Investigation of S-phase on ceramics composite additive manufacturing by low-temperature plasma treatment

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K04792
• Research Institution: Osaka Research Institute of Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 足立 振一郎 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 和泉センター, 主任研究員 (50359410)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山口 拓人 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 和泉センター, 主任研究員 (20530041) ; 榮川 元雄 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 和泉センター, 主任研究員 (30359426) ; 萩野 秀樹 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 和泉センター, 主幹研究員 (90359422) ; 上田 順弘 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 和泉センター, 研究員 (90359365)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 低温プラズマ窒化処理 / オーステナイト系ステンレス鋼 / レーザメタルデポジション / 耐摩耗 / 耐腐食

Outline of Annual Research Achievements

オーステナイト系ステンレス鋼に対する低温プラズマ窒化処理は，窒素原子が過飽和に固溶した拡張オーステナイト(S相)を形成することで，耐腐食性を劣化させずに耐摩耗性を改善することができる．本研究は，レーザメタルデポジションによる積層造形物の耐摩耗性および耐腐食性を向上させるため，拡張オーステナイト(S相)を形成するのに最適化した組成のステンレス鋼を開発することを目的として，合金元素であるニッケルがS相に及ぼす効果について検討した．
オーステナイト系ステンレス鋼(JIS規格 SUS316L)の粉末に，所定量のニッケル粉末を添加した混合粉末を使用して，レーザメタルデポジションにより高ニッケルのステンレス鋼合金を作製した．表面の酸化物層を除去した後，処理温度450 ℃でプラズマ窒化処理を行った．その結果，ニッケル組成が11-41 wt.%の範囲において，拡張オーステナイト(S相)の形成が認められた．S相の膜厚は，ニッケルの組成との間に明確な相関関係が認められなかった．また，S相のビッカース硬さは1000 HV以上に硬化したが，ニッケル組成との間に相関性は認められなかった.一方，電気化学測定による耐腐食性の評価では，ニッケル組成41 wt.%のS相が他の組成のS相よりも腐食電流量の増加が認められ，耐腐食性が劣ることがわかった.これはS相の特性によるものではなく，混合粉末におけるニッケル粉末の割合が増加するほど，レーザメタルデポジションのプロセスにおいてスパッタが激しくなることに起因して，合金に気孔が発生したためと推察される．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

レーザメタルデポジションによる高ニッケルのオーステナイト系ステンレス合金鋼の作製は，ニッケル量が増加するとスパッタが顕著に発生し，合金に気孔が増加するなどの知見を獲得することが出来た．高ニッケルのステンレス合金鋼において，低温プラズマ窒化処理により拡張オーステナイト(S相)の生成を実現し，耐摩耗性の改善を達成した．一方，耐腐食性に関しては，高ニッケルにすることで耐腐食性の改善を期待したが，合金の緻密化などが今後の課題であることが判明した．

Strategy for Future Research Activity

引き続き，低温プラズマ窒化処理により拡張オーステナイト(S相)を形成するのに最適化した組成のオーステナイト系ステンレス鋼を開発するため，クロムおよびモリブデンなどの合金元素の効果について検討する．
また，レーザメタルデポジションによりオーステナイト系ステンレス鋼とセラミックスの緻密な組織を有する複合化合金体を作製する方法について検討する．

Causes of Carryover

交付額が申請予算より減額されたことなどがあり，当初に購入予定をしていた金属顕微鏡用デジタルカメラを別の製品にしたため，次年度使用額が生じた．
高合金のステンレス鋼粉末を使用した場合，レーザメタルデポジションの保護レンズの消耗が当初の予想より早い事がわかり，保護レンズなどの購入費用などに充当する．