JP5579839B2 - 粉末焼結積層用金属粉末、それを用いた三次元形状造形物の製造方法および得られる三次元形状造形物 - Google Patents
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Description
析出硬化型金属成分の粉末を含んで成る混合粉末から成っており、
Fe系成分とNi系成分とが相互に合金化した粉末を主成分として含んでおらず、Fe系成分粉末とNi系成分粉末とが別個の粉末として含まれる混合金属粉末が提供される。
製造条件
・粉末の積層厚さ:0.05mm
・レーザの種類:CO2(炭酸ガス)レーザ
・スポット径:0.5mm
発明の効果
図2は、光造形複合加工機の動作を模式的に示した断面図である。
図3は、粉末焼結積層法が行われる態様を模式的に示した斜視図である。
図4は、粉末焼結積層法が実施される光造形複合加工機の構成を模式的に示した斜視図である。
図5は、光造形複合加工機の動作のフローチャートである。
図6は、光造形複合加工プロセスを経時的に表した模式図である。
図7は、本発明の特徴を概念的に表した図である。
図8は、実施例で得られた積層造形物の断面組織の外観を示した写真図である。
図9は、実施例で用いた6種類の粉末材料の外観を示した写真図である。
尚、図面中、参照番号は次の要素を意味する。
1 光造形複合加工機
2 粉末層形成手段
3 光ビーム照射手段
4 切削手段
8 ヒューム
19 粉末/粉末層(例えば金属粉末/金属粉末層)
20 造形物支持部材
21 造形プレート
22 粉末層(例えば金属粉末層)
23 スキージング用ブレード
24 固化層(例えば焼結層)
25 粉末テーブル
26 粉末材料タンクの壁部分
27 造形タンクの壁部分
28 粉末材料タンク
29 造形タンク
30 光ビーム発振器
31 ガルバノミラー
40 ミーリングヘッド
41 XY駆動機構
50 チャンバー
52 光透過窓またはレンズ
L 光ビーム
まず、本発明の製造方法の前提となる粉末焼結積層法について説明する。説明の便宜上、材料粉末タンクから材料粉末を供給し、均し板を用いて材料粉末を均して粉末層を形成する態様を前提として粉末焼結積層法を説明する。また、粉末焼結積層法に際しては造形物の切削加工をも併せて行う複合加工の態様を例に挙げて説明する(つまり、図1(b)ではなく図1(a)に表す態様を前提とする)。図2〜4には、粉末焼結積層法と切削加工とを実施できる光造形複合加工機の機能および構成が示されている。光造形複合加工機1は、「金属粉末を所定の厚みで敷くことによって粉末層を形成する粉末層形成手段2」と「外周が壁27で囲まれた造形タンク29内において上下に昇降する造形テーブル20」と「造形テーブル20上に配され造形物の土台となる造形プレート21」と「光ビームLを任意の位置に照射する光ビーム照射手段3」と「造形物の周囲を削る切削手段4」とを主として備えている。粉末層形成手段2は、図2に示すように、「外周が壁26で囲まれた材料粉末タンク28内において上下に昇降する粉末テーブル25」と「造形プレート上に粉末層22を形成するための均し板23」とを主として有して成る。光ビーム照射手段3は、図3および図4に示すように、「光ビームLを発する光ビーム発振器30」と「光ビームLを粉末層22の上にスキャニング(走査)するガルバノミラー31(スキャン光学系)」とを主として有して成る。必要に応じて、光ビーム照射手段3には、光ビームスポットの形状を補正するビーム形状補正手段(例えば一対のシリンドリカルレンズと、かかるレンズを光ビームの軸線回りに回転させる回転駆動機構とを有して成る手段)やfθレンズなどが具備されている。切削手段4は、「造形物の周囲を削るミーリングヘッド40」と「ミーリングヘッド40を切削箇所へと移動させるXY駆動機構41(41a,41b)」とを主として有して成る(図3および図4参照)。
本発明は、上述した粉末焼結積層法のなかでも、特に粉末層形成に用いる材料に特徴を有している(図7参照)。具体的には、粉末焼結積層法に用いる金属粉末として、析出硬化型金属成分の粉末を含んで成る混合粉末を採用する。特に本発明では、Fe系成分とNi系成分とが相互に合金化した粉末を主成分として含んでおらず、Fe系成分粉末とNi系成分粉末とが別々の粉末として含まれる混合粉末を用いる。好ましくは、Ni系成分粉末として、析出硬化型金属成分のいずれの他成分とも合金化していない単独のNi成分粉末が含まれた混合粉末を用いる。このような金属粉末を用いることによって、粉末焼結積層法にて低エネルギー焼結が可能となって所望の三次元形状造形物を得ることができ、また、得られる三次元形状造形物で高い硬度が呈される。
本発明の粉末は、上述したように、析出硬化型金属成分の粉末を含んで成る混合粉末であることを前提としている。つまり、本発明の粉末は、析出硬化型金属を成す成分が粉末粒子として含まれている。ここで、析出硬化型金属を構成する各成分同士が組み合わされて粉末粒子を成していても、あるいは、各成分が単独で粉末粒子を成していてもよいものの、Fe系成分およびNi系成分についていえば、それらの成分同士が相互に合金化した粉末粒子(Fe−Ni合金の粉末粒子)とはなっていない。つまり、Fe系成分とNi系成分とが別個の粉末粒子(Fe系成分の粉末粒子およびNi系成分の粉末粒子)として存在している。
● 18Ni系マルエージング鋼
主成分
・Ni:17〜19重量%
・Co:7〜8.5重量%
・Mo:4.6〜5.1重量%
・Ti:0.3〜0.5重量%
・Al:0.05〜0.15重量%
・Fe:残部重量
副成分または不可避的不純物
・C:0.03重量%未満
・Si:0.1重量%未満
・Mn:0.1重量%未満
・P:0.02重量%未満
・S:0.02重量%未満
(重量%:混合粉末の全体の総重量を基準にした重量割合)
● 20Ni系マルエージング鋼
主成分
・Ni:18.0〜20.0重量%
・Ti:1.30〜1.60重量%
・Nb:0.30〜0.60重量%
・Al:0.15〜0.35重量%
・Fe:残部重量
副成分または不可避的不純物
・C:0.03重量%未満
・Si:0.10重量%未満
・Mn:0.10重量%未満
・P:0.02重量%未満
・S:0.02重量%未満
(重量%:混合粉末の全体の総重量を基準にした重量割合)
● 析出硬化型ステンレス鋼(SUS630)
主成分
・Cr:15.5〜17.5重量%
・Ni:3.00〜5.00重量%
・Cu:3.00〜5.00重量%
・Nb:0.15〜0.45重量%
・Fe:残部重量
副成分または不可避的不純物
・C:0.07重量%未満
・Si:1.00重量%未満
・Mn:1.00重量%未満
・P:0.04重量%未満
・S:0.03重量%未満
(重量%:混合粉末の全体の総重量を基準にした重量割合)
本発明の金属粉末を用いると粉末焼結積層法を好適に実施することができる。具体的には、特に高いエネルギーの光ビームを用いなくても造形物を得ることができ、例えば、照射エネルギー密度Eが0.5〜7.0J/mm2程度の光ビームを照射することによって造形物を得ることができる(ちなみに、従来のマルエージング鋼成分における高エネルギー照射の場合では、同一条件下において少なくとも照射エネルギー密度Eが約10.0J/mm2以上の光ビームを照射しなければならなかった点に留意されたい)。
[式1]
本発明の三次元形状造形物は、上記金属粉末を用いた粉末焼結積層法を実施することによって得られる。従って、本発明の三次元形状造形物は、析出硬化型金属成分から形成されているといえる。つまり、三次元形状造形物がマルエージング鋼成分または析出硬化型ステンレス鋼成分を含んで成る。
第1の態様:三次元形状造形物が得られる粉末焼結積層法に用いられる金属粉末であって、
析出硬化型金属成分の粉末を含んで成る混合粉末から成っており、
Fe系成分とNi系成分とが相互に合金化した粉末を主成分として含んでおらず、Fe系成分粉末とNi系成分粉末とが別個の粉末として含まれている金属粉末。
第2の態様:上記第1の態様において、前記Ni系成分の粉末が、いずれの他成分とも合金化しておらず、単独のNi成分粉末となっていることを特徴とする金属粉末。
第3の態様:上記第1または第2の態様において、前記析出硬化型金属成分が、マルエージング鋼成分または析出硬化型ステンレス鋼成分であることを特徴とする金属粉末。
第4の態様:上記第3の態様において、マルエージング鋼成分が、17〜19重量%のNi成分、7〜8.5重量%のCo成分、4.6〜5.1重量%のMo成分、0.3〜0.5重量%のTi成分、0.05〜0.15重量%のAl成分、および残部Fe成分を含んで成ることを特徴とする金属粉末。
第5の態様:上記第1〜第4の態様のいずれかにおいて、前記混合粉末を構成する粉末粒子の平均粒径が5〜50μmであることを特徴とする金属粉末。
第6の態様:上記第1〜第5の態様のいずれかにおいて、前記混合粉末を構成する粉末粒子のアスペクト比が1.0〜2.0であることを特徴とする金属粉末。
第7の態様:粉末焼結積層法として、(i)粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程、および、(ii)得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
前記粉末層を、上記第1〜第6の態様のいずれかの金属粉末から形成することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第8の態様:上記第7の態様において、照射エネルギー密度Eが0.5〜7.0J/mm2の光ビームを照射することを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第9の態様:上記第7または第8の態様において、前記三次元形状造形物を400〜550℃の熱処理に付すことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第10の態様:上記第7〜第9の態様のいずれかにおいて、前記三次元形状造形物の表面に窒化処理を施すことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第11の態様:上記第9の態様において、前記粉末層および前記固化層の形成を造形プレート上で行っており、該造形プレート上における形成に先立って、前記熱処理の温度よりも高い温度で該造形プレートを熱処理することを特徴とする製造方法。
第12の態様:上記第7〜第11の態様のいずれかの製造方法で得られる三次元形状造形物。
第13の態様:上記第12の態様において、前記造形物の硬度がビッカース硬度Hvで270〜350となっていることを特徴とする三次元形状造形物。
第14の態様:上記第9の態様に従属する上記第12または第13の態様の三次元形状造形物であって、前記熱処理後の造形物の硬度がビッカース硬度Hvで400〜600となっていることを特徴とする、三次元形状造形物。
第15の態様:上記第12〜第14の態様のいずれかにおいて、樹脂成形用の金型または該金型の部品として用いられることを特徴とする三次元形状造形物。
本発明の特徴に関して試験を行った。具体的には、下記の混合粉末A〜Cを用いてレーザ焼結積層および切削実験を行った。
(混合粉末A)18Ni系マルエージング
Fe−約18%Ni−約8%Co−約5%Mo−約0.4%Ti−約0.1%Al(単位:重量%、Feは残部重量)
(混合粉末B)20Ni系マルエージング
Fe−約19%Ni−約1.5%Ti−約0.5%Nb−約0.3%Al(単位:重量%、Feは残部重量)
(混合粉末C)析出硬化型ステンレス(SUS630)
Fe−約15%Cr−約4%Ni−約5%Cu−約0.4%Nb(単位:重量%、Feは残部重量)
積層造形物の断面組織の外観を図8(a)〜(c)に示す。また、積層造形物の硬度、およびその造形物に対して付加的な熱処理(具体的には、900℃、2時間の溶体化処理と、470℃、3時間の析出硬化処理)を行った後における硬度の結果を表1に示す。ここで、表1の「熱処理後のHv値(右側の欄)」について詳述すると、『20Ni系マルエージング』および『析出硬化型ステンレス(SUS630)』については、溶体化処理と析出硬化処理との双方を行うことによって得られた値(Hv469、Hv458)であるのに対して、『18Ni系マルエージング』については、溶体化処理せずに、析出硬化処理のみで得られた値(Hv484)である。換言すれば、『20Ni系マルエージング』および『析出硬化型ステンレス(SUS630)』については、溶体化処理を行わないと、析出硬化処理だけでは硬度が増加しなかったのに対して、『18Ni系マルエージング』については、溶体化処理しなくても、析出硬化処理だけで硬度が増加した。つまり、『18Ni系マルエージング』については、800〜1000℃程度の高い温度の溶体化処理に付すことなく、金属光造形で得られた造形物を“処理温度の比較的低い析出硬化処理(400〜550℃の熱処理)”に付すだけで硬度増加を見込めることが分かった。
切削性評価の結果を表2に示す。切削性評価は、造形後の表面を金属粉末中でドライ切削を行ったものである。○は切削問題なし(即ち刃先欠け無し)、×は切削工具刃先に欠け発生を示す。
図9(a)〜(f)に示す6種類の粉末材料から18Ni系マルエージング組成(Fe−18%Ni−8%Co−5%Mo−0.4%Ti−0.1%Al)となる混合粉末を作成し、レーザ焼結積層を実施した。
関連出願の相互参照
Claims (13)
- 三次元形状造形物が得られる粉末焼結積層法に用いられる金属粉末であって、
マルエージング鋼成分または析出硬化型ステンレス鋼成分の粉末を含んで成る混合粉末から成っており、
Fe系成分とNi系成分とが相互に合金化した粉末を主成分として含んでおらず、Fe系成分粉末とNi系成分粉末とが別個の粉末として含まれており、
前記Ni系成分の粉末が、いずれの他成分とも合金化しておらず、単独のNi成分粉末となっている金属粉末。 - マルエージング鋼成分が、17〜19重量%のNi成分、7〜8.5重量%のCo成分、4.6〜5.1重量%のMo成分、0.3〜0.5重量%のTi成分、0.05〜0.15重量%のAl成分、および残部Fe成分を含んで成ることを特徴とする、請求項1に記載の金属粉末。
- 前記混合粉末を構成する粉末粒子の平均粒径が5〜50μmであることを特徴とする、請求項1または2に記載の金属粉末。
- 前記混合粉末を構成する粉末粒子のアスペクト比が1.0〜2.0であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の金属粉末。
- 粉末焼結積層法として、(i)粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程、および、(ii)得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
前記粉末層を、請求項1〜4のいずれかに記載の金属粉末から形成することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。 - 照射エネルギー密度Eが0.5〜7.0J/mm2の光ビームを照射することを特徴とする、請求項5に記載の三次元形状造形物の製造方法。
- 前記三次元形状造形物を400〜550℃の熱処理に付すことを特徴とする、請求項5または6に記載の三次元形状造形物の製造方法。
- 前記三次元形状造形物の表面に窒化処理を施すことを特徴とする、請求項5〜7のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法。
- 前記粉末層および前記固化層の形成を造形プレート上で行っており、該造形プレート上における形成に先立って、前記熱処理の温度よりも高い温度で該造形プレートを熱処理することを特徴とする、請求項7に記載の三次元形状造形物の製造方法。
- 請求項5〜9のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法で得られる三次元形状造形物。
- 前記造形物の硬度がビッカース硬度Hvで270〜350となっていることを特徴とする、請求項10に記載の三次元形状造形物。
- 請求項7に従属する請求項10または11に記載の三次元形状造形物であって、前記熱処理後の造形物の硬度がビッカース硬度Hvで400〜600となっていることを特徴とする、三次元形状造形物。
- 樹脂成形用の金型または該金型の部品として用いられることを特徴とする、請求項10〜12のいずれかに記載の三次元形状造形物。
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