JP2023507759A - 付加製造用の金属粉末 - Google Patents
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Abstract
本発明は、重量含有量で表される、次の元素：０．０１％≦Ｃ≦０．２％、４．６％≦Ｔｉ≦１０％、（０．４５ｘＴｉ）－０．２２％≦Ｂ≦（０．４５ｘＴｉ）＋０．７０％、Ｓ≦０．０３％、Ｐ≦０．０４％、Ｎ≦０．０５％、Ｏ≦０．０５％を含み、及び任意選択的に、Ｓｉ≦１．５％、Ｍｎ≦３％、Ａｌ≦１．５％、Ｎｉ≦１％、Ｍｏ≦１％、Ｃｒ≦３％、Ｃｕ≦１％、Ｎｂ≦０．１％、Ｖ≦０．５％を含有し、並びにＴｉＢ２及びＦｅ２Ｂの共晶析出物を含み、残部がＦｅ及び精錬から生じる不可避不純物である組成を有する金属粉末であって、ＴｉＢ２の体積百分率が、１０％以上であり、粉末の平均かさ密度が、７．５０ｇ／ｃｍ３以下である、金属粉末に関する。本発明はまた、噴霧によるその製造方法に関する。
Description
本発明は、鋼部品の製造のための、特に付加製造用のそれらの使用のための金属粉末に関する。本発明はまた、金属粉末を製造するための方法に関する。
ＦｅＴｉＢ２鋼は、その優れた高弾性率Ｅ、低密度及び高引張強度のために大きな注目を集めている。しかしながら、そのような鋼板は、従来の経路では良好な歩留まりで生産することが困難であり、その使用が制限される。
したがって、本発明の目的は、良好な使用特性を維持しながら付加製造法によって部品を製造するために効率的に使用することができるＦｅＴｉＢ２粉末を提供することにより、そのような欠点を改善することである。
この目的のために、本発明の第１の主題は、重量含有量で表される、次の元素を含み：
０．０１％≦Ｃ≦０．２％
４．６％≦Ｔｉ≦１０％
（０．４５ｘＴｉ）－０．２２％≦Ｂ≦（０．４５ｘＴｉ）＋０．７０％
Ｓ≦０．０３％
Ｐ≦０．０４％
Ｎ≦０．０５％
Ｏ≦０．０５％
及び任意選択的に、以下を含有し：
Ｓｉ≦１．５％
Ｍｎ≦３％
Ａｌ≦１．５％
Ｎｉ≦１％
Ｍｏ≦１％
Ｃｒ≦３％
Ｃｕ≦１％
Ｎｂ≦０．１％
Ｖ≦０．５％
並びにＴｉＢ２及びＦｅ２Ｂの析出物を含み、残部がＦｅ及び精錬から生じる不可避不純物である組成を有する金属粉末であって、ＴｉＢ２の体積百分率が、１０％以上であり、粉末の平均かさ密度が、７．５０ｇ／ｃｍ３以下である、金属粉末からなる。
０．０１％≦Ｃ≦０．２％
４．６％≦Ｔｉ≦１０％
（０．４５ｘＴｉ）－０．２２％≦Ｂ≦（０．４５ｘＴｉ）＋０．７０％
Ｓ≦０．０３％
Ｐ≦０．０４％
Ｎ≦０．０５％
Ｏ≦０．０５％
及び任意選択的に、以下を含有し：
Ｓｉ≦１．５％
Ｍｎ≦３％
Ａｌ≦１．５％
Ｎｉ≦１％
Ｍｏ≦１％
Ｃｒ≦３％
Ｃｕ≦１％
Ｎｂ≦０．１％
Ｖ≦０．５％
並びにＴｉＢ２及びＦｅ２Ｂの析出物を含み、残部がＦｅ及び精錬から生じる不可避不純物である組成を有する金属粉末であって、ＴｉＢ２の体積百分率が、１０％以上であり、粉末の平均かさ密度が、７．５０ｇ／ｃｍ３以下である、金属粉末からなる。
本発明による金属粉末はまた、個別に又は組み合わせて考慮される、請求項２～４のいずれか一項に記載の任意選択的な特徴を有し得る。
本発明の第２の主題は、付加製造用の金属粉末を製造するための方法であって、
－重量含有量で表される、０．０１％≦Ｃ≦０．２％、４．６％≦Ｔｉ≦１０％、（０．４５ｘＴｉ）－０．２２％≦Ｂ≦（０．４５ｘＴｉ）＋０．７０％、Ｓ≦０．０３％、Ｐ≦０．０４％、Ｎ≦０．０５％、Ｏ≦０．０５％を含み、及び任意選択的に、Ｓｉ≦１．５％、Ｍｎ≦３％、Ａｌ≦１．５％、Ｎｉ≦１％、Ｍｏ≦１％、Ｃｒ≦３％、Ｃｕ≦１％、Ｎｂ≦０．１％、Ｖ≦０．５％を含有し、残部がＦｅ及び精錬から生じる不可避不純物である溶融組成物を得るように、液相線温度より少なくとも５０℃高い温度で元素及び／又は金属合金を溶融するステップ、並びに
－加圧ガスを用いてノズルを通して溶融組成物を噴霧するステップ
を含む、方法からなる。
－重量含有量で表される、０．０１％≦Ｃ≦０．２％、４．６％≦Ｔｉ≦１０％、（０．４５ｘＴｉ）－０．２２％≦Ｂ≦（０．４５ｘＴｉ）＋０．７０％、Ｓ≦０．０３％、Ｐ≦０．０４％、Ｎ≦０．０５％、Ｏ≦０．０５％を含み、及び任意選択的に、Ｓｉ≦１．５％、Ｍｎ≦３％、Ａｌ≦１．５％、Ｎｉ≦１％、Ｍｏ≦１％、Ｃｒ≦３％、Ｃｕ≦１％、Ｎｂ≦０．１％、Ｖ≦０．５％を含有し、残部がＦｅ及び精錬から生じる不可避不純物である溶融組成物を得るように、液相線温度より少なくとも５０℃高い温度で元素及び／又は金属合金を溶融するステップ、並びに
－加圧ガスを用いてノズルを通して溶融組成物を噴霧するステップ
を含む、方法からなる。
本発明による方法はまた、個別に又は組み合わせて考慮される、請求項６～８のいずれか一項に記載の任意選択的な特徴を有し得る。
本発明は、純粋に説明の目的で提供され、決して限定的であることを意図しない以下の説明を読むことによってよりよく理解されるであろう。
本発明による粉末は、部品の製造に使用される場合に良好な特性を得るためにバランスのとれた特定の組成を有する。
炭素含有量が０．２０％を超えると、耐低温割れ性及びＨＡＺ（熱影響部）の靭性が低下するため、溶接性により炭素含有量が制限される。炭素含有量が０．０５０重量％以下であると、抵抗溶接性が特に向上する。
鋼のチタン含有量のために、炭素含有量は、液体金属中のＴｉＣ及び／又はＴｉ（Ｃ、Ｎ）の一次析出を回避するように制限されることが好ましい。最大炭素含有量は、主に凝固中又は固相においてＴｉＣ及び／又はＴｉ（Ｃ、Ｎ）析出物を生産するために、好ましくは０．１％に、さらに良好には０．０８０％に制限されなければならない。
ケイ素は、任意要素であるが、添加すると、固溶体硬化のおかげで引張強度の増加に効果的に寄与する。しかしながら、ケイ素の過剰な添加は、除去が困難な付着性酸化物の形成を引き起こす。良好な表面特性を維持するために、ケイ素含有量は、１．５重量％を超えてはならない。
マンガン元素は、任意選択的である。しかしながら、０．０６％以上の量では、マンガンは、焼入れ性を増加させ、固溶体硬化に寄与するため、引張強度を増加させる。それは、存在する任意の硫黄と結合し、したがって高温割れのリスクを低減する。しかし、３重量％のマンガン含有量を超えると、凝固中にマンガンの有害な偏析が形成されるリスクが高くなる。
アルミニウム元素は、任意選択的である。しかしながら、０．００５％以上の量では、アルミニウムは、鋼を脱酸素するための非常に有効な元素である。しかし、１．５重量％の含有量を超えると、アルミナの過剰な一次析出が起こり、加工上の問題を引き起こす。
０．０３０％を超える量では、硫黄は、有害な硫化マンガンの形態で過剰に大量に析出する傾向がある。
リンは、粒界に偏析することが知られている元素である。その含有量は、十分な熱間延性を維持し、それによって割れを回避するために０．０４０％を超えてはならない。
任意選択的に、ニッケル、銅又はモリブデンを添加してもよく、これらの元素は、鋼の引張強度を増加させる。経済的理由から、これらの添加は、１重量％に制限される。
任意選択的に、引張強度を増加させるためにクロムを添加してもよい。それはまた、より大量の炭化物を析出させることが可能である。しかしながら、その含有量は、より安価な鋼を製造するために３重量％に制限される。０．０８０％以下のクロム含有量が好ましくは選定される。これは、クロムを過剰に添加すると、より多くの炭化物が析出するためである。
また、任意選択的に、ニオブ及びバナジウムは、微細な析出炭窒化物の形態の相補的な硬化を得るために、それぞれ０．１％以下及び０．５％以下の量で添加されてもよい。
チタン及びホウ素は、本発明による粉末において重要な役割を果たす。
チタンは、４．６％～１０％の間の量で存在する。チタンの重量含有量が４．６％未満であると、ＴｉＢ２析出物が十分に生じない。これは、析出したＴｉＢ２の体積分率が１０％未満であるため、２４０ＧＰａ未満のままであり得る弾性率の大きな変化を妨げるためである。チタンの重量含有量が１０％を超えると、液体金属中に粗大な一次ＴｉＢ２析出物が生じ、製品に問題を引き起こす。さらに、液相線温度が上昇し、標準的な噴霧方法では少なくとも５０℃の過熱を達成することができない。
ＦｅＴｉＢ２共晶析出物は、凝固時に生じる。析出の共晶性は、形成された微細構造に、機械的特性に有利な特定の細かさ及び均質性を与える。ＴｉＢ２共晶析出物の量がＴｉＢ２析出物の体積の１０％を超える場合、弾性率は、約２４０ＧＰａを超えてもよく、それによってかなり軽量化された構造を設計することを可能にする。この量は、クロム又はモリブデンなどの合金元素を含む鋼の場合、１５体積％に増加して約２５０ＧＰａを超えてもよい。これは、これらの元素が存在すると、共晶析出の場合に得ることができるＴｉＢ２の最大量が増加するためである。
上記で説明したように、チタンは、内因性ＴｉＢ２形成を引き起こすのに十分な量で存在しなければならない。
本発明の枠内において、ここでの「遊離Ｔｉ」は、析出物の形態で結合していないＴｉの含有量を示す。遊離Ｔｉ含有量は、遊離Ｔｉ＝Ｔｉ－２．２１５×Ｂとして評価することができ、Ｂは、粉末中のホウ素含有量を示す。
本発明によれば、チタン及びホウ素の含有量は、以下となるようなものである：
－０．２２≦Ｂ－（０．４５×Ｔｉ）≦０．７０
この範囲では、遊離Ｔｉの含有量は、０．５％未満である。遊離Ｔｉは、０．３０～０．４０％の間の値に設定することが好ましい。析出は、２つの連続する共晶：第１にＦｅＴｉＢ２、次いでＦｅ２Ｂの形態で起こり、Ｆｅ２Ｂのこの第２の内因性析出は、合金のホウ素含有量に応じてより多い又はより少ない量で起こる。Ｆｅ２Ｂの形態で析出する量は、８体積％までの範囲であり得る。この第２の析出も共晶スキームに従って起こり、これは、微細で均一な分布を得ることを可能にし、それによって機械的特性の良好な均一性を保証する。
－０．２２≦Ｂ－（０．４５×Ｔｉ）≦０．７０
この範囲では、遊離Ｔｉの含有量は、０．５％未満である。遊離Ｔｉは、０．３０～０．４０％の間の値に設定することが好ましい。析出は、２つの連続する共晶：第１にＦｅＴｉＢ２、次いでＦｅ２Ｂの形態で起こり、Ｆｅ２Ｂのこの第２の内因性析出は、合金のホウ素含有量に応じてより多い又はより少ない量で起こる。Ｆｅ２Ｂの形態で析出する量は、８体積％までの範囲であり得る。この第２の析出も共晶スキームに従って起こり、これは、微細で均一な分布を得ることを可能にし、それによって機械的特性の良好な均一性を保証する。
Ｆｅ２Ｂの析出は、ＴｉＢ２の析出を完了させ、その最大量は、共晶に結合している。Ｆｅ２Ｂは、ＴｉＢ２と同様の役割を果たす。それは、弾性率を増加させ、密度を低下させる。したがって、ＴｉＢ２析出に対するＦｅ２Ｂ析出の相補性を変動させることによって、機械的特性を微調節することが可能である。これは、特に鋼において２５０ＧＰａを超える弾性率を得るために使用することができる。鋼が４体積％以上のＦｅ２Ｂの量を含有する場合、弾性率は、５ＧＰａを超えて増加する。Ｆｅ２Ｂの量が７．５体積％を超えると、弾性率は、１０ＧＰａを超えて増加する。
本発明による金属粉末のかさ密度は、驚くほど良好である。
実際、本発明による金属粉末のかさ密度は、７．５０ｇ／ｃｍ３の最大値である。粉末のこの低密度のおかげで、付加製造によってそのような金属粉末で作製された部品は、向上した弾性率と共に減少した密度を示す。
粉末は、例えば、最初に純粋な元素及び／又は合金鉄を原料として混合及び溶融することによって得ることができる。あるいは、粉末は、予備合金化組成物を溶融することによって得ることができる。
純粋な元素は、これらの不純物が結晶化を容易にする可能性があるため、合金鉄に由来する不純物が多すぎることを回避するために通常好ましい。それにもかかわらず、本発明の場合、合金鉄に由来する不純物は、本発明の達成に有害ではないことが観察された。
当業者は、異なる合金鉄及び純粋な元素を混合して標的組成物に到達する方法を知っている。
純粋な元素及び／又は合金鉄を適切な割合で混合することによって組成物が得られると、組成物は、その液相線温度より少なくとも５０℃高い温度で加熱され、この温度を維持してすべての原料を溶融し、溶融物を均質化する。この過熱のおかげで、溶融組成物の粘度の低下は、良好な特性を有する粉末を得るのに役立つ。とはいえ、表面張力が温度と共に増加するので、組成物をその液相線温度より４５０℃を超える温度で加熱しないことが好ましい。
好ましくは、組成物は、その液相線温度より少なくとも１００℃高い温度で加熱される。より好ましくは、組成物は、その液相線温度より３００～４００℃高い温度で加熱される。
次いで、溶融組成物は、溶融金属流をオリフィス、ノズルに中程度の圧力で押し込むことによって、及びガスのジェット（ガス噴霧）又は水のジェット（水噴霧）を衝突させることによって、微細な金属液滴に噴霧される。ガス噴霧の場合、ガスは、ノズルを出る直前に金属流に導入され、同伴ガスが（加熱により）膨張して大きな収集体積の噴霧塔に出るときに乱流を生成する働きをする。後者は、溶融金属ジェットのさらなる乱流を促進するためにガスで満たされる。金属液滴は、噴霧塔において落下する間に冷却される。ガス噴霧は、真円度が高く、サテライトの量が少ない粉末粒子の生産に有利であるため好ましい。
噴霧ガスは、アルゴン又は窒素である。それらは両方とも、溶融粘度を他のガス、例えばヘリウムよりもゆっくりと増加させ、これにより、より小さい粒径の形成が促進される。それらはまた、化学物質の純度を制御し、望ましくない不純物を回避し、粉末の良好なモルホロジーにおいて役割を果たす。窒素のモル重量が、アルゴンの３９．９５ｇ／モルと比較して１４．０１ｇ／モルであるので、窒素を用いるよりもアルゴンを用いる方がより微細な粒子を得ることができる。一方、窒素の比熱容量は、アルゴンの０．５２と比較して１．０４Ｊ／（ｇＫ）である。そのため、窒素は、粒子の冷却速度を増加させる。
ガス圧は、金属粉末の粒径分布及び微細構造に直接影響を及ぼすため、重要である。特に、圧力が高いほど、冷却速度は高くなる。その結果、ガス圧は、粒径分布を最適化し、マイクロ／ナノ結晶相の形成を促進するために、１０～３０バールの間に設定される。好ましくは、ガス圧は、サイズが付加製造技術と最も適合する粒子の形成を促進するために１４～１８バールの間に設定される。
ノズル直径は、溶融金属流量、したがって粒径分布及び冷却速度に直接影響を及ぼす。最大ノズル直径は、通常、平均粒径の増加及び冷却速度の低下を制限するために、４ｍｍに制限される。ノズル直径は、粒径分布をより正確に制御し、特定の微細構造の形成を促進するために、好ましくは２～３ｍｍの間である。
ガス流量（Ｋｇ／ｈ）と金属流量（Ｋｇ／ｈ）との間の比として定義されるガス対金属比は、好ましくは１．５～７の間、より好ましくは３～４の間に保たれる。それは冷却速度の調節に役立ち、したがって特定の微細構造の形成をさらに促進する。
本発明の一変形例によれば、湿度取り込みの場合、噴霧によって得られた金属粉末は、その流動性をさらに向上させるために乾燥される。乾燥は、好ましくは真空チャンバ中で１００℃で行われる。
噴霧によって得られた金属粉末は、そのまま使用することができるか、又は後で使用される付加製造技術によりよく適合するサイズの粒子を保つためにふるい分けすることができる。例えば、粉末床溶融結合法による付加製造の場合、２０～６３μｍの範囲が好ましい。レーザ金属蒸着法又は直接金属蒸着成形による付加製造の場合、４５～１５０μｍの範囲が好ましい。
本発明による金属粉末で作製された部品は、粉末床溶融結合法（ＬＰＢＦ）、直接金属レーザ焼結法（ＤＭＬＳ）、電子ビーム溶解法（ＥＢＭ）、選択的加熱焼結方式（ＳＨＳ）、レーザ焼結法（ＳＬＳ）、レーザ金属蒸着法（ＬＭＤ）、直接金属蒸着成形（ＤＭＤ）、直接金属レーザ溶融法（ＤＭＬＭ）、直接金属印刷（ＤＭＰ）、レーザクラッディング（ＬＣ）、バインダ噴射（ＢＪ）などの付加製造技術によって得ることができ、本発明による金属粉末で作製されたコーティングは、コールドスプレー、熱スプレー、高速酸素燃料などの製造技術によっても得ることができる。
この下に提示される次の実施例及び試験は、本質的に非限定的であり、例示のみを目的として考慮されなければならない。それらは、本発明の有利な特徴、広範な実験後に本発明者らによって選定されたパラメータの重要性を示し、本発明による金属粉末によって達成され得る特性をさらに確立する。
表１による金属組成物は、最初に、合金鉄及び純粋な元素を適切な割合で混合及び溶融することによって、又は予備合金化組成物を溶融することによって得られた。添加した元素の重量百分率の組成を表１にまとめる。
これらの金属組成物を加熱し、次いで、表２にまとめた工程条件でアルゴン又は窒素でガス噴霧した。
次いで、得られた金属粉末を真空下１００℃で０．５～１日間乾燥させ、ふるい分けして、それらのサイズに従って３つの画分Ｆ１～Ｆ３に分離した。画分Ｆ１は、１～１９μｍの間のサイズに対応する。画分Ｆ２は、２０～６３μｍの間のサイズに対応し、画分Ｆ３は、６３μｍを超えるサイズに対応する。
粉末の元素組成を重量百分率で分析し、主な元素を表３にまとめた。他のすべての元素含有量は、本発明の範囲内であった。
粉末のかさ密度を決定し、表４にまとめた。
かさ密度は、市販のＰｙｃｎｏｍｅｔｅｒ ＡｃｃｕＰｙｃ ＩＩ １３４０を使用して測定した。それは、Ａｒ原子を使用するガス比重測定法に基づく。そのような方法は、濡れ性の問題により、粉末密度のために液体系を使用するアルキメデスの原理よりも正確である。
試料を予備乾燥して水分を排除する。ヘリウムは、その小さな原子直径が小さな空洞に浸透するために使用する。
測定方法は、第１の基準チャンバ中の所与の圧力でのＨｅ注入に基づいており、次いでガスを、粉末を収容する第２のチャンバ中に放出する。この第２のチャンバ中の圧力を測定する。
次いで、マリオッタの法則を使用して、粉末体積ＶＥを計算する
－ Ｖ１、第１の基準チャンバの体積、
－ Ｖ０、粉末試料を収容する第２のチャンバ体積、
－ ＶＥ、粉末の体積、
－ Ｐ１、第１の基準チャンバ中のガス圧、
－ Ｐ２、粉末試料を収容する第２のチャンバ中のガス圧力
－ Ｖ０、粉末試料を収容する第２のチャンバ体積、
－ ＶＥ、粉末の体積、
－ Ｐ１、第１の基準チャンバ中のガス圧、
－ Ｐ２、粉末試料を収容する第２のチャンバ中のガス圧力
試料の重量を、較正された天秤を用いて測定し、次いで、対応する密度を計算する。
実施例から、本発明による粉末は、その密度が著しく高い参照例と比較して、７．５０ｇ／ｃｍ３以下のレベルで低下した密度を示すことが明らかである。体積で表したｉＢ２百分率の対応する値は、密度でそのようなギャップと一致していないので、この結果は驚くべきことである。
Claims (8)
- 金属粉末であって、重量含有量で表される、次の元素を含み：
０．０１％≦Ｃ≦０．２％
４．６％≦Ｔｉ≦１０％
（０．４５ｘＴｉ）－０．２２％≦Ｂ≦（０．４５ｘＴｉ）＋０．７０％
Ｓ≦０．０３％
Ｐ≦０．０４％
Ｎ≦０．０５％
Ｏ≦０．０５％
及び任意選択的に、以下を含有し：
Ｓｉ≦１．５％
Ｍｎ≦３％
Ａｌ≦１．５％
Ｎｉ≦１％
Ｍｏ≦１％
Ｃｒ≦３％
Ｃｕ≦１％
Ｎｂ≦０．１％
Ｖ≦０．５％
並びにＴｉＢ２及びＦｅ２Ｂの析出物を含み、残部がＦｅ及び精錬から生じる不可避不純物である組成を有し、ＴｉＢ２の体積百分率が、１０％以上であり、前記粉末の平均かさ密度が、７．５０ｇ／ｃｍ３以下である、金属粉末。 - Ｆｅ２Ｂの前記体積百分率が、少なくとも４％である、請求項１に記載の金属粉末。
- 前記粉末の遊離Ｔｉ含有量が、重量で０．３０～０．４０％の間に含まれる、請求項１又は２に記載の金属粉末。
- 付加製造用の金属粉末を製造するための方法であって、
重量含有量で表される、０．０１％≦Ｃ≦０．２％、４．６％≦Ｔｉ≦１０％、（０．４５ｘＴｉ）－０．２２％≦Ｂ≦（０．４５ｘＴｉ）＋０．７０％、Ｓ≦０．０３％、Ｐ≦０．０４％、Ｎ≦０．０５％、Ｏ≦０．０５％を含み、及び任意選択的に、Ｓｉ≦１．５％、Ｍｎ≦３％、Ａｌ≦１．５％、Ｎｉ≦１％、Ｍｏ≦１％、Ｃｒ≦３％、Ｃｕ≦１％、Ｎｂ≦０．１％、Ｖ≦０．５％を含有し、残部がＦｅ及び精錬から生じる不可避不純物である溶融組成物を得るように、液相線温度より少なくとも５０℃高い温度で元素及び／又は金属合金を溶融するステップ、並びに
加圧ガスを用いてノズルを通して前記溶融組成物を噴霧するステップ
を含む、方法。 - 前記溶融が、液相線温度より少なくとも１００℃高い温度で行われる、請求項４に記載の方法。
- 前記溶融が、液相線温度よりも最大４００℃高い温度で行われる、請求項４又は５に記載の方法。
- 前記ガスが、１０～３０バールの間で加圧される、請求項４～６のいずれか一項に記載の方法。
- 金属部品であって、請求項１～３のいずれか一項に記載の金属粉末を使用する付加製造方法によって製造されるか、又は請求項４～７に記載の方法によって得られる、金属部品。
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