CN109663906B - 金属粉末层压造形用的金属粉末材料及三维造形物 - Google Patents

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Abstract

预提供在金属粉末层压造形中生成马氏体时效钢的三维造形物的、不含钴的金属粉末材料以及其三维造形物。金属粉末材料包含：铁76重量％以上、碳0.03重量％以下、硅0.12％重量以下、锰0.12重量％以下、镍17重量％以上且19重量％以下、钼1.5重量％以上且2.5重量％以下、钛0.5重量％以上且2.0重量％以下、铝1.5重量％以下，剩余部分为不可避免地混入的杂质，杂质的含量为每种杂质均不足0.01重量％。因此，在时效处理后，由本发明的金属粉末材料制备的三维造形物具有马氏体时效钢的特性，并且具有足够高的硬度及相对高的拉伸强度。

Description

金属粉末层压造形用的金属粉末材料及三维造形物
技术领域
本发明涉及一种金属粉末层压造形用的金属粉末材料。尤其，本发明涉及一种用以生成相当于马氏体时效钢(maraging steel)的铁制的三维造形物的金属粉末材料。
背景技术
已知有对金属粉末材料照射激光或电子束来生成期望的三维造形物的金属粉末层压造形法。可以说，只要是可在常温下作为粉体而存在，并且可在由激光或电子束熔融并进行冷却而凝固之后，在常温下作为固体而存在的金属元素，则基本上均可用作金属粉末层压造形用的金属粉末材料。作为适合于金属粉末层压造形的金属粉末材料，实际上使用的是与马氏体时效钢相同组成的金属粉末材料。
例如，在专利文献1中，具体揭示了含有17重量％以上且19重量％以下的镍的18镍(Ni)系马氏体时效钢、及去除钴及钼而含有19重量％以上且20重量％以下的镍的20Ni系马氏体时效钢的金属粉末层压造形用的金属粉末材料的组成。例如，18Ni系马氏体时效钢中，作为对于获得时效处理后所要求的硬度或拉伸强度来说不可或缺的元素，含有7重量％以上且13重量％以下的钴、3重量％以上且5重量％以下的钼、0.2重量％以上且2重量％以下的钛、0.5重量％以上且1.5重量％以下的铝。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利第5579893号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
马氏体时效钢中所含的钴是像喷气式发动机(jet engine)、涡轮机(turbine)、金属模具、切削工具这样的高硬度、高强度的工业产品不可或缺的元素，但世界上可作为矿物来生成的地区有限，因此使用受到限制。而且，钴是劳动安全卫生法中的特定化学物质，是原本不存在于人体中的元素，因此被指出，虽然也要看摄取量，但有可能在进入并积存于体内的情况下带来某些不良影响。
20Ni系马氏体时效钢即所谓的无钴的马氏体时效钢为了去除钴及钼而维持要求的硬度及高强度，提高了镍及钛的含有率，所以硬度及强度主要来源于镍及钛，因此被认为相对柔软性欠缺，更难切削。因此，不适合作为通过利用切削加工对造形过程中的烧结体的形状进行调整，来实现三维造形物的形状精度的提升的金属粉末层压造形中的金属粉末材料。
本发明鉴于所述课题，主要目的在于提供一种不含钴，并且可生成具有马氏体时效钢的性质的钢材的金属粉末层压造形用的金属粉末材料。关于可通过本发明获得的几个有利的方面，在具体的实施方式的说明中随时进行详细说明。
[解决问题的技术手段]
本发明的金属粉末层压造形用的金属粉末材料中，铁76重量％以上、碳0.03重量％以下、硅0.12重量％以下、锰0.12重量％以下、镍17重量％以上且19重量％以下、钼1.5重量％以上且2.5重量％以下、钛0.5重量％以上且2.0重量％以下、铝1.5重量％以下，剩余部分为不足0.01重量％、不可避免地混入的杂质。
本发明的金属粉末材料中的粉体的平均粒径是10μm以上且50μm以下。
本发明的三维造形物是由所述的金属粉末材料所制成，其中，时效处理后的三维造形物的拉伸强度低于时效处理后的18Ni系马氏体时效钢的拉伸强度。
[发明的效果]
本发明的金属粉末材料是碳含量为0.03重量％以下，并且通过在马氏体(martensite)化后进行适当的时效处理而硬化的钢材的材料，通过时效处理进行硬化前的切削性更优异。因可抑制工具的破损及过度的磨耗，所以，例如可在形成规定数量的熔融固化层后进行不使用切削液、利用刀尖小的工具的铣削加工，可在金属粉末层压造形中利用切削加工对造形过程中的烧结体的形状进行调整。因此，可提高难以通过切削加工来进行精加工的马氏体时效钢的制造物的形状精度。
本发明的金属粉末材料以规定的含有率含有钼、镍及钛，所以可在时效处理后获得足够高的硬度及相对高的拉伸强度。并且，本发明的金属粉末材料具有可挠性优异，时效处理导致的应变小，氮化处理容易，热膨胀率少这一马氏体时效钢的特性。因此，对利用金属粉末层压造形法制作金属模具或金属产品来说是有益的。而且，因不含钴，所以包括管理在内的材料的处理相对简单，生产效率提升。而且，安全性高。
附图说明
图1是使用本发明的金属粉末材料来生成三维造形物的金属层压造形装置的剖面图。
符号的说明
1：切削装置
2：腔室
3：重涂机头
4：材料供给装置
5：造形台
6：惰性气体供给装置
7：烟雾收集器
8：激光照射装置
具体实施方式
就碳的含量为0.03重量％，且在马氏体相变(Martensitic transformation)后进行时效处理这一广义的意思上来说，本发明的金属粉末材料相当于马氏体时效钢的材料。然而，一般的马氏体时效钢是包含钴的镍合金刚，所以本发明的金属粉末材料正确来说并不相当于马氏体时效钢的材料。而且，就无钴的马氏体时效钢去除钴及与钴关系密切的钼而增大了镍及钛的含有率来说，同样地不相当于马氏体时效钢的材料。
在本发明中，利用本发明的金属粉末材料来生成钢材的热处理步骤与马氏体时效钢相同，所生成的钢材的性质与马氏体时效钢大致相同，为了不产生误解，称为与马氏体时效钢相当的钢材。而且，由金属层压造形装置生成的时效处理前的三维造形物正确来说不是与马氏体时效钢相当的钢材，而是中间材，为了方便说明，有时会表述为与马氏体时效钢相当的三维造形物。
据推测钴虽不直接有助于马氏体时效钢的硬化，但具有降低钼的固溶限而促进析出的作用。而且，已明确钴与钛的析出无关。因此，一般来说，需要注意，在例如像20Ni系马氏体时效钢那样去除钴的情况下，要实现也去除相关的钼，并为了获得硬度及拉伸强度而增加镍及钛。
本发明的金属粉末层压造形用的金属粉末材料是用以生成与18Ni系马氏体时效钢相当的三维造形物的材料。本发明的金属粉末材料的基本技术思想是虽从18Ni系马氏体时效钢的组成中去除钴，但依旧残留有与钴相关的钼，并针对去除钴而导致的含量的变化，不对镍及钛进行增量而是原则上对铁进行增量。
本发明的具体的组成如下。
铁(Fe)76重量％以上，
碳(C)0.03重量％以下，
硅(Si)0.12重量％以下，
锰(Mn)0.12重量％以下，
镍(Ni)17重量％以上且19重量％以下，
钼(Mo)1.5重量％以上且2.5重量％以下，
钛(Ti)0.5重量％以上且2.0重量％以下，
铝(Al)1.5重量％以下，
剩余部分为不足0.01重量％、不可避免地混入的杂质。
其中，意思是在作为与马氏体时效钢相当的钢而性能得到维持的范围内，作为单一的元素而含有不足0.01重量％，并不是在杂质由多种元素组成时以多种元素的合计含有率计不足0.0.1重量％。本发明的金属粉末层压造形用的金属粉末材料不含钴，没有为了维持硬度及拉伸强度而增加镍及钛的含量，所以造形中的烧结体的切削型良好。因此，在金属粉末层压造形中，可通过在造形中对烧结体进行切削加工来提升三维造形物的形状精度。最终可获得与马氏体时效钢同等的性质，所以可获得变形及应变少且高精度的三维造形物。
已明确，利用本发明的金属粉末材料而生成的与马氏体时效钢相当的钢材不含钴，因此与同级别的18Ni系马氏体时效钢相比，硬度几乎不变，但拉伸强度某种程度上变低。并且，关于其他性质，利用本发明的金属粉末材料而生成的与马氏体时效钢相当的钢材与一般的马氏体时效钢实质上没有不同。
[实施例1]
将实施例1的含有成分示于表1。硬度是时效硬化后的数值，括号内的数值是时效硬化前的造形时的硬度。为了通过减少直接影响硬度的钼(Mo)的含有率并相对增加钛(Ti)的含有率，来确认基础的值，尽可能地去除了杂质。
[表1]
Figure GDA0002987756640000051
[实施例2]
将实施例2的含有成分示于表2。硬度是时效硬化后的数值，括号内的数值是时效硬化前的造形时的硬度。与实施例1相对地，在增加钼(Mo)的含有率，减少钛(Ti)的含有率，并相对于一般的18Ni系马氏体时效钢而标准地含有其他金属元素的同时，也有意识地以误差的范围的形式添加了0.01重量％的钴。根据实验的结果，在性能方面，可视为在以误差的范围内含有钴的情况下，也与实质上不含钴的情况相同。
[表2]
Figure GDA0002987756640000052
Figure GDA0002987756640000061
[比较例]
将市售的粉体18Ni系马氏体时效钢的标称值例示于表3。
[表3]
Figure GDA0002987756640000062
本发明的金属粉末材料中的粉体的平均粒径是10μm以上且50μm以下。作为金属粉末层压造形中的金属粉末材料，若包含单一的金属元素的粉体，则在回收再利用未烧结的金属粉末材料时金属粉末材料的性质发生变化的可能性高，所以各粉体包括含有碳的情况，全部为合金。
以下，参照图1对本发明的金属粉末材料的使用方法进行说明。图1表示一般被称为金属三维(3D)打印的金属层压造形装置的一例。图1表示面向金属层压造形装置的正面时右侧面的剖面。图1所示的金属层压造形装置具有切削装置1。金属层压造形装置具体来说包括：腔室2、重涂机头(recoater head)3、材料供给装置4、造形台5、惰性气体供给装置6、烟雾收集器(fume collector)7、激光照射装置8。
能够上下移动的造形台5在由腔室2形成的造形室内形成规定的造形区域。造形室内充满从惰性气体供给装置6供给的惰性气体例如氮气，并将氧浓度保持在不足3重量％，防止了金属粉末材料的氧化。金属粉末材料被从激光照射装置8照射的规定能量的激光烧结时所产生的金属烟雾被烟雾收集器7去除，氮气得到净化。
本发明的对以规定含有率含有各金属元素的合金的粉体进行混合而成的金属粉末材料从材料供给装置4供给至重涂机头3。重涂机头3在造形台5之上所形成的规定造形区域，一面散布金属粉末材料，一面将其均平为30μm以上且100μm以下的均匀高度。
在散布金属粉末材料之后，按照期望的三维造形物的轮廓形状照射规定能量的激光而形成烧结层。未烧结的金属粉末材料在造形后回收。根据激光的照射方法，可一面使其进行马氏体相变一面使金属粉末材料烧结。当然可在生成三维造形物后进行马氏体化。
例如，实施例1的本发明的金属粉末材料，其烧结时的硬度为洛氏硬度(Rockwellhardness，HRC)34.5，所以可不使用切削液来进行切削。因此，可在造形的过程中适时驱动切削装置1来对造形过程中的烧结体的轮廓或表面进行切削，并可提升造型后难以进行精加工的马氏体时效钢的形状精度。而且，可通过切削来去除在造形过程中的烧结体的表面意外生成的金属突起，并可避免连续的造形步骤的中断。尤其，实施例1例如与表3所示的市售的粉体18Ni系马氏体时效钢的时效硬化前的硬度的标称值相比更低，可将工具的磨耗抑制得较小。
在生成期望形状的三维造形物后，可通过恰当地进行时效处理而使其硬化，从而生成由与马氏体时效钢相当的钢而组成的三维造形物。因几乎不含有助于钼的析出的钴，所以源于钼的硬度及拉伸强度低，如表1至表3所示，与同级别的一般的18Ni系马氏体时效钢相比尤其是拉伸强度某种程度上变低。但是依然保持有马氏体时效钢的特征，所以对要求高形状精度的金属模具或金属零件来说有用。
本发明的金属粉末材料对在造形中通过切削加工来对期望的三维造形物进行形状调整的金属粉末层压造形来说尤其有益。本发明的金属粉末材料不含有战略物资钴，所以容易处理，生产效率提升。而且，钴对人体是否有害尚不明确，所以不含钴的本发明的金属粉末材料安全性优异。
通过以上所说明的本发明的实施例而生成的钢材保持了马氏体时效钢的性质。只要不违反本发明的技术思想，则在即便与实施例中具体示出的组成含有率完全不同，也可获得与实施例同等的性能的范围内，本发明仍有效。
[产业上的可利用性]
本发明适用于利用金属粉末层压造形法进行的三维光造形。本发明中，对经马氏体化的三维造形物进行时效处理后的变形及应变少，所以作为金属粉末层压造形用的金属粉末材料是有效的。本发明可充分获得对造形物要求的形状精度、硬度、拉伸强度。本发明有助于金属粉末层压造形技术的进步及金属模具产业、金属零件产业的发展。

Claims (2)

1.一种金属粉末层压造形用的金属粉末材料，其特征在于，为可生成具有马氏体时效钢的性质的钢材的金属粉末层压造形用的金属粉末材料，通过对由以下成分组成的多种合金的粉体进行混合而成；
76重量％以上的铁Fe，
0.03重量％以下的碳C，
0.12重量％以下的硅Si，
0.12重量％以下的锰Mn，
17重量％以上且19重量％以下的镍Ni，
1.5重量％以上且2.5重量％以下的钼Mo，
0.5重量％以上且2.0重量％以下的钛Ti，
1.08重量％以上且1.5重量％以下的铝Al，
剩余部分为不足0.01重量％、不可避免地混入的杂质，
所述金属粉末材料不含钴Co，
所述金属粉末材料中的粉体的平均粒径是10μm以上且50μm以下。
2.一种由根据权利要求1所述的金属粉末材料所制成的三维造形物，其特征在于，时效处理后的三维造形物的拉伸强度低于时效处理后的18Ni系马氏体时效钢的拉伸强度。
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