CN113770378A - 铁合金的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铁合金的制造方法，提供一种能够抑制造型后的铁合金层中产生应变和破裂的铁合金的制造方法。在执行造型工序的过程中，在第1温度控制工序中按照由造型工序造型出的铁合金层的从表层到规定层数的层叠为止的铁合金层温度T1保持在Ms≤T1≤Ms+α的范围内的方式进行控制，在第2温度控制工序中按照基底盘温度T2保持在Mf‑β≤T2≤Mf的范围内的方式进行控制。

Description

铁合金的制造方法

技术领域

本发明涉及通过金属层叠造型法制造铁合金的铁合金的制造方法。

背景技术

以往，作为铁合金的制造方法，已知有专利文献1中记载的方法。该制造方法中，通过在惰性气氛下将原料粉体利用激光熔融，使铁合金层在材料存储部的底面上层叠并同时进行造型。此时，在将铁合金层进行1层或多层的造型后，按照铁合金层的温度以第1温度

第2温度

第1温度的顺序变化的方式利用红外线加热器等进行加热。

该第1温度被设定为高于第2温度且为马氏体相变终止温度Mf以上的温度，第2温度被设定为马氏体相变终止温度Mf以下的温度。通过上述加热，在铁合金层发生马氏体相变，铁合金层变化为马氏体组织。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第6295001号公报

发明内容

发明所要解决的课题

根据上述现有铁合金的制造方法，由于造型后的铁合金层被迅速冷却，变化为马氏体组织，因此在马氏体相变时产生的热收缩大于体积膨胀，由此可能会产生应变或破裂。此外，在马氏体组织上进一步实施铁合金的层叠造型的情况下，可能会带来由于回火而使铁合金的硬度沿层叠方向显著变动等不良状况。

本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供能够抑制造型后的铁合金层中产生应变和破裂的铁合金的制造方法。

用于解决课题的手段

为了实现上述目的，第1方面的发明涉及一种通过金属层叠造型法制造铁合金的铁合金的制造方法，其特征在于，该方法执行下述工序：造型工序，将激光束和电子束中的一者照射至铁合金的原料粉体，使原料粉体熔融，由此在基座上层叠铁合金层的同时进行造型；第1温度控制工序，在执行造型工序的过程中，按照由造型工序造型出的铁合金层的从表层到规定层数的层叠为止的铁合金层温度T1保持在Ms≤T1≤Ms+α(Ms为马氏体相变开始温度，α为规定值)的范围内的方式对铁合金层温度T1进行控制；以及第2温度控制工序，在执行造型工序的过程中，按照基座的温度T2保持在Mf-β≤T2≤Mf(Mf为马氏体相变终止温度，β为规定值)的范围内的方式对基座的温度T2进行控制。

根据该铁合金的制造方法，在造型工序中，将激光束和电子束中的一者照射至铁合金的原料粉体，使原料粉体熔融，由此在基座上层叠铁合金层的同时进行造型。在执行该造型工序的过程中，在第1温度控制工序中，按照由造型工序造型出的铁合金层的从表层到规定层数的层叠为止的铁合金层温度T1保持在Ms≤T1≤Ms+α的范围内的方式进行控制。因此，对于由造型工序造型出的铁合金层的从表层起规定层数的层叠，通过原料粉体的熔融而超过奥氏体相变温度后，到进行下一金属层的造型时在附近发生原料粉体的熔融为止的期间，不会变化成马氏体组织而保持奥氏体组织，并且处于在缓和热应变的同时不会经历回火相变的状态。

并且，在附近发生了原料粉体的熔融的情况下，其内侧的至规定层数为止的金属层在暂时升温后立即被冷却，因此尽管部分组织中产生珠光体相变，但余下的组织仍维持奥氏体组织。此外，随着造型工序的进行，从表层起超出规定层数的层在第2温度控制工序中按照将基座的温度T2保持在Mf-β≤T2≤Mf的范围内的方式进行控制，因此从奥氏体组织缓慢地变化成马氏体组织。其结果，在造型后的铁合金层中，能够抑制应变和破裂的产生，能够得到均匀且高强度的马氏体组织。

第2方面的发明涉及第1方面所述的铁合金的制造方法，其特征在于，在第2温度控制工序中，在室温高于马氏体相变终止温度Mf的情况下，按照将基座的温度T2保持在室温的方式对基座的温度T2进行控制。

根据该铁合金的制造方法，在第2温度控制工序中，在室温高于马氏体相变终止温度Mf的情况下，按照将基座的温度T2保持在室温的方式对基座的温度T2进行控制。因此，在由于铁合金的组成等而处于室温高于马氏体相变终止温度Mf的状态时，由造型工序造型出的铁合金层的从表层起规定层数的层叠保持在奥氏体组织并且处于缓和热应变的同时不会经历回火相变的状态。由此，在造型后的铁合金层中能够抑制应变和破裂的发生，能够得到均匀且强度高的马氏体组织。

第3方面的发明涉及第1方面或第2方面所述的铁合金的制造方法，其特征在于，α为0～50℃的范围内的值。

根据该铁合金的制造方法，在第1温度控制工序中，按照将铁合金层温度T1保持在Ms～Ms+50℃的范围内的方式进行控制。在像这样进行控制的情况下，根据本申请人的实验确认到，对于由造型工序造型出的铁合金层的从表层起规定层数的层叠，通过造型工序中的原料粉体的熔融而超过奥氏体相变温度后，到在下一造型工序中在附近发生原料粉体的熔融为止的期间，不会变化成马氏体组织而能够保持在奥氏体组织(参照后述的图8)。因此，能够确实地得到上述的作用效果。

第4方面的发明涉及第1至3方面中任一项所述的铁合金的制造方法，其中，β为0～50℃的范围内的值。

根据该铁合金的制造方法，在第2温度控制工序中，按照基座的温度T2保持在Mf-50～Mf的范围内的方式进行控制。在像这样进行控制的情况下，根据本申请人的实验确认到，从表层起超过规定层数的层由奥氏体组织缓慢地变化为马氏体组织，能够抑制造型后的铁合金层中产生应变和破裂(参照后述的图8)。因此，能够确实地得到上述的作用效果。

附图说明

图1是示出实施本发明的一个实施方式的铁合金的制造方法的金属层叠造型装置的构成的图。

图2是示出金属层叠造型装置的电气构成的框图。

图3是示出铁合金的制造方法中的各工序的图。

图4是用于说明铁合金的制造方法中的各工序的动作的图。

图5是示出对铁合金进行造型时的原料粉体和铁合金的温度变化的图。

图6是用于说明铁合金层的温度变化的图。

图7是将铁合金层的温度变化叠加在铁合金的恒温相变曲线图上而得到的图，图中，A3：奥氏体相变温度、Ps：珠光体相变开始温度、Pf：珠光体相变终止温度、Bs：贝氏体相变开始温度、Bf：贝氏体相变终止温度、Ms：马氏体相变开始温度、Mf：马氏体相变终止温度、T1：铁合金层温度、T2：基底盘温度。

图8是示出铁合金的实施例和比较例的数据的图。

图9是示出沉积方式的金属层叠造型装置的图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的一个实施方式的铁合金的制造方法进行说明。本实施方式使用图1所示的金属层叠造型装置1，通过以下所述的铁合金的制造方法来制造铁合金产品。

该金属层叠造型装置1为粉末床方式的装置，如图1和图2所示，具备激光振荡器2、激光驱动装置3、红外线加热器4、粉体存储器5、基底盘6、基底驱动装置7、基底加热器8、原料供给装置9、热成像装置10和控制器11等。

激光振荡器2被配置在粉体存储器5的上方，在执行后述的造型工序的过程中，通过利用控制器11进行控制而对于粉体存储器5内的基底盘6(基座)上的原料粉体20照射激光束2a。由此，原料粉体20熔融，进行铁合金化。

另外，激光驱动装置3是将电动机和齿轮机构(均未图示)等组合而构成的。激光驱动装置3与控制器11电连接，在执行后述的造型工序的过程中，通过利用控制器11进行控制而将激光振荡器2在相对于基底盘6的上表面平行的平面内沿X轴方向和Y轴方向进行驱动。由此，在后述的造型工序中，能够在将铁合金层进行层叠的同时在基底盘6上造型出铁合金产品30。

此外，红外线加热器4与控制器11电连接，在执行后述的第1温度控制工序的过程中，为了控制铁合金层温度T1，利用控制器11控制其功率。在设铁合金产品的最上层的铁合金层为第1层、设其下侧的层依次为第2层、第3层、……的情况下，该铁合金层温度T1为第1～第3层的温度。

热成像装置10对第1～第3层所输出的红外线能量进行检测，将该检测信号输出到控制器11。如下文所述，控制器11在第1温度控制工序中基于该热成像装置10的检测信号获得铁合金层温度T1，并且通过红外线加热器4控制铁合金层温度T1。

另一方面，粉体存储器5由具有耐热性的材质构成，具有俯视呈矩形的内部空间，并且其底部为基底盘6。造型工序中，在该基底盘6的上表面与粉体存储器5的内部空间中存储原料粉体。

另外，基底驱动装置7用于沿上下方向驱动基底盘6，将电动机和齿轮机构(均未图示)等进行组合来构成。基底驱动装置7与控制器11电连接，在后述的基底驱动工序中，通过利用控制器11进行控制，而使基底盘6向下方移动规定距离d。

此外，基底加热器8与控制器11电连接，如下文所述，在执行第2温度控制工序的过程中，为了控制基底盘6的温度(下文中称为“基底盘温度”)T2，利用控制器11对其功率进行控制。

原料供给装置9是将致动器和齿轮机构等组合而成的装置，与控制器11电连接。如下文所述，原料供给装置9在原料供给工序中向粉体存储器5供给原料粉体20。

接着对利用金属层叠造型装置1的铁合金的制造方法进行说明。如图3所示，该制造方法中，首先执行基底驱动工序(图3/步骤1)。该基底驱动工序中，为了在造型中的铁合金产品30上进行1层铁合金层的造型，基底驱动装置7使基底盘6向下方移动1层铁合金层的量。例如使基底盘6移动从图4的状态(C1)的位置到状态(C2)的位置的距离d。

接着执行原料供给工序(图3/步骤2)。该原料供给工序中，利用原料供给装置9向粉体存储器5供给1层铁合金层的量的原料粉体20。例如，如图4的状态(C3)所示，在粉体存储器5内存在制作中的铁合金产品30的情况下，将1层铁合金层的量的原料粉体20供给至铁合金产品30的上方。

在该原料供给工序之后同时执行造型工序、第1温度控制工序和第2温度控制工序(图3/步骤3～5)。

该造型工序中，将包含激光振荡器2、原料粉体20和粉体存储器5等的空间保持在惰性气氛下。并且，在该状态下，通过利用控制器11控制激光振荡器2，由激光振荡器2向粉体存储器5内的基底盘6上的原料粉体20照射激光束2a。与此同时，通过利用控制器11控制激光驱动装置3，按照使激光振荡器2在规定范围内移动的方式由激光驱动装置3进行驱动。由此，如图4的状态(C4)所示，在粉体存储器5内存在制作中的铁合金产品30的情况下，通过将铁合金产品30上方的原料粉体20熔融，而使1层量的铁合金层层叠在铁合金产品30的上表面。

另一方面，在第1温度控制工序中，按照上述铁合金层温度T1为下式(1)成立的值的方式控制红外线加热器4的功率。关于其理由如下文所述。

Ms≤T1≤Ms+α……(1)

此处，Ms表示马氏体相变开始温度，α表示规定值。

另外，在第2温度控制工序中，按照上述基底盘温度T2为下式(2)成立的值的方式控制基底加热器8的功率。关于其理由如下文所述。

Mf-β≤T2≤Mf……(2)

此处，Mf表示马氏体相变终止温度，β表示规定值。

如上所述，同时执行造型工序、第1温度控制工序和第2温度控制工序，在造型工序中，在铁合金产品30的上表面层叠了1层量的铁合金层的时刻终止造型工序等。其后，在铁合金产品30完成之前的期间，按照基底驱动工序

原料供给工序

造型工序&第1和第2温度控制工序的顺序反复执行各工序。

接着，对于如上所述在第1温度控制工序和第2温度控制工序中控制铁合金层温度T1和基底盘温度T2的理由进行说明。首先，根据本申请人的实验确认到，在利用金属层叠造型装置1进行铁合金的造型时，原料粉体和铁合金的温度如图5所示发生变化。

如该图所示，在照射激光束2a、原料粉体发生熔融时，在时刻tx以后温度迅速上升。并且熔融部在时刻ty达到最高温度，之后随着激光束2a的移动，熔融部通过向已经凝固完毕的部位进行热传导而使其温度降低。得到了在利用金属层叠造型装置1造型出铁合金时，原料粉体和铁合金的温度按上述发生变化这样的技术思想。

基于该技术思想，在原料粉体熔融后的铁合金层中，为了得到均匀且强度高的马氏体组织，在第1温度控制工序和第2温度控制工序中，按照铁合金层温度T1和基底盘温度T2为上述范围内的温度的方式进行控制。

像这样进行铁合金层温度T1和基底盘温度T2的控制的情况下，在造型工序中，在如图6所示进行铁合金产品30中的铁合金层的第1～第4层等的造型时，这些铁合金层的温度按以下所述发生变化。需要说明的是，在以下的说明中，铁合金层温度T1被控制在值Ms+α，基底盘温度T2被控制在值Mf-β。

首先，通过激光束2a的照射而刚造型后的第1层的部位30a的温度升高至高于奥氏体相变温度A3的温度，随着激光束2a向图6中的右方移动，如图7所示，从奥氏体相变温度A3迅速降低，降低至铁合金层温度T1(时刻t1)。

之后，包含部位30a的第1层的温度通过执行第1温度控制工序而保持在铁合金层温度T1。其结果，第1层的铁合金层未变化成马氏体组织而仍保持奥氏体组织。

另外，尽管第1层的下侧的第2层的温度通过执行第1温度控制工序而保持在铁合金层温度T1，但第2层的部位30b的温度通过其上方的第1层的部位30a进行造型时的热传导，如上所述升高至奥氏体相变温度A3以上的温度。

其后，随着激光束2a向图6中的右方移动，第2层的部位30b的温度从奥氏体相变温度A3迅速降低，降低至铁合金层温度T1(时刻t1)。之后，包含部位30b的第2层的温度通过执行第1温度控制工序而保持在铁合金层温度T1。其结果，第2层的铁合金层也与第1层同样地未变化成马氏体组织而仍保持奥氏体组织。

此外，尽管第2层的下侧的第3层的温度通过执行第1温度控制工序而保持在铁合金层温度T1，但第3层的部位30c的温度通过其上方的第1层的部位30a进行造型时的热传导而在图7的时刻t2～t3之间暂时升高至低于奥氏体相变温度A3的温度。由此，尽管第3层的一部分发生了珠光体相变，但温度上升的时间短，由此，除此以外的第3层仍保持奥氏体组织。

其后，随着激光束2a向图6中的右方移动，通过执行第2温度控制工序，基底盘6保持在基底盘温度T2，由此，在时刻t3以后，第3层的部位30c等的温度向着基底盘温度T2缓慢地降低。其结果，第3层的铁合金层在大致整个层上由奥氏体组织缓慢地变化成马氏体组织。与之同样地，第4层以下的铁合金层也由奥氏体组织缓慢地变化成马氏体组织。

接着，参照图8对利用本实施方式的制造方法制造出的铁合金的试验数据进行说明。该图的“实施例”中示出了使用由Fe为98.20(wt％)、C为0.62(wt％)、Mn为1.1(wt％)的比例构成的原料粉体20，通过本实施方式的制造方法制造出的10mm见方的铁合金的数据。

该原料粉体20的情况下，马氏体相变开始温度Ms为255℃，马氏体相变终止温度Mf为178℃，因此在第1温度控制工序中，铁合金层温度T1被控制在290℃(＝Ms+35℃)，第2温度控制工序中，基底盘温度T2被控制在150℃(＝Mf-28℃)。

另外，为了进行比较，比较例1为在第1温度控制工序中将铁合金层温度T1控制在比Ms+100℃高的400℃(＝Ms+145℃)、在第2温度控制工序中将基底盘温度T2控制在与实施例相同的150℃的情况的示例。

此外，为了进行比较，比较例2为在第1温度控制工序中将铁合金层温度T1控制在低于马氏体相变开始温度Ms的160℃(＝Ms-18℃)、在第2温度控制工序中将基底盘温度T2控制在与实施例相同的温度(150℃)的情况的示例。

另一方面，为了进行比较，比较例3为在第1温度控制工序中将铁合金层温度T1控制在稍低于实施例的值(280℃)、在第2温度控制工序中将基底盘温度T2控制在高于马氏体相变终止温度Mf的200℃(＝Mf+22℃)的情况的示例。

首先，在比较例1的数据中，观察到硬度的数值小于实施例。实施了比较例1的组织观察，结果贝氏体组织和铁素体组织混合存在，起因于此，推定产生了上述状态。

另外，在比较例2的数据中，观察到硬度的数值小于实施例、并且发生了破裂。除此以外，尽管未图示，但处于测定时的硬度的偏差大的状态。实施了比较例2的组织观察，结果回火马氏体组织呈层状重叠，起因于此，推定产生了上述状态。

此外，参考比较例3的数据时，观察到硬度的数值小于实施例。除此以外，尽管未图示，但处于测定时的硬度的偏差大的状态。实施了比较例3的组织观察，结果马氏体组织、贝氏体组织和铁素体组织混合存在，起因于此，推定产生了上述状态。

与之相对，实施例的数据中，观察到硬度的数值(维氏硬度的平均值)大于比较例1～3，并且未发生破裂。另外，尽管未图示，但处于测定时的硬度的变动小的状态。另外实施了实施例的组织观察，结果得到了马氏体组织，起因于此，推定产生了上述状态。

如上所述，根据本实施方式的铁合金的制造方法，在造型工序中，激光束2a照射至铁合金的原料粉体20，原料粉体20发生熔融，由此使铁合金层层叠在基底盘6上并同时进行造型。在执行该造型工序的过程中，在第1温度控制工序中，按照由造型工序造型出的铁合金层的第1～第3层为止的铁合金层温度T1保持在Ms≤T1≤Ms+α的范围内的方式进行控制。因此，对于由造型工序造型出的铁合金层的从表层起规定层数的层叠，通过原料粉体20的熔融而超过奥氏体相变温度后，到进行下一金属层的造型时在附近发生原料粉体的熔融为止的期间，不会变化成马氏体组织而保持奥氏体组织，并且处于在缓和热应变的同时不会经历回火相变的状态。

并且，在附近发生了原料粉体20的熔融的情况下，其内侧的至规定层数为止的金属层在暂时升温后立即被冷却，因此尽管部分组织中产生珠光体相变，但余下的组织仍维持奥氏体组织。此外，随着造型工序的进行，从表层起超出规定层数的层在第2温度控制工序中按照基底盘温度T2保持在Mf-β≤T2≤Mf的范围内的方式进行控制，因此从奥氏体组织缓慢地变化成马氏体组织。其结果，在造型后的铁合金层中，能够抑制应变和破裂的产生，能够得到均匀且高强度的马氏体组织。

需要说明的是，图8的实施例的数据是在第1温度控制工序中按照铁合金层温度T1达到值Ms+35℃的方式进行控制的示例，但并不限于此，第1温度控制工序中，只要将铁合金层温度T1控制在上述式(1)成立的值即可。这种情况下，值α优选设定为0～50℃的范围内的值。这是由于，在铁合金层温度T1大于Ms+50的情况下不发生马氏体相变、但发生铁素体相变，从而无法在层叠造型中确保高强度。另外，值α更优选设定为0～20℃的范围内的值。

另外，图8的实施例的数据是在第2温度控制工序中按照基底盘温度T2达到值Mf-28℃的方式进行控制的示例，但并不限定于此，第2温度控制工序中，将基底盘温度T2控制为上述式(2)成立的值即可。这种情况下，值β优选设定为0～50℃的范围内的值。这是由于，在基底盘温度T2为小于Mf-50的温度的情况下，难以将铁合金层温度T1维持在高于马氏体相变开始温度Ms的温度。另外，值β更优选设定为20～40℃的范围内的值。

另外，在执行第2温度控制工序的过程中，在室温高于马氏体相变终止温度Mf的情况下，可以按照将基底盘温度T2保持在室温的方式对基底盘温度T2进行控制。像这样对基底盘温度T2进行控制的情况下，由造型工序造型出的铁合金层的从表层起规定层数的层叠被保持于奥氏体组织，并且处于缓和热应变、同时不会经历回火相变的状态。由此，与实施方式同样地能够得到均匀且强度高的马氏体组织。

此外，图8的实施例的数据为使用了由Fe为98.20(wt％)、C为0.62(wt％)、Mn为1.1(wt％)的比例构成的原料粉体20的示例，但原料粉体的组成并不限于此，只要为以Fe为主体且包含C、Mn、Cr、Ni中的至少一者即可。

另一方面，实施方式为作为金属层叠造型装置1使用粉末床方式的装置的示例，但也可以代替该装置而使用图9所示的沉积方式的金属层叠造型装置1A。该金属层叠造型装置1A中，由2个粉末供给喷嘴21,21喷射原料粉体20，将其利用激光束2a熔融，由此使铁合金层进行层叠，如此来进行铁合金产品30的造型。在使用这样的金属层叠造型装置1A的情况下，也可以实施与使用实施方式的金属层叠造型装置1的情况同样的制造方法，由此能够得到与实施方式同样的作用效果。

另外，实施方式为通过照射激光束2a而使原料粉体20熔融的示例，但也可以代替该示例，按照通过照射电子束而使原料粉体20熔融的方式来构成。

此外，实施方式为在第1温度控制工序中通过控制红外线加热器4来控制铁合金层温度T1的示例，但也可以代替该示例，按照通过光振荡器2的激光束2a来控制铁合金的从表层到第3层为止的表层温度T1的方式来构成。这种情况下，通过激光束照射使原料粉体20熔融，从一端到另一端制作铁合金的第1层后，在降低激光振荡器2的输出的状态下，通过将激光束2a照射至铁合金的整个表面，将铁合金层温度T1按照Ms≤T1≤Ms+α成立的方式进行控制即可。

另一方面，实施方式为使铁合金层温度T1为第1～第3层为止的铁合金层的温度的示例，但也可以代替该示例，使铁合金层温度T1为第1～第2层为止的铁合金层的温度，还可以使铁合金层温度T1为第1～第n(n为4以上的整数)层为止的铁合金层的温度。

另外，实施方式为制造铁合金产品30作为铁合金的示例，但作为铁合金，也可以按照制造铁合金产品30以外的铁合金材料等的方式来构成。

符号的说明

1 金属层叠造型装置

2 激光振荡器

2a 激光束

6 基底盘(基座)

20 原料粉体

30 铁合金产品。

Claims (7)

1.一种铁合金的制造方法，其是通过金属层叠造型法制造铁合金的铁合金的制造方法，其特征在于，该方法执行下述工序：

造型工序，将激光束和电子束中的一者照射至铁合金的原料粉体，使该原料粉体熔融，由此在基座上层叠铁合金层的同时进行造型；

第1温度控制工序，在执行该造型工序的过程中，按照由该造型工序造型出的所述铁合金层的从表层到规定层数的层叠为止的铁合金层温度T1保持在Ms≤T1≤Ms+α的范围内的方式对该铁合金层温度T1进行控制，其中Ms为马氏体相变开始温度，α为规定值；以及

第2温度控制工序，在执行所述造型工序的过程中，按照所述基座的温度T2保持在Mf-β≤T2≤Mf的范围内的方式对所述基座的温度T2进行控制，其中Mf为马氏体相变终止温度，β为规定值。

2.如权利要求1所述的铁合金的制造方法，其特征在于，在所述第2温度控制工序中，在室温高于所述马氏体相变终止温度Mf的情况下，按照将所述基座的温度T2保持在该室温的方式对所述基座的温度T2进行控制。

3.如权利要求1所述的铁合金的制造方法，其特征在于，所述α为0～50℃的范围内的值。

4.如权利要求2所述的铁合金的制造方法，其特征在于，所述α为0～50℃的范围内的值。

5.如权利要求1所述的铁合金的制造方法，其特征在于，所述β为0～50℃的范围内的值。

6.如权利要求2所述的铁合金的制造方法，其特征在于，所述β为0～50℃的范围内的值。

7.如权利要求3所述的铁合金的制造方法，其特征在于，所述β为0～50℃的范围内的值。

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