CN116103583A - 金属粉末 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属粉末，其包含：0.001质量％≤C≤0.45质量％、0.01质量％≤Si≤3.50质量％、Mn≤2.0质量％、7.5质量％≤Cr≤21.0质量％、1.5质量％≤Ni≤7.0质量％、Mo≤1.3质量％、0.05质量％≤V≤2.0质量％、Al≤0.015质量％以及N≤0.20质量％，余量为Fe和不可避免的杂质，满足0.05质量％≤C+N≤0.58质量％，并且满足：10＜15C+Mn+0.5Cr+Ni＜20以及Creq/Nieq＜5.6，其中Creq＝Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb，并且Nieq＝Ni+30C+30N+0.5Mn。

Description

金属粉末
技术领域
本发明涉及金属粉末，特别涉及这样一种金属粉末，由该金属粉末通过增材制造可以获得具有较少裂纹或翘曲并且具有优异的耐热性的制品。
背景技术
近年来，金属增材制造技术已经受到关注。这是因为金属增材制造技术具有以下优点：
(a)能够形成具有复杂形状的金属部件，使其形状接近最终形状；
(b)提高了设计的自由度；以及
(c)切削余量小于现有技术中切削的切削余量。
本文中，“增材制造方法”是指通过使用各种方法堆叠薄层以制备三维结构的方法，所述薄层对应于通过在水平方向上切割三维结构获得的结构。用于堆叠薄层的方法的实例包括：
(a)重复进行形成由金属粉末制成的薄粉末层的步骤和通过用诸如激光束或电子束之类的能量束照射以局部熔化并固化粉末层的步骤的方法，以及
(b)堆叠各具有给定形状的薄板并扩散接合这些薄板的方法。
其中，用激光束照射铺展的金属粉末层以局部熔化并固化粉末层的增材制造方法也被称为“选择性激光熔化(SLM)”。SLM增材制造方法的优点在于，简单地通过改变激光束的照射位置就可以容易地形成复杂的三维形状。因此，当SLM增材制造方法应用于(例如)制造压铸模具时，可以在模具内部自由地设置非线性冷却水回路或三维冷却水回路。
在通过使用SLM 3D打印机进行增材制造的情况下，仅快速加热制造对象的上表面，因此在冷却之后，制造对象的上表面上会产生残余拉伸应力。其结果是，制造对象容易变形为向下凸出。当制造对象的变形较大时，制造对象的尺寸精度劣化，并且在制造之后也难以从3D打印机取出制造对象。
因此，为了解决相关技术中的这个问题，已经提出了各种建议。
例如，专利文献1公开了一种通过增材制造来制造制品的方法，该方法包括：
在制造区域形成由碳钢或马氏体不锈钢粉末制成的材料层的复涂步骤；
用激光束照射材料层的预定照射区域以形成固化层的固化步骤；以及
调节固化层温度的温度调节步骤，使得T1→T2→T1(其中T1≥Mf(固化层的马氏体相变结束温度)，T1＞T2，并且T2≤Ms(固化层的马氏体相变开始温度))。
同一文献还公开了以下几点：
(a)在增材制造中，固化层中存在拉伸应力，因为在固化层的冷却过程期间，固化层的体积通常会收缩；
(b)在使用经过马氏体相变的材料进行增材制造的情况下，由于当固化层经过马氏体相变时发生体积膨胀，因此在固化层的冷却期间发生的体积收缩以及所产生的拉伸应力均会减少，从而能够防止制造对象的变形；
(c)通过在温度调节步骤中控制T1和T2，能够控制固化层的变形量(＝膨胀量)；以及
(d)由于Ms和Mf因材料的碳量而波动，因此通过调节材料的碳量，可以将该文献中描述的方法应用于各种材料。
专利文献2公开了一种金属粉末，其包含预定量的Cr、Ni、C、Si、Mn、N、Mo、Cu、Nb、P和S，余量为Fe和不可避免的杂质。
该文献公开了在使用不锈钢粉末进行增材制造的情况下，当将不锈钢粉末中包含的各元素的量调节在预定范围内并且控制P和S的量时，不容易发生固化裂纹，因此表现出良好的制造性能。
此外，专利文献3没有公开增材制造用金属粉末，而是公开了一种不锈钢，该不锈钢包含预定量的C、Si、Mn、Cr、Mo、V和N，余量为Fe和杂质。
该文献公开了当各元素的含量在预定范围内时，即使在高温退火后也可以获得具有高硬度、高韧性和良好耐腐蚀性的不锈钢。
专利文献1公开了当固化层的温度在Ms点附近升高和降低时，通过由马氏体相变引起的体积膨胀可以缓和在制造之后的冷却过程中产生的残余拉伸应力，因此，可以获得几乎没有变形的制造对象。然而，在当前的3D打印机中，由于设备限制，制造区域的可达温度存在上限。因此，专利文献1中公开的方法仅能够应用于Ms点为约300℃以下的钢。
此外，对于需要耐热性的用途，使用诸如SUH1、SUH3和SUH11之类的耐热性马氏体钢。在使用这种耐热钢的情况下，为了提高耐热性，碳量通常较高。当将具有如此高碳量的粉末应用于增材制造时，制成时的硬度趋于非常高。其结果是，制造对象中可能容易出现裂纹，使得难以制备制造对象。
为了解决该问题，可以考虑降低耐热钢中的碳量。然而，由于碳量的降低会引起Ms点的升高，因此Ms点可能高于制造装置的可达温度范围。其结果是，存在以下问题：当通过使用具有较低碳量的耐热钢粉末进行增材制造时，制造对象的残余应力增加。
专利文献1：日本专利No.6295001
专利文献2：JP2019-119913A
专利文献3：JP2020-536169T
发明内容
本发明的目的是提供一种金属粉末，由该金属粉末通过增材制造可以获得具有较少裂纹或翘曲并且具有优异的耐热性的制品。
为了解决上述问题，根据本发明的金属粉末包含：
0.001质量％≤C≤0.45质量％、
0.01质量％≤Si≤3.50质量％、
Mn≤2.0质量％、
7.5质量％≤Cr≤21.0质量％、
1.5质量％≤Ni≤7.0质量％、
Mo≤1.3质量％、
0.05质量％≤V≤2.0质量％、
Al≤0.015质量％以及
N≤0.20质量％，
余量为Fe和不可避免的杂质，
满足：
0.05质量％≤C+N≤0.58质量％，并且
还满足以下表达式(1)和表达式(2)：
10＜15C+Mn+0.5Cr+Ni＜20  (1)
Creq/Nieq＜5.6  (2)
其中
Creq＝Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb
Nieq＝Ni+30C+30N+0.5Mn。
当使用包含预定元素并满足表达式(1)的金属粉末进行增材制造时，通过由马氏体相变引起的体积膨胀缓和在制造之后的冷却过程中产生的残余拉伸应力。其结果是，通过增材制造可以获得具有较少裂纹和较少变形的制品。
此外，通过优化金属粉末的组分以满足表达式(2)(特别是，优化Si、Cr和Ni的量)，通过增材制造可以获得具有优异的耐热性的制品。
附图说明
图1为示出以预定的冷却速度冷却相变点测定用样品时，温度变化和尺寸变化之间的关系的实例的图。
图2A为用于测量翘曲量的试样的示意图。
图2B示出曲率半径R几乎为0的情况。
图2C示出曲率半径R小于0的情况。
图2D示出曲率半径R大于0的情况。
图3为示出变量A和Ms点之间的关系的图。
图4为示出制造之后Ms点和变形之间的关系的图。
具体实施方式
下文中，将详细描述本发明的实施方案。
[1.金属粉末]
[1.1.主要构成元素]
根据本发明的金属粉末包含以下元素，余量为Fe和不可避免的杂质。添加元素的种类、其组成范围以及限制理由如下。
(1)0.001质量％≤C≤0.45质量％：
C是与各种元素形成碳化物的元素，因此可有效地提高硬度和强度。此外，C也是降低Ms点的有效元素。为了获得这样的效果，C的量需要为0.001质量％以上。C的量优选为0.01质量％以上，并且更优选为0.05质量％以上。
另一方面，当通过使用金属粉末进行增材制造时，制造对象在增材制造之后的即时硬度与C和N的总量成比例，因此，在C的量过多的情况下，制造对象在增材制造之后的即时硬度太高，这可能会导致裂纹。因此，C的量需要为0.45质量％以下。C的量优选为0.40质量％以下。C的量更优选为0.09质量％以下，并且进一步优选为0.06质量％以下。
(2)0.01质量％≤Si≤3.50质量％：
Si是有效的脱氧剂元素。此外，Si也是提高制造对象的耐热性和抗氧化性的有效元素。为了获得这样的效果，Si的量需要为0.01质量％以上。Si的量优选为0.1质量％以上，并且更优选为0.3质量％以上。
另一方面，在Si的量过多的情况下，制造对象的韧性可能会降低。因此，Si的量需为3.50质量％以下。Si的量优选为3.2质量％以下，更优选为2.00质量％以下，并且进一步优选为1.00质量％以下。
(3)Mn≤2.0质量％：
Mn是作为脱氧元素和脱硫元素的有效元素。此外，Mn是提高韧性和拉伸强度的有效元素。此外，Mn也是降低Ms点的有效元素。因此，金属粉末可以根据需要包含Mn。为了获得上述效果，Mn的量优选为0.01质量％以上。Mn的量更优选为0.2质量％以上。
另一方面，Mn也是奥氏体稳定化元素。因此，在Mn的量过多的情况下，残留奥氏体的量过多，因此制造对象的硬度和耐腐蚀性可能会降低。因此，Mn的量需要为2.0质量％以下。Mn的量优选为1.8质量％以下，更优选为1.6质量％以下，甚至更优选为1.00质量％以下，并且进一步优选为0.70质量％以下。
(4)7.5质量％≤Cr≤21.0质量％：
Cr是提高高温抗氧化性的有效元素。此外，Cr是通过形成碳化物提高制造对象的淬火硬度的有效元素。此外，Cr也是在制造对象的表面形成钝化膜从而确保耐腐蚀性的有效元素。为了获得这样的效果，Cr的量需要为7.5质量％以上。Cr的量优选为10.5质量％以上，并且更优选为11.5质量％以上。
另一方面，Cr的量过多时，淬火组织中甚至可能会残留铁素体组织，从而使高温强度降低。因此，Cr的量需要为21.0质量％以下。Cr的量优选为20.0质量％以下，更优选为18.5质量％以下，甚至更优选为16.0质量％以下，并且进一步优选为15.0质量％以下。
(5)1.5质量％≤Ni≤7.0质量％：
Ni是用于提高耐腐蚀性和热强度的有效元素。此外，Ni也是有效降低Ms点的元素。为了获得这样的效果，Ni的量需要为1.5质量％以上，更优选为3.00质量％以上，甚至更优选为4.00质量％以上，并且进一步优选为5.00质量％以上。
另一方面，在Ni的量过多的情况下，Ms点大幅降低。其结果是，残留奥氏体的量可能过多，因此回火硬度可能会降低。因此，Ni的量需要为7.0质量％以下。
(6)Mo≤1.3质量％：
Mo具有促进钝化膜再生从而提高耐腐蚀性的作用。因此，金属粉末可以根据需要包含Mo。为了获得这样的效果，Mo的量优选为0.01质量％以上。Mo的量更优选为0.1质量％以上。
另一方面，在Mo的量过多的情况下，制造对象的断裂韧性可能会降低。因此，Mo的量需要为1.3质量％以下。Mo的量优选为1.1质量％以下，更优选为0.90质量％以下，并且进一步优选为0.50质量％以下。
(7)0.05质量％≤V≤2.0质量％：
V是与C和/或N结合以形成碳化物和/或氮化物从而有助于提高硬度的元素。此外，V也是防止晶粒在淬火期间变粗大并有助于提高韧性的元素。为了获得这样的效果，V的量需要为0.05质量％以上。V的量优选为0.1质量％以上。
另一方面，在V的量过多的情况下，可能残留大量的碳化物和/或氮化物，并且韧性可能会降低。因此，V的量需要为2.0质量％以下。V的量优选为1.3质量％以下，更优选为0.8质量％以下，并且进一步优选为0.5质量％以下。
(8)Al≤0.015质量％：
Al是作为脱氧元素的有效元素。此外，少量的Al可防止晶粒在淬火期间变粗大并有助于改善韧性。因此，金属粉末可以根据需要包含Al。为了获得这样的效果，Al的量优选大于0.002质量％。Al的量更优选为0.005质量％以上。
另一方面，在Al的量过多的情况下，会形成粗大的AlN，这可能导致韧性和疲劳性能的严重劣化。因此，Al的量需要为0.015质量％以下。
(9)N≤0.20质量％：
N是通过氮雾化将熔融金属粉末化时混入金属粉末中的元素。此外，N具有提高制造对象在增材制造之后的即时硬度的效果。因此，金属粉末可以根据需要包含N。为了获得这样的效果，N的量优选为0.01质量％以上。
另一方面，在N的量过多的情况下，制造对象在增材制造之后的即时硬度太高，这可能会导致裂纹。因此，N的量需要为0.20质量％以下。N的量优选为0.1质量％以下，并且更优选为0.07质量％以下。
(10)0.05质量％≤C+N≤0.58质量％：
C和N两者都是提高硬度和强度的有效元素。此外，C和N也是降低Ms点的有效元素。在C+N太小的情况下，不能获得所需的硬度。因此，C+N需要为0.05质量％以上。
另一方面，在C+N过大的情况下，制造对象在增材制造之后的即时硬度太高，这可能会导致裂纹。因此，C+N需要为0.58质量％以下。C+N优选为0.45质量％以下。
(11)不可避免的杂质：
根据本发明的金属粉末可以包含如下所示量的如下所示的成分。在这种情况下，本发明中将这些成分视为不可避免的杂质。
Cu≤0.30质量％，O≤0.1质量％，Co≤0.3质量％，Ta≤0.05质量％，Ti≤0.05质量％，Zr≤0.05质量％，B≤0.005质量％，Ca≤0.005质量％，Se≤0.03质量％，Te≤0.005质量％，Bi≤0.01质量％，Pb≤0.03质量％，Mg≤0.02质量％，并且REM(稀土金属)≤0.01质量％。
[1.2.辅助构成元素]
根据本发明的金属粉末除了上述主要组成元素之外，还可以包含以下元素中的一种或多种。添加元素的种类、其组成范围以及限制理由如下。
(1)0.1质量％≤Nb≤1.0质量％：
与V类似，Nb也是与C和/或N结合以形成碳化物和/或氮化物从而有助于提高硬度的元素。此外，Nb也是防止晶粒在淬火期间变粗大并有助于提高韧性的元素。为了获得该效果，Nb的量优选为0.1质量％以上。可以小于0.1质量％的量包含作为不可避免的杂质的Nb。
另一方面，在Nb的量过多的情况下，可能析出粗大的碳化物和/或氮化物从而引起淬火裂纹。因此，Nb的量优选为1.0质量％以下。
(2)0.1质量％≤W≤1.5质量％：
W具有提高耐腐蚀性的效果。为了获得该效果，W的量优选为0.1质量％以上。可以小于0.1质量％的量包含作为不可避免的杂质的W。
另一方面，在W的量过多的情况下，成本增加，并且会形成粗大的M6C型碳化物，这可能引起淬火裂纹。因此，W的量优选为1.5质量％以下。
(3)P≤0.03质量％：
P是不可避免的杂质，并且从防止固化裂纹的观点出发，优选尽可能地减少P的量。为了防止固化裂纹，P作为不可避免的杂质的量优选为0.03质量％以下。
然而，过度减少P的量会导致生产成本增加。因此，优选地考虑这些方面选择P的最佳量。
(4)S≤0.03质量％：
S是不可避免的杂质，并且从防止固化裂纹的观点出发，优选尽可能地减少S的量。为了防止固化裂纹，S作为不可避免的杂质的量优选为0.03质量％以下。
然而，过度减少S的量会导致生产成本增加。因此，优选地考虑这些方面选择S的最佳量。
[1.3.成分平衡]
根据本发明的金属粉末需要满足以下表达式(1)和表达式(2)。
10＜15C+Mn+0.5Cr+Ni＜20  (1)
Creq/Nieq＜5.6  (2)
其中
Creq＝Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb
Nieq＝Ni+30C+30N+0.5Mn
[1.3.1.表达式(1)]
表达式(1)中的“15C+Mn+0.5Cr+Ni”(以下也称为“变量A”)与金属粉末的Ms点相关。变量A中所有元素具有降低Ms点的效果。在根据本发明的金属粉末中，当优化变量A以满足表达式(1)时，可以将金属粉末的Ms点设定在适合于增材制造的范围内(具体地，约50℃至约280℃)。
变量A是将各元素的含量(质量％)乘以预定系数后将它们相加而得到的。在金属粉末不包含构成变量A的一些元素的情况下，将该元素的含量假设为零从而计算变量A。
在金属粉末的Ms点过低的情况下，增材制造后残留奥氏体的量过多，因此不能获得足够的硬度。此外，即使在增材制造后将材料冷却至室温，马氏体相变的量也较低，因此，可能无法获得减少由相变膨胀所致的变形的效果。因此，Ms点优选为50℃以上。变量A优选小于20，以便实现Ms点等于或大于该值。
另一方面，为了获得减少由相变膨胀所致的变形的效果，需要在增材制造后将制造对象加热至低于Ms点且高于马氏体相变完全结束的温度(Mf点)的温度。由于设备限制，现有的增材制造设备仅能够加热至200℃。在用于制造对象的加热温度为200℃并且金属粉末的Ms点高于280℃的情况下，加热温度太低，因此，马氏体相变几乎是在增材制造后立即完成，无法获得减少由相变膨胀所致的变形的效果。
即使能够将增材制造对象加热至200℃以上，在Ms点为280℃以上的情况下，加热所需的温度也会等于或高于贝氏体相变发生的温度。因此，在制造过程中发生由贝氏体相变引起的膨胀，无法获得减少由相变膨胀所致的变形的效果。因此，Ms点优选为280℃以下。变量A优选大于10，以便实现Ms点等于或小于该值。
[1.3.2.表达式(2)]
表达式(2)表示Cr当量(Creq)与Ni当量(Nieq)之比(以下也称为“当量比”)。“Creq”是表示不锈钢中形成铁素体的容易程度的指标。此外，“Nieq”是表示不锈钢中形成奥氏体的容易程度的指标。
Creq是将各铁素体稳定化元素的含量(质量％)乘以预定系数后将它们相加而得到的。此外，Nieq是将各奥氏体稳定化元素的含量(质量％)乘以预定系数后将它们相加而得到的。在金属粉末中不包含构成Creq或Nieq的元素的情况下，将该元素的含量假设为零从而计算Creq或Nieq。
在当量比太大的情况下，铁素体组织可能形成于所有相中，高温强度可能会降低。因此，当量比需要小于5.6。当量比优选满足以下表达式(2')。
Creq/Nieq＜2.5  (2')
另一方面，在当量比太小的情况下，残留奥氏体的量过多，制造对象的硬度和耐腐蚀性可能会降低。因此，当量比优选为0.3以上。当量比更优选为0.4以上，并且还更优选为0.6以上。
[1.4.粉末特性]
SLM 3D打印机中，在用激光制造之前金属粉末均匀地铺展。金属粉末的流动性对于均匀地铺展金属粉末很重要。为了确保流动性，可以优化金属粉末的粉末特性(特别是数量频率D50和雪崩角)。
[1.4.1.数量频率D50]
术语“数量频率D50(μm)”是指粉末的50％数量累积粒径(中值直径)。测量D50的方法的实例包括：
(a)使用基于激光衍射/散射法的颗粒分布测量装置的测量方法；
(b)使用颗粒图像分析仪的测量方法；
(c)使用库尔特计数器的测量方法；等等。
本发明中术语“D50”是指通过颗粒图像分析仪测量的中值直径。
通常，随着D50减小，微细粉末(粒径为10μm以下的颗粒)的含量相对增加。随着粒径减小，在颗粒之间产生的诸如范德华力和静电力之类的粘附力增大。因此，在D50太小的情况下，粉末倾向于团聚，从而导致流动性差。因此，D50优选为10μm以上。D50更优选为20μm以上，并且进一步优选为30μm以上。
另一方面，在D50太大的情况下，在粉末表面上产生的摩擦力比在颗粒之间产生的粘附力更占优势。因此，粉末流动期间的剪切阻力增大，因此流动性受到抑制。因此，D50优选为50μm以下。
[1.4.2.雪崩角]
评价金属粉末的流动性的方法的实例包括：
(a)JIS Z2502:2012中规定的金属粉末-流动性测定方法；
(b)使用霍尔流量计漏斗的金属粉末流动率的ASTM B213标准试验方法；
(c)使用卡尼漏斗的金属粉末流动率的ASTM B964标准试验方法；等等。
另一方面，用Mercury Scientific制造的旋转式粉末分析仪测定的雪崩角能够作为评价金属3D打印机中的粉末铺展步骤中的流动性的指标。在本发明中，将雪崩角用作金属粉末的流动性的指标。
通常，雪崩角小表示颗粒之间的粘附力小且金属粉末的流动性好。雪崩角通常取30°至60°的值，这取决于金属粉末的D50。雪崩角优选为45°以下，以便在3D打印机的制造区域中更均匀地铺展金属粉末。雪崩角更优选为43°以下，进一步优选为40°以下，并且还优选为35°以下。
[1.4.3.表观密度、振实密度和豪斯纳比(Hausner Ratio)]
测定表观密度的方法的实例包括：
(a)JIS Z2504:2012中规定的金属粉末-表观密度测定方法；
(b)根据ASTM B212标准试验方法，使用霍尔流量计漏斗的用于自由流动金属粉末的表观密度的方法；等等。
在本发明中，术语“表观密度ρ堆积(ρbulk)”是指通过JIS Z2504:2012中规定的金属粉末-表观密度测定法获得的值。金属粉末的表观密度通常可以取约3.0g/cc至约6.0g/cc的值。
测定堆积密度的方法的实例包括：
(a)JIS Z2512:2012中规定的金属粉末-振实密度测定方法；
(b)根据ASTM B527标准试验方法，用于金属粉末和化合物的振实密度的方法；等等。
在本发明中，术语“振实密度ρ振实(ρtapped)”是指通过JIS Z2512:2012中规定的金属粉末-振实密度测定方法获得的值。金属粉末的振实密度通常可以取约3.0g/cc至约6.0g/cc的值。
术语“豪斯纳比”是指金属粉末的振实密度(ρ振实)与表观密度(ρ堆积)之比(＝ρ振实/ρ堆积)。豪斯纳比小通常意味着颗粒间的相互作用弱且流动性高。相反，豪斯纳比大通常表示颗粒间的相互作用强且流动性差。金属粉末的豪斯纳比通常可以取约1.25以下的值。
[1.4.4.颗粒形状]
金属粉末的颗粒形状可为球形或不规则形状。通常，由球形颗粒构成的金属粉末表现出的流动性高于由不规则形状颗粒构成的金属粉末的流动性。
[1.5.用途]
根据本发明的金属粉末可以用于各种用途，特别适合作为增材制造用金属粉末。
使用根据本发明的金属粉末通过增材制造生产的制品的制成时的硬度主要取决于金属粉末的组成。在制成时的硬度太高的情况下，可能会出现裂纹。为了防止制造过程中的裂纹，制成时的硬度优选为58HRC以下。制成时的硬度更优选为55HRC以下。通过优化金属粉末的组成，可以通过增材制造获得具有这样的制成时的硬度的制品。
[2.制造金属粉末的方法]
在本发明中，对制造金属粉末的方法没有特别限制。制造金属粉末的方法的实例包括气体雾化法、水雾化法、等离子体雾化法、等离子体旋转电极法、离心力雾化法等。
例如，在通过使用气体雾化法制造金属粉末的情况下，在熔融金属从中间包(tundish)的底部下落的同时将高压气体吹到熔融金属上，从而粉碎并固化熔融金属。在这种情况下，使用诸如氮气、氩气或氦气之类的惰性气体作为高压气体。在通过使用气体雾化法制造金属粉末的情况下，会不可避免地混合杂质，例如P、S、Cu、Co、Ti、Zr和Nb。
此外，可以通过混合两种以上金属粉末并使用(例如)机械合金化法来制造金属粉末。
此外，在使用上述任意一种方法制造金属粉末后，还可以使用还原性热等离子体对金属粉末进行球形化处理。或者，为了改善金属粉末的流动性，在制造粉末后，可以用适量的纳米颗粒涂覆颗粒表面。金属粉末的粒径分布可以通过制造条件进行控制，也可以通过诸如湿式旋风分离器、干式旋风分离器、干式筛和超声筛之类的分级方法进行控制。
[3.通过增材制造生产制品的方法]
使用金属3D打印机的增材制造方法的实例包括粉末床熔融法、定向能量沉积法、粘合剂喷射法等。此外，可以在制造期间对增材制造的对象进行切割。根据本发明的金属粉末可以适用于上述任意方法。
例如，在作为粉末床熔融方法之一的选择性激光熔化法(SLM法)的情况下，可以通过以下步骤进行增材制造：
(a)基于由3D-CAD等生成的三维形状数据(例如，STL数据)以几十μm为单位创建切片数据，以及
(b)基于切片数据，用热源选择性地扫描和照射粉末床，以获得烧结层，并堆叠烧结层。
[4.效果]
钢中的Mn、Cr和Ni均具有降低Ms点的作用。因此，当相对减少C的量并且优化这些元素的含量以满足表达式(1)时，Ms点可以维持在适合于增材制造对象的轻度变形的范围内(约50℃至约280℃)，而不过度地提高制成时的硬度。
此外，当优化元素含量以满足表达式(2)时，可能会阻碍铁素体相的形成，这降低了耐热性。在表达式(2)中的元素中，Si、Cr和Ni特别地具有提高增材制造对象的耐热性的效果。因此，通过在满足表达式(2)的同时优化表达式(2)中的元素的含量，能够维持增材制造对象的耐热性。
实施例
(实施例1至24和比较例1至7)
[1.样品的制备]
[1.1.金属粉末的制备]
通过使用气体雾化法，制备31种具有表1和表2所示组成(余量为Fe)的钢粉。表1和表2中列出的钢粉除了作为余量的Fe之外，还可以包含表中未列出的上述规定量范围内的元素作为杂质。此外，表1和表2中的空格表明，Mn、Ni、Mo、V、S、Nb和W小于0.01质量％，并且Al小于0.002质量％。此外，比较例1对应于耐热马氏体钢(SUH11)，并且比较例2对应于耐热马氏体钢(SUH1)。
Figure BDA0003933866170000151
Figure BDA0003933866170000161
[1.2.增材制造对象的制备]
使用由Concept Laser制造的金属3D打印机M2通过增材制造制备用于测量Ms点和制成时的硬度的制品(15mm×15mm×15mm的立方体)。
此外，通过使用由Concept Laser制造的金属3D打印机M2进行增材制造，在条形基板(长20mm、宽150mm、高15mm)上形成制品(长18mm、宽30mm、高10mm的长方体)，以制备用于测量制造后的翘曲量的试样。
通过使用加热器将增材制造对象预热至Ms-30℃至Ms-80℃的温度进行增材制造。制造过程中的气氛为氮气气氛。
[2.试验方法]
[2.1.Ms点]
从处于制成状态的增材制造对象切出用于相变点测量的试件
Figure BDA0003933866170000171
将试件加热至1,000℃至1,300℃，然后以100℃/min的冷却速率冷却至20℃，并测量冷却过程中的温度变化和尺寸变化。
图1示出以预定的冷却速度冷却相变点测定用样品时的温度变化与尺寸变化之间的关系的实例。如图1所示，将热收缩变化为热膨胀的温度作为马氏体相变起始温度(Ms)。
[2.2.制成时的硬度]
从处于制成状态的增材制造对象的中心部分附近切出用于硬度测定的试件。测定所得的试件的洛氏硬度(JIS Z2245:2016)。
[2.3.制造后的变形以及有无裂纹]
图2A为用于测定翘曲量的试样的示意图。在完成增材制造后，从金属3D打印机M2取出具有增材制造对象的基板，并且将具有增材制造对象的基板放置在平板上。从水平方向拍摄制造对象整体的外观照片。通过对外观照片的图像分析来计算增材制造对象的曲率半径R和厚度t。然后，通过以下等式(3)计算制造后的变形。
制造后的变形(％)＝t×100/(2R+t)  (3)
图2B示出曲率半径R几乎为0的情况，图2C示出曲率半径R小于0的情况，以及图2D示出曲率半径R大于0的情况。
也可通过将基板放置在平板上，用激光位移计或触针型尺寸测量仪沿着制造对象的纵向方向以一定间隔测量与平板的距离，并将位移近似为圆，从而计算曲率半径R。
将测定了翘曲量的制造对象垂直于堆叠方向分成平行于平面的5个相等部分。将五个样品的截面抛光，然后用光学显微镜观察以确认有(A)无(B)裂纹。
[3.结果]
结果示于表3。图3示出变量A和Ms点之间的关系。图4示出制造后的Ms点和变形之间的关系。
[表3]
Ms点(℃) 制成时的硬度 裂纹 制造后的变形(％)
实施例1 233 44 A 0.06
实施例2 205 36 A 0.01
实施例3 217 47 A 0.09
实施例4 214 45 A 0.14
实施例5 209 50 A 0.15
实施例6 184 38 A 0.16
实施例7 224 52 A 0.09
实施例8 244 44 A -0.16
实施例9 239 46 A -0.10
实施例10 141 59 A 0.12
实施例11 207 50 A 0.10
实施例12 228 48 A 0.03
实施例13 153 47 A 0.25
实施例14 75 49 A -0.08
实施例15 192 58 A 0.14
实施例16 170 58 A 0.13
实施例17 147 55 A 0.06
实施例18 127 54 A 0.06
实施例19 222 36 A -0.06
实施例20 214 42 A 0.10
实施例21 221 45 A 0.09
实施例22 221 48 A 0.05
实施例23 186 52 A 0.20
实施例24 220 45 A 0.13
比较例1 179 无法制造 B -
比较例2 194 60 B 0.18
比较例3 308 36 A -0.52
比较例4 42 36 A -0.34
比较例5 135 35 A 0.05
比较例6 5 37 A -0.51
比较例7 284 59 B -0.35
表3、图3和图4表明了以下内容。
(1)在比较例1中，在增材制造对象中出现了大裂纹，因此无法制备制造对象。据认为这是因为C的量大，所以制成时的硬度非常高，因此在固化期间易于出现裂纹。
(2)在比较例2中，在增材制造对象中出现了裂纹。据认为这是因为C的量大，所以制成时的硬度高，因此在固化期间易于出现裂纹。
(3)在比较例3中，Ms点高于280℃。据认为这是因为Ni的量低，并且变量A的值小于10。此外，在比较例3中，制造后的变形的绝对值大于0.3％。据认为这是因为Ms点高，所以在加热温度为200℃的设备中，热源照射结束的同时马氏体相变也结束，因此不能有效地获得减少由相变膨胀所致的变形的效果。
(4)在比较例4中，Ms点低于50℃。据认为这是因为Ni的量过多，所以变量A大于20。此外，在比较例4中，制造后的变形的绝对值大于0.3％。据认为这是因为Ms点接近室温，所以在制造过程中没有进行马氏体相变，并且由于热收缩，使制造对象变形为向下凸出。
(5)在比较例5中，制造对象的组织为全相铁素体组织。据认为这是因为Cr的量过多，当量比(Creq/Nieq)大于5.6。
(6)在比较例6中，Ms点低于50℃。据认为这是因为Si的量和Mn的量过多，因此变量A大于20。此外，在比较例6中，制造后的变形的绝对值大于0.3％。据认为这是因为Ms点接近室温，所以在制造过程中没有进行马氏体相变，并且由于热收缩，使制造对象变形为向下凸出。
(7)在比较例7中，Ms点高于280℃。据认为这是因为Cr的量低，因此变量A的值小于10。此外，在比较例7中，制造后的变形的绝对值大于0.3％。据认为这是因为Ms点高，所以在加热温度为200℃的设备中，热源照射结束的同时马氏体相变也结束，因此不能有效地获得减少由相变膨胀所致的变形的效果。
此外，在比较例7中，在制造对象中出现了裂纹。据认为这是因为Ms点高于280℃，因此制成时的硬度高达59HRC。据认为这是因为在加热温度为200℃的设备中，热源照射结束的同时马氏体相变也结束，因此在固化期间易于出现裂纹。
(8)在所有的实施例1至24中，制造后的变形的绝对值都在0.3％以内，并且没有观察到裂纹。据认为这是因为优化了成分，所以变量A在规定的范围内，从而使Ms点在适当的范围内。
尽管上文对本发明的实施方案进行了详细说明，但本发明不限于上述实施方案，并且在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种修改。
本申请基于2021年11月10日提交的日本专利申请No.2021-183725和2022年5月30日提交的日本专利申请No.2022-087488，上述专利申请的内容通过引用并入本文。
工业适用性
根据本发明的金属粉末可以用作通过增材制造法制造需要进行冷却的模具(例如，压铸模具、热冲压模具、专用模压淬火模具)的粉末原料。

Claims (11)

1.一种金属粉末，包含：
0.001质量％≤C≤0.45质量％、
0.01质量％≤Si≤3.50质量％、
Mn≤2.0质量％、
7.5质量％≤Cr≤21.0质量％、
1.5质量％≤Ni≤7.0质量％、
Mo≤1.3质量％、
0.05质量％≤V≤2.0质量％、
Al≤0.015质量％以及
N≤0.20质量％，
余量为Fe和不可避免的杂质，
满足：
0.05质量％≤C+N≤0.58质量％，并且
满足以下表达式(1)和表达式(2)：
10＜15C+Mn+0.5Cr+Ni＜20(1)，以及
Creq/Nieq＜5.6 (2)
其中
Creq＝Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb，并且
Nieq＝Ni+30C+30N+0.5Mn。
2.根据权利要求1所述的金属粉末，还包含：
0.1质量％≤Nb≤1.0质量％。
3.根据权利要求1或2所述的金属粉末，还包含：
0.1质量％≤W≤1.5质量％。
4.根据权利要求1所述的金属粉末，还包含以下组分中的至少一者：
P≤0.03质量％，以及
S≤0.03质量％。
5.根据权利要求2所述的金属粉末，还包含以下组分中的至少一者：
P≤0.03质量％，以及
S≤0.03质量％。
6.根据权利要求3所述的金属粉末，还包含以下组分中的至少一者：
P≤0.03质量％，以及
S≤0.03质量％。
7.根据权利要求1、2和4中任一项所述的金属粉末，还满足以下表达式(2')：
Creq/Nieq＜2.5 (2')。
8.根据权利要求3所述的金属粉末，还满足以下表达式(2')：
Creq/Nieq＜2.5 (2')。
9.根据权利要求5所述的金属粉末，还满足以下表达式(2')：
Creq/Nieq＜2.5 (2')。
10.根据权利要求6所述的金属粉末，还满足以下表达式(2')：
Creq/Nieq＜2.5 (2')。
11.根据权利要求1、2、4、5和9中任一项所述的金属粉末，其用于增材制造。
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