JP2018070914A - 積層造形物の製造方法および積層造形物 - Google Patents
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Abstract
Description
第1工程;銅合金粉末を準備する。
第2工程;銅合金粉末により積層造形物を製造する。
第3工程;積層造形物を300℃以上の温度で熱処理する。
銅合金粉末は、0.10質量%以上1.00質量%以下のクロム、および残部の銅を含有する。
積層造形物は、(i)銅合金粉末を含む粉末層を形成すること、および(ii)粉末層において所定位置の銅合金粉末を固化させることにより、造形層を形成することが順次繰り返され、造形層が積層されることにより製造される。
〔3〕第3工程では、積層造形物が700℃以下の温度で熱処理されてもよい。
〔4〕第3工程では、積層造形物が600℃以下の温度で熱処理されてもよい。
〔6〕積層造形物は、70%IACS以上の導電率を有してもよい。
機械的強度および高い導電率が必要とされる機械部品には、銅が多用されている。銅により構成される機械部品としては、たとえば、溶接トーチ、配電設備の部品等が挙げられる。
図1は、本実施形態の積層造形物の製造方法の概略を示すフローチャートである。本実施形態の製造方法は、第1工程(S100)、第2工程(S200)および第3工程(S300)を含む。以下、各工程が順を追って説明される。
第1工程(S100)では、銅合金粉末が準備される。
本実施形態の銅合金粉末は、2次元プリンタのトナーまたはインクに相当する。本実施形態では、後述の特定組成の銅合金粉末が準備される限り、その製造方法は特に限定されるべきではない。
不純物元素は、たとえば、銅合金粉末の製造時に意図的に添加された元素(以下「添加元素」と記される)であってもよい。すなわち、残部はCuおよび添加元素を含んでもよい。添加元素としては、たとえば、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)、銀(Ag)、ベリリウム(Be)、ジルコニウム(Zr)、アルミニウム(Al)、珪素(Si)、コバルト(Co)、チタン(Ti)、マグネシウム(Mg)、テルル(Te)等が挙げられる。不純物元素は、たとえば、銅合金粉末の製造時に不可避的に混入した元素(以下「不可避不純物元素」と記される)であってもよい。すなわち、残部はCuおよび不可避不純物元素を含んでもよい。不可避不純物元素としては、たとえば、酸素(O)、リン(P)、鉄(Fe)等が挙げられる。残部は、Cu、添加元素および不可避不純物元素を含んでもよい。銅合金粉末は、たとえば、合計で0.30質量%未満の添加元素および不可避不純物元素を含有してもよい。たとえば、銅合金粉末の酸素含有量は「JIS H 1067:銅中の酸素定量方法」に準拠した方法により測定され得る。
第2工程(S200)では、銅合金粉末により積層造形物が製造される。
ここでは、粉末床溶融結合法が説明される。ただし粉末床溶融結合法以外の付加製造法が使用されてもよい。たとえば、指向性エネルギ堆積法等が使用されてもよい。造形中に切削加工が実施されてもよい。
まず3D−CAD等により3次元形状データが作成される。
3次元形状データは、たとえばSTLデータに変換される。図2は、STLデータの一例である。STLデータでは、たとえば、有限要素法による要素分割(いわゆる「メッシュ化」)が実施され得る。
銅合金粉末を含む粉末層が形成される。
図4は、積層造形物の製造過程を図解する第1概略図である。レーザ積層造形装置100は、ピストン101、テーブル102、およびレーザ出力部103を備える。テーブル102は、ピストン101に支持されている。ピストン101は、テーブル102を昇降できるように構成されている。テーブル102上において、積層造形物が造形される。
続いて造形層が形成される。
造形層は積層造形物の一部を構成することになる。図5は、積層造形物の製造過程を図解する第2概略図である。レーザ出力部103は、スライスデータに基づいて、第1粉末層1の所定位置にレーザ光を照射する。レーザ光の照射の前に、予め第1粉末層1が加熱されていてもよい。レーザ光の照射を受けた銅合金粉末は、溶融および焼結を経て固化する。これにより第1造形層p1が形成される。すなわち、粉末層において所定位置の銅合金粉末が固化することにより、造形層が形成される。
E=P÷(v×s×d)・・・(I)
によって算出される。式(I)中、「E」はレーザ光のエネルギ密度[単位:J/mm3]を示す。「P」はレーザの出力[単位:W]を示す。「v」は走査速度[単位:mm/s]を示す。「s」は走査幅[単位:mm]を示す。「d」はスライス厚さ[単位:mm]を示す。
第3工程(S300)では、積層造形物が300℃以上の温度で熱処理される。これにより、積層造形物の機械的強度(たとえば引張強さ、ビッカース硬さ等)、ならびに積層造形物の導電率が飛躍的に向上することが期待される。
本実施形態の積層造形物は、典型的には上記の製造方法により製造される。
本実施形態の積層造形物は、切削加工では実現できない複雑形状を有し得る。さらに本実施形態の積層造形物は、機械的強度および導電率の両方に優れることができる。本実施形態の積層造形物は、一例としてプラズマトーチになり得る。
積層造形物は、銅合金により構成されている。積層造形物は、0.10質量%以上1.00質量%以下のCr、および残部のCuを含有する。前述の銅合金粉末と同様に、残部は、添加元素および不可避不純物元素の少なくとも一方を含んでいてもよい。積層造形物のCr含有量は、銅合金粉末のCr含有量の測定方法と同様の測定方法により測定される。Cr含有量は、0.15質量%以上であってもよいし、0.20質量%以上であってもよいし、0.22質量%以上であってもよいし、0.51質量%以上であってもよい。Cr含有量は、0.94質量%以下であってもよい。
積層造形物は、銅合金の理論密度に対して97%以上100%以下の相対密度を有する。「相対密度」は、積層造形物の実測密度が理論密度により除されることにより算出される。理論密度は、積層造形物と同じ組成を有する溶製材の密度を示す。実測密度は「JIS Z 2501:焼結金属材料−密度、含油率および開放気孔率試験方法」に準拠した方法により測定される。液体には水が使用される。相対密度は少なくとも3回測定される。少なくとも3回の平均値が相対密度として採用される。
積層造形物は、優れた機械的強度を有し得る。たとえば、積層造形物は、250MPa以上の引張強さを有し得る。すなわち本実施形態の積層造形物は、無酸素銅(UNS番号C10200)と同等以上の引張強さを有し得る。
測定には「JIS B 7721:引張試験機・圧縮試験機−力計測系の校正方法および検証方法」に規定される等級1級以上の引張試験装置が使用される。図8は、引張試験に使用される試験片の平面図である。図8に示されるダンベル状試験片20が準備される。ダンベル状試験片20が引張試験装置のつかみ具に装着される。つかみ具には、ダンベル状試験片20の形状に適した物が使用される。ダンベル状試験片20は、その軸方向に引張応力が加わるように装着される。
2mm/minの速度で、ダンベル状試験片20が引っ張られる。引張りは、ダンベル状試験片20が破断するまで継続される。ダンベル状試験片20が破断するまでに現れる最大引張応力が測定される。
最大引張応力が平行部21の断面積で除されることにより、引張強さが算出される。平行部21の断面積は、9.616mm2(=π×3.5mm×3.5mm÷4)である。引張強さは少なくとも3回測定される。少なくとも3回の平均値が引張強さとして採用される。なおダンベル状試験片20の各部の寸法は次のとおりとされる。
平行部21の長さ(L1) :18±0.5mm
平行部21の直径(D1) :3.5±0.05mm
肩部23の半径(R) :10mm
つかみ部22の長さ(L2):4.0mm
つかみ部22の直径(D2):6.0mm
積層造形物は、50%IACS以上の導電率を有する。すなわち本実施形態の積層造形物は、黄銅(UNS番号C26000)の導電率を超える導電率を有し得る。「導電率」は、市販の渦流式導電率計によって測定される。導電率は、焼鈍標準軟銅(International Annealed Copper Standard,IACS)の導電率を基準として評価される。すなわち積層造形物の導電率は、IACSの導電率に対する百分率として表される。たとえば、積層造形物の導電率が50%IACSであることは、積層造形物の導電率がIACSの導電率の半分であることを意味する。導電率は少なくとも3回測定される。少なくとも3回の平均値が導電率として採用される。
まず、下記表1に示される化学成分を含有する銅合金粉末A1〜A5が準備された(S100)。これらの銅合金粉末は所定のアトマイズ法により製造された。比較として純銅粉末Xおよび銅合金粉末Yも準備された。純銅粉末Xは、市販純銅を原料とする粉末である。銅合金粉末Yは、市販銅合金(製品名「AMPCO940」)を原料とする粉末である。以下、これらの粉末が「金属粉末」と総称される場合がある。
レーザ :ファイバレーザ、最大出力400W
スポット径:0.05〜0.20mm
走査速度 :〜7000mm/s
積層ピッチ:0.02〜0.08mm
造形サイズ:250mm×250mm×280mm
3次元形状データが作成された(S201)。(i)金属粉末を含む粉末層を形成すること(S202)、および(ii)粉末層において所定位置の金属粉末を固化させることにより、造形層を形成すること(S203)が順次繰り返され、造形層が積層された。こうして純銅粉末Xにより、No.X−1〜X−40に係る積層造形物が製造された(S200)。積層造形物は、直径14mm×高さ15mmの円柱である(特に断りのない限り、以下の積層造形物も同様である)。積層造形物の製造条件は、下記表2および3に示されている。前述の方法に従って、積層造形物の相対密度および導電率が測定された。結果は下記表2および3に示されている。
下記表4に示される製造条件により、上記と同様にしてNo.Y−1〜Y−7に係る積層造形物が製造された。積層造形物は、窒素雰囲気中、下記表4の「熱処理温度」の欄に示される温度で3時間熱処理された(S300)。「熱処理温度」の欄に「なし」と記された積層造形物は熱処理されていない。前述の方法に従って、積層造形物の相対密度および導電率が測定された。結果は下記表4に示されている。
下記表5に示される製造条件により、上記と同様にしてNo.A1−1〜A1−14に係る積層造形物が製造された。積層造形物は、窒素雰囲気中、下記表5の「熱処理温度」の欄に示される温度で3時間熱処理された。前述の方法に従って、相対密度、導電率および引張強さが測定された。引張強さは、別途製造されたダンベル状試験片20(図8を参照)において測定された(以下同様である)。結果は下記表5に示されている。
下記表6に示される製造条件により、上記と同様にしてNo.A2−1〜A2−12に係る積層造形物が製造された。積層造形物は、窒素雰囲気中、下記表6の「熱処理温度」の欄に示される温度で3時間熱処理された。前述の方法に従って、相対密度、導電率および引張強さが測定された。結果は下記表6に示されている。
下記表7に示される製造条件により、上記と同様にしてNo.A3−1〜A3−7に係る積層造形物が製造された。積層造形物は、窒素雰囲気中、下記表7の「熱処理温度」の欄に示される温度で3時間熱処理された。前述の方法に従って、相対密度、導電率および引張強さが測定された。結果は下記表7に示されている。
下記表8および9に示される製造条件により、積層造形物が製造された。前述の方法により積層造形物の相対密度が測定された。さらに積層造形物が、窒素雰囲気中、下記表8および9の「熱処理温度」の欄に示される温度で1時間熱処理された。熱処理後、積層造形物の引張強さ、ビッカース硬さおよび導電率が測定された。ビッカース硬さは前述の方法により測定された。結果は下記表8および9に示されている。
Claims (6)
- 銅合金粉末を準備する第1工程、
前記銅合金粉末により積層造形物を製造する第2工程、および
前記積層造形物を300℃以上の温度で熱処理する第3工程
を含み、
前記銅合金粉末は、
0.10質量%以上1.00質量%以下のクロム、および
残部の銅
を含有し、
前記積層造形物は、
前記銅合金粉末を含む粉末層を形成すること、および
前記粉末層において所定位置の前記銅合金粉末を固化させることにより、造形層を形成すること
が順次繰り返され、前記造形層が積層されることにより製造される、
積層造形物の製造方法。 - 前記第3工程では、前記積層造形物が400℃以上の温度で熱処理される、
請求項1に記載の積層造形物の製造方法。 - 前記第3工程では、前記積層造形物が700℃以下の温度で熱処理される、
請求項1または請求項2に記載の積層造形物の製造方法。 - 前記第3工程では、前記積層造形物が600℃以下の温度で熱処理される、
請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の積層造形物の製造方法。 - 銅合金により構成されている積層造形物であって、
0.10質量%以上1.00質量%以下のクロム、および残部の銅を含有し、
前記銅合金の理論密度に対して97%以上100%以下の相対密度を有し、かつ
50%IACS以上の導電率を有する、
積層造形物。 - 70%IACS以上の導電率を有する、
請求項5に記載の積層造形物。
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