JP2021025078A - 鉄基合金粉末、鉄基合金鋳造材、鉄基合金付加製造体および鉄基合金部材 - Google Patents

Abstract

【課題】部材製造後の後熱処理を不要とし、従来と同等以上の強度を有する鉄基合金部材を得ることができる鉄基合金粉末、鉄基合金鋳造材、鉄基合金粉末を用いた付加製造体および鉄基合金部材を提供する。【解決手段】本発明の鉄基合金粉末は、Ｔｉを２．５質量％以上６質量％以下、Ｂを０．２質量％以上２質量％以下含むことを特徴とする。【選択図】なし

Description

本発明は、鉄基合金粉末、鉄基合金鋳造材、鉄基合金付加製造体および鉄基合金部材に関する。

金属粉末付加製造法（Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＡＭ）は、望ましい形状の部品をニアネットシェイプで作製することが可能であるため、近年注目が集まっている。造形時に生じるさまざまな課題を解決するための研究も発展し続けている。

特許文献１には、高エネルギービームを照射して、鉄系粉末材料を部分的または完全に溶融凝固させて鉄基焼結体を形成する際に用いられる鉄系粉末材料であって、質量％で、Ｓｉ：０．７〜８．０％、Ｓ：０．０４〜０．６％、Ｃ：０．００５〜１％、Ｍｎ：０．２〜１５％、Ｐ：０．０５％以下（０％を含む）をそれぞれ含有することを特徴とする、鉄基焼結体形成用の鉄系粉末材料が開示されている。特許文献１には、急速溶融・急冷凝固等によって焼結体に誘起される割れの発生を抑制し、かつ形状精度に影響する表面粗度を改善できる粉末材料を提供できると記載されている。

また、特許文献２には、金属の粉末材料に光ビームを照射して得られる焼結層を積層することで、三次元形状を造形する金属光造形に用いる金属粉末であって、Ｆｅを７１重量％以上７６重量％以下、Ｃｒを１０重量％以上１３重量％以下、Ｎｉを４重量％以上９重量％以下、Ｃｕを４重量％以上７重量％以下、Ｔｉを２重量％以上３重量％以下、Ｃｏを０重量％以上４重量％以下、Ｓｉを０重量％以上０．５重量％以下、Ｍｎを０重量％以上０．５重量％以下を含有し、且つＣｒ＋Ｎｉが１６重量％以上１９重量％以下、Ｃｕ＋Ｔｉ＋Ｃｏが８重量％以上９重量％以下、Ｓｉ＋Ｍｎが０重量％以上１重量％以下であることを特徴とする金属光造形用金属粉末が開示されている。特許文献２によれば、硬度、熱伝導率、耐食性に優れた造形物を得ることができる金属光造形用金属粉末を提供することができると記載されている。

特開２００４−０７６０４０号公報 特開２０１４−１０５３７３号公報

付加製造体の作製では、通常、積層造形物の残留応力除去、元素固溶および析出強化などを図るため、後熱処理を行って組織制御が行われている。たとえば、ＳＵＳ３１６Ｌ造形物は、造形後、造形方向に沿い柱状晶組織となり、機械的特性には異方性が生じる。それを解消するため（等軸晶に整える）に、後熱処理が行われる。一方、後熱処理する際に材料の鋭敏化が発生したり、結晶粒径が粗大化して軟化が起こったりすることが課題となることがある。

本発明の目的は、上記事情に鑑み、部材製造後の後熱処理を不要とし、従来と同等以上の強度を有する部材を得ることができる鉄基合金粉末、鉄基合金鋳造材、鉄基合金粉末を用いた付加製造体および鉄基合金部材を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の鉄基合金粉末は、Ｔｉを２．５質量％以上６質量％以下、Ｂを０．２質量％以上２質量％以下含むことを特徴とする。

また、本発明の鉄基合金鋳造材は、Ｔｉを２．５質量％以上６質量％以下、Ｂを０．２質量％以上２質量％以下含む。

また、本発明の鉄基合金付加製造体は、Ｔｉを２．５質量％以上６質量％以下、Ｂを０．２質量％以上２質量％以下含むことを特徴とする。

また、本発明の鉄基合金部材は、上記本発明の鉄基合金付加製造体を含む。

本発明のより具体的な構成は、特許請求の範囲に記載される。

本発明によれば、部材製造後の後熱処理を不要とし、従来と同等以上の強度を有する鉄基合金部材を得ることができる鉄基合金粉末、鉄基合金鋳造材、鉄基合金粉末を用いた付加製造体および鉄基合金部材を提供できる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の鉄基合金粉末および鉄基合金粉末を用いた付加製造体の製造方法の一例を示す工程図である。 ＰＷ−４を用いて作製した鋳造材の組織を示す電子後方散乱回折法像（ＥＢＳＤ像） ＰＷ−６の鋳造材の組織を示す電子後方散乱回折法像（ＥＢＳＤ像） ＰＷ−６の鋳造材の組織を示す透過型電子顕微鏡像（ＴＥＭ像） ＰＷ−１〜ＰＷ７の（Ｓ＋Ｐ＋Ｂ）の含有量とＣｒ／Ｎｉ等量比の関係を示すグラフ

（本発明の基本思想）
本発明者は、ＳＵＳ３１６Ｌ造形物の後熱処理による鋭敏化、軟化を解消するため、熱処理なしで、微細かつ異方性の無い組織を有し、さらに高い機械的特性を示す合金材の開発について鋭意検討を行った。その結果、鉄基合金にＴｉおよびＢを所定量添加し、ＮｉＴｉ系化合物およびＴｉ系ホウ化物を合金組織中に微細に分散することにより等軸晶組織を形成し、機械的特性を向上できることを見出した。また、ＴｉおよびＢの添加量をコントロールすることにより、付加製造時の割れを抑制できることを見出した。本発明は、該知見に基づくものである。

以下、本発明の実施形態について、ただし、本発明は、ここで取り挙げた実施形態に限定されるものではなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、公知技術と適宜組み合わせたり公知技術に基づいて改良したりすることが可能である。

［鉄基合金粉末］
上述した通り、本発明の鉄基合金粉末は、鉄基合金にＴｉ（チタン）を２．５質量％以上６質量％以下、Ｂ（ホウ素）を０．２質量％以上２質量％以下含む。このような組成を有することによって、固溶強化により強度を向上させると同時に、合金組織中にＮｉＴｉ系化合物およびＴｉ系ホウ化物を微細分散し、等軸晶組織を形成し、機械的特性を向上できる。

付加製造体は、通常、付加製造後に合金を再結晶温度以上（例えば、ＳＵＳ３１６Ｌでは、１０００℃以上）に加熱し、結晶異方性を無くす（等軸晶にする）後熱処理が行われる。本発明の積層造形用は、上述した組成を有することによって積層造形体にＴｉ系ホウ化物（ＴｉＢまたはＴｉＢ_２等）を析出させる。このＴｉ系ホウ化物が再結晶の結晶核となり、組織微細化と同時に結晶粒界の移動をピン止めする効果を発揮し、柱状晶の成長を抑制できる。この結果、付加製造後の後熱処理を行わなくても、結晶異方性を解消し、従来と同等以上の強度を達成することができる。

Ｔｉの含有量が２．５質量％未満およびＢの含有量が０．２質量％未満であると、Ｔｉ系ホウ化物を析出させるのに十分ではない。Ｔｉの含有量が６質量％を超えるとコストの観点で好ましくない。Ｂは融点が低く、凝固が早いため、含有量が２質量％を超えると、付加製造後の割れが生じやすくなり、好ましくない。

一方、ＴｉおよびＢの添加により、付加製造時に凝固割れなどの課題が生じる可能性がある。そこで、以下の参考文献の結果を外挿し、合金中のＳ、ＰおよびＢの含有量（質量％）の和（Ｓ＋Ｐ＋Ｂ）およびＣｒ当量／Ｎｉ当量を調整することにより、Ｔｉを２．５質量％以上６％以下、Ｂを０．２質量％以上１質量％以下とすることとした。なお、Ｃｒ当量とＮｉ当量はそれぞれ下記のように計算する。

Ｃｒ当量＝Ｃｒ＋１．３７Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋２Ｎｂ＋３Ｔｉ
Ｎｉ当量＝Ｎｉ＋０．３１Ｍｎ＋２２Ｃ＋１４．２Ｎ＋Ｃｕ
参考文献：“溶接接合教室−基礎を学ぶ−”、２−８ステンレス鋼の溶接性、［ｏｎｌｉｎｅ］、一般社団法人日本溶接協会、［令和元年７月１８日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ−ｉｔ．ｊｗｅｓ．ｏｒ．ｊｐ／ｌｅｃｔｕｒｅ＿ｎｏｔｅ／ｉｎｄｅｘ．ｊｓｐ＞
本発明者らの検討の結果、（Ｓ＋Ｐ＋Ｂ）の含有量が１％より小さく、Ｃｒ／Ｎｉ当量比が２以上であることが好ましいことが分かった。

鉄基合金粉末は、オーステナイト系ステンレス鋼の組成であることが好ましい。さらに具体的には、Ｃ（炭素）を０．０８質量％以下、Ｍｎ（マンガン）を２質量％以下、Ｎｉ（ニッケル）を１０質量％以上１５質量％以下、Ｃｒ（クロム）を１６質量％以上１８質量％以下、Ｍｏ（モリブデン）を２質量％以上３質量％以下含み、残部がＦｅ（鉄）および不可避元素である組成が好ましい。このような組成を有する合金の１つとして、ＳＵＳ３１６Ｌが挙げられる。

図１は本発明の鉄基合金粉末および鉄基合金粉末を用いた付加製造体の製造方法の一例を示す工程図である。以下、本発明の鉄基合金粉末の製造から、鉄基合金粉末を用いた付加製造の工程について説明する。

Ｓ１：原料混合溶解工程
原料混合溶解工程Ｓ１では、所望の合金組成となるように原料を混合・溶解して溶湯１０を形成する。原料の混合方法や溶解方法に特段の限定はなく、鉄基合金（ＳＵＳ３１６Ｌ等）の製造における従前の方法を利用できる。例えば、溶解方法として真空溶解を好適に利用できる。また、真空炭素脱酸法などを併用して、溶湯１０を精錬することが好ましい。

Ｓ２：アトマイズ工程
アトマイズ工程Ｓ２では、溶湯１０から合金粉末（本発明の鉄基合金粉末）２０を製造する。本工程Ｓ２で得られる合金粉末２０が、本発明の合金材の一形態である。アトマイズ方法に特段の限定はなく、従前の方法を利用できる。例えば、高純度・均質組成・球形状粒子が得られるガスアトマイズ法や遠心力アトマイズ法を好ましく用いることができる。

本発明の合金粉末２０の平均粒径に特段の限定はないが、該合金粉末２０を用いて造形する際の流動性や充填性の観点から、５μｍ以上２００μｍ以下が好ましく、１０μｍ以上１００μｍ以下がより好ましく、１０μｍ以上５０μｍ以下が更に好ましい。

付加製造工程Ｓ３においては、合金粉末２０の平均粒径が５μｍ未満になると、合金粉末２０の流動性が低下して（例えば、付加製造における合金粉末床の形成性が低下して）、造形物の形状精度が低下する要因となる。一方、合金粉末２０の平均粒径が２００μｍ超になると、付加製造工程Ｓ３における合金粉末床の局所溶融・急冷凝固の制御が難しくなり、合金粉末２０の溶融が不十分になったり造形物の表面粗さが増加したりする要因となる。

Ｓ３：付加製造・焼結工程
付加製造工程Ｓ３では、上記で用意した合金粉末２０を用いた付加製造法より、所望形状を有する合金ＡＭ体３０を形成する。焼結ではなく局所溶融・急冷凝固によってニアネットシェイプの金属部材を造形する積層造形法の適用により、鍛造材と同等以上の硬度とともに、複雑形状を有する三次元部材を作製することができる。付加製造方法に特段の限定はなく、従前の方法を利用できるが、例えば、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）法、レーザ肉盛を用いることが好ましい。

付加製造後、必要に応じて焼結工程を行っても良い。

上述したフローに沿って製造された本発明の鉄基合金粉末、鉄基合金付加製造体および鉄基合金部材には、粒径１００ｎｍ以下のＮｉＴｉ系化合物および粒径１０００ｎｍ以下のＴｉ系ホウ化合物が含まれる。以下、実施例においてより詳細に説明する。

［ＰＷ−１〜ＰＷ−７の鉄基合金粉末の調整］
ＳＵＳ３１６Ｌの組成に以下の量のＴｉおよびＢを添加しＰＷ−１〜ＰＷ−７の鉄基合金粉末を調整した。添加したＴｉおよびＢの含有量（単位：質量％）と、（Ｓ＋Ｐ＋Ｂ）およびＣｒ当量／Ｎｉ当量の値を表１に記載する。

［鋳造材の織観察］
ＰＷ−４およびＰＷ−６の合金粉末を高周波溶解して鋳造材を作製し、断面の組織観察を行った。図２Ａは、ＰＷ−４を用いて作製した鋳造材の組織を示す電子後方散乱回折法像（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋ Ｓｃａｔｔｅｒｅｄ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｐａｔｔｅｒｎ：ＥＢＳＤ像）であり、図２Ｂは、ＰＷ−６の鋳造材の組織を示す電子後方散乱回折法像（ＥＢＳＤ像）である。ＰＷ−４およびＰＷ−６において、平均粒径５０μｍ以下で微細かつ等軸の結晶粒が観察された。

図３はＰＷ−６の鋳造材の組織を示す透過型電子顕微鏡像（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ像）である。透過電子顕微鏡により、ＳＵＳ３１６Ｌおよび５質量％Ｔｉおよび０．５質量％Ｂを添加したＰＷ−６の鋳造材の組織観察を行った。図３はＰＷ−６の組織の一例を示す透過電子顕微鏡像（ＴＥＭ像）である。ＰＷ−６の内部に直径が１００ｎｍ以下のＮｉＴｉ系析出物４１が大量に分散されていることが観察された。また、結晶粒内に直径が４００ｎｍほどのＴｉ系ホウ化物４０の生成が確認された。

図４はＰＷ−１〜ＰＷ７の（Ｓ＋Ｐ＋Ｂ）の含有量とＣｒ／Ｎｉ等量比の関係を示すグラフである。図４に示すように、（Ｓ＋Ｐ＋Ｂ）の含有量が１％より小さく、Ｃｒ／Ｎｉ等量比が２以上であるＰＷ−４〜ＰＷ７では、鋳造後の割れが無いことが確認された。

上述した実施例では鋳造材の組成と組織との関係を調査したが、鋳造材で見られた組織は、合金粉末および付加製造体でも同様であると考えられる。

以上、説明した通り、本発明によれば、部材製造後の後熱処理を不要とし、従来と同等以上の強度を有する鉄基合金部材を得ることができる鉄基合金粉末、鉄基合金鋳造材、鉄基合金粉末を用いた付加製造体および鉄基合金部材を提供できることが実証された。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加や削除または置換をすることが可能である。

１０…溶湯、２０…合金粉末、３０…合金造形物、４０…Ｔｉ系ホウ化物、４１…ＮｉＴｉ系析出物。

Claims (14)

1. Ｔｉを２．５質量％以上６質量％以下、Ｂを０．２質量％以上２質量％以下含むことを特徴とする鉄基合金粉末。
2. 前記鉄基合金粉末は、Ｃを０．０８質量％以下、Ｍｎを２質量％以下、Ｎｉを１０質量％以上１５質量％以下、Ｃｒを１６質量％以上１８質量％以下、Ｍｏを２質量％以上３質量％以下含み、残部が鉄および不可避元素であることを特徴とする請求項１に記載の鉄基合金粉末。
3. 粒径１００ｎｍ以下のＮｉＴｉ系化合物を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の鉄基合金粉末。
4. 粒径１０００ｎｍ以下のＴｉ系ホウ化合物を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の鉄基合金粉末。
5. Ｔｉを２．５質量％以上６質量％以下、Ｂを０．２質量％以上２質量％以下含むことを特徴とする鉄基合金鋳造材。
6. 前記鉄基合金鋳造材は、Ｃを０．０８質量％以下、Ｍｎを２質量％以下、Ｎｉを１０質量％以上１５質量％以下、Ｃｒを１６質量％以上１８質量％以下、Ｍｏを２質量％以上３質量％以下含み、残部が鉄および不可避元素であることを特徴とする請求項５に記載の鉄基合金鋳造材。
7. 粒径１００ｎｍ以下のＮｉＴｉ系化合物を含むことを特徴とする請求項５または６に記載の鉄基合金鋳造材。
8. 粒径１０００ｎｍ以下のＴｉ系ホウ化合物を含むことを特徴とする請求項５または６に記載の鉄基合金鋳造材。
9. Ｔｉを２．５質量％以上６質量％以下、Ｂを０．２質量％以上２質量％以下含むことを特徴とする鉄基合金付加製造体。
10. 前記鉄基合金付加製造体は、Ｃを０．０８質量％以下、Ｍｎを２質量％以下、Ｎｉを１０質量％以上１５質量％以下、Ｃｒを１６質量％以上１８質量％以下、Ｍｏを２質量％以上３質量％以下含み、残部が鉄および不可避元素であることを特徴とする請求項９に記載の鉄基合金付加製造体。
11. 粒径１００ｎｍ以下のＮｉＴｉ系化合物を含むことを特徴とする請求項９または１０に記載の鉄基合金付加製造体。
12. 粒径１０００ｎｍ以下のＴｉ系ホウ化合物を含むことを特徴とする請求項９または１０に記載の鉄基合金付加製造体。
13. 請求項９に記載の鉄基合金付加製造体を含む鉄基合金部材。
14. 前記鉄基合金部材が流体機械のインペラであることを特徴とする請求項１３に記載の鉄基合金部材。

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