CN114134427A - 造型用的不锈钢粉末 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种造型用的不锈钢粉末，是在伴随高速熔融急冷凝固工艺的造型法，造型物难以发生凝固裂纹的不锈钢粉末，含有该不锈钢粉末的造型用粉末材料，以及使用该不锈钢粉末的造型物的制造方法，为了解决这样的课题，提供一种不锈钢的粉末，其含有Cr：10.5质量％以上且20.0质量％以下，Ni：1.0质量％以上且15.0质量％以下，C、Si、Mn和N：合计为0质量％以上且2.0质量％以下，Mo、Cu和Nb：合计为0质量％以上且5.0质量％以下，以及P和S：合计为0质量％以上且0.03质量％，余量是Fe和不可避免的杂质，其中，所述不锈钢满足下式(1)：Creq/Nieq≥1.5(1)。

Description

造型用的不锈钢粉末
本申请是申请号：201980006401.9，申请日：2019.1.9，发明名称：“造型用的不锈钢粉末”的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及能够在三维层叠造型法、热喷涂法、激光熔覆法、堆焊法等伴随着高速熔融急冷凝固工艺的造型法中使用的金属粉末、含有该金属粉末的造型用粉末材料以及使用该金属粉末的造型物的制造方法。详细地说，本发明涉及其材质为不锈钢的粉末(以下称为“不锈钢粉末”。)、含有该粉末的造型用粉末材料以及使用了该粉末的造型物的制造方法。
背景技术
在由金属构成的造型物的制作中，可使用3D打印机。此3D打印机通过层叠造型法制作造型物。在层叠造型法中，对于铺开的金属粉末照射激光束或电子束。通过照射，金属粉末中的金属粒子熔融。之后，金属粒子凝固。经过此熔融和凝固，金属粒子之间结合。照射对于金属粉末的一部分选择性地进行。金属粉末之中，未被照射的部分不发生熔融。只有在被照射的部分形成结合层。
结合层之上，再铺设金属粉末。对于该金属粉末照射激光束或电子束。通过照射，金属粉末中的金属粒子熔融。之后，金属粒子凝固。通过此熔融和凝固，金属粉末中的金属粒子彼此被结合，形成新的结合层。新的结合层与既有的结合层也被结合。
通过重复经由照射进行的结合，结合层的集合体慢慢生长。通过此生长，能够得到具有三维形状的造型物。根据层叠造型法，可容易地获得复杂形状的造型物。层叠造型法的一例，公开在专利文献1(日本专利第4661842号公报)中。
作为适于层叠造型法所使用的粉末的材质，可列举Fe基合金。含有10.5质量％以上的Cr的Fe基合金，换言之就是不锈钢，因其耐腐蚀性而在广泛的领域中被使用。
在专利文献2(日本特开2006-233308公报)中公开有一种不锈钢，其以Fe为主成分，以质量％计含有C：0.2％以下、Si：0.40％以下、Mn：高于2％且低于4％、P：0.1％以下、S：0.03％以下、Cr：15％以上且35％以下、Ni：1％以下及N：0.05％以上且0.6％以下，并且，余量是Fe和不可避免的杂质。该不锈钢具有奥氏体相和铁素体相的二相组织。该不锈钢中，奥氏体相的体积率为10％至85％。
在专利文献3(日本特开2003-113446公报)中提出一种不锈钢，其以Fe为主成分，以质量％计含有C：低于0.02％、Si：1.0％以下、Mn：1.5％以下、Al：0.10％以下、Cr：11.0％以上且15.0％以下、Ni：高于0.8％且低于3.0％、Mo：0.5％以上且2.0％以下和N：高于0.05％且0.10％以下。在此不锈钢中，P、S和Si的含有率小。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本专利第4661842号公报
【专利文献2】日本特开2006-233308公报
【专利文献3】日本特开2003-113446公报
专利文献2(日本特开2006-233308公报)所公开的不锈钢为难加工性。该不锈钢不适宜铸造和锻造。专利文献3(日本特开2003-113446公报)所公开的不锈钢也为难加工性。该不锈钢不适宜铸造和锻造。
作为使用难加工性的不锈钢的造型法，层叠造型法受到注目。但是，在使用不锈钢的层叠造型法中，造型物容易发生凝固裂纹。因此，要求一种适于层叠造型法的不锈钢。另外，热喷涂法、激光熔覆法、堆焊法等伴有高速熔融急冷凝固工艺的其他的造型法中，也要求造型物难以发生凝固裂纹的不锈钢。
发明内容
本发明的目的之一在于，提供一种在伴随有高速熔融急冷凝固工艺的造型法中，所制造的造型物难以发生凝固裂纹的不锈钢粉末、含有该不锈钢粉末的造型用粉末材料以及使用该不锈钢粉末的造型物的制造方法。
为了解决上述课题，本发明提供以下的发明。
[1]一种不锈钢的粉末，含有
Cr：10.5质量％以上且20.0质量％以下；
Ni：1.0质量％以上且15.0质量％以下；
C、Si、Mn和N：合计为0质量％以上且2.0质量％以下；
Mo、Cu和Nb：合计0质量％以上且5.0质量％以下；和
P和S：合计0质量％以上且0.03质量％以下；
余量是Fe和不可避免的杂质，其中，
所述不锈钢满足下式(1)：
Creq/Nieq≥1.5 (1)
[式(1)中，Creq和Nieq分别由以下的式(1-1)和(1-2)计算：
Creq＝[Cr]+1.4[Mo]+1.5[Si]+2[Nb] (1-1)
Nieq＝[Ni]+0.3[Mn]+22[C]+14[N]+[Cu] (1-2)
式(1-1)和(1-2)中，[Cr]、[Mo]、[Si]、[Nb]、[Ni]、[Mn]、[C]、[N]和[Cu]，分别表示所述不锈钢中的Cr、Mo、Si、Nb、Ni、Mn、C、N和Cu的含量(质量％)。]。
[2]根据[1]所述的粉末，其中，所述不锈钢中的C、Si、Mn和N的合计含量为0.3质量％以上。
[3]根据[1]或[2]所述的粉末，其中，含有从
C：0.1质量％以上且0.2质量％以下、
Si：0.1质量％以上且1.0质量％以下、
Mn：0.1质量％以上且1.5质量％以下、和
N：0.02质量％以上且0.07质量％以下所构成的群中选择的一种、两种、三种或四种。
[4]根据[1]～[3]中任一项所述的粉末，其中，所述不锈钢中的Mo、Cu和Nb的合计含量为0.1质量％以上。
[5]根据[1]～[4]中任一项所述的粉末，其中，含有从
Mo：0.1质量％以上且3.6质量％以下、
Cu：0.1质量％以上且4.3质量％以下、和
Nb：0.1质量％以上且0.8质量％以下所构成的群中选择的一种、两种或三种。
[6]根据[1]～[5]中任一项所述的粉末，其中，设所述粉末的累积50体积％粒径D50为X(μm)，所述粉末的振实密度TD为Y(Mg/m3)时，X/Y为0.2以上且20以下。
[7]根据[1]～[6]中任一项所述的粉末，其中，D50为4μm以上且70μm以下。
[8]根据[1]～[7]中任一项所述的粉末，其中，TD为3.5Mg/m3以上且20Mg/m3以下。
[9]一种造型用粉末材料，其中，含有[1]～[8]中任一项所述的粉末。
[10]一种造型物的制造方法，含有以下的工序：
准备[1]～[8]中任一项所述的粉末的工序，以及
对于所述粉末实施伴随着高速熔融急冷凝固工艺的造型法，从而得到造型物的工序，其中，
所述造型物的组织包含在其结晶晶内的、共晶温度为600℃以上且1350℃以下的共晶组织的量为5质量％以下，
所述造型物的组织包含在其结晶晶界的、共晶温度为600℃以上且1350℃以下的共晶组织的量为20质量％以下。
[11]根据[10]所述的制造方法，其中，所述造型物的组织包含在其结晶晶内的、共晶温度为600℃以上且1350℃以下的共晶组织的量为2质量％以下，
所述造型物的组织包含在其结晶晶界的、共晶温度为600℃以上且1350℃以下的共晶组织的量为10质量％以下。
[12]根据[10]或[11]所述的制造方法，其中，所述造型法是层叠造型法。
[13]根据[12]所述的制造方法，其中，设所述层叠造型法中投入所述粉末的能量密度ED为Z(J/mm3)，所述粉末的累积50体积％粒径D50为X(μm)时，Z/X为0.7以上且5.0以下。
[14]根据[10]～[13]中任一项所述的制造方法，其中，所述造型物的相对密度为95％以上。
根据本发明，可提供在伴随高速熔融急冷凝固工艺的造型法中，所制造的造型物难以发生凝固裂纹的不锈钢粉末、含有该不锈钢粉末的造型用粉末材料以及使用该不锈钢粉末的造型物的制造方法。根据使用了本发明的不锈钢粉末的伴随高速熔融急冷凝固工艺的造型法，能够得到具有优异特性的造型物。
具体实施方式
本发明者们，对于在高速熔融急冷凝固工艺中发生了凝固裂纹的钢进行调査时判明，在晶界的裂纹的附近，存在来自P或S的低熔点共晶组织。P和S容易进入到δ相。在具有δ相和γ相这二相的不锈钢中，因为晶界的体积大，所以P和S容易分散。其结果是，由于凝固时的收缩，导致裂纹发生。这样的低熔点共晶组织虽然在晶界大量存在，但是若P和S的含量多，则也在晶内结晶出来。本发明者们，锐意研究的结果是，通过将必须元素(Cr、Ni和Fe)和任意元素(C、Si、Mn、N、Mo、Cu和Nb)的各元素的量控制在规定的范围内，并且，将作为不可避免的杂质的P和S的量控制在规定的范围内，从而得到了在伴随高速熔融急冷凝固工艺的造型法中所制造的造型物难以发生凝固裂纹的不锈钢粉末。本发明的不锈钢粉末，在伴随高速熔融急冷凝固工艺的造型法中所制造的造型物难以发生凝固裂纹，展现出良好的造型性。因此，本发明的不锈钢粉末，作为在三维层叠造型法、热喷涂法、激光熔覆法、堆焊法等伴随着高速熔融急冷凝固工艺的造型法中被使用的造型用粉末材料有用。
本发明的不锈钢粉末，是大量的不锈钢粒子的集合体。不锈钢粒子的材质是不锈钢。本发明的不锈钢含有Cr和Ni。本发明的不锈钢，能够含有从Mo、Cu、Nb、Si、Mn、C和N中选择的一种或两种以上的元素。本发明的不锈钢的余量，是Fe和不可避免的杂质。以下，对于本发明的不锈钢详细说明。还有，“质量％”除了特别规定的情况以外，均以不锈钢的质量为基准。
[铬(Cr)]
Cr在造型物的表面使氧化被膜形成。该氧化皮膜有助于造型物的耐腐蚀性。此外，Cr容易形成碳化物，提高造型物的淬火性。淬火性优异的造型物，其硬度大，强度也大。从这些观点出发，不锈钢的Cr的含量优选为10.5质量％以上，更优选为12.0质量％以上，进一步优选为15.0质量％以上。Cr是铁素体形成元素，在大量含有Cr的不锈钢中，即使进行淬火处理也容易残留铁素体组织。通过Cr的含量被控制在规定值以下，造型物的淬火性不会受损。因此，该造型物其硬度大，强度也大。从这些观点出发，不锈钢的Cr的含量优选为20.0质量％以下，更优选为18.5质量％以下，进一步优选为18.0质量％以下。
[镍(Ni)]
Ni提高由Cr生成的氧化皮膜的密接性。由含有Ni和Cr这两方的不锈钢所形成的造型物，耐腐蚀性优异。从这些观点出发，不锈钢中的Ni的含量优选为1.0质量％以上，更优选为3.0质量％以上，进一步优选为4.0质量％以上。Ni是奥氏体形成元素，含有大量的Ni的不锈钢中，容易形成奥氏体相。奥氏体相阻碍造型物的硬度和强度。从这些观点出发，不锈钢中的Ni的含量优选为15.0质量％以下，更优选为13.0质量％以下，进一步优选为11.0质量％以下。
[碳(C)、锰(Mn)和氮(N)]
C、Mn和N是奥氏体形成元素。C、Mn和N的含有率小的不锈钢，具有恰当的马氏体相变温度。不锈钢中的C、Mn和N各自的含量，能够从这些观点出发而适宜调整，只要C、Si、Mn和N的合计含量处于希望的范围内便没有特别限定。
在一个实施方式中，不锈钢中的C的含量为0质量％。在其他实施方式中，不锈钢中的C的含量高于0质量％。在不锈钢中的C的含量高于0质量％的实施方式中，C的含量优选为0.1质量％以上且0.2质量％以下，更优选为0.1质量％以上且0.18质量％以下，进一步优选为0.1质量％以上且0.15质量％以下。
在一个实施方式中，不锈钢中的Mn的含量为0质量％。在其他实施方式中，不锈钢中的Mn的含量高于0质量％。在不锈钢中的Mn的含量高于0质量％的实施方式中，Mn的含量优选为0.1质量％以上且1.5质量％以下，更优选为0.1质量％以上且1.2质量％以下，进一步优选为0.1质量％以上且1.0质量％以下。
在一个实施方式中，不锈钢中的N的含量为0质量％。在其他实施方式中，不锈钢中的N的含量高于0质量％。在不锈钢中的N的含量高于0质量％的实施方式中，N的含量优选为0.02质量％以上且0.07质量％以下，更优选为0.02质量％以上且0.06质量％以下，进一步优选为0.02质量％以上且0.05质量％以下。
[硅(Si)]
Si是铁素体形成元素。Si的含有率小的不锈钢，能够有助于造型物的韧性。不锈钢中的Si的含量，能够从这些观点出发适宜调整，只要C、Si、Mn和N的合计含量处于希望的范围内便没有特别限定。在一个实施方式中，不锈钢中的Si的含量为0质量％。在其他实施方式中，不锈钢中的Si的含量高于0质量％。在不锈钢中的Si的含量高于0质量％的实施方式中，Si的含量优选为0.1质量％以上且1.0质量％以下，更优选为0.1质量％以上且0.8质量％以下，进一步优选为0.1质量％以上且0.6质量％以下。
[C+Si+Mn+N(C、Si、Mn和N的合计含量)]
从造型物的强韧性的观点出发，不锈钢中的C、Si、Mn和N的合计含量优选为2.0质量％以下，更优选为1.7质量％以下，进一步优选为1.5质量％以下。
在一个实施方式中，不锈钢中的C、Si、Mn和N的合计含量为0质量％。在其他实施方式中，不锈钢中的C、Si、Mn和N的合计含量高于0质量％。在不锈钢中的C、Si、Mn和N的合计含量高于0质量％的实施方式中，C、Si、Mn和N的合计含量优选为0.3质量％以上，更优选为0.4质量％以上，进一步优选为0.5质量％以上，更进一步优选为0.52质量％以上。在不锈钢中的C、Si、Mn和N的合计含量高于0质量％的实施方式中，不锈钢中的C、Si、Mn和N的合计含量优选为2.0质量％以下，更优选为1.7质量％以下，进一步优选为1.5质量％以下。不锈钢中的C、Si、Mn和N的合计含量的上限值和下限值能够任意地组合。
在不锈钢中的C、Si、Mn和N的合计含量高于0质量％的实施方式中，不锈钢含有从C、Si、Mn和N中选择的一种、两种、三种或四种元素。不锈钢含有从C、Si、Mn和N中选择的一种元素时，C、Si、Mn和N的合计含量，意味着这一种元素的含量。不锈钢含有从C、Si、Mn和N中选择的两种元素时，C、Si、Mn和N的合计含量意味着这两种元素的合计含量。不锈钢含有从C、Si、Mn和N中选择的三种元素时，C、Si、Mn和N的合计含量意味着这三种元素的合计含量。不锈钢含有从C、Si、Mn和N中选择的四种元素时，C、Si、Mn和N的合计含量意味着这四种元素的合计含量。
[钼(Mo)]
Mo与Cr组合，能够有助于造型物的硬度和强度。另一方面，大量的Mo的添加，阻碍造型物的淬火性，使硬度降低。不锈钢中的Mo的含量，能够从这些观点出发而适宜调整，只要Mo、Cu和Nb的合计含量处在希望的范围内便没有特别限定。在一个实施方式中，不锈钢中的Mo的含量为0质量％。在其他实施方式中，不锈钢中的Mo的含量高于0质量％。在不锈钢中的Mo的含量高于0质量％的实施方式中，Mo的含量优选为0.05质量％以上，更优选为0.10质量％以上，进一步优选为0.15质量％以上。在不锈钢中的Mo的含量高于0质量％的实施方式中，Mo的含量优选为3.6质量％以下，更优选为2.5质量％以下，进一步优选为2.0质量％以下。
[铜(Cu)]
同时含有Ni和Cu的不锈钢，能够有助于造型物的耐腐蚀性。另一方面，Cu是奥氏体形成元素，大量的Cu的添加对马氏体相变温度造成不良影响。不锈钢中的Cu的含量，能够从这些观点出发而适宜调整，只要Mo、Cu和Nb的合计含量处于希望的范围内便没有特别限定。在一个实施方式中，不锈钢中的Cu的含量为0质量％。在其他实施方式中，不锈钢中的Cu的含量高于0质量％。在不锈钢中的Cu的含量高于0质量％的实施方式中，Cu的含量优选为0.05质量％以上，更优选为0.10质量％以上，进一步优选为0.15质量％以上。在不锈钢中的Cu的含量高于0质量％的实施方式中，Cu的含量优选为4.3质量％以下，更优选为4.0质量％以下，进一步优选为3.5质量％以下。
[铌(Nb)]
Nb在不锈钢中形成碳化物。该碳化物能够有助于造型物的强度。另一方面，Nb是铁素体形成元素，大量的Nb的添加阻碍造型物的韧性。不锈钢中的Nb的含量，能够从这些观点出发而适宜调整，只要Mo、Cu和Nb的合计含量处于希望的范围内便没有特别限定。在一个实施方式中，不锈钢中的Nb的含量为0质量％。在其他实施方式中，不锈钢中的Nb的含量高于0质量％。在不锈钢中的Nb的含量高于0质量％的实施方式中，Nb的含量优选为0.05质量％以上，更优选为0.10质量％以上，进一步优选为0.15质量％以上。在不锈钢中的Nb的含量高于0质量％的实施方式中，Nb的含量优选为0.8质量％以下，更优选为0.6质量％以下，进一步优选为0.5质量％以下。
[Mo+Cu+Nb(Mo、Cu和Nb的合计含量)]
从造型物的强韧性的观点出发，不锈钢中的Mo、Cu和Nb的合计含量优选为5.0质量％以下，更优选为4.5质量％以下，进一步优选为4.0质量％以下。
在一个实施方式中，不锈钢中的Mo、Cu和Nb的合计含量为0质量％。在其他实施方式中，不锈钢中的Mo、Cu和Nb的合计含量高于0质量％。在不锈钢中的Mo、Cu和Nb的合计含量高于0质量％的实施方式中，Mo、Cu和Nb的合计含量优选为0.1质量％以上，更优选为0.15质量％以上，进一步优选为0.16质量％以上，更进一步优选为0.2质量％以上。在不锈钢中的Mo、Cu和Nb的合计含量高于0质量％的实施方式中，不锈钢中的Mo、Cu和Nb的合计含量优选为5.0质量％以下，更优选为4.5质量％以下，进一步优选为4.0质量％以下。不锈钢中的Mo、Cu和Nb的合计含量的上限值和下限值能够任意组合。
在不锈钢中的Mo、Cu和Nb的合计含量高于0质量％的实施方式中，不锈钢含有从Mo、Cu和Nb中选择的一种、两种或三种元素。不锈钢含有从Mo、Cu和Nb中选择的一种元素时，Mo、Cu和Nb的合计含量意味着这一种元素的含量。不锈钢含有从Mo、Cu和Nb中选择的两种元素时，Mo、Cu和Nb的合计含量意味着这两种元素的合计含量。不锈钢含有从Mo、Cu和Nb中选择的三种元素时，Mo、Cu和Nb的合计含量意味着这三种元素的合计含量。
[铬当量(Creq)]
在本发明中，铬当量(Creq)根据下式计算。
Creq＝[Cr]+1.4[Mo]+1.5[Si]+2[Nb]
在上式中，[Cr]、[Mo]、[Si]和[Nb]分别表示本发明的不锈钢中的Cr、Mo、Si和Nb的含量(质量％)。
Cr、Mo、Si和Nb是铁素体形成元素。铬当量(Creq)是表示不锈钢中的铁素体易形成度的指标。
[镍当量(Nieq)]
在本发明中，镍当量(Nieq)根据下式计算。
Nieq＝[Ni]+0.3[Mn]+22[C]+14[N]+[Cu]
上式中，[Ni]、[Mn]、[C]、[N]和[Cu]分别表示本发明的不锈钢中的Ni、Mn、C、N和Cu的含量(质量％)。
Ni、Mn、C、N和Cu是奥氏体形成元素。镍当量(Nieq)是表示不锈钢中的奥氏体易形成度的指标。
[Creq/Nieq]
在造型物中，从抑制奥氏体相变成马氏体时的凝固裂纹的发生这一观点出发，铬当量(Creq)对于镍当量(Nieq)的比(Creq/Nieq)，优选满足下式(1)。
Creq/Nieq≥1.5 (1)
换言之，比(Creq/Nieq)优选为1.5以上。比(Creq/Nieq)更优选为2.0以上，进一步优选为2.5以上。比(Creq/Nieq)优选为100以下，更优选为50以下，进一步优选为20以下。
[磷(P)和硫(S)]
P和S能够作为不可避免的杂质包含在不锈钢中。在不锈钢中，P和S容易进入到δ相。在具有δ相和γ相这二相的不锈钢中，因为晶界的面积大，所以P和S分散。由于P和S的影响，导致因凝固的收缩引起的裂纹发生。从抑制凝固裂纹的观点出发，优选P和S的含量满足下式(2)。
[P]+[S]≦0.03质量％ (2)
上式中，[P]表示本发明的不锈钢中的P的含量(质量％)，[S]表示本发明的不锈钢中的S的含量(质量％)。
换言之，本发明的不锈钢中的P的含量和S的含量的合计，优选为0.03质量％以下。P的含量和S的含量的合计更优选为0.02质量％以下。理想的是，P的含量为0，S的含量也为0。
[累积50体积％粒径D50(μm)]
粒径D50(μm)，是在将粉体的总体积作为100％而求得的体积基准的累积频率分布曲线中，累积体积为50％的点的粒径。粒径由日机装社的激光衍射·散射式粒径分布测量装置“マイクロトラックMT3000”测量。粉末与纯水一起被灌入到该装置的槽室内，基于粒子的光散射信息，可检测粒径。
本发明的不锈钢粉末的粒径D50，优选为4μm以上且70μm以下。由粒径D50在此范围内的不锈钢粉末，能够得到不残留未熔融粉末，没有惰性气体卷入的造型物。从这一观点出发，粒径D50更优选为15μm以上且50μm以下，进一步优选为20μm以上且30μm以下。
[振实密度TD(Mg/m3)]
本发明的不锈钢粉末的振实密度TD，优选为3.5Mg/m3以上且20Mg/m3以下，更优选为3.7Mg/m3以上且18Mg/m3以下，进一步优选为4.0Mg/m3以上且15Mg/m3以下。Mg/m3与g/cc同义。振实密度依据JIS Z2512的规定测量。
[D50/TD]
设D50为X(μm)，TD为Y(Mg/m3)时，X/Y优选为0.2以上且20以下。X/Y为0.2以上的粉末，流动性优异。由这样的粉末，能够得到高密度的造型物。从这一观点出发，X/Y更优选为1以上，进一步优选为3以上。由X/Y为20以下的粉末得到的造型物，内部难以残留未熔融粉末。从这一观点出发，X/Y更优选为18以下，进一步优选为16以下。
[造型物(成型体)的制造]
本发明的不锈钢粉末，能够作为造型用粉末材料使用。造型用粉末材料，可以只由本发明的不锈钢粉末构成，也可以含有本发明的不锈钢粉末以外的粉末。造型用粉末材料也可以含有例如粉末粘结剂(例如，树脂粉末)等。通过将本发明的不锈钢粉末作为造型用粉末材料使用而实施造型法，能够制造造型物。在优选的实施方式中，造型物(成型体)能够通过对于本发明的不锈钢粉末，实施伴随着高速熔融急冷凝固工艺的造型法而得到。作为这样的造型法，例如，可列举三维层叠造型法、热喷涂法、激光熔覆法、堆焊法等。在优选的实施方式中，造型物(成型体)由三维层叠造型法制造。作为三维层叠造型法，例如，可列举粉末床熔融结合法、定向能量沉积法等。粉末床熔融结合法也称为SLS(Selective LaserSintering)、DMLS(Direct Metal Laser Sintering)、EMB(Electron Beam Melting)、SLM(Selective Laser Melting)或DLP(Direct Metal Printing)，通常，使用激光束或电子束。定向能量沉积法也称为LMD(Laser Metal Deposition)或DMP(Direct MetalDeposition)，通常，使用激光束。
在三维层叠造型法中，能够使用3D打印机。在此层叠造型法中，对于铺开的不锈钢粉末(不锈钢粉末层)，照射激光束或电子束。通过照射，不锈钢粒子被急速加热，高速熔融。之后，不锈钢粒子高速凝固。经过此熔融和凝固，不锈钢粒子之间结合。照射可对于不锈钢粉末层的一部分选择性地进行。不锈钢粉末层之中，未经照射的部分的不锈钢粒子不发生熔融。不锈钢粉末层之中，只在被照射的部分形成结合层。
在结合层之上，再铺设不锈钢粉末，形成不锈钢粉末层。对于该不锈钢粉末层，照射激光束或电子束。通过照射，不锈钢粒子高速熔融。之后，不锈钢粒子高速凝固。经过此熔融和凝固，不锈钢粉末层中的不锈钢粒子彼此被结合，形成新的结合层。新的结合层与既有的结合层也被结合。
通过重复经由照射进行的结合，结合层的集合体慢慢生长。通过此生长，能够得到具有三维形状的造型物。根据这样的层叠造型法，容易获得具有复杂形状的造型物。
在一个实施方式中，三维层叠造型法包括数据处理工序和造型工序。三维层叠造型法也可以在造型工序之后，含有热处理工序。以下，对于三维层叠造型法的一个实施方式进行说明。
在数据处理工序中，首先，利用3D-CAD等拟定三维形状数据。三维形状数据被转换成STL数据。在STL数据中，例如，进行基于有限元法的单元分割(网格化)。在数据处理工序中，其次，根据STL数据，拟定切片数据。STL数据被分割成第一造型层～第n造型层的n层。切片厚度，例如为10～150μm。
在造型工序中，基于切片数据，可造型层叠造型物。在造型工序中，例如，使用激光层叠造型装置，其具备：活塞；支承于活塞的平台；使金属粉末固化的激光的输出部，即激光输出部。造型工序中，为了抑制造型物的氧化，例如，在惰性气体气氛中进行。惰性气体，例如，有氩(Ar)、氮(N2)、氦(He)等。也可以使用氢(H2)等的还原性气体代替惰性气体。另外，也可以使用真空泵等，作为减压气氛。平台借助活塞可升降，层叠造型物在平台上形成。
在造型工序中，首先，形成含有金属粉末的粉末层。基于切片数据，活塞使平台下降一层量，在平台上铺设一层量的金属粉末。由此，形成含有金属粉末的第一粉末层。第一粉末层的表面，用刮刀等使之平滑化。粉末层中除了金属粉末以外，也可以含有粉末粘结剂(例如，树脂粉末)等。
在造型工序中，其次，形成作为层叠造型物的一部分的造型层。激光输出部，基于切片数据，对于第一粉末层的规定位置照射激光。也可以在照射激光之前，预先加热粉末层。受到激光照射的金属粉末，经过熔融和烧结，发生固化。如此，在第一粉末层中使规定位置的金属粉末固化，由此可形成第一造型层。作为激光输出部，能够使用通用的激光装置。作为激光的光源，例如，可列举纤维激光器、YAG激光器、CO2激光器、半导体激光器等。
形成第一造型层后，活塞使平台再下降一层量。其后，与上述同样，形成第二粉末层，基于切片数据，形成第二造型层。以后，同样地形成第三造型层、第四造型层，…第n造型层，层叠造型物完成。
[ED/D50]
使用本发明的不锈钢粉末制造造型物时，投入不锈钢粉末的能量密度ED(J/mm3)与不锈钢粉末的累积50体积％粒径D50(μm)的平衡很重要。D50大的粉末，其表面积小，在内部传播的射束的热量弱。因此，在造型物的内部容易残留未熔融粉末。若能量密度ED大，则未熔融粉末的残留难以发生。但是，若能量密度ED大，则会发生粉末熔融而得到的熔液类似于崩沸的现象，造型物中容易卷入惰性气体。设ED为Z(J/mm3)，设D50为X(μm)时，从制造健全的造型物的观点出发，优选Z/X满足下式(3)。
0.7≤Z/X≤5.0 (3)
换言之，Z/X优选为0.7以上且5.0以下。从防止未熔融粉末的残留的观点出发，Z/X更优选为1.0以上，进一步优选为1.2以上。从防止造型物中卷入惰性气体的观点出发，Z/X更优选为4.5以下，进一步优选为4.0以下。
能量密度ED(J/mm3)，表示照射到单位体积上的射束的能量。能量密度ED(J/mm3)能够由下式计算。
ED＝P/(V×d×t)
在上式中，P表示射束的输出功率(W)，V表示射束的扫描速度(mm/s)，d表示射束的扫描间距(mm)，t表示不锈钢粉末的层叠厚度(mm)。
射束的输出功率通常为30～400W，优选为150～250W，扫描速度通常为300～1500mm/s，优选为600～1200mm/s，扫描间距通常为0.03～1.50mm，优选为0.06～1.20mm，层叠厚度通常为0.01～0.10mm，优选为0.02～0.05mm。
[共晶组织]
经由粉末的高速熔融急冷凝固工艺而得到的造型物中，容易有低熔点化合物在奥氏体晶界偏析。该低熔点化合物含有P、S、Si或Nb。该低熔点化合物具有共晶组织。作为该共晶组织的具体例，可列举Fe-FeS共晶组织。该共晶组织的熔点约为998℃。
造型物的组织包含在其结晶晶界的、共晶温度为600℃以上且1350℃以下的共晶组织的量，优选为20质量％以下。在其量为20质量％以下的造型物的制造中，难以发生凝固裂纹。从这一观点出发，其量更优选为15质量％以下，进一步优选为10质量％以下。
造型物的组织包含在其结晶晶内的、共晶温度为600℃以上且1350℃以下的共晶组织的量，优选为5质量％以下。其量为5质量％以下的造型物即使供热处理，在结晶晶界析出的低熔点化合物的量也少。从这一观点出发，其量进一步优选为3质量％以下，更进一步优选为2质量％以下。
[相对密度]
造型物的相对密度，优选为95％以上，更优选为96％以上，进一步优选为97％以上。在伴随高速熔融急冷凝固工艺的造型法中，通过防止造型物的凝固裂纹的发生，能够使造型物的相对密度提高。造型物的相对密度以如下方式测量。使用造型物或从造型物上截取的试验片在空气中的重量、在水中的重量及水的密度，计算造型物或试验片的密度(g/mm3)(阿基米德密度测量法)。在阿基米德密度测量法中，用造型物或试验片在空中的重量，除以试验片的体积(＝试验片在水中的重量/计测温度下的水的密度)，由此计算试验片的密度。另一方面，以基于定容膨胀法的干式密度测量(使用气体：氦气，使用装置：SHIMADZU制的micromeritics AccuPyc1330)，计算造型物的制造所使用的粉末的密度(g/mm3)。根据造型物或试验片的密度和粉末的密度，基于下式，计算造型物的相对密度(％)。
造型物的相对密度(％)＝造型物或试验片的密度/粉末的密度×100【实施例】
以下，基于实施例说明本发明，但不应该基于实施例的记述限定性地解释本发明。
[气体雾化法]
在真空中，用氧化铝制坩埚，通过高频感应加热，对于具有规定的组成的原料进行加热，使之熔化。从位于坩埚下的直径5mm的喷嘴，使熔液落下。对此熔液，喷雾高压氩气或高压氮气，得到合金粉末。各合金粉末的组成的详情显示在表1和2中。还有，在表1和2中，“Creq”和“Nieq”分别表示铬当量及镍当量，由下式计算。
Creq＝[Cr]+1.4[Mo]+1.5[Si]+2[Nb]
Nieq＝[Ni]+0.3[Mn]+22[C]+14[N]+[Cu]
上式中，[Cr]、[Mo]、[Si]、[Nb]、[Ni]、[Mn]、[C]、[N]和[Cu]，分别表示合金粉末中的Cr、Mo、Si、Nb、Ni、Mn、C、N和Cu的含量(质量％)。
【表1】
Figure BDA0003406987110000161
【表2】
Figure BDA0003406987110000171
如表1所示，实施例1～24满足下述条件(1)～(7)。
(1)Cr：10.5质量％以上且20.0质量％以下
(2)Ni：1.0质量％以上且15.0质量％以下
(3)C、Si、Mn和N：合计0质量％以上且2.0质量％以下
(4)Mo、Cu和Nb：合计0质量％以上且5.0质量％以下
(5)P和S：合计0质量％以上且0.03质量％
(6)Fe：余量
(7)Creq/Nieq≥1.5
另一方面，如表2所示，比较例1～24不满足上述条件(1)～(7)的任意一个以上。还有，表2中，对于不满足条件(1)的值加下划线。关于其他条件也同样。
[分级]
经由气体雾化法制造的各粉末供分级，将构成各粉末的各粒子的粒径调整为63μm以下，以下使用。
[累积50体积％粒径D50(μm)]
使用日机装社的激光衍射·散射式粒径分布测量装置“マイクロトラックMT3000”，基于由激光衍射散射法测量的粒径分布，求得粉末的累积50体积％粒径D50(μm)。在使用マイクロトラックMT3000的粒径分布的测量中，粉末与纯水一起被灌入到该装置的槽室内，基于粒子的光散射信息，检测粒径。在表3和表4中显示各合金粉末的D50(μm)。
[振实密度TD(Mg/m3)]
将50g的粉末填充到容积为100cm3的圆筒中，以落下高度为10mm，次数200次的条件，进行振实后，测量粉末的振实密度TD(Mg/m3)。振实密度的测量，依据JIS Z2512的规定。各合金粉末的TD(Mg/m3)显示在表3和4中。
[D50/TD]
基于D50(μm)和TD(Mg/m3)，求得D50/TD。还有，D50/TD作为设D50为X(μm)，设TD为Y(Mg/m3)时的X/Y而求得。各合金粉末的D50/TD显示在表3和4中。
【表3】
表3
Figure BDA0003406987110000191
【表4】
表4
Figure BDA0003406987110000201
如表3所示，实施例1～24满足下述条件(8)。
(8)0.2≤D50/TD≤20
另一方面，如表4所示，比较例1～24的一部分(比较例7和19)，不满足上述条件(8)。还有，表4中，对于不满足条件(8)的值加下划线。
[造型]
以实施例1～24和比较例1～24各自的粉末为原料，用三维层叠造型装置(EOS社制3D打印机“EOS-M280”)实施层叠造型法，得到造型物。在该三维层叠造型装置中，实施使用激光的粉末床熔融结合法。激光的能量密度ED显示在表1和2中。能量密度ED(J/mm3)，基于下式计算：
ED＝P/(V×d×t)
在上式中，P表示激光的输出功率(W)，V表示扫描速度(mm/s)，d表示扫描间距(mm)，t表示层叠厚度(mm)。激光照射条件的详情如下。
激光的输出功率：200W
扫描速度：800～1200mm/s
扫描间距：0.08～1.20mm
层叠厚度：0.04mm
[ED/D50]
基于D50(μm)和ED(J/mm3)，求得ED/D50。还有，ED/D50作为设D50为X(μm)，设TD为Z(Mg/m3)时的Z/X而求得。各合金粉末的ED/D50显示在表5和6中。
[共晶组织的比例测量]
由造型物制作10mm见方的试验片(10mm×10mm×10mm)。从中央切断该试验片，埋入到导电性树脂中。用目数细小的1000号以上的抛光轮打磨试验片截面后，以腐蚀液使试验片截面腐蚀。对于此试验片，使用扫描电子显微镜(SEM)，在任意选择的10处(1处为200μm×200μm的区域)进行元素分析。使用统计型热力学计算系统(Thermo-Calc)计算共晶温度，测量由含有P、S、Si、Nb等的低熔点化合物构成共晶组织的量(质量％)。各造型物中的晶内共晶组织的共晶温度(℃)和量(质量％)以及各造型物中的晶界共晶组织的共晶温度(℃)和量(质量％)显示在表5和6中。
[裂纹评价]
由造型物制作10mm见方的试验片(10mm×10mm×10mm)。相对于造型方向平行地切断试验片，使用光学显微镜，以倍率100倍拍摄切断面10个视野，通过图像分析计算裂纹的数量。10个视野中观察到的裂纹的合计数量显示在表5和6中。
[造型物的相对密度]
制作10mm见方的试验片(10mm×10mm×10mm)。使用在空气中的重量、在水中的重量、水的密度，计算该试验片的密度(g/mm3)(阿基米德密度测量法)。在阿基米德密度测量法中，用试验片在空气中的重量，除以试验片的体积(＝试验片在水中的重量/计测温度下的水的密度)，由此计算试验片的密度。另一方面，通过定容膨胀法的干式密度测量(使用气体：氦气，使用装置：SHIMADZU制的micromeritics AccuPyc1330)，计算粉末的密度(g/mm3)。根据试验片的密度和粉末的密度，基于下式，教育处造型物的相对密度(％)。
造型物的相对密度(％)＝试验片的密度/粉末的密度×100
遵循以下的标准，评价造型物的相对密度。
评价“A”…99％以上
评价“B”…98％以上且低于99％
评价“C”…97％以上且低于98％
评价“D”…96％以上且低于97％
评价“E”…低于96％
【表5】
Figure BDA0003406987110000231
【表6】
Figure BDA0003406987110000241
如表5所示，实施例1～24满足下述条件(9)～(12)。
(9)0.7≤ED/D50≤5.0
(10)共晶温度为600～1350℃的共晶组织(粒内)的量：5质量％以下
(11)共晶温度为600～1350℃的共晶组织(晶界)的量：20质量％以下
(12)裂纹的数量：25以下
(13)造型物的相对密度：96％以上
另一方面，如表6所示，比较例1～24不满足上述条件(9)～(11)的任意一个以上。另外，比较例1～24不满足上述条件(12)和(13)。还有，表6中，对于不满足条件(9)的值加下划线。关于其他的条件也同样。
由以上的结果判明，通过使用具有满足上述条件(1)～(7)的组成的合金粉末实施层叠造型法，能够制造共晶温度为600～1350℃的共晶组织(晶内)的量为5质量％以下，共晶温度为600～1350℃的共晶组织(晶界)的量为20质量％以下的造型物，以及能够防止造型物的凝固裂纹的发生，能够制造相对密度为96％以上的造型物。另外判明，优选D50/TD为0.2以上且20以下，以及优选ED/D50为0.7以上且5.0以下。
如以上，本发明的不锈钢粉末，诸性能优异。由此结果可知本发明的优势性。本发明的不锈钢粉末，也适于从喷嘴喷射粉末型的3D打印机。该粉末也适合于从喷嘴喷射粉末型的激光熔覆法。

Claims (18)

1.一种不锈钢，其含有
Cr：10.5质量％以上且20.0质量％以下；
Ni：1.0质量％以上且15.0质量％以下；
C、Si、Mn和N：合计为0.3质量％以上且2.0质量％以下；
Mo、Cu和Nb：合计为0质量％以上且5.0质量％以下；以及
P和S：合计为0质量％以上且0.03质量％以下，
余量是Fe和不可避免的杂质，其中，
所述不锈钢满足下式(1)：
Creq/Nieq≥1.5 (1)
式(1)中，Creq和Nieq分别由以下的式(1－1)和(1－2)计算：
Creq＝[Cr]+1.4[Mo]+1.5[Si]+2[Nb] (1－1)
Nieq＝[Ni]+0.3[Mn]+22[C]+14[N]+[Cu] (1－2)
式(1－1)和(1－2)中，[Cr]、[Mo]、[Si]、[Nb]、[Ni]、[Mn]、[C]、[N]和[Cu]分别表示所述不锈钢中的Cr、Mo、Si、Nb、Ni、Mn、C、N和Cu的质量百分比含量。
2.根据权利要求1所述的不锈钢，其中，含有从
C：0.1质量％以上且0.2质量％以下、
Si：0.1质量％以上且1.0质量％以下、
Mn：0.1质量％以上且1.5质量％以下、和
N：0.02质量％以上且0.07质量％以下所构成的群中选择的一种、两种、三种或四种。
3.根据权利要求1所述的不锈钢，其中，所述不锈钢中的Mo、Cu和Nb的合计含量为0.1质量％以上。
4.根据权利要求1所述的不锈钢，其中，含有从
Mo：0.1质量％以上且3.6质量％以下、
Cu：0.1质量％以上且4.3质量％以下、和
Nb：0.1质量％以上且0.8质量％以下所构成的群中选择的一种、两种或三种。
5.一种造型物，其包含权利要求1所述的不锈钢。
6.根据权利要求5所述的造型物，其中，所述造型物的组织包含在其结晶晶内的、共晶温度为600℃以上且1350℃以下的共晶组织的量为5质量％以下，并且，所述造型物的组织包含在其结晶晶界的、共晶温度为600℃以上且1350℃以下的共晶组织的量为20质量％以下。
7.根据权利要求6所述的造型物，其中，所述造型物的组织包含在其结晶晶内的、共晶温度为600℃以上且1350℃以下的共晶组织的量为2质量％以下，并且，所述造型物的组织包含在其结晶晶界的、共晶温度为600℃以上且1350℃以下的共晶组织的量为10质量％以下。
8.根据权利要求6所述的造型物，其中，所述造型物的相对密度为95％以上。
9.一种粉末，其包含权利要求1所述的不锈钢。
10.根据权利要求9所述的粉末，其中，设所述粉末的累积50体积％粒径D50为X，设所述粉末的振实密度TD为Y时，X/Y为0.2以上且20以下，其中，所述X的单位为μm，所述Y的单位为Mg/m3。
11.根据权利要求10所述的粉末，其中，D50为4μm以上且70μm以下。
12.根据权利要求10所述的粉末，其中，TD为3.5Mg/m3以上且20Mg/m3以下。
13.一种造型用粉末材料，其含有权利要求9所述的粉末。
14.一种造型物的制造方法，包括以下工序：
准备权利要求9所述的粉末的工序，和
对于所述粉末实施伴随着高速熔融急冷凝固工艺的造型法，得到造型物的工序，其中，
所述造型物的组织包含在其结晶晶内的、共晶温度为600℃以上且1350℃以下的共晶组织的量为5质量％以下，
所述造型物的组织包含在其结晶晶界的、共晶温度为600℃以上且1350℃以下的共晶组织的量为20质量％以下。
15.根据权利要求14所述的制造方法，其中，
所述造型物的组织包含在其结晶晶内的、共晶温度为600℃以上且1350℃以下的共晶组织的量为2质量％以下，
所述造型物的组织包含在其结晶晶界的、共晶温度为600℃以上且1350℃以下的共晶组织的量为10质量％以下。
16.根据权利要求14所述的制造方法，其中，所述造型法是层叠造型法。
17.根据权利要求16所述的制造方法，其中，所述层叠造型法中，设投入到所述粉末中的能量密度ED为Z，设所述粉末的累积50体积％粒径D50为X时，Z/X为0.7以上且5.0以下，其中，所述Z的单位为J/mm3，所述X的单位为μm。
18.根据权利要求14所述的制造方法，其中，所述造型物的相对密度为95％以上。
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