JP6198062B2

JP6198062B2 - Ｃｏ基合金粉末

Info

Publication number: JP6198062B2
Application number: JP2014028903A
Authority: JP
Inventors: 千葉　晶彦; 晶彦千葉; 佐々木　信之; 信之佐々木
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2014-02-18
Filing date: 2014-02-18
Publication date: 2017-09-20
Anticipated expiration: 2034-02-18
Also published as: JP2015151610A

Description

本発明は、ＣＡＤの３次元データを利用した、電子ビームを使用した金属粉末の急速加熱溶解・凝固による積層造形法により、複雑な形状の立体的な構造物を製造するためのＣｏ基合金の粉末に関し、特に電子ビーム処理造形物が、高硬度・高耐食性・機械加工性に優れる積層造形法用のＣｏ基合金の粉末に関するものである。

Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金等のＣｏ基合金は、耐食性、耐摩耗性が優れており、人工股関節やステント、カテーテルの生体材料をはじめ、鋳造鋳型材料や歯科鋳造材料等に広く使用されている。しかしながら、鉄系材料より硬度が低いＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金を工業製品として使用する用途はなかった。Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金に窒素を０．３重量％添加して熱間加工することで、微細窒化物の析出硬化で、硬度を２０％程度大きくすることは可能であるが、工業製品として使用するには、硬度の大きさが不十分である（例えば、特許文献１参照）。

また、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金の表面を活性化し、５００℃程度の温度で浸炭処理することで、表面から２０μｍ程度の深さまで炭素原子を固溶し、表面層の硬度を大きくすることも知られているが、全体としての硬度改善ではないので、工業製品として使用することはできない（例えば、特許文献２参照）。

また、溶解法でＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金を製造する段階で、炭素を添加する方法も考えられるが、機械加工性の点から炭素添加量０．３質量％が限界で、硬度を大きくする効果はわずかである。

特開２０１１−１８４７８３号公報特開２００７−２７７７１０号公報

電子ビーム積層造形方法は、３次元ＣＡＤで作成したデータから、装置チャンバー内で、電子ビームガン内のフィラメントより放射された電子を、焦点と偏向とを制御して、金属粉末に照射溶解することを一層ずつ繰り返して積層し、金属部品を製造する方法である。電子ビーム積層造形方法で、耐食性、耐摩耗性が優れたＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金粉末を用いることで、複雑な形状のインプラント部品を製造することが可能であるが、前述のＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金は硬度が低く、一般工業製品として使用できないという課題があった。

そこで本発明は、このような課題に着目してなされたもので、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金の耐食性と耐摩耗性とを維持したまま、硬度が大きなＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金の工業製品が得られるＣｏ基合金粉末を提供することを目的とする。

本発明によれば、Ｃｒ：３０質量％と、Ｍｏ：５質量％と、炭素：１．０〜５．０質量％と、Ｎ：０〜０．６質量％とを含み、残部がＣｏおよび不可避不純物から成ることを特徴とするＣｏ基合金粉末が得られる。炭素量が０．５質量％より少ない場合には、炭化物の分散による硬度の向上が期待できず、また、炭素量が５．０質量％を超えると、炭化物の析出で機械加工が困難になる。

また、本発明によれば、粒子径が、１μｍ以上、２００μｍ以下の粉末から成ることを特徴とする、Ｃｏ基合金粉末が得られる。

また、本発明に関し、急速加熱溶解し、急冷して得られるブロック体は、微細なＣｒの炭化物が均一分散していることを特徴とする、Ｃｏ基合金粉末が得られる。

また、本発明に関し、急速加熱溶解し、急冷して得られるブロック体は、室温でのロックウェル硬度（ＨＲＣ）が５０以上であることを特徴とする、Ｃｏ基合金粉末が得られる。

更に、本発明に関し、前記急速加熱溶解の熱源が電子ビームであり、前記ブロック体は前記電子ビームを走査し得られることを特徴とするＣｏ基合金粉末が得られる。

本発明により、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金の耐食性と耐摩耗性とを維持したまま、硬度が大きなＣｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金の工業製品が得られるＣｏ基合金粉末を提供することができる。また、電子ビーム積層造形処理することで、鉄鋼製品より耐食性が格段に優れたＣｏ基合金の工業用製品が得られるという効果がある。

本発明の実施の形態のＣｏ基合金粉末であるアトマイズ粉末の粒度分布の測定結果を示すグラフである。本発明の実施の形態に関し、Ｃｏ基合金粉末の、炭素を０．５質量％添加した粉末で積層造形した円盤の表面のＳＥＭ写真である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
Ｃｒ：３０質量％、Ｍｏ：５質量％、Ｎ：０．３質量％を含むＣｏ基合金組成物に、炭素をそれぞれ０．５質量％、１質量％、２質量％、３質量％、４質量％、５質量％添加した原料を真空溶解し、アルゴンガス中でガスアトマイズして、合金粉末を作成した。これらの粉末の平均粒径は、アトマイズ条件と、メッシュ篩とを調整することで、１μｍから２００μｍとした。粉末の粒度分布の測定結果を、図１に示す。また、真空溶解した時に、溶湯の一部を金型に鋳込み、インゴットも作成した。

次に、これらの粉末を使用して、真空チャンバー内で電子ビーム積層造形を実施した。使用した電子ビーム積層造形（ＥＢＭ）装置は、Arcam EBM A2X system（Arcam AB, Molndal, Sweden）である。積層造形の条件は、加速電圧が60kV、予備加熱温度域が750-850℃である。また、ビームスキャンでは、７０μｍの１層の厚さごとに、ステージＸ軸およびＹ軸に垂直な方向に交互に電子ビームがスキャンされる。また、造形完了後はＨｅガス雰囲気で冷却した。造形物の形状は、直径１４ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円盤で、３ＤＣＡＤデータのスライス２Ｄデータ分のみを選択的に溶融した。

得られた円盤の造形物の表面を研磨して、ロックウェル硬度（ＨＲＣ）を測定した。測定結果を表１に示す。比較のため、溶湯の一部を金型に鋳込んだインゴットも表面を研磨して、硬度を測定した。

表１から、炭素を添加しただけのインゴットで、炭素の量に応じて硬度が大きくなることが分かり、更に、電子ビーム積層造形した円盤は、積層造形の急熱溶解、急冷のため、Ｃｒの炭化物が均一分散し、インゴットより更に硬度が大きくなっていることが分かる。

炭素を０．５質量％添加した粉末で積層造形した円盤の表面のＳＥＭ写真を、図２に示す。図２から、５００ｎｍ以下の微細な炭化物（白点）が均一に分散していることが分かる。

本発明を使用して得られる工業製品は、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｍｏ合金の耐食性と耐摩耗性とを維持したまま、鉄鋼製品と同等の硬度が得られるので、耐食性の激しい塩分が多く含まれる製品を処理する工業製品として利用することが可能である。

Claims

Ｃｒ：３０質量％と、Ｍｏ：５質量％と、炭素：１．０〜５．０質量％と、Ｎ：０〜０．６質量％とを含み、残部がＣｏおよび不可避不純物から成ることを特徴とするＣｏ基合金粉末。
粒子径が、１μｍ以上、２００μｍ以下の粉末から成ることを特徴とする、請求項１記載のＣｏ基合金粉末。
電子ビーム積層造形に用いられることを特徴とする請求項１または２記載のＣｏ基合金粉末。