JP2023057593A - 造形性および導電性に優れた三次元積層造形用の銅合金粉末 - Google Patents
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Abstract
【課題】 積層造形などの急速溶融急冷凝固を伴うプロセスに適しており、高密度な造形物の作製が可能であり、かつ高い導電率を有する造形物が得られる銅合金粉末の提供。【解決手段】 銅への平衡状態での固溶限Aが0.01≦A≦1.00であって固溶限A(原子%)と実際の固溶量B(原子%)の比(B/A)がB/A:1.2~5.0である添加元素Mを含有する、三次元積層造形用の銅合金粉末。【選択図】 なし
Description
本発明は、三次元積層造形法、溶射法、レーザーコーティング法、肉盛法等の、急速溶融急冷凝固を伴うプロセスに適した銅合金粉末に関する。とりわけ、パウダーベッド方式(粉末床溶融結合方式)による積層造形法に好適な銅合金粉末に関する。
三次元積層造形法においては、金属からなる造形物の製作に、3Dプリンターが使用されはじめている。この3Dプリンターとは、積層造形法によって造形物が製作するものである。この三次元積層造形法の代表的な方式にはパウダーベッド方式(粉末床溶融結合方式)やメタルデポジション方式(指向性エネルギー堆積方式)などがある。パウダーベッド方式では、レーザービームまたは電子ビームの照射によって、敷き詰められた粉末のうち照射された部位が溶融し凝固する。この溶融と凝固により、粉末粒子同士が結合する。照射は、金属粉末の一部に選択的になされ、照射がなされなかった部分は、溶融せず、照射がなされた部分のみにおいて、結合層が形成される。
形成された結合層の上に、さらに新しい金属粉末が敷き詰められ、それらの金属粉末にレーザービームまたは電子ビームの照射が行われる。すると、照射により、金属粒子が溶融、凝固し、新たな結合層が形成される。また、新たな結合層は、既存の結合層とも結合される。
照射による溶融・凝固が順次繰り返されていくことにより、結合層の集合体が徐々に成長する。この成長により、三次元形状を有する造形体が得られる。こうした積層造形法を用いると、複雑な形状の造形物が、容易に得られる。
パウダーベッド方式の積層造形法としては、「鉄系粉末」と、「ニッケル、ニッケル系合金、銅、銅系合金、及び黒鉛から成る群から選ばれる1種類以上の粉末」が混合されたものを金属光造形用金属粉末として用い、これらの金属粉末を敷く粉末層形成ステップと、粉末層にビームを照射して焼結層を形成する焼結層形成ステップと、造形物の表面を切削する除去ステップを繰り返して焼結層を形成して、三次元形状造形物を製造するといった手順が開示されている(特許文献1参照。)。
高周波誘導加熱装置やモーター冷却用ヒートシンク等の合金には、高伝導度が要求される。このような用途には、Cu基合金が適している。例えば、主成分が銅であり、銅に対する固溶量が0.2at%未満である銅合金が開示されている(特許文献2参照。)。
銅に対する固溶量が0.2at%未満である添加元素を含有する積層造形用銅合金粉末が提案されている(特許文献2参照。)。この提案は、銅に対する固溶量の低い添加元素を用いることで銅への固溶による導電率の低下を低減させつつ、機械強度を得ることを意図したものであって、二元状態図に基づき平衡条件下で銅に固溶しにくい元素を非固溶に添加するものである。
積層造形法は、電子ビームやレーザーを照射することで造形物を形成するプロセスであって、金属粉末に対するエネルギー吸収は、造形における重要な因子である。例えば、レーザー積層造形法の場合、照射するレーザー波長に対するレーザー光反射率が低いほど、エネルギー吸収がしやすくなり、高効率に造形を行うことができる。
しかしながら、銅はレーザー光反射率が高いため、エネルギーが吸収されづらく、効率を高めることが難しいので、高密度な造形が困難である。添加元素を添加すると、レーザー光を吸収しやすくなり高密度の造形が容易になるが、銅合金母相への固溶量が大きくなるため、導電性は低下する。
そこで、本発明者らは、銅に添加元素を添加し、レーザー光反射率を低くして造形を容易にするだけでなく、銅に対する固溶限が小さい添加元素を選択することで、造形後の熱処理により、析出物として排出しやすくし、導電性と強度に優れる銅合金を得ることとした。さらには、銅に対する添加元素の強制固溶量と固溶限の比に着目し、固溶限が0原子%より大きく1原子%以下の範囲において、高密度かつ導電性に優れる銅合金が得られる条件を見出した。
これまでに、銅への固溶量が小さい元素を添加し、高導電性を確保するといった文献はいくつかあるが、銅に対する添加元素の固溶量は、二元状態図に基づいて平衡状態を前提に推測しているにとどまっている。銅合金のバルクではなく銅合金粉末であり、アトマイズなどの製造過程も踏まえると、実際の銅合金粉末における添加元素の強制固溶量と、状態図における平衡条件での固溶限とが合致しないこととなる。もっとも、添加元素の強制固溶量と固溶限の相違に言及する文献は見当たらず、高密度かつ導電性に優れる銅合金が得られる条件の示唆もみあたらない。
本発明は、積層造形などの急速溶融急冷凝固を伴うプロセスに適しており、高密度な造形物の作製が可能であり、かつ高い導電率を有する造形物が得られる銅合金粉末の提供を目的としている。
本発明者らは、ガスアトマイズなどの急冷凝固プロセスで作製される場合、状態図で示されるような固溶限を超えて、添加元素が銅合金粉末へ強制的に固溶される現象が見られるとの知見に基づいて、実際の銅合金粉末への強制固溶量を測定し、固溶限との比の関係性に着目した。また、添加元素が固溶状態か析出状態かを明確に区別するために、単に粉末の含有量を評価するのではなく、組織観察を行いながら強制固溶量を捕捉して分析した。
そして、鋭意検討の結果、銅への添加元素Mの平衡状態図に基づく固溶限A(原子%)と、実際の銅合金粉末への固溶量B(原子%)の比(B/A)を規定すること、酸素量X(質量%)と波長1064nmにおけるレーザー光吸収率Y(%)の積(XY)を規定することで、高密度かつ高い導電率を有する造形物が得られる銅合金粉末を見出した。
そこで、本発明の課題を解決するための第1の手段は、銅への平衡状態での固溶限Aが0.01≦A≦1.00であって固溶限A(原子%)と実際の固溶量B(原子%)の比(B/A)がB/A:1.2~5.0である添加元素Mを含有する、三次元積層造形用の銅合金粉末である。
その第2の手段は、上記銅合金の添加元素Mとして、Cr、Mo、V、Zrを1種もしくは2種以上を合計で0.10~10.00原子%含有し、残部は銅および不可避的不純物である、第1の手段に記載の三次元積層造形用の銅合金粉末である。
その第3の手段は、不可避的不純物として含有される成分が、Si:0.10質量%以下、P:0.10質量%以下、S:0.10質量%以下のいずれかを満たすことを特徴とする、第1又は第2のいずれかの手段に記載の三次元積層造形用の銅合金粉末である。
その第4の手段は、銅合金中の酸素量X(質量%)と銅合金の波長1064nmにおけるレーザー光吸収率Y(%)との積であるXYの値が0.2~2.0である、第1~第3のいずれか1の手段に記載の三次元積層造形用の銅合金粉末である。
本発明の手段によると、銅への添加元素の平衡状態での固溶限A(原子%)と、実際の銅合金粉末における固溶量B(原子%)の比および、酸素量Xと波長1064nmにおける吸収率Yの積(XY)を規定することで、積層造形すると高密度な造形体が得られる銅合金粉末を提供しうる。さらに、本発明の銅合金粉末は、得られた造形体に適した熱処理を行うことで、強制固溶した元素が析出物として排出されるため、70%IACS以上の高い導電率を有する造形物を得ることが可能である。
本発明の実施の形態を説明するに先だって、まず、添加元素Mの固溶限を規定する理由、平衡状態における固溶限と実際の固溶量との比を規定する理由、添加元素Mおよびその含有量を規定する理由、不可避的不純物を規定する理由、酸素量Xとレーザー光吸収率Yの積を規定する理由を説明する。
[添加元素Mの固溶限:0.01≦A≦1.00(原子%)]
平衡状態図上の銅への固溶限が小さい添加元素Mを含有する銅合金粉末は、純銅と比較してレーザー光反射率が抑制されやすい。そこで、粉末が急速溶融急冷凝固を伴うプロセスに供されるとき、製造過程で照射されたエネルギーが熱となって大気へ放出されにくくなる。そこで、こうした元素を添加した銅合金粉末を用いた積層造形のプロセスでは、純銅のようにエネルギー密度を過剰に高めてレーザーを照射して溶解する必要がなくなるので、過剰なレーザー照射によって溶融金属を突沸させてしまうリスクが低減される。
また、レーザーを吸収しにくいことから溶融不足に起因する欠陥も抑制できるので、積層造形に用いると、相対密度が大きく、内部の空隙が少ない造形物を得ることができる。
固溶限が0.01原子%以上の場合、熱処理により、Cu母相から添加元素を十分に析出できるため、電気伝導率が優れる造形体が得られる。一方で、固溶限が1.00原子%を上回る場合、熱処理を行っても析出が十分に行うことができず、電気伝導率が著しく低下する。そこで、銅への平衡状態での固溶限Aは0.01≦A≦1.00(原子%)とする。
そして、固溶限は小さいほど、析出が有利となるので、この観点から、銅への平衡状態での固溶限Aは好ましくは、0.01≦A≦0.50(原子%)とすることが好ましい。
平衡状態図上の銅への固溶限が小さい添加元素Mを含有する銅合金粉末は、純銅と比較してレーザー光反射率が抑制されやすい。そこで、粉末が急速溶融急冷凝固を伴うプロセスに供されるとき、製造過程で照射されたエネルギーが熱となって大気へ放出されにくくなる。そこで、こうした元素を添加した銅合金粉末を用いた積層造形のプロセスでは、純銅のようにエネルギー密度を過剰に高めてレーザーを照射して溶解する必要がなくなるので、過剰なレーザー照射によって溶融金属を突沸させてしまうリスクが低減される。
また、レーザーを吸収しにくいことから溶融不足に起因する欠陥も抑制できるので、積層造形に用いると、相対密度が大きく、内部の空隙が少ない造形物を得ることができる。
固溶限が0.01原子%以上の場合、熱処理により、Cu母相から添加元素を十分に析出できるため、電気伝導率が優れる造形体が得られる。一方で、固溶限が1.00原子%を上回る場合、熱処理を行っても析出が十分に行うことができず、電気伝導率が著しく低下する。そこで、銅への平衡状態での固溶限Aは0.01≦A≦1.00(原子%)とする。
そして、固溶限は小さいほど、析出が有利となるので、この観点から、銅への平衡状態での固溶限Aは好ましくは、0.01≦A≦0.50(原子%)とすることが好ましい。
[固溶限A(原子%)と実際の固溶量B(原子%)の比(B/A)
B/A:1.2~5.0]
もっとも本発明で銅に添加する元素は銅に比べてレーザー光反射率低い一方で導電率も低い。このため、固溶量が多すぎる元素を添加すると、銅合金粉末に固溶することによって、得られる造形物の導電率が低下してしまう。
ただし、固溶量が多い場合であっても、その添加元素の固溶限が小さいならば、析出が促進されるため、導電率の低下は抑制される。そのため、実際の固溶量Bと固溶限Aの比を規定することが重要になる。
一方で、固溶量が少ないと、レーザー光が反射率しやすくなるため、造形物の相対密度は低くなってしまう。
B/A:1.2~5.0]
もっとも本発明で銅に添加する元素は銅に比べてレーザー光反射率低い一方で導電率も低い。このため、固溶量が多すぎる元素を添加すると、銅合金粉末に固溶することによって、得られる造形物の導電率が低下してしまう。
ただし、固溶量が多い場合であっても、その添加元素の固溶限が小さいならば、析出が促進されるため、導電率の低下は抑制される。そのため、実際の固溶量Bと固溶限Aの比を規定することが重要になる。
一方で、固溶量が少ないと、レーザー光が反射率しやすくなるため、造形物の相対密度は低くなってしまう。
銅合金粉末がアトマイズ法のような急冷凝固を伴う方法で得られると、元素Mは平衡状態図上の固溶限Aよりも多く強制的に固溶される。造形物における実際の固溶量B(原子%)は平衡状態での固溶限A(原子%)よりも多くなる。
たとえば、固溶限のみならず、実際の固溶量との比によっても析出量は決まってくるので、一見すると固溶限が0.89at%と大きめなCrにおいても、高密度かつ導電性に優れる造形物を作製することができる。
たとえば、固溶限のみならず、実際の固溶量との比によっても析出量は決まってくるので、一見すると固溶限が0.89at%と大きめなCrにおいても、高密度かつ導電性に優れる造形物を作製することができる。
そこで、この比(B/A)は、1.2~5.0とする。
固溶限A(原子%)と実際の固溶量B(原子%)の比(B/A)が1.2以上である粉末であれば、高密度の造形物を得ることができる。この観点から、より好ましくは、比(B/A)は1.5以上である。もっとも、比(B/A)が5.0を超えると、造形物の導電性が低下する。そこで、この比(B/A)は、1.2~5.0とする。導電性の低下の観点から、より好ましくは、比(B/A)は4.5以下である。
固溶限A(原子%)と実際の固溶量B(原子%)の比(B/A)が1.2以上である粉末であれば、高密度の造形物を得ることができる。この観点から、より好ましくは、比(B/A)は1.5以上である。もっとも、比(B/A)が5.0を超えると、造形物の導電性が低下する。そこで、この比(B/A)は、1.2~5.0とする。導電性の低下の観点から、より好ましくは、比(B/A)は4.5以下である。
[添加元素M]
添加元素Mとして、Cr(クロム)、Mo(モリブデン)、V(バナジウム)、Zr(ジルコニウム)からなる群から1種以上を選択することができる。Cr、Mo、V及びZrのそれぞれの、平衡状態のCuへの固溶限は、それぞれ1原子%以下と小さいので、これら成分の添加は0.01≦A≦1.00を充足する。
すなわち、表1に示すように、Cuへの固溶限はCr:0.89at%、Mo:0.067at%、V:0.10at%、Zr:0.12at%である。
固溶限Aが0.01≦A≦1.00を満たす場合、実際の固溶量Bが合計で0.1~10.0原子%の範囲内であれば、添加元素を2種以上添加しても構わない。
なお、粉末がアトマイズ法のような急冷凝固を伴う方法で得られると、添加元素MがCuに過飽和に固溶する。この過飽和固溶体は、レーザー光反射率を低減することができる。従って、これらの元素Mの添加は、相対密度が大きく、内部の空隙が少ない造形物を得ることに資する。
添加元素Mとして、Cr(クロム)、Mo(モリブデン)、V(バナジウム)、Zr(ジルコニウム)からなる群から1種以上を選択することができる。Cr、Mo、V及びZrのそれぞれの、平衡状態のCuへの固溶限は、それぞれ1原子%以下と小さいので、これら成分の添加は0.01≦A≦1.00を充足する。
すなわち、表1に示すように、Cuへの固溶限はCr:0.89at%、Mo:0.067at%、V:0.10at%、Zr:0.12at%である。
固溶限Aが0.01≦A≦1.00を満たす場合、実際の固溶量Bが合計で0.1~10.0原子%の範囲内であれば、添加元素を2種以上添加しても構わない。
なお、粉末がアトマイズ法のような急冷凝固を伴う方法で得られると、添加元素MがCuに過飽和に固溶する。この過飽和固溶体は、レーザー光反射率を低減することができる。従って、これらの元素Mの添加は、相対密度が大きく、内部の空隙が少ない造形物を得ることに資する。
[添加元素Mの含有率:0.1~10.0原子%]
添加元素Mの合計含有率は、0.1~10.0原子%が好ましい。添加元素Mの合計含有率が0.1原子%以上である粉末であれば、相対密度が大きい造形物を得ることができる。この観点から、より好ましい添加元素Mの合計含有率は0.5原子%以上である。添加元素Mの合計含有率が多いと導電性が低下するので、10.0原子%を超えることは導電性の観点からは好ましくない。そこで、添加元素Mの合計含有率は10.0原子%以下とする。添加元素Mの合計含有率はより好ましくは5.0原子%以下であり、特に好ましくは3.0原子%以下である。
このとき、固溶されなかった添加元素は、析出物として析出されることになる。実際に固溶される量は、粉末作製時の急速冷却プロセスに起因して、固溶限以上の量を固溶した状態になり得ることから、この点も加味して、添加元素Mの含有率は、10.0原子%までとしている。
添加元素Mの合計含有率は、0.1~10.0原子%が好ましい。添加元素Mの合計含有率が0.1原子%以上である粉末であれば、相対密度が大きい造形物を得ることができる。この観点から、より好ましい添加元素Mの合計含有率は0.5原子%以上である。添加元素Mの合計含有率が多いと導電性が低下するので、10.0原子%を超えることは導電性の観点からは好ましくない。そこで、添加元素Mの合計含有率は10.0原子%以下とする。添加元素Mの合計含有率はより好ましくは5.0原子%以下であり、特に好ましくは3.0原子%以下である。
このとき、固溶されなかった添加元素は、析出物として析出されることになる。実際に固溶される量は、粉末作製時の急速冷却プロセスに起因して、固溶限以上の量を固溶した状態になり得ることから、この点も加味して、添加元素Mの含有率は、10.0原子%までとしている。
[不可避的不純物について]
不可避的不純物の中でも、Si(シリコン)、P(リン)、S(硫黄)は、銅合金の電気伝導及び熱伝導を阻害する成分である。これらの元素は、他元素と化合物を形成しやすく、特に造形時の割れ発生に敏感な元素であるから、ごく少量でも割れ発生に影響を与えやすい。そこで、Si、P、Sは、多く含有しすぎないようにすることが好ましく、本発明は不可避的不純物としてのSi、P、Sの含有を許容しているものの、さらに次に示す範囲に規制することが好ましい。
なお、不純物の多寡については原料の種類や原料の溶解や精錬等の方法及び条件によって変化するものであるが、本発明におけるSi、P、Sを次の範囲に制御する場合であれば、その精錬等の手段を適宜に選定することによって、不可避不純物の含有量を所望の範囲に収めることが合理的に可能である。
不可避的不純物の中でも、Si(シリコン)、P(リン)、S(硫黄)は、銅合金の電気伝導及び熱伝導を阻害する成分である。これらの元素は、他元素と化合物を形成しやすく、特に造形時の割れ発生に敏感な元素であるから、ごく少量でも割れ発生に影響を与えやすい。そこで、Si、P、Sは、多く含有しすぎないようにすることが好ましく、本発明は不可避的不純物としてのSi、P、Sの含有を許容しているものの、さらに次に示す範囲に規制することが好ましい。
なお、不純物の多寡については原料の種類や原料の溶解や精錬等の方法及び条件によって変化するものであるが、本発明におけるSi、P、Sを次の範囲に制御する場合であれば、その精錬等の手段を適宜に選定することによって、不可避不純物の含有量を所望の範囲に収めることが合理的に可能である。
そこで、銅合金には、添加元素M以外に含有される不可避的不純物としては、
Si:0.10質量%以下、
P:0.10質量%以下、
S:0.10質量%以下、
の少なくともいずれかは充足していることが好ましい。
Si:0.10質量%以下、
P:0.10質量%以下、
S:0.10質量%以下、
の少なくともいずれかは充足していることが好ましい。
[Si:0.10質量%以下]
SiはCuに固溶し、銅合金の電気伝導及び熱伝導を阻害する。この観点から、Siの含有率は0.10質量%以下が好ましく、0.05質量%以下がより好ましい。
SiはCuに固溶し、銅合金の電気伝導及び熱伝導を阻害する。この観点から、Siの含有率は0.10質量%以下が好ましく、0.05質量%以下がより好ましい。
[P:0.10質量%以下]
PはCuに固溶し、銅合金の電気伝導及び熱伝導を阻害する。この観点から、Pの含有率は0.10質量%以下が好ましく、0.05質量%以下がより好ましい。
PはCuに固溶し、銅合金の電気伝導及び熱伝導を阻害する。この観点から、Pの含有率は0.10質量%以下が好ましく、0.05質量%以下がより好ましい。
[S:0.10質量%以下]
SはCuに固溶し、銅合金の電気伝導及び熱伝導を阻害する。この観点から、Sの含有率は0.10質量%以下が好ましく、0.05質量%以下がより好ましい。
SはCuに固溶し、銅合金の電気伝導及び熱伝導を阻害する。この観点から、Sの含有率は0.10質量%以下が好ましく、0.05質量%以下がより好ましい。
[銅合金中の酸素量X(質量%)]
銅合金粉末への酸素含有量が多くなると、酸化膜が形成されるため、レーザー光反射率が低減でき、造形し易くなる。しかし、作製された造形物の酸素濃度も高くなり、酸化物として残存するため、導電性は低くなる。また、酸化物が残存する場合は、強度が劣る。
銅合金粉末への酸素含有量が多くなると、酸化膜が形成されるため、レーザー光反射率が低減でき、造形し易くなる。しかし、作製された造形物の酸素濃度も高くなり、酸化物として残存するため、導電性は低くなる。また、酸化物が残存する場合は、強度が劣る。
[銅合金の波長1064nmにおけるレーザー光吸収率(%)]
波長1064nmにおけるレーザーの吸収率が高いと合金粉末は完全に溶融するが、吸収率が低いと部分的に溶融し未溶融な粉末が残る。この未溶融な粉末が造形物内部に取り残された場合、低密度かつ強度が劣る造形物が形成される。なお、波長1064nmとは、レーザー積層造形装置の汎用的なエネルギー源であるYbファイバレーザー光の波長である。
波長1064nmにおけるレーザーの吸収率が高いと合金粉末は完全に溶融するが、吸収率が低いと部分的に溶融し未溶融な粉末が残る。この未溶融な粉末が造形物内部に取り残された場合、低密度かつ強度が劣る造形物が形成される。なお、波長1064nmとは、レーザー積層造形装置の汎用的なエネルギー源であるYbファイバレーザー光の波長である。
[XYの値:0.2~2.0]
酸素量X(質量%)と波長1064nmにおけるレーザー光吸収率Y(%)の積XYが0.2以上の場合、造形が容易になり、高密度の造形物が得られる。一方で、2.0を超える場合、造形物内部に酸化物が残存し、導電率および強度が劣る。そこで、酸素量X(質量%)と波長1064nmにおけるレーザー光吸収率Y(%)の積XYの値は、0.2~2.0であることが望ましい。
酸素量X(質量%)と波長1064nmにおけるレーザー光吸収率Y(%)の積XYが0.2以上の場合、造形が容易になり、高密度の造形物が得られる。一方で、2.0を超える場合、造形物内部に酸化物が残存し、導電率および強度が劣る。そこで、酸素量X(質量%)と波長1064nmにおけるレーザー光吸収率Y(%)の積XYの値は、0.2~2.0であることが望ましい。
[組織]
本発明の銅合金粉末を三次元積層造形して得られた造形体の金属組織は、(1)Cuを多く含むマトリクス相、(2)元素Mを多く含む粒界相、及び(3)マトリクス相に分散する化合物CumMnを有する。この化合物の化学式において、m及びnはそれぞれ自然数を表す。
本発明の銅合金粉末を三次元積層造形して得られた造形体の金属組織は、(1)Cuを多く含むマトリクス相、(2)元素Mを多く含む粒界相、及び(3)マトリクス相に分散する化合物CumMnを有する。この化合物の化学式において、m及びnはそれぞれ自然数を表す。
マトリクス相(1)の主成分は、Cuである。マトリクス相の材質が、Cuのみであってもよい。マトリクス相の材質が、Cuと固溶元素とであってもよい。
粒界相(2)の主成分は、Cuと元素Mとの化合物であり、マトリクス相に比べて元素Mの含有量は多い。粒界相(2)は、M元素の単相を含んでもよい。
化合物 (3)の主成分は、CumMnである。
化合物 (3)の主成分は、CumMnである。
[銅合金粉末の粒子径]
本発明の銅合金粉末の平均粒子径D50は、10μm~100μmが好ましい。微細な粒子は凝集しやすくなるため、積層造形のようにパウダーを敷き詰める際にスムーズに粉体を敷き詰めることができなくなる。そこで、本発明の銅合金粉末の平均粒子径が10μm以上であれば、流動性に優れる。他方、100μmを超えると、得られる造形物の相対密度が下がってしまうこととなる。そこで、銅合金粉末の平均粒子径D50は、10μm~100μmが好ましい。より好ましくは、平均粒子径D50の下限は20μm以上であり、さらに好ましくは、30μm以上である。また、平均粒子径D50の上限は、より好ましくは80μm以下であり、さらに好ましくは、60μm以下である。
本発明の銅合金粉末の平均粒子径D50は、10μm~100μmが好ましい。微細な粒子は凝集しやすくなるため、積層造形のようにパウダーを敷き詰める際にスムーズに粉体を敷き詰めることができなくなる。そこで、本発明の銅合金粉末の平均粒子径が10μm以上であれば、流動性に優れる。他方、100μmを超えると、得られる造形物の相対密度が下がってしまうこととなる。そこで、銅合金粉末の平均粒子径D50は、10μm~100μmが好ましい。より好ましくは、平均粒子径D50の下限は20μm以上であり、さらに好ましくは、30μm以上である。また、平均粒子径D50の上限は、より好ましくは80μm以下であり、さらに好ましくは、60μm以下である。
平均粒子径D50の測定では、粉末の全体積が100%とされて、累積カーブが求められる。このカーブ上の、累積体積が50%である点の粒子径が、平均粒子D50である。平均粒子径D50は、レーザー回折散乱法によって測定することができる。たとえば、この測定に適した装置として、日機装社のレーザー回折・散乱式粒子径分布測定装置「マイクロトラックMT3000」が挙げられる。この装置のセル内に、粉末が純水と共に流し込まれ、粒子の光散乱情報に基づいて、粒子径が検出される。
[タップ密度]
造形物の製造容易の観点から、この粉末のタップ密度TDは、0.10~0.40Mg/m3が好ましく、0.15Mg/m3~0.35Mg/m3が特に好ましい。
造形物の製造容易の観点から、この粉末のタップ密度TDは、0.10~0.40Mg/m3が好ましく、0.15Mg/m3~0.35Mg/m3が特に好ましい。
タップ密度は、「JIS(日本産業規格) Z 2512」の規定に準拠して測定される。測定では、約50gの粉末が容積100cm3のシリンダーに充填され、密度が測定される。測定条件は、以下の通りである。
落下高さ :10mm
タップ回数:200
落下高さ :10mm
タップ回数:200
[銅合金粉末の製造について]
以下、本発明の銅合金粉末の製造について説明する。
銅合金粉末の製造方法としては、水アトマイズ法、単ロール急冷法、双ロール急冷法、ガスアトマイズ法、ディスクアトマイズ法及び遠心アトマイズ法が例示される。このうち、銅合金粉末の好ましい製造方法は、単ロール冷却法、ガスアトマイズ法及びディスクアトマイズ法である。
また、銅合金粉末の作製のために、メカニカルミリング等が施されて粉砕して粉体を得ることもできる。ミリング方法としては、ボールミル法、ビーズミル法、遊星ボールミル法、アトライタ法及び振動ボールミル法が例示される。
本発明における積層造形に用いる銅合金粉末は、添加成分の過飽和固溶および球状化の観点からは、とりわけガスアトマイズ法が好ましい。そこで、以下の実施の形態では、ガスアトマイズによる製造で得られた銅合金粉末を用いて説明する。
以下、本発明の銅合金粉末の製造について説明する。
銅合金粉末の製造方法としては、水アトマイズ法、単ロール急冷法、双ロール急冷法、ガスアトマイズ法、ディスクアトマイズ法及び遠心アトマイズ法が例示される。このうち、銅合金粉末の好ましい製造方法は、単ロール冷却法、ガスアトマイズ法及びディスクアトマイズ法である。
また、銅合金粉末の作製のために、メカニカルミリング等が施されて粉砕して粉体を得ることもできる。ミリング方法としては、ボールミル法、ビーズミル法、遊星ボールミル法、アトライタ法及び振動ボールミル法が例示される。
本発明における積層造形に用いる銅合金粉末は、添加成分の過飽和固溶および球状化の観点からは、とりわけガスアトマイズ法が好ましい。そこで、以下の実施の形態では、ガスアトマイズによる製造で得られた銅合金粉末を用いて説明する。
[球形度]
粉末の球形度は、0.80~0.95が好ましい。球形度が0.80以上である粉末は、流動性に優れる。この観点から、球形度は0.83以上がより好ましく、0.85以上が特に好ましい。球形度が0.95以下である粉末では、レーザーの反射が抑制されうる。この観点から、球形度は0.93以下がより好ましく、0.90以下が特に好ましい。
粉末の球形度は、0.80~0.95が好ましい。球形度が0.80以上である粉末は、流動性に優れる。この観点から、球形度は0.83以上がより好ましく、0.85以上が特に好ましい。球形度が0.95以下である粉末では、レーザーの反射が抑制されうる。この観点から、球形度は0.93以下がより好ましく、0.90以下が特に好ましい。
球形度の測定では、粉末が樹脂に埋め込まれた試験片が準備される。この試験片が鏡面研磨に供され、研磨面が光学顕微鏡で観察される。顕微鏡の倍率は、100倍である。無作為に抽出された20個の粒子について画像解析がなされ、この粒子の球形度が測定される。20個の測定値の平均が、粉末の球形度である。球形度は、粉末1粒子の最大長と、最大長に対して垂直方向における長さの割合を意味している。
[造形物の作製について]
本発明の銅合金粉末を用いて造形物を作製する方法としては、銅合金粉末を溶融及び凝固する工程である急速溶融急冷凝固プロセスが挙げられる。このプロセスの具体例としては、三次元積層造形法、溶射法、レーザーコーティング法及び肉盛法が挙げられる。特に、本発明の銅合金粉末は、レーザー光を吸収して溶融凝固させることに好適であることから、パウダーベッド方式(粉末床溶融結合方式)の三次元積層造形法で造形物を積層しながら作製していくことに適している。
本発明の銅合金粉末を用いて造形物を作製する方法としては、銅合金粉末を溶融及び凝固する工程である急速溶融急冷凝固プロセスが挙げられる。このプロセスの具体例としては、三次元積層造形法、溶射法、レーザーコーティング法及び肉盛法が挙げられる。特に、本発明の銅合金粉末は、レーザー光を吸収して溶融凝固させることに好適であることから、パウダーベッド方式(粉末床溶融結合方式)の三次元積層造形法で造形物を積層しながら作製していくことに適している。
パウダーベッド方式では、レーザービームまたは電子ビームの照射によって、敷き詰められた粉末のうち照射された部位が溶融し凝固する。この溶融と凝固により、粉末粒子同士が結合する。照射は、銅合金粉末の一部に選択的になされ、照射がなされなかった部分は、溶融せず、照射がなされた部分のみにおいて、結合層が形成される。
形成された結合層の上に、さらに新しい銅合金粉末が敷き詰められ、それらの銅合金粉末にレーザービームまたは電子ビームの照射が行われる。すると、照射により、銅合金粒子が溶融、凝固し、新たな結合層が形成される。また、新たな結合層は、既存の結合層とも結合される。
照射による溶融・凝固が順次繰り返されていくことにより、結合層の集合体が徐々に成長する。この成長により、三次元形状を有する造形体が得られる。こうした積層造形法を用いると、複雑な形状の造形物が、容易に得られる。
なお、積層造形法などの急速溶融急冷凝固プロセスで焼結をおこなう時のエネルギー密度は、120~250J/mm3であることが好ましい。エネルギー密度が120J/mm3以上である場合、十分な熱が粉末に与えられるので、造形物内部における未溶融粉末の残存が抑制され、相対密度の大きな造形物が得られやすい。そこで、より好ましくは、エネルギー密度は140J/mm3以上である。
エネルギー密度が250J/mm3以下である場合、溶融に必要以上の過剰な熱を防ぐため、溶融金属の突沸が抑制され、造形物の内部における欠陥が抑制される。そこで、より好ましくは、エネルギー密度は230J/mm3以下である。
[熱処理]
銅合金造形物の熱処理では、未熱処理造形物に時効熱処理を施す工程を行う。時効熱処理により、元素群Mの元素成分単相および/またはCuと元素群Mの元素成分との化合物が、粒界に析出する。この析出により、母相におけるCuの純度を高めることができる。この母相は、造形物の導電性に寄与しうる。
銅合金造形物の熱処理では、未熱処理造形物に時効熱処理を施す工程を行う。時効熱処理により、元素群Mの元素成分単相および/またはCuと元素群Mの元素成分との化合物が、粒界に析出する。この析出により、母相におけるCuの純度を高めることができる。この母相は、造形物の導電性に寄与しうる。
時効熱処理の温度が、350℃以上である場合、元素群Mの元素成分単相および/またはCuと元素群Mの元素成分との化合物が、十分に析出した組織が得られる。そこで、時効熱処理の温度は、400℃以上がより好ましい。時効熱処理の温度が、1000℃以下である場合、元素群Mの母相への固溶が抑制される。そこで、時効熱処理の温度は、900℃以下がより好ましい。
時効熱処理の時間が1時間以上である場合、元素群Mの元素成分単相および/またはCuと元素群Mの元素成分との化合物が、十分に析出した組織が得られる。一方で、時効熱処理の時間が10時間以下である場合、過時効による析出物粗大化に起因した導電率低下および強度低下を抑制することができる。そこで、時効熱処理の時間は、1時間以上、10時間以下が好ましい。
[相対密度]
急速溶融急冷凝固プロセスで得られた造形物(すなわち、後述される熱処理が施される前の造形物)の相対密度は、95%以上が好ましい。この未熱処理の造形物は、寸法精度及び導電性に優れる。この観点から、相対密度は98%以上がより好ましく、99%以上がさらに好ましい。
急速溶融急冷凝固プロセスで得られた造形物(すなわち、後述される熱処理が施される前の造形物)の相対密度は、95%以上が好ましい。この未熱処理の造形物は、寸法精度及び導電性に優れる。この観点から、相対密度は98%以上がより好ましく、99%以上がさらに好ましい。
相対密度は、積層造形法等で作製した10mm角試験片の密度と、原料である粉末のかさ密度との比に基づいて算出される。10mm角試験片の密度は、アルキメデス法によって測定される。粉末のかさ密度は、乾式密度測定器によって測定される。
[造形物の電気伝導度]
熱処理後の造形物の電気伝導度は、70IACS%以上が好ましい。電気伝導度が70IACS%以上である造形物は、導電性に優れる。より好ましくは、電気伝導度は75IACS%以上であり、さらに好ましくは、電気伝導度は80IACS%以上である。
熱処理後の造形物の電気伝導度は、70IACS%以上が好ましい。電気伝導度が70IACS%以上である造形物は、導電性に優れる。より好ましくは、電気伝導度は75IACS%以上であり、さらに好ましくは、電気伝導度は80IACS%以上である。
[電気伝導度の測定]
試験片(3×2×60mm)を作製し、「JIS C 2525」に準拠した4端子法で、電気抵抗値(Ω)を測定した。測定には、アルバック理工社の装置「TER-2000RH型」を用いた。測定条件は、以下の通りである。
温度:25℃
電流:4A
電圧降下間距離:40mm
下記数式に基づき、電気抵抗率ρ(Ωm)を算出した。
ρ = R / I × S
この数式において、Rは試験片の電気抵抗値(Ω)であり、Iは電流(A)であり、Sは試験片の料断面積(m2)である。電気伝導度(S/m)は、電気抵抗率ρの逆数から算出した。また、5.9×107(S/m)を100%IACSとして、各試験片の電気伝導度(%IACS)を算出した。
試験片(3×2×60mm)を作製し、「JIS C 2525」に準拠した4端子法で、電気抵抗値(Ω)を測定した。測定には、アルバック理工社の装置「TER-2000RH型」を用いた。測定条件は、以下の通りである。
温度:25℃
電流:4A
電圧降下間距離:40mm
下記数式に基づき、電気抵抗率ρ(Ωm)を算出した。
ρ = R / I × S
この数式において、Rは試験片の電気抵抗値(Ω)であり、Iは電流(A)であり、Sは試験片の料断面積(m2)である。電気伝導度(S/m)は、電気抵抗率ρの逆数から算出した。また、5.9×107(S/m)を100%IACSとして、各試験片の電気伝導度(%IACS)を算出した。
[実施例]
以下、実施例によって本発明の効果が確認されることを示すが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるものではない。
以下、実施例によって本発明の効果が確認されることを示すが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるものではない。
まず、表2に記載のCuに元素M成分を添加した材料をガスアトマイズすることによって、表2に記載の実施例1~18の成分及び残部Cuからなる銅合金粉末を得た。同様に、表5に記載の比較例1~13の成分及び残部Cuからなる銅合金粉末を得た。
具体的な手順としては、まず真空中にて、アルミナ製坩堝で、所定の組成を有する原料を高周波誘導加熱で加熱し、溶解した後、坩堝下にある直径が5mmのノズルから、溶湯を落下させた。次いで、この溶湯に向けてアルゴンガスを噴霧し、多数の粒子を得た。これらの粒子に分級を施して直径が63μmを超える粒子を除去し、銅合金粉末を得た。
具体的な手順としては、まず真空中にて、アルミナ製坩堝で、所定の組成を有する原料を高周波誘導加熱で加熱し、溶解した後、坩堝下にある直径が5mmのノズルから、溶湯を落下させた。次いで、この溶湯に向けてアルゴンガスを噴霧し、多数の粒子を得た。これらの粒子に分級を施して直径が63μmを超える粒子を除去し、銅合金粉末を得た。
[粉末の固溶量測定]
実施例1~18に示す各銅合金粉末について、断面を走査型電子顕微鏡(SEM)(日本電子株式会社、JSM-IT500HR/LV)を用いて、母相と析出物を明確にしたうえで、銅合金粉末に固溶される添加元素の量を測定した。測定には、SEM装置に付属のエネルギー分散型X線分光器(EDS)(オックスフォードインストゥルメンツ株式会社、AZtec Energy/Automated X-MaxN150)を用いた。銅合金粉末について、銅への元素Mの実際の固溶量を測定した結果を、表1に示す。元素Mの添加量、その他元素の含有量は表2に示す。
実施例1~18に示す各銅合金粉末について、断面を走査型電子顕微鏡(SEM)(日本電子株式会社、JSM-IT500HR/LV)を用いて、母相と析出物を明確にしたうえで、銅合金粉末に固溶される添加元素の量を測定した。測定には、SEM装置に付属のエネルギー分散型X線分光器(EDS)(オックスフォードインストゥルメンツ株式会社、AZtec Energy/Automated X-MaxN150)を用いた。銅合金粉末について、銅への元素Mの実際の固溶量を測定した結果を、表1に示す。元素Mの添加量、その他元素の含有量は表2に示す。
[レーザー光吸収率の測定]
各銅合金粉末について、分光光度計を用いて、レーザー波長1064nmにおけるレーザー光反射率を測定した。レーザー光吸収率は、100-「レーザー光反射率(%)」%として算出した。結果は、表2に示してある。
各銅合金粉末について、分光光度計を用いて、レーザー波長1064nmにおけるレーザー光反射率を測定した。レーザー光吸収率は、100-「レーザー光反射率(%)」%として算出した。結果は、表2に示してある。
[造形]
銅合金粉末を原料として、それぞれ、3次元積層造形装置(EOS-M280)による積層造形法を実施し、造形物(未熱処理造形物)を得た。
銅合金粉末を原料として、それぞれ、3次元積層造形装置(EOS-M280)による積層造形法を実施し、造形物(未熱処理造形物)を得た。
[熱処理]
未熱処理造形物に、350~1000℃、1~10時間の範囲内で熱処理(時効処理)を施した。これらの熱処理条件は各組成に応じて、適切と考えられる熱処理を施している。
未熱処理造形物に、350~1000℃、1~10時間の範囲内で熱処理(時効処理)を施した。これらの熱処理条件は各組成に応じて、適切と考えられる熱処理を施している。
[相対密度測定]
熱処理後の造形物について、それぞれ、試験片(10×10×10mm)を作製し、相対密度(%)を測定した。結果を表3に示す。
熱処理後の造形物について、それぞれ、試験片(10×10×10mm)を作製し、相対密度(%)を測定した。結果を表3に示す。
[電気伝導率測定]
熱処理後の造形物について、それぞれ、試験片(3×2×60mm)を作製し、「JIS C 2525」に準拠した4端子法で、電気伝導率(%IACS)を測定した。結果を表3に示す。
熱処理後の造形物について、それぞれ、試験片(3×2×60mm)を作製し、「JIS C 2525」に準拠した4端子法で、電気伝導率(%IACS)を測定した。結果を表3に示す。
[評価格付け]
造形物の特性に関する下記の基準に基づき、3段階の格付けを実施した結果を表3に示した。
評価◎:相対密度98%以上かつ電気伝導率75%IACS以上。
評価○:相対密度95%以上かつ電気伝導率70%IACS以上。
評価×:相対密度95%未満または電気伝導率70%IACS未満。
造形物の特性に関する下記の基準に基づき、3段階の格付けを実施した結果を表3に示した。
評価◎:相対密度98%以上かつ電気伝導率75%IACS以上。
評価○:相対密度95%以上かつ電気伝導率70%IACS以上。
評価×:相対密度95%未満または電気伝導率70%IACS未満。
表3より、添加元素Mの銅への固溶限A(原子%)が0.01≦A≦1.00であって、固溶限Aと実際の固溶量B(原子%)の比(B/A)が、B/A:1.2~5.0である粉末を用いて作製した造形体は、相対密度95%以上かつ電気伝導率70%IACS以上を達成することが確認された。
[比較例]
表4~6に比較例1~11について、示す。
比較例1は、固溶限に比してCrの実際の固溶量が少なく、相対密度が低いものとなった。
比較例2は、固溶限に比してMoの実際の固溶量が多く、電気伝導率が低いものとなった。
比較例3は、固溶限に比してVの実際の固溶量が多く、電気伝導率が低いものとなった。
比較例4は、Zrの添加量が少なく、固溶限に比してZrの実際の固溶量も少なく、相対密度が低いものとなった。
比較例5は、固溶限が大きいAlが添加されており、電気伝導率が低いものとなった。
比較例6は、固溶限が大きいAlが添加されており、電気伝導率が低いものとなった。
比較例7は、固溶限が大きいSnが添加されており、電気伝導率が低いものとなった。
比較例8は、Crの添加量が少なく、固溶限に比してCrの実際の固溶量も少なく、相対密度が低いものとなった。
比較例9は、Vの添加量が多く、固溶限に比してVの実際の固溶量も多いので、電気伝導率が低いものとなった。
比較例10は、固溶限が大きいAlが添加されており、XYの積が大きすぎ、電気伝導率が低いものとなった。
比較例11は、Zrの添加量が多く、固溶限に比してZrの実際の固溶量も多く、XYの積が大きく、電気伝導率が低いものとなった。
表4~6に比較例1~11について、示す。
比較例1は、固溶限に比してCrの実際の固溶量が少なく、相対密度が低いものとなった。
比較例2は、固溶限に比してMoの実際の固溶量が多く、電気伝導率が低いものとなった。
比較例3は、固溶限に比してVの実際の固溶量が多く、電気伝導率が低いものとなった。
比較例4は、Zrの添加量が少なく、固溶限に比してZrの実際の固溶量も少なく、相対密度が低いものとなった。
比較例5は、固溶限が大きいAlが添加されており、電気伝導率が低いものとなった。
比較例6は、固溶限が大きいAlが添加されており、電気伝導率が低いものとなった。
比較例7は、固溶限が大きいSnが添加されており、電気伝導率が低いものとなった。
比較例8は、Crの添加量が少なく、固溶限に比してCrの実際の固溶量も少なく、相対密度が低いものとなった。
比較例9は、Vの添加量が多く、固溶限に比してVの実際の固溶量も多いので、電気伝導率が低いものとなった。
比較例10は、固溶限が大きいAlが添加されており、XYの積が大きすぎ、電気伝導率が低いものとなった。
比較例11は、Zrの添加量が多く、固溶限に比してZrの実際の固溶量も多く、XYの積が大きく、電気伝導率が低いものとなった。
Claims (4)
- 銅への平衡状態での固溶限Aが0.01≦A≦1.00であって固溶限A(原子%)と実際の固溶量B(原子%)の比(B/A)がB/A:1.2~5.0である添加元素Mを含有する、三次元積層造形用の銅合金粉末。
- 上記銅合金の添加元素Mとして、Cr、Mo、V、Zrを1種もしくは2種以上を合計0.10~10.00原子%含有し、残部は銅および不可避的不純物である、請求項1に記載の三次元積層造形用の銅合金粉末。
- 不可避的不純物として含有される成分が
Si:0.10質量%以下、
P:0.10質量%以下、
S:0.10質量%以下のいずれかを満たすことを特徴とする、
請求項1又は請求項2に記載の三次元積層造形用の銅合金粉末。 - 銅合金中の酸素量X(質量%)と銅合金の波長1064nmにおけるレーザー光吸収率Y(%)との積であるXYの値が0.2~2.0である、請求項1~3のいずれか1項に記載の三次元積層造形用の銅合金粉末。
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