二相ステンレス鋼粉末 2205, 2507 & 2707
3Dプリンティングに代表される積層造形技術の急速な発展に伴い、超二相ステンレス鋼は、海洋、化学、石油など様々な分野で応用され始めている。二相鋼粉末の正確で制御可能な化学組成は、この種の粉末調製の基礎であり、難しさでもある。本稿では、製造実務の観点から、安定した量産を実現するためのキーテクノロジーの打開策を詳細に分析する。
二相ステンレス鋼(DSS)は、フェライト相(α)とオーステナイト相(γ)の体積分率が同程度の多相構造金属材料である。フェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の長所を併せ持ち、優れた耐食性、高強度、良好な塑性を有する。
表1は、代表的な二相鋼2205、2507、2707の 化学組成を示し、表2は、これら代表的なステンレ ス鋼の機械的性質を示す。
| グレード | UNS番号 | EN番号 | C | Cr | Ni | Mo | 銅 | N |
| 2205 | S32205 | 1.4462 | ≤0.03 | 22.0-23.0 | 4.5-6.5 | 3.0-3.5 | – | 0.14-0.20 |
| 2507 | S32507 | 1.441 | ≤0.03 | 24.0-26.0 | 6.0-8.0 | 3.0-5.0 | ≤0.5 | 0.24-0.32 |
| 2707 | S32707 | ≤0.03 | 26.0-29.0 | 5.5-9.5 | 4.0-5.0 | ≤1.0 | 0.30-0.50 |
表1 2205, 2507, 2707の化学組成 (wt%)
| UNS番号 | Rp0.2/Mpa(ksi) | Rm/Mpa(ksi) | δ/% | EN番号 | Rp0.2/Mpa(ksi) | Rm/Mpa(ksi) | δ/% | |
| 2205 | S32205 | 450(65) | 655(95) | 25 | 1.4462 | 460(67) | 640(93) | 25 |
| 2507 | S32507 | 550(80) | 795(116) | 15 | 1.441 | 530(77) | 730(106) | 20 |
| 2707 | S32707 | 580(84) | 850(124) | 25 | 570(83) | 845(123) | 25 |
表2 2205、2507、2707の機械的性質
その中でも、スーパー二相ステンレス鋼は 2507 は、塩化物酸を含むような過酷な環境において、優れた耐孔食性、良好な耐食性、高い機械的特性を有する海洋、化学、石油工学用途向けに特別に設計されています。
図1は、二相鋼およびオーステナイト系ステンレ ス鋼の、50%酢酸と異なる量のギ酸の混合液中 における沸騰温度での腐食速度の比較を示す。3).
エネルギーと環境保護問題の高度化に伴い、潮力発電設備のタービンのシェルとブレード、原子力発電所のバルブ、一部の脱硫装置のインペラーには、二相ステンレス鋳鋼が多く使用されている。しかし、複雑な構造の二相鋼鋳物は、鋳造が 困難であるため、開発が制限されている。
従来の鋳造プロセスと比較して、3Dプリンティングの利点は、押出、鍛造、鋳造、所望の形状を得るための二次加工といった従来の製造方法を介することなく、粉末から直接複雑な部品を自由に製造できることであり、材料の機械的特性は鋳造レベルを満たすか、それを上回ることができる。
トゥルアー・テクノロジー株式会社は、2021年から一連の二相ステンレス鋼粉末の研究開発を開始したことが分かった。この種の二相ステンレス鋼は、N含有量が高く、組成間隔が狭いため、合金中のN含有量をいかに正確かつ安定的に制御するかが技術的な課題でもある。
N合金化の熱力学と動力学計算に基づいて、TruerStainless鋼粉研究開発チームは、安定で正確なN制御を得るために、調整可能なN合金化制御プロセスを策定しました。Truerが生産した一連のN含有二相鋼の制御レベルは図3に示されており、すべての炉のすべての種類の二相鋼のN含有量は目標範囲内に制御されている。2205のN含有量は0.16~0.19 wt%、 2507のN含有量は0.26~0.30 wt%、2707の N含有量は0.42~0.46 wt%の間で安定的に 制御できる。
図4は、Truer社製2507 二相鋼の各炉における主要合金元素の変 化を示す。図4は、Truer社製2507 二相鋼の炉別の主な合金元素の変化を示し ている。これによると、さまざまな合金元素の含有 量は炉によって基本的に同じであり、良好な製錬 制御能力を示している。
図5-8は、2507二相鋼のガスアトマイゼーショ ンによる物性相関のシミュレーション結果である。
図9は、Truer社製PSD 15-53μmの2507超 二相ステンレス鋼粉末のSEM形態を示している。この粉末は真球度が高く、表面が滑らかで、 サテライトボールが少ない。表3は、異なるグレードの二相鋼粉末の物性比較である。粒度（15-53μm）制御は非常に安定している（D10:18-23μm、D50:32-36μm、D90:52-56μm）。
| グレード | UNS番号 | サイズ分布 | 流動性(s/50g) | 見掛け密度(g/cm³) | タップ密度(g/cm³) |
| 2205 | S32205 | D10/um:21.6 D50/um:34.7 D90/中:54.3 | 20 | 4.20 | 4.73 |
| 2507 | S32507 | D10/um:20.3 D50/um:32.9 D90/中:52.4 | 19.8 | 4.18 | 4.7 |
| 2707 | S32707 | D10/um:20.5 D50/um:33.1 D90/um:53.5 | 19.6 | 4.16 | 4.68 |
表3 PSD 15-53umの各種二相鋼粉末の物理的性質
ステンレス鋼粉末の研究開発チームは、二相 鋼粉末の金属組織検査も実施した。図10は、PSD 15-53μmの2507粉末の粉末のエッチング状態を示す。図から、内部の粉末が均一な等軸結晶構造であることが明瞭に観察できる。
Truersは、合金化コンピュータ支援設計、雰囲気調整可能な合金化プロセス、データ駆動型のカスタマイズされたガス噴霧およびその他の統合制御技術を含むいくつかの研究開発に貢献する連続二相ステンレス鋼バッチ安定生産を実現することに成功しました。
トゥルーア社は、ニッケル基超合金インコネル738LC、CMSX-4、ヘインズ230、ハステロイB、モネル400、BNi-7、NiCrAlYなどの一連のハイエンド粉末製品を開発・製造してきた、ニチノールNiTi50、インバー36、Co基超合金トライバロイT800、ヘインズ188、高エントロピー合金FeCoCrNiMn、AlCoCrFeNi、FeCoNiCrTi、WMoTaNbZr、FeCoNiCrV、CoCrNiなど。