JP2022072078A - Metal powder - Google Patents

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JP2022072078A JP2020181310A JP2020181310A JP2022072078A JP 2022072078 A JP2022072078 A JP 2022072078A JP 2020181310 A JP2020181310 A JP 2020181310A JP 2020181310 A JP2020181310 A JP 2020181310A JP 2022072078 A JP2022072078 A JP 2022072078A
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幸一郎 井上
Koichiro Inoue
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Daido Steel Co Ltd
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Daido Steel Co Ltd
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Abstract

To provide a metal powder that has low thermal conductivity and also has the amount of addition of Co reduced to the level of impurities, offering good handleability.SOLUTION: A metal powder contains 0.1≤C≤0.4 mass%, 1.8≤Si≤2.5 mass%, 0.3≤Mn≤1.2 mass%, 2.0≤Cr≤6.0 mass%, 0.5≤Mo≤3.5 mass%, and 0.1≤V≤1.0 mass% with the balance being Fe and inevitable impurities. Preferably, the metal powder further contains 0.01≤Ni≤4.0 mass% and/or 0.01≤Cu≤4.0 mass%.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、金属粉末に関し、さらに詳しくは、積層造形に適用した時に、割れや反りが少なく、かつ、適度な硬さと適度な熱伝導率とを備えた積層造形物を得ることが可能な金属粉末に関する。 The present invention relates to a metal powder, and more specifically, when applied to a laminated molding, a metal capable of obtaining a laminated molded product having less cracking and warpage, and having an appropriate hardness and an appropriate thermal conductivity. Regarding powder.

近年、金属の積層造形技術が注目されている。これは、
(a)複雑形状の金属部品を最終形状に近い形状で成形できる、
(b)設計の自由度が向上する、
(c)従来の削り出し加工に比べて削りしろが小さくなる、
などの利点があるためである。
In recent years, metal laminated molding technology has been attracting attention. this is,
(A) A metal part with a complicated shape can be molded into a shape close to the final shape.
(B) The degree of freedom in design is improved.
(C) The shaving margin is smaller than that of the conventional shaving process.
This is because there are advantages such as.

ここで、「積層造形法」とは、立体的な構造物を水平方向に輪切りにした構造に相当する薄片状の層を種々の方法を用いて積層することにより、立体的な構造物を作製する方法をいう。薄片状の層の積層方法としては、例えば、
(a)金属粉末からなる薄い層を形成する工程と、レーザー光、電子ビームなどのエネルギービームを照射して粉末層を局所的に溶融及び凝固させる工程とを繰り返す方法、
(b)所定の形状を有する薄板を重ね合わせ、拡散接合する方法
などがある。
Here, the "laminated modeling method" is to produce a three-dimensional structure by laminating flaky layers corresponding to a structure in which a three-dimensional structure is sliced in the horizontal direction by various methods. The way to do it. As a method of laminating the flaky layer, for example,
(A) A method of repeating a step of forming a thin layer made of metal powder and a step of locally melting and solidifying the powder layer by irradiating an energy beam such as a laser beam or an electron beam.
(B) There is a method of superimposing thin plates having a predetermined shape and performing diffusion joining.

これらの中でも、敷き詰められた金属粉末にレーザー光を照射し、粉末層を局所的に溶融及び凝固させる方式の積層造形法は、「SLM(Selective Laser Melting)方式」とも呼ばれている。SLM方式の積層造形法は、レーザー光の照射位置を変えるだけで複雑な立体的形状を容易に形成できるという利点がある。そのため、これを例えばダイカスト金型の作製に適用すると、金型の内部に非直線的又は三次元的な水冷回路を自由に配置することができる。 Among these, the layered manufacturing method of irradiating the spread metal powder with laser light to locally melt and solidify the powder layer is also called "SLM (Selective Laser Melting) method". The additive manufacturing method of the SLM method has an advantage that a complicated three-dimensional shape can be easily formed only by changing the irradiation position of the laser beam. Therefore, when this is applied to, for example, the production of a die casting mold, a non-linear or three-dimensional water cooling circuit can be freely arranged inside the mold.

SLM方式の3Dプリンタを用いて積層造形を行う場合、造形物の上面のみが急速加熱されるために、冷却後に造形物の上面に引張の残留応力が発生する。その結果、造形物が下に凸となるように変形しやすい。造形物の変形が大きくなると、造形物の寸法精度が低下するだけでなく、造形後に3Dプリンタから造形物を取り出すのが困難となる。そのため、積層造形用の粉末には、従来、マルエージング鋼の粉末を用いるのが一般的であった(例えば、特許文献1)。 When laminating modeling is performed using an SLM type 3D printer, since only the upper surface of the modeled object is rapidly heated, residual tensile stress is generated on the upper surface of the modeled object after cooling. As a result, the modeled object is easily deformed so as to be convex downward. When the deformation of the modeled object becomes large, not only the dimensional accuracy of the modeled object decreases, but also it becomes difficult to take out the modeled object from the 3D printer after the modeling. Therefore, conventionally, it has been common to use maraging steel powder as the powder for laminated molding (for example, Patent Document 1).

マルエージング鋼は、急冷されるとマルテンサイト変態を起こし、体積膨張する。また、マルエージング鋼は、マルテンサイト変態が生じた時点での硬さが低く、エージングによって硬化させることができる。そのため、これを積層造形に用いると、造形時の割れや歪みが小さくなり、積層造形しやすいという利点がある。また、積層造形後にエージングすれば、必要な硬さを得ることができる。 When maraging steel is rapidly cooled, it undergoes martensitic transformation and expands in volume. Further, the maraging steel has a low hardness at the time when martensitic transformation occurs and can be hardened by aging. Therefore, when this is used for laminated modeling, there is an advantage that cracks and distortions during modeling are reduced and it is easy to perform laminated modeling. In addition, the required hardness can be obtained by aging after the laminated molding.

また、特許文献2には、所定量のC、Si、Cr、Mn、Mo、V、及びNを含み残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼の粉末が開示されている。
同文献には、
(a)SKD61、SUS420J2、マルエージング鋼などの従来の金型用鋼は、高温強度を有するものの、母相中に固溶し易いSi、Cr、Ni、Co等の元素が多く含有されているために熱伝導率が低い点、
(b)この種の高合金鋼において、熱伝導率を低下させる合金成分の含有量を少なくし、かつ、Cr量を適正化すると、高耐食性を維持しつつ高熱伝導率を実現できる点、及び
(c)このような鋼の粉末は、積層造形用粉末として好適である点
が記載されている。
Further, Patent Document 2 discloses a steel powder containing a predetermined amount of C, Si, Cr, Mn, Mo, V, and N, and the balance is Fe and unavoidable impurities.
In the same document,
(A) Conventional mold steels such as SKD61, SUS420J2, and maraging steel have high temperature strength, but contain a large amount of elements such as Si, Cr, Ni, and Co that are easily dissolved in the matrix phase. Because of its low thermal conductivity,
(B) In this type of high alloy steel, if the content of the alloy component that lowers the thermal conductivity is reduced and the amount of Cr is optimized, high thermal conductivity can be achieved while maintaining high corrosion resistance. (C) It is described that such a steel powder is suitable as a powder for laminated molding.

ここで、金型には、冷却効率を高くしたい部位(以下、これを「高冷却効率部位」ともいう)だけでなく、むしろ冷却効率を低くしたい部位(以下、これを「低冷却効率部」ともいう)が含まれる場合がある。低冷却効率部としては、例えば、ダイカスト製品の薄肉部を形成するための部位などがある。このような薄肉部を造形する場合において、積層造形用粉末として特許文献2に記載の鋼粉末を用いると、鋼粉末の熱伝導率が高すぎるために、低冷却効率部を作製するのは困難である。そこで、積層造形用粉末としてマルエージング鋼粉末を用いると低冷却効率部を作製することはできる。しかし、マルエージング鋼は、特定化学物質予防規則で規制されているCoを含有し、Coを含む材料を取り扱うに際しては、環境対策や定期的な環境測定実施などが義務づけられている。そのため、マルエージング鋼は、使用に際して煩雑さがある。 Here, in the mold, not only the part where the cooling efficiency is desired to be high (hereinafter, this is also referred to as "high cooling efficiency part"), but rather the part where the cooling efficiency is desired to be low (hereinafter, this is referred to as "low cooling efficiency part"). Also called) may be included. Examples of the low cooling efficiency portion include a portion for forming a thin-walled portion of a die-cast product. When the steel powder described in Patent Document 2 is used as the powder for laminated modeling in the case of modeling such a thin-walled portion, it is difficult to fabricate the low cooling efficiency portion because the thermal conductivity of the steel powder is too high. Is. Therefore, if maraging steel powder is used as the powder for laminated molding, a low cooling efficiency portion can be produced. However, maraging steel contains Co, which is regulated by the Specified Chemical Substance Prevention Regulations, and when handling materials containing Co, it is obligatory to take environmental measures and carry out regular environmental measurements. Therefore, maraging steel is complicated in use.

国際公開第2011/149101号International Publication No. 2011/149101 特許第6601051号公報Japanese Patent No. 6601051

本発明が解決しようとする課題は、熱伝導率が低く、Coの添加量を不純物レベルに抑えたことで取り扱い性に優れる金属粉末を提供することにある。 An object to be solved by the present invention is to provide a metal powder having a low thermal conductivity and excellent handleability by suppressing the addition amount of Co to an impurity level.

上記課題を解決するために本発明に係る金属粉末は、
0.1≦C≦0.4mass%、
1.8≦Si≦2.5mass%、
0.3≦Mn≦1.2mass%、
2.0≦Cr≦6.0mass%、
0.5≦Mo≦3.5mass%、及び、
0.1≦V≦1.0mass%
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなることを要旨とする。
In order to solve the above problems, the metal powder according to the present invention is
0.1 ≤ C ≤ 0.4 mass%,
1.8 ≤ Si ≤ 2.5 mass%,
0.3 ≤ Mn ≤ 1.2 mass%,
2.0 ≤ Cr ≤ 6.0 mass%,
0.5 ≤ Mo ≤ 3.5 mass%, and
0.1 ≤ V ≤ 1.0 mass%
The gist is that the balance consists of Fe and unavoidable impurities.

本発明に係る金属粉末は、熱伝導率が低く、Coを不純物レベルに抑えたことで取り扱い性に優れる。 The metal powder according to the present invention has a low thermal conductivity and is excellent in handleability because Co is suppressed to an impurity level.

評価用素材の作製方法の模式図である。It is a schematic diagram of the manufacturing method of the material for evaluation. 図2(A)は、熱疲労試験片の作製方法の模式図である。図2(B)は、熱疲労試験の模式図である。FIG. 2A is a schematic diagram of a method for producing a thermal fatigue test piece. FIG. 2B is a schematic diagram of the thermal fatigue test.

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 金属粉末]
[1.1. 主構成元素]
本発明に係る金属粉末は、以下のような元素を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる。添加元素の種類、その成分範囲、及びその限定理由は、以下の通りである。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Metal powder]
[1.1. Main constituent elements]
The metal powder according to the present invention contains the following elements, and the balance consists of Fe and unavoidable impurities. The types of additive elements, their component ranges, and the reasons for their limitation are as follows.

(1) 0.1≦C≦0.4mass%:
Cは、焼入れ時の硬さを高め、造形品の強度を得るために必要な元素である。C含有量が少なくなりすぎると、金型や機械部品に適用する際に強度が不足する。従って、C含有量は、0.1mass%以上である必要がある。C含有量は、好ましくは、0.15mass%以上、さらに好ましくは、0.2mass%以上である。
一方、C含有量が過剰になると、3Dプリンタによる造形時に硬さが高くなりすぎて割れ発生を起こしやすくなる。従って、C含有量は、0.4mass%以下である必要がある。C含有量は、好ましくは、0.35mass%以下、さらに好ましくは、0.3mass%以下である。
(1) 0.1 ≤ C ≤ 0.4 mass%:
C is an element necessary for increasing the hardness at the time of quenching and obtaining the strength of the modeled product. If the C content is too low, the strength will be insufficient when applied to molds and machine parts. Therefore, the C content needs to be 0.1 mass% or more. The C content is preferably 0.15 mass% or more, more preferably 0.2 mass% or more.
On the other hand, if the C content is excessive, the hardness becomes too high during modeling with a 3D printer, and cracks are likely to occur. Therefore, the C content needs to be 0.4 mass% or less. The C content is preferably 0.35 mass% or less, more preferably 0.3 mass% or less.

(2) 1.8≦Si≦2.5mass%:
本発明において、Siは非常に重要な役割を持っており、Si含有量を高めることにより熱伝導率を効果的に低下させることができる。通常の熱間ダイス鋼でも1mass%程度のSiは添加されている。しかしながら、マルエージング鋼並みに熱伝導率を低下させるためには、Si含有量は、1.8mass%以上である必要がある。Si含有量は、好ましくは、1.9mass%以上、さらに好ましくは、2.0mass%以上である。
一方,Si含有量が過剰になると、焼入れ時にオーステナイト単相を得ることができず、焼入れ組織不良を発生させるおそれがある。従って、Si含有量は、2.5mass%以下である必要がある。Si含有量は、好ましくは、2.3mass%以下、さらに好ましくは、2.2mass%以下である。
(2) 1.8 ≤ Si ≤ 2.5 mass%:
In the present invention, Si has a very important role, and the thermal conductivity can be effectively lowered by increasing the Si content. Even in ordinary hot die steel, about 1 mass% of Si is added. However, in order to reduce the thermal conductivity to the same level as maraging steel, the Si content needs to be 1.8 mass% or more. The Si content is preferably 1.9 mass% or more, more preferably 2.0 mass% or more.
On the other hand, if the Si content is excessive, austenite single phase cannot be obtained during quenching, which may cause poor quenching structure. Therefore, the Si content needs to be 2.5 mass% or less. The Si content is preferably 2.3 mass% or less, more preferably 2.2 mass% or less.

(3) 0.3≦Mn≦1.2mass%:
Mnは、焼入れ性を確保するために必要である。金属粉末は、造形時にレーザーなどの3Dプリンタの熱源により溶融した粉末が凝固冷却することにより焼入れできる程度の焼入れ性を有することが好ましい。そのためには、Mn含有量は、0.3mass%以上である必要がある。Mn含有量は、好ましくは、0.4mass%以上、さらに好ましくは、0.5mass%以上である。
一方、Mn含有量が過剰になると、その効果が飽和するだけでなく、焼入れ後に多量の残留γを生成させ、かえって硬さが低下する場合がある。従って、Mn含有量は、1.2mass%以下である必要がある。Mn含有量は、好ましくは、1.0mass%以下、さらに好ましくは、0.8mass%以下である。
(3) 0.3 ≤ Mn ≤ 1.2 mass%:
Mn is necessary to ensure hardenability. It is preferable that the metal powder has a hardenability to the extent that the powder melted by a heat source of a 3D printer such as a laser at the time of modeling is solidified and cooled to be hardened. For that purpose, the Mn content needs to be 0.3 mass% or more. The Mn content is preferably 0.4 mass% or more, more preferably 0.5 mass% or more.
On the other hand, when the Mn content becomes excessive, not only the effect is saturated, but also a large amount of residual γ is generated after quenching, and the hardness may be rather lowered. Therefore, the Mn content needs to be 1.2 mass% or less. The Mn content is preferably 1.0 mass% or less, more preferably 0.8 mass% or less.

(4) 2.0≦Cr≦6.0mass%:
Crは、Mnと同様に焼入れ性を確保するために必要な元素である。また、Crは、炭素と結合して炭化物として析出し、500~600℃で2次硬化を起こす。この2次硬化により熱間ダイス鋼は高温で軟化しにくくなる特徴を持つ。このような効果を得るためには、Cr含有量は、2.0mass%以上である必要がある。Cr含有量は、好ましくは、2.5mass%以上、さらに好ましくは、3.0mass%以上である。
一方、Cr含有量が過剰になると、炭化物の析出が加速され、かえって高温での軟化抵抗が低下する場合がある。従って、Cr含有量は、6.0mass%以下である必要がある。Cr含有量は、好ましくは、5.5mass%以下、さらに好ましくは、5.0mass%以下である。
(4) 2.0 ≤ Cr ≤ 6.0 mass%:
Cr is an element necessary for ensuring hardenability like Mn. Further, Cr combines with carbon and precipitates as a carbide, causing secondary curing at 500 to 600 ° C. Due to this secondary hardening, the hot die steel has a characteristic that it is difficult to soften at a high temperature. In order to obtain such an effect, the Cr content needs to be 2.0 mass% or more. The Cr content is preferably 2.5 mass% or more, and more preferably 3.0 mass% or more.
On the other hand, if the Cr content becomes excessive, the precipitation of carbides may be accelerated, and the softening resistance at high temperatures may decrease. Therefore, the Cr content needs to be 6.0 mass% or less. The Cr content is preferably 5.5 mass% or less, more preferably 5.0 mass% or less.

(5) 0.5≦Mo≦3.5mass%:
Moは、Crと同様に炭化物を形成し、500~600℃の加熱で2次硬化を示す元素である。このような効果を得るためには、Mo含有量は0.5mass%以上である必要がある。Mo含有量は、好ましくは、0.8mass%以上、さらに好ましくは、1.0mass%以上である。
一方、Moは、他の元素に比べて高価である。そのため、Moを必要以上に添加すると、経済的に不利となる。従って、Mo含有量は、3.5mass%以下である必要がある。Mo含有量は、好ましくは、3.2mass%以下、さらに好ましくは、3.0mass%以下である。
(5) 0.5 ≤ Mo ≤ 3.5 mass%:
Mo is an element that forms carbides like Cr and exhibits secondary curing when heated at 500 to 600 ° C. In order to obtain such an effect, the Mo content needs to be 0.5 mass% or more. The Mo content is preferably 0.8 mass% or more, more preferably 1.0 mass% or more.
On the other hand, Mo is more expensive than other elements. Therefore, adding more Mo than necessary is economically disadvantageous. Therefore, the Mo content needs to be 3.5 mass% or less. The Mo content is preferably 3.2 mass% or less, more preferably 3.0 mass% or less.

(6) 0.1≦V≦1.0mass%:
VもMoと同様に炭化物を形成し、500~600℃の加熱で2次硬化を示す元素である。また、造形後の焼戻しで硬さ調整に失敗した場合に再焼入れを実施する必要があるが、再焼入れ時における結晶粒の粗大化を抑制するためにも必要な元素である。このような効果を得るためには、V含有量は、0.1mass%以上である必要がある。V含有量は、好ましくは、0.2mass%以上、さらに好ましくは、0.3mass%以上である。
一方、Vを必要以上に添加すると、経済的に不利となる。従って、V含有量は、1.0mass%以下である必要がある。V含有量は、好ましくは、0.9mass%以下、さらに好ましくは、0.8mass%以下である。
(6) 0.1 ≤ V ≤ 1.0 mass%:
V is also an element that forms carbides like Mo and exhibits secondary curing when heated at 500 to 600 ° C. Further, it is necessary to carry out re-quenching when the hardness adjustment fails in tempering after molding, but it is also an element necessary for suppressing the coarsening of crystal grains at the time of re-quenching. In order to obtain such an effect, the V content needs to be 0.1 mass% or more. The V content is preferably 0.2 mass% or more, more preferably 0.3 mass% or more.
On the other hand, if V is added more than necessary, it is economically disadvantageous. Therefore, the V content needs to be 1.0 mass% or less. The V content is preferably 0.9 mass% or less, more preferably 0.8 mass% or less.

[1.2. 副構成元素]
本発明に係る金属粉末は、上述した元素に加えて、以下の1種又は2種以上の元素を更に含んでいても良い。添加元素の種類、その成分範囲、及びその限定理由は、以下の通りである。
[1.2. Sub-constituents]
The metal powder according to the present invention may further contain one or more of the following elements in addition to the above-mentioned elements. The types of additive elements, their component ranges, and the reasons for their limitation are as follows.

(7) 0.01≦Ni≦4.0mass%:
Niは、焼入れ性を向上させるとともに、鋼の靱性を改善する元素である。このような効果を得るためには、Ni含有量は、0.01mass%以上が好ましい。Ni含有量は、好ましくは、1.0mass%以上、さらに好ましくは、2.0mass%以上である。
一方、Ni含有量が過剰になると、造形後の焼入れ時に多量の残留γが生成し、硬さが低下する場合がある。従って、Ni含有量は、4.0mass%以下が好ましい。Ni含有量は、好ましくは、3.5mass%以下、さらに好ましくは、3.0mass%以下である。
(7) 0.01 ≤ Ni ≤ 4.0 mass%:
Ni is an element that improves hardenability and toughness of steel. In order to obtain such an effect, the Ni content is preferably 0.01 mass% or more. The Ni content is preferably 1.0 mass% or more, and more preferably 2.0 mass% or more.
On the other hand, if the Ni content is excessive, a large amount of residual γ may be generated during quenching after molding, and the hardness may decrease. Therefore, the Ni content is preferably 4.0 mass% or less. The Ni content is preferably 3.5 mass% or less, more preferably 3.0 mass% or less.

(8) 0.01≦Cu≦4.0mass%:
Cuは、焼入れ性を向上させるとともに、鋼の靱性を改善する元素である。このような効果を得るためには、Cu含有量は、0.01mass%以上が好ましい。Cu含有量は、好ましくは、1.0mass%以上、さらに好ましくは、2.0mass%以上である。
一方、Cu含有量が過剰になると、造形後の焼入れ時に多量の残留γが生成し、硬さが低下する場合がある。さらに、Cu含有量が過剰になると、熱間加工性が低下する場合がある。従って、Cu含有量は、4.0mass%以下が好ましい。Cu含有量は、好ましくは、3.5mass%以下、さらに好ましくは、3.0mass%以下である。
なお、本発明に係る金属粉末は、Ni又はCuのいずれか一方を含むものでも良く、あるいは、双方を含むものでも良い。
(8) 0.01 ≤ Cu ≤ 4.0 mass%:
Cu is an element that improves hardenability and toughness of steel. In order to obtain such an effect, the Cu content is preferably 0.01 mass% or more. The Cu content is preferably 1.0 mass% or more, more preferably 2.0 mass% or more.
On the other hand, if the Cu content is excessive, a large amount of residual γ may be generated during quenching after molding, and the hardness may decrease. Further, if the Cu content is excessive, the hot workability may be deteriorated. Therefore, the Cu content is preferably 4.0 mass% or less. The Cu content is preferably 3.5 mass% or less, more preferably 3.0 mass% or less.
The metal powder according to the present invention may contain either Ni or Cu, or may contain both.

(9) 0.01≦Al≦2.0mass%:
Alは、脱散剤として必要な元素である。また、Alは、結晶粒を微細化する効果を持つ元素でもある。このような効果を得るためには、Al含有量は、0.01mass%以上が好ましい。Al含有量は、好ましくは、0.015mass%以上、さらに好ましくは、0.02mass%以上である。
一方、Alを必要以上に添加しても、その効果が飽和する。従って、Al含有量は、2.0mass%以下が好ましい。Al含有量は、好ましくは、0.8mass%以下、さらに好ましくは、0.6mass%以下である。
(9) 0.01 ≤ Al ≤ 2.0 mass%:
Al is an element required as a dispersant. Al is also an element having an effect of refining crystal grains. In order to obtain such an effect, the Al content is preferably 0.01 mass% or more. The Al content is preferably 0.015 mass% or more, more preferably 0.02 mass% or more.
On the other hand, even if Al is added more than necessary, the effect is saturated. Therefore, the Al content is preferably 2.0 mass% or less. The Al content is preferably 0.8 mass% or less, more preferably 0.6 mass% or less.

(10)0.01≦Nb≦1.0mass%:
Nbは、微細な炭化物を形成し、結晶粒を微細化させる効果を持つ。このような効果を得るためには、Nb含有量は、0.01mass%以上が好ましい。Nb含有量は、好ましくは、0.015mass%以上、さらに好ましくは、0.02mass%以上である。
一方、Nb含有量が過剰になると、炭化物が粗大化し、これが破壊の起点として作用し、製品の特性を劣化させる場合がある。従って、Nb含有量は、1.0mass%以下が好ましい。Nb含有量は、好ましくは、0.8mass%以下、さらに好ましくは、0.6mass%以下である。
(10) 0.01 ≤ Nb ≤ 1.0 mass%:
Nb has the effect of forming fine carbides and making crystal grains finer. In order to obtain such an effect, the Nb content is preferably 0.01 mass% or more. The Nb content is preferably 0.015 mass% or more, more preferably 0.02 mass% or more.
On the other hand, when the Nb content becomes excessive, the carbide becomes coarse, which acts as a starting point of fracture and may deteriorate the characteristics of the product. Therefore, the Nb content is preferably 1.0 mass% or less. The Nb content is preferably 0.8 mass% or less, more preferably 0.6 mass% or less.

(11)0.01≦Ti≦1.0mass%:
Tiは、Nbと同様に、微細な炭化物を形成し、結晶粒を微細化させる効果を持つ。このような効果を得るためには、Ti含有量は、0.01mass%以上が好ましい。Ti含有量は、好ましくは、0.015mass%以上、さらに好ましくは、0.02mass%以上である。
一方、Ti含有量が過剰になると、炭化物が粗大化し、これが破壊の起点として作用し、製品の特性を劣化させる場合がある。従って、Ti含有量は、1.0mass%以下が好ましい。Ti含有量は、好ましくは、0.8mass%以下、さらに好ましくは、0.6mass%以下である。
なお、本発明に係る金属粉末は、Al、Nb又はTiのいずれか1種を含むものでも良く、あるいは、2種以上を含むものでも良い。
(11) 0.01 ≤ Ti ≤ 1.0 mass%:
Like Nb, Ti has the effect of forming fine carbides and making crystal grains finer. In order to obtain such an effect, the Ti content is preferably 0.01 mass% or more. The Ti content is preferably 0.015 mass% or more, more preferably 0.02 mass% or more.
On the other hand, when the Ti content becomes excessive, the carbide becomes coarse, which acts as a starting point of fracture and may deteriorate the characteristics of the product. Therefore, the Ti content is preferably 1.0 mass% or less. The Ti content is preferably 0.8 mass% or less, more preferably 0.6 mass% or less.
The metal powder according to the present invention may contain any one of Al, Nb or Ti, or may contain two or more of them.

[1.3. 用途]
本発明に係る金属粉末は、種々の用途に用いることができるが、特に、積層造形用の金属粉末として好適である。
[1.3. Use]
The metal powder according to the present invention can be used for various purposes, but is particularly suitable as a metal powder for laminated modeling.

[2. 金属粉末の製造方法]
本発明において、金属粉末の製造方法は、特に限定されない。金属粉末の製造方法としては、例えば、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、プラズマアトマイズ法、プラズマ回転電極法、遠心力アトマイズ法などがある。
例えば、ガスアトマイズ法を用いて金属粉末を製造する場合、溶湯をタンディッシュの底部から落下させながら、溶湯に高圧ガスを吹き付け、溶湯を粉砕・凝固させる。この場合、高圧ガスには、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスが用いられる。ガスアトマイズ法により粉末を製造する場合、P、S、Cu、Co、Ti、Nbなどの不純物が不可避的に混入することがある。
さらに、2種以上の金属粉末を混合し、メカニカルアロイングなどの方法により金属粉末を製造しても良い。
[2. Metal powder manufacturing method]
In the present invention, the method for producing a metal powder is not particularly limited. Examples of the method for producing the metal powder include a gas atomizing method, a water atomizing method, a plasma atomizing method, a plasma rotating electrode method, and a centrifugal force atomizing method.
For example, when a metal powder is produced by using the gas atomizing method, high-pressure gas is blown onto the molten metal while dropping the molten metal from the bottom of the tundish to crush and solidify the molten metal. In this case, an inert gas such as nitrogen, argon or helium is used as the high-pressure gas. When powder is produced by the gas atomizing method, impurities such as P, S, Cu, Co, Ti and Nb may be inevitably mixed.
Further, two or more kinds of metal powders may be mixed to produce the metal powder by a method such as mechanical alloying.

また、いずれかの方法を用いて金属粉末を製造した後、さらに、金属粉末に対して還元性熱プラズマによる球状化処理を施しても良い。あるいは、金属粉末の流動性向上のため、粉末製造後に表面にナノ粒子を適量被覆しても良い。さらに、金属粉末の粒度分布は、製造条件によって制御することもできるが、湿式サイクロン、乾式サイクロン、乾式ふるい、超音波ふるいなどの分級法を用いて制御することもできる。 Further, after producing the metal powder by any method, the metal powder may be further subjected to a spheroidizing treatment by reducing thermal plasma. Alternatively, in order to improve the fluidity of the metal powder, an appropriate amount of nanoparticles may be coated on the surface after the powder is produced. Further, the particle size distribution of the metal powder can be controlled by the production conditions, but can also be controlled by using a classification method such as a wet cyclone, a dry cyclone, a dry sieve, and an ultrasonic sieve.

[3. 作用]
金属3Dプリンタによる積層造形は、造形の自由度が高く、従来切削加工では造形できなかった複雑な形状を造形できるのが特徴である。この特徴を活かし、金属3Dプリンタの金型への適用が盛んに検討されている。現在、金属3Dプリンタの主な用途は、水冷孔を有するダイカスト金型の製造である。従来の適用例は、ダイカスト金型において水冷孔を自由に配置することにより金型の冷却ムラを低減し、ダイカスト製品への焼き付きを防止し、金型寿命を向上させる効果を狙ったものが多い。
[3. Action]
Laminated modeling with a metal 3D printer has a high degree of freedom in modeling, and is characterized by being able to model complex shapes that could not be modeled by conventional cutting. Taking advantage of this feature, application of metal 3D printers to molds is being actively studied. Currently, the main application of metal 3D printers is the manufacture of die casting dies with water cooling holes. Many of the conventional application examples aim at the effect of reducing the cooling unevenness of the mold by freely arranging the water cooling holes in the die casting mold, preventing seizure on the die casting product, and improving the life of the mold. ..

一方、金属3Dプリンタに用いられる金属粉末には、従来、マルエージング鋼が主に用いられてきた。しかし、マルエージング鋼は熱伝導率が低いため、水冷孔を造形し、効果的に冷却したい金型の材料には不向きであった。また、ダイス鋼からなる土台部の表面に造形部を作製する場合において、積層造形用粉末としてマルエージング鋼粉末を用いると、土台部と造形部の境界部で剥離が生じたり、あるいは、土台部と造形部の硬さを合わせることが難しいという問題があった。これらの問題を解決するために、ダイカスト金型に汎用されているSKD61を改良し、熱伝導率を向上させた金属3Dプリンタ用粉末が開発されている(例えば、特許文献1又は2)。 On the other hand, as the metal powder used in the metal 3D printer, maraging steel has been mainly used in the past. However, since maraging steel has a low thermal conductivity, it is not suitable as a material for a mold that wants to form water cooling holes and cool it effectively. Further, when a modeling portion is formed on the surface of a base portion made of die steel, if maraging steel powder is used as the powder for laminated molding, peeling may occur at the boundary portion between the base portion and the molding portion, or the base portion may be separated. There was a problem that it was difficult to match the hardness of the shaped part. In order to solve these problems, a powder for a metal 3D printer has been developed by improving SKD61, which is widely used in die casting dies, and improving thermal conductivity (for example, Patent Document 1 or 2).

ここで、金型には、水冷孔周りのように冷却効率を高くしたい部位(高冷却効率部)だけでなく、むしろ冷却効率を低くしたい部位(低冷却効率部)が含まれる場合がある。現状の金属3Dプリンタでは達成できていないが、複数種類の粉末を用いて水冷孔を有する金型を造形可能な3Dプリンタが実用化された場合、高熱伝導率粉末と低熱伝導率粉末とを適材適所に用いて、高性能な金型を製造することも可能になると考えられる。しかしながら、従来の積層造形用粉末は、専ら高熱伝導率化を意図して材料設計されており、低冷却効率部の積層造形に適した金属粉末が提案された例は、従来にはない。 Here, the mold may include not only a portion where the cooling efficiency is desired to be high (high cooling efficiency portion) such as around a water cooling hole, but rather a portion where the cooling efficiency is desired to be lowered (low cooling efficiency portion). Although it has not been achieved with the current metal 3D printer, when a 3D printer that can form a mold with water cooling holes using multiple types of powder is put into practical use, high thermal conductivity powder and low thermal conductivity powder are suitable materials. It will be possible to manufacture high-performance molds by using them in the right places. However, the conventional powder for laminated molding has been material-designed solely for the purpose of increasing the thermal conductivity, and there has been no conventional example in which a metal powder suitable for laminated molding of a low cooling efficiency portion has been proposed.

これに対し、本発明に係る金属粉末は、焼入れ性の確保に必要な元素が含まれていることに加えて、汎用のダイス鋼に比べてSi含有量が高い。そのため、本発明に係る金属粉末は、線膨張係数及び所定の硬さを得るために必要な熱処理温度が汎用のダイス鋼と同等であり、かつ、熱伝導率が汎用のダイス鋼より低く、マルエージング鋼と同等である。
また、本発明に係る金属粉末は、Coの添加量を不純物レベルに抑えたため、Coを含有するマルエージング鋼よりも取り扱い性に優れる。
また、汎用のダイス鋼からなる土台部の上に造形部を形成する場合において、積層造形用粉末として本発明に係る金属粉末を用いると、土台部の表面に低冷却効率部を造形することができる。しかも、本発明に係る金属粉末は、線膨張係数及び熱処理温度が土台部と同等であるため、境界部での剥離が抑制され、土台部と造形部の硬さも合わせやすい。
On the other hand, the metal powder according to the present invention contains elements necessary for ensuring hardenability and has a higher Si content than general-purpose die steel. Therefore, the metal powder according to the present invention has a coefficient of linear expansion and a heat treatment temperature required to obtain a predetermined hardness, which is equivalent to that of general-purpose die steel, and has a lower thermal conductivity than general-purpose die steel. Equivalent to aging steel.
Further, the metal powder according to the present invention is superior in handleability to the maraging steel containing Co because the amount of Co added is suppressed to the impurity level.
Further, in the case of forming a modeling portion on a base portion made of general-purpose die steel, if the metal powder according to the present invention is used as the powder for laminated molding, a low cooling efficiency portion can be formed on the surface of the base portion. can. Moreover, since the metal powder according to the present invention has the same linear expansion coefficient and heat treatment temperature as the base portion, peeling at the boundary portion is suppressed, and the hardness of the base portion and the shaped portion can be easily matched.

(実施例1~9、比較例1~3)
[1. 試料の作製]
[1.1. 金属粉末の作製]
ガスアトマイズ法を用いて、表1に示す12種類の金属粉末を作製した。なお、比較例1は熱間工具鋼(JIS SKD61)に、比較例2は熱間工具鋼(JIS SKD7)に、比較例3はマルエージング鋼に、それぞれ、相当する。
(Examples 1 to 9, comparative examples 1 to 3)
[1. Preparation of sample]
[1.1. Preparation of metal powder]
Using the gas atomizing method, 12 kinds of metal powders shown in Table 1 were prepared. Comparative Example 1 corresponds to hot tool steel (JIS SKD61), Comparative Example 2 corresponds to hot tool steel (JIS SKD7), and Comparative Example 3 corresponds to maraging steel.

[1.2. 積層造形物の作製]
図1に、評価用素材の作製方法の模式図を示す。まず、48HRCに調質されたSKD61からなる土台部12を準備した。次に、表1に示す各種金属粉末及びSLM方式の3Dプリンタを用いて、土台部12の上に造形部14を積層造形し、評価用素材10を得た。積層造形用粉末には、平均粒径が25~53μmであり、かつ、雪崩角が45°以下である粉末を用いた。積層造形後、造形部14の硬さが48HRCとなるように評価用素材10を調質した。
[1.2. Fabrication of laminated model]
FIG. 1 shows a schematic diagram of a method for producing an evaluation material. First, a base portion 12 made of SKD61 tempered to 48HRC was prepared. Next, using various metal powders shown in Table 1 and an SLM-type 3D printer, the modeling portion 14 was laminated on the base portion 12 to obtain an evaluation material 10. As the powder for laminated molding, a powder having an average particle size of 25 to 53 μm and an avalanche angle of 45 ° or less was used. After the laminated molding, the evaluation material 10 was tempered so that the hardness of the molding portion 14 was 48HRC.

[2. 試験方法]
[2.1. 硬さ]
造形部14を調質した後、土台部12及び造形部14から、それぞれ、硬さ測定用の試験片を切り出した(図1参照)。得られた試験片を用いて、ロックウェル硬さ(JIS Z2245)を測定した。
[2. Test method]
[2.1. Hardness]
After tempering the modeling portion 14, test pieces for hardness measurement were cut out from the base portion 12 and the modeling portion 14, respectively (see FIG. 1). Rockwell hardness (JIS Z2245) was measured using the obtained test piece.

[2.2. 熱伝導率]
造形部14を調質した後、造形部14から熱伝導率測定用の試験片(φ10mm×2mm)を切り出した(図1参照)。25℃においてレーザーフラッシュ法を用いて、試験片の比熱及び熱拡散率を測定した。なお、測定時は、試験片の両面にカーボンスプレーを塗布した。また、アルキメデス法(JIS Z8807)を用いて、試験片の密度を測定した。さらに、以下の式(5)を用いて熱伝導率を算出した。
熱伝導率=熱拡散率×比熱×密度 …(5)
[2.2. Thermal conductivity]
After tempering the modeling unit 14, a test piece (φ10 mm × 2 mm) for measuring thermal conductivity was cut out from the modeling unit 14 (see FIG. 1). The specific heat and thermal diffusivity of the test piece were measured at 25 ° C. using a laser flash method. At the time of measurement, carbon spray was applied to both sides of the test piece. In addition, the density of the test piece was measured using the Archimedes method (JIS Z8807). Furthermore, the thermal conductivity was calculated using the following formula (5).
Thermal conductivity = thermal diffusivity x specific heat x density ... (5)

[2.3. 熱疲労試験]
図2(A)に、熱疲労試験片の作製方法の模式図を示す。図2(B)に、熱疲労試験の模式図を示す。まず、評価用素材10から、土台部12と造形部14の境界部16を含むφ70mm×20mmの試験片20を作製した。
次に、試験片20の上端面を高周波加熱で580℃まで加熱後、上端面にシャワー冷水を3秒間散布する操作を合計10000回繰り返す熱疲労試験を実施した。熱疲労試験後、境界部16における割れの有無を評価した。
[2.3. Thermal fatigue test]
FIG. 2A shows a schematic diagram of a method for producing a thermal fatigue test piece. FIG. 2B shows a schematic diagram of the thermal fatigue test. First, from the evaluation material 10, a test piece 20 having a diameter of 70 mm × 20 mm including the boundary portion 16 between the base portion 12 and the modeling portion 14 was produced.
Next, a thermal fatigue test was carried out in which the upper end surface of the test piece 20 was heated to 580 ° C. by high frequency heating, and then the operation of spraying cold shower water on the upper end surface for 3 seconds was repeated 10,000 times in total. After the thermal fatigue test, the presence or absence of cracks at the boundary portion 16 was evaluated.

[3. 結果]
表1に、結果を示す。なお、表1には、金属粉末の組成も併せて示した。
また、熱疲労試験結果に関し、「○」は試験後も境界部に割れの発生が認められなかったことを表し、「×」は試験後に境界部で割れが発生したことを表す。表1より、以下のことが分かる。
[3. result]
Table 1 shows the results. Table 1 also shows the composition of the metal powder.
Regarding the results of the thermal fatigue test, "○" indicates that no cracks were found at the boundary even after the test, and "x" indicates that cracks occurred at the boundary after the test. From Table 1, the following can be seen.

Figure 2022072078000002
Figure 2022072078000002

(1)実施例1~9は、いずれも比較例1(SKD61)に比べて熱伝導率は低く、比較例3(マルエージング鋼)並みの低い熱伝導率を示した。また、造形部14の硬さを48HRC狙いで調質した場合にも、土台部12の硬さは47~48HRCであり、大きな軟化は認められなかった。さらに、熱疲労試験では、境界部16に亀裂の発生は認められず、良好な特性を示した。
(2)比較例1及び比較例2(SKD7)は、実施例1~9や比較例3に比べて熱伝導率が高くなった。
(3)比較例3は、熱伝導率は低い。しかし、造形部14の硬さを48HRC狙いで調質した場合、土台部12の硬さが45.3HRCと大幅に低下した。さらに、熱疲労試験の結果、境界部16で亀裂が発生し、金型として重要な特性である熱疲労強度が低下した。
(1) In Examples 1 to 9, the thermal conductivity was lower than that of Comparative Example 1 (SKD61), and the thermal conductivity was as low as that of Comparative Example 3 (maraging steel). Further, even when the hardness of the modeling portion 14 was tempered with the aim of 48HRC, the hardness of the base portion 12 was 47 to 48HRC, and no significant softening was observed. Furthermore, in the thermal fatigue test, no cracks were observed at the boundary portion 16, showing good characteristics.
(2) Comparative Example 1 and Comparative Example 2 (SKD7) had higher thermal conductivity than Examples 1 to 9 and Comparative Example 3.
(3) Comparative Example 3 has a low thermal conductivity. However, when the hardness of the molded portion 14 was tempered with the aim of 48 HRC, the hardness of the base portion 12 was significantly reduced to 45.3 HRC. Further, as a result of the thermal fatigue test, cracks were generated at the boundary portion 16, and the thermal fatigue strength, which is an important characteristic of the mold, was lowered.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

本発明に係る金属粉末は、積層造形法を用いて、冷却を必要とする金型(例えば、ダイカスト用金型、ホットスタンピング用金型、テイラードダイクエンチ用金型)を製造するための粉末原料として用いることができる。 The metal powder according to the present invention is used as a powder raw material for producing a mold that requires cooling (for example, a die for die casting, a die for hot stamping, a die for tailored die quenching) by using a laminated molding method. Can be used.

Claims (4)

0.1≦C≦0.4mass%、
1.8≦Si≦2.5mass%、
0.3≦Mn≦1.2mass%、
2.0≦Cr≦6.0mass%、
0.5≦Mo≦3.5mass%、及び、
0.1≦V≦1.0mass%
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる金属粉末。
0.1 ≤ C ≤ 0.4 mass%,
1.8 ≤ Si ≤ 2.5 mass%,
0.3 ≤ Mn ≤ 1.2 mass%,
2.0 ≤ Cr ≤ 6.0 mass%,
0.5 ≤ Mo ≤ 3.5 mass%, and
0.1 ≤ V ≤ 1.0 mass%
A metal powder containing Fe and the balance consisting of Fe and unavoidable impurities.
0.01≦Ni≦4.0mass%、及び/又は、
0.01≦Cu≦4.0mass%
をさらに含む請求項1に記載の金属粉末。
0.01 ≤ Ni ≤ 4.0 mass% and / or
0.01 ≤ Cu ≤ 4.0 mass%
The metal powder according to claim 1, further comprising.
0.01≦Al≦2.0mass%、
0.01≦Nb≦1.0mass%、及び
0.01≦Ti≦1.0mass%
からなる群から選ばれるいずれか1以上の元素をさらに含む請求項1又は2に記載の金属粉末。
0.01 ≤ Al ≤ 2.0 mass%,
0.01 ≤ Nb ≤ 1.0 mass%, and 0.01 ≤ Ti ≤ 1.0 mass%
The metal powder according to claim 1 or 2, further comprising any one or more elements selected from the group consisting of.
積層造形に用いられる請求項1から3までのいずれか1項に記載の金属粉末。 The metal powder according to any one of claims 1 to 3 used for laminated molding.
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