な特性を得るには、以下のMIM設計ガイドラインに 従う必要がある：

• 十分な強度を確保するため、最小肉厚は0.3～0.5mmとする。
• 複雑な形状のアスペクト比を8:1以下に保つ
• 応力集中を避けるため、半径は0.25mm以上とする。
• 厚さ0.5mm超、キャビティ開口部断面積35%超のゲート
• 異方性収縮は、主軸方向で～17%、厚さ方向で～20%である。
• 焼結後、92%以上の密度を達成し、要求される機械的特性を実現

加工に関する考察

金属射出成形に17-4PH粉末原料を使用する際の主な加工工程は以下の通りである：

• ミキシング： パウダーとバインダー成分を高せん断混合し、体積比で62～68%程度の均一なパウダー充填量を持つ均質な原料を形成する。
• 成形： 高固形分充填原料に適した射出成形パラメータ（高ショットサイズ、高速射出速度、高保持圧力）を使用する。
• 脱バインダー： 溶剤脱バインダーに続いて熱脱バインダーを行い、バインダー成分を完全に除去し、焼結に適した茶色の部品を残す。
• 焼結： 真空または水素雰囲気中で～1300℃まで焼結し、完全密度を達成する。焼結収縮は金型設計で補正する必要がある。
• 熱処理： 溶体化焼鈍の後、必要に応じて時効硬化／析出硬化を施し、要求強度を達成する。
• セカンダリーオペレーション コイニング、ドリル、タッピング、表面処理、メッキ、レーザーマーキングなど。

MIMサービス局および受託加工業者は、寸法精度と再現可能な機械的特性を部品間で保証するために、17-4PH MIMのベストプラクティスを確立しています。

検査とテスト

17-4PH MIM部品の品質管理および検証のために使用される検査および試験方法には、以下のものがある：

• 化学分析 - ICPとOESによる組成とガスレベルの検証
• 粒度分布測定 - レーザー回折による粒度分布測定
• 密度試験 - アルキメデス法とヘリウムピクノメトリー
• 引張試験 - ASTM E8、UTS、降伏強さ、伸びを得る。
• 硬度試験 - ロックウェルとビッカースによる硬度チェック
• 微細構造 - 光学顕微鏡とSEMによる相の検査
• 粒度 - ASTM E112、粒度測定比較法
• 欠陥分析 - 染色浸透探傷検査による表面欠陥の特定

設備の整った冶金研究所は、金属粉末および工業部品に関する国際試験規格に従ってこれらの試験を実施する能力を備えています。これにより、合金粉末の製造、MIM部品の製造、および最終部品の認定において、仕様への準拠が保証されます。

健康と安全

17-4PHステンレス鋼の粉末および部品は、固体状では重大な健康被害をもたらすことはない。ただし、この材料の取り扱い、加工、機械加工を行う場合は、以下の推奨事項を遵守する必要があります：

• PPE（手袋、呼吸保護具、保護メガネ）を着用すること。
• 粉塵がこぼれた場合の清掃や焼結部品の加工には、除塵装置を使用する。
• 溶融／焼結作業による粉塵やヒュームの吸入を避けること。
• 金属粒子への曝露を避けるため、切り傷や擦り傷を予防・治療する。
• 粉末原料を装填する場合は、安全な粉末の取り扱いと移送手順に従ってください。
• 焼結部品を加工する場合は、ノンスパーキング工具と研削装置を使用すること。
• 17-4PH 部品を溶接またはろう付けする場合は、十分な換気を確保し、PPE を着用してください。
• 地域の環境規制に従って廃棄し、環境への粉体の放出を避ける。

適切な手順を踏めば、17-4PH 粉末および MIM 部品に重大な危険は生じない。主なリスクは、粉塵暴露による潜在的な刺激と取り扱いによる切り傷である。適切な換気、PPEの使用、安全な保管がこれらのリスクを軽減する。

よくあるご質問

Q: MIMに推奨される17-4PHパウダーの粒径は？

A: 10-20μmが一般的ですが、部品の形状によっては3-45μmもあります。10ミクロン以下の微細なパウダーはディテールをよく捉えますが、成形には難しいかもしれません。

Q: 17-4PHパウダーは不活性雰囲気での取り扱いが必要ですか？

A: 必ずしもそうとは限りません。空気中でも扱えますが、不活性グローブボックスを使用することで、酸素と水分のレベルを最小限に抑え、純度を保つことができます。

Q: 17-4ステンレス鋼と17-4PHステンレス鋼の違いは何ですか？

A: 17-4PHは銅の含有量が少なく（17-4の4-6%に対して3-5%）、同じ強度レベルでも衝撃靭性と延性が優れています。

Q: 17-4PHステンレス鋼を何度も時効硬化させることはできますか？

A: はい、17-4PHは繰り返し析出硬化させることができます。1回ごとに高強度に戻りますが、時効を繰り返すと延性が低下することがあります。

Q: 17-4PH MIM部品で達成される典型的な表面仕上げは？

A: As焼結表面はRa3～5ミクロン程度です。研磨とエッチングで0.5ミクロン以下にすることができる。メッキでも平滑な表面は得られます。

Q: 17-4PHは、MIMと比較して金属3Dプリントに有効ですか？

A: はい、DMLSやバインダージェットに使用できますが、MIMとは異なるパラメータが必要です。冷却速度が速いため、特性が異なります。

Q: 17-4PH MIM部品にはどのような後処理が一般的ですか？

A: 機械加工、ドリル、タッピング、研削、放電加工、ショットピーニング、不動態化処理、電解研磨、メッキ、熱処理、溶接、レーザーマーキング。

Q: 17-4PHステンレス鋼にはどのようなメッキが有効ですか？

A: 無電解ニッケル、硬質クロム、亜鉛ニッケル、スズ、銅、そして銀、金、ロジウムなどの貴金属メッキは、耐食性や耐摩耗性に優れています。