JP2019014920A - 電子ビーム積層造形用Co基合金粉末 - Google Patents

電子ビーム積層造形用Co基合金粉末 Download PDF

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【課題】Co基合金の耐食性と耐摩耗性とを維持したまま、硬度が極めて大きく、鉄鋼材料並みの靭性が得られる電子ビーム積層造形用Co基合金粉末を提供する。【解決手段】電子ビーム積層造形用Co基合金粉末は、C:3〜4.5質量%と、Cr:26〜35質量%と、Mo:0〜16質量%と、W:0〜22質量%とを含み、残部がCoおよび不可避不純物から成る。その粒子径は、1μm以上、200μm以下であり、その粉末の電子ビーム積層造形体は、微細な炭化物が均一に分散しており、ロックウェル硬度が65以上で、シャルピー値が8J/cm2以上である。【選択図】図1

Description

本発明は、CADの3次元データを利用した、高エネルギー電子ビームを使用して金属粉末の急速加熱溶解・凝固による積層造形法(以降、「EBM法」と記載する)により、複雑な形状の立体的な構造物を製造するためのCo基合金の粉末の組成に関し、特に、高硬度で靭性に優れる電子ビーム積層造形用Co基合金粉末に関するものである。
Co−Cr−Mo基合金等のCo基合金は、耐食性、耐摩耗性が優れており、人工股関節やステント、カテーテルの生体材料をはじめ、鋳造鋳型材料や歯科鋳造材料等に広く使用されている。しかしながら、鉄系材料より硬度が低いCo基合金を、機械的強度が必要な工業製品として使用する用途はなかった。
Co基合金の機械的強度改善方法として、窒素を0.3質量%添加して熱間加工することで、微細窒化物の析出効果で硬度を20%程度大きくすることは可能であるが、工業製品として使用するには硬度の大きさが不十分である。また、溶解法でCo−Cr−Mo基合金等のCo基合金を製造する段階で炭素を添加する方法も考えられるが、機械加工性の点で炭素添加量0.3質量%が限界である(例えば、特許文献1参照)。また、EBM法を用いて、Co基合金において炭素を0.5〜5.0wt%の範囲で添加することにより、ロックウェル硬度(HRC)が50以上の値を得ている。しかし、炭素量を増加してもロックウェル硬度(HRC)は65が限界であった(例えば、特許文献2参照)。
また、レーザービーム積層造形法によって、Cr:30wt%超、36wt%以下、Mo:5〜8wt%、及び、N:0.20〜0.65wt%を含有した生体用Co基合金において、0.2%耐力が700MPa以上であり、引張強さが980MPa以等の機械的特性に優れるものが得られる。しかし、本製造方法で作製されたCo合金の組織は、通常、デンドライト組織であり、該組織が異方性を有する影響で、前記Co基合金は、積層方向と対向する方向によってその機械的特性が異なるという課題がある(例えば、特許文献3参照)。
特許第5283136号公報 特開2015−151610号公報 国際公開WO2013/058339号
Co基合金粉末を原料としたEBM法によれば、耐食性、耐摩耗性が優れた、複雑な形状のインプラント部品を製造することが可能であるが、従来のCo合金は硬度が低く、一般工業製品として使用できないという課題があった。
そこで本発明は、このような課題に着目してなされたもので、Co合金の耐食性と耐摩耗性とを維持したまま、硬度が極めて大きく、鉄鋼材料並みの靭性が得られる電子ビーム積層造形用Co基合金粉末を提供することを目的とする。
本発明によれば、C:3〜4.5質量%と、Cr:26〜35質量%と、Mo:0〜16質量%と、W:0〜22質量%とを含み、残部がCoおよび不可避不純物から成ることを特徴とする電子ビーム積層造形用Co基合金粉末が得られる。Moが16質量%、または、Wが22質量%を越えると、造形体の靭性が極端に劣化し、一般工業製品として使用できない。
また、本発明によれば、前記Wが0質量%の時は、前記Moが10〜16質量%であることを特徴とする電子ビーム積層造形用Co基合金粉末が得られる。
また、本発明によれば、前記Moが0質量%の時は、前記Wが6〜22質量%であることを特徴とする電子ビーム積層造形用Co基合金粉末が得られる。
また、本発明によれば、前記Moが6〜12質量%の時は、前記Wが6〜12質量%であることを特徴とする電子ビーム積層造形用Co基合金粉末が得られる。
また、本発明によれば、粒子径が、1μm以上、200μm以下であることを特徴とする電子ビーム積層造形用Co基合金粉末が得られる。
更に、本発明によれば、本発明に係る電子ビーム積層造形用Co基合金粉末をEBM処理して得られる造形体であって、2μm以下の炭化物が均一に分散しており、ロックウェル硬度値(HRC)が65以上で、シャルピー値が8J/cm以上であることを特徴とする造形体が得られる。
本発明により、Co基合金の耐食性と耐摩耗性とを維持したまま、硬度が大きく、靭性を有する積層造形体が得られ、耐食性、耐摩耗性、靭性を有し、高硬度の一般工業用製品が得られるという効果がある。尚、本発明は、電子ビームを使用した金属粉末の急速溶解と急速凝固による造形技術に関するが、電子ビームに変わってレーザービームを用いた金属粉末の急速溶解と急速凝固による積層造形技術でも同様の効果が得られることは、明白である。
本発明の実施の形態の、C:3質量%、Cr:27質量%、Mo:12質量%、W:6質量%、Co:BalのEBM造形体の結晶組織の走査型電子顕微鏡写真である。 C:3質量%、Cr:27質量%、Mo:12質量%、W:6質量%、Co:Balの鋳造体の結晶組織の走査型電子顕微鏡写真である。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
Cr:27〜37質量%、Mo:0〜14質量%、W:0〜22質量%を含むCo基合金組成物に、炭素をそれぞれ2.5質量%から4.5質量%を添加した原料を真空溶解し、アルゴンガス中でガスアトマイズして、各種合金粉末を作製した。これらの合金粉末は、アトマイズ条件と、メッシュ篩とを調整することで、粒径を1μmから200μmとした。また、真空溶解した際に、溶湯の一部を金型に鋳込み、ロックウェル硬度(HRC)測定用の直径14mmの円盤状の鋳造インゴットも作成した。次に、これらの粉末を使用して、真空チャンバー内でEBM法を実施した。使用したEBM装置は、Arcam EBM A2X system(Arcam AB, Molndal, Sweden)である。積層造形の条件は、加速電圧が60KV、予備加熱温度域が750℃〜850℃である。また、ビームスキャンでは、70μm〜100μmの1層の厚さごとに、ステージX軸およびY軸に垂直な方向に交互に電子ビームをスキャンした。また、造形完了後、アルゴンガス雰囲気中で冷却した。造形体の形状は、直径14mm、厚さ10mmの円盤である。
直径14mmの円盤状の鋳造インゴット、およびEBM法により作成した直径14mm、厚さ10mmの円盤について、表面を研磨して、ロックウェル硬度(HRC)を測定した。また、作製した合金粉末を使用して、真空チャンバー内でEBM法を実施し、シャルピー試験用の10mm×10mm×55mmの造形体を作製し、表面研磨後、長さ方向の中心に沿って深さ5mmの溝を加工し、シャルピー衝撃値を測定した。それぞれの測定結果を、表1に示す。表中の各成分の単位は、質量%である。また、靭性は、シャルピー衝撃値であり、EBM法で作製された造形体の結果のみを示す。なお、鋳造インゴットについては、シャルピー試験に供する強度を有する試料が得られなかったため、靭性の欄には「−」と記載している。
表1中、No.4と5、No.6と7、No.9と10は、化学組成が同一であり、鋳造とEBMのプロセスの違いが、硬度には影響を与えていないが、シャルピー衝撃試験値の靭性に影響を与えていることは明らかである。鋳造に比較して、EBM法では造形体の加熱と冷却の速度が速いことが、シャルピー衝撃試験値が大きいことの原因と考えられる。
図1および図2に、表1中のNo.10およびNo.9の結晶組織の走査型電子顕微鏡写真をそれぞれ示す。図1と図2とを比較すると、図1のEBM造形体の組織において、2μm以下の微細な炭化物がネットワーク状に均一に分散していることが判る。
本発明を使用して得られる工業製品は、Co基合金の耐食性と耐摩耗性とを維持したまま、鉄鋼製品と同等の硬度と靭性とが得られるので、耐食性の激しい塩分が多く含まれる製品を処理する工業製品や摺動部品の公共製品として利用することが可能である。

Claims (5)

  1. C:3〜4.5質量%と、Cr:26〜35質量%と、Mo:0〜16質量%と、W:0〜22質量%とを含み、残部がCoおよび不可避不純物から成ることを特徴とする電子ビーム積層造形用Co基合金粉末。
  2. 前記Wが0質量%の時は、前記Moが10〜16質量%であることを特徴とする請求項1記載の電子ビーム積層造形用Co基合金粉末。
  3. 前記Moが0質量%の時は、前記Wが6〜22質量%であることを特徴とする請求項1記載の電子ビーム積層造形用Co基合金粉末。
  4. 前記Moが6〜12質量%の時は、前記Wが6〜12質量%であることを特徴とする請求項1記載の電子ビーム積層造形用Co基合金粉末。
  5. 粒子径が、1μm以上、200μm以下であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電子ビーム積層造形用Co基合金粉末。
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