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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Formgebungstechnik für ein anisotropes Verbundmaterial und ein geformtes Produkt, zum Beispiel ein Formwerkzeug, unter Verwendung des anisotropen Verbundmaterials.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Ein Beispiel für eine Laminationsformgebungstechnik ist die Laser-Laminationsformgebung (Laser-Metallabscheidung; gelegentlich als LMD bezeichnet).
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JP 2016-211062 A betrifft die Laser-Laminationsformgebung.
JP 2016-211062 A beschreibt eine Technik zur Herstellung eines Verbundmaterials, bei dem eine Cu-Phase und eine Fe-Legierungsphase vermischt werden, wobei die Formgebungsreihenfolge eines Laminatprodukts gesteuert wird. Beim vorstehend beschriebenen LMD-Verfahren befindet sich dann, wenn ein Gemisch aus einem Cu-Pulver und einem Fe-Legierungspulver als Pulvermetallmaterial verwendet wird, das geformte Produkt in einem Zustand, bei dem unabhängige Phasen im Innern von Cu bzw. der Fe-Legierung gebildet und vermischt werden. Sofern der Anteil des Cu-Pulvers einem bestimmten Wert im Mischungsverhältnis des Pulvermetallmaterials entspricht oder diesen Wert übersteigt, kann im Innern des geformten Produkts eine Gestalt auftreten, bei der eine von der Cu-Phase umgebene Fe-Legierungsphase in einem verstreuten Zustand vorliegt. Ferner kann dann, wenn der Anteil des Cu-Pulvers einem bestimmten Wert entspricht oder geringer als dieser Wert ist, eine solche Gestalt vorliegen, dass die von der Fe-Legierungsphase umgebene Cu-Phase in einem gestreuten Zustand vorliegt. In einem derartigen geformten Produkt haben sowohl die Festigkeit als auch die Wärmeleitfähigkeit durchschnittliche Werte.
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JP 2016-211062 A enthält keine Ausführungen darüber, wie man zu erwünschten Werten von Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit gelangt, indem man für eine Anisotropie der Festigkeit und der Wärmeleitfähigkeit sorgt.
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Zusammenfassende Darstellung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundmaterial, bei dem eine Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit erreicht wird, indem man die Gestalt einer Cu-Phase, die in einer Fe-Legierungsphase verstreut ist, in einem geformten Produkt steuert.
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Ferner wird erfindungsgemäß ein Formwerkzeug bereitgestellt, das eine verbesserte Genauigkeit und eine hohe Qualität in Bezug auf Gestalt, Festigkeit und dergleichen aufweist.
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Gemäß einem Aspekt bezüglich eines Verfahrens zur Formung eines anisotropen Verbundmaterials wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Formung eines Verbundmaterials durch Laser-Metallabscheidung bereitgestellt, bei dem ein Pulvermetallmaterial mit einem Laser-Strahl bestrahlt wird, während das Pulvermetallmaterial auf die Oberfläche eines Grundmaterials aufgebracht wird, wobei es sich beim Pulvermetallmaterial um ein Mischpulver aus einem Fe-Legierungspulver und einem Cu-Pulver handelt, wobei das Mischungsverhältnis des Fe-Legierungspulvers und des Cu-Pulvers 15% oder mehr und 30% oder weniger, angegeben als gewichtsprozentualer Anteil des Cu-Pulvers, beträgt, und wobei das Verbundmaterial mit einer anisotropen Beschaffenheit geformt wird, indem man die Energie des Laser-Strahls auf 9 KJ/g oder mehr und 10 KJ/g oder weniger beim angegebenen Pulvermischungsverhältnis einstellt.
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Gemäß einer typischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein geformtes Produkt mit einer erwünschten Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit zu bilden, indem man die Gestalt der von einer Fe-Legierungsphase umgebenen Cu-Phase steuert.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Querschnittansicht zur Darstellung des Aufbaus eines Verbundmaterials gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 ist eine Querschnittansicht zur Darstellung des Aufbaus eines Verbundmaterials gemäß einem Vergleichsbeispiel.
- 3 erläutert das LMD-Prinzip.
- 4 ist eine Querschnittansicht zur Darstellung des Aufbaus eines Verbundmaterials gemäß einem Vergleichsbeispiel.
- 5 ist eine Querschnittansicht zur Darstellung des Aufbaus eines Verbundmaterials gemäß einem Vergleichsbeispiel.
- 6A zeigt in schematischer Weise ein durch LMD geformtes Laminatprodukt.
- 6B zeigt in schematischer Weise ein durch LMD geformtes Laminatprodukt.
- 7 ist eine Querschnittansicht eines Verbundmaterials gemäß einer zweiten Ausführungsform.
- 8 ist eine Querschnittansicht eines Verbundmaterials gemäß einer dritten Ausführungsform.
- 9 ist eine Querschnittansicht zur Darstellung eines Beispiels für ein Formwerkzeug gemäß einer vierten Ausführungsform.
- 10 ist eine Querschnittansicht eines mit dem Formwerkzeug gemäß der vierten Ausführungsform geformten Produkts.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Nachstehend werden erfindungsgemäße Ausführungsformen ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Ferner sind in den Zeichnungen zur Erläuterung der Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine redundante Beschreibung verzichtet wird.
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Zunächst werden Probleme bei der Laminationsformgebung eines Verbundmaterials aus Cu und Fe ohne anisotrope Beschaffenheit unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 erläutert.
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Problem (1) - Verringerung der Wärmeleitung
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In 2, die ein Vergleichsbeispiel in Bezug zur ersten Ausführungsform darstellt, sind die Gestalt des Querschnitts des Verbundmaterials A und die Positionsbeziehung des Laminatprodukts zum Zeitpunkt der Durchführung der Laminationsformgebung durch LMD gezeigt. Die in der Beschreibung angegebenen Richtungen umfassen die X-Richtung, die Y-Richtung und die Z-Richtung. Die X-Richtung und die Y-Richtung stellen zwei zueinander senkrecht angeordnete Richtungen dar, die eine horizontale Ebene bilden. Die Z-Richtung verläuft vertikal hierzu.
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2 ist eine Querschnittansicht des geformten Produkts, wobei der Schnitt entlang einer Ebene verläuft, die die X-Richtung und die Z-Richtung einschließt. 2 erläutert einen Zustand, bei dem der Anteil an Cu kleiner (15 Gew.-% oder weniger) als bei der ersten Ausführungsform ist. Das Verbundmaterial A zeigt einen Aufbau mit einer Fe-Legierungsphase 1 und einer Cu-Phase 2.
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3 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Verfahrens zur Formung des in 2 dargestellten Verbundmaterials. Bei der Aufbauformgebung wird das Grundmaterial 3 mit dem Laser-Strahl 5 in der Z-Richtung bestrahlt. Ein Laminatprodukt wird durch Vermischen und Zuführen des Fe-Legierungspulvers 12 und des Cu-Pulvers 13 geformt.
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Wie in 2 dargestellt, ist dann, wenn der Anteil des Cu-Pulvers 13 kleiner als der des Fe-Legierungspulvers 12 ist, die Cu-Phase 2 von der Fe-Legierungsphase 1, die eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die Cu-Phase 2 aufweist, umgeben, und die Cu-Phase 2 ist kreisförmig ausgebildet. Deshalb ist die Wärmeleitfähigkeit des geformten Produkts A geringer als der Durchschnittswert der Fe-Legierungsphase 1 und der Cu-Phase 2.
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Problem (2) - Verringerung der Festigkeit
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Die 4 und 5, die ein Vergleichsbeispiel in Bezug zur ersten Ausführungsform darstellen, zeigen die Gestalt des Querschnitts des Verbundmaterials A und die Positionsbeziehung des Laminatprodukts zum Zeitpunkt der Durchführung der Laminationsformgebung durch LMD. Die in der Beschreibung angegebenen Richtungen umfassen die X-Richtung, die Y-Richtung und die Z-Richtung. Die X-Richtung und die Y-Richtung stellen zwei zueinander senkrecht verlaufende Richtungen dar, die eine horizontale Ebene bilden. Die Z-Richtung verläuft vertikal hierzu.
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Die 4 und 5 sind Querschnittsansichten entlang einer Ebene, die die X-Richtung und die Z-Richtung, bezogen auf das geformte Produkt, einschließen. Die 4 und 5 erläutern einen Zustand, bei dem der Anteil an Cu größer (35 Gew.-% oder mehr) als bei der ersten Ausführungsform ist. Ein Verbundmaterial A weist eine Fe-Legierungsphase 1 und eine Cu-Phase 2 auf.
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Gemäß Darstellung in den 4 und 5 ist dann, wenn der Anteil des Cu-Pulvers 13 größer als der des Fe-Legierungspulvers 12 ist, die Fe-Legierungsphase 1 von der Cu-Phase 2, die eine geringere Zugfestigkeit aufweist, umgeben. Daher ist die Zugfestigkeit des geformten Produkts A geringer als der Durchschnittswert für die Fe-Legierungsphase 1 und die Cu-Phase 2.
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Erste Ausführungsform
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Nachstehend wird das LMD-Verfahren unter Bezugnahme auf die 3, 6A und 6B beschrieben.
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3 zeigt in schematischer Weise das Prinzip eines Verfahrens zur Formung eines Laminatprodukts durch LMD. Die 6A und 6B stellen in schematischer Weise ein durch LMD geformtes Laminatprodukt dar.
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Das LMD-Verfahren wird gelegentlich als Laser-Metallabscheidungsverfahren, Laser-Pulveraufbauverfahren oder dergleichen bezeichnet. Gemäß Darstellung in 3 wird beim LMD-Verfahren die Oberfläche des Grundmaterials 3 mit einem Laser-Kopf 4 abgetastet. Dabei führt der Laser-Kopf 4 eine Bestrahlung mit dem Laser-Strahl 5 durch, während eine Substanz aus einem Fe-Legierungspulver 12, einem Cu-Pulver 13, einem Gas und dergleichen, die als Pulvermetallmaterialien vorliegen (gelegentlich als Pulvermetall und dergleichen bezeichnet), zugeführt wird. An der Stelle, an der die Bestrahlung mit dem Laser-Strahl 5 erfolgt, werden das Grundmaterial 3, das Pulvermetall oder dergleichen unter Bildung einer Schmelze 6 geschmolzen.
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Gemäß Darstellung in 6A werden durch Erstarren der Schmelze 6 Kügelchen 8 gebildet. Durch Wiederholung dieses Vorgangs für jede Schicht sammeln sich die Kügelchen 8 auf der Oberfläche des Grundmaterials 3 an und dabei wird durch Laminationsformgebung eine Struktur gebildet, d.h., das in 6B dargestellte Laminatprodukt.
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Nachstehend w3rden unter Bezugnahme auf die 1 und 3 eine Laminationsformgebungsvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben. Beim Verbundmaterial gemäß der ersten Ausführungsform handelt es sich um ein Produkt, das aus einer Fe-Legierungsphase, einer Cu-Phase und einem Grundmaterial aufgebaut ist. Es handelt sich um ein Verbundmaterial mit einer anisotropen Gestalt, wobei die Cu-Phase 2 von der Fe-Legierungsphase 1 umgeben ist und der Anteil der Cu-Phase 2 in senkrechter Richtung zur Grenzfläche des Grundmaterials 3 und der Fe-Legierungsphase 1 groß ist.
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Das Verbundmaterial von 1 wird durch das in 3 dargestellte LMD-Verfahren hergestellt.
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Bei den in den 2, 4 und 5 dargestellten Verbundmaterialien der Vergleichsbeispiele wird bei der Formgebung die Cu-Phase 2 um die Fe-Legierungsphase 1 herum ohne Erzielung einer Anisotropie angeordnet, so dass eine Verringerung der Wärmeleitfähigkeit auftreten kann. Wenn die Fe-Legierungsphase 1 um die Cu-Phase 2 herum gebildet wird, kann die Zugfestigkeit abnehmen.
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Dagegen ergibt sich bei dem in 1 dargestellten Verbundmaterial eine Gestalt der von der Fe-Legierungsphase 1 umgebenen Cu-Phase 2 mit anisotroper Beschaffenheit, wobei der Anteil der Cu-Phase 2 in Z-Richtung hoch ist, so dass sich die Wärmeleitfähigkeit zwischen der X-Richtung und der Z-Richtung unterscheidet und somit die Wärmeleitfähigkeit in der Z-Richtung verbessert werden kann.
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1 ist eine Querschnittansicht des Verbundmaterials gemäß der ersten Ausführungsform, wobei ein Zustand dargestellt ist, bei dem das Verbundmaterial entlang einer Ebene, die die X-Richtung und die Z-Richtung einschließt, geschnitten ist. In 1 sind eine Fe-Legierungsphase 1, eine Cu-Phase 2 und ein Grundmaterial 3, die ein zu modellierendes Verbundmaterial A bilden, dargestellt. Die Cu-Phase 2 ist von der Fe-Legierungsphase 1 umgeben und weist in der Z-Richtung eine große Abmessung auf. Die Cu-Phase 2 weist eine Größe von 1 bis 100 µm auf.
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Die Fe-Legierungsphase 1 ist eines der Materialien zur Bildung des Formwerkzeugs, und das Grundmaterial 3 wird mit einem Laser-Strahl geschmolzen. Ferner werden die Fe-Legierungsphase 1 und die Cu-Phase 2 gebildet, indem man das Fe-Legierungspulver 12 und das Cu-Pulver 13 vermischt und zuführt, wenn das Grundmaterial 3 mit dem Laser-Strahl geschmolzen wird.
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Dabei wird durch Vermischen des Fe-Legierungspulvers 12 und des Cu-Pulvers 13 im Mischungsverhältnis des Fe-Legierungspulvers 12 und des Cu-Pulvers 13 im Bereich von 15 bis 30 Gew.-% Cu-Pulver 13 die Gestalt der Cu-Phase 2 in Z-Richtung größer als in X-Richtung.
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Um zu ermöglichen, dass die Gestalt der Cu-Phase 2 in Z-Richtung größer als in X-Richtung wird, d.h. um ein anisotropes Verbundmaterial zu erhalten, wird, abgesehen vom Vermischen des Fe-Legierungspulvers 12 und des Cu-Pulvers 13 im Mischungsverhältnis des Fe-Legierungspulvers 12 und des Cu-Pulvers 13 im Bereich von 15 Gew.-% oder mehr und von 30 Gew.-% oder weniger (15 bis 30%) des Cu-Pulvers 13, die Energie des Laser-Strahls auf 9 KJ/g oder mehr und auf 10 KJ/g oder weniger (9 bis 10 KJ/g) bei dem gegebenen Mischungsverhältnis des Pulvers eingestellt. KJ bedeutet Kilojoule. Die anisotrope Beschaffenheit wird durch Schmelzen des Mischpulvers aus dem Fe-Legierungspulver 12 und dem Cu-Pulver 13 erhalten.
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Somit können bei der ersten Ausführungsform durch Einstellen der Leistung des Laser-Strahls auf 1800 W oder mehr und 2000 W oder weniger und durch Zufuhr des Mischpulvers aus dem Fe-Legierungspulver 12 und dem Cu-Pulver 13 mit 0,2 g/sec (12 g/min oder mehr und 13 g/min oder weniger) die zugeführten Mengen des Fe-Legierungspulvers 12 und des Cu-Pulvers 13 gleichzeitig für den Fall geschmolzen werden, dass der Laser-Strahl 5 das Grundmaterial 3 schmilzt. Der Grund hierfür ist, dass die Gestalt der Cu-Phase in der Z-Richtung mindestens die 3-fache Länge im Vergleich zur X-Richtung aufweist und die Wärmeleitfähigkeit in der Z-Richtung größer als die Wärmeleitfähigkeit in der X-Richtung ist.
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Die Leistung des Laser-Strahls wird auf 9 bis 10 KJ/g bei einem gegebenen Mischungsverhältnis des Pulvers eingestellt, um ein geformtes Produkt durch Schmelzen des Mischpulvers zu bilden, und die Leistung wird auf 50 J/mm2 eingestellt, um das Grundmaterial und das geschmolzene Produkt zu verbinden.
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Die Abtastgeschwindigkeit des Lasers wird auf 1000 mm/min eingestellt, um die Energie zum Verbinden des Grundmaterials und des geschmolzenen Produkts auf 50 J/mm2 einzustellen.
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Wie vorstehend ausgeführt, ist es bei der ersten Ausführungsform durch Einstellen des Mischungsverhältnisses des Fe-Legierungspulvers 12 und des Cu-Pulvers 13 auf 15 bis 30 Gew.-% des Cu-Pulvers 13 und durch Einstellen der Energie des Laser-Strahls auf 9 bis 10 KJ/g beim gegebenen Pulvermischungsverhältnis möglich, ein Verbundmaterial mit der in 1 dargestellten Anisotropie zu formen.
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Ferner ist es beim geformten Verbundmaterial möglich, ein geformtes Produkt mit der erforderlichen Festigkeit und der angestrebten Wärmeleitfähigkeit zu bilden, indem man das Mischungsverhältnis des Fe-Legierungspulvers 12 und des Cu-Pulvers 13 in einem vorgegebenen Bereich von 15 bis 30 Gew.-% des Cu-Pulvers 13 verändert.
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Zweite Ausführungsform
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Nachstehend werden ein Verbundmaterial und ein Formgebungsverfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
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7 ist eine Querschnittansicht des Verbundmaterials gemäß der zweiten Ausführungsform. 7 zeigt einen Zustand, bei dem das Verbundmaterial entlang einer Ebene, die die X-Richtung und die Z-Richtung einschließt, geschnitten ist. In 7 sind eine Fe-Legierungsphase 1 und eine Cu-Phase 2, die das zu formende Verbundmaterial A (auch als geformtes Produkt bezeichnet) darstellen, gezeigt. Die Cu-Phase 2 ist von der Fe-Legierungsphase 1 umgeben und ist so geformt, dass sie in Z-Richtung eine große Abmessung aufweist.
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Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform bleibt möglicherweise das Grundmaterial 3 für die Formgebung der Fe-Legierungsphase 1 und der Cu-Phase 2 nicht erhalten.
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Dritte Ausführungsform
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Nachstehend werden unter Bezugnahme auf 8 eine Laminationsformgebungsvorrichtung und ein Verfahren gemäß der dritten Ausführungsform beschrieben.
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8 ist eine Querschnittansicht des Verbundmaterials gemäß der dritten Ausführungsform, wobei ein Zustand dargestellt ist, bei dem das Verbundmaterial in einer Ebene, die die X-Richtung und die Z-Richtung einschließt, geschnitten ist. In 8 sind eine Fe-Legierungsphase 1, eine Cu-Phase 2, ein Grundmaterial 3 und eine Oberflächenphase 10, die die Oberfläche bildet, eines zu formenden Verbundmaterials A dargestellt. Die Cu-Phase 2 ist von der Fe-Legierungsphase 1 umgeben und weist große Abmessungen in der Z-Richtung auf.
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Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform stehen die Fe-Legierungsphase 1 und die Cu-Phase 2 in Kontakt mit der Oberflächenphase 10, die sich gegenüber der Kontaktoberfläche mit dem Grundmaterial 3 befindet. Die Oberflächenphase 10 kann auf der Oberfläche der Fe-Legierungsphase 1 geformt werden oder sie kann mit der Fe-Legierungsphase 1 verbunden werden.
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Vierte Ausführungsform
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Nachstehend wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 9 und 10 beschrieben.
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9 zeigt einen Querschnitt eines Formwerkzeugs aus einem geformten anisotropen Verbundmaterial A gemäß der vierten Ausführungsform. Das Verbundmaterial A ist auf einer oberen Schicht eines Grundmaterials 3 ausgebildet. Im Verbundmaterial A ist eine Cu-Phase 2 von einer Fe-Legierungsphase 1 umgeben und weist eine solche Gestalt auf, dass sie große Abmessungen in der Z-Richtung zeigt. Demzufolge weist die Fe-Legierungsphase 1 eine hohe Wärmeleitfähigkeit in der Z-Richtung auf, bei der es sich um die vertikale Richtung handelt, und somit kann die Fe-Legierungsphase 1 eine hohe Festigkeit in der Z-Richtung zeigen. Ein Formwerkzeug 19 kann somit Eigenschaften, wie eine hohe Wärmeableitung und eine hohe Festigkeit, aufweisen.
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10 zeigt ein geformtes Produkt 11, das mit der in 9 dargestellten Form hergestellt worden ist. Das in 10 dargestellte geformte Produkt kann in kurzer Zeit mit dem Formwerkzeug, das eine ausreichende Festigkeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, hergestellt werden.
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Wie vorstehend ausgeführt, ist es bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen möglich, ein geformtes Produkt aus einem Verbundmaterial mit angestrebten Werten in Bezug auf Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit zu bilden, indem man die Gestalt einer Cu-Phase, die von einer Fe-Legierungsphase umgeben ist, steuert.
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Ferner ist es möglich, ein Formwerkzeug mit ausreichender Festigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit herzustellen, indem man das Verbundmaterial gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2016211062 A [0003, 0004]
