18Cr4VNbMo粉末の焼結と機械的特性に及ぼす黒鉛とMo₂C粒子の影響
18Cr4VNbMoは、切削工具の製造に一般的に使用される高炭素合金鋼です。その機械的特性は、凝固線と液相線との温度差に基づく超凝固線液相焼結（SLPS）による従来の製造よりも著しく優れている。しかし、プロセスウィンドウは比較的狭い。.
TRUERのエンジニアは、HNN大学の教授のサポートを受け、18Cr4VNbMo粉末に適切な量のグラファイトとMo₂C粒子を添加し、高密度化焼結温度を1450℃から1275℃に下げ、プロセスウィンドウを拡大しました。.
1.プロセス粉末冶金プロセス
18Cr4VNbMo粉末(wt%)の化学組成
Mo₂C粒子の化学組成（10wt%添加）
この研究では、複合粉末を調製するための3つのスキームを考案した。.
スキーム1：18Cr4VNbMo粉末に0wt%、3wt%、6wt% Mo₂C粒子を加える；;
スキーム2：18Cr4VNbMo粉末に0.3wt%、0.6wt%、0.9wt%のグラファイト粒子を加える；;
スキーム3：18Cr4VNbMo粉末に6wt% Mo₂C粒子を加え、それぞれ0.3wt%、0.6wt%、0.9wt%グラファイトを加える。.
この混合粉末を湿式混合、乾燥、加圧した。その後、アルゴン保護下で脱脂のために350℃まで1時間加熱し、次いで予備緻密化のために5℃/分の速度で950℃まで1時間昇温した。.
その後、3℃/分の速度で目標温度まで昇温し、1時間維持して完全な緻密化を達成した。その後、温度を10℃/分の速度で500℃まで冷却し、試料を炉内で冷却した。.
2. 微細構造
焼結試料から検出された主な炭化物には、M23C6, M6CとM7C3. .0.6wt%グラファイト粉末を導入すると、M7C3 相が検出された。.
+ 1150℃で黒鉛とMo₂Cの両方 + 1450℃で黒鉛とMo₂Cの両方
グラファイトとMo₂C粒子を含む18Cr4VNbMo試料は、1150℃での緻密化が難しく、多数の焼結ネックとともに球状粒子が形成された（写真左）。.
粒子境界の元素分析では、酸素と鉄が著しく濃縮していた。この観察結果は、現在の焼結パラメータでは、粒子界面がまだ金属酸化物の層で覆われていることを示している。この酸化物層は、粒子間の原子拡散と金属結合を著しく妨げ、それによってこの温度での緻密化プロセスを阻害している。.
焼結温度が1450℃まで上昇すると（写真右）、元の粉末は緻密化した。粉末の境界には延伸したような炭化物組織が形成された。元素分析の結果、この部分に顕著なCrの偏析現象が見られた。X線回折分析と組み合わせると、この相は主にM23C6 の段階である。.
グラファイトの導入は、準安定M.23C6 段階から安定したM7C3 相が形成された。この相の形成により、材料の硬度と耐摩耗性が著しく向上したが、同時に脆性も増加した。その後の機械的特性試験でも、このことが確認された。.
18Cr4VNbMo粉末系では、M7C3 とM23C6 相が高温領域で安定に存在する。平衡状態まで冷却すると、相組成は徐々にM23C6.
3.高密度化
1350～1400℃の温度範囲内で、3wt%および6wt% Mo₂Cを含む試料の相対密度は急激に増加し、1400℃で顕著な高密度化を達成し、相対密度はそれぞれ98.87%および98.99%に達した。温度が1450℃まで上昇すると、元の粉末成形体の相対密度は98.69%であった。この密度の温度差のメカニズムは、高温で一部のMo₂C粒子が部分分解を起こし、遊離炭素を放出することである。この遊離炭素は酸化還元反応に関与し、粉末粒子の表面を覆っている酸化物拡散バリアを除去する。.
0.6wt%黒鉛＋0wt% Mo₂Cおよび0.6wt%黒鉛＋6wt% Mo₂Cを含む組成物の相対密度は、温度が1275℃に達したとき、それぞれ99.65%および99.67%に急上昇した。この時点で粉末は完全に焼結して形成され、理論密度はそれぞれ7.68g/cm³と7.79g/cm³であった。.
一方、0.3wt%グラファイト＋0wt% Mo₂Cおよび0.3wt%グラファイト＋6wt% Mo₂Cを含む組成物は、1325℃で相対密度が最大に達した（それぞれ99.52%および99.43%）。.
そこで、次のように付け加えた。 0.6wt%のグラファイトと6wt%のMo₂C粒子を元の 18Cr4VNbMo 粉末は、緻密化に必要な焼結温度を12%低下させた。.
4.機械的特性
焼結温度が最適レベルを超えて上昇し続けると、Mo₂C含有試料の曲げ強度が著しく低下する。この劣化は、過剰な焼結温度が炭化物の粗大化と多量の液相の形成を促進し、その後に気孔の発生と曲げ強度の減衰につながるためと考えられる。.
元の粉末に異なる量の黒鉛を添加した後、材料は低い焼結温度ですぐに曲げ強度のピークに達するが、これは主に緻密化速度論に対する黒鉛の強化効果によるものである。しかし、黒鉛粉末を添加すると、緻密化状態での材料の曲げ強さが低下する。元の粉末と比較して、黒鉛粉末はM7C3 材料内の炭化物は、マトリックス中のクロム元素を過剰に消費し、固溶体強化と靭性を弱め、粉末境界に形成された脆い炭化物ネットワークは、亀裂伝播のための低抵抗経路を提供する。.
この現象は、炭化物の析出と分布を合理的に制御することが、材料の曲げ機械特性を向上させる上で極めて重要であることを示している。.
緻密化焼結後、3wt%と6wt%のMo₂Cを含む試料は、それぞれ655HVと743HVのピーク硬度を達成し、元の粉末の586HVより大幅に高くなりました。.
この強化は、Mo₂C粒子によって導入された強化相に起因する：Mo₂Cの添加は、M₂C粒子の析出を促進する。6C炭化物と、粉末境界に沿って析出した硬質炭化物が、転位の移動を効果的に妨げている。.
黒鉛粉末の添加は、元の粉末に析出する第二相炭化物の種類を変化させる。M7C3 はM23C6, グラファイトを添加した試料は、高密度化した状態で、未改質の元の粉末に比べて著しく高い硬度を示した。.
黒鉛粉末とMo₂C粒子の複合効果により、高硬度の二次炭化物（特にM6C）がさらに上昇し、試料全体の硬度は上昇し続ける。.
具体的には0.3wt%黒鉛＋6wt% Mo₂Cと0.6wt%黒鉛＋6wt% Mo₂Cを含む試験片は、それぞれ819HVと813HVの硬さのピーク値に達した。.
5.破壊分析
元の18Cr4VNbMo粉末の破面は、異なる断面の曲げ試験で有意な異方性は観察されなかった。クラックは粉末の境界に沿って優先的に進展し、特徴的なロックパターンを形成しており、典型的な粒界破壊メカニズムを示している。.
さらに、多くのM23C6 高密度化した18Cr4VNbMo粉末の粉末境界に析出した炭化物。応力が作用すると、これらの炭化物粒子自体が粒子劈開破壊を起こし、平行テラスパターンを呈し、最終的には炭化物内の粒界と劈開が支配する混合破壊モードを形成した。.
6.結論
本研究では、SLPS技術を用いて複合材料（18Cr4VNbMoにグラファイト/Mo₂C二相添加）を作製した。異なる焼結温度下での緻密化挙動、微細構造進化、機械的特性に対する粒子の相乗効果を系統的に調査した。主な結論は以下の通りである：
(1) 焼結原料粉末は、粉末界面で炭化物相の析出を受ける。黒鉛の添加により、析出した相はM7C3 の段階がある。.
(2) 0.6wt%の黒鉛と6wt%のMo₂Cを含む18Cr4VNbMo粉末の緻密化温度は元の1450℃から1275℃に低下し（約12%の低下）、緻密化段階の硬度は586HVから819HVに上昇し（39.8%の上昇）、曲げ強さは1366MPaに達した。.
(3)元の粉末の焼結試料は、粉末境界に沿った粒界破壊と炭化物内の粒界劈開の混合破壊モードを示した。.
