JP2024070871A

JP2024070871A - 金属粉末材料の製造方法

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Publication number: JP2024070871A
Application number: JP2022181483A
Authority: JP
Inventors: 慎之介山田
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2022-11-14
Filing date: 2022-11-14
Publication date: 2024-05-24

Abstract

【課題】金属粉末に付着させるナノ粒子の成分にかかわらず、流動性のよい金属粉末材料を簡単に製造すること。
【解決手段】金属粉末２の表面にナノ粒子３が付着された金属粉末材料１の製造方法であって、ナノ粒子３の発生源となる母材４を準備する準備工程と、熱源６により母材４を溶融させ、溶融後の気化した金属蒸気５を金属粉末２に曝すことにより金属粉末２の表面にナノ粒子３を付着させる付着工程を備えることを特徴とする。熱源６は、アーク溶接によるものであり、金属蒸気５には、電極６２から発生する金属蒸気５を含むことを特徴としてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属粉末材料に関し、さらに詳しくは、積層造形法において、レーザービーム等のエネルギー線を照射して三次元造形物を製造する用途に適した金属粉末材料の製造方法に関する。

三次元造形物を製造する新しい技術として、付加製造技術（ＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ；ＡＭ）の発展が近年著しい。付加製造技術の一種として、粉末材料へのエネルギー線照射による固化を利用した積層造形法がある。金属粉末材料を用いた積層造形法としては、粉末積層溶融法と、粉末堆積法の２種が代表的である。

粉末積層溶融法の具体例として、選択的レーザー溶融法（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＬａｓｅｒＭｅｌｔｉｎｇ；ＳＬＭ）、電子線溶融法（ＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍＭｅｌｔｉｎｇ；ＥＢＭ）等の方法を挙げることができる。これらの方法においては、金属よりなる金属粉末材料を、ベースとなる基材上に供給して粉末床を形成し、三次元設計データをもとに、粉末床の所定の位置に、レーザービーム、電子線等のエネルギー線を照射する。その後、照射を受けた部位の金属粉末材料が、溶融と凝固によって固化し、造形体が形成される。粉末床への粉末材料の供給とエネルギー線照射による造形を繰り返し、造形体を層状に順次積層して形成していくことで、三次元造形物が得られる。

ここで、粉末床への金属粉末材料の供給の際、金属粉末材料は、造形体を製造する装置の搬送経路を通過していくことになる。この搬送経路で金属粉末が詰まらないように、また、造形体を層状に順序よく敷き詰めることができるように、金属粉末材料には高い流動性が要求される。

特開２０１９－１１２６９９公報特開２０１９－１１２７００公報

特許文献１には、金属粉末の表面を熱プラズマ処理により加熱し、溶融した金属が気化し、気化したナノ粒子を金属粉末に付着させる方法が開示されている。しかし、この方法では、金属粉末を溶融する設備が大掛かりになる。また、金属粉末自身が溶融することになるので金属粉末を構成する元素の蒸気圧大小により金属粉末の成分の変化が生じ得る。さらに、金属粉末の粒径が小さい（いわゆる微粉）と、ナノ粒子が大量に付着するという問題も生じ得る。

特許文献２には、金属粒子にナノ粒子を添加し、それらを混合機で機械的に混合して金属粉末材料を製造する方法が開示されている。しかし、この方法では、現状、準備できるナノ粒子が市販のものなどの種類に限られている。

ここで、本発明者は、ナノ粒子の発生源となる母材を溶融し、溶融により発生した金属蒸気を金属粉末に付着させれば、ナノ粒子の成分にかかわらず、簡便に所望の構成からなる金属粉末材料を製造し得ることを見出した。

本発明は上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、金属粉末に付着させるナノ粒子の成分にかかわらず、流動性のよい金属粉末材料を簡単に製造することである。

上記課題を解決するために、本発明は、以下の（１）～（３）とした。
（１）金属粉末の表面にナノ粒子が付着された金属粉末材料の製造方法であって、
前記ナノ粒子の発生源となる母材を準備する準備工程と、
熱源により前記母材を溶融させ、溶融後の気化した金属蒸気を前記金属粉末に曝すことにより前記金属粉末の表面に前記ナノ粒子を付着させる付着工程を備えることを特徴とする金属粉末材料の製造方法。
（２）前記熱源は、アーク溶接によるものであり、前記金属蒸気には、電極から発生する金属蒸気を含むことを特徴とする上記（１）に記載の金属粉末材料の製造方法。
（３）前記付着工程にて、前記金属粉末を撹拌しながら前記金属粉末の表面に前記ナノ粒子を付着させる上記（１）又は（２）に記載の金属粉末材料の製造方法。

本発明によれば、金属粉末に付着させるナノ粒子の成分にかかわらず、流動性のよい金属粉末材料を簡単に製造することができる。

図１は、本発明における製造方法の概要を示す概略図である。図２は、実施例における製造方法の概要を示す概略図である。図３は、実施例のＳＥＭ観察結果の写真である。

本発明について、説明する。
本発明は、金属粉末の表面にナノ粒子が付着された金属粉末材料の製造方法であって、前記ナノ粒子の発生源となる母材を準備する準備工程と、熱源により前記母材を溶融させ、溶融後の気化した金属蒸気を前記金属粉末に曝すことにより前記金属粉末の表面に前記ナノ粒子を付着させる付着工程を備えることを特徴とする金属粉末材料の製造方法である。
このような金属粉末材料の製造方法を、以下では、本発明の製造方法ともいう。

まず、金属粉末材料の構成について説明する。
＜金属粉末＞
本発明において、金属粉末は、鉄合金、チタン合金、ニッケル合金、コバルト合金などを挙げることができる。金属粉末の粒子形状は、球形でも良く、あるいは、不規則形状でも良い。一般に、球形の粒子の集合体からなる金属粉末は、不規則形状の粒子の集合体からなる金属粉末に比べて高い流動性を示す。金属粉末の製造方法は、特に限定されない。

積層造形法の用途を考慮すると、粒度分布において、平均粒径（ｄ５０）は、１０～５０μｍの範囲であることが好ましい。なお、平均粒径（ｄ５０）とは、質量基準分布における篩下積算分率が５０％となる粒子径を指す。

金属粉末の製造方法としては、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、プラズマ回転電極法、遠心力アトマイズ法などがある。例えば、ガスアトマイズ法を用いて金属粉末を製造する場合、溶湯をタンディッシュの底部から落下させながら、溶湯に高圧ガスを吹き付け、溶湯を粉砕・凝固させる。この場合、高圧ガスには、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスが用いられる。ガスアトマイズ法により粉末を製造する場合、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂなどの不純物が不可避的に混入することがある。さらに、２種以上の金属粉末を混合し、メカニカルアロイングなどの方法により金属粉末を製造しても良い。

＜ナノ粒子＞
ナノ粒子は、ナノオーダーの粒径を有している。ナノ粒子の粒径は、特に限定されない。粒径が１ｎｍ以上である場合、また、１００ｎｍ以下である場合を好適なものとして例示することができる。ナノ粒子は、金属粉末を構成する金属元素と同じ成分であることが好ましい。積層造形において三次元造形物の主たる構成材料となる金属粉末を成分が同じであることで、得られる三次元造形物において、金属粒子を構成する以外の金属元素が含有されないことになる。よって、三次元造形物において不要な不純物が発生されにくい。一方、ナノ粒子は、金属粉末を構成する金属元素と違う成分であってもよい。

＜金属粉末材料＞
金属粉末材料は、後述する準備工程、付着工程を経て、金属粉末と、その金属粉末の表面に付着されたナノ粒子とを有している。金属粉末材料は、金属粉末の一次粒径とほぼ同じ粒径を有し、金属粉末とほぼ同じ成分組成を有している。そして、金属粉末よりも円形度が高く、対称性の高い形状と平滑な表面を有している。金属粉末材料の粒径は、積層造形の原料としての好適性の観点から、ｄ１０で、１０μｍ以上、さらには３０μｍ以上であると好ましい。また、ｄ１０は、１００μｍ以下であると好ましい。ｄ１０は、体積基準による粒度分布の積算値が１０％に相当する粒径を指す。金属粉末材料の円形度は、平均粒径において、０．９０以上であることが好ましい。円形度は、０．９５以上、さらには０．９７以上であるとさらに好ましい。

＜金属粉末材料の流動性＞
金属粉末材料の流動性評価方法としては、例えば、金属３Ｄプリンタにおける粉末敷き詰め工程に適した流動性評価方法として、ＭｅｒｃｕｒｙＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社のＲｅｖｏｌｕｔｉｏｎＰｏｗｄｅｒＡｎａｌｙｚｅｒで測定可能な雪崩角（Ａｖａｌａｎｃｅａｎｇｌｅ）がある。金属粉末材料の流動性の指標として、この雪崩角を用いたとき、雪崩角が小さいことは、粒子間の付着力が小さく、金属粉末の流動性が良好であることを表す。

次に、金属粉末材料の製造方法の一実施形態について説明する。
＜準備工程＞
本発明の製造方法においては、まず、ナノ粒子の発生源となる母材を準備する。ここでいうナノ粒子の母材とは、ナノ粒子の組成から構成される母材を意味する。この母材としては、インゴット等から得られたいわゆるバルク材や金属粉末より作製された造形物が例示できる。ここで、金属粉末とナノ粒子を混合させる金属粉末材料の製造方法では、選択し得るナノ粒子が市販の製品等に限定されるが、本発明の製造方法においては、意図したナノ粒子の母材をバルク材や造形物といった形で種類を問わず、容易に準備することができる。

＜付着工程＞
付着工程は、通常のアーク溶接やレーザ溶接等の溶融手法を利用する。前記アーク溶接には、ＭＩＧ溶接等の消耗電極式およびＴＩＧ溶接等の非消耗電極式が含まれる。付着工程では、まず、熱源によりナノ粒子の母材を溶融する。粉末（母材）の溶融には、前記した溶融手法の溶接条件を利用することができ、溶接条件である溶接電流、溶接速度は、ナノ粒子の組成に合わせ、適宜設定する。

次に、図１に示すように、金属粉末材料１は、金属粉末２の表面にナノ粒子３が付着される構成となるよう、母材４から溶融した後の気化した金属蒸気５を金属粉末２に曝すことにより、金属粉末２の表面にナノ粒子３を付着させる。

図１において、熱源６としてアーク溶接を使用した場合について、説明する。まず、母材４を所定の区域Ｋ１内に設置する。アーク溶接では、アーク放電（電気的現象）を利用する。アーク放電とは、空間的に離れた２つの電極に電圧をかけていくと、やがて空気の絶縁が破壊されて2つの電極の間に電流が発生し、高い熱を発生するものである。図１に示す熱源６は、トーチ６１と電極６２から構成されており、電極となる熱源６と母材４との間に電圧をかけると、電極６２と母材４の間にはアークプラズマＡＰが発生すると同時に、電極６２と母材４の組成からなる金属蒸気５が発生する。区域４の先には、集塵機Ｓが設置されており、区域Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４は、連続的な空間として吸引された状態となっている。

金属粉末２は、電極６２と母材４の組成からなる金属蒸気５が発生する位置に対して上部の位置にある区域Ｋ３で気流により撹拌された状態となっている。この区域Ｋ３に上昇してきたナノ粒子３が金属粉末２に付着し、金属粉末２の表面にナノ粒子が付着する。この付着の一連の機構は、金属粉末２とナノ粒子３との引力の大きさの違いによりもたらされるものである。また、区域Ｋ２とＫ３、区域Ｋ３とＫ４の間にはそれぞれ金属粉末２よりも網目の細かいネットを設置しておき、金属粉末材料１を回収する際、アークプラズマＡＰの発生と集塵機Ｓの吸引を止め、区域３から金属粉末材料１を回収する。

以上説明した実施形態に係る製造方法によれば、金属粉末２に付着させるナノ粒子３の成分にかかわらず、流動性のよい金属粉末材料を簡単に製造することができる。また、熱源６は、アーク溶接によるものであり、金属蒸気５には、電極６２から発生する金属蒸気を含むものとすることで、より効率的に金属粉末２の表面のナノ粒子３を付着させることができる。さらに、付着工程にて、金属粉末２を撹拌しながら付着させることで、より満遍なく、かつ確実に金属粉末２の表面のナノ粒子３を付着させることができる。

以下、実施例を用いて本発明を具体的に説明する。ここでは、アーク溶接による熱源を用いて得られる金属粉末材料の特性に関する試験を行った。

＜金属粉末＞
金属粉末は、ＳＫＤ６１（ＪＩＳＧ４４０４：２０１５合金工具鋼鋼材）規定されている合金鋼をガスアトマイズ製法により製造した。なお、金属粉末のｄ５０は、４０であった。

＜ナノ粒子の母材＞
ナノ粒子の母材は、金属粉末と同じＳＫＤ６１を準備した。母材は、溶鋼から得られたインゴットを熱処理、加工を経て得たものである。

＜金属粉末材料の製造方法＞
図２は、実施例に係る製造方法の概要を示す概要図である。
本実施例では、アーク溶接で、トーチ６１の先端に接続されたＳＫＤ６１からなる電極６２と母材４との間に電圧をかけ、アークプラズマＡＰを発生させると同時に、電極６２と母材４から金属蒸気５を発生させた。また、本実施例では、金属蒸気５が上昇してくる位置に、金属粉末２よりも網目の細かいふるいＦの上に金属粉末２を載せ、このふるいを超音波により振動させ、撹拌させながら金属粉末２へナノ粒子３を約１分間曝すことで付着させた。つまり、金属蒸気５は、集塵機Ｓの吸引により、気化した状態でそのまま上昇し、超微粒子のナノ粒子３となって金属粉末２に付着され、金属粉末材料１となる。また、集塵機Ｓと金属粉末２との間には、金属粉末２よりも網目の細かいネットを設置しておき、金属粉末材料１を回収する際、アークプラズマＡＰの発生と集塵機Ｓの吸引を止め、区域３から金属粉末材料１を回収した。

＜金属粉末とナノ粒子が付着された金属粉末材料の観察＞
金属粉末とナノ粒子が付着された金属粉末材料のそれぞれに対して、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の観察を行った。図３（ａ）は、金属粉末（のみ）のＳＥＭ像、図３（ｂ）は、金属粉末材料のＳＥＭ像である。なお、左側が倍率２０００倍、右側が倍率３００００倍である。図３（ｂ）の矢印部分に示すように、金属粉末材料には、表面にナノ粒子が付着されていることが確認できる。

＜金属粉末材料の流動性測定結果＞
本実施例に係る金属粉末と金属粉末材料の流動性をＭｅｒｃｕｒｙＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社のＲｅｖｏｌｕｔｉｏｎＰｏｗｄｅｒＡｎａｌｙｚｅｒで雪崩角を測定することにより評価した。その結果、金属粉末は、４８．７°、金属粉末材料は、３２．１°であった。この結果から、本実施例に係る金属粉末材料は、もとの金属材料に対し、大幅に流動性が改善されたことがわかった。

以上、本発明の実施形態について説明した。本発明は、これらの実施形態に特に限定されることなく、種々の改変を行うことが可能である。

１金属粉末材料
２金属粉末
３ナノ粒子
４母材
５金属蒸気
６熱源
６２電極
ＡＰアークプラズマ

Claims

金属粉末の表面にナノ粒子が付着された金属粉末材料の製造方法であって、
前記ナノ粒子の発生源となる母材を準備する準備工程と、
熱源により前記母材を溶融させ、溶融後の気化した金属蒸気を前記金属粉末に曝すことにより前記金属粉末の表面に前記ナノ粒子を付着させる付着工程を備えることを特徴とする金属粉末材料の製造方法。
前記熱源は、アーク溶接によるものであり、前記金属蒸気には、電極から発生する金属蒸気を含むことを特徴とする請求項１に記載の金属粉末材料の製造方法。
前記付着工程にて、前記金属粉末を撹拌しながら前記金属粉末の表面に前記ナノ粒子を付着させる請求項１又は２に記載の金属粉末材料の製造方法。