JP3997123B2

JP3997123B2 - 鉄基焼結体形成用の鉄系粉末材料および鉄基焼結体の製造方法

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Publication number: JP3997123B2
Application number: JP2002234892A
Authority: JP
Inventors: 宏幸三谷; 裕之武田; 誠治西; 栄典楠本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2002-08-12
Filing date: 2002-08-12
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2022-08-12
Also published as: JP2004076040A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高エネルギービームを照射して、粉末材料を部分的あるいは完全に溶融凝固させて焼結体を形成する技術に関し、詳しくは、焼結体形成に用いられる鉄系粉末材料と、この鉄系粉末材料を用いて鉄基焼結体を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属粉末材料に高エネルギー（例えばレーザ）ビームを照射して部分的あるいは完全に溶融凝固させて焼結層を形成する技術やこの焼結層を積み重ねて三次元形状焼結体（造形物）を得る技術が知られている。
【０００３】
例えば、特開２０００−１５３３８０号公報には、粉末材料とバインダーを混合し成形して焼結した焼結体を肉盛材料としてレーザビームを用いて肉盛加工することにより造形物を得るレーザ肉盛方法が示されている。
【０００４】
また、特表平１０−５０６１５１号公報には、鉄系金属粉末と、大部分が銅とリンとからなる粉末と、銅と他の金属の合金粉末との混合粉末にレーザ照射による焼結を行って造形物を製造する方法が示されている。
【０００５】
また、特開平１０−８８２０１号公報には、金属粉末、セラミックス粉末、プラスチック粉末を単独もしくは混合した原料粉末を用いた圧粉成形体にレーザ光を照射し、その後圧縮工程を経て中間成形体を得た後、さらにこの中間成形体を焼結して緻密な造形物を得る技術が示されている。
【０００６】
また、特開平８−３９２７５号公報には、散布した金属の混合粉体に複数の高エネルギービームを同時に照射して溶融させることで造形物を得る技術が示されている。
【０００７】
また、特開２００１−１５２２０４号公報には、鉄系粉末と銅またはニッケルを主成分とする非鉄系金属粉末の混合粉末を用いる三次元形状造形物の製造技術が示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の何れの先行技術においても、溶融・凝固を伴う焼結層では必然的に発生する割れの問題や表面平滑性に対する成分の規定がないため、表面が平滑で割れのない健全な焼結層を得ることは困難である。
【０００９】
すなわち、特開２０００−１５３３８０号公報に開示された技術は、レーザビームを用いて肉盛加工する方法であって、肉盛加工用の肉盛材料として、粉末材料をバインダーと混合し成形して焼結した焼結体を使用する肉盛方法である。そして、この粉末材料の成分組成は、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｂ、Ｃ、Ｖ、Ｎｂ、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆのうち１種または２種以上の元素と製造上不可避的に含まれる不純物からなるものであることが開示されている。しかし、焼結層の割れ抑制、表面粗度の観点からの組成範囲の規定はなく、表面が平滑で割れのない健全な焼結層を安定して得ることはできない。
【００１０】
また、特表平１０−５０６１５１号公報に開示された技術は、鉄族金属化合物を一種の化学蒸着によって焼結体の表面に堆積させる手法であり、焼結時に生じる隙間を埋めつつ焼結を進めることができるため、表面の割れを埋め表面粗度を小さくすることが期待できる。しかし、焼結完了後の冷却過程で生じる割れを防止する効果は期待できず、また、レーザ照射領域を特定のガス雰囲気に維持する装置などが必要であり、装置構造が複雑で高価になる。
【００１１】
また、特開平１０−８８２０１号公報に開示された技術は、任意の輪郭形状を有する金属製の成形体を高精度に成形加工することができ、内部の組織が緻密に形成され、各種の材料を混合した焼結体が可能であり、容易に、かつ短時間で加工ができ、バインダーの残渣や溶媒の残渣による汚染や組織の品質低下が防止できるとするレーザ応用粉体成形加工方法である。そして、この方法に用いられる粉体材料が、細粒子のＦｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｗ等の金属粉体、セラミックス粉体、プラスチック粉体のうちの１つ又は混合からなることが開示されている。しかしながら、焼結層の割れ、表面粗度の観点からの組成範囲の規定はなく、表面が平滑で割れのない健全な焼結層を安定して得ることはできない。
【００１２】
また、特開平８−３９２７５号公報に開示された技術は、金属粉の主成分として、ニッケル、モリブデン、パラジュウム、セラミック、鉄等を混合したものを使用し、金属粉成分を順次変化させて傾斜組成の焼結層形成を、複数の高密度エネルギー線を同時に照射して行う造形方法である。しかしながら、本技術を実現するためには、複数の高密度エネルギー線を焦点を合わせて同時に照射しながら走査するという、非常に高度で特殊な技術を必要とするため製造装置が複雑で高価なものとなり、生産性も低くなる。さらに、異なる組成の金属を完全に溶融させたあとで固化させるため、熱変形に伴って反りやクラックが発生しやすく、造形物の寸法精度が低下してしまうことも容易に想定される。
【００１３】
特開２００１−１５２２０４号公報に開示されている技術は、粉末材料に光ビームを照射して硬化層を形成し、この硬化層を積み重ねて所望の三次元形状を有する造形物を製造する方法であって、この造形物に、造形物よりも低融点の金属材料を含浸させて緻密な造形物を得る方法である。しかし、含浸させる金属材料の溶融・凝固に伴う造形物の熱変形や、熱影響に伴う拡散・析出・変態に起因して造形物に割れが発生する可能性がある。
【００１４】
また、上記の問題を回避するため、含浸材料を低融点の金属材料に代えて樹脂を用いる方法が考えられるが、樹脂では造形物の強度や耐久性などが不十分となる問題がある。
【００１５】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、粉末材料に高エネルギービームを照射して溶融・凝固させることにより焼結層を形成し、さらにこの焼結層を積層して三次元形状焼結体を得る技術において、上記の従来技術が有する問題点を解消し、強度や耐久性に優れ、かつ表面が平滑で割れのない健全な焼結体が容易かつ能率的に得られる粉末材料を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、高エネルギービームを照射して、鉄系粉末材料を部分的または完全に溶融凝固させて鉄基焼結体を形成する際に用いられる鉄系粉末材料であって、質量％で、Ｓｉ：０．７〜８．０％、Ｓ：０．０４〜０．６％、Ｃ：０．００５〜１％、Ｍｎ：０．２〜１５％、Ｎｉ：０．０１〜１０％、Ｃｒ：０．００５〜１５％、Ｍｏ：０．００５〜３％、Ｃｕ：０．０５〜１．５％、Ｐ：０．０５％以下（０％を含む）、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、鉄基焼結体形成用の鉄系粉末材料である。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、さらに、Ｃａ：０．００１〜０．０５％、Ｖ：０．００５〜１％を含有する、請求項１に記載の鉄基焼結体形成用の鉄系粉末材料である。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、さらに、Ｂ：０．０００５〜０．０５％を含有する、請求項２に記載の鉄基焼結体形成用の鉄系粉末材料である。
請求項４に記載の発明は、さらに、Ｓｅ：０．０１〜１％および／またはＴｅ：０．０１〜１％を含有する、請求項３に記載の鉄基焼結体形成用の鉄系粉末材料である。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、アトマイズ法または粉砕法によって製造されたものである請求項１〜４のいずれか１項に記載の鉄基焼結体形成用の鉄系粉末材料である。
【００２０】
請求項６に記載の発明は、平均粒径が５〜１００μｍである請求項１〜５のいずれか１項に記載の鉄基焼結体形成用の鉄系粉末材料である。
【００２１】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の鉄系粉末材料に高エネルギービームを照射して、この鉄系粉末材料を部分的あるいは完全に溶融凝固させて焼結体を形成する工程を含むことを特徴とする、鉄基焼結体の製造方法である。
【００２２】
請求項８に記載の発明は、造形雰囲気への酸素の添加または粉末材料への酸化剤の添加により、前記鉄基焼結体がＳｉ：０．７〜５．５％、Ｓ：０．０４〜０．０８％、Ｏ：０．０１〜０．１％をそれぞれ含有するようにした、請求項７に記載の鉄基焼結体の製造方法である。
【００２３】
請求項９に記載の発明は、前記鉄基焼結体が、Ｓｉ：０．７〜５．５％、Ｓ：０．０８〜０．４％（０．０８％を除く）をそれぞれ含有するようにした、請求項７に記載の鉄基焼結体の製造方法である。
【００２４】
請求項１０に記載の発明は、請求項４に記載の鉄系粉末材料に高エネルギービームを照射して、この鉄系粉末材料を部分的あるいは完全に溶融凝固させて鉄基焼結体を形成する工程を含む鉄基焼結体の製造方法であって、前記鉄基焼結体が、Ｓｉ：０．７〜５．５％を含み、かつＳｅ：０．００５〜０．６％および／またはＴｅ：０．００５〜０．６％を含有するようにしたことを特徴とする、請求項７に記載の鉄基焼結体の製造方法である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、粉末に高エネルギービームを照射して得られる焼結層を、高エネルギービームの種類、照射エネルギー密度、吸収エネルギー密度、基板温度等の焼結条件を厳密に規定せずとも割れがなく表面が平滑な層とすべく鋭意研究を行った。その結果、溶融金属中（すなわち、粉末の一部が溶融する条件であれば粉末間の焼結相中、完全溶融条件であれば焼結層中）のＳ、ＳｉおよびＯの含有量あるいはＳｉとＳｅおよび／またはＴｅの含有量を適切な範囲内に制御すれば良いとの知見を得た。なお、焼結層中に含まれる酸素は、原料である粉末材料または造形雰囲気（シールドガス）等から供給される。
【００２６】
本発明の鉄系粉末材料は、上記のように溶融金属中のＳおよびＳｉの含有量あるいはＳｉとＳｅおよび／またはＴｅの含有量を適切な範囲に調整するものであるが、これらの成分の範囲限定理由は以下のとおりである。
【００２７】
●Ｓｉ
ＳｉはＦｅ基溶融金属の粘性を低下させる成分である。高エネルギービーム照射による急速溶融・急速冷却過程での溶融金属の濡れ性を高めるためには、ＳあるいはＳｅおよび／またはＴｅを含有させて表面張力を低下させるだけでは不十分であり、溶融金属中の粘性を低下させて流動性をより高める必要がある。こうした観点から、粉末材料中にＳｉを含有させることは極めて有用である。またＳｉを含有させることは、焼結後の鋼の強度上昇に有効であるだけでなく、溶融金属中において強力な脱酸効果を発揮するので、気泡の発生を防止するとともに、焼結金属の酸化を防止して強度低下を防止するなど、極めて重要な役割を果たしている。しかしながら、Ｓｉ含有量が０．７％未満では、溶融金属の粘性が十分に低下しないため、その濡れ性が十分に向上せず、焼結層表面粗度の改善には至らない。ここで、粉末材料に含まれるＳｉの一部は、溶融状態で気相中や粉末材料中に含まれる酸素と反応してＳｉＯ₂等のスラグとなるため、溶融金属中には、粉末材料に含まれるＳｉの全量が歩留まるわけではないが、歩留分は残留することとなる。そのため、粉末材料中のＳｉ含有量が過剰になって８％を超えると、このＳｉ歩留を考慮しても、溶融金属中のＳｉ含有量が一定濃度を超えるため、鋼の靭性の劣化をもたらし、焼結金属に割れが発生しやすくなる。以上より、Ｓｉ含有量は０．７〜８％の範囲とする。なお、Ｓｉ含有量の下限は、好ましくは１．３％、特に好ましくは１．５％とするのがよい。
【００２８】
●Ｓ
Ｓは、鉄基溶融金属の表面張力を低下させるのに有効な元素であり、鋼母材、および積層焼結の際の下層焼結層との濡れ性を向上させる効果を発揮する。焼結金属中のＳは、一般的に不純物として扱われており、靭性の低下や高温割れ感受性を助長することが知られている。しかしながら、本発明者らが検討したところによると、急速溶融・急冷凝固による焼結体形成の場合には、必須の添加元素として含有させてもそれほど問題が生じず、かえって溶融金属の濡れ性を向上させて焼結層の表面粗度改善に有効に働くことを突き止めた。こうした効果を発揮させるためには、Ｓ含有量は０．０４％以上とする必要があるが、その含有量が過剰になって０．６％を超えると、鋼の靭性が低下し、微小なクラックが発生するなどの弊害が生じることになる（なお、この０．６％の値は、Ｓｉと同様に、Ｓも溶融時に酸化によりＳＯ₂等としてロスが生じるため歩留を考慮した値である）。以上より、Ｓ含有量は０．０４〜０．６％の範囲とする。なお、Ｓ含有量は、好ましくは０．１０％超０．６％以下とするのがよい。
【００２９】
●Ｓｅ、Ｔｅ
Ｓｅも鉄基溶融金属の表面張力を低下させるのに有効な元素であり、溶融焼結層の表面粗度を著しく向上させる効果を発揮する。ただし、Ｓｅは酸化されやすく、また蒸気圧が高いことに起因して、急速溶融時に蒸発しやすいために、粉末材料から溶融焼結層中への歩留が悪い。溶融焼結層の表面粗度を向上させるためには、粉末材料中に含まれるＳｅが溶融焼結層中に移行する必要がある。粉末材料成分の溶融焼結層中への歩留を考慮すると、０．０１％未満では期待する効果を確保することができない。しかしながら、Ｓｅ含有量が１％を超えると、蒸発するＳｅ量が増大して、高エネルギービーム照射時にスパッタが発生する等焼結の作業性が著しく低下させる。以上より、Ｓｅ含有量は０．０１〜１％の範囲とする。なお、Ｓｅ含有量の好ましい下限は０．０２％、好ましい上限は０．９％である。
【００３０】
一方、ＴｅはＳｅと同様の効果を発揮する元素であり、しかも濡れ性を高め表面平滑性に寄与する効果はＳｅよりも本来は高いものである。しかしながら、ＴｅはＳｅ以上に酸化されやすいうえ、蒸気圧も高いため、粉末材料から溶融焼結層中への歩留が極めて悪い。そのため、溶融焼結層中に含まれるＴｅ量はＳｅ量より少なくてもその効果が認められるものの、歩留を考慮すると０．０１％以上含有させる必要がある。またＳｅと同様の理由により１％以下とする必要がある。以上より、Ｔｅ含有量も０．０１〜１％の範囲とする。なお、Ｔｅ含有量の好ましい下限および上限もそれぞれ０．０２％および０．９％である。
【００３１】
なお、ＴｅおよびＳｅについては、それぞれ単独で含有させることによってその効果を発揮し得るものであるが、複合して含有させることによってその効果はさらに高いものとなる。さらに、Ｓｅおよび／またはＴｅを前記Ｓと同時に使用することも当然可能である。
【００３２】
本発明の鉄系粉末材料には、さらにＣ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｃａ、希土類元素、Ｂ等を含有させることが有効であり、含有させる成分に応じて焼結層の特性が改善される。これらの成分の範囲限定理由は下記のとおりである。
【００３３】
●Ｃ
Ｃは鋼材（したがって焼結金属）の強度を向上させるのに有効な成分である。鉄系粉末材料中の成分の焼結層への歩留を考慮すると、Ｃ含有量が０．００５％未満では所望の強度を付与することができない。一方、Ｃ含有量が１％を超えると、焼結層の劣化（例えば、低温割れや遅れ破壊等）を招くばかりか、高炭素マルテンサイトを生成して靭性が低下することになる。以上より、Ｃ含有量は０．００５〜１％の範囲とする。なお、Ｃ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、好ましい上限は０．８％である。
【００３４】
●Ｍｎ
Ｍｎは固溶強化、変態強化および結晶粒微細化強化等の作用によって、焼結層の強度と靭性の双方を向上させる効果を発揮する。こうした効果を発揮させるためには、Ｍｎ含有量は０．２％以上とする必要があるが、Ｍｎ含有量が過剰になって１５％を超えると、耐割れ性および靭性が著しく劣化する。以上より、Ｍｎ含有量は０．２〜１５％の範囲とする。なお、Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．６％であり、好ましい上限は１２％である。
【００３５】
・Ｎｉ、Ｎｂ、Ｖ
Ｎｉ、ＮｂおよびＶは、いずれも焼結層の靭性改善および強度向上に有効な元素である。このうちＮｉはその含有量が０．０１％未満では、こうした効果を十分に発揮することができない。一方、Ｎｉ含有量が１０％を超えると、一次晶粒界が発達して靭性が却って劣化することになる。ＮｂおよびＶは、Ｎｉと同様の効果を発揮するとともに、高温強度向上にも寄与する。こうした効果を発揮させるためには、Ｎｂは０．０１％以上、Ｖは０．００５％以上含有させることが好ましい。しかしながらＮｂまたはＶの含有量が１％を超えると、炭化物の生成により靭性および耐割れ性の低下が生じる。以上より、Ｎｉ含有量は０．０１〜１０％、Ｎｂ含有量は０．０１〜１％の範囲、Ｖ含有量は０．００５〜１％の範囲とすることが好ましい。なお、Ｎｉ含有量のより好ましい下限は１％であり、より好ましい上限は８％である。また、ＮｂおよびＶ含有量のより好ましい下限は０．０２％であり、より好ましい上限は０．８％である。
【００３６】
・Ｃｒ
Ｃｒは焼結金属を強靭化するとともに、酸化物被膜による耐食性向上および高温強度向上等の効果を発揮する。こうした効果を発揮させるためには、Ｃｒ含有量は０．００５％以上とすることが好ましい。しかしながら、Ｃｒ含有量が過剰になって１５％を超えると自硬性が高くなり、耐割れ性が低下する。以上より、Ｃｒ含有量は０．００５〜１５％の範囲とすることが好ましい。
【００３７】
●Ｍｏ
Ｍｏは焼結金属の焼入れ性を高めるという効果があり、その強度向上に寄与する。こうした効果を発揮させるためには、０．００５％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｍｏ含有量が過剰になって３％を超えると、炭化物が生成されて靭性が悪くなる。以上より、Ｍｏ含有量は０．００５〜３％の範囲とすることが好ましい。なお、Ｍｏ含有量のより好ましい下限は０．０１％であり、より好ましい上限は２％である。
【００３８】
●Ｃｕ
Ｃｕは防食効果のある非晶質の皮膜を形成する作用を発揮する。こうした効果を発揮させるためには、０．０５％以上含有させることが好ましいが、１．５％を超えて過剰になるとその効果が飽和するとともに、割れなどの弊害が生じることになる。以上より、Ｃｕ含有量は０．０５〜１．５％の範囲とすることが好ましい。なお、Ｃｕ含有量のより好ましい下限は０．１％であり、より好ましい上限は１．２％である。
【００３９】
●Ｃａ、希土類元素
Ｃａおよび希土類元素（ＲＥＭ）は、主に焼結金属の強度上昇、延性の向上に有効な元素であり、こうした効果を発揮させるためには、いずれも０．００１％以上含有させることが好ましい。しかしながら、これらの元素の含有量が０．０５％を超えると、焼結金属中の非金属介在物量が多くなって延性を劣化させることになる。以上より、Ｃａおよび希土類元素の含有量はそれぞれ０．００５〜１％の範囲とすることが好ましい。なお、これらの元素のより好ましい下限は０．００２％であり、より好ましい上限は０．０４％である。また、上記ＲＥＭは、スカンジケム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）およびランタノイド系列希土類元素（原子番号５７〜７１）のいずれをも含む意味であり、これらの元素のうちの１種または２種以上を用いればよい。
【００４０】
・Ｂ
Ｂは、微量添加することによって金属組織を微細化して優れた低温靭性を発揮させる。こうした効果を発揮させるためには、０．０００５％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｂ含有量が過剰になって０．０５％を超えると、耐割れ性が著しく悪化する。以上より、Ｂ含有量は０．０００５〜０．０５％の範囲とすることが好ましい。なお、Ｂ含有量のより好ましい下限は０．０００７％であり、より好ましい上限は０．０４％である。
【００４１】
本発明の鉄系粉末材料における基本的な化学成分および必要により含有させる有効成分は上記の通りであり、残部は実質的に鉄からなるものであるが、「実質的に鉄」とは、Ｆｅ以外にもその特性を阻害しない程度の微量成分の含有も許容できることを意味するものであり、こうした許容成分としてＰ，Ａｓ，Ｓｂ等の不可避的不純物が挙げられる。また、上記の各有効成分であっても、その好ましい下限未満の含有では不可避不純物に相当するものとなる。さらに、不純物のうち、特にＰについては、下記のようにその含有料を抑制することが好ましい。
【００４２】
●Ｐ
Ｐ含有量が過剰になると、フエライト中に固溶したＰによってマトリックスの靭性が損なわれるだけでなく、焼結割れの原因になる。このため、Ｐ含有量は０．０５％以下に抑制する必要があり、０．０３％以下に抑制することが好ましい。
【００４３】
本発明の鉄系粉末材料には、さらに必要によってＡｌ，Ｔｉ，Ｚｒ等の脱酸剤を含有させることもできる。これらを含有させるときの範囲限定理由は下記のとおりである。
【００４４】
●Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ
これらの元素は、いずれも脱酸剤として作用するが、こうした効果を発揮させるためには、いずれも０．０１％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ａｌについては、その含有量が過剰になって１％を超えると、脱酸生成物であるＡ１₂０₃が溶融焼結層中に多く残存するようになって靭性が大幅に低下する。一方、ＴｉおよびＺｒについては、いずれも強脱酸剤であり溶融金属の酸化を防止するばかりか、酸化物を生成して析出硬化による強度上昇と組織の微細化による靭性の改善に効果がある。しかしながら、ＴｉやＺｒの含有量が過剰になって１％を超えると、炭化物の形成および析出によって靭性が大幅に低下することになる。以上より、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ含有量はそれぞれ０．００５〜１％の範囲とすることが好ましい。なお、これらの元素のより好ましい下限は０．０２％であり、より好ましい上限は０．９％である。
【００４５】
本発明のＦｅを主成分とする溶融焼結層（すなわち鉄基焼結体）は、（ａ）Ｓｉ：０．７〜５．５％、Ｓ：０．０４０〜０．０８％、０：０．０１〜０．１％をそれぞれ含有するものであるか、（ｂ）Ｓｉ：０．７〜５．５％、Ｓ：０．０８〜０．４０％（０．０８％を除く）をそれぞれ含有するものであるか、または（ｃ）Ｓｉ：０．７〜５．５％、Ｓｅ：０．００５〜０．６％および／またはＴｅ：０．００５〜０．６％をそれぞれ含有するように調整することが好ましいが、これらの成分の範囲限定理由は以下のとおりである。
【００４６】
●Ｓｉ
Ｓｉの基本的な作用は、前述の粉末材料の説明の内容と同一である。ただし、焼結体のＳｉ含有量の上限は、前述の粉末材料の場合のようにＳｉ歩留を考慮する必要がないため、直接、焼結体中のＳｉ濃度で評価すればよく、その値は５．５％が推奨される。したがって、Ｓｉ含有量は０．７〜５．５％の範囲とするのが好ましい。なお、Ｓｉ含有量の下限は、好ましくは１％、特に好ましくは３％とするのがよい。
【００４７】
●Ｓ、Ｏ
Ｓの基本的な作用は、前述の粉末材料の説明の内容と同一である。ただし、焼結体のＳ含有量の上限は、前述の粉末材料の場合のようにＳ歩留を考慮する必要がないため、直接、焼結体中のＳ濃度で評価すればよく、その値は０．４％が推奨される。一方、焼結体のＳ含有量の下限近傍である０．０４〜０．０８％の範囲においては、Ｓ単独の添加では十分な疲労強度の向上効果が得られないことがわかった。そこで、発明者らは、Ｓと同様に鉄基溶融金属の表面張力を低下させる機能がある酸素の添加について検討を行った。その結果、酸素単独の添加ではＳよりも表面張力低下の効果が小さいため表面粗度や割れ改善効果が小さいにもかかわらず、酸素をＳに加えて添加（酸素の複合化）することにより、表面張力低下に対する複合効果が発揮されて、表面粗度や割れ改善効果が格段に大きくなることを突き止めた。そして、こうした効果を十分発揮させるためには、Ｏ含有量は０．０１％以上とする必要があるが、その含有量が過剰になって０．１％を超えると、溶融金属中に非金属介在物が多量に生成して靭性が低下し、焼結層中に微小なクラックが発生する等の弊害が生じることになる。以上より、Ｓ含有量：０．０４〜０．０８％の範囲においては、Ｏ含有量：０．０１〜０．１％の範囲とすることが好ましい。なお、Ｏ含有量の下限は、より好ましくは０．０２％であり、特に好ましくは０．０３％である。また、Ｓ含有量：０．０８〜０．４％（０．０８％を除く）の範囲においては、上記の酸素の複合化がなくても十分な表面粗度や割れに対する改善効果が得られるため、Ｏ含有量の規定は不要である。
【００４８】
上記のように、焼結体中のＯ含有量を調整する必要がある場合には、造形雰囲気に酸素を添加する方法または粉末材料に酸化鉄などの酸化剤を添加する方法などを用いることができる。
【００４９】
●Ｓｅ、Ｔｅ
ＳｅおよびＴｅの基本的な作用は、粉末材料の説明で記述した内容と同一である。ただし、焼結体中のＳｅ、Ｔｅ含有量の下限は、前述の粉末材料の場合のように歩留を考慮する必要がないため、直接焼結体中のＳｅ、Ｔｅ濃度で評価すればよく、その値は０．００５％が推奨される。一方、Ｓｅ、Ｔｅ含有量の上限は、粉末中のＳｅ、Ｔｅ含有量の上限値から歩留を考慮して０．６％となる。以上より、Ｓｅ、Ｔｅ含有量はともに０．００５〜０．６％の範囲とする。
【００５０】
粉末材料の粒径は、小さくするほど焼結層一層の厚みを薄くできることから焼結体の積層方向の形状精度を向上させることができるが、小さすぎると粉末材料の流動性が低下する。このため、焼結層形成に必要な粉末材料を敷詰める工程での粉末充填密度の低下やばらつきが大きくなり、焼結前後の寸法変化が大きくなるため形状精度の低下を招く。一方、粉末材料の粒径が大きすぎると流動性の問題はなく敷詰めた粉末充填密度も安定するが、焼結層の積層間隔が大きくなり形状精度が低下する。これら相反する条件を考慮して、粉末材料の平均粒径は５〜１００μｍが好ましい。また、種々の条件で実験を繰り返した結果、実用的に最も好ましい粒径範囲は、平均粒径１０〜５０μｍであった。
【００５１】
高エネルギービームとして、ＣＷ（連続波）炭酸ガスレーザ、パルス炭酸レーザ、ＣＷＹＡＧレーザ、パルスＹＡＧレーザ、電子ビーム、プラズマトーチ等を用いることができる。造形雰囲気は、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気が好ましい。ただし、上述したように、焼結体中のＯ含有量を調整する必要がある場合には、不活性ガス中に少量の酸素を添加してもよい。
【００５２】
ＣＷ炭酸ガスレーザビームを用いた焼結条件の一例として、一般鋼材を基板として、水アトマイズにより製造した平均粒径４０μｍの粉末を１００μｍ厚さに積層し、窒素ガス雰囲気中で、照射出力５ｋＷ、スポット径５ｍｍ、レーザ走査速度２０ｍｍ／ｓ、走査間隔１ｍｍで、敷詰めた粉末層全体を完全溶融凝固させることにより、緻密かつ表面平滑で亀裂のない焼結層を形成できる。
【００５３】
その後、この焼結層の上にさらに粉末を積層してレーザ照射を行うことを繰り返すことによって、３次元形状焼結体を形成することができる。
【００５４】
なお、焼結層を積層する基板は、各種鋼材や本発明による鉄系粉末材料と同一組成の材料を選択することができる。
【００５５】
以下、本発明を実施例によってさらに詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００５６】
【実施例】
水アトマイズにより製造した平均粒径４０μｍの鋼粉に、表１に示す化学成分の各元素をそれぞれ主成分とする金属粉等をその混合比率を適宜変化させて混合し、表１に示す化学成分を有する鉄系粉末材料を作製した。
【００５７】
【表１】

【００５８】
そして、一般鋼材を基板として、この粉末材料を１００μｍ厚さに積層して敷詰めたのち、窒素ガス雰囲気中で、照射出力５ｋＷ、スポット径５ｍｍ、レーザ走査速度２０ｍｍ／ｓ、走査間隔１ｍｍで、敷詰めた粉末層全体を完全溶融凝固させて焼結層を形成した。この焼結層形成の工程を３００回繰り返して厚さ約２０ｍｍの３次元形状焼結体を形成した。
【００５９】
このようにして形成した各焼結体について、硬さ、割れの有無、および表面粗さを調査した。なお、硬さについては、焼結体表面のロックウェル硬さ（Ｃスケール）ＨＲＣを測定し、これを焼結体の機械的強度の指標とした。また、割れの有無については、焼結体の表面をマクロ観察して、長さが１０００μｍ以上のクラックを粗大クラックとし、１０００μｍ未満のクラックを微細クラックとして分類した。また、表面粗さについては、表面粗さ計にて焼結体表面の凹凸を測定し、最大凹凸差を求め、これを表面平滑度の指標とした。
【００６０】
調査結果を表２に示す。表中、○印は焼結体に要求される各性状を満足する場合、×印は不十分な場合を意味する。
【００６１】
【表２】

【００６２】
表１および表２より明らかなように、鉄系粉末材料の化学成分のうち本発明（請求項１〜４）の規定する範囲内のもの（試料Ｎｏ．９、１０、１２〜１４、１８、１９、２１、２２、２４、２６〜２８）については、硬さが十分高く、かつ粗大クラック・微細クラックとも認められないため、機械的強度および耐久性に優れるものと考えられ、さらに最大凹凸差が十分小さいため表面平滑度にも優れている。これに対し、いずれかの成分が本発明（請求項１〜４）の規定する範囲を外れるもの（試料Ｎｏ．１〜８、１１、１５〜１７、２０、２３、２５）については、試料Ｎｏ．１１を除いて、硬さ、割れ、表面粗さの少なくともいずれかの性状が不十分である。
【００６３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、強度や耐久性に優れ、かつ表面が平滑で割れのない健全な鉄基焼結体を容易かつ能率的に得ることができる。

Claims

高エネルギービームを照射して、鉄系粉末材料を部分的または完全に溶融凝固させて鉄基焼結体を形成する際に用いられる鉄系粉末材料であって、質量％で、Ｓｉ：０．７〜８．０％、Ｓ：０．０４〜０．６％、Ｃ：０．００５〜１％、Ｍｎ：０．２〜１５％、Ｎｉ：０．０１〜１０％、Ｃｒ：０．００５〜１５％、Ｍｏ：０．００５〜３％、Ｃｕ：０．０５〜１．５％、Ｐ：０．０５％以下（０％を含む）、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、鉄基焼結体形成用の鉄系粉末材料。
さらに、Ｃａ：０．００１〜０．０５％、Ｖ：０．００５〜１％を含有する、請求項１に記載の鉄基焼結体形成用の鉄系粉末材料。
さらに、Ｂ：０．０００５〜０．０５％を含有する、請求項２に記載の鉄基焼結体形成用の鉄系粉末材料。
さらに、Ｓｅ：０．０１〜１％および／またはＴｅ：０．０１〜１％を含有する、請求項３に記載の鉄基焼結体形成用の鉄系粉末材料。
アトマイズ法または粉砕法によって製造されたものである請求項１〜４のいずれか１項に記載の鉄基焼結体形成用の鉄系粉末材料。
平均粒径が５〜１００μｍである請求項１〜５のいずれか１項に記載の鉄基焼結体形成用の鉄系粉末材料。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の鉄系粉末材料に高エネルギービームを照射して、この鉄系粉末材料を部分的あるいは完全に溶融凝固させて鉄基焼結体を形成する工程を含むことを特徴とする、鉄基焼結体の製造方法。
前記高エネルギービーム照射時における造形雰囲気への酸素の添加または前記鉄系粉末材料への酸化剤の添加により、前記鉄基焼結体がＳｉ：０．７〜５．５％、Ｓ：０．０４〜０．０８％、Ｏ：０．０１〜０．１％をそれぞれ含有するようにした、請求項７に記載の鉄基焼結体の製造方法。
前記鉄基焼結体が、Ｓｉ：０．７〜５．５％、Ｓ：０．０８〜０．４％（０．０８％を除く）をそれぞれ含有するようにした、請求項７に記載の鉄基焼結体の製造方法。
請求項４に記載の鉄系粉末材料に高エネルギービームを照射して、この鉄系粉末材料を部分的あるいは完全に溶融凝固させて鉄基焼結体を形成する工程を含む鉄基焼結体の製造方法であって、前記鉄基焼結体が、Ｓｉ：０．７〜５．５％を含み、かつＳｅ：０．００５〜０．６％および／またはＴｅ：０．００５〜０．６％を含有するようにしたことを特徴とする、鉄基焼結体の製造方法。