CN102905821A - 粉末烧结层叠用金属粉末、使用了其的三维形状造型物的制造方法以及所得三维形状造型物 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属粉末，其为用于得到三维形状造型物的粉末烧结层叠法的金属粉末，所述金属粉末是由含有沉淀硬化型金属成分的粉末而成的混合粉末形成的。特别地，本发明的金属粉末以分开的粉末的形式含有Fe系成分粉末和Ni系成分粉末，而不含Fe系成分与Ni系成分相互合金化而成的粉末作为主成分。

Description

粉末烧结层叠用金属粉末、使用了其的三维形状造型物的制造方法以及所得三维形状造型物

技术领域

本发明涉及用于粉末烧结层叠法的金属粉末、使用了该金属粉末的三维形状造型物的制造方法以及三维形状造型物。更详细而言，本发明涉及能够用于通过利用照射光束进行粉末烧结得到三维形状造型物的金属光造型的金属粉末，并且还涉及使用了所述金属粉末的三维形状造型物的制造方法以及通过该方法得到的三维形状造型物。

背景技术

迄今为止，已知对粉末材料照射光束来制造三维形状造型物的方法（通常称为“粉末烧结层叠法”或者“金属光造型”）。在所述方法中，通过重复如下工序来制造三维形状造型物：“（i）通过对粉末层的规定部位照射光束，使该规定部位的粉末烧结或熔融固化，从而形成固化层；（ii）在所得固化层上敷设新的粉末层并同样地照射光束而进一步形成固化层”（参照日本特表平1-502890号公报或日本特开2000-73108号公报）。在使用了金属粉末作为粉末材料的情况下，能够将所得三维形状造型物用作模具等，在使用了树脂粉末作为粉末材料的情况下，能够将所得三维形状造型物用作塑料模型。通过这样的制造技术，可以短时间地制造复杂的三维形状造型物。尤其通过照射能量密度高的光束使金属粉末完全熔融，然后使其固化，由此能够形成烧结密度为几乎100%的状态。该高密度的造型物通过对其表面进行精加工而形成光滑的表面，从而能够应用于塑料成形用模具等。

然而，对于用于粉末烧结层叠法的金属粉末之类的粉末来说，需要与用于压缩成型后烧结的其他粉末烧结的金属粉末不同的特性。

例如，金属粉末的粒径需要比照射光束的粉末层的厚度小。如果粒径小，则粉末的填充密度变高，造型时的光束吸收率也良好，故能够提高烧结密度，并且能够减小所得造型物的表面粗糙度。另一方面，如果粒径过小，则会引起金属粉末凝聚，从而粉末的填充密度变小。其结果是，变得无法薄且均匀地敷设粉末层。

为了提高造型物的强度，需要形成的新的烧结层与位于其下层的固化了的烧结层的接合面积大并且其密合强度高，并且，需要与邻接的固化了的烧结层的接合面积也大、密合强度高。

在粉末烧结层叠法中，新的烧结层的上表面不能过于凸起。这是由于如果凸起量为粉末层的厚度以上，则在敷设下一粉末层时会成为障碍，形成所述下一粉末层这一过程会变难。

照射光束后的金属粉末的一部分或全部暂时熔融，然后骤冷凝固形成烧结层，但如果该熔融时的浸润性大，则与邻接的烧结层的接合面积变大，如果流动性变大，则凸起变小。因此，对于粉末烧结层叠法而言，期望熔融时的流动性大并且浸润性也大的金属粉末。

发明内容

本发明者们开发出了各种混合粉末作为用于上述的粉末烧结层叠法的金属粉末。例如，开发出了由铬钼钢粉末、镍和/或镍系合金的粉末、铜和/或铜系合金的粉末与石墨粉末形成的混合粉末。铬钼钢是从其强度、韧性的方面考虑而采用的，铜和/或铜系合金粉末是从浸润性以及流动性的方面考虑而采用的，镍和/或镍系合金粉末是从强度以及加工性的方面考虑而采用的，石墨粉末是从激光的吸收率以及减少微小裂纹（micro crack）的方面考虑而采用的。然而，通过这样的混合粉末，所得烧结品即通过粉末烧结层叠法而得到的造型物的硬度过高，以维氏硬度Hv计为260左右。因此，在使含有玻璃纤维的塑料材料成型的情况下，将所述造型物用作塑料成形用模具在耐久性的方面存在疑虑。

关于金属粉末材料，还进行了例如使用马氏体时效钢的金属粉末进行烧结的研究等（例如参照“粉末及粉末冶金”第42卷（1995年），第353页~第356页（Fabrication of Maraging Steels by Metal Injection MoldingProcess））。马氏体时效钢是International Nickel Co.社（加拿大）在1960年研发出的碳极低（≤0.03%）的高Ni（16~18%）系超高强度钢。由于是在形成马氏体组织后实施时效处理而获得高强度的钢，因此将“马氏体（Martensite）”与“时效处理（Aging）”合并而称为“马氏体时效钢（Maragingsteel）”。在马氏体时效钢的金属粉末的情况下，将由该马氏体时效钢成分得到的合金粉末的全部一边通过照射高能量密度的光束使其熔融一边以高密度进行层叠造型时，没有特别的问题，但对该粉末的一部分以照射低能量密度的光束来使其烧结成低密度方面较为困难。推测其主要原因之一为在马氏体时效钢成分中含有较多的镍成分。通过含有镍成分来实现高硬度、高强度，另一方面，由于含有镍成分，因此无法实现粉末烧结层叠法的特征即低密度烧结。无法实现低密度烧结会导致不仅无法发挥由低密度烧结部带来的“排气效果”，而且在照射光束时需要过大的电力从而使制造成本升高，同时由于无法提高激光的扫描速度因而制造效率也降低。进一步来说，即使在通过照射高能量密度的光束使其一边熔融一边以高密度进行层叠造型的情况下，也有造型物由于热应力而产生翘曲、变形的担心。

本发明是鉴于所述情况而进行的。即，本发明的课题在于提供一种能够将马氏体时效钢适宜地用作利用光束进行的粉末烧结层叠用的金属粉末的方法。

为了解决上述课题，在本发明中，作为用作得到三维形状造型物的粉末烧结层叠法的原料的金属粉末，提供了如下混合金属粉末：

所述金属粉末是由含有沉淀硬化型金属成分的粉末而成的混合粉末形成的，

其以分开的粉末的形式含有Fe系成分粉末和Ni系成分粉末，而不含Fe系成分与Ni系成分相互合金化而成的粉末作为主成分。

本发明的金属粉末的特征之一在于，粉末烧结层叠法（所谓“金属光造型”）的光束烧结用的金属粉末是由沉淀硬化型金属成分的粉末形成的混合粉末，特别是将Fe系成分和Ni系成分分开地混合而成的混合粉末。使用具有所述特征的金属粉末时，即使在使用了马氏体时效钢等沉淀硬化型金属的成分粉末的情况下，也可以在粉末烧结层叠法中进行低能量烧结，结果能够得到高硬度、高强度的造型物。

在本说明书中“由沉淀硬化型金属成分的粉末形成的混合粉末”是指含有构成沉淀硬化型金属的各金属成分作为粉末而成的混合粉末。只要没有特别说明，其可以包括各金属成分中的任意成分彼此组合形成粉末颗粒的粉末，或者也可以是各金属成分中的至少1种单独地形成了粉末颗粒的粉末。

另外，在本说明书中“不含Fe系成分与Ni系成分相互合金化而成的粉末作为主成分”是指实质上有意地不含Fe系成分与Ni系成分相互合金化而成的粉末，但可以微量（作为副成分）地含有。更具体而言，可以以为金属粉末的总重量的1重量%以下左右的微量含有“Fe系成分与Ni系成分相互合金化而成的粉末”。

在一个优选的方案中，Ni系成分的粉末与沉淀硬化型金属成分中的任意其他成分均不合金化，另外，与其他杂质成分也不合金化，而以单独的Ni成分粉末颗粒的形式存在。即，本发明的混合金属粉末不含Ni合金的粉末颗粒。

沉淀硬化型金属成分可以为马氏体时效钢成分或沉淀硬化型不锈钢成分。也就是说，本发明的金属粉末可以为由马氏体时效钢成分或沉淀硬化型不锈钢成分的粉末形成的混合粉末。

在由马氏体时效钢成分形成的混合粉末的情况下，优选是含有17~19重量%的Ni成分（镍成分）、7~8.5重量%的Co成分（钴成分）、4.6~5.1重量%的Mo成分（钼成分）、0.3~0.5重量%的Ti成分（钛成分）、0.05~0.15重量%的Al成分（铝成分）、以及作为残余部分的Fe成分（铁成分）而成的。

关于构成混合粉末的粉末颗粒，其平均粒径优选为5~50μm。另外，构成混合粉末的粉末颗粒优选为球形或者大致球形。换而言之，构成混合粉末的粉末颗粒的长宽比优选为1.0~2.0。长宽比更优选为1.0~1.5，长宽比进一步优选为1.0~1.2。此处所指“长宽比”是指在各个的方向上测定粉末颗粒时的最大长度与最小长度之比（=最大长度/最小长度）。

在本发明中，还提供使用上述金属粉末实施的“三维形状造型物的制造方法”。所述本发明的制造方法为作为粉末烧结层叠法重复进行如下工序的三维形状造型物的制造方法：（i）对由上述金属粉末形成的粉末层的规定部位照射光束而使上述规定部位的粉末烧结或熔融固化，从而形成固化层；以及（ii）在所得固化层之上形成新的粉末层，对该新的粉末层的规定部位照射光束，从而形成进一步的固化层。

在本说明书中“粉末层”实际上是指“由金属粉末形成的金属粉末层”。另外，“粉末层的规定部位”实际上是指所制造的三维形状造型物的区域。因此，通过对存在于所述规定部位的粉末照射光束（激光），该粉末烧结或熔融固化，从而构成三维形状造型物的形状。另外，在粉末层为金属粉末层的情况下，通常“固化层”可相当于“烧结层”，“固化密度”可相当于“烧结密度”。

在本发明的制造方法中，即使用比现有的马氏体时效钢粉末（例如含有“Fe系成分与Ni系成分相互合金化而成的粉末”、“Ni系成分的粉末与沉淀硬化型金属成分的其他成分合金化而成的粉末”等的马氏体时效钢成分的混合粉末）所需的能量更低的照射能量也能够进行烧结层形成。也就是说，能够降低对粉末层照射的光束的输出能量。例如，在以下的制造条件中，能够通过照射照射能量密度E为0.5~7.0J/mm²左右的光束得到造型物（能量密度E：E=激光输出功率(W)/(扫描速度(mm/秒)×扫描间距(mm))。

制造条件

·粉末的层叠厚度：0.05mm

·激光的种类：CO₂（二氧化碳气体）激光

·光斑直径：0.5mm

在一个优选的方案中，对所得三维形状造型物实施“沉淀硬化处理”。在这种情况下，可以对三维形状造型物实施400~550℃的热处理。例如，可以对“实施固化层形成和切削加工而得到的三维形状造型物”即“在光造型复合加工结束后得到的三维形状造型物”实施400~550℃的加热处理。

在另一个优选的方案中，可以对三维形状造型物实施氮化处理作为表面效果处理。所述氮化处理可以在进行上述沉淀硬化处理时进行。即，可以在对三维形状造型物实施400~550℃的热处理时对三维形状造型物的表面进行氮化处理。

在本发明的制造方法中，可以在造型板上进行粉末层以及固化层的形成。在这种情况下，优选预先实施降低“由上述热处理引起的造型板的尺寸变化”的处理。例如，可以在如上述那样的在造型板上进行的形成之前，用比沉淀硬化处理的热处理的温度（400~550℃）高的温度对造型板进行热处理。另外，本说明书所说的“造型板”实质上是指成为所制造的造型物的基座的部件。在特别优选的方案中，“造型板”是指配置在造型台上的板状的部件（另请参照后述的说明）。

在本发明中，还提供通过上述制造方法得到的三维形状造型物。这样的本发明的三维形状造型物由于是通过使用了上述的金属粉末的粉末烧结层叠法而得到的，因此造型物的硬度较高，以维氏硬度Hv计为270~350左右。尤其在实施了沉淀硬化处理的情况下，造型物的硬度变得更高，以维氏硬度Hv计为400~600。由于具有这样的高硬度，因此能够将三维形状造型物适宜地用作注射成型用的模具或者模具的部件（例如模具镶块）。

发明效果

在本发明中，通过采用Fe系成分和Ni系成分为分开的粉末的混合粉末颗粒，即使为沉淀硬化型金属的成分粉末也能够进行低能量的烧结。也就是说，能够以低能量的光束条件进行固化层的形成、进而进行三维形状造型物的制造。由于可以进行这样的低能量烧结，因此不仅能因节省能量而带来制造成本的削减，而且三维形状造型物的制造时间也会变短。另外，由于是低能量烧结，因此也容易形成多孔状的低密度固化区域，在将三维形状造型物用作模具的情况下，能够将这样的低密度固化区域用作“排气部”。另外，原本低能量烧结就意味着热负荷、热应力等较小，从而能够有效减少造型物或支撑该造型物的造型板的翘曲、变形。

此外，通过使用了本发明的金属粉末的粉末烧结层叠法而得到的三维形状造型物与由现有的金属粉末（例如由铬钼钢粉末、镍或镍系合金的粉末、铜和/或铜系合金的粉末与石墨粉末形成的混合粉末）得到的造型物相比较，呈现高硬度、高强度。尤其，对于硬度而言，以维氏硬度Hv计为270~350。而且，如果对造型物实施“处理温度较低的沉淀硬化处理（400~550℃的热处理）”，则会进一步增加硬度，以维氏硬度Hv计为400~600。在这一点上，如果是通常的马氏体时效钢，则通常以800~1000℃的高温进行固溶处理（solution treatment），如果不进行所述固溶处理，则即使进行之后的热处理（沉淀硬化处理）也无法得到期望的硬度、强度。在这样的固溶处理中，处理温度高，因此如果直接应用于本发明，则处理后的尺寸变化量变大，即使在通过光造型复合加工精度良好地得到了造型物的情况下，也会因该高处理温度导致尺寸精度降低。对于这样的方案，在使用了本发明的金属粉末的光造型中，即便由于使造型物熔融、骤冷而成为固溶处理过的状态，也能够仅通过对造型物实施温度较低的沉淀硬化处理（400~550℃的热处理），就获得期望的硬度、强度。另外，由于这样温度低，因此尺寸变化量小，能够基本上原样维持通过光造型复合加工得到的造型物的高加工精度。

如上所述的有利效果在构成本发明的金属粉末的Ni系成分粉末形成单独的Ni成分粉末的情况下变得尤其显著。也就是说，如果使用Ni系成分的粉末与沉淀硬化型金属成分中的任意其他成分均不合金化并且与其他杂质成分也不合金化而以单独的Ni成分粉末的形式存在的混合粉末，则更加容易实现“低能量（低密度）烧结”、“三维形状造型物的高硬度、高强度”。关于这一点，在现有的马氏体时效钢成分中，由于含有镍成分，因此难以进行低密度烧结，然而在本发明中即使含有镍成分也可以进行低密度烧结。虽没有特定的理论约束，但推测在铁系粉末材料中含有镍成分合金化而成的粉末的情况下，形成于粉末的表面上的牢固的氧化膜会阻碍铁系粉末彼此融合一体化，从而变得无法通过照射低能量密度的光束来造型，结果可以认为如果镍成分以单独的粉末颗粒的形式存在，则不会产生这样的阻碍现象。

附图说明

图1是示意地表示金属光造型装置的形态的立体图（图1（a）：具备切削机构的复合装置，图1（b）：不具备切削机构的装置）。

图2是示意地示出光造型复合加工机的操作的截面图。

图3是示意地示出进行粉末烧结层叠法的方案的立体图。

图4是示意地示出实施粉末烧结层叠法的光造型复合加工机的构成的立体图。

图5是光造型复合加工机的操作的流程图。

图6是经时地表示光造型复合加工工艺的示意图。

图7是示意地示出本发明的特征的图。

图8是示出实施例中得到的层叠造型物的截面组织的外观的照片图。

图9是示出实施例中所使用的6种粉末材料的外观的照片图。

另外，附图中的附图标记是指以下要素。

1光造型复合加工机

2粉末层形成机构

3光束照射机构

4切削机构

8烟气

19粉末/粉末层（例如金属粉末/金属粉末层）

20造型物支撑部件

21造型板

22粉末层（例如金属粉末层）

23刮平用刮板

24固化层（例如烧结层）

25粉末台

26粉末材料罐的壁部分

27造型罐的壁部分

28粉末材料罐

29造型罐

30光束振荡器

31电流计镜

40铣头

41XY驱动机构

50腔室

52光透射窗或透镜

L光束

具体实施方式

以下，参照附图对本发明进行更详细的说明。

［粉末烧结层叠法］

首先，对作为本发明的制造方法的前提的粉末烧结层叠法进行说明。为了便于说明，以从材料粉末罐供给材料粉末、使用平料板将材料粉末摊平而形成粉末层的方案为前提，对粉末烧结层叠法进行说明。此外，在说明粉末烧结层叠法时，还对一并进行造型物的切削加工的复合加工的方案进行举例说明（也就是说，不以图1（b）而以图1（a）所示的形态为前提）。图2~4中示出了能够实施粉末烧结层叠法和切削加工的光造型复合加工机的功能及构成。光造型复合加工机1主要具备：“通过以规定的厚度敷设金属粉末来形成粉末层的粉末层形成机构2”、“在由壁27围住外周的造型罐29内上下升降的造型台20”、“配设在造型台20上而成为造型物的基座的造型板21”、“对任意的位置照射光束L的光束照射机构3”、和“对造型物的周围进行切削的切削机构4”。如图2所示，粉末层形成机构2主要具有“在由壁26围住外周的材料粉末罐28内上下升降的粉末台25”、和“用于在造型板上形成粉末层22的平料板23”。如图3及图4所示，光束照射机构3主要具有“发出光束L的光束振荡器30”、和“在粉末层22之上扫描（scaning）光束L的电流计镜31（扫描光学系统）”。根据需要，在光束照射机构3中，具备对光束光斑的形状进行修正的光束形状修正机构（例如具有一对圆柱形透镜和使所述透镜围绕光束的轴线旋转的旋转驱动机构的机构）、fθ透镜等。切削机构4主要具有“对造型物的周围进行切削的铣头40”和“使铣头40向切削部位移动的XY驱动机构41（41a、41b）”（参照图3及图4）。

参照图2、图5及图6对光造型复合加工机1的操作进行详细叙述。图5示出了光造型复合加工机的常规的操作流程，图6示意地简易示出了光造型复合加工工艺。

光造型复合加工机的操作主要由形成粉末层22的粉末层形成步骤（S1）、通过对粉末层22照射光束L而形成固化层24的固化层形成步骤（S2）、和对造型物表面进行切削的切削步骤（S3）构成。在粉末层形成步骤（S1）中，最初使造型台20下降Δt1（S11）。接着，在将粉末台25提升Δt1后，如图2（a）所示，使平料板23向箭头A方向移动。由此，使配置在粉末台25上的粉末（例如“平均粒径为5μm～100μm左右的铁粉”）在向造型板21上移送（S12）的同时摊平为规定厚度Δt1，形成粉末层22（S13）。接着，转移到固化层形成步骤（S2），从光束振荡器30发出光束L（例如二氧化碳气体激光（500W左右）、Nd：YAG激光（500W左右）、纤维激光（500W左右）或紫外线等）（S21），通过电流计镜31在粉末层22上的任意的位置扫描光束L（S22）。由此，使粉末熔融、固化，形成与造型板21一体化的固化层24（S23）。光束并不限于在空气中传递，也可以通过光纤维等传送。

重复粉末层形成步骤（S1）和固化层形成步骤（S2）直到固化层24的厚度达到从铣头40的工具长度等求出的规定厚度，层叠固化层24（参照图2（b））。另外，新层叠的固化层在烧结或熔融固化时与已经形成的构成下层的固化层一体化。

如果层叠的固化层24的厚度达到规定的厚度，则转移到切削步骤（S3）。在图2及图6所示的方案中，通过驱动铣头40来开始实施切削步骤（S31）。例如，在铣头40的工具（球头立铣刀）的直径为1mm、有效刃长度为3mm的情况下，能够进行深度为3mm的切削加工，因此如果Δt1为0.05mm，则在形成了60层的固化层的时刻驱动铣头40。通过XY驱动机构41（41a、41b）使铣头40向箭头X及箭头Y方向移动，对由层叠的固化层24构成的造型物的表面进行切削加工（S32）。然后，在三维形状造型物的制造仍然没有结束的情况下，返回到粉末层形成步骤（S1）。以后，通过重复S1~S3，层叠进一步的固化层24，由此进行三维形状造型物的制造（参照图6）。

固化层形成步骤（S2）中的光束L的照射路径和切削步骤（S3）中的切削加工路径是预先根据三维CAD数据制作好的。此时，使用等高线加工来决定加工路径。例如，在固化层形成步骤（S2）中，使用将由三维CAD模型生成的STL数据以等间距（例如在Δt1为0.05mm时，间距为0.05mm）切割而成的各截面的轮廓形状数据。

［本发明的特征］

本发明在上述粉末烧结层叠法中，尤其在用于形成粉末层的材料中具有特征（参照图7）。具体而言，作为用于粉末烧结层叠法的金属粉末，采用含有沉淀硬化型金属成分的粉末而成的混合粉末。尤其在本发明中，使用如下的混合粉末：以分开的粉末的形式含有Fe系成分粉末和Ni系成分粉末，而不含Fe系成分与Ni系成分相互合金化而成的粉末作为主成分。优选的是，使用含有与沉淀硬化型金属成分的任意其他成分均不合金化的单独的Ni成分粉末的混合粉末作为Ni系成分粉末。通过使用这样的金属粉末，可以在粉末烧结层叠法中进行低能量烧结，从而能够得到期望的三维形状造型物，另外，在所得三维形状造型物中呈现高硬度。

（本发明的金属粉末）

如上所述，本发明的粉末的前提在于，其是以含有沉淀硬化型金属成分的粉末而成的混合粉末。也就是说，本发明的粉末以粉末颗粒的形式含有形成沉淀硬化型金属的成分。在此，构成沉淀硬化型金属的各成分可以彼此组合形成粉末颗粒，或者各成分也可以单独形成粉末颗粒，但对于Fe系成分以及Ni系成分而言，不能形成这些成分彼此相互合金化而成的粉末颗粒（Fe-Ni合金的粉末颗粒）。也就是说，Fe系成分与Ni系成分以分开的粉末颗粒（Fe系成分的粉末颗粒以及Ni系成分的粉末颗粒）的形式存在。

在本发明中，意图在于Fe系成分和Ni系成分作为主成分是非合金化的，可以微量地含有“Fe-Ni合金的粉末颗粒”作为副成分。可以作为副成分含有的Fe-Ni合金的粉末颗粒的量为金属粉末的总重量的1重量%以下左右。换而言之，只要是相当于总重量的1重量%以下的Fe-Ni合金粉末颗粒的含量，就可以说是“不含Fe系成分与Ni系成分相互合金化而成的粉末作为主成分”。

“Fe系成分”实质上是指铁成分，但也用于表示：还包括含有不可避免地混入的微量成分等的铁成分的情况。同样地，“Ni系成分”实际上是指镍成分，但也用于表示：还包括含有不可避免地混入的微量成分等的镍成分的情况。进而，对于Fe系成分而言，只要不与Ni系成分合金化就行，可以与其他成分合金化。

在本发明中，优选不仅Fe系成分与Ni系成分非合金化，而且Ni系成分的粉末形成单独的Ni成分粉末。也就是说，在本发明的金属粉末中，关于作为沉淀硬化型金属的Ni成分，优选其与沉淀硬化型金属成分的任意其他成分均不合金化，另外，也不与其他杂质成分合金化。由此，对低能量烧结更有帮助。也就是说，可容易地实现低能量烧结，因此容易形成多孔状的低密度固化区域，在将三维形状造型物用作模具的情况下，能够将所述低密度固化区域适宜地用作所谓“排气部”。另外，低能量烧结的热负荷、热应力等小，因此能够防止由热导致的“翘曲”、“变形”，因此在造型物尺寸的精度的方面也有好处。

在本发明中，沉淀硬化型金属成分为例如马氏体时效钢成分或沉淀硬化型不锈钢成分。也就是说，本发明的金属粉末可以为由马氏体时效钢成分或沉淀硬化型不锈钢成分的粉末形成的混合粉末。作为马氏体时效钢成分，除了可列举出如下所述的18Ni系马氏体时效钢、20Ni系马氏体时效钢之外，还可列举出25Ni系马氏体时效钢。同样，作为沉淀硬化型不锈钢成分，除了可列举出如下所述的SUS630之外，还可列举出SUS631不锈钢成分。

●18Ni系马氏体时效钢

主成分

·Ni：17~19重量%

·Co：7~8.5重量%

·Mo：4.6~5.1重量%

·Ti：0.3~0.5重量%

·Al：0.05~0.15重量%

·Fe：残余部分重量

副成分或不可避免的杂质

·C：小于0.03重量%

·Si：小于0.1重量%

·Mn：小于0.1重量%

·P：小于0.02重量%

·S：小于0.02重量%

（重量%：以混合粉末整体的总重量为基准的重量比例）

●20Ni系马氏体时效钢

主成分

·Ni：18.0~20.0重量%

·Ti：1.30~1.60重量%

·Nb：0.30~0.60重量%

·Al：0.15~0.35重量%

·Fe：残余部分重量

副成分或不可避免的杂质

·C：小于0.03重量%

·Si：小于0.10重量%

·Mn：小于0.10重量%

·P：小于0.02重量%

·S：小于0.02重量%

（重量%：以混合粉末整体的总重量为基准的重量比例）

●沉淀硬化型不锈钢（SUS630）

主成分

·Cr：15.5~17.5重量%

·Ni：3.00~5.00重量%

·Cu：3.00~5.00重量%

·Nb：0.15~0.45重量%

·Fe：残余部分重量

副成分或不可避免的杂质

·C：小于0.07重量%

·Si：小于1.00重量%

·Mn：小于1.00重量%

·P：小于0.04重量%

·S：小于0.03重量%

（重量%：以混合粉末整体的总重量为基准的重量比例）

在本发明中，构成混合粉末的粉末颗粒的平均粒径优选为5~50μm。这是由于平均粒径小于5μm时容易产生凝聚，另一方面，是由于在实施粉末烧结层叠法时所形成的粉末层的厚度通常为约50μm左右。详细而言，金属粉末的粒径需要比粉末层的厚度小，粉末颗粒细的话，粉末的填充密度高，造型时的光束（激光）吸收率也良好，因此能够提高造型密度并且还可以减小表面粗糙度。另一方面，如果粉末颗粒过细，则可能会引起凝聚，粉末的填充密度反而变小，变得无法薄且均匀地敷设。鉴于这样的情况，粉末颗粒的平均粒径（例如Ni成分的粉末颗粒的平均粒径等）优选为5~50μm，更优选为10~30μm。在此，“粒径”实质上是指在粉末颗粒的所有方向上的长度中最大的长度，“平均粒径”实质上是指基于粉末颗粒的电子显微镜照片或光学显微镜照片测定若干个（例如10个）粉末颗粒的粒径并作为其数均平均数算出的粒径。

另外，在本发明中，构成混合粉末的各成分的粉末颗粒的形状没有特别限制，例如可以为球形、椭圆体形或多面体形（例如立方体形）等。其中，从增加形成粉末层时的粉末的填充密度并得到薄且均匀的粉末层的观点出发，粉末颗粒优选为球形。此处所说的“球形”实质上是指长宽比（在各个的方向上测定时的最大长度与最小长度之比）在1.0~2.0的范围的形状。总的来说，如果构成混合粉末的粉末颗粒为球形且其平均粒径为5~50μm左右，则在粉末烧结层叠法中，能够减小层叠厚度（10~50μm左右），从而能够高精度地进行造型，并且可以减少应切削的多余硬化量。

至于本发明的混合粉末的制备方法，可以通过适合的混合机将作为构成成分的粉末机械地混合等来制备本发明的混合粉末。另外，所混合的成分粉末本身可以为通过雾化法（例如水雾化法）制造的粉末。即，构成混合粉末的粉末颗粒可以为雾化粉末（喷雾粉末颗粒）。

（本发明的制造方法）

使用本发明的金属粉末时，能够适宜地实施粉末烧结层叠法。具体而言，即使不特别地使用高能量的光束也能够得到造型物，例如，能够通过照射照射能量密度E为0.5~7.0J/mm²左右的光束得到造型物（顺便提一下，应留意下点：对现有的马氏体时效钢成分进行高能量照射时，在同样条件下需要照射照射能量密度E至少为约10.0J/mm²以上的光束）。

另外，由于可以进行低能量烧结，因此可以形成多孔状的低密度烧结区域。由此，在将三维形状造型物用作模具的情况下，能够将低密度烧结区域适宜地用作“排气部”等。例如用照射能量密度E为5.0~7.0J/mm²左右的光束才能够形成密度较高的烧结层（烧结密度：约90~98%），与此相反，对于烧结密度为70%~90%左右的低密度烧结区域而言，能够通过照射照射能量密度E为约0.5~3.0J/mm²左右的光束来形成（作为前提的制造条件、能量密度E等与上述相同）。照射能量密度E的调节能够通过光束的输出能量的调节、光束的扫描速度的调节、光束的聚光直径（condensing diameter）的调节来进行。也就是说，例如为了降低照射能量密度E，除了通过（a）降低光束的输出能量之外，还可以通过（b）提高光束的扫描速度、（c）扩大光束的扫描间距、或者（d）扩大光束的聚光直径来进行。另一方面，为了增大照射能量密度E，除了通过（a）增大光束的输出能量之外，还可以通过（b）降低光束的扫描速度、（c）减小光束的扫描间距、或者（d）减小光束的聚光直径来进行。顺便附带提一下，在本发明的制造方法中，对使用的照射能量密度E的上限本身没有特别限制，即使为7.0J/mm²以上也能够得到造型物，例如也可以照射照射能量密度E为7.0~20.0J/mm²左右的光束。

在此，本说明书所说的“烧结密度（%）”实质上是指通过对造型物的截面照片进行图像处理求得的烧结截面密度（金属材料的占有率）。使用的图像处理软件为Scion Image ver.4.0.2（免费版本），在将截面图像二值化成为烧结部（白）和空孔部（黒）后，计算图像的全部像素数Px_all以及烧结部（白）的像素数Px_white，从而能够通过以下的式1求出烧结截面密度ρs。

式1

${\mathrm{\ρ}}_S=\frac{{\mathrm{Px}}_{\mathrm{white}}}{{\mathrm{Px}}_{\mathrm{all}}}\×100(\%)$

通过粉末烧结层叠法得到的三维形状造型物可以实施热处理。例如，可以将造型物在优选为400~550℃、进一步优选为450~500℃下加热。通过这样的加热，造型物的硬度进一步增加，变为以维氏硬度Hv计为400~600。在这一点上，由现有材料（由铬钼钢粉末、镍和/或镍系合金的粉末、铜和/或铜系合金的粉末与石墨粉末形成的混合粉末）得到的造型物的硬度不会因加热而增加，然而在本发明中由于使用了马氏体时效钢粉末材料，因此能够通过沉淀硬化（时效硬化）使硬度增加。可以认为通过利用照射光束的激光烧结、层叠而得到的马氏体时效钢系的造型物由于在烧结时熔融、骤冷，因此成为进行过固溶处理的状态。因此，仅通过对造型物实施温度较低的热处理（400~550℃）作为沉淀硬化处理，就可以获得相应的硬度、强度（特别是由“18Ni系马氏体时效钢的混合粉末”得到的造型物的情况）。由于热处理温度低，因此尺寸变化也少，从而光造型复合加工后的造型物的加工精度能维持原样。沉淀硬化处理中的加热时间没有特别限制，优选为0.5小时~10小时左右，更优选为1小时~5小时左右。另外，作为所述沉淀硬化处理的加热处理机构，可以使用加热炉等的加热腔室。在该情况下，通过向加热腔室内供给“通过粉末烧结层叠法得到的三维形状造型物”，可以将三维形状造型物整体加热。由于在这样的热处理中可以维持加工精度，因此可以在加热处理之前结束切削加工等机械加工，但根据情况，也可以在加热处理之后实施机械加工。

在上述热处理时，可以附加地进行氮化处理作为表面效果处理。即，在对三维形状造型物实施400~550℃的热处理时，可以对三维形状造型物的表面实施氮化处理。由此，能够使造型物的表面部分的硬度增加，例如能够达成以维氏硬度Hv计为900~1000左右。所述氮化处理可以通过例如使加热腔室内的气氛为氮气气氛来实施。与上述加热时间的情况相同，氮化处理时间也没有特别限制，优选为0.5小时~10小时左右，更优选为1小时~5小时左右。

在本发明的制造方法中，可以在造型板上进行粉末层以及固化层的形成。在这种情况下，优选预先采取减小由上述热处理引起的造型板的尺寸变化量的措施。例如，优选形成在造型板上之前以比上述热处理的温度高的温度对造型板进行热处理。比热处理的温度高的温度是指比400~550℃高的温度，例如为约600℃。顺便提一下，所述造型板的热处理在比造型物的热处理温度高20~100℃的温度下进行。如果预先进行这样的造型板的热处理，则能够减小在上述的造型物的加热处理（即以400~550℃对造型物进行加热的处理）时造型板的尺寸变化量，进而能够提高与造型板一体化的造型物的尺寸精度。

（本发明的三维形状造型物）

本发明的三维形状造型物可以通过实施使用了上述金属粉末的粉末烧结层叠法得到。因此，本发明的三维形状造型物可以说是由沉淀硬化型金属成分形成的。也就是说，三维形状造型物是含有马氏体时效钢成分或沉淀硬化型不锈钢成分而成的。

由于是由Fe系成分与Ni系成分为分开的粉末颗粒的沉淀硬化型金属成分的混合粉末得到的，和/或由于是由Ni系成分的粉末为单独的Ni成分粉末的沉淀硬化型金属成分的混合粉末得到的，因此本发明的三维形状造型物呈现高硬度、高强度。关于这一点，三维形状造型物的硬度以维氏硬度Hv计优选为270~350。而且，在对造型物实施400~550℃的加热处理作为沉淀硬化处理的情况下，造型物的硬度变得更高，以维氏硬度Hv计为400~500。由于在所述沉淀硬化处理中热处理温度较低，因此尺寸变化量小，从而实质上维持了在光造型复合加工中得到的造型物的高加工精度。

另外，本说明书中所说的“维氏硬度Hv”是指如下求出的数值：依据JISZ2244的规格以负荷为100~1000gf压入10秒，然后从由此形成的压痕的对角线长度求出。

本发明的三维形状造型物不仅呈现高硬度、高强度，而且还呈现良好的切削性。具体而言，即使对本发明的三维形状造型物用Φ为2.0mm的工具、Φ为0.8mm的工具等切削工具进行切削（尤其即使在未烧结的金属粉末存在于周围的条件下进行干式切削），切削工具的刀尖也不会发生崩刃。

本发明的三维形状造型物可以适宜地用作模具或者模具的镶块等。在这一点上，本发明的三维形状造型物可以说与使用现有的金属粉末而得到的造型物相比是高硬度、高强度、高精度的，因此可以特别适宜地用作硬塑料材料成型的量产用模具。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但不过是对本发明的适用范围中的典型例子进行了例示。因此，本发明不限于此，本领域技术人员应容易地理解为可进行各种变更。

另外，上述那样的本发明包括下述方案：

第1方案：一种金属粉末，其为用于得到三维形状造型物的粉末烧结层叠法的金属粉末，

所述金属粉末是由含有沉淀硬化型金属成分的粉末而成的混合粉末形成的，

其以分开的粉末的形式含有Fe系成分粉末和Ni系成分粉末，而不含Fe系成分与Ni系成分相互合金化而成的粉末作为主成分。

第2方案：根据上述第1方案中的金属粉末，其特征在于，上述Ni系成分的粉末与任意其他成分均不合金化，形成单独的Ni成分粉末。

第3方案：根据上述第1或第2方案中的金属粉末，其特征在于，上述沉淀硬化型金属成分为马氏体时效钢成分或沉淀硬化型不锈钢成分。

第4方案：根据上述第3方案中的金属粉末，其特征在于，马氏体时效钢成分是含有17~19重量%的Ni成分、7~8.5重量%的Co成分、4.6~5.1重量%的Mo成分、0.3~0.5重量%的Ti成分、0.05~0.15重量%的Al成分、以及作为残余部分的Fe成分而成的。

第5方案：根据上述第1~第4方案中的任一方案中的金属粉末，其特征在于，构成上述混合粉末的粉末颗粒的平均粒径为5~50μm。

第6方案：根据上述第1~第5方案中的任一方案中的金属粉末，其特征在于，构成上述混合粉末的粉末颗粒的长宽比为1.0~2.0。

第7方案：一种三维形状造型物的制造方法，其特征在于，其为作为粉末烧结层叠法重复进行如下工序的三维形状造型物的制造方法：（i）对粉末层的规定部位照射光束而使上述规定部位的粉末烧结或熔融固化，从而形成固化层；以及（ii）在所得固化层之上形成新的粉末层，对上述新的粉末层的规定部位照射光束，从而形成进一步的固化层，

上述粉末层是由上述第1~第6方案中的任一金属粉末形成的。

第8方案：根据上述第7方案中的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，照射照射能量密度E为0.5~7.0J/mm²的光束。

第9方案：根据上述第7或第8方案中的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，对上述三维形状造型物实施400~550℃的热处理。

第10方案：根据上述第7~第9方案中的任一方案中的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，对上述三维形状造型物的表面实施氮化处理。

第11方案：根据上述第9方案中的制造方法，其特征在于，在造型板上进行上述粉末层以及上述固化层的形成，在上述在造型板上进行的形成之前，用比上述热处理的温度更高的温度对该造型板进行热处理。

第12方案：通过上述第7~第11方案中的任一方案的制造1方法得到的三维形状造型物。

第13方案：根据上述第12方案中的三维形状造型物，其特征在于，上述造型物的硬度以维氏硬度Hv计为270~350。

第14方案：一种三维形状造型物，其特征在于，其为从属于上述第9方案的上述第12或第13方案的三维形状造型物，并且上述热处理后的造型物的硬度以维氏硬度Hv计为400~600。

第15方案：根据上述第12~第14方案中的任一方案中的三维形状造型物，其特征在于，被用作树脂成形用的模具或该模具的部件。

实施例

《实施例1》

对于本发明的特征，进行试验。具体而言，使用下述的混合粉末A~C进行激光烧结层叠以及切削实验。

（混合粉末A）18Ni系马氏体时效钢

Fe-约18%Ni-约8%Co-约5%Mo-约0.4%Ti-约0.1%Al（单位：重量%，Fe为残余部分重量）

（混合粉末B）20Ni系马氏体时效钢

Fe-约19%Ni-约1.5%Ti-约0.5%Nb-约0.3%Al（单位：重量%，Fe为残余部分重量）

（混合粉末C）沉淀硬化型不锈钢（SUS630）

Fe-约15%Cr-约4%Ni-约5%Cu-约0.4%Nb（单位：重量%，Fe为残余部分重量）

使用平均粒径为30微米（0.03mm）的上述A~C的混合粉末，形成厚度为0.05mm的粉末层。使用二氧化碳气体激光（输出功率为200W的90%输出）作为对所述粉末层照射的激光。以激光扫描速度为150mm/秒、扫描间距为0.20mm对粉末层照射激光来形成烧结层，从而得到层叠造型物。对所得层叠造型物的截面组织、硬度、切削性进行评价。

（截面组成以及硬度）

将层叠造型物的截面组织的外观示于图8（a）~（c）。另外，层叠造型物的硬度、以及对该造型物进行附加热处理（具体而言为900℃下、2小时的固溶处理和470℃下、3小时的沉淀硬化处理）后的硬度的结果示于表1。在此，对表1的“热处理后的Hv值（右侧的栏）”进行详细叙述，关于“20Ni系马氏体时效钢”以及“沉淀硬化型不锈钢（SUS630）”，其为通过进行固溶处理和沉淀硬化处理这两个处理而得到的值（Hv469、Hv458），与此相对，关于“18Ni系马氏体时效钢”，其是不进行固溶处理而仅通过沉淀硬化处理得到的值（Hv489）。换而言之，对于“20Ni系马氏体时效钢”以及“沉淀硬化型不锈钢（SUS630）”不进行固溶处理时，仅通过沉淀硬化处理硬度没有增加，与此相反，对于“18Ni系马氏体时效钢”即使不进行固溶处理，仅通过沉淀硬化处理硬度也增加。也就是说，发现：对“18Ni系马氏体时效钢”不进行800~1000℃左右的高温的固溶处理，仅通过对在金属光造型中得到的造型物实施“处理温度较低的沉淀硬化处理（400~550℃的热处理）”就可见到硬度增加。

表1

	造型后	热处理后
			1.18Ni系马氏体时效钢	HV312	HV484
2.20Ni系马氏体时效钢	HV312	HV469
			3.沉淀硬化型不锈钢（SUS630)	HV302	HV458

（切削性）

切削性评价的结果示于表2。关于切削性评价，在金属粉末中对造型后的表面进行干式切削。○为没有切削问题（即刀尖未崩刃），×表示切削工具刀尖产生崩刃。

表2

	Φ为2.0mm的工具	Φ为0.8mm的工具
			1.18Ni系马氏体时效钢	○	○
2.20Ni系马氏体时效钢	○	×
			3.沉淀硬化型不锈钢(SUS630)	○	×

《实施例2》

制造由图9（a）~（f）所示的6种粉末材料形成的18Ni系马氏体时效钢组成（Fe-18%Ni-8%Co-5%Mo-0.4%Ti-0.1%Al）的混合粉末，实施激光烧结层叠。

将所得造型物与现有材料的情况在硬度和强度上进行比较。结果示于表3。如由表3可知那样，发现：本发明的造型物与现有材料相比是高硬度、高强度的材料。

表3

产业上的可利用性

本发明中得到的三维形状造型物可以适宜地用作塑料注射成型用模具、冲压模具、压铸模具、铸造模具、锻造模具等模具。

相关申请的相互参考

本申请基于日本国专利申请第2010-119297号（申请日：2010年5月25日，发明名称：“粉末烧结层叠用金属粉末、使用了其的三维形状造型物的制造方法以及所得三维形状造型物”）主张巴黎公约上的优先权。本说明书通过这样引用而包含该日本申请中所公开的全部内容。

Claims (15)

1.一种金属粉末，其为用于得到三维形状造型物的粉末烧结层叠法的金属粉末，

所述金属粉末是由含有沉淀硬化型金属成分的粉末而成的混合粉末形成的，

其以分开的粉末的形式含有Fe系成分粉末和Ni系成分粉末，而不含Fe系成分与Ni系成分相互合金化而成的粉末作为主成分。

2.根据权利要求1所述的金属粉末，其特征在于，所述Ni系成分的粉末与任意其他成分均不合金化，形成单独的Ni成分粉末。

3.根据权利要求1所述的金属粉末，其特征在于，所述沉淀硬化型金属成分为马氏体时效钢成分或沉淀硬化型不锈钢成分。

4.根据权利要求3所述的金属粉末，其特征在于，马氏体时效钢成分是含有17~19重量%的Ni成分、7~8.5重量%的Co成分、4.6~5.1重量%的Mo成分、0.3~0.5重量%的Ti成分、0.05~0.15重量%的Al成分、以及作为残余部分的Fe成分而成的。

5.根据权利要求1所述的金属粉末，其特征在于，构成所述混合粉末的粉末颗粒的平均粒径为5~50μm。

6.根据权利要求1所述的金属粉末，其特征在于，构成所述混合粉末的粉末颗粒的长宽比为1.0~2.0。

7.一种三维形状造型物的制造方法，其特征在于，其为作为粉末烧结层叠法重复进行如下工序的三维形状造型物的制造方法：（i）对粉末层的规定部位照射光束而使所述规定部位的粉末烧结或熔融固化，从而形成固化层；以及（ii）在所得固化层之上形成新的粉末层，对所述新的粉末层的规定部位照射光束，从而形成进一步的固化层；

所述粉末层是由权利要求1所述的金属粉末形成的。

8.根据权利要求7所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，照射照射能量密度E为0.5~7.0J/mm²的光束。

9.根据权利要求7所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，对所述三维形状造型物实施400~550℃的热处理。

10.根据权利要求7所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，对所述三维形状造型物的表面实施氮化处理。

11.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，在造型板上进行所述粉末层以及所述固化层的形成，并且在所述在造型板上进行的形成之前，用比所述热处理的温度更高的温度对该造型板进行热处理。

12.通过权利要求7所述的制造方法得到的三维形状造型物。

13.根据权利要求12所述的三维形状造型物，其特征在于，所述造型物的硬度以维氏硬度Hv计为270~350。

14.一种三维形状造型物，其特征在于，其为通过权利要求9所述的制造方法得到的三维形状造型物，所述热处理后的造型物的硬度以维氏硬度Hv计为400~600。

15.根据权利要求12所述的三维形状造型物，其特征在于，被用作树脂成形用的模具或该模具的部件。

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