JP2020196936A - 異方性複合材料の造形方法、異方性複合材料を用いた金型 - Google Patents

異方性複合材料の造形方法、異方性複合材料を用いた金型 Download PDF

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Abstract

【課題】造形物内のFe合金相内に点在するCu相の形状を制御し、熱伝導率についても異方性を付与した複合材料を提供する。【解決手段】基材の面上に粉末金属材料を供給しながらレーザ光を照射するレーザ・メタル・デポジションによる複合材料の造形方法であって、粉末金属材料は、Ｆｅ合金粉末とＣｕ粉末の混合粉末であり、その混合比がＣｕ粉末の重量％で１５％以上３０％以下であり、レーザ光のエネルギーが、混合粉末比で、９KJ/g以上１０KJ/g以下とすることで、異方性を有する複合材料を造形する。【選択図】図１

Description

本発明は、異方性複合材料の造形技術および異方性複合材料を用いた金型等の造形物に関する。
積層造形技術の1つとしてレーザ・メタル・デポジション（Laser metal deposition：ＬＭＤと記載する場合がある）が挙げられる。
レーザ積層造形に関する先行技術文献として、特許文献１がある。特許文献１は積層物の造形順を制御することにより、Cu相とFe合金相を混在した複合材料を作製する技術が開示されている。
特開2016−211062号公報
上記LMDで、粉末金属材料にCu粉末とFe合金粉末の混合物を使用している場合、造形物内部にCuとFe合金でそれぞれ独立した相が発生し、混在している状態である。粉末金属材料の混合比でCu粉末が一定以上であった場合、造形物内部の状態はCu相に包囲されたFe合金相が点在する形状となることがある。また、Cu粉末が一定以下であった場合、Fe合金相に包囲されたCu相が点在する形状になることがある。このような造形物では、強度と熱伝導率の両方が平均化されている。
上記特許文献１では、強度と熱伝導率に異方性を持たせることで、所望な強度と熱伝導率を得ることについては、言及されていない。
本発明の目的は、造形物内のFe合金相内に点在するCu相の形状を制御し、熱伝導率についても異方性を付与した複合材料を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、形状や強度等に関する精度や品質を高めた金型を提供することにある。
本発明の異方性複合材料の造形方法の一態様は、基材の面上に粉末金属材料を供給しながらレーザ光を照射するレーザ・メタル・デポジションによる複合材料の造形方法であって、粉末金属材料は、Ｆｅ合金粉末とＣｕ粉末の混合粉末であり、Ｆｅ合金粉末とＣｕ粉末の混合比がＣｕ粉末の重量％で１５％以上３０％以下であり、レーザ光のエネルギーが、混合粉末比で、９KJ /g以上１０以下KJ /gとすることで、異方性を有する複合材料を造形する。
本発明のうち代表的な実施の形態によれば、Fe合金相内に含まれるCu相の形状制御によって、所望の強度と熱伝導率を有する造形物を造形することができる。
本発明の実施例１の複合材料の構成を示す断面図である。 比較例における、複合材料の構成を示す断面図である。 ＬＭＤの原理を説明する図である。 比較例における、複合材料の構成を示す断面図である。 比較例における、複合材料の構成を示す断面図である。 ＬＭＤで造形した積層物を示す概要図である。 ＬＭＤで造形した積層物を示す概要図である。 実施例２の複合材料における断面図である。 実施例３の複合材料における断面図である。 実施例４における、金型の例を示す断面図である。 実施例４における、金型で鍛造した製品の断面図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において同一部には原則として同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
まず、図２から図５を用いながら、異方性のないＣｕとＦｅの複合材料の積層造形方法における課題を説明する。
［課題（１）−熱伝導の低下］
図２は、実施例１に対する比較例として、ＬＭＤによる積層造形を行う際の複合材料Aの断面における形状、および積層物の位置関係を示す。なお、説明上の方向として、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を示す。Ｘ方向、Ｙ方向は、水平面を構成する直交する２つの方向である。Ｚ方向は鉛直方向である。
図２は、造形物に対してX方向とZ方向を含む平面で切断した断面図である。図２は、実施例１に対してCuが少量（重量％で１５％以下）である状態を示す。複合材料AはFe合金相１とCu相２で構成されている。
図３は、図２に示した複合材料を造形する工程の斜視図である。肉盛造形は基材３に対してZ方向にレーザ光５を照射し、Fe合金粉末１２とCu粉末１３を混合して供給することにより、積層物を造形する。
図２に示すとおり、Cu粉末１３がFe合金粉末１２に対して少量である場合、Cu相2に対して熱伝導率が低いFe合金相１に包囲されており、なおかつ、Cu相２は円形である。そのため、造形体Aの熱伝導率はFe合金相１とCu相２の平均値に対して低下する。
［課題（２）−強度の低下］
図４、図５は、実施例１に対する比較例として、LMDによる積層造形を行う際の複合材料Aの断面における形状、および積層物の位置関係を示す。なお、説明上の方向として、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を示す。Ｘ方向、Ｙ方向は、水平面を構成する直交する２つの方向である。Ｚ方向は鉛直方向である。
図４、図５は、造形物に対してX方向とZ方向を含む平面で切断した断面図である。図４、図５は実施例１に対してCuが多量（重量％で３５パーセント以上）である状態を示す。複合材料AはFe合金相１とCu相２で構成されている。
図４、図５に示すとおり、Cu粉末１３がFe合金粉末１２に対して多量である場合、Fe合金相１に対して引張強さが低いCu相２に包囲されている。そのため、造形体Aの引張強さはFe合金相１とCu相２の平均値に対して低下する。
ＬＭＤについて、図３、図６Ａ、図６Ｂを用いて説明する。
図３は、LMDで積層物の造形方法の原理を示す概要図であり、図６Ａ、６Ｂは、LMDで造形した積層物を示す概要図である。
ＬＭＤは、レーザ金属堆積、レーザ粉体肉盛り等と呼ばれる場合がある。図３に示すように、ＬＭＤでは、基材３の面上を、レーザヘッド４を走査する。この時、レーザヘッド４が粉末金属材料（粉末、金属等と記載する場合がある）であるＦｅ合金粉末１２、Ｃｕ粉末１３及びガス等の物質を供給しながら、レーザ光５を照射する。レーザ光５が照射された箇所では、基材３または粉末金属等７が溶融して溶融池６（melt pool）が形成される。
図６Ａに示すように、その溶融池６が凝固することで、ビード８が形成される。このような加工を層毎に繰り返すことにより、基材３面上にビード８が蓄積され、図６Ｂに示すように積層物９として構造物が積層造形される。
図１と図３を用いて、実施例１の積層造形装置及び方法について説明する。
実施例１の複合材料は、Fe合金相、Cu相と基材で構成された複合材料であり、Cu相２がFe合金相１に包囲されており、なおかつCu相２が基材３とFe合金相１の境界面に対して垂直な方向へ大となる異方性形状を形成する複合材料である。
図１の複合材料は、図３に示したＬＭＤの材料形状の製造方法によって、製造されたものである。
図２、図４及び図５に示した比較例の複合材料では、造形時にCu相２が異方性を持たないままFe合金相１に包囲され、熱伝導率の低下が発生し得る。また、Fe合金相１がCu相２に包囲された場合、引張強度の低下が発生し得る。
これに対し、図１に示した複合材料では、Fe合金相１に包囲されたCu相２の形状に異方性を持たせ、なおかつZ方向に大となる形状を形成することにより、熱伝導率がX方向とZ方向で異なり、Z方向の熱伝導率が向上させることができる。
図１は、実施例１の複合材料における断面図で、X方向とZ方向を含む平面で切断した状態を示す。図１では、造形対象である複合材料Aを構成するFe合金相１、Cu相２、基材３を備えている。Cu相２はFe合金相１に包囲されており、なおかつZ方向に大である形状を備えている。Cu相２は1〜100μmの大きさである。
Fe合金相１は金型を形成する材質のうち1種であり、基材３をレーザ光によって溶融される。また、Fe合金相１とCu相２はレーザ光によって基材３を溶融したところにFe合金粉末１２とCu粉末１３を混合して供給することによって形成される。
このとき、Fe合金粉末１２とCu粉末１３の混合比をCu粉末１３の重量％で１５％〜３０％の範囲で混合させることにより、Ｃｕ相２の形状がX方向に対してZ方向で大きくする。
このようなＣｕ相２の形状がX方向に対してZ方向で大きくする、即ち異方性を有する異方性複合材料をえるためには、Ｆｅ合金粉末１２とCu粉末１３の混合比をCu粉末１２の重量％で１５％以上３０％以下（１５％〜３０％）の範囲で混合することに加え、レーザ光のエネルギーが混合粉末比で、９ＫＪ/ｇ以上１０以下ＫＪ/ｇ（９〜１０ＫＪ/ｇ）とする。ＫＪは、キロジュールである。Ｆｅ合金粉末１２とCu粉末１３の混合粉末を溶かし、異方性を得るためである。
そのため、実施例１においては、レーザ光の出力を１８００以上２０００Ｗ以下とし、Fe合金粉末１２とCu粉末１３の混合粉末を０．２ｇ／ｓｅｃ（１２ｇ／ｍｉｎ以上１３ｇ／ｍｉｎ以下）で供給することで、Fe合金粉末１２とCu粉末１３の供給量はレーザ光５が基材３を溶融するときに、同時に溶融することが可能となる。これはCu相の形状がX方向の長さに対してZ方向の長さが３倍以上であり、X方向の熱伝導率よりZ方向の熱伝導率を大きい値とするためである。
レーザ光の出力は、混合粉末を溶かして造形物を形成するため、混合粉末比で９−１０ＫＪ/ｇとし、基材と造形物を結合させるために５０Ｊ/ｍｍ２とするよう制御される。
この母材と造形物を結合させるためのエネルギー５０Ｊ/ｍｍ２とするため、レーザの走査速度は１０００ｍｍ／ｍｉｎとする。
以上の通り、実施例１によれば、Fe合金粉末１２とCu粉末１３の混合比をCu粉末１２の重量％で１５％〜３０％とし、レーザ光のエネルギーが混合粉末比で、９−１０ＫＪ/ｇとなるようにすることで、図１に示すような異方性を有する複合材料を造形することができる。
尚、造形された複合材料は、Fe合金粉末１２とCu粉末１３の混合比をCu粉末１２の重量％で１５％〜３０％という所定の範囲内で変更することで、必要な強度と所望の熱伝導率を有する造形物を造形することができる。
図７を用いて、本発明の実施例２の複合材料及び造形方法について説明する。
図７は、実施例２の複合材料における断面図で、図７はX方向とZ方向を含む平面で切断した状態を示す。図７では、造形対象である複合材料（造形物とも呼ぶ）Aを構成するFe合金相１、Cu相２を備えている。Cu相２はFe合金相１に包囲されており、なおかつZ方向に大である形状を備えている。
実施例１と違い、Fe合金相１とCu相２を造形するための基材３は残存していなくてかまわない。
図８を用いて、本発明の実施例３の積層造形装置及び方法について説明する。
図８は、実施例３の複合材料における断面図で、X方向とZ方向を含む平面で切断した状態を示す。図８では、造形対象である複合材料Aを構成するFe合金相１、Cu相２、基材３、表面を構成する表面相１０を備えている。Cu相２はFe合金相１に包囲されており、なおかつZ方向に大である形状を備えている。
実施例１と違い、Fe合金相１およびCu相２は基材３との接触面と反対の位置に表面相１０と接触している。表面相１０はFe合金相１の表面に造形しても、Fe合金相１に接合してもかまわない。
図９および図１０を用いて、本発明の実施例４を説明する。
図９は、実施例１によって造形される異方性複合材料Aを有する金型の断面を示している。基材３の上層に複合材料Aが形成されている。複合材料Aは、Cu相２はFe合金相１に包囲されており、なおかつZ方向に大である形状を備えている。従って、垂直方向であるZ方向に高い熱伝導率を有し、Fe合金相１もZ方向に高い強度を得ることができる。金型１９は、熱放熱性が高く、強度も高いといった金型の特性を得ることができる。
図１０は、図９に示した金型によって製造される鍛造製品１１を示した図である。図１０は、十分な強度を持ち、高い熱伝導率を有する金型９によって、短時間で製造することができる。
以上、本発明の実施例によれば、Fe合金相内に含まれるCu相の形状制御によって、所望の強度と熱伝導率を有する複合材料からなる造形物を造形することができる。
また、本実施例の複合材料を用いて、十分な強度を持ち、高い熱伝導率を有する金型を製造することができる。
１：Ｆｅ合金相、
２：Ｃｕ相、
３：基材、
４：レーザヘッド、
５：レーザ光、
６：溶融池、
１１：鍛造製品、
１２：Ｆｅ合金粉末、
１３：Ｃｕ粉末。

Claims (5)

  1. 基材の面上に粉末金属材料を供給しながらレーザ光を照射するレーザ・メタル・デポジションによる複合材料の造形方法であって、
    前記粉末金属材料は、Ｆｅ合金粉末とＣｕ粉末の混合粉末であり、前記Ｆｅ合金粉末と前記Ｃｕ粉末の混合比がＣｕ粉末の重量％で１５％以上３０％以下であり、
    前記レーザ光のエネルギーが、混合粉末比で、９ＫＪ/ｇ 以上１０ＫＪ/ｇ以下とすることで、異方性を有する複合材料を造形することを特徴とする複合材料の造形方法。
  2. 請求項１記載の複合材料の造形方法において、
    前記レーザ光の出力は、１８００以上２０００Ｗ以下であることを特徴とする異方性複合材料の造形方法。
  3. 請求項２記載の複合材料の造形方法において、
    前記混合粉末の供給は、１２ｇ／ｍｉｎ以上１３ｇ／ｍｉｎ以下で供給することを特徴とする複合材料の造形方法。
  4. 請求項３記載の複合材料の造形方法において、
    前記レーザ光の前記基材に対する走査速度は、１０００ｍｍ／ｍｉｎであることを特徴とする複合材料の造形方法。
  5. 請求項１に記載の複合材料の造形方法によって造形された垂直方向に高い熱伝導率を有する金型。
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