JP2016102229A - 造形用金属粉末 - Google Patents
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Abstract
【課題】諸性能に優れた造形用金属粉末の提供。【解決手段】造形用金属粉末は、多数の粒子の集合である。それぞれの粒子は、Ｎｉ、Ｆｅ又はＣｏを含んでいる。Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏの合計含有率は、５０質量％以上である。この粉末において、円形度が０．８０未満である粒子の数の、粒子の総数に対する比率Ｐ１は、１０％以下である。この粉末において、円形度が０．９５以上である粒子の数の、粒子の総数に対する比率Ｐ３は、５０％以上である。この粉末の、かさ密度ｄ１と充填密度ｄ２との比（ｄ１／ｄ２）は、０．８０以上である。下記数式によって算出される値Ｙは、０．８０以上１．２０以下である。Ｙ ＝ （Ｄ１０ × Ｄ９０） ／（Ｄ５０）２この数式において、Ｄ１０は累積１０体積％粒子径であり、Ｄ５０は累積５０体積％粒子径であり、Ｄ９０は累積９０体積％粒子径である。
Description
本発明は、三次元積層造形法、レーザーコーティング法、溶射法、肉盛法等に用いられる造形用金属粉末に関する。
金属からなる造形物の製作に、３Ｄプリンターが使用されている。この３Ｄプリンターでは、積層造形法によって造形物が製作される。積層造形法では、敷き詰められた金属粉末に、レーザービーム又は電子ビームが照射される。照射により、金属が溶融する。金属はその後、凝固する。この溶融と凝固とにより、粉末中の粒子同士が結合する。照射は、金属粉末の一部に、選択的になされる。粉末の、照射がなされなかった部分は、溶融しない。照射がなされた部分のみにおいて、結合層が形成される。ノズルから噴射されて進行している金属粉末に、ビームが照射されて、結合層が得られてもよい。
結合層の上に、さらに金属粉末が敷き詰められる。この金属粉末に、レーザービーム又は電子ビームが照射される。照射により、金属が溶融する。金属はその後、凝固する。この溶融と凝固とにより、粉末中の粒子同士が結合され、新たな結合層が形成される。新たな結合層は、既存の結合層とも結合される。
照射による結合が繰り返されることにより、結合層の集合体が徐々に成長する。この成長により、三次元形状を有する造形物が得られる。積層造形法により、複雑な形状の造形物が、容易に得られる。
金属被覆層の形成に、レーザーコーティング法が用いられている。レーザーコーティング法では、下地の上に敷き詰められた金属粉末に、レーザービームが照射される。照射により、金属が溶融する。金属はその後、凝固する。この溶融と凝固とにより、粉末中の粒子同士が結合する。粒子は、下地とも結合する。結合により、被覆層が形成される。ノズルから噴射されて進行している金属粉末に、ビームが照射されてもよい。溶射法又は肉盛法により、金属被覆層が形成されてもよい。
積層造形法、レーザーコーティング法、溶射法、肉盛法等に使用される金属粉末は、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法等によって製作される。この金属粉末の性状は、取り扱い性に影響を与える。金属粉末の性状はさらに、三次元造形物及び被覆層の物性に影響を与える。
特開２００１−１５２２０４には、積層造形法によって得られた造形物に、この造形物の融点よりも低い融点を有する金属が含浸させられた金属製品が開示されている。含浸は、金属製品の密度を高める。
特開２００６−３２１７１１公報には、算術平均円形度が０．７以上である金属粉末が開示されている。この粉末では、粒子の表面が凝集防止粒子で覆われている。この粉末では、凝集が生じにくい。この粉末は、取り扱い性に優れる。この粉末から得られた造形物の密度は、大きい。この造形物は、強度に優れる。
特開２０１１−２１２１８公報には、レーザー吸収剤を含む粉末が開示されている。この粉末から得られた造形物は、強度に優れる。
三次元積層造形法及びレーザーコーティング法が急速に普及しつつある近年、粉末に対する要求性能は、益々高まっている。本発明の目的は、諸性能に優れた造形用金属粉末の提供にある。
本発明に係る造形用金属粉末は、多数の粒子からなる。これらの粉末は、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏのうちの少なくとも１種以上を含む。これらの粒子において、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏの合計含有率は、５０質量％以上である。この粉末では、円形度が０．８０未満である粒子の数の、粒子の総数に対する比率Ｐ１は、１０％以下である。この粉末では、円形度が０．９５以上である粒子の数の、粒子の総数に対する比率Ｐ３は、５０％以上である。
好ましくは、比率Ｐ３は、８０％以上である。
好ましくは、この粉末のかさ密度ｄ１と、この粉末の充填密度ｄ２との比（ｄ１／ｄ２）は、０．８０以上である。
この粉末では、下記数式によって算出される値Ｙは、０．８０以上１．２０以下である。
Ｙ ＝ （Ｄ１０ × Ｄ９０） ／ （Ｄ５０）１／２
上記数式において、Ｄ１０は累積１０体積％粒子径であり、Ｄ５０は累積５０体積％粒子径であり、Ｄ９０は累積９０体積％粒子径である。好ましくは、粒子径Ｄ１０は、１μｍ以上である。
Ｙ ＝ （Ｄ１０ × Ｄ９０） ／ （Ｄ５０）１／２
上記数式において、Ｄ１０は累積１０体積％粒子径であり、Ｄ５０は累積５０体積％粒子径であり、Ｄ９０は累積９０体積％粒子径である。好ましくは、粒子径Ｄ１０は、１μｍ以上である。
本発明に係る造形用金属粉末は、円形度が大きな粒子を多数含む。この粉末は、取り扱い性に優れる。この粉末から得られた造形物は、高強度である。この粉末から得られた被覆層は、耐摩耗性に優れる。
本発明に係る造形用金属粉末は、多数の粒子の集合である。この粉末から、積層造形法により、造形物が得られうる。この粉末から、レーザーコーティング法により、被覆層が得られうる。この粉末は、溶射法及び肉盛法にも適している。
それぞれの粒子は、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏのうちの少なくとも１種を含んでいる。粒子が、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏのうちのいずれか１つのみを含んでもよい。粒子が、Ｎｉ及びＦｅを含んでもよい。粒子が、Ｆｅ及びＣｏを含んでもよい。粒子が、Ｃｏ及びＮｉを含んでもよい。粒子が、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏを含んでもよい。粒子の好ましい材質として、Ｆｅ基合金（ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ６３０等）、Ｎｉ基合金（ＡＬＬＯＹＣ２７６相当、ＡＬＬＯＹ７１８相当等）、Ｃｏ基合金（ステライトＮｏ．６相当、ステライトＮｏ．２０相当等）が例示される。
この粒子におけるＮｉ、Ｆｅ及びＣｏの合計含有率は、５０質量％以上である。この粉末は、高強度、高耐摩耗性又は耐食性が求められる用途に適している。合計含有率が１００質量％であってもよい。
粒子が、他の元素を含んでもよい。他の元素として、Ｓ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｂ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｂ、Ｐ、Ｂｉ、Ｎ及びＣが例示される。
本発明では、比率Ｐ１、Ｐ２及びＰ３は、下記の通り定義される。
Ｐ１：円形度が０．８０未満である粒子の数の、粒子の総数に対する比率
Ｐ２：円形度が０．８０以上０．９５未満である粒子の数の、粒子の総数に対する比率
Ｐ３：円形度が０．９５以上である粒子の数の、粒子の総数に対する比率
Ｐ１：円形度が０．８０未満である粒子の数の、粒子の総数に対する比率
Ｐ２：円形度が０．８０以上０．９５未満である粒子の数の、粒子の総数に対する比率
Ｐ３：円形度が０．９５以上である粒子の数の、粒子の総数に対する比率
円形度Ｒｏは、下記数式によって算出される。
Ｒｏ ＝ ４πＳ／Ｌ２
この数式において、Ｓは粒子又はその断面の投影面積であり、Ｌはこの投影像の輪廓長である。投影面積Ｓ及び輪廓長Ｌの測定には、例えば画像解析装置が用いられる。
Ｒｏ ＝ ４πＳ／Ｌ２
この数式において、Ｓは粒子又はその断面の投影面積であり、Ｌはこの投影像の輪廓長である。投影面積Ｓ及び輪廓長Ｌの測定には、例えば画像解析装置が用いられる。
本発明に係る粉末では、比率Ｐ１は１０％以下である。換言すれば、比率Ｐ２と比率Ｐ３との合計は、９０％を超える。さらに、この粉末では、比率Ｐ３は５０％以上である。この粉末の流動性及び充填性は高い。この粉末が、積層造形法又はレーザーコーティング法に供されるとき、円滑にかつ密に、敷き詰められ得る。この粉末は、取り扱い性に優れる。粉末が密に敷き詰められるので、この粉末から得られた造形物及び被覆層は、強度に優れる。
取り扱い性及び強度の観点から、比率Ｐ１は７％以下がより好ましく、４％以下が特に好ましい。理想的には、比率Ｐ１はゼロである。
取り扱い性及び強度の観点から、比率Ｐ３は７０％以上がより好ましく、８０％以上が特に好ましい。理想的には、比率Ｐ３は１００％である。
この粉末は密に敷き詰められるので、特開２００１−１５２２０４に開示された、造形物への低融点金属の含浸は、不要である。この粉末から得られた造形物が高温環境下で使用されても、低融点金属の溶融は生じない。この造形物は、高温環境下での使用に適している。もちろん、造形物に低融点金属が含浸されてもよい。
この粉末は流動性に優れるので、特開２００６−３２１７１１公報に開示された凝集防止粒子は不要である。凝集防止粒子を含まない粉末では、この凝集防止粒子が粒子同士の結合を阻害しない。従って、この粉末から得られた造形物及び被覆層は、強度に優れる。もちろん、この粉末が凝集防止粒子を含んでもよい。
この粉末から得られた造形物及び被覆層は強度に優れるので、特開２０１１−２１２１８公報に開示されたレーザー吸収剤の、この粉末への混合は、不要である。従って、レーザー吸収剤に起因する欠陥は生じない。もちろん、この粉末にレーザー吸収剤が混合されてもよい。
前述の通り、この粉末は、流動性及び充填性に優れる。この粉末は、容器等に密に充填されうる。好ましくは、この粉末のかさ密度ｄ１と充填密度ｄ２との比（ｄ１／ｄ２）は、０．８０以上である。この粉末は、溶融時の体積収縮が小さい。この粉末から得られた造形物では、空孔が少ない。この粉末から、強度に優れた造形物及び被覆層が得られうる。この観点から、比（ｄ１／ｄ２）は０．８５以上がより好ましく、０．９０以上が特に好ましい。理想的には、比（ｄ１／ｄ２）は、１．００である。円形度の調整及び粒度分布の調整により、大きな比（ｄ１／ｄ２）を有する粉末が得られうる。
かさ密度ｄ１は、「ＪＩＳ Ｚ ２５０４」の規定に準拠して測定される。充填密度ｄ２は、「ＪＩＳ Ｚ ２５１２」の規定に準拠して測定される。
好ましくは、この粉末では、下記数式によって算出される値Ｙは、０．８０以上１．２０以下である。
Ｙ ＝ （Ｄ１０ × Ｄ９０） ／ Ｄ５０１／２
この数式において、Ｄ１０は累積１０体積％粒子径であり、Ｄ５０は累積５０体積％粒子径であり、Ｄ９０は累積９０体積％粒子径である。
Ｙ ＝ （Ｄ１０ × Ｄ９０） ／ Ｄ５０１／２
この数式において、Ｄ１０は累積１０体積％粒子径であり、Ｄ５０は累積５０体積％粒子径であり、Ｄ９０は累積９０体積％粒子径である。
粒子径Ｄ１０、Ｄ５０及びＤ９０の測定では、粉末の全体積が１００％とされて、累積カーブが求められる。このカーブ上の、累積体積が１０％である点の粒子径が、Ｄ１０である。このカーブ上の、累積体積が５０％である点の粒子径が、Ｄ５０である。このカーブ上の、累積体積が９０％である点の粒子径が、Ｄ９０である。粒子径Ｄ１０、Ｄ５０及びＤ９０は、レーザー回折散乱法によって測定される。この測定に適した装置として、日機装社のレーザー回折・散乱式粒子径分布測定装置「マイクロトラックＭＴ３０００」が挙げられる。この装置のセル内に、粉末が純水と共に流し込まれ、粒子の光散乱情報に基づいて、粒子径が検出される。１０回の測定がなされ、平均値が算出される。
値Ｙが０．８０以上１．２０以下である粉末は、粒度分布が対数正規分布に近い。この粉末は、流動性及び充填性に優れる。この粉末は、溶融時の体積収縮が小さい。この粉末から得られた造形物では、空孔が少ない。この粉末から、強度に優れた造形物及び被覆層が得られうる。強度の観点から、値Ｙは０．８５以上がより好ましく、０．９０以上が特に好ましい。強度の観点から、値Ｙは１．１５以下がより好ましく、１．１０以下が特に好ましい。
粒子がサテライトになりにくいとの観点から、粒子径Ｄ１０は５μｍ以上が好ましく、１０μｍ以上が特に好ましい。
造形物及び被覆層への汎用性の観点から、粒子径Ｄ５０は１５μｍ以上５０μｍ以下が好ましく、２０μｍ以上３０ｍ以下が特に好ましい。
この粉末は、種々の方法で製造されうる。製造方法の具体例として、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法、プラズマアトマイズ法、回転電極法、ディスクアトマイズ法、メルトスピニング法、機械的粉砕法及び化学的還元法が挙げられる。複数の製造方法が組み合わされてもよい。例えば、水アトマイズ法で得られた粒子が機械的に粉砕されてもよい。好ましい製造方法として、水アトマイズ法及びガスアトマイズ法が例示される。
水アトマイズ法では、例えば底部に細孔を有する坩堝の中に、原料が投入される。この原料が、大気、アルゴンガス又は窒素ガスの雰囲気中で、高周波誘導炉によって加熱され、溶融する。細孔から流出する原料に、水が噴射される。原料は急冷されて凝固し、粉末が得られる。
ガスアトマイズ法では、例えば底部に細孔を有する坩堝の中に、原料が投入される。この原料が、大気、アルゴンガス又は窒素ガスの雰囲気中で、高周波誘導炉によって加熱され、溶融する。細孔から流出する原料に、ヘリウムガス、アルゴンガス又は窒素ガスが噴射される。原料は急冷されて凝固し、粉末が得られる。
アトマイズの条件が調整されることにより、円形度が高い粒子を多く含む粉末が得られる。アトマイズによって得られた粉末から、円形度が高い粒子が選択されてもよい。選択の方法の一例として、メッシュによる篩い分けが挙げられる。選択の他の手段として、画像解析法が挙げられる。画像解析法では、解析装置によって粒子の円形度が測定される。この円形度が所定範囲内である粒子が、自動的に選択される。
以下、実施例によって本発明の効果が明らかにされるが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるべきではない。
［合金の準備］
下記の表１に示された成分を有する合金を、準備した。
下記の表１に示された成分を有する合金を、準備した。
［実験Ｉ 三次元積層造形法］
［造形物の製作］
表１に示された合金から、表２及び３に示された、実施例１−３５及び比較例１−１０の造形用金属粉末を得た。各粉末は、多数の粒子に、篩いによる分級が施されることで得られた。この粒子は、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法又はディスクアトマイズ法により得られた。
［造形物の製作］
表１に示された合金から、表２及び３に示された、実施例１−３５及び比較例１−１０の造形用金属粉末を得た。各粉末は、多数の粒子に、篩いによる分級が施されることで得られた。この粒子は、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法又はディスクアトマイズ法により得られた。
粉末を敷き詰め、レーザービームを照射した。照射により、粒子同士が結合し、結合層が形成された。この結合層の上に粉末を敷き詰め、レーザービームを照射した。このような敷き詰めと照射とを繰り返し、所定形状の造形物を得た。
［敷き詰め性］
造形物の製作中に、敷き詰められた粉末の状態を目視で観察した。下記の基準に従って、敷き詰め性を格付けした。
Ｓ：極めてよい
Ａ：よい
Ｂ：普通
Ｆ：悪い
この結果が、下記の表２及び３に示されている。
造形物の製作中に、敷き詰められた粉末の状態を目視で観察した。下記の基準に従って、敷き詰め性を格付けした。
Ｓ：極めてよい
Ａ：よい
Ｂ：普通
Ｆ：悪い
この結果が、下記の表２及び３に示されている。
［相対密度］
造形物の密度を測定した。この密度の、真密度に対する比率を算出した。この結果が、下記の表２及び３に示されている。
造形物の密度を測定した。この密度の、真密度に対する比率を算出した。この結果が、下記の表２及び３に示されている。
［引張強さ］
「ＪＩＳ Ｚ ２５５０」に準拠して、造形物の引張強さを測定した。この引張強さの、溶製材の引張強さに対する比率を算出した。この結果が、下記の表２及び３に示されている。
「ＪＩＳ Ｚ ２５５０」に準拠して、造形物の引張強さを測定した。この引張強さの、溶製材の引張強さに対する比率を算出した。この結果が、下記の表２及び３に示されている。
［総合評価］
敷き詰め性、相対密度及び引張強さの総合評価を、下記の基準に従って行った。
Ｓ：極めてよい
Ａ：よい
Ｂ：普通
Ｆ：悪い
この結果が、下記の表２及び３に示されている。
敷き詰め性、相対密度及び引張強さの総合評価を、下記の基準に従って行った。
Ｓ：極めてよい
Ａ：よい
Ｂ：普通
Ｆ：悪い
この結果が、下記の表２及び３に示されている。
表２及び３に示されるように、各実施例の粉末は、総合評価に優れている。この結果から、本発明の優位性は明かである。
［実験II レーザーコーティング法］
［被覆層の製作］
表１に示された合金から、表４及び５に示された、実施例３６−７０及び比較例１１−２０の造形用金属粉末を得た。各粉末は、多数の粒子に、篩いによる分級が施されることで得られた。この粒子は、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法又はプラズマアトマイズ法により得られた。
［被覆層の製作］
表１に示された合金から、表４及び５に示された、実施例３６−７０及び比較例１１−２０の造形用金属粉末を得た。各粉末は、多数の粒子に、篩いによる分級が施されることで得られた。この粒子は、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法又はプラズマアトマイズ法により得られた。
粉末を敷き詰め、レーザービームを照射した。照射により、粒子同士が結合し、被覆層が形成された。
［敷き詰め性］
実験Ｉと同様の方法にて、敷き詰め性を格付けした。この結果が、下記の表４及び５に示されている。
実験Ｉと同様の方法にて、敷き詰め性を格付けした。この結果が、下記の表４及び５に示されている。
［耐摩耗性］
大越式摩擦試験にて、被覆層の摩耗量を測定した。この摩耗量に対する、溶製材の摩耗量の比率を算出した。この結果が、下記の表４及び５に示されている。
大越式摩擦試験にて、被覆層の摩耗量を測定した。この摩耗量に対する、溶製材の摩耗量の比率を算出した。この結果が、下記の表４及び５に示されている。
［総合評価］
敷き詰め性及び耐摩耗性の総合評価を、下記の基準に従って行った。
Ｓ：極めてよい
Ａ：よい
Ｂ：普通
Ｆ：悪い
この結果が、下記の表４及び５に示されている。
敷き詰め性及び耐摩耗性の総合評価を、下記の基準に従って行った。
Ｓ：極めてよい
Ａ：よい
Ｂ：普通
Ｆ：悪い
この結果が、下記の表４及び５に示されている。
表４及び５に示されるように、各実施例の粉末は、総合評価に優れている。この結果から、本発明の優位性は明かである。
本発明に係る粉末は、ノズルから粉末が噴射されるタイプの３Ｄプリンターにも適している。この粉末は、ノズルから粉末が噴射されるタイプのレーザーコーティング法にも適している。
この粉末では、下記数式によって算出される値Ｙは、０．８０以上１．２０以下である。
Ｙ ＝ （Ｄ１０ × Ｄ９０） ／ （Ｄ５０）２
上記数式において、Ｄ１０は累積１０体積％粒子径であり、Ｄ５０は累積５０体積％粒子径であり、Ｄ９０は累積９０体積％粒子径である。好ましくは、粒子径Ｄ１０は、１μｍ以上である。
Ｙ ＝ （Ｄ１０ × Ｄ９０） ／ （Ｄ５０）２
上記数式において、Ｄ１０は累積１０体積％粒子径であり、Ｄ５０は累積５０体積％粒子径であり、Ｄ９０は累積９０体積％粒子径である。好ましくは、粒子径Ｄ１０は、１μｍ以上である。
好ましくは、この粉末では、下記数式によって算出される値Ｙは、０．８０以上１．２０以下である。
Ｙ ＝ （Ｄ１０ × Ｄ９０） ／ （Ｄ５０）２
この数式において、Ｄ１０は累積１０体積％粒子径であり、Ｄ５０は累積５０体積％粒子径であり、Ｄ９０は累積９０体積％粒子径である。
Ｙ ＝ （Ｄ１０ × Ｄ９０） ／ （Ｄ５０）２
この数式において、Ｄ１０は累積１０体積％粒子径であり、Ｄ５０は累積５０体積％粒子径であり、Ｄ９０は累積９０体積％粒子径である。
Claims (5)
- 多数の粒子からなり、これらの粒子がＮｉ、Ｆｅ及びＣｏのうちの少なくとも１種を含んでおり、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏの合計含有率が５０質量％以上である造形用金属粉末であって、
円形度が０．８０未満である粒子の数の、粒子の総数に対する比率Ｐ１が、１０％以下であり、
円形度が０．９５以上である粒子の数の、粒子の総数に対する比率Ｐ３が、５０％以上である造形用金属粉末。 - 上記比率Ｐ３が８０％以上である請求項１に記載の粉末。
- かさ密度ｄ１と充填密度ｄ２との比（ｄ１／ｄ２）が０．８０以上である請求項１又は２に記載の粉末。
- 下記数式によって算出される値Ｙが０．８０以上１．２０以下である請求項１から３のいずれかに記載の粉末。
Ｙ ＝ （Ｄ１０ × Ｄ９０） ／ Ｄ５０１／２
（上記数式において、Ｄ１０は累積１０体積％粒子径であり、Ｄ５０は累積５０体積％粒子径であり、Ｄ９０は累積９０体積％粒子径である。） - 上記粒子径Ｄ１０が１μｍ以上である請求項４に記載の粉末。
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