JP2023037644A - 積層造形用粉砕粉 - Google Patents
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Abstract
Description
後者は粉末をAr等の気流によってノズルまで空送し、ベースプレートに落下させると同時にレーザーを照射して溶融、積層するものである。
このように粉末の供給方法が異なっても、共通して求められるのは粉末の流動性が良いことであり、そのためにアトマイズ法で製造した球状粉を用いるのが業界の常識となっている。
Y=D50×ρ×S
(上記数式において、D50は上記粉末の累積50体積%粒子径であり、ρは上記粉末の真密度であり、Sは上記粉末の比表面積である。)」が提案されている。
そして、この粉末は、好ましくは、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法及びディスクアトマイズ法等によって製造され、積層造形法、溶射法、肉盛り法、レーザーコーティング法等の粉末として用いられるが、この粉末から得られた造形物は、高強度であり、また、この粉末から得られた被覆層は、耐摩耗性に優れるとされている。
しかし、前記特許文献1には、アトマイズ法で作製した粉末を原料粉に使用することについて記載されているものの、原料粉の一部として、粉砕法で作製した粉末を用いること、セラミックスとFeの複合粉末等を用いることについての具体的な開示はない。
そして、この粉末の具体例としては、ガスアトマイズ法で製造されたステンレス系粉末(SUS316L)が挙げられており、粒度制御により流動性が改善されるため、これまでよりも均質でムラのない材料の供給が可能とされ、その結果、粉末積層造形における造形精度を高めることが可能であり、また、造形精度を維持したままより高速での造形が可能となるとされている。
しかし、原料粉の一部として、粉砕法で作製したセラミックスとFeの複合粉末等を用いることについての教示はない。
しかし、本体下の粉末は粒度分布の幅が広く、粒径が数μm程度の微細なものから150μmを越える粗粉まで含まれている。これだけの粒度幅があると均一速度での溶融ができないばかりでなく、微粉の摩擦抵抗によって粉末全体の流動性が損なわれるので、装置に供給できないという致命的な問題を生じる。
これを防ぐために振動篩や気流分級等の方法で上カット、下カットして粒度分布の幅を適正な範囲に狭めることが行われるが、それによって製品の収率が大きく低下して2~3割程度しか製品とならないため、原価が大幅に高くなるという問題がある。
また、本発明は、粉末単価が安価でかつ時効処理しなくても高硬度が得られる造形用粉末の製造方法を提供することを目的とし、さらに、この粉末を用いた耐摩耗性の大幅な向上が期待できる造形品の製造方法を提供することを目的とする。
(1)セラミックスとFeからなる複合粉末の粉砕粉と、ステンレス系粉末との混合粉末からなることを特徴とする造形用粉末。
また、本発明には、以下の積層造形用粉砕粉が含まれる。
[1]TiB 2 及びVCの一方又は両方とFeからなる複合粉末の粉砕粉であって、粒径が15μm以上、150μm以下であることを特徴とする積層造形用粉砕粉。
[2]前記粉砕粉と、粒度が15~53μmのSUS316Lアトマイズ粉を混合した混合粉を、前記混合粉中のセラミックスが10質量%になるように配合して得た際に、得られた前記混合粉の流動度が9秒/50g以上であることを特徴とする前記[1]の積層造形用粉砕粉。
一般に粉末は微粉になるほど流動性が悪化するので、カット粒径は少なくとも15μm、好ましくは20μm、より好ましくは25μmである。流動性のみを考慮するとカット粒径を更に大きくする方が良いが、あまり大きくすると収率か低下してコスト高となるので、微粉カット粒径は25μmに留めるのが好ましい。なお粗粉については150μm以上の粒径では粗すぎて溶融に時間がかかり微粉との溶融時間に差が生じて均一溶融ができなくなり、良好な造形品を得ることができなくなる。よって粒径の上限は150μmとする。
したがって上述したTiB2/Fe複合粉末、VC/Fe複合粉末、FeV粉末の粉砕粉の粒径は、15~150μm、好ましくは、20~90μm、より好ましくは、25~75μmとする。またこのように微粉をカットすることにより、粒子径が45μmを超える粒子の積算質量は50質量%以上となり平均粒径が粗くなるため、粉末の流動性改善にも効果的である。
一方、少なくするほどSUS316Lの本来の性状は保たれるが、少なすぎると造形品の硬度の上昇がわずかで効果が不十分となるため、適正な添加割合が存在する。
その割合は、好ましくは5~20質量%、より好ましくは5~10質量%の範囲であり、この範囲であれば造形品の硬度はマルエージング鋼並みの高水準となり、それに伴い耐摩耗性の大幅な向上が期待できる。
具体的には、例えば、図3にも示されるように、TiB2がステンレス(主体はFe)の結晶粒界に分布している組織が観察される。
一方、FeV添加の場合は溶融時に硬度が高いVが材料中に均一に分散し、全体的に硬度の高いV合金となって造形品の硬度が増加すると考えられる。
TiB2/Fe複合粉末の粉砕粉を分級して粒度を25~75μmとした積層造形用粉砕粉とし、混合粉末に占めるTiB2の含有割合が10質量%になるように市販されているSUS316Lアトマイズ粉と混合し造形用粉末を作製した。
表1にその結果を示すが、この造形用粉末では測定値は9秒となったが、これはSUS316Lアトマイズ粉単独(後記比較例1参照)の場合の流動度8秒とほぼ同等の時間であり、3Dプリンター用あるいは肉盛加工用粉末としては全く問題のない良好な流動性である。
すなわち、TiB2/Fe複合粉末の粉砕粉をSUS316Lへ添加して造形することにより、時効処理することなしにマルエージング鋼並みの硬度を有するSUS316Lとすることができた。
TiB2/Fe複合粉末の粉砕粉をSUS316Lへ添加した造形用粉末を用いて造形することによる大幅な硬度上昇の原理は必ずしも解明されていないが、Feマトリックス中におけるこのようなTiB2結晶の分布が寄与しているものと考えられる。
FeV粉砕粉を分級して粒度を25~75μmとした積層造形用粉砕粉とし、混合粉末に占めるV含有割合が10質量%になるように市販されているSUS316Lアトマイズ粉と混合し、造形用粉末を作製した後、流動度を測定したところ、表1に示すように、10秒となり、SUS316Lアトマイズ粉単独の場合の流動度8秒とほぼ同等の流動性となった。
この単層ビードの断面試験片を採取して樹脂埋めし、表面を研磨後に上部から底部へ0.2mmごとにビッカース硬度を測定したところ300~310Hvとなり、比較例に示すSUS316L単独の場合の硬度の約2倍となった(表1参照)。
VC粉砕粉を分級して粒度を25~75μmとした積層造形用粉砕粉とし、混合粉末に占めるVC含有割合が10質量%になるように市販されているSUS316Lアトマイズ粉と混合した造形用粉末について、実施例1、実施例2と同様の方法でDED法による単層ビードを造形してその断面硬度を測定したところ、300~320Hvとなり、比較例に示すSUS316L単独の場合の硬度の約2倍となった(表1参照)。
粒度が15~53μmのSUS316Lアトマイズ粉を、実施例1~実施例3と同様の方法で、流動度を測定するとともに、DED法による単層ビードを造形してその断面硬度を測定したところ、表1に示すように、流動度は8秒であったが、断面硬度は、160~170Hvであった。
また粉砕粉はアトマイズ粉と比べて安価なため、混合粉の原価も低下して価格が安くなるため、これまで3Dプリンターの普及を妨げていた原因の一つである粉末価格の問題が緩和されるため、大幅な需要増も期待できる。
Claims (2)
- TiB2及びVCの一方又は両方とFeからなる複合粉末の粉砕粉であって、粒径が15μm以上、150μm以下であることを特徴とする積層造形用粉砕粉。
- 前記粉砕粉と、粒度が15~53μmのSUS316Lアトマイズ粉を混合した混合粉を、前記混合粉中のセラミックスが10質量%になるように配合して得た際に、得られた前記混合粉の流動度が9秒/50g以上であることを特徴とする請求項1に記載の積層造形用粉砕粉。
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