JP2016172904A - 積層造形用顆粒及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所定厚みに敷き詰めたＷＣ基超硬合金粒子に電子ビームを照射して部分的に溶融後凝固させることによりＷＣ基超硬合金の積層造形体（ＷＣ基超硬合金の焼結体）を形成するのに最適な電子ビームを用いた積層造形用顆粒及びその製造方法を提供する。【解決手段】ＷＣ基超硬合金用の原料粉末を造粒及び焼結してなる電子ビームを用いた積層造形用顆粒であって、平均粒径が６０〜１３０μｍであるとともに１５０μｍアンダーであり、ＪＩＳＺ２５０２に準拠して測定した流動度が１０〜２５ｓｅｃ／５０ｇであることを特徴とする積層造形用顆粒及びその製造方法である。【選択図】図１

Description

本発明は、所定厚みに敷き詰めたＷＣ基超硬合金粒子に電子ビームを照射して部分的に溶融後凝固させることによりＷＣ基超硬合金の積層造形体（ＷＣ基超硬合金の焼結体）を形成するのに最適な積層造形用顆粒及びその製造方法に関する。

積層造形により三次元物体を製作するための従来技術として、非特許文献１には、「電子ビームを用いた金属積層法の特徴とその可能性について」、特にチタニウム合金に絞って開示されている。

特許文献２には、高エネルギービームを照射することによって凝固させることができる粉状材料を使用して三次元物体を層ごとに製作する方法が開示されている。

特許文献３には、所定の押し込み硬さを有する第１、第２の金属を含む溶射用サーメット粉末が開示されている。前記第１、第２の金属微粒子として、例えばアトマイズ法による金属微粒子、粉砕又はメカニカルアロイングのような機械的プロセスによる金属微粒子、又は酸化物還元法等の化学的プロセスによる金属微粒子が挙げれらている。

特許文献４には、０．１７Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率を有するとともに造粒−焼結サーメット粒子からなる溶射用サーメット粉末であって、前記造粒−焼結サーメット粒子の平均一次粒子径及び気孔率は６μｍ以下及び４．０％以下である旨が開示されている。

粉体および粉末冶金第６１巻第５号（２０１４年５月）、２２７−２３３

特許第５５５５７６９号 特開２０１４−１２８６２号 特開２０１４−３４７２４号

上述のとおり、非特許文献１及び特許文献２〜４には、ＷＣ基超硬合金粒子に電子ビームを照射して積層造形することは何ら記載されておらず、未検討であり、今後の課題となっていた。

従って、本発明は、所定厚みに敷き詰めたＷＣ基超硬合金粒子に電子ビームを照射して部分的に溶融後凝固させることによりＷＣ基超硬合金の積層造形体（ＷＣ基超硬合金の積層焼結体）を形成するのに最適な積層造形用顆粒及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の積層造形用顆粒は、ＷＣ基超硬合金用の原料粉末を造粒及び焼結してなる電子ビームを用いた積層造形用顆粒であって、平均粒径が６０〜１３０μｍであるとともに少なくとも１５０μｍアンダーであり、ＪＩＳＺ２５０２に準拠して測定した流動度が１０〜２５ｓｅｃ／５０ｇであることを特徴とする。

前記積層造形用顆粒が、５〜１５質量％のＣｏ、１１質量％以下の周期律表の４ａ、５ａ及び６ａ族元素のうちの少なくとも一種の元素の炭化物、窒化物又は炭窒化物、残部ＷＣ及び不可避的不純物からなる組成を有するＷＣ基超硬合金からなることが好ましい。

前記積層造形用顆粒の表面のＷＣ粒子の形状が多角形であることが好ましい。

本発明の積層造形用顆粒の製造方法は、ＷＣ基超硬合金用の原料粉末を造粒及び焼結してなる電子ビームを用いた積層造形用顆粒を製造するにあたり、ＷＣ粉末とＣｏ粉末とを混合して原料粉末を得る混合工程、得られた原料粉末を造粒する造粒工程、及び得られた造粒粉末を焼結して顆粒を得る焼結工程を有し、前記焼結温度は、前記顆粒の製造に使用した前記造粒粉末をプレスし、得られた成形体を焼結し、得られた焼結体の断面をＣＩＳ００６Ｃ−２００７に準拠して測定した残留気孔がＡ０４以下になる焼結温度（Ｔｓ）の０．８５〜１．０Ｔｓにしたことを特徴とする。

前記原料粉末に配合するＷＣ粉末の平均粒径は１０μｍ以下であるのが好ましい。

本発明の積層造形用顆粒を用いることにより、ＷＣ基超硬合金の積層造形が可能となり、従来製造が困難であった曲がった貫通孔を有するＷＣ基超硬合金の焼結体インサート１（後述の図１０、図１１を参照。）の製造が可能となった。

実施例５の顆粒の代表的な外観を示す走査型電子顕微鏡写真（倍率：２，０００倍）である。 実施例４の顆粒の表面形状を示す走査型電子顕微鏡写真（倍率：２５，０００倍）である。 実施例５の顆粒の表面形状を示す走査型電子顕微鏡写真（倍率：２５，０００倍）である。 実施例８の顆粒の表面形状を示す走査型電子顕微鏡写真（倍率：２５，０００倍）である。 比較例４の顆粒の表面形状を示す走査型電子顕微鏡写真（倍率：２５，０００倍）である。 比較例５の顆粒の表面形状を示す走査型電子顕微鏡写真（倍率：２５，０００倍）である。 比較例６の顆粒の表面形状を示す走査型電子顕微鏡写真（倍率：２５，０００倍）である。 本発明の顆粒を使用し、積層造形を行い得る電子ビーム照射型積層造形装置により積層造形する開始時点の状況を説明する模式図である。 本発明の顆粒を使用し、積層造形を行い得る電子ビーム照射型積層造形装置により所定厚みの積層造形体を形成した時点の状況を説明する模式図である。 本発明の顆粒を使用して第１層及び第２層を積層造形する工程を説明する模式図である。 実施例１〜３の顆粒を使用して積層造形を行い、得られた曲がった貫通孔を有する本発明に係るインサート（切削工具）を切れ刃側及び上側から見た図である。 実施例４〜８の顆粒を使用して積層造形を行い、得られた曲がった貫通孔を有する本発明に係る他のインサート（切削工具）を切れ刃側及び上側から見た図である。

［１］積層造形用顆粒
（１）平均粒径
本発明の積層造形用顆粒の平均粒径は６０〜１３０μｍである。本発明書では「積層造形用顆粒」を単に「顆粒」ともいう。

図９に示すように、基板Ｇ上に本発明の積層造形用顆粒Ｅを例えば１層だけ敷き詰めた状態で電子ビームを照射することにより、前記１層の顆粒Ｅを部分的に溶融せしめた後、凝固させて１層のＷＣ基超硬合金の焼結体層を形成する。通常、部分的に溶融する部分はＷＣ基超硬合金粒子を構成する結合相及び一部のＷＣ粒子である。顆粒Ｅの平均粒径が６０μｍ未満では、顆粒Ｅが電子ビームの照射により舞上って電子ビームが照射されないからＷＣ基超硬合金の積層造形体（焼結体）が形成されない。顆粒Ｅの平均粒径が１３０μｍ超では、顆粒Ｅの粒径が過大なために、断面形状が円、楕円、矩形又は不定形である最大径０．１〜５ｍｍの曲がった貫通孔を積層造形体中に形成できない。顆粒Ｅの平均粒径は好ましくは８０〜１１０μｍである。「曲がった貫通孔」とは、曲がった部分の曲率半径が１〜１００ｍｍであるものをいう。

（２）粒径分布
本発明の積層造形用顆粒の粒径分布は少なくとも１５０μｍアンダーである。粒径分布が１５０μｍ以上では上記貫通孔の形成が困難になるからである。

（３）流動度
ＪＩＳＺ２５０２に準拠して測定した流動度は１０〜２５ｓｅｃ／５０ｇである。本発明の積層造形用顆粒は図１に例示するように流動性の良い球状粒子だからである。流動度が１０ｓｅｃ／５０ｇ未満では前記顆粒を構成するＷＣ粒子が造粒後の焼結工程で顕著に粗大化し、この粗大ＷＣ粒子を含む顆粒に電子ビームを照射して得られた積層造形体（積層焼結体）は粒成長した粗大なＷＣ粒子を含み、低強度になる。一方、流動度が２５ｓｅｃ／５０ｇを超えると、図９に示すように顆粒を所定厚みに敷き詰められない。

（４）破壊強度
後述の条件で測定した本発明の積層造形用顆粒の破壊強度は１００〜２０００ＭＰａであるのが好ましい。破壊強度の測定は微小圧縮強度試験機（ＭＣＴ５１０、島津製作所製）を用いて、本発明の顆粒を任意にサンプリングし、２０７．４ｍＮ／ｓｅｃの負荷速度にて破壊強度を計５回測定し、得られた測定値を算術平均して破壊強度とした。破壊強度が１００ＭＰａ未満の場合、積層造形後の造形体を取り出すときに前記造形体に付着した顆粒が破壊して顆粒のリサイクル使用が困難になり実用性が低下する。破壊強度が２０００ＭＰａを超える場合、Ｔｓを１．０以上とする必要があり、低強度になる。

（５）組成
本発明の積層造形用顆粒の組成は、５〜１５質量％のＣｏ、１１質量％以下の４ａ、５ａ及び６ａ族元素のうちの少なくとも一種の元素の炭化物、窒化物又は炭窒化物、残部ＷＣ及び不可避的不純物からなることが好ましい。前記組成は蛍光Ｘ線分析値を「Ｃｏ＋（前記の炭化物、窒化物又は炭窒化物）＋ＷＣ＝１００質量％」に換算して求めた。

Ｃｏ含有量が、５質量％未満では得られる積層造形体の靱性が大きく低下し、１５質量％を超えると耐摩耗性が大きく低下する。
４ａ、５ａ及び６ａ族元素のうちの少なくとも一種の炭化物、窒化物又は炭窒化物の含有量が１１質量％を超えると焼結性が劣化し、積層造形体の相対密度（真密度に対する実測した密度の比率）を９５％以上にするのが困難になる。４ａ、５ａ及び６ａ族元素のうちの少なくとも一種の元素の炭化物、窒化物又は炭窒化物の含有量は、６質量％以下がより好ましく、３質量％以下が特に好ましい。

（６）顆粒表面のＷＣ粒子の形状
顆粒表面のＷＣ粒子の形状がＷＣの結晶構造である六方最密充填構造に起因して多角形であること、即ち六方最密充填構造の基本結晶格子である三角柱形状の断面である、三角形、四角形又は六角形等の多角形状であることが好ましい。

［２］顆粒の製造条件
（１）原料ＷＣ粉末の平均粒径
原料ＷＣ粉末の平均粒径を１０μｍ以下にするのが好ましい。平均粒径が１０μｍ超では積層造形体中のＷＣ粒子が粗大になる。より好ましくは５μｍ以下であり、更に好ましくは２μｍ以下であり、最も好ましくは０．１〜１μｍである。
（２）積層造形用顆粒の焼結温度
上記の多角形状のＷＣ粒子を得るために、後述の図２〜図４に示すように、本発明の積層造形用顆粒の製造に使用した造粒粉末をプレスし、得られた成形体を焼結し、得られた焼結体の断面をＣＩＳ００６Ｃ−２００７に準拠して測定した残留気孔がＡ０４以下になる焼結温度（Ｔｓ）に対し、本発明の積層造形用顆粒の焼結温度を０．８５〜１．０Ｔｓにすることが必要である。具体的にＴｓは１３５０〜１４５０℃にするのが好ましく、１３７０〜１４３０℃にするのがより好ましい。０．８５Ｔｓ未満では焼結が不十分であり、顆粒表面のＷＣ粒子が多角形ではなく丸みを帯びた形状（図５、図６を参照。）になり、流動性及び破壊強度が大きく低下する。一方、１．０Ｔｓ超ではＷＣ粒子の粒成長が顕著（図７を参照。）になり、低性能になる。

（３）顆粒の分級用篩の目開き
本発明の積層造形用顆粒を得るために、焼結後の顆粒を目開き１０６〜１５０μｍの篩で分級することが好ましい。前記目開きの特定範囲を外れると平均粒径６０〜１３０μｍに調整するのが困難になる。

［３］電子ビーム方式の積層造形装置及び積層造形方法
特に限定されないが、図８の電子ビーム方式の積層造形装置により積層造形体を作製する方法を以下に説明する。図８（ａ）において、真空チャンバーＩ内で、ホッパーＤよりステージＫ上に排出された本発明の顆粒Ｅを、ステージＫ上においてブレードＨにより右側に搬送して中央の基板Ｇ上に、図９の（ａ）に示すように、顆粒１粒の厚みで敷き詰めてなる１層（以後、「顆粒１層」という。）を形成する。次に図９の（ｂ）に示すように、顆粒１層の造形したい部分に、ＣＡＤデータに基づき、フィラメントＡから発生し、レンズ群Ｂにより集光された電子ビームＣを走査しながら照射し、顆粒１層を焼結せしめて造形体１層を形成する。次に基板Ｇを１層分下方向に移動した後、前記と同様にホッパーＤから排出された顆粒Ｅを基板Ｇ上に搬送して顆粒１層を形成（図９の（ｃ）を参照。）し、再度電子ビームを照射（図９の（ｄ）を参照。）して造形体の２層目を積層する。造形体の３層目以降も前記手順を繰り返すことにより、図８（ｂ）に示すように基板Ｇ上に１層ずつ積層してなる所定厚みの一体造形体（焼結体）を形成することができる。

以下本発明を実施例により説明するが、本発明は下記の実施例により限定されるものではない。

実施例１〜３
原料粉末として平均粒径０．６μｍのＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、及びＴａＣ粉末を使用し、残部ＷＣ−１０質量％Ｃｏ−０．８質量％Ｃｒ_３Ｃ_２−０．２５質量％ＴａＣの組成に配合した。得られた配合粉末を湿式混合後、スプレードライヤーにより造粒した。得られた造粒粉末を０．９Ｔｓ（１２６０℃）、真空雰囲気中（１〜２Ｐａ）で焼結して顆粒を作製した。得られた顆粒を目開き１０６μｍ（実施例１）、１２５μｍ（実施例２）、及び１５０μｍ（実施例３）の篩で分級し、得られた分級後の各顆粒の平均粒径、流動度及び破壊強度を測定した。また得られた各顆粒表面のＷＣ粒子の形状をＳＥＭにより観察した。これらの結果を表１に示す。

アーカム社製の電子ビーム積層造形装置（図８に模式図を示す。）に分級後の実施例１〜３の各顆粒をそれぞれ投入後、出力２０００Ｗ、電子ビーム径１００μｍ、スキャンスピード４０００ｍ／ｓの条件にて、図１０に示すように、ほぼ横幅方向に沿った２箇所の貫通孔３を持つ、横幅：３５ｍｍ、縦幅：３０ｍｍ、厚さ：１０ｍｍの積層造形体（ＷＣ基超硬合金の積層焼結体）を作製した。貫通孔３について、断面はほぼ円形状であり、直径の最大径：１ｍｍであり、湾曲部５の曲率半径：５０ｍｍであった。得られた各例の積層造形体の貫通孔の状況を切断断面により観察した結果を表２に示す。

表１、２より、実施例１〜３の各顆粒を用いて作製した各インサート（積層造形体）では良好に貫通した曲がった貫通孔（オイルホール等の冷媒流通孔として使用。）を形成できており、切削工具として実用に耐えることが分かった。

比較例１〜３
分級篩の目開きを６３μｍ（比較例１）、７５μｍ（比較例２）、及び１８０μｍ（比較例３）に変更した以外は実施例１と同様にして顆粒を作製し、得られた顆粒について実施例１と同様の評価を行った。更に得られた各顆粒を用いた以外は実施例１と同様に積層造形体を作製し、評価した。これらの評価結果を表１、２に示す。

表１、２より、比較例１、２では積層造形時に顆粒が舞い上がり、積層造形ができなかった。比較例３では顆粒の平均粒径が過大であり、貫通孔を形成できなかった。

実施例４〜８、比較例４〜６
実施例１と同様にしてスプレードライヤーにより造粒した。得られた造粒粉末を０．７５〜１．０６Ｔｓ（１０５０〜１４２８℃）、真空雰囲気中（１〜２Ｐａ）で焼結して顆粒を作製した。得られた顆粒を１２５μｍの篩で分級して本発明の顆粒を作製した。表１に各例の顆粒の平均粒径、流動度、破壊強度及び顆粒表面のＷＣ粒子の形状を示す。

アーカム社製の電子ビーム積層造形装置（図８に模式図を示す。）に分級後の実施例４〜８の各顆粒をそれぞれ投入後、出力２０００Ｗ、電子ビーム径１００μｍ、スキャンスピード４０００ｍ／ｓの条件にて、図１１に示す貫通孔１３を持つ、横幅：３５ｍｍ、縦幅：３０ｍｍ、厚さ：１０ｍｍの積層造形体（ＷＣ基超硬合金の積層焼結体）を作製した。貫通孔１３は一端１３ａ、１３ｂからほぼ横幅方向に沿って湾曲部１５、１５まで延設され、更に二股の分岐点１６で一路になっている。二股の分岐点１６は湾曲部であり、貫通孔１３は更にほぼ横幅方向に延設されて他端１３ｃに至る。実施例１と同様に貫通孔１３の状況を確認した結果、貫通孔１３の断面は円形状であり、直径の最大径：２ｍｍであり、湾曲部１５の曲率半径：１０ｍｍであり、湾曲部１６の曲率半径：５ｍｍであり、湾曲部１７の曲率半径：２０ｍｍであった。積層造形体の評価結果を表２に示す。

表１、２より、実施例４〜８の各インサート（積層造形体）は良好に貫通した曲がった貫通孔を形成しており、切削工具として実用に耐えることが分かった。これに対し、比較例４、５では顆粒の流動度が過小であり、積層造形ができなかった。比較例６では、流動度が過大であり、積層造形体中のＷＣ粒子が粗大化して強度不足になり実用に耐えなかった。

上記実施の形態では、本発明の積層造形用顆粒を１粒の厚みで敷き詰めた場合を記載したが、照射する電子ビームの強度を適宜調整することにより、本発明の積層造形用顆粒を数粒（例えば２〜５粒）厚みで敷き詰めた後に電子ビームを照射して各顆粒を部分的に溶融後、凝固せしめて高強度の積層焼結体を形成することができる。

１、１１：インサート
３：貫通孔
３ａ、３ｂ、１３ａ、１３ｂ：貫通孔の一端
３ｃ、３ｄ、１３ｃ：貫通孔の他端
５、１５、１６、１７：貫通孔の湾曲部
６ａ、６ｂ、１６ａ、１６ｂ：円弧状切れ刃
８、１８：ねじ挿通孔
Ｊ：顆粒
Ａ：フィラメント
Ｂ：レンズ群
Ｃ：電子ビーム
Ｄ：ホッパー
Ｅ：顆粒
Ｆ：積層造形体（ＷＣ基超硬合金の積層焼結体）
Ｇ：基板
Ｈ：ブレード
Ｉ：真空チャンバー
Ｊ：未固化粒子
Ｋ：ステージ

Claims (5)

1. ＷＣ基超硬合金用の原料粉末を造粒及び焼結してなる電子ビームを用いた積層造形用顆粒であって、
   平均粒径が６０〜１３０μｍであるとともに少なくとも１５０μｍアンダーであり、ＪＩＳＺ２５０２に準拠して測定した流動度が１０〜２５ｓｅｃ／５０ｇであることを特徴とする積層造形用顆粒。
2. 請求項１に記載の積層造形用顆粒において、５〜１５質量％のＣｏ、１１質量％以下の周期律表の４ａ、５ａ及び６ａ族元素のうちの少なくとも一種の元素の炭化物、窒化物又は炭窒化物、残部ＷＣ及び不可避的不純物からなる組成を有するＷＣ基超硬合金からなることを特徴とする積層造形用顆粒。
3. 請求項１又は２に記載の積層造形用顆粒において、表面のＷＣ粒子の形状が多角形であることを特徴とする積層造形用顆粒。
4. ＷＣ基超硬合金用の原料粉末を造粒及び焼結してなる電子ビームを用いた積層造形用顆粒の製造方法であって、
   ＷＣ粉末とＣｏ粉末とを混合して原料粉末を得る混合工程、得られた原料粉末を造粒する造粒工程、及び得られた造粒粉末を焼結して顆粒を得る焼結工程を有し、
   前記焼結温度は、前記顆粒の製造に使用した前記造粒粉末をプレスし、得られた成形体を焼結し、得られた焼結体の断面をＣＩＳ００６Ｃ−２００７に準拠して測定した残留気孔がＡ０４以下になる焼結温度（Ｔｓ）の０．８５〜１．０Ｔｓにしたことを特徴とする積層造形用顆粒の製造方法。
5. 請求項４に記載の積層造形用顆粒の製造方法において、前記原料粉末に配合するＷＣ粉末の平均粒径が１０μｍ以下であることを特徴とする積層造形用顆粒の製造方法。