JP2023150896A - 積層造形用鉄鋼材料、及び鉄合金の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】クラックの発生が抑制され、かつ強度及び靭性に優れる鉄合金を得ることができる積層造形用鉄鋼材料、及び上記積層造形用鉄鋼材料を用いる鉄合金の製造方法を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．３～０．８％、Ｍｎ：０．６～２％、Ｃｒ：１～７％、Ｖ：２％以下、Ｍｏ：３％以下を含有し、マルテンサイト変態開始温度が１３０～２００℃であり、恒温変態曲線におけるマルテンサイト変態開始温度＋３０℃でのベイナイト変態開始時間が２００秒以上である、積層造形用鉄鋼材料、及び上記粉体金属材料を用いる積層造形方法上記積層造形用鉄鋼材料を用いる鉄合金の製造方法。【選択図】なし
Description
本発明は、積層造形用鉄鋼材料、及び鉄合金の製造方法に関する。
近年、鉄鋼材料を用いた金属積層造形法により鉄合金の造形品を製造する方法が注目されている。
例えば、特許文献１には、造形工程の実行中、造形された鉄合金層の表層から所定数の積層までの鉄合金層温度と、ベース台の温度を特定の範囲内に制御する鉄合金の製造方法が記載されている。
例えば、特許文献１には、造形工程の実行中、造形された鉄合金層の表層から所定数の積層までの鉄合金層温度と、ベース台の温度を特定の範囲内に制御する鉄合金の製造方法が記載されている。
鉄鋼材料の積層造形ではＣ量が多くなると造形中にクラックを生じやすくなる。これは、レーザービームや電子ビームによって局所溶解した部分が急冷によってマルテンサイトに変態するが、その後、周辺部が局所溶解した際に受ける熱で再度オーステナイトに変態し、更に急冷によってマルテンサイトに変態するというように、マルテンサイト変態とオーステナイト変態を何度も繰り返すことで、体積変化によってクラックが生じる可能性があるためである。
特許文献１では、造形工程の実行中に、鉄合金層の表層から所定数の積層までの鉄合金層温度と、ベース台の温度を制御することで歪み及び割れの発生を抑制しているが、強度及び靭性の観点では検討されておらず、改良の余地がある。
また、積層造形用材料で１５００ＭＰａ以上の強度を有するものとして、マルエージング鋼がある。しかしながら、マルエージング鋼は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏなどの希少元素を多量に含有するため、高コストで、かつ資源枯渇リスクが高いという問題がある。
また、積層造形用材料で１５００ＭＰａ以上の強度を有するものとして、マルエージング鋼がある。しかしながら、マルエージング鋼は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏなどの希少元素を多量に含有するため、高コストで、かつ資源枯渇リスクが高いという問題がある。
本発明は、クラックの発生が抑制され、かつ強度及び靭性に優れる鉄合金を得ることができる積層造形用鉄鋼材料、及び上記積層造形用鉄鋼材料を用いる鉄合金の製造方法を提供する。
本発明の積層造形用鉄鋼材料は、
質量％で、
Ｃ：０．３～０．８％、
Ｍｎ：０．６～２％、
Ｃｒ：１～７％、
Ｖ：２％以下、
Ｍｏ：３％以下
を含有し、
マルテンサイト変態開始温度が１３０～２００℃であり、
恒温変態曲線におけるマルテンサイト変態開始温度＋３０℃でのベイナイト変態開始時間が２００秒以上である、積層造形用鉄鋼材料である。
質量％で、
Ｃ：０．３～０．８％、
Ｍｎ：０．６～２％、
Ｃｒ：１～７％、
Ｖ：２％以下、
Ｍｏ：３％以下
を含有し、
マルテンサイト変態開始温度が１３０～２００℃であり、
恒温変態曲線におけるマルテンサイト変態開始温度＋３０℃でのベイナイト変態開始時間が２００秒以上である、積層造形用鉄鋼材料である。
本発明によれば、クラックの発生が抑制され、かつ強度及び靭性に優れる鉄合金を得ることができる積層造形用鉄鋼材料、及び上記積層造形用鉄鋼材料を用いる鉄合金の製造方法を提供することができる。
以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
[積層造形用鉄鋼材料]
本発明の積層造形用鉄鋼材料は、質量％で、Ｃ：０．３～０．８％、Ｍｎ：０．６～２％、Ｃｒ：１～７％、Ｖ：２％以下、Ｍｏ：３％以下を含有し、マルテンサイト変態開始温度が１３０～２００℃であり、恒温変態曲線におけるマルテンサイト変態開始温度＋３０℃でのベイナイト変態開始時間が２００秒以上である、積層造形用鉄鋼材料である。
本発明の積層造形用鉄鋼材料により、クラックの発生が抑制され、かつ強度及び靭性に優れる鉄合金（造形物）を得ることができる。
本発明の積層造形用鉄鋼材料は、質量％で、Ｃ：０．３～０．８％、Ｍｎ：０．６～２％、Ｃｒ：１～７％、Ｖ：２％以下、Ｍｏ：３％以下を含有し、マルテンサイト変態開始温度が１３０～２００℃であり、恒温変態曲線におけるマルテンサイト変態開始温度＋３０℃でのベイナイト変態開始時間が２００秒以上である、積層造形用鉄鋼材料である。
本発明の積層造形用鉄鋼材料により、クラックの発生が抑制され、かつ強度及び靭性に優れる鉄合金（造形物）を得ることができる。
まず、本発明の積層造形用鉄鋼材料（以下、「造形材料」ともいう。）を用いた積層造形において、造形中の造形物中のある着目する部位の温度が、どのように変化するかを説明する。
例として、図１に示す点Ｐの温度について説明する。図１は、粉末床溶融結合法による積層造形を行っている途中の状態を表した模式図である。粉末床溶融結合法では、典型的には、図１に示すように、ベースプレート１に、フィードベッド（不図示）から粉末状の造形材料が供給され、図示しないレーザービーム（電子ビームでもよい。以下同様である。）を照射して造形材料を焼結させ、造形する。図１では、造形中の造形物２に、層Ｌ１を積層している。造形面Ｇ１の任意の１点を点Ｐとする。なお、ベースプレート１は、造形物２の土台となる積層造形機の部品である。ベースプレート１は図示しないベースヒータなどにより温度を制御することができる。造形面とは、レーザービームが照射されている面である。
例として、図１に示す点Ｐの温度について説明する。図１は、粉末床溶融結合法による積層造形を行っている途中の状態を表した模式図である。粉末床溶融結合法では、典型的には、図１に示すように、ベースプレート１に、フィードベッド（不図示）から粉末状の造形材料が供給され、図示しないレーザービーム（電子ビームでもよい。以下同様である。）を照射して造形材料を焼結させ、造形する。図１では、造形中の造形物２に、層Ｌ１を積層している。造形面Ｇ１の任意の１点を点Ｐとする。なお、ベースプレート１は、造形物２の土台となる積層造形機の部品である。ベースプレート１は図示しないベースヒータなどにより温度を制御することができる。造形面とは、レーザービームが照射されている面である。
図１の状態を積層数１として、層Ｌ１上に更に多数の層を積層する。
図２は、造形が進み、ｎ層（層Ｌ１～層Ｌｎ）が積層された状態（積層数ｎ）を表す。
図２は、造形が進み、ｎ層（層Ｌ１～層Ｌｎ）が積層された状態（積層数ｎ）を表す。
図１の状態から、図２の状態（例として、ｎ＝１０の場合について示す。）まで積層造形する場合に、点Ｐの温度が積層数とともにどのように変化するかを図３に示した。
図３は、後述する実施例１の化学組成の造形材料を用いた場合の積層数と温度の関係を示したグラフである。
図３の横軸は積層数であり、縦軸は点Ｐの温度である。
図３の積層数１の場合、造形材料の点Ｐの位置にレーザービームが照射され、点Ｐの温度は２０００℃以上まで上昇し、造形材料がレーザービームによって溶融したことを表している。そして、その後、レーザービームの照射位置が点Ｐから離れるため、点Ｐの温度は急速に降下したことが分かる。
積層数２では、層Ｌ１の上に、造形材料（粉末）が敷かれて、層Ｌ２を造形する際の温度変化を表しており、点Ｐの近傍にレーザービームが照射されたときに点Ｐの温度が急上昇し、その後、急降下している。以降、積層数１０まで同様である。
図３は、後述する実施例１の化学組成の造形材料を用いた場合の積層数と温度の関係を示したグラフである。
図３の横軸は積層数であり、縦軸は点Ｐの温度である。
図３の積層数１の場合、造形材料の点Ｐの位置にレーザービームが照射され、点Ｐの温度は２０００℃以上まで上昇し、造形材料がレーザービームによって溶融したことを表している。そして、その後、レーザービームの照射位置が点Ｐから離れるため、点Ｐの温度は急速に降下したことが分かる。
積層数２では、層Ｌ１の上に、造形材料（粉末）が敷かれて、層Ｌ２を造形する際の温度変化を表しており、点Ｐの近傍にレーザービームが照射されたときに点Ｐの温度が急上昇し、その後、急降下している。以降、積層数１０まで同様である。
（マルテンサイト変態開始温度）
本発明の積層造形用鉄鋼材料は、マルテンサイト変態開始温度が１３０～２００℃である。
金属積層造形法では、一般的に、造形物の造形面からベースプレートに向かって数十層までの領域は、レーザー照射を受けるたびにオーステナイト変態温度より高い温度とベースプレートの温度（ベースプレート温度）の間で急速加熱及び急速冷却を受ける（図３参照）。
ベースプレート温度をマルテンサイト変態開始温度より高く設定すればマルテンサイト変態を回避できるため、クラックを生じるリスクを減らすことができる。ここで、マルテンサイト変態開始温度が高いと、それよりも高い温度に保持したベースプレートの熱によって造形物が軟化してしまうため、マルテンサイト変態開始温度は低いほうがよい。一方で、マルテンサイト変態開始温度を下げようとＣ添加量等を増やしすぎると伸びが極端に小さくなってしまう。
そこで、本発明では、積層造形用鉄鋼材料のマルテンサイト変態開始温度を、１３０～２００℃とした。
本発明の積層造形用鉄鋼材料のマルテンサイト変態開始温度は、１５０～２００℃が好ましく、１７０～１９５℃がより好ましい。
図３には実施例１の造形材料のマルテンサイト変態開始温度、及びベースプレート温度も合わせて表示している。
本発明の積層造形用鉄鋼材料は、マルテンサイト変態開始温度が１３０～２００℃である。
金属積層造形法では、一般的に、造形物の造形面からベースプレートに向かって数十層までの領域は、レーザー照射を受けるたびにオーステナイト変態温度より高い温度とベースプレートの温度（ベースプレート温度）の間で急速加熱及び急速冷却を受ける（図３参照）。
ベースプレート温度をマルテンサイト変態開始温度より高く設定すればマルテンサイト変態を回避できるため、クラックを生じるリスクを減らすことができる。ここで、マルテンサイト変態開始温度が高いと、それよりも高い温度に保持したベースプレートの熱によって造形物が軟化してしまうため、マルテンサイト変態開始温度は低いほうがよい。一方で、マルテンサイト変態開始温度を下げようとＣ添加量等を増やしすぎると伸びが極端に小さくなってしまう。
そこで、本発明では、積層造形用鉄鋼材料のマルテンサイト変態開始温度を、１３０～２００℃とした。
本発明の積層造形用鉄鋼材料のマルテンサイト変態開始温度は、１５０～２００℃が好ましく、１７０～１９５℃がより好ましい。
図３には実施例１の造形材料のマルテンサイト変態開始温度、及びベースプレート温度も合わせて表示している。
（ベイナイト変態開始時間）
本発明の積層造形用鉄鋼材料は、恒温変態曲線におけるマルテンサイト変態開始温度＋３０℃でのベイナイト変態開始時間（以下、単に「ベイナイト変態開始時間」ともいう。）が２００秒以上である。
前述のように、積層造形用鉄鋼材料のマルテンサイト変態開始温度を１３０～２００℃として、マルテンサイト変態を回避したとしても、ベースプレート温度で長時間保持していると、フェライト・パーライト組織、又はベイナイト組織に変態する。本発明では高強度（好ましくは引張強度１５００ＭＰａ以上）の鉄合金が得られるようにするために、変態後の組織はベイナイトであることが好ましい。
また、相変態によるひずみの軽減を目的にベイナイト変態の回数をできるだけ減らすため、ベイナイト変態が開始するまでの時間は積層造形において次の層の造形が始まるまでの時間よりも長く設定する。次の造形が始まるまでの時間は造形物のサイズや積層造形機の性能によって異なるが、通常は、１８０秒以下であるため、少なくとも２００秒間変態が始まらなければよい。
そこで、本発明では、積層造形用鉄鋼材料の恒温変態曲線におけるマルテンサイト変態開始温度＋３０℃でのベイナイト変態開始時間を２００秒以上とする。
本発明の積層造形用鉄鋼材料のベイナイト変態開始時間は、５００秒以上であることが好ましく、８００秒以上であることがより好ましい。
なお、積層造形では冷却速度が非常に大きくベースプレート温度での恒温変態とみなせる。
本発明の積層造形用鉄鋼材料は、恒温変態曲線におけるマルテンサイト変態開始温度＋３０℃でのベイナイト変態開始時間（以下、単に「ベイナイト変態開始時間」ともいう。）が２００秒以上である。
前述のように、積層造形用鉄鋼材料のマルテンサイト変態開始温度を１３０～２００℃として、マルテンサイト変態を回避したとしても、ベースプレート温度で長時間保持していると、フェライト・パーライト組織、又はベイナイト組織に変態する。本発明では高強度（好ましくは引張強度１５００ＭＰａ以上）の鉄合金が得られるようにするために、変態後の組織はベイナイトであることが好ましい。
また、相変態によるひずみの軽減を目的にベイナイト変態の回数をできるだけ減らすため、ベイナイト変態が開始するまでの時間は積層造形において次の層の造形が始まるまでの時間よりも長く設定する。次の造形が始まるまでの時間は造形物のサイズや積層造形機の性能によって異なるが、通常は、１８０秒以下であるため、少なくとも２００秒間変態が始まらなければよい。
そこで、本発明では、積層造形用鉄鋼材料の恒温変態曲線におけるマルテンサイト変態開始温度＋３０℃でのベイナイト変態開始時間を２００秒以上とする。
本発明の積層造形用鉄鋼材料のベイナイト変態開始時間は、５００秒以上であることが好ましく、８００秒以上であることがより好ましい。
なお、積層造形では冷却速度が非常に大きくベースプレート温度での恒温変態とみなせる。
図４は、実施例１で点Ｐの温度の極大値がオーステナイト変態温度を下回った後の時間と温度との関係を示す。また、図４には、実施例１の造形材料の恒温変態曲線を点線で表示している。
実施例１の積層造形用鉄鋼材料は、図４に示すように、恒温変態曲線におけるマルテンサイト変態開始温度＋３０℃でのベイナイト変態開始時間が２００秒以上であるため、１つの層を造形してから、次の層を造形するまでの時間にベイナイト変態が起こらず、相変態によるひずみが軽減される。
実施例１の積層造形用鉄鋼材料は、図４に示すように、恒温変態曲線におけるマルテンサイト変態開始温度＋３０℃でのベイナイト変態開始時間が２００秒以上であるため、１つの層を造形してから、次の層を造形するまでの時間にベイナイト変態が起こらず、相変態によるひずみが軽減される。
（化学組成）
本発明の積層造形用鉄鋼材料は、質量％で、Ｃ：０．３～０．８％、Ｍｎ：０．６～２％、Ｃｒ：１～７％、Ｖ：２％以下、Ｍｏ：３％以下を含有する。
なお、各合金元素の含有量は、特に断りのない限り、積層造形用鉄鋼材料全体を１００％とする質量基準の値である。
本発明の積層造形用鉄鋼材料は、質量％で、Ｃ：０．３～０．８％、Ｍｎ：０．６～２％、Ｃｒ：１～７％、Ｖ：２％以下、Ｍｏ：３％以下を含有する。
なお、各合金元素の含有量は、特に断りのない限り、積層造形用鉄鋼材料全体を１００％とする質量基準の値である。
本発明の積層造形用鉄鋼材料は、
質量％で、
Ｃ：０．３～０．８％、
Ｍｎ：０．６～２％、
Ｃｒ：１～７％、
Ｖ：２％以下、
Ｍｏ：３％以下、
Ｔｉ：１％以下、
Ｎｉ：５％以下
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることが好ましい。
上記化学組成の積層造形用鉄鋼材料により、靭性を更に向上させることができる。
質量％で、
Ｃ：０．３～０．８％、
Ｍｎ：０．６～２％、
Ｃｒ：１～７％、
Ｖ：２％以下、
Ｍｏ：３％以下、
Ｔｉ：１％以下、
Ｎｉ：５％以下
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることが好ましい。
上記化学組成の積層造形用鉄鋼材料により、靭性を更に向上させることができる。
本発明の積層造形用鉄鋼材料は、質量％で、Ｃを０．３～０．８％含有する。
Ｃは鉄鋼材料の強度を高めることのできる元素である。また添加するほどマルテンサイト変態温度は下がる。マルテンサイト変態開始温度を２００℃以下にするため、Ｃ添加量は０．３％以上とする。一方で、０．８％を超えて添加するとベイナイト組織が得られたとしても十分な伸びが得られないため、これ以下とする。
積層造形用鉄鋼材料中のＣの含有量は、０．３～０．５％が好ましく、０．３５～０．４５％がより好ましい。
Ｃは鉄鋼材料の強度を高めることのできる元素である。また添加するほどマルテンサイト変態温度は下がる。マルテンサイト変態開始温度を２００℃以下にするため、Ｃ添加量は０．３％以上とする。一方で、０．８％を超えて添加するとベイナイト組織が得られたとしても十分な伸びが得られないため、これ以下とする。
積層造形用鉄鋼材料中のＣの含有量は、０．３～０．５％が好ましく、０．３５～０．４５％がより好ましい。
本発明の積層造形用鉄鋼材料は、質量％で、Ｍｎを０．６～２％含有し、Ｃｒを１～７％含有する。
ＭｎとＣｒはマルテンサイト変態温度を下げるとともにベイナイト変態開始時間を大きくする効果がある。特に、ベイナイト変態開始時間に着目して、Ｍｎの場合０．６％以上、Ｃｒの場合１％以上の添加が必要となる。一方で、Ｍｎの場合２％、Ｃｒの場合７％を超えて添加してもベイナイト変態の回数抑制による更なる変態ひずみ抑制効果は得られなくなることからこれら以下とする。
積層造形用鉄鋼材料中のＭｎの含有量は、１．０～２．０％が好ましく、１．２～１．８％がより好ましい。
積層造形用鉄鋼材料中のＣｒの含有量は、３．０～６．０％が好ましく、４．５～５．５％がより好ましい。
ＭｎとＣｒはマルテンサイト変態温度を下げるとともにベイナイト変態開始時間を大きくする効果がある。特に、ベイナイト変態開始時間に着目して、Ｍｎの場合０．６％以上、Ｃｒの場合１％以上の添加が必要となる。一方で、Ｍｎの場合２％、Ｃｒの場合７％を超えて添加してもベイナイト変態の回数抑制による更なる変態ひずみ抑制効果は得られなくなることからこれら以下とする。
積層造形用鉄鋼材料中のＭｎの含有量は、１．０～２．０％が好ましく、１．２～１．８％がより好ましい。
積層造形用鉄鋼材料中のＣｒの含有量は、３．０～６．０％が好ましく、４．５～５．５％がより好ましい。
本発明の積層造形用鉄鋼材料は、質量％で、Ｖを２％以下含有する。
Ｖは炭窒化物の形成により強度や靭性が向上するため添加することが望ましい。一方で、２％以上添加すると窒化物等を過剰に生成して延性が低下するためこれ以下とする。
積層造形用鉄鋼材料中のＶの含有量は、０．０５～１．０％が好ましく、０．１０～０．５０％がより好ましく、０．２０～０．５０％が更に好ましい。
Ｖは炭窒化物の形成により強度や靭性が向上するため添加することが望ましい。一方で、２％以上添加すると窒化物等を過剰に生成して延性が低下するためこれ以下とする。
積層造形用鉄鋼材料中のＶの含有量は、０．０５～１．０％が好ましく、０．１０～０．５０％がより好ましく、０．２０～０．５０％が更に好ましい。
本発明の積層造形用鉄鋼材料は、質量％で、Ｍｏを３％以下含有する。
Ｍｏは炭化物を形成して強度や靭性を向上するため添加することが望ましい。一方で、炭化物を形成しうる炭素の存在量以上に添加しても効果が得られないことから添加量は３％以下とする。
積層造形用鉄鋼材料中のＭｏの含有量は、２％以下が好ましく、１％以下がより好ましく、０．３～０．８％が更に好ましい。
Ｍｏは炭化物を形成して強度や靭性を向上するため添加することが望ましい。一方で、炭化物を形成しうる炭素の存在量以上に添加しても効果が得られないことから添加量は３％以下とする。
積層造形用鉄鋼材料中のＭｏの含有量は、２％以下が好ましく、１％以下がより好ましく、０．３～０．８％が更に好ましい。
本発明の積層造形用鉄鋼材料は、質量％で、Ｔｉを１％以下含有してもよい。
Ｔｉを添加することで、炭化物を形成して強度や靭性を向上することができる。一方で、炭化物を形成しうる炭素の存在量以上に添加しても効果が得られないことから添加量は１％以下とすることが好ましい。
Ｔｉを添加することで、炭化物を形成して強度や靭性を向上することができる。一方で、炭化物を形成しうる炭素の存在量以上に添加しても効果が得られないことから添加量は１％以下とすることが好ましい。
本発明の積層造形用鉄鋼材料は、質量％で、Ｎｉを５％以下含有してもよい。
Ｎｉを添加することで、靭性を向上することができる。一方で、５％以上添加しても効果が飽和してしまうことから添加量は５％以下とすることが好ましい。
Ｎｉを添加することで、靭性を向上することができる。一方で、５％以上添加しても効果が飽和してしまうことから添加量は５％以下とすることが好ましい。
本発明の積層造形用鉄鋼材料は、上記化学組成で、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることが好ましい。
本発明の積層造形用鉄鋼材料中のＦｅの含有量は、７０質量％以上であることが好ましく、８０質量％以上であることがより好ましく、９０質量％以上であることが更に好ましい。
本発明の積層造形用鉄鋼材料中のＦｅの含有量は、７０質量％以上であることが好ましく、８０質量％以上であることがより好ましく、９０質量％以上であることが更に好ましい。
不可避的不純物とは、積層造形用鉄鋼材料を製造する際に、原料や環境から不可避的に混入し得る成分であり、例えば、Ｐ、Ｓ、Ｃｕなどが挙げられる。通常、Ｐ、Ｓの含有量は０．１質量％以下、Ｃｕの含有量は０．５質量％以下である。
本発明の積層造形用鉄鋼材料の形態は特に限定されないが、粉末状又はシート状であることが好ましく、粉末状であることがより好ましい。積層造形用鉄鋼材料が粉末状であることで、粉末床溶融結合法で積層造形することができる。
本発明の積層造形用鉄鋼材料が粉末状である場合の粒径は特に限定されず、積層造形用（好ましくは３Ｄプリンタによる造形用）に好適な公知の粒径（例えば、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定した体積平均粒子径（Ｄ５０）で３０～６０μｍなど）とすることができる。
本発明の積層造形用鉄鋼材料の製造方法は特に限定されず、公知の方法を採用することができる。
本発明の積層造形用鉄鋼材料が粉末状である場合、公知の方法（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、遠心力アトマイズ法など）を採用して製造することができる。
本発明の積層造形用鉄鋼材料が粉末状である場合、公知の方法（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、遠心力アトマイズ法など）を採用して製造することができる。
［鉄合金の製造方法］
本発明の鉄合金の製造方法は、
鉄合金を金属積層造形法によって製造する鉄合金の製造方法であって、
本発明の積層造形用鉄鋼材料にレーザービーム及び電子ビームの少なくとも一方を照射し、前記積層造形用鉄鋼材料を溶融させることにより、鉄合金層をベースプレート上に積層しながら造形する造形工程において、
少なくとも、造形面から前記ベースプレートに向かって１ｍｍ以内の領域の温度を、マルテンサイト変態開始温度以上に加熱保持した状態で造形する、鉄合金の製造方法である。
本発明の鉄合金の製造方法は、
鉄合金を金属積層造形法によって製造する鉄合金の製造方法であって、
本発明の積層造形用鉄鋼材料にレーザービーム及び電子ビームの少なくとも一方を照射し、前記積層造形用鉄鋼材料を溶融させることにより、鉄合金層をベースプレート上に積層しながら造形する造形工程において、
少なくとも、造形面から前記ベースプレートに向かって１ｍｍ以内の領域の温度を、マルテンサイト変態開始温度以上に加熱保持した状態で造形する、鉄合金の製造方法である。
本発明の鉄合金の製造方法によれば、クラックの発生が抑制され、かつ強度及び靭性に優れる鉄合金（造形物）を得ることができる。
本発明の鉄合金の製造方法は、少なくとも、造形面からベースプレートに向かって１ｍｍ以内の領域の温度を、マルテンサイト変態開始温度以上に加熱保持した状態で造形するため、マルテンサイト変態を回避できるため、鉄合金にクラックが生じるリスクを減らすことができる。造形面からベースプレートに向かって１ｍｍ以内の領域の温度を、マルテンサイト変態開始温度以上に加熱保持する方法としては、特に限定されないが、例えば、ベースヒータなどによりベースプレート温度をマルテンサイト変態開始温度以上に制御する方法や、赤外線ヒータなどで造形面からベースプレートに向かって１ｍｍ以内の領域の温度をマルテンサイト変態開始温度以上に制御する方法などがある。
（ベースプレート温度）
本発明の鉄合金の製造方法では、ベースプレート温度をマルテンサイト変態温度より高くすることが好ましい。これにより、鉄合金のマルテンサイト変態を回避することができる。
また、マルテンサイト変態を回避しても、ベースプレート温度で長時間保持していると、鉄合金は、フェライト・パーライト組織、又はベイナイト組織に変態する。本発明では高強度（好ましくは引張強度１５００ＭＰａ以上）の鉄合金が得られるようにするために、変態後の組織はベイナイトであることが好ましい。そのため、ベースプレート温度はマルテンサイト変態温度よりも０～５０℃高い温度に設定することが好ましく、５～３０℃高い温度に設定することがより好ましく、１０～３０℃高い温度に設定することが更に好ましい。
本発明の鉄合金の製造方法では、ベースプレート温度をマルテンサイト変態温度より高くすることが好ましい。これにより、鉄合金のマルテンサイト変態を回避することができる。
また、マルテンサイト変態を回避しても、ベースプレート温度で長時間保持していると、鉄合金は、フェライト・パーライト組織、又はベイナイト組織に変態する。本発明では高強度（好ましくは引張強度１５００ＭＰａ以上）の鉄合金が得られるようにするために、変態後の組織はベイナイトであることが好ましい。そのため、ベースプレート温度はマルテンサイト変態温度よりも０～５０℃高い温度に設定することが好ましく、５～３０℃高い温度に設定することがより好ましく、１０～３０℃高い温度に設定することが更に好ましい。
本発明の鉄合金の製造方法における金属積層造形法は、粉末状の造形材料を用いた金属積層造形法であることが好ましく、３Ｄプリンタを用いた造形法であることがより好ましい。
３Ｄプリンタは公知のものを用いることができる。
積層造形の方式は特に限定されないが、例えば、粉末床溶融結合法、指向エネルギー堆積法などが好ましく、粉末床溶融結合法が特に好ましい。
３Ｄプリンタは公知のものを用いることができる。
積層造形の方式は特に限定されないが、例えば、粉末床溶融結合法、指向エネルギー堆積法などが好ましく、粉末床溶融結合法が特に好ましい。
本発明の製造方法により製造された鉄合金（造形物）は、クラックの発生が抑制され、かつ強度及び靭性に優れる（好ましくは、引張強度１５００ＭＰａ以上、伸び７％以上）ため、自動車部品など様々な構造部材への適用が可能である。特に、積層造形の特徴である形状自由度の高さを活かした軽量部材への適用では高い効果を発揮することができる。また内部に冷却回路を有する金型などにも適用することができる。
以下に、実施例及び比較例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
下記表１に示す組成で、残部がＦｅ及び不可避的不純物の粉末（平均粒径４５μｍ）を作製した。各実施例及び比較例の粉末を積層造形用鉄鋼材料（造形材料）として用いた。
表１の各実施例及び比較例の積層造形用鉄鋼材料を、造形機（３Ｄプリンタ）を用いて積層造形し、直径１２ｍｍ、長さ８０ｍｍの丸棒を製造した。造形機はＥＯＳ社のＭ２９０を用い、造形条件は出力２６０Ｗ、積層厚さ４０μｍ、スキャン速度７００ｍｍ／ｓ、ハッチ距離０．１ｍｍ、予熱温度は２００℃とした。得られた丸棒は全面切削加工を行って試験片に加工した。
表１には、各実施例及び比較例の積層造形用鉄鋼材料のマルテンサイト変態開始温度と、ベイナイト変態開始時間を記載した。マルテンサイト変態開始温度やベイナイト変態開始時間は直径３ｍｍ、長さ１０ｍｍの鋼塊の試験片を用いてフォーマスター試験機により測定を行った。
＜クラックの有無＞
得られた造形物を目視及び光学顕微鏡で観察し、クラックの有無を確認した。
得られた造形物を目視及び光学顕微鏡で観察し、クラックの有無を確認した。
＜引張強度の測定＞
表１の積層造形用鉄鋼材料を使用し、３Ｄプリンタで製造した直径１２ｍｍ、長さ８０ｍｍの丸棒造形品に全面切削加工を行い、試験片を作製した。引張試験は株式会社島津製作所のオートグラフを用い、室温で引張速度５ｍｍ／分で行った。
なお、引張強度（ＭＰａ）の測定はＪＩＳ Ｚ ２２４１に則って実施し、試験片形状はＪＩＳ １４Ａ号丸棒試験片とした。
表１の積層造形用鉄鋼材料を使用し、３Ｄプリンタで製造した直径１２ｍｍ、長さ８０ｍｍの丸棒造形品に全面切削加工を行い、試験片を作製した。引張試験は株式会社島津製作所のオートグラフを用い、室温で引張速度５ｍｍ／分で行った。
なお、引張強度（ＭＰａ）の測定はＪＩＳ Ｚ ２２４１に則って実施し、試験片形状はＪＩＳ １４Ａ号丸棒試験片とした。
＜伸びの測定＞
上述の試験片について、上述の引張強度の測定中の評点間距離の変化を伸び計で測定することにより破断伸びを測定した。
上述の試験片について、上述の引張強度の測定中の評点間距離の変化を伸び計で測定することにより破断伸びを測定した。
表１から、実施例１～４の積層造形用鉄鋼材料は、クラックが無く、引張強度が１５００ＭＰａ以上で、伸びが７％以上の造形物を製造することができることが分かる。
実施例１は代表的な成分の場合である。実施例１の造形材料を用いた積層造形における温度変化を図３及び４に示す。図３に示すようにベースプレート温度をマルテンサイト変態開始温度より高い２００℃に設定することにより、実施例１のサンプルはクラックを生じることなく安定して造形することができた。また造形が進んで温度の極大値がオーステナイト変態温度を下回ると図４に示すようにオーステナイト組織のままである温度域と、ベイナイト組織への変態が進行する温度域と、フェライト・パーライト組織への変態が進行する温度域との間で温度変化したが、造形後の組織はベイナイトと残留オーステナイトの混合組織となっていた。そのため強度が高いにも拘わらず高い伸びが得られた。
実施例２は、実施例１に対して、Ｍｎ及びＣｒの添加量を増やした例であり、大きな伸びが得られている。
実施例３は、Ｃの添加量を増やした例であり、大きな引張強度が得られている。
実施例４は、Ｍｏを積極的に添加した例であり、大きな伸びが得られている。
比較例１は、マルテンサイト変態開始温度が２００℃より高く、ベースプレート温度をマルテンサイト変態開始温度より低くした例である。造形中にクラックが生じたため引張試験を行うことができなかった。
比較例２はベイナイト変態開始時間が２００秒より短い例である。なお、マルテンサイト変態開始温度も２００℃を若干超えたがクラックは生じなかった。このサンプルに引張試験を行ったところ、非常に小さい伸びで破断してしまったため強度を測定することはできなかった。
比較例３はＣの添加量が多すぎる例である。このサンプルに引張試験を行ったところ、非常に小さい伸びで破断してしまったため強度を測定することはできなかった。
実施例３は、Ｃの添加量を増やした例であり、大きな引張強度が得られている。
実施例４は、Ｍｏを積極的に添加した例であり、大きな伸びが得られている。
比較例１は、マルテンサイト変態開始温度が２００℃より高く、ベースプレート温度をマルテンサイト変態開始温度より低くした例である。造形中にクラックが生じたため引張試験を行うことができなかった。
比較例２はベイナイト変態開始時間が２００秒より短い例である。なお、マルテンサイト変態開始温度も２００℃を若干超えたがクラックは生じなかった。このサンプルに引張試験を行ったところ、非常に小さい伸びで破断してしまったため強度を測定することはできなかった。
比較例３はＣの添加量が多すぎる例である。このサンプルに引張試験を行ったところ、非常に小さい伸びで破断してしまったため強度を測定することはできなかった。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
また、本明細書には少なくとも以下の事項が記載されている。
（１） 質量％で、
Ｃ：０．３～０．８％、
Ｍｎ：０．６～２％、
Ｃｒ：１～７％、
Ｖ：２％以下、
Ｍｏ：３％以下
を含有し、
マルテンサイト変態開始温度が１３０～２００℃であり、
恒温変態曲線におけるマルテンサイト変態開始温度＋３０℃でのベイナイト変態開始時間が２００秒以上である、積層造形用鉄鋼材料。
Ｃ：０．３～０．８％、
Ｍｎ：０．６～２％、
Ｃｒ：１～７％、
Ｖ：２％以下、
Ｍｏ：３％以下
を含有し、
マルテンサイト変態開始温度が１３０～２００℃であり、
恒温変態曲線におけるマルテンサイト変態開始温度＋３０℃でのベイナイト変態開始時間が２００秒以上である、積層造形用鉄鋼材料。
（１）によれば、クラックの発生が抑制され、かつ強度及び靭性に優れる鉄合金を得ることができる。
（２） 質量％で、
Ｃ：０．３～０．８％、
Ｍｎ：０．６～２％、
Ｃｒ：１～７％、
Ｖ：２％以下、
Ｍｏ：３％以下、
Ｔｉ：１％以下、
Ｎｉ：５％以下
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる、（１）に記載の積層造形用鉄鋼材料。
Ｃ：０．３～０．８％、
Ｍｎ：０．６～２％、
Ｃｒ：１～７％、
Ｖ：２％以下、
Ｍｏ：３％以下、
Ｔｉ：１％以下、
Ｎｉ：５％以下
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる、（１）に記載の積層造形用鉄鋼材料。
（２）によれば、靭性を更に向上させることができる。
（３） 粉末状である（１）又は（２）に記載の積層造形用鉄鋼材料。
（３）によれば、粉末床溶融結合法で積層造形することができる。
（４） 鉄合金を金属積層造形法によって製造する鉄合金の製造方法であって、
（１）～（３）のいずれか１つに記載の積層造形用鉄鋼材料にレーザービーム及び電子ビームの少なくとも一方を照射し、前記積層造形用鉄鋼材料を溶融させることにより、鉄合金層をベースプレート上に積層しながら造形する造形工程において、
少なくとも、造形面から前記ベースプレートに向かって１ｍｍ以内の領域の温度を、マルテンサイト変態開始温度以上に加熱保持した状態で造形する、鉄合金の製造方法。
（４） 鉄合金を金属積層造形法によって製造する鉄合金の製造方法であって、
（１）～（３）のいずれか１つに記載の積層造形用鉄鋼材料にレーザービーム及び電子ビームの少なくとも一方を照射し、前記積層造形用鉄鋼材料を溶融させることにより、鉄合金層をベースプレート上に積層しながら造形する造形工程において、
少なくとも、造形面から前記ベースプレートに向かって１ｍｍ以内の領域の温度を、マルテンサイト変態開始温度以上に加熱保持した状態で造形する、鉄合金の製造方法。
（４）によれば、クラックの発生が抑制され、かつ強度及び靭性に優れる鉄合金を得ることができる。
１ ベースプレート
２ 造形物
Ｇ１、Ｇｎ 造形面
２ 造形物
Ｇ１、Ｇｎ 造形面
Claims (4)
- 質量％で、
Ｃ：０．３～０．８％、
Ｍｎ：０．６～２％、
Ｃｒ：１～７％、
Ｖ：２％以下、
Ｍｏ：３％以下
を含有し、
マルテンサイト変態開始温度が１３０～２００℃であり、
恒温変態曲線におけるマルテンサイト変態開始温度＋３０℃でのベイナイト変態開始時間が２００秒以上である、積層造形用鉄鋼材料。 - 質量％で、
Ｃ：０．３～０．８％、
Ｍｎ：０．６～２％、
Ｃｒ：１～７％、
Ｖ：２％以下、
Ｍｏ：３％以下、
Ｔｉ：１％以下、
Ｎｉ：５％以下
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる、請求項１に記載の積層造形用鉄鋼材料。 - 粉末状である請求項１又は２に記載の積層造形用鉄鋼材料。
- 鉄合金を金属積層造形法によって製造する鉄合金の製造方法であって、
請求項１～３のいずれか１項に記載の積層造形用鉄鋼材料にレーザービーム及び電子ビームの少なくとも一方を照射し、前記積層造形用鉄鋼材料を溶融させることにより、鉄合金層をベースプレート上に積層しながら造形する造形工程において、
少なくとも、造形面から前記ベースプレートに向かって１ｍｍ以内の領域の温度を、マルテンサイト変態開始温度以上に加熱保持した状態で造形する、鉄合金の製造方法。
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