JP2018083959A - 積層造形法による粉末冶金焼結体の製造方法 - Google Patents

積層造形法による粉末冶金焼結体の製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2018083959A
JP2018083959A JP2016226001A JP2016226001A JP2018083959A JP 2018083959 A JP2018083959 A JP 2018083959A JP 2016226001 A JP2016226001 A JP 2016226001A JP 2016226001 A JP2016226001 A JP 2016226001A JP 2018083959 A JP2018083959 A JP 2018083959A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
powder
sintering
sintered body
mass
granulated
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2016226001A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6162311B1 (ja
Inventor
寛道 内藤
Hiromichi Naito
寛道 内藤
護 篠宮
Mamoru Shinomiya
護 篠宮
一彦 土屋
Kazuhiko Tsuchiya
一彦 土屋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Die Co Ltd
Original Assignee
Fuji Die Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Die Co Ltd filed Critical Fuji Die Co Ltd
Priority to JP2016226001A priority Critical patent/JP6162311B1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6162311B1 publication Critical patent/JP6162311B1/ja
Publication of JP2018083959A publication Critical patent/JP2018083959A/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25Process efficiency

Landscapes

  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

【課題】粉末冶金の積層造形法において、複雑形状かつ気孔のない焼結体の製造方法を提供する。【解決手段】原料粉末を乾燥造粒して第一の造粒粉末とし、これを脱脂後に、真空中、または非酸化性雰囲気中で650℃以上1000℃以下の温度で仮焼結を行って、大きさの収縮が10%以内で、液相を出さずに固相焼結させて、第二の造粒粉末を作製する。これに成形助剤粉末を混合して、求める形状の積層方向について薄く切った断面形状に、選択的にレーザーを照射して、成形助剤粉末のみを融解させ、その後自然冷却により凝固させる工程を複数回繰返して、求める形状の造形体を作製する。これを焼結およびHIP処理して焼結体を作製する。【選択図】図4

Description

本発明は、粉末冶金による焼結体製造方法において、積層造形法を用いて複雑形状の焼結体を得る方法に関する。
粉末冶金によって、素材の焼結体を作製するには、基本的には、原料粉末に成形助剤を添加して、この粉末を加圧成形して圧粉体を作製し、これを成形加工して、焼結する方法が一般的である。
ここで焼結後の加工により最終製品にするためには、焼結体を研削、放電加工等により加工する。そのため、焼結体の時点で、加工を最小限にすべく最終形状に近い形状になっていることが好ましい。
しかし、求める形状が複雑な場合、焼結する前の圧粉体の加工が困難であり、単純な形状に留める場合が多い。よって、複雑形状の場合、加工に時間がかかる等によりコストが高くなってしまう。また、少量多品種の場合、加圧成形に用いる金型を多数揃えなければならないことにより、やはりコストが高くなってしまう。
これらを解決する手段として、積層造形法と呼ばれる技術がある。この技術は、三次元CADデータを元にコンピューターで薄い断面の形状とし、材料を積層して三次元の造形物を作製する技術である。この方法によれば、金型を用いることなく、近似形状の成形が可能であることから、世界規模での開発が進んでいる。
積層造形法の一種である間接焼結造形法は、造形ステージに粉末を均一かつ平滑な薄層に敷詰める工程と、積層方向について薄く切った断面形状に選択的にレーザーまたは電子ビーム等を照射し、必要な形状部分だけを焼き固める工程とを、複数回行い、積層した造形体を得て、さらに、焼結することで、求める形状の焼結体を得る方法である。
ここで、造形ステージに粉末を均一かつ平滑な薄層に敷詰める工程では、粉末には、均一な粒度かつ流動性が求められる。焼き固める工程では、粉末に配合した成形助剤が融解・凝固し、三次元データと同一形状の造形が可能であることが求められる。
これらまたは類似技術は、特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4等に記載されている。
特開2000−144205号公報 特開2003−305777号公報 特開2016−172904号公報 特開2016−175202号公報
鈴木寿、徳本啓:「WC−Cr3C2−15%Co超硬合金の組織と機械的性質」、粉体および粉末冶金、第31巻第2号、1984年、p.56〜59 土屋信次郎、寺田修、佐々木章、鈴木寿:「WC−15%Ni合金の二相域に及ぼすCr3C2添加の影響」、粉体および粉末冶金、第36巻第3号、1989年、p.320〜323
特許文献1には、成形助剤を加えた原料粉末スラリーを、求める形状になるように形状の制御をしながらノズルより射出してから、これを焼結して、焼結体を得る方法が記載されている。
しかし、この方法では、射出にむらができることがあり、精密な寸法と形状の制御が困難である。また、気孔の全くない十分緻密化した焼結体を得るのが難しく、例えば耐摩耗工具や切削工具等に用いる超硬合金ではわずかの気孔もあってはならないのに対し、この方法では十分対応することができない。実施例の段落0016でも、相対密度は96%に留まっている。この相対密度では、HIP処理を行っても100%にはできない。
特許文献2には、造粒していない原料粉末にナイロンを混合した粉末を、造形ステージに均一な薄層として敷詰めてから、レーザーにより、必要な形状部分だけを焼き固めて造形体を作製し、これを焼結することで、求める形状の焼結体を得る間接焼結造形法が記載されている。
しかしこの方法でも、気孔の全くない十分緻密化した焼結体を得るのが難しく、発明の実施の形態の段落0026でも、相対密度は95.7%に留まっている。この相対密度では、HIP処理を行っても100%にはできない。
特許文献3には、超硬合金において、成形助剤を加えずに造粒された原料粉末を、焼結温度の0.85〜1.0倍の温度(具体的には、発明を実施するための形態の段落0025により計算すると、1148〜1450℃)で仮焼結して結合相のCoを部分的に溶融させてから、造形ステージに均一な薄層として敷詰め、電子ビームにより、必要な形状部分だけを焼き固めて、求める形状の焼結体を得る方法が記載されている。
しかし、この方法を検証した結果、仮焼結時に結合相が部分的に溶融することにより、粉末の各粒子が結合して、固まった塊になりやすいため、仮焼結の後にこれを粉砕しなければならなかった。さらに粉砕した粉末は100%使えるわけでなく、多くても50%程度しか使えなかった。したがって、大変不経済であることがわかった。そして、粉末粒子が収縮を始めているため、収縮率を正確に求めにくくなり、焼結体の寸法を制御し難くなる欠点があって、積層造形の意味がなくなる。
特許文献4には、光硬化樹脂を加えて、造粒しているが仮焼結はしていない粉末を用いて、不活性のガスの雰囲気中で、積層造形法を行い、形成された造形体に、CIP(冷間静水圧プレス)を行ってから焼結する方法が記載されている。
しかし、この方法では、CIPのための形状に合わせた型を、形状によりその都度作らなければならず、少量多品種に向かず、積層造形する意味がなくなる。発明を実施するための形態の段落0038には、CIP以外の加圧方法も記載しているが、やはり形状にその都度合わせなければならない点は変わりなく、積層造形する意味がない。
以上のように、粉末冶金において複雑形状の焼結体を作製するには、積層造形法が有効ではあるが、形状と寸法が正確で、かつ相対密度が100%の焼結体を得られる方法の開発が課題になっている。
本発明者らは、このような問題を解決し、積層造形によって複雑形状の気孔のない焼結体を得るために、鋭意研究した結果、本願発明に至ったものである。
本発明は、粉末冶金における積層造形法による焼結体の製造方法であって、原料粉末に溶媒と第一の成形助剤を添加して、必要により混合粉砕して、スプレードライヤーで乾燥造粒することにより、第一の造粒粉末を得る工程と、第一の造粒粉末を、非酸化性気体の気流中で加熱して脱脂処理を行い、その後続けて仮焼結として加熱処理を行い固相焼結させることにより、第二の造粒粉末を得る工程と、第二の造粒粉末に、第二の成形助剤の粉末を共に固相のまま混合する工程と、この混合した第二の造粒粉末を、造形ステージに均一な薄層として敷詰める工程と、求める形状の積層方向について薄く切った断面形状に、選択的にレーザーを照射して、第二の成形助剤粉末のみを融解させ、その後自然冷却により凝固させる工程を複数回繰返して、求める形状の造形体を得る工程と、この造形体を脱脂処理、真空中または非酸化性雰囲気中で焼結、及びHIP処理を行う工程から構成されており、第一の造粒粉末を脱脂後に仮焼結として加熱する条件が、真空中、または非酸化性雰囲気中で、650℃以上1000℃以下の温度で、10min以上60min以下の保持時間であり、仮焼結による、第一の造粒粉末からの大きさの収縮が10%以内で、仮焼結では液相を出さずに固相焼結させるものである、求める形状の焼結体の製造方法である。
第一の成形助剤は、融点が40℃以上80℃以下のパラフィンが適切である。これは、スプレードライヤーで乾燥造粒するために適するからである。添加量は、0mass%以上5mass%以下が適切である。
5mass%を越えると、脱脂に時間がかかるようになるが、造粒粉末の強度はこれ以上改善されないので、不経済である。0mass%を範囲に含めたのは、添加しなくても造粒は可能であるからである。
なお、溶媒には、通常の粉末冶金の造粒に用いられる、エタノール、2−プロパノール、ヘキサン等を使用できる。
第一の造粒粉末に仮焼結を行うことにより、特許文献2のような、焼結体の緻密化の不十分をなくすことができる。さらに、仮焼結の温度が特許文献3よりも低いことにより、粉末の各粒子が結合して、固まった塊になることを防ぐことができる。
仮焼結の温度は650℃以上、1000℃以下が適切である。650℃未満では第二の造粒粉末の強度が低く、形状が崩れやすい。特に、第二の成形助剤との混合時に崩れやすくなり、使用に支障がある。1000℃を越えると仮焼結時に粉末の粒子同士が結合してしまい、この後粉砕が必要になり、かつ収率も悪くなる。
さらに、仮焼結の温度が1000℃以下では、粉末粒子は10%以下しか収縮せず、形状も大きさも仮焼結前に近い。これにより、本焼結時の収縮率が正確に計算できるので、焼結体の形状と大きさの制御が容易であり、数mmの成形体に対し10μm以下の誤差になる精度を出せる。一方、1000℃を越えると、粉末粒子が強く収縮を始める。この場合は、この時の収縮率を正確に測定していないと、焼結体の寸法を計算できず、制御が容易でなくなり、数mmの成形体に対し20μm以上の誤差になる精度しか出せないた。
仮焼結の保持時間は、10min以上60min以下が適切である。10minより短いと、炉内の温度が均一にならず、また十分効果も現れない。60minより長いと、効果は変わらないが不経済である。
第二の成形助剤は、熱可塑性樹脂粉末および/またはパラフィン粉末が好適である。熱可塑性樹脂の種類としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミドが、酸素含有量がないかあるいは少ないので好適である。しかし、これ以外にも、ポリエステル、ポリカーボネート、アクリル樹脂、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレングリコール、ポリエチレンテレフタレート、ABS樹脂、ポリビニルアルコール等も使用可能である。これらは融点が300℃以下のものを使用する。300℃を越えると、低出力のレーザーでは溶融しにくくなるためである。
第二の成形助剤の添加量は、5mass%以上10mass%以下が適切である。5mass%未満では、レーザー照射により固めても強度が低いため造形体の取扱いが難しく、手でつかんだだけで容易に崩れてしまう。10mass%を越えると、第二の成形助剤を脱脂および焼結により十分除去できず、焼結体の特性が悪くなる。
第二の成形助剤には、塩素、ふっ素、臭素、硫黄、珪素を含む樹脂は、これらの元素が焼結体に悪影響を及ぼすことから使用できない。
第二の成形助剤粉末は、粉末の状態のまま第一の造粒粉末と混合する。混合方法は、シェーカーミキサー等、乾式の混合機を任意に選ぶことができる。第二の成形助剤の粒度は、第一の造粒粉末の粒度以下がより好ましいが、これに限定しない。
第一及び第二の造粒粉末の粒度は、20μm以上50μm以下の粒子を選んで使用する必要がある。20μm未満では、凝集しやすく、流動性が低く、成形性が悪く、焼結体に気孔を残しやすい。50μmを越えると、造形ステージに均一な薄層として敷詰める時に、厚さを50μm以下に敷くことができなくなり、焼結体の自由な形状制御に支障が出る。
第二の造粒粉末に、レーザーを照射して、第二の成形助剤粉末のみを融解させることから、この時には焼結は起こらず、その後真空中または非酸化性雰囲気中で全体を一緒に焼結することから、特許文献1、特許文献3のようなむらができず、均一な焼結体ができる。
さらに、粉末粒子がほとんど収縮していないので、粒子内に隙間が多くあることから、後記のレーザー照射の時に第二の成形助剤がこの隙間に入り込み、成形体の強度が大きくなる。一方、強く収縮してしまった場合には、粒子間が非常に狭くなるので、第二の成形助剤は隙間にほとんど入れず、成形体の強度が不足するようになる。
例えば超硬合金の場合、造形体を、窒素または水素気流中で脱脂処理し、第二の成形助剤を除去する。脱脂処理後の造形体は、真空中、窒素またはアルゴン雰囲気中で、1330〜1600℃の温度、30〜60minの保持時間で焼結を行い、相対密度99%以上の高密度な焼結体が得られる。
得られた焼結体の合金内部には、マイクロポア等の欠陥が生じ、機械的強度が著しく低下することがある。したがって、焼結体に、温度1330〜1600℃、圧力1〜100MPa、ArによるHIP処理(熱間静水圧プレス)を実施し、マイクロポアを消滅させることで、相対密度100%の超硬合金が得られる。
本方法は、金属相を含む粉末冶金素材に共通して応用できる方法であり、対象となる素材として、超硬合金、サーメット、タングステン基合金、銅−タングステン合金、または粉末高速度鋼等に広く応用できる。
これらの中でも、特に耐摩耗工具や切削工具等に用いる超硬合金には、本方法で複雑形状かつわずかの気孔もない焼結体を作製できることから有効である。超硬合金としては、粉末調製時の配合組成が、5mass%以上30mass%以下のCoおよび/またはNiと、(Co+Ni)に対して0mass%以上16mass%以下のCrと、残部がWCの合金が好ましい。
Coおよび/またはNiの量は、5mass%未満では、焼結性が悪く本方法での気孔のない焼結体を作製することが難しくなる。30mass%を越えると、液相出現量が多いため焼結変形が大きく、積層造形機で作製した意味がなくなる。
Crの添加は、耐食性の向上と、WCの粒成長抑制に効果があるので好ましい。この添加量は、非特許文献1、非特許文献2においてCrの結合相への固溶限が最高で16mass%であることから、(Co+Ni)に対して16mass%以下とする。これ以上多くなると結合相中にCrが炭化物として析出し、合金の強度が著しく下がる。
本発明の方法により、複雑形状の粉末冶金製品の造形体を寸法の精度よく作製でき、これを焼結することにより、最終形状に近い焼結体を得られることから、複雑形状の最終製品の製造コストを著しく下げることができる。特に、少量多品種の製品に効果がある。
仮焼結することで第二の造粒粉末の硬度が増し、積層造形過程のリコーターによる圧縮による第二の造粒粉末の破壊を防止できる。したがって、未造形部分の第二の造粒粉末の再利用が可能となり、歩留まり率の向上、レアメタル等の限りある資源の有効利用も可能となり、コスト削減にもつながる。
左から、表8の組成9における、それぞれ、室温から650℃で脱脂した後の第一の造粒粉末、1000℃で仮焼結した第二の造粒粉末の、光学顕微鏡写真である。1000℃で仮焼結しても粒度の収縮は10%以内であることを示す。 本発明による、WC(粒度2.5μm)−2.5mass%Cr−18mass%Ni組成の超硬合金(表8の組成9)における、通常焼結品および本発明の方法による焼結体のHIP処理前後の、比重の比較である。本発明の方法による焼結体は、HIP処理により、通常焼結品と同じになることを示す。 図2の焼結体の、硬さの比較である。本発明の方法による焼結体は、HIP処理により、通常焼結品と同じになることを示す。 図2の焼結体の、抗折力の比較である。本発明の方法による焼結体は、HIP処理により、通常焼結品と同じ水準になることを示す。 図2の焼結体の組織写真である。マイクロポアや異常相がなく、正常な焼結体になっていることを示す。 本発明の方法により、表8の組成9の合金で作製した造形体の例である。左はハニカム、右は水冷管のある金型である。
本発明は、具体的には以下のように実施できるが、これに限定するものではない。
原料粉末および溶媒の2−プロパノールを配合し、アトライターまたはボールミルで混合粉砕した後のスラリーに、第一の成形助剤のパラフィンを加えて加熱溶解させて、スプレードライヤーを用いて、粒度が20〜50μmの乾燥した第一の造粒粉末を作製する。
第一の造粒粉末を窒素または水素雰囲気中で、室温から650℃までの温度で脱脂処理し、その後、真空中または非酸化性雰囲気中で650℃以上1000℃以下で固相のまま仮焼結し、第二の造粒粉末を作製する。
第一および第二の造粒粉末は、例えば#120の篩により、粗大粒子を除いてから使用することが好ましい。
仮焼結した第二の造粒粉末に、積層造形時の粉末同士を結合させる役割となる第二の成形助剤として、粉末重量に対して、7mass%以上10mass%以下の熱可塑性樹脂および/またはパラフィン粉末を混合する。
次に、第二の造粒粉末を用いて、積層造形機で造形体を作製する。例えば、株式会社アスペクト製の積層造形機RaFaEl300CまたはRaFaElII150C−HT等が使用できる。
積層造形機は、フィードベッドより粉末をパウダーベッドに平滑、均一かつ薄く敷詰め、断面形状に選択的にレーザーを照射し、配合した第二の成形助剤を融解、さらに自然冷却で凝固させる。
この時の雰囲気は、大気中でできるが、真空中または非酸化性雰囲気中でも可能である。しかし、大気中でない場合には、装置に大気を遮る設備が必要になる等不経済になるので、大気中の方がより好ましい。また、レーザーではなく、赤外線集光加熱装置や、その他の電磁波または電子ビームで行うことも可能である。
その後、粉末の敷詰めに必要な厚さだけ、パウダーベッドを下降させ、フィードベッドを上昇させる。さらに、フィードベッドより粉末をパウダーベッドに平滑、均一かつ薄く敷詰め、レーザー照射する工程を複数回行い、三次元造形体を得るができる。
第二の造粒粉末は、リコーターで粉末を敷詰める工程の際、敷詰め時の圧縮圧力より、強度があるため、容易に粒子の形状が崩れないので、複数回の造粒粉末の再利用が可能である。
前記の装置で、造形体を作製する場合のレーザー照射条件は、表1の通りである。
例えば超硬合金の場合、造形体を、窒素または水素気流中で脱脂処理し、第二の成形助剤を除去する。脱脂処理後の造形体は、真空中、窒素またはアルゴン雰囲気中で、1330〜1600℃の温度、30〜60minの保持時間で焼結を行い、相対密度99%以上の高密度な焼結体が得られる。
得られた焼結体の合金内部には、マイクロポア等の欠陥が生じ、機械的強度が著しく低下することがある。したがって、焼結体に、温度1330〜1600℃、圧力1〜100MPa、ArによるHIP処理を実施し、マイクロポアを消滅させることで、相対密度100%の超硬合金が得られる。
WC(粒度2.5μm)−2.5mass%Cr−18mass%Ni組成(表8の組成9)、またはWC(粒度2.5μm)−1.2mass%Cr−15mass%Co組成(表8の組成3)の超硬合金に調製した粉末を用いて、第一の造粒粉末を作製した。この粉末を、600℃から1300℃の各温度において、保持時間30minの条件で、水素気流中で仮焼結し、第二の造粒粉末を作製した。
この時のできあがった第二の造粒粉末の状態を表2に示す。
表2より、仮焼結温度は650℃以上1000℃以下が適切であることがわかった。
図1に、左から、表8の組成9における、それぞれ、室温から650℃で脱脂した後の第一の造粒粉末、1000℃で仮焼結した第二の造粒粉末の、光学顕微鏡写真を示す。1000℃で仮焼結しても粒度はほとんど変わらないことを示す。
また、これらの粉末について、#120の篩を通して粗大粒子を除いてから、粒度を測定した結果を表3に示す。
ここで粒度の測定方法は、光学顕微鏡で、各200個の粒子の長軸径を測定し、平均したものである。粒子は球形に近いので、長軸径は直径にほぼ等しい。
表3より、脱脂後の第一の造粒粉末から、1000℃で仮焼結して第二の造粒粉末にした時に、粒度は直径で10%収縮したことがわかった。仮焼結の温度がより低い場合は、当然、収縮する量はより少なくなる。
実施例1の、表8の組成9で1000℃で仮焼結した第二の造粒粉末について、粒度ごとに篩で分級して、積層造形機RaFaEl300Cを用いて、パウダーベッドとリコーターの間隔を50μmと設定し、リコーターを動作させ、パウダーベッドに均一に種々粒度の粉末が敷詰められるか確認を行なった結果を表4に示す。
表4により、この条件では粒度20〜50μmの時に充填できることがわかった。
実施例1の、表8の組成9で1000℃で仮焼結した第二の造粒粉末について、第二の成形助剤と混合し、温度は室温から650℃、窒素または水素気流中で脱脂処理を行った。
第二の成形助剤は、ナイロン12またはパラフィンを用いた。ここでナイロン12は、株式会社アスペクト製ASPEX−MPA(融点160℃、粒度50μm)を用いた。パラフィンは、日本精▲蝋▼株式会社製Paraffin Wax−125(融点53℃)を用いた。
脱脂処理では、窒素または水素によって、第二の成形助剤の脱脂状態が異なり、脱脂できなかった成形助剤が炭化して残渣となることがある。表5に、使用した第二の成形助剤および脱脂ガスによる、残渣として生じた炭素量の測定結果を示す。
超硬合金の場合は、炭素量による健全相域の範囲が極めて狭く、適切な範囲で炭素量を調整しなければ、有害相が生じ十分な特性が得られない。超硬合金等、炭素量の調整が重要な素材の場合、残渣になる炭素量を換算して、原料粉末の調製を、炭素量を適切にして行う必要がある。
実施例1の、表8の組成9で1000℃で仮焼結した第二の造粒粉末について、第二の成形助剤としてナイロン12をそれぞれ3、5、7、10、15mass%添加混合して、レーザー照射による積層造形を行った場合の、造形体の取扱いの可否と、第二の成形助剤の脱脂の可否を実験した結果を、表6に示す。
脱脂条件は、温度は室温から650℃、水素気流中で行なった。第二の造粒粉末の重量に対して5〜10mass%の第二の成形助剤を添加混合し、積層造形機で造形した場合、いずれも造形体の取扱いが可能であり、また脱脂も適切であった。
実施例1の、表8の組成9で1000℃で仮焼結した第二の造粒粉末について、その重量に対して、7mass%の第二の成形助剤のナイロン12を添加した粉末を用いて、積層造形機で各レーザー照射条件における、エネルギー密度と、造形体を手でつかんでも崩れない取扱いの可否を実験し、結果を表7に示す。
積層造形機は、株式会社アスペクト製の積層造形機RaFaEl300CまたはRaFaElII150C−HTを使用した。エネルギー密度Eは、レーザー出力P、走査速度ν、走査ピッチsにより、E=P/(ν・s)として得られる。
エネルギー密度が0.021J/mm以上では、造形体を手でつかんでも崩れず、脱脂および焼結炉への充填が可能であった。また、0.040J/mmを越えると、ナイロンが揮発して煙が出て、レーザーをさえぎるようになるため、安定した照射ができなくなり、また揮発によりナイロンの量が減ってしまったので、不可であった。ここで雰囲気は大気中で行った。
各種組成の超硬合金において、仮焼結温度は1000℃で、粒度が20μmの第二の造粒粉末を用いて、第二の成形助剤としてナイロン12を7mass%添加して、表7のRaFaEl300Cにより、エネルギー密度0.029J/mmの条件で、造形体を作製した。
ここで、WCは粒度2.5μmの粉末を、Co、Ni、Crは、超硬合金の原料に用いられる通常の粉末を用いた。
これを、温度は室温から650℃、水素気流中で脱脂処理し、続けて焼結し、さらに圧力100MPaのArによるHIP処理を行った。
本発明でHIP処理まで行った各種超硬合金焼結体の合金特性を、表8に示す。ここで、WC欄のBal.は、残量を意味する。
組成9において、本発明のHIP処理前後の焼結体と、通常の製造方法の焼結体の、比重、硬さ、抗折力を比較し、測定結果を図2〜図4に示す。HIP処理した合金の特性値は、通常の製造方法による合金と同等であり、かつ、健全相域の合金が得られた。組成9の焼結体の組織写真を図5に示す。マイクロポアや異常相がなく、正常な焼結体であることを示す。
本方法で得られた造形体の密度は、1.5〜3.0g/cmであった。本方法による造形体の密度は低いが、この場合でも焼結及びHIP処理により、完全な焼結体が得られることがわかった。
また、実用されるWCとして、粒度0.1〜7μmの各粒度のWCについても、本質的に同じ結果が得られた。
本発明の方法で、サーメット、タングステン基合金、銅−タングステン合金、および粉末高速度鋼の焼結体を作製し、作製条件と結果を、表9に示す。ここで第二の成形助剤の量は7mass%とした。
以上から、本方法は、超硬合金に限らず、広く金属相を含む粉末冶金の素材に適用できることがわかった。
本発明の方法により、表8の組成9の合金で、複雑形状の製品の例として、ハニカム及び、通常の除去加工ではできない曲がった水冷管のある複雑形状の金型の造形体を作製し、さらに焼結、HIP処理を行って、焼結体を作製することができた。造形体の写真を図6に示す。
本発明の方法は、複雑形状の粉末冶金製品の製造コストを著しく下げることができ、特に、少量多品種の製品に効果があることから、金型等の業界のコスト削減に大きく寄与するものである。
さらに、仮焼結の温度が1000℃以下では、粉末粒子は10%以下しか収縮せず、形状も大きさも仮焼結前に近い。これにより、本焼結時の収縮率が正確に計算できるので、焼結体の形状と大きさの制御が容易であり、数mmの成形体に対し10μm以下の誤差になる精度を出せる。一方、1000℃を越えると、粉末粒子が強く収縮を始める。この場合は、この時の収縮率を正確に測定していないと、焼結体の寸法を計算できず、制御が容易でなくなり、数mmの成形体に対し20μm以上の誤差になる精度しか出せない。
その後、粉末の敷詰めに必要な厚さだけ、パウダーベッドを下降させ、フィードベッドを上昇させる。さらに、フィードベッドより粉末をパウダーベッドに平滑、均一かつ薄く敷詰め、レーザー照射する工程を複数回行い、三次元造形体を得ることができる。

Claims (6)

  1. 粉末冶金における積層造形法による焼結体の製造方法であって、原料粉末に溶媒と第一の成形助剤を添加して、必要により混合粉砕して、スプレードライヤーで乾燥造粒することにより、第一の造粒粉末を得る工程と、第一の造粒粉末を、非酸化性気体の気流中で加熱して脱脂処理を行い、その後続けて仮焼結として加熱処理を行い固相焼結させることにより、第二の造粒粉末を得る工程と、第二の造粒粉末に、第二の成形助剤の粉末を共に固相のまま混合する工程と、この混合した第二の造粒粉末を、造形ステージに均一な薄層として敷詰める工程と、求める形状の積層方向について薄く切った断面形状に、選択的にレーザーを照射して、第二の成形助剤粉末のみを融解させ、その後自然冷却により凝固させる工程を複数回繰返して、求める形状の造形体を得る工程と、この造形体を脱脂処理、真空中または非酸化性雰囲気中で焼結、及びHIP処理を行う工程から構成されており、第一の造粒粉末を脱脂後に仮焼結として加熱する条件が、真空中、または非酸化性雰囲気中で、650℃以上1000℃以下の温度で、10min以上60min以下の保持時間であり、仮焼結による、第一の造粒粉末からの大きさの収縮が10%以内で、仮焼結では液相を出さずに固相焼結させるものである、求める形状の焼結体の製造方法。
  2. 第一の成形助剤は、融点が40℃以上80℃以下のパラフィンであり、原料粉末に対しての添加量が、0mass%以上5mass%以下である、請求項1の焼結体の製造方法。
  3. 第二の成形助剤は、融点が300℃以下の熱可塑性樹脂粉末、またはパラフィン粉末のいずれか一種類以上であり、第一の造粒粉末に対しての添加量が、5mass%以上10mass%以下である、請求項1または請求項2の焼結体の製造方法。
  4. 第一及び第二の造粒粉末として、粒度が20μm以上50μm以下の粉末を用いる、請求項1から請求項3のいずれかの焼結体の製造方法。
  5. 焼結体が、超硬合金、サーメット、タングステン基合金、銅−タングステン合金、または粉末高速度鋼である、請求項1から請求項4のいずれかの焼結体の製造方法。
  6. 焼結体が、超硬合金であり、粉末調製時の配合組成が、5mass%以上30mass%以下のCoおよび/またはNiと、(Co+Ni)に対して0mass%以上16mass%以下のCrと、残部がWCと不可避不純物から構成される、請求項1から請求項5のいずれかの焼結体の製造方法。
JP2016226001A 2016-11-21 2016-11-21 積層造形法による粉末冶金焼結体の製造方法 Active JP6162311B1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016226001A JP6162311B1 (ja) 2016-11-21 2016-11-21 積層造形法による粉末冶金焼結体の製造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016226001A JP6162311B1 (ja) 2016-11-21 2016-11-21 積層造形法による粉末冶金焼結体の製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP6162311B1 JP6162311B1 (ja) 2017-07-12
JP2018083959A true JP2018083959A (ja) 2018-05-31

Family

ID=59308938

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016226001A Active JP6162311B1 (ja) 2016-11-21 2016-11-21 積層造形法による粉末冶金焼結体の製造方法

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6162311B1 (ja)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018090841A (ja) * 2016-11-30 2018-06-14 セイコーエプソン株式会社 エネルギー線焼結用粉末、エネルギー線焼結用粉末の製造方法および焼結体の製造方法
CN109530695A (zh) * 2018-12-20 2019-03-29 西安铂力特增材技术股份有限公司 一种用于增材制造高性能金属制件的方法
JP2020059913A (ja) * 2018-10-05 2020-04-16 株式会社エヌ・ティ・ティ・データ・エンジニアリングシステムズ 積層造形用の金属粉末、および銅合金造形物の製造方法
CN112091217A (zh) * 2020-11-12 2020-12-18 陕西斯瑞新材料股份有限公司 一种采用球形钨粉激光3d打印制造铜钨材料的方法
WO2021066142A1 (ja) 2019-10-03 2021-04-08 東京都公立大学法人 耐熱合金、耐熱合金粉末、耐熱合金成形体およびその製造方法
JP2021055160A (ja) * 2019-09-30 2021-04-08 株式会社フジミインコーポレーテッド 造形物の製造方法

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107964620B (zh) * 2017-11-30 2020-05-01 株洲三鑫硬质合金生产有限公司 基于钨镍的增强型硬质合金及其制备方法
CN108176856A (zh) * 2017-12-29 2018-06-19 广东汉邦激光科技有限公司 硬质合金零件的3d打印装置及打印方法
CN108405865B (zh) * 2018-04-11 2020-09-15 北京化工大学 一种粉末材料的3d打印方法
CN109112338B (zh) * 2018-10-17 2020-10-30 四川铭泰顺硬质合金有限公司 一种硬质合金体的制备方法
CN110421160A (zh) * 2019-09-02 2019-11-08 北京航空航天大学 一种内通道件快速成形方法
CN111360254B (zh) * 2020-03-23 2022-09-09 陕西斯瑞新材料股份有限公司 一种采用球形钨粉和雾化铜粉制备CuW90材料的方法
CN113953517B (zh) * 2021-09-23 2024-03-22 北京工业大学 一种高致密硬质合金块材的3d打印制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011214111A (ja) * 2010-04-01 2011-10-27 Hitachi Ltd Al多孔質体とその製造方法
WO2015194678A1 (ja) * 2014-06-20 2015-12-23 株式会社フジミインコーポレーテッド 粉末積層造形に用いる粉末材料およびそれを用いた粉末積層造形法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011214111A (ja) * 2010-04-01 2011-10-27 Hitachi Ltd Al多孔質体とその製造方法
WO2015194678A1 (ja) * 2014-06-20 2015-12-23 株式会社フジミインコーポレーテッド 粉末積層造形に用いる粉末材料およびそれを用いた粉末積層造形法

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018090841A (ja) * 2016-11-30 2018-06-14 セイコーエプソン株式会社 エネルギー線焼結用粉末、エネルギー線焼結用粉末の製造方法および焼結体の製造方法
JP2020059913A (ja) * 2018-10-05 2020-04-16 株式会社エヌ・ティ・ティ・データ・エンジニアリングシステムズ 積層造形用の金属粉末、および銅合金造形物の製造方法
CN109530695A (zh) * 2018-12-20 2019-03-29 西安铂力特增材技术股份有限公司 一种用于增材制造高性能金属制件的方法
JP2021055160A (ja) * 2019-09-30 2021-04-08 株式会社フジミインコーポレーテッド 造形物の製造方法
JP7336944B2 (ja) 2019-09-30 2023-09-01 株式会社フジミインコーポレーテッド 造形物の製造方法
WO2021066142A1 (ja) 2019-10-03 2021-04-08 東京都公立大学法人 耐熱合金、耐熱合金粉末、耐熱合金成形体およびその製造方法
US11846006B2 (en) 2019-10-03 2023-12-19 Tokyo Metropolitan Public University Corporation Heat-resistant alloy, heat-resistant alloy powder, heat-resistant alloy structural component, and manufacturing method of the same
CN112091217A (zh) * 2020-11-12 2020-12-18 陕西斯瑞新材料股份有限公司 一种采用球形钨粉激光3d打印制造铜钨材料的方法
CN112091217B (zh) * 2020-11-12 2021-02-09 陕西斯瑞新材料股份有限公司 一种采用球形钨粉激光3d打印制造铜钨材料的方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP6162311B1 (ja) 2017-07-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6162311B1 (ja) 積層造形法による粉末冶金焼結体の製造方法
US11389872B2 (en) Tungsten heavy metal alloy powders and methods of forming them
Bose et al. Traditional and additive manufacturing of a new Tungsten heavy alloy alternative
Kumar et al. Effects of hot isostatic pressing on copper parts fabricated via binder jetting
US7540996B2 (en) Laser sintered titanium alloy and direct metal fabrication method of making the same
US10946445B2 (en) Method of manufacturing a cemented carbide material
JP6417642B2 (ja) 非晶質相を有する金属合金からなる部品の製造方法
US20140349132A1 (en) Method for manufacturing a compact component, and component that can be produced by means of the method
CN1649688A (zh) 掺合粉末的固相-超固相线液相烧结
JP2018532673A (ja) リソグラフィに基づく製造によるダイヤモンド複合体
JP4748915B2 (ja) アルミニウム物体及びアルミニウム合金物体の製造方法
JP2021504569A (ja) 高硬度3dプリント鋼鉄製生成物
Spiller et al. Mechanical behavior of Material Extrusion Additive Manufactured components: an overview
US10858295B2 (en) Composite particles, composite powder, method for manufacturing composite particles, and method for manufacturing composite member
JP2021050381A (ja) 積層造形用粉末、積層造形物の製造方法及び積層造形物焼結体の製造方法
KR20200018325A (ko) 유무기혼련조성물을 원료로 하는 산화물 분산강화 합금 제조 방법
US20210362267A1 (en) Method of manufacturing metal articles
JP7216363B2 (ja) 三次元造形物の製造方法と三次元造形システム
RU2582166C1 (ru) Способ изготовления спеченных заготовок из тяжелых сплавов на основе вольфрама
JPH11315304A (ja) 焼結体の製造方法
JPH02145704A (ja) 成形用組成物
JP2001348602A (ja) 粉末焼結用材料としての組成物とその焼結製品の製造方法
Pattnaik Investigation of selective laser sintering of zirconium diboride parts
JPH03177506A (ja) 超硬合金またはサーメット合金の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170413

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170613

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170614

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6162311

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250