JP2024039924A - Ｆｅ基合金粉末及び造形体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 造形体の割れを抑制することができるＦｅ基合金粉末を提供する。【解決手段】 Ｆｅ基合金粉末は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ及びＡｌのそれぞれを下記質量％で含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。また、下記式（Ｉ）を満足する。０．３０≦Ｃ≦０．５０Ｓｉ≦０．４０Ｍｎ≦０．４００．８５≦Ｃｒ≦１．７５Ｎｉ≦０．４００．７０≦Ｍｏ≦１．２０Ｖ≦０．６０Ａｌ≦０．１０Ｃｅｑ≦０．９５ ・・・（Ｉ）【選択図】なし
Description
本発明は、造形体の製造に用いられるＦｅ基合金粉末と、このＦｅ基合金粉末を用いた造形体の製造方法に関する。
特許文献１に記載のＦｅ基合金粉末は、平均粒子径Ｄ５０が２００μｍ以下であり、質量％で、０．４０＜Ｃ＜０．７０、Ｓｉ＜０．６０、Ｍｎ＜０．９０、Ｃｒ＜４．００、Ｎｉ＜２．００、０．９０＜Ｍｏ＜１．２０、Ｗ＜２．００、Ｖ＜０．６０、０．０１≦Ａｌ＜０．１０を含有しており、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。また、焼入れ焼戻し硬さに関する指標Ｋ１を２１．７よりも大きくするとともに、熱伝導率に関する指標Ｋ２を２９．０よりも大きくしている。このＦｅ基合金粉末を用いて造形体を製造することにより、造形体の熱伝導率及び硬さを高くしている。
特許文献２では、Ｆｅ基合金粉末から製造された造形体について、熱伝導率に関する指標Ｔ１を３２．０よりも大きくし、軟化抵抗に関する指標Ｔ２を５０．０よりも大きくし、造形体に含まれる炭化物の平均サイズＰＣを３．０［μｍ］よりも小さくしている。これにより、造形体の高熱伝導率及び高硬度を両立させている。
特許文献３に記載の金属粉末は、質量％で、０．１≦Ｃ≦０．４、０．００５≦Ｓｉ≦１．５、０．３≦Ｍｎ≦８．０、２．０≦Ｃｒ≦１５．０、２．０≦Ｎｉ≦１０．０、０．１≦Ｍｏ≦３．０、０．１≦Ｖ≦２．０、０．０１０≦Ｎ≦０．２００、及び、０．０１≦Ａｌ≦４．０を含有しており、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。また、Ｍｓ点と相関がある変数Ａ（Ａ＝１５Ｃ＋Ｍｎ＋０．５Ｃｒ＋Ｎｉ）について、「１０＜Ａ＜２０」に示す関係を満足している。これにより、金属粉末から積層造形体を製造するときにおいて、割れや反りが少なく、かつ、適度な硬さや高い熱伝導率を有する積層造形体を得るようにしている。
特許文献１，２では、造形体の熱伝導率及び硬さを高くするようにしているが、造形体の割れについては、何ら着目していない。一方、特許文献３では、「１０＜Ａ＜２０」を満たすようにすることで、割れ及び歪みの少ない積層造形体を得るようにしている。しかし、特許文献３に記載の比較例５では、「１０＜Ａ＜２０」を満たしていないにもかかわらず割れが発生していないため、変数Ａは、造形体の割れを評価するパラメータとして適切ではない。
本発明者らは、所定の化学成分を有するＦｅ基合金粉末において、後述する炭素当量Ｃｅｑ及びＭｓ点に着目したところ、これらのパラメータが所定の条件を満たすＦｅ基合金粉末を用いることにより、造形体の割れを抑制できることを見出し、本発明を完成するに至った。
本願第１の発明であるＦｅ基合金粉末は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ及びＡｌのそれぞれを下記質量％で含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。
０．３０≦Ｃ≦０．５０
Ｓｉ≦０．４０
Ｍｎ≦０．４０
０．８５≦Ｃｒ≦１．７５
Ｎｉ≦０．４０
０．７０≦Ｍｏ≦１．２０
Ｖ≦０．６０
Ａｌ≦０．１０
Ｓｉ≦０．４０
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Ｖ≦０．６０
Ａｌ≦０．１０
また、Ｆｅ基合金粉末は、下記式（Ｉ）を満足する。
Ｃｅｑ≦０．９５ ・・・（Ｉ）
上記式（Ｉ）におけるＣｅｑは、Ｆｅ基合金粉末に含まれる元素のうち、炭素以外の元素の影響力を炭素量に換算した炭素当量［質量％］である。
Ｃｅｑ≦０．９５ ・・・（Ｉ）
上記式（Ｉ）におけるＣｅｑは、Ｆｅ基合金粉末に含まれる元素のうち、炭素以外の元素の影響力を炭素量に換算した炭素当量［質量％］である。
Ｆｅ基合金粉末は、下記式（ＩＩ）を満足することが好ましい。
３４０≦Ｍｓ≦３８５ ・・・（ＩＩ）
上記式（ＩＩ）におけるＭｓはＭｓ点［℃］である。
Ｆｅ基合金粉末には、０．４０質量％以下のＷを更に含有させることができる。
３４０≦Ｍｓ≦３８５ ・・・（ＩＩ）
上記式（ＩＩ）におけるＭｓはＭｓ点［℃］である。
Ｆｅ基合金粉末には、０．４０質量％以下のＷを更に含有させることができる。
下記式（ＩＩＩ）で表される指標Ｋ１を１７．００［質量％］以上とし、下記式（ＩＶ）で表される指標Ｋ２を４４．００［質量％］以上とすることができる。
本願第２の発明である造形体の製造方法では、本願第１の発明であるＦｅ基合金粉末にエネルギビームを照射して溶融及び凝固させることにより造形体を製造する。
本発明であるＦｅ基合金粉末を用いれば、造形体の割れを抑制することができる。
（造形体の製造方法）
本実施形態であるＦｅ基合金粉末は、造形体の製造に用いられる。造形体の製造においては、Ｆｅ基合金粉末を用意した後、Ｆｅ基合金粉末を溶融して凝固させることにより、未熱処理の造形体が得られる。Ｆｅ基合金粉末を溶融・凝固させる処理としては、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、肉盛法が挙げられる。特に、パウダーベッド方式の三次元積層造形法を好適に用いることができる。
本実施形態であるＦｅ基合金粉末は、造形体の製造に用いられる。造形体の製造においては、Ｆｅ基合金粉末を用意した後、Ｆｅ基合金粉末を溶融して凝固させることにより、未熱処理の造形体が得られる。Ｆｅ基合金粉末を溶融・凝固させる処理としては、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、肉盛法が挙げられる。特に、パウダーベッド方式の三次元積層造形法を好適に用いることができる。
パウダーベッド方式の三次元積層造形法では、３Ｄプリンタが使用され、敷き詰められたＦｅ基合金粉末に対して、レーザビーム又は電子ビームといったエネルギビームを照射することにより、Ｆｅ基合金粉末が急速に加熱されて溶融する。その後、Ｆｅ基合金粉末は急速に凝固する。この溶融及び凝固により、Ｆｅ基合金粉末同士が結合する。エネルギビームの照射は、Ｆｅ基合金粉末の一部に対して選択的に行われる。なお、Ｆｅ基合金粉末のうち、エネルギビームが照射されなかった部分は溶融せず、エネルギビームが照射された部分のみにおいて、結合層が形成される。
この結合層の上にＦｅ基合金粉末を敷き詰めて、エネルギビームを照射することにより、上述した溶融及び凝固を発生させて新たな結合層が形成される。このような処理を繰り返すことにより、結合層の集合体を徐々に成長させて、所望の三次元形状を有する造形体を製造することができる。三次元積層造形法を利用することにより、複雑な形状の造形体を容易に製造することができる。
（Ｆｅ基合金粉末）
Ｆｅ基合金粉末は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ及びＡｌを含有しており、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。ここで、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ａｌのそれぞれの含有率［質量％］は、下記式（１）～（８）に示す条件を満たす。なお、下記式（２），（３），（５），（７），（８）について、各元素はＦｅ基合金粉末に含まれることになるため、下限値を特定していない。
Ｆｅ基合金粉末は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ及びＡｌを含有しており、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。ここで、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ａｌのそれぞれの含有率［質量％］は、下記式（１）～（８）に示す条件を満たす。なお、下記式（２），（３），（５），（７），（８）について、各元素はＦｅ基合金粉末に含まれることになるため、下限値を特定していない。
０．３０≦Ｃ≦０．５０ ・・・（１）
Ｓｉ≦０．４０ ・・・（２）
Ｍｎ≦０．４０ ・・・（３）
０．８５≦Ｃｒ≦１．７５ ・・・（４）
Ｎｉ≦０．４０ ・・・（５）
０．７０≦Ｍｏ≦１．２０ ・・・（６）
Ｖ≦０．６０ ・・・（７）
Ａｌ≦０．１０ ・・・（８）
Ｓｉ≦０．４０ ・・・（２）
Ｍｎ≦０．４０ ・・・（３）
０．８５≦Ｃｒ≦１．７５ ・・・（４）
Ｎｉ≦０．４０ ・・・（５）
０．７０≦Ｍｏ≦１．２０ ・・・（６）
Ｖ≦０．６０ ・・・（７）
Ａｌ≦０．１０ ・・・（８）
Ｆｅ基合金粉末は、Ｗを含有していてもよい。ここで、Ｗの含有率は０．４０［質量％］以下とすることができる。
Ｆｅ基合金粉末において、炭素当量Ｃｅｑは下記式（９）に示す条件を満たす。また、Ｍｓ点は下記式（１０）に示す条件を満たすことが好ましい。
Ｃｅｑ≦０．９５ ・・・（９）
３４０≦Ｍｓ≦３８５ ・・・（１０）
Ｃｅｑ≦０．９５ ・・・（９）
３４０≦Ｍｓ≦３８５ ・・・（１０）
炭素当量Ｃｅｑは、Ｆｅ基合金粉末に含まれる元素のうち、炭素以外の元素の影響力を炭素量に換算した値［質量％］であり、下記式（１１）で表される。また、Ｍｓ点は、焼入れ冷却中にマルテンサイトが生成し始める温度（すなわち、鋼が硬化し始める温度）［℃］であり、下記式（１２）で表される。Ｍｓ点はフォーマスター試験により実験的に決定することもできるが、本実施形態におけるＭｓ点は、実験で得られる値ではなく、下記式（１２）に各元素の含有率を代入して得られる値を使用する。
上記式（１１）において、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖは、Ｆｅ基合金粉末における各元素の含有率［質量％］である。上記式（１２）において、Ｃ，Ｍｎ，Ｖ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｏ，Ａｌは、Ｆｅ基合金粉末における各元素の含有率［質量％］である。なお、本発明であるＦｅ基合金粉末にはＣｏが含有されていないため、上記式（１２）におけるＣｏの含有率は０［質量％］となる。
上記式（９）に示すように、炭素当量Ｃｅｑを０．９５［質量％］以下とすることにより、造形直後における造形体の硬さが高くなりすぎないようにし、造形時における造形体の靭性を確保することができる。造形体の硬さが高すぎると、造形時において、造形体の割れが発生してしまうため、造形体の靭性を確保することにより、造形体の割れが発生することを抑制できる。
上記式（１０）に示すように、Ｍｓ点を３４０［℃］以上とすることにより、造形体に含まれる残留オーステナイトの量を低減することができる。Ｍｓ点が３４０［℃］よりも低い場合には、残留オーステナイトが発生しやすくなり、残留オーステナイトがマルテンサイトに徐々に変態して内部応力が増大することに伴う割れ（すなわち、置割れ）が発生しやすくなる。
また、上記式（１０）に示すように、Ｍｓ点を３８５［℃］以下とすることにより、適度な量の残留オーステナイトを確保しながら、造形時の熱応力を緩和して造形体の割れを抑制することができる。上述したように、残留オーステナイトが過剰に存在すると、置割れが発生しやすくなるが、残留オーステナイトを適度な量で存在させることにより、高延性の残留オーステナイトが造形時の熱応力を緩和して、造形体の割れを抑制することができる。
（Ｃの含有率）
Ｃは、固溶することでマトリックスを強化し、さらに、炭化物を形成し、析出効果を促進する元素である。従来の鍛造法による金型鋼の場合には、炭素量を増やすことでミクロ偏析を助長するという問題があるが、造形処理では急冷により微細な炭化物が得られるため、鍛造材に比べて炭素をより多く含有させて造形体の硬さを向上させることができる。
Ｃは、固溶することでマトリックスを強化し、さらに、炭化物を形成し、析出効果を促進する元素である。従来の鍛造法による金型鋼の場合には、炭素量を増やすことでミクロ偏析を助長するという問題があるが、造形処理では急冷により微細な炭化物が得られるため、鍛造材に比べて炭素をより多く含有させて造形体の硬さを向上させることができる。
Ｃの含有率を０．３０［質量％］以上とすることにより、十分な焼入焼戻し硬さを得ることができる。一方、Ｃの含有率が０．５０［質量％］よりも高い場合には、ミクロ偏析を助長して靱性を低下させてしまったり、固溶炭素量が増加して造形体の熱伝導率を低下させてしまったりする。このため、Ｃの含有率は、０．３０［質量％］以上、０．５０［質量％］以下とする。Ｃの含有率は０．４５［質量％］以下であることが望ましい。
（Ｓｉの含有率）
Ｓｉは、マトリックスに固溶することで、硬さを向上させる元素である。また、Ｓｉは、軟化抵抗を向上させる効果がある。Ｓｉの含有率が０．４０［質量％］よりも高い場合には、Ｓｉが炭化物を形成することなくマトリックスに溶け込むため、造形体の熱伝導率を大きく低下させてしまう。このため、Ｓｉの含有率は０．４０［質量％］以下とする。Ｓｉの含有率は、０．３５［質量％］以下であることが好ましい。
Ｓｉは、マトリックスに固溶することで、硬さを向上させる元素である。また、Ｓｉは、軟化抵抗を向上させる効果がある。Ｓｉの含有率が０．４０［質量％］よりも高い場合には、Ｓｉが炭化物を形成することなくマトリックスに溶け込むため、造形体の熱伝導率を大きく低下させてしまう。このため、Ｓｉの含有率は０．４０［質量％］以下とする。Ｓｉの含有率は、０．３５［質量％］以下であることが好ましい。
（Ｍｎの含有率）
Ｍｎは、焼入性を向上させ、ベイナイトの形成による靱性の低下を抑制する元素である。また、Ｍｎは、軟化抵抗を向上させる効果がある。Ｍｎの含有率が０．４０［質量％］よりも高い場合には、Ｍｎがマトリックスに固溶して造形体の熱伝導率を低下させてしまう。このため、Ｍｎの含有率は０．４０［質量％］以下とする。
Ｍｎは、焼入性を向上させ、ベイナイトの形成による靱性の低下を抑制する元素である。また、Ｍｎは、軟化抵抗を向上させる効果がある。Ｍｎの含有率が０．４０［質量％］よりも高い場合には、Ｍｎがマトリックスに固溶して造形体の熱伝導率を低下させてしまう。このため、Ｍｎの含有率は０．４０［質量％］以下とする。
（Ｃｒの含有率）
Ｃｒは、焼入性を向上させて、ベイナイトの形成による靱性の低下を抑制する元素である。また、Ｃｒは、軟化抵抗を向上させる効果がある。Ｃｒの含有率が０．８５［質量％］未満である場合には、Ｍｓ点が高くなりすぎてしまい、Ｃｒの含有率が１．７５［質量％］よりも高い場合には、Ｍｓ点が低くなりすぎてしまう。このため、Ｍｓ点を適正の温度範囲内とするために、Ｃｒの含有率は、０．８５［質量％］以上、１．７５［質量％］以下とする。Ｃｒの含有率は、１．５０［質量％］以下であることが好ましい。Ｃｒの含有率は１．３０［質量％］以下であることがさらに好ましい。
Ｃｒは、焼入性を向上させて、ベイナイトの形成による靱性の低下を抑制する元素である。また、Ｃｒは、軟化抵抗を向上させる効果がある。Ｃｒの含有率が０．８５［質量％］未満である場合には、Ｍｓ点が高くなりすぎてしまい、Ｃｒの含有率が１．７５［質量％］よりも高い場合には、Ｍｓ点が低くなりすぎてしまう。このため、Ｍｓ点を適正の温度範囲内とするために、Ｃｒの含有率は、０．８５［質量％］以上、１．７５［質量％］以下とする。Ｃｒの含有率は、１．５０［質量％］以下であることが好ましい。Ｃｒの含有率は１．３０［質量％］以下であることがさらに好ましい。
（Ｎｉの含有率）
Ｎｉは、焼入性を向上させ、ベイナイトの形成による靱性の低下を抑制する元素である。また、Ｎｉは、炭化物を形成することなくマトリックスに溶け込むため、造形体の熱伝導率を低下させてしまう。Ｎｉの含有率が０．４０［質量％］よりも高い場合には、造形体の熱伝導率が大きく低下してしまう。このため、Ｎｉの含有率は０．４０［質量％］以下とする。Ｎｉの含有率は、０．３０［質量％］以下であることが好ましい。
Ｎｉは、焼入性を向上させ、ベイナイトの形成による靱性の低下を抑制する元素である。また、Ｎｉは、炭化物を形成することなくマトリックスに溶け込むため、造形体の熱伝導率を低下させてしまう。Ｎｉの含有率が０．４０［質量％］よりも高い場合には、造形体の熱伝導率が大きく低下してしまう。このため、Ｎｉの含有率は０．４０［質量％］以下とする。Ｎｉの含有率は、０．３０［質量％］以下であることが好ましい。
（Ｍｏの含有率）
Ｍｏは、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高める元素である。また、Ｍｏを添加しても、造形体の熱伝導率の低下に対する寄与が少なく、造形体の硬さを向上させる効果が大きい。このため、Ｍｏの含有率は０．７０［質量％］以上とする。一方、Ｍｏの含有率が１．２０［質量％］よりも高い場合には、マトリックスに残存するＭｏの量が増加して、造形体の熱伝導率を低下させやすくなる。このため、Ｍｏの含有率は１．２０［質量％］以下とする。すなわち、Ｍｏの含有率は０．７０［質量％］以上、１．２０［質量％］以下とする。
Ｍｏは、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高める元素である。また、Ｍｏを添加しても、造形体の熱伝導率の低下に対する寄与が少なく、造形体の硬さを向上させる効果が大きい。このため、Ｍｏの含有率は０．７０［質量％］以上とする。一方、Ｍｏの含有率が１．２０［質量％］よりも高い場合には、マトリックスに残存するＭｏの量が増加して、造形体の熱伝導率を低下させやすくなる。このため、Ｍｏの含有率は１．２０［質量％］以下とする。すなわち、Ｍｏの含有率は０．７０［質量％］以上、１．２０［質量％］以下とする。
（Ｖの含有率）
Ｖは、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高める元素である。ただし、Ｖの含有率が０．６０［質量％］よりも高い場合には、マトリックスに残存するＶの量が増加して、造形体の熱伝導率を低下させてしまう。このため、Ｖの含有率は０．６０［質量％］以下とする。
Ｖは、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高める元素である。ただし、Ｖの含有率が０．６０［質量％］よりも高い場合には、マトリックスに残存するＶの量が増加して、造形体の熱伝導率を低下させてしまう。このため、Ｖの含有率は０．６０［質量％］以下とする。
（Ａｌの含有率）
Ａｌは、窒化物を形成し、焼入れにおける結晶粒の粗大化を抑制する元素である。ただし、Ａｌの含有率が０．１０［質量％］よりも高い場合には、Ａｌ窒化物が過剰に形成されやすくなり、造形体の靱性を低下させてしまう。このため、Ａｌの含有率は０．１０［質量％］以下とする。
Ａｌは、窒化物を形成し、焼入れにおける結晶粒の粗大化を抑制する元素である。ただし、Ａｌの含有率が０．１０［質量％］よりも高い場合には、Ａｌ窒化物が過剰に形成されやすくなり、造形体の靱性を低下させてしまう。このため、Ａｌの含有率は０．１０［質量％］以下とする。
（Ｗの含有率）
Ｗは、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高める元素である。ただし、Ｗの含有率が０．４０［質量％］よりも高い場合には、マトリックスに残存するＷの量が増加して、造形体の熱伝導率が低下しやすくなる。そこで、Ｗの含有率は０．４０［質量％］以下とすることができる。
Ｗは、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高める元素である。ただし、Ｗの含有率が０．４０［質量％］よりも高い場合には、マトリックスに残存するＷの量が増加して、造形体の熱伝導率が低下しやすくなる。そこで、Ｗの含有率は０．４０［質量％］以下とすることができる。
（指標Ｋ１）
指標Ｋ１は、焼入れ焼戻し硬さを評価する指標［質量％］であり、下記式（１３）で表される。
指標Ｋ１は、焼入れ焼戻し硬さを評価する指標［質量％］であり、下記式（１３）で表される。
上記式（１３）に示すＣ，Ｓｉ，Ｍｏ，Ｗは、Ｆｅ基合金粉末における各元素の含有率［質量％］を示す。各元素の含有率を測定することにより、指標Ｋ１を求めることができる。指標Ｋ１が大きいほど、焼戻し硬さが大きくなる。指標Ｋ１を向上させるためには、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｗといった元素の添加が効果的であり、とりわけＣ、Ｍｏの添加が効果的である。指標Ｋ１が１７．００［質量％］以上となるように、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｏ及びＷの各含有率を調整することにより、このＦｅ基合金粉末を用いて製造した造形体について、焼入れ焼戻し硬さを４２．０［ＨＲＣ］以上とすることができる。後述するように、造形体の寿命を確保する上では、焼入れ焼戻し硬さが４２．０［ＨＲＣ］以上であることが好ましい。
（指標Ｋ２）
指標Ｋ２は、熱伝導率を評価する指標［質量％］であり、下記式（１４）で表される。
指標Ｋ２は、熱伝導率を評価する指標［質量％］であり、下記式（１４）で表される。
上記式（１４）に示すＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ａｌは、Ｆｅ基合金粉末における各元素の含有率［質量％］を示す。各元素の含有率を測定することにより、指標Ｋ２を求めることができる。指標Ｋ２が４４．００［質量％］よりも小さい場合には、マトリックスに残存する合金元素の量が増加し、熱伝導率が低下しやすくなる。このため、指標Ｋ２は４４．００［質量％］以上であることが好ましい。
（平均粒子径Ｄ５０）
造形体を製造するときにおいて、Ｆｅ基合金粉末を敷き詰めやすくするためには、Ｆｅ基合金粉末の流動性が求められる。この点を考慮すると、Ｆｅ基合金粉末の平均粒子径Ｄ５０は４５［μｍ］以下であることが好ましい。一方、Ｆｅ基合金粉末の粒子径が小さすぎると、Ｆｅ基合金粉末を取り扱いにくくなるため、Ｆｅ基合金粉末の平均粒子径Ｄ５０は２０［μｍ］以上であることが好ましい。
造形体を製造するときにおいて、Ｆｅ基合金粉末を敷き詰めやすくするためには、Ｆｅ基合金粉末の流動性が求められる。この点を考慮すると、Ｆｅ基合金粉末の平均粒子径Ｄ５０は４５［μｍ］以下であることが好ましい。一方、Ｆｅ基合金粉末の粒子径が小さすぎると、Ｆｅ基合金粉末を取り扱いにくくなるため、Ｆｅ基合金粉末の平均粒子径Ｄ５０は２０［μｍ］以上であることが好ましい。
平均粒子径Ｄ５０は、Ｆｅ基合金粉末の全体積を１００％とした累積分布において、累積体積が５０％であるときの粒子径（メジアン径ともいう）である。Ｆｅ基合金粉末の粒子径は、レーザ回折散乱法などを用いて測定することができ、平均粒子径Ｄ５０の測定に適した装置としては、日機装株式会社のレーザ回折・散乱式粒度分布測定装置「マイクロトラックＭＴ３０００」が挙げられる。この測定装置のセル内にＦｅ基合金粉末及び純水を流し込み、Ｆｅ基合金粉末の光散乱情報に基づいて、Ｆｅ基合金粉末の粒子径を測定することができる。
（造形体の熱伝導率）
Ｆｅ基合金粉末から製造された造形体をホットスタンピングやダイカスト用の熱間金型として用いる場合には、造形体の冷却効率を向上させるために、焼戻しを行った後の造形体の熱伝導率（室温）が４０．０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上であることが好ましい。また、熱伝導率（室温）が４２．０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上であることがさらに好ましい。
Ｆｅ基合金粉末から製造された造形体をホットスタンピングやダイカスト用の熱間金型として用いる場合には、造形体の冷却効率を向上させるために、焼戻しを行った後の造形体の熱伝導率（室温）が４０．０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上であることが好ましい。また、熱伝導率（室温）が４２．０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上であることがさらに好ましい。
（造形体の硬さ）
Ｆｅ基合金粉末から製造された造形体をホットスタンピングやダイカスト用の熱間金型として用いる場合には、十分な寿命を得るために、焼入れ焼戻しを行った後の造形体の硬さが４２．０［ＨＲＣ］以上であることが好ましい。この硬さは、ＪＩＳ Ｚ２２４５で規定されているロックウェル硬さ試験に従って測定することができる。
Ｆｅ基合金粉末から製造された造形体をホットスタンピングやダイカスト用の熱間金型として用いる場合には、十分な寿命を得るために、焼入れ焼戻しを行った後の造形体の硬さが４２．０［ＨＲＣ］以上であることが好ましい。この硬さは、ＪＩＳ Ｚ２２４５で規定されているロックウェル硬さ試験に従って測定することができる。
実施例１～１２及び比較例１～７として、下記表１に示す化学成分を有する原料を用いた。ガスアトマイズ法を用いて、各原料からＦｅ基合金粉末を製造した。下記表１には、化学成分の他に、指標Ｋ１，Ｋ２、炭素当量Ｃｅｑ、Ｍｓ点、平均粒子径Ｄ５０も示す。下記表１において、上記式（１）～（１０）に示す条件を満たさない値については、下線を付けている。
Ｆｅ基合金粉末の製造では、具体的には、真空中において、アルミナ製の坩堝内で各原料を加熱（高周波誘導加熱）して溶融合金とした後、坩堝の底に設けられた直径５ｍｍのノズルから溶融合金を落下させた。この溶湯に高圧のアルゴンガスを噴射することによって、溶融合金を微細化しかつ急冷して、多数の微細粉末を得た。得られた粉末に対して篩い分けを行い、粒子径が６３［μｍ］以下であるＦｅ基合金粉末を得た。
三次元積層造形装置（ＥＯＳ－Ｍ２８０；ＥＯＳ（Electro Optical Systems）株式会社）を用いることにより、実施例１～１２及び比較例１～７であるＦｅ基合金粉末から、縦１５ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ１５ｍｍの直方体である造形体（試験片）を製造した。造形時のレーザー照射条件には、装置の標準パラメータ（ＭＳ１、積層厚み４０μｍ）を使用した。
（焼戻し）
各造形体に対して焼戻しを行った。具体的には、各造形体を６００℃で６０分間保持した後に空冷する処理を２回繰り返した。なお、三次元積層造形法では、造形時の急冷によって焼入れが行われるため、焼入れを行わずに、焼戻しだけを行った。
各造形体に対して焼戻しを行った。具体的には、各造形体を６００℃で６０分間保持した後に空冷する処理を２回繰り返した。なお、三次元積層造形法では、造形時の急冷によって焼入れが行われるため、焼入れを行わずに、焼戻しだけを行った。
（焼戻し硬さの測定）
ロックウェル硬さ試験機を用いて、上述した焼戻しを行った造形体において、積層方向に垂直な面の硬さ［ＨＲＣ］を測定した。この測定結果を下記表２に示す。下記表２において、焼戻し硬さが４２．０［ＨＲＣ］よりも低い値については、下線を付けている。
ロックウェル硬さ試験機を用いて、上述した焼戻しを行った造形体において、積層方向に垂直な面の硬さ［ＨＲＣ］を測定した。この測定結果を下記表２に示す。下記表２において、焼戻し硬さが４２．０［ＨＲＣ］よりも低い値については、下線を付けている。
（熱伝導率の測定）
焼戻しを行った造形体を直径１０ｍｍで厚さ１ｍｍの円板形状に仕上げ加工した後、レーザーフラッシュ法を用いることにより、各造形体の熱伝導率を測定した。この測定結果を下記表２に示す。下記表２において、熱伝導率が４０．０［Ｗ／ｍ・Ｋ］よりも低い値については、下線を付けている。
焼戻しを行った造形体を直径１０ｍｍで厚さ１ｍｍの円板形状に仕上げ加工した後、レーザーフラッシュ法を用いることにより、各造形体の熱伝導率を測定した。この測定結果を下記表２に示す。下記表２において、熱伝導率が４０．０［Ｗ／ｍ・Ｋ］よりも低い値については、下線を付けている。
（割れ判定）
各造形体（縦１５ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ１５ｍｍの直方体）を目視で確認することにより、割れの有無を判定した。具体的には、造形体（直方体）の少なくとも１つの面に亀裂が発生しているときには、割れがあると判定し、造形体（直方体）のいずれの面にも亀裂が発生していないときには、割れが無いと判定した。この判定結果を下記表２に示す。下記表２に示す割れ判定において、「○」は割れが無いことを意味し、「×」は割れがあることを意味する。
各造形体（縦１５ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ１５ｍｍの直方体）を目視で確認することにより、割れの有無を判定した。具体的には、造形体（直方体）の少なくとも１つの面に亀裂が発生しているときには、割れがあると判定し、造形体（直方体）のいずれの面にも亀裂が発生していないときには、割れが無いと判定した。この判定結果を下記表２に示す。下記表２に示す割れ判定において、「○」は割れが無いことを意味し、「×」は割れがあることを意味する。
実施例１～１２については、Ｆｅ基合金粉末に含まれる各元素の含有率が上記式（１）～（８）に示す数値範囲に含まれており、Ｗを含有するＦｅ基合金粉末（実施例１，３～１２）では、Ｗの含有率が０．４０［質量％］以下となっている。また、実施例１～１２では、炭素当量Ｃｅｑが上記式（９）に示す条件を満たしている。これにより、実施例１～１２のＦｅ基合金粉末から製造された造形体について、割れの発生を抑制することができた。なお、実施例１～１２では、Ｍｓ点も上記式（１０）に示す条件を満たしている。
また、造形体の焼戻し硬さについて、４２．０［ＨＲＣ］以上の焼戻し硬さを確保することができたとともに、造形体の熱伝導率について、４０．０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上の熱伝導率を確保することができた。造形体の焼戻し硬さを４２．０［ＨＲＣ］以上とすることにより、造形体の寿命を向上させやすくなる。また、造形体の熱伝導率を４０．０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上とすることにより、造形体の冷却効率を向上させやすくなる。
比較例２，４，６については、炭素当量Ｃｅｑが上記式（９）に示す条件を満たしていなく、比較例１，３，５，６については、Ｍｓ点が上記式（１０）に示す条件を満たしていなかった。また、比較例７については、Ｃｒの含有率が上記式（４）に示す条件を満たしていなかった。そして、各比較例１～７であるＦｅ基合金粉末から製造された造形体では、割れが発生した。一方、比較例３，５については、造形体の焼戻し硬さが４２．０［ＨＲＣ］よりも低くなり、十分な硬さを確保できなかった。比較例６については、造形体の熱伝導率が４０．０［Ｗ／ｍ・Ｋ］よりも低くなり、十分な熱伝導率を確保できなかった。
０．３０≦Ｃ≦０．５０
０．００≦Ｓｉ≦０．４０
０．００≦Ｍｎ≦０．４０
０．８５≦Ｃｒ≦１．７５
０．００≦Ｎｉ≦０．４０
０．７０≦Ｍｏ≦１．２０
０．００≦Ｖ≦０．６０
０．００≦Ａｌ≦０．１０
０．００≦Ｓｉ≦０．４０
０．００≦Ｍｎ≦０．４０
０．８５≦Ｃｒ≦１．７５
０．００≦Ｎｉ≦０．４０
０．７０≦Ｍｏ≦１．２０
０．００≦Ｖ≦０．６０
０．００≦Ａｌ≦０．１０
また、Ｆｅ基合金粉末は、下記式（Ｉ）を満足する。
Ｃｅｑ≦０．９５ ・・・（Ｉ）
上記式（Ｉ）におけるＣｅｑは、Ｆｅ基合金粉末に含まれる元素のうち、炭素以外の元素の影響力を炭素量に換算した炭素当量［質量％］であり、下記式（Ｉａ）で表される。
上記式（Ｉａ）において、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ及びＶは、Ｆｅ基合金粉末における各元素の含有率［質量％］である。
Ｃｅｑ≦０．９５ ・・・（Ｉ）
上記式（Ｉ）におけるＣｅｑは、Ｆｅ基合金粉末に含まれる元素のうち、炭素以外の元素の影響力を炭素量に換算した炭素当量［質量％］であり、下記式（Ｉａ）で表される。
Claims (5)
- Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ及びＡｌのそれぞれを下記質量％で含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
下記式（Ｉ）を満足することを特徴とするＦｅ基合金粉末。
０．３０≦Ｃ≦０．５０
Ｓｉ≦０．４０
Ｍｎ≦０．４０
０．８５≦Ｃｒ≦１．７５
Ｎｉ≦０．４０
０．７０≦Ｍｏ≦１．２０
Ｖ≦０．６０
Ａｌ≦０．１０
Ｃｅｑ≦０．９５ ・・・（Ｉ）
上記式（Ｉ）におけるＣｅｑは、前記Ｆｅ基合金粉末に含まれる元素のうち、炭素以外の元素の影響力を炭素量に換算した炭素当量［質量％］である。 - 下記式（ＩＩ）を満足することを特徴とする請求項１に記載のＦｅ基合金粉末。
３４０≦Ｍｓ≦３８５ ・・・（ＩＩ）
上記式（ＩＩ）におけるＭｓはＭｓ点［℃］である。 - ０．４０質量％以下のＷを更に含有することを特徴とする請求項１に記載のＦｅ基合金粉末。
- 下記式（ＩＩＩ）で表される指標Ｋ１が１７．００［質量％］以上であり、
下記式（ＩＶ）で表される指標Ｋ２が４４．００［質量％］以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のＦｅ基合金粉末。
- 請求項１から３のいずれか１つに記載のＦｅ基合金粉末にエネルギビームを照射して溶融及び凝固させることにより造形体を製造することを特徴とする造形体の製造方法。
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