JP6389557B1 - 銅合金粉末、積層造形物の製造方法および積層造形物 - Google Patents

Abstract

【課題】銅合金により構成されている積層造形物を提供すること。【解決手段】銅合金粉末は、積層造形用の銅合金粉末である。銅合金粉末は、１．００質量％より多く２．８０質量％以下のクロム、および残部の銅を含有する。【選択図】なし

Description

本開示は、銅合金粉末、積層造形物の製造方法および積層造形物に関する。

特開２０１１−２１２１８号公報（特許文献１）は、金属粉末を対象とするレーザ積層造形装置（「３Ｄプリンタ」とも称される）を開示している。

特開２０１１−２１２１８号公報

金属製品の加工技術として、金属粉末を対象とする積層造形法が注目されている。積層造形法によれば、切削加工では不可能であった複雑形状の創製が可能である。これまでに、鉄合金粉末、アルミニウム合金粉末、チタン合金粉末等による積層造形物の製造例が報告されている。すなわち、鉄合金、アルミニウム合金またはチタン合金等により構成されている積層造形物が報告されている。しかしながら、銅合金により構成されている積層造形物の報告はない。

本開示の目的は、銅合金により構成されている積層造形物を提供することである。

〔１〕銅合金粉末は、積層造形用の銅合金粉末である。銅合金粉末は、１．００質量％より多く２．８０質量％以下のクロム、および残部の銅を含有する。

〔２〕銅合金粉末は、１．０５質量％より多く２．８０質量％以下のクロムを含有してもよい。

〔３〕銅合金粉末は、１．００質量％より多く２．００質量％以下のクロムを含有してもよい。

〔４〕銅合金粉末は、１．０５質量％より多く２．００質量％以下のクロムを含有してもよい。

〔５〕積層造形物の製造方法は、以下の第１工程および第２工程を含む。
第１工程；上記〔１〕〜〔４〕のいずれかの銅合金粉末を準備する。
第２工程；銅合金粉末により積層造形物を製造する。
積層造形物は、（ｉ）銅合金粉末を含む粉末層を形成すること、および（ｉｉ）粉末層において所定位置の銅合金粉末を固化させることにより、造形層を形成することが順次繰り返され、造形層が積層されることにより製造される。

〔６〕積層造形物の製造方法は、積層造形物を熱処理する第３工程をさらに含んでもよい。
〔７〕第３工程では、積層造形物が３００℃以上の温度で熱処理されてもよい。
〔８〕第３工程では、積層造形物が４００℃以上の温度で熱処理されてもよい。
〔９〕第３工程では、積層造形物が７００℃以下の温度で熱処理されてもよい。
〔１０〕第３工程では、積層造形物が６００℃以下の温度で熱処理されてもよい。

〔１１〕積層造形物は、銅合金により構成されている積層造形物である。積層造形物は、１．００質量％より多く２．８０質量％以下のクロム、および残部の銅を含有する。積層造形物は、銅合金の理論密度に対して９６％以上１００％以下の相対密度を有し、かつ１０％ＩＡＣＳ以上の導電率を有する。

〔１２〕積層造形物は、１．０５質量％より多く２．８０質量％以下のクロムを含有してもよい。
〔１３〕積層造形物は、１．００質量％より多く２．００質量％以下のクロムを含有してもよい。
〔１４〕積層造形物は、１．０５質量％より多く２．００質量％以下のクロムを含有してもよい。
〔１５〕積層造形物は、３０％ＩＡＣＳ以上の導電率を有してもよい。
〔１６〕積層造形物は、５０％ＩＡＣＳ以上の導電率を有してもよい。
〔１７〕積層造形物は、７０％ＩＡＣＳ以上の導電率を有してもよい。

本開示によれば、銅合金により構成されている積層造形物が提供される。

図１は、本開示の実施形態に係る積層造形物の製造方法の概略を示すフローチャートである。 図２は、ＳＴＬデータの一例である。 図３は、スライスデータの一例である。 図４は、積層造形物の製造過程を図解する第１概略図である。 図５は、積層造形物の製造過程を図解する第２概略図である。 図６は、積層造形物の製造過程を図解する第３概略図である。 図７は、積層造形物の製造過程を図解する第４概略図である。 図８は、引張試験に使用される試験片の平面図である。 図９は、第３工程の熱処理温度と導電率との関係を示すグラフである。 図１０は、第３工程の熱処理温度と引張強さとの関係を示すグラフである。 図１１は、第３工程の熱処理温度とビッカース硬さとの関係を示すグラフである。

以下、本開示の一実施形態（以下「本実施形態」と記される）が説明される。ただし、以下の説明は、本開示の発明の範囲を限定するものではない。

はじめに本実施形態が見出された経緯が説明される。
機械的強度および高い導電率が必要とされる機械部品には、銅が多用されている。銅により構成される機械部品としては、たとえば、溶接トーチ、配電設備の部品等が挙げられる。

まず、純銅粉末により積層造形物を製造することが検討された。しかしながら、純銅粉末によっては、所望の積層造形物が得られなかった。具体的には、純銅粉末により製造された積層造形物は、多数の空隙を有しており、緻密な溶製材に対して密度が大幅に低下していた。密度の低下は、機械的強度（たとえば引張強さ等）の低下を意味する。さらに導電率も緻密な溶製材に対して大幅に低下していた。密度および導電率を改善するため、各種の製造条件が検討された。しかしながら、いずれの製造条件においても、仕上がり物性が安定せず、密度および導電率の改善は困難であった。

そこで銅合金粉末が検討された。その結果、特定組成の銅合金粉末が使用されることにより、実用的な密度および導電率を有する積層造形物が製造され得ること、さらに積層造形物が特定温度以上で熱処理されることにより、積層造形物の機械的強度および導電率が顕著に向上し得ることが見出された。以下、本実施形態が詳しく説明される。

＜銅合金粉末＞
本実施形態の銅合金粉末は、２次元プリンタのトナーまたはインクに相当する。本実施形態では、後述の特定組成の銅合金粉末が準備される限り、その製造方法は特に限定されるべきではない。

銅合金粉末は、たとえば、ガスアトマイズ法または水アトマイズ法によって製造され得る。たとえば、まず銅合金の溶湯が調製される。溶湯がタンディッシュに入れられる。タンディッシュから溶湯が滴下される。滴下中の溶湯が、高圧ガスまたは高圧水に接触させられる。これにより、溶湯が急冷、凝固し、銅合金粉末が生成される。この他、プラズマアトマイズ法、遠心力アトマイズ法等によっても、銅合金粉末が製造され得る。

本実施形態では、特定組成の銅合金粉末が使用される。すなわち銅合金粉末は、１．００質量％より多く２．８０質量％以下のクロム（Ｃｒ）、および残部の銅（Ｃｕ）を含有する銅合金の粉末である。残部には、Ｃｕの他、不純物元素が含有されていてもよい。不純物元素は、たとえば、銅合金粉末の製造時に意図的に添加された元素（以下「添加元素」と記される）であってもよい。すなわち、残部はＣｕおよび添加元素を含んでもよい。添加元素としては、たとえば、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、珪素（Ｓｉ）、コバルト（Ｃｏ）、チタン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、テルル（Ｔｅ）等が挙げられる。不純物元素は、たとえば、銅合金粉末の製造時に不可避的に混入した元素（以下「不可避不純物元素」と記される）であってもよい。すなわち、残部はＣｕおよび不可避不純物元素を含んでもよい。不可避不純物元素としては、たとえば、酸素（Ｏ）、リン（Ｐ）、鉄（Ｆｅ）等が挙げられる。残部は、Ｃｕ、添加元素および不可避不純物元素を含んでもよい。銅合金粉末は、たとえば、合計で０．３０質量％未満の添加元素および不可避不純物元素を含有してもよい。たとえば、銅合金粉末の酸素含有量は「ＪＩＳ Ｈ １０６７：銅中の酸素定量方法」に準拠した方法により測定され得る。

銅合金粉末のＣｒ含有量は「ＪＩＳ Ｈ １０７１：銅および銅合金中のクロム定量方法」に準拠したＩＣＰ発光分析法により測定される。Ｃｒ含有量は、少なくとも３回測定される。少なくとも３回の平均値がＣｒ含有量として採用される。Ｃｒ含有量は、１．０１質量％以上であってもよいし、１．０５質量％より多くてもよいし、１．１０質量％以上であってもよいし、１．２０質量％以上であってもよいし、１．２２質量％以上であってもよいし、１．７８質量％以上であってもよい。Ｃｒ含有量は、２．７０質量％以下であってもよいし、２．６０質量％以下であってもよいし、２．３０質量％以下であってもよいし、２．００質量％以下であってもよいし、１．９０質量％以下であってもよいし、１．８０質量％以下であってもよいし、１．７８質量％以下であってもよいし、１．４６質量％以下であってもよい。

銅合金粉末のＣｕ含有量は「ＪＩＳ Ｈ １０５１：銅および銅合金中の銅定量方法」に準拠した方法により測定され得る。Ｃｕ含有量は、少なくとも３回測定される。少なくとも３回の平均値がＣｕ含有量として採用される。Ｃｕ含有量は、たとえば、９７．９質量％より高く９９．０質量％未満であってもよい。

銅合金粉末は、たとえば、１〜２００μｍの平均粒径を有してもよい。「平均粒径」は、レーザ回折散乱法によって測定される体積基準の粒度分布において微粒側から累積５０％の粒径を示す。以下、平均粒径は「ｄ５０」とも記される。ｄ５０は、たとえば、ガスアトマイズ時のガス圧、分級等により調整され得る。ｄ５０は、積層造形物の積層ピッチに応じて調整されてもよい。ｄ５０は、たとえば、５〜５０μｍであってもよいし、５０〜１００μｍであってもよいし、１００〜２００μｍであってもよい。粒子形状は特に限定されるべきではない。粒子は略球状であってもよいし、不規則形状であってもよい。

＜積層造形物の製造方法＞
図１は、本実施形態の積層造形物の製造方法の概略を示すフローチャートである。本実施形態の製造方法は、第１工程（Ｓ１００）および第２工程（Ｓ２００）を含む。本実施形態の製造方法は、第２工程（Ｓ２００）の後に第３工程（Ｓ３００）をさらに含んでもよい。以下、各工程が順を追って説明される。

《第１工程（Ｓ１００）》
第１工程（Ｓ１００）では、前述の銅合金粉末が準備される。

《第２工程（Ｓ２００）》
第２工程（Ｓ２００）では、銅合金粉末により積層造形物が製造される。
ここでは、粉末床溶融結合法が説明される。ただし粉末床溶融結合法以外の付加製造法が使用されてもよい。たとえば、指向性エネルギ堆積法等が使用されてもよい。造形中に切削加工が実施されてもよい。

ここでは、レーザにより銅合金粉末を固化させる態様が説明される。ただしレーザはあくまで一例であり、銅合金粉末が固化する限りは、固化手段はレーザに限定されるべきではない。たとえば、電子ビーム、プラズマ等が使用されてもよい。

（データ処理（Ｓ２０１））
まず３Ｄ−ＣＡＤ等により３次元形状データが作成される。
３次元形状データは、たとえばＳＴＬデータに変換される。図２は、ＳＴＬデータの一例である。ＳＴＬデータでは、たとえば、有限要素法による要素分割（いわゆる「メッシュ化」）が実施され得る。

ＳＴＬデータからスライスデータが作成される。図３は、スライスデータの一例である。ＳＴＬデータはｎ個の層に分割される。すなわちＳＴＬデータは、第１造形層ｐ１、第２造形層ｐ２、・・・、第ｎ造形層ｐｎに分割される。各層の厚さ（スライス厚さｄ）は、たとえば、１０〜１５０μｍでよい。

（粉末層の形成（Ｓ２０２））
銅合金粉末を含む粉末層が形成される。
図４は、積層造形物の製造過程を図解する第１概略図である。レーザ積層造形装置１００は、ピストン１０１、テーブル１０２、およびレーザ出力部１０３を備える。テーブル１０２は、ピストン１０１に支持されている。ピストン１０１は、テーブル１０２を昇降できるように構成されている。テーブル１０２上において、積層造形物が造形される。

粉末層の形成（Ｓ２０２）および後述の造形層の形成（Ｓ２０３）は、たとえば、不活性ガス雰囲気中で実施されてもよい。積層造形物の酸化を抑制するためである。不活性ガスは、たとえば、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）等であってもよい。不活性ガス雰囲気に代えて、還元性ガス雰囲気とされてもよい。還元性ガスは、たとえば、水素（Ｈ_２）等である。さらに不活性ガス雰囲気に代えて、減圧雰囲気とされてもよい。

スライスデータに基づいて、ピストン１０１は、テーブル１０２を１層分だけ降下させる。テーブル１０２上に、１層分の銅合金粉末が敷き詰められる。これにより、銅合金粉末を含む第１粉末層１が形成される。たとえば、スキージングブレード（図示されず）等により、第１粉末層１の表面が平滑化されてもよい。第１粉末層１は、実質的に銅合金粉末のみから形成されてもよい。第１粉末層１は、銅合金粉末の他、レーザ吸収材（たとえば樹脂粉末等）を含んでもよい。

（造形層の形成（Ｓ２０３））
続いて造形層が形成される。
造形層は積層造形物の一部を構成することになる。図５は、積層造形物の製造過程を図解する第２概略図である。レーザ出力部１０３は、スライスデータに基づいて、第１粉末層１の所定位置にレーザ光を照射する。レーザ光の照射の前に、予め第１粉末層１が加熱されていてもよい。レーザ光の照射を受けた銅合金粉末は、溶融または焼結を経て固化する。これにより第１造形層ｐ１が形成される。すなわち、粉末層において所定位置の銅合金粉末が固化することにより、造形層が形成される。

レーザ出力部１０３は、汎用のレーザ装置であり得る。レーザ光の光源は、たとえば、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ、半導体レーザ、グリーンレーザ等であり得る。レーザ光の出力は、たとえば、２０〜１０００Ｗであってもよいし、２００〜５００Ｗであってもよい。レーザ光の走査速度は、たとえば、５０〜２０００ｍｍ／ｓの範囲内で調整され得る。

レーザ光のエネルギ密度は、１０〜２０００Ｊ／ｍｍ^３の範囲内で調整され得る。エネルギ密度は下記式（Ｉ）：
Ｅ＝Ｐ÷（ｖ×ｓ×ｄ）・・・（Ｉ）
によって算出される。式（Ｉ）中、「Ｅ」はレーザ光のエネルギ密度［単位：Ｊ／ｍｍ^３］を示す。「Ｐ」はレーザの出力［単位：Ｗ］を示す。「ｖ」は走査速度［単位：ｍｍ／ｓ］を示す。「ｓ」は走査幅［単位：ｍｍ］を示す。「ｄ」はスライス厚さ［単位：ｍｍ］を示す。

図６は、積層造形物の製造過程を図解する第３概略図である。第１造形層ｐ１が形成された後、ピストン１０１は、テーブル１０２を１層分だけ降下させる。上記と同じ手順により、第２粉末層２が形成され、続いて第２造形層ｐ２が形成される。その後、粉末層の形成（２０２）および造形層の形成（２０３）が順次繰り返され、造形層が積層されることにより、積層造形物が製造される。

図７は、積層造形物の製造過程を図解する第４概略図である。最終的に、第ｎ造形層ｐｎが積層されることにより、積層造形物１０が完成する。本実施形態では、特定組成の銅合金粉末が使用されているため、積層造形物１０は高い相対密度を有することができる。

《第３工程（Ｓ３００）》
本実施形態の製造方法は、積層造形物を熱処理する第３工程（Ｓ３００）をさらに含んでもよい。これにより、積層造形物の機械的強度（たとえば引張強さ、ビッカース硬さ等）、ならびに積層造形物の導電率が飛躍的に向上することが期待される。

本実施形態では、一般的な熱処理炉が使用され得る。熱処理温度は、熱処理炉に付帯する温度センサにより測定される。たとえば、熱処理炉の設定温度が３００℃であれば、積層造形物が３００℃で熱処理されたとみなされる。

積層造形物は、たとえば、１分以上１０時間以下熱処理されてもよいし、１０分以上５時間以下熱処理されてもよいし、３０分以上３時間以下熱処理されてもよいし、１時間以上２時間以下熱処理されてもよい。熱処理の雰囲気は、たとえば、大気、窒素、アルゴン、水素、真空等であり得る。

第３工程では、積層造形物が３００℃以上の温度で熱処理されてもよいし、４００℃以上の温度で熱処理されてもよいし、４５０℃以上の温度で熱処理されてもよい。これにより機械的強度および導電率のいっそうの向上が期待される。

第３工程では、積層造形物が７００℃以下の温度で熱処理されてもよいし、６００℃以下の温度で熱処理されてもよいし、５５０℃以下の温度で熱処理されてもよい。これにより、たとえば、機械的強度と導電率とのバランスが向上することが期待される。積層造形物は、７００℃を超える温度で熱処理されてもよい。ただし、７００℃を超える温度では、機械的強度および導電率の向上効果が小さくなる可能性もある。

＜積層造形物＞
本実施形態の積層造形物は、典型的には上記の製造方法により製造される。
本実施形態の積層造形物は、切削加工では実現できない複雑形状を有し得る。さらに本実施形態の積層造形物は、機械的強度および導電率の両方に優れることができる。本実施形態の積層造形物は、一例としてプラズマトーチになり得る。

（組成）
積層造形物は、銅合金により構成されている。積層造形物は、１．００質量％より多く２．８０質量％以下のＣｒ、および残部のＣｕを含有する。前述の銅合金粉末と同様に、残部は、添加元素および不可避不純物元素の少なくとも一方を含んでいてもよい。積層造形物のＣｒ含有量は、銅合金粉末のＣｒ含有量の測定方法と同様の測定方法により測定される。Ｃｒ含有量は、１．０１質量％以上であってもよいし、１．０５質量％より多くてもよいし、１．１０質量％以上であってもよいし、１．２０質量％以上であってもよいし、１．２２質量％以上であってもよいし、１．７８質量％以上であってもよい。Ｃｒ含有量は、２．７０質量％以下であってもよいし、２．６０質量％以下であってもよいし、２．３０質量％以下であってもよいし、２．００質量％以下であってもよいし、１．９０質量％以下であってもよいし、１．８０質量％以下であってもよいし、１．７８質量％以下であってもよいし、１．４６質量％以下であってもよい。

積層造形物のＣｕ含有量も、銅合金粉末のＣｕ含有量の測定方法と同様の測定方法により測定される。Ｃｕ含有量は、たとえば、９７．９質量％より高く９９．０質量％未満であってもよい。

（相対密度）
積層造形物は、銅合金の理論密度に対して９６％以上１００％以下の相対密度を有する。「相対密度」は、積層造形物の実測密度が理論密度により除されることにより算出される。理論密度は、積層造形物と同じ組成を有する溶製材の密度を示す。実測密度は「ＪＩＳ Ｚ ２５０１：焼結金属材料−密度、含油率および開放気孔率試験方法」に準拠した方法により測定される。液体には水が使用される。相対密度は少なくとも３回測定される。少なくとも３回の平均値が相対密度として採用される。

相対密度が高い積層造形物は、高い気密性を必要とする部品に好適である。また相対密度が高い程、機械的強度も期待できる。相対密度は、９７％以上であってもよいし、９８％以上であってもよいし、９９％以上であってもよいし、９９．２％以上であってもよいし、９９．４％以上であってもよいし、９９．８％以上であってもよい。

（機械的強度）
積層造形物は、優れた機械的強度を有し得る。たとえば、積層造形物は、２５０ＭＰａ以上の引張強さを有し得る。すなわち本実施形態の積層造形物は、無酸素銅（ＵＮＳ番号Ｃ１０２００）と同等以上の引張強さを有し得る。

「引張強さ」は、以下の手順により測定される。
測定には「ＪＩＳ Ｂ ７７２１：引張試験機・圧縮試験機−力計測系の校正方法および検証方法」に規定される等級１級以上の引張試験装置が使用される。図８は、引張試験に使用される試験片の平面図である。図８に示されるダンベル状試験片２０が準備される。ダンベル状試験片２０が引張試験装置のつかみ具に装着される。つかみ具には、ダンベル状試験片２０の形状に適した物が使用される。ダンベル状試験片２０は、その軸方向に引張応力が加わるように装着される。
２ｍｍ／ｍｉｎの速度で、ダンベル状試験片２０が引っ張られる。引張りは、ダンベル状試験片２０が破断するまで継続される。ダンベル状試験片２０が破断するまでに現れる最大引張応力が測定される。
最大引張応力が平行部２１の断面積で除されることにより、引張強さが算出される。平行部２１の断面積は、９．６１６ｍｍ^２（＝π×３．５ｍｍ×３．５ｍｍ÷４）である。引張強さは少なくとも３回測定される。少なくとも３回の平均値が引張強さとして採用される。なおダンベル状試験片２０の各部の寸法は次のとおりとされる。

ダンベル状試験片２０の全長（Ｌ０）：３６ｍｍ
平行部２１の長さ（Ｌ１） ：１８±０．５ｍｍ
平行部２１の直径（Ｄ１） ：３．５±０．０５ｍｍ
肩部２３の半径（Ｒ） ：１０ｍｍ
つかみ部２２の長さ（Ｌ２）：４．０ｍｍ
つかみ部２２の直径（Ｄ２）：６．０ｍｍ

引張強さは、第３工程の熱処理温度により調整され得る。引張強さは、たとえば、３００ＭＰａ以上であってもよいし、４００ＭＰａ以上であってもよいし、６００ＭＰａ以上であってもよいし、７００ＭＰａ以上であってもよい。引張強さは、たとえば、８００ＭＰａ以下であってもよいし、７５０ＭＰａ以下であってもよい。

積層造形物は、９０ＨＶ以上のビッカース硬さを有し得る。「ビッカース硬さ」は「ＪＩＳ Ｚ ２２４４：ビッカース硬さ試験−試験方法」に準拠した方法により測定される。ビッカース硬さも第３工程の熱処理温度により調整され得る。ビッカース硬さは、たとえば、１００ＨＶ以上であってもよいし、１５０ＨＶ以上であってもよいし、２００ＨＶ以上であってもよいし、２５０ＨＶ以上であってもよい。ビッカース硬さは、たとえば、３００ＨＶ以下であってもよい。

（導電率）
積層造形物は、１０％ＩＡＣＳ以上の導電率を有する。「導電率」は、市販の渦流式導電率計によって測定される。導電率は、焼鈍標準軟銅（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ａｎｎｅａｌｅｄ Ｃｏｐｐｅｒ Ｓｔａｎｄａｒｄ，ＩＡＣＳ）の導電率を基準として評価される。すなわち積層造形物の導電率は、ＩＡＣＳの導電率に対する百分率として表される。たとえば、積層造形物の導電率が５０％ＩＡＣＳであることは、積層造形物の導電率がＩＡＣＳの導電率の半分であることを意味する。導電率は少なくとも３回測定される。少なくとも３回の平均値が導電率として採用される。

導電率は、第３工程の熱処理温度により調整され得る。積層造形物は、２０％ＩＡＣＳ以上の導電率を有してもよいし、３０％ＩＡＣＳ以上の導電率を有してもよいし、５０％ＩＡＣＳ以上の導電率を有してもよいし、７０％ＩＡＣＳ以上の導電率を有してもよいし、８０％ＩＡＣＳ以上の導電率を有してもよいし、９０％ＩＡＣＳ以上の導電率を有してもよい。積層造形物は、たとえば、１００％ＩＡＣＳ以下の導電率を有してもよい。

以下、実施例が説明される。ただし以下の例は、本開示の発明の範囲を限定するものではない。

図１に示されるフローチャートに沿って、積層造形物が製造された。
まず、下記表１に示される化学成分を含有する銅合金粉末Ａ１〜Ａ７が準備された（Ｓ１００）。これらの銅合金粉末は所定のアトマイズ法により製造された。比較として純銅粉末Ｘおよび銅合金粉末Ｙも準備された。純銅粉末Ｘは、市販純銅を原料とする粉末である。銅合金粉末Ｙは、市販銅合金（製品名「ＡＭＰＣＯ９４０」）を原料とする粉末である。以下、これらの粉末が「金属粉末」と総称される場合がある。

以下の仕様のレーザ積層造形装置が準備された。
レーザ ：ファイバレーザ、最大出力４００Ｗ
スポット径：０．０５〜０．２０ｍｍ
走査速度 ：〜７０００ｍｍ／ｓ
積層ピッチ：０．０２〜０．０８ｍｍ
造形サイズ：２５０ｍｍ×２５０ｍｍ×２８０ｍｍ

１．純銅粉末Ｘ
３次元形状データが作成された（Ｓ２０１）。（ｉ）金属粉末を含む粉末層を形成すること（Ｓ２０２）、および（ｉｉ）粉末層において所定位置の金属粉末を固化させることにより、造形層を形成すること（Ｓ２０３）が順次繰り返され、造形層が積層された。こうして純銅粉末Ｘにより、Ｎｏ．Ｘ−１〜Ｘ−４０に係る積層造形物が製造された（Ｓ２００）。積層造形物は、直径１４ｍｍ×高さ１５ｍｍの円柱である（特に断りのない限り、以下の積層造形物も同様である）。積層造形物の製造条件は、下記表２および３に示されている。前述の方法に従って、積層造形物の相対密度および導電率が測定された。結果は下記表２および３に示されている。

上記表２および３に示されるように、純銅粉末Ｘにより製造された積層造形物では、製造条件が固定されていても、仕上がり物性が安定せず、大きくばらついている。表２および３の「相対密度」の欄において「測定不可」は、積層造形物が多くの空隙を含むために、信頼性の高い密度が測定できなかったことを示している。純銅は、１００％ＩＡＣＳの導電率を有すると考えてよい。純銅粉末Ｘにより製造された積層造形物は、純銅に比し、導電率が大幅に低下している。純銅粉末Ｘによっては、実用的な機械部品を製造することが困難であると考えられる。

２．銅合金粉末Ｙ（市販銅合金の粉末）
下記表４に示される製造条件により、上記と同様にしてＮｏ．Ｙ−１〜Ｙ−７に係る積層造形物が製造された。積層造形物は、窒素雰囲気中、下記表４の「熱処理温度」の欄に示される温度で３時間熱処理された（Ｓ３００）。「熱処理温度」の欄に「なし」と記された積層造形物は熱処理されていない。前述の方法に従って、積層造形物の相対密度および導電率が測定された。結果は下記表４に示されている。

上記表４に示されるように、銅合金粉末Ｙ（市販銅合金の粉末）により製造された積層造形物の導電率は、市販銅合金の導電率（４５．５％ＩＡＣＳ程度）に比して大幅に低下していた。

３．銅合金粉末Ａ１（Ｃｒ含有量：０．２２質量％）
下記表５に示される製造条件により、上記と同様にしてＮｏ．Ａ１−１〜Ａ１−１４に係る積層造形物が製造された。積層造形物は、窒素雰囲気中、下記表５の「熱処理温度」の欄に示される温度で３時間熱処理された。前述の方法に従って、相対密度、導電率および引張強さが測定された。引張強さは、別途製造されたダンベル状試験片２０（図８を参照）において測定された（以下同様である）。結果は下記表５に示されている。

上記表５に示されるように、銅合金粉末Ａ１により製造された積層造形物では、仕上がり物性のばらつきが抑制されていた。これらの積層造形物は、機械部品として使用できる機械的強度および導電率を有すると考えられる。

４．銅合金粉末Ａ２（Ｃｒ含有量：０．５１質量％）
下記表６に示される製造条件により、上記と同様にしてＮｏ．Ａ２−１〜Ａ２−１２に係る積層造形物が製造された。積層造形物は、窒素雰囲気中、下記表６の「熱処理温度」の欄に示される温度で３時間熱処理された。前述の方法に従って、相対密度、導電率および引張強さが測定された。結果は下記表６に示されている。

上記表６に示されるように、銅合金粉末Ａ２により製造された積層造形物では、仕上がり物性のばらつきが抑制されていた。これらの積層造形物は、機械部品として使用できる機械的強度および導電率を有すると考えられる。

５．銅合金粉末Ａ３（Ｃｒ含有量：０．９４質量％）
下記表７に示される製造条件により、上記と同様にしてＮｏ．Ａ３−１〜Ａ３−７に係る積層造形物が製造された。積層造形物は、窒素雰囲気中、下記表７の「熱処理温度」の欄に示される温度で３時間熱処理された。前述の方法に従って、相対密度、導電率および引張強さが測定された。結果は下記表７に示されている。

上記表７に示されるように、銅合金粉末Ａ３により製造された積層造形物では、仕上がり物性のばらつきが抑制されていた。これらの積層造形物は、機械部品として使用できる機械的強度および導電率を有すると考えられる。

６．熱処理温度の検討
下記表８、９および１０に示される製造条件により、積層造形物が製造された。前述の方法により積層造形物の相対密度が測定された。さらに積層造形物が、窒素雰囲気中、下記表８、９および１０の「熱処理温度」の欄に示される温度で１時間熱処理された。熱処理後、積層造形物の引張強さ、導電率およびビッカース硬さが測定された。なお、ビッカース硬さの測定方法は前述の通りである。結果は下記表８、９および１０に示されている。

上記表８、９および１０に示されるように、銅合金により構成され、かつＣｒ含有量が１．００質量％より多く２．８０質量％以下である積層造形物は、安定して９９％以上１００％以下の相対密度を有していた。さらに積層造形物が３００℃以上の温度で熱処理されることにより、機械的強度および導電率が大幅に向上する傾向が認められる。

以下、図９〜１１により結果が説明される。図９〜１１において、たとえば、凡例の「１．５Ｃｒ」はＣｒ含有量が１．４６質量％であることを示している。便宜上凡例では少数第２位が四捨五入されている。熱処理されていない積層造形物は、２５℃で熱処理されたとみなして、グラフが作成されている。

図９は、第３工程の熱処理温度と導電率との関係を示すグラフである。熱処理温度が３００℃以上の範囲において、積層造形物の導電率が顕著に向上している。熱処理温度が７００℃の場合も、導電率の向上効果が認められる。したがって熱処理温度の上限は７００℃であってもよい。ただし、熱処理温度が７００℃を超える範囲においても、導電率の向上効果は得られると予想される。

図１０は、第３工程の熱処理温度と引張強さとの関係を示すグラフである。図１０に示されるように、熱処理温度が３００℃以上の範囲において、積層造形物の引張強さが顕著に向上している。熱処理温度が４００℃から４５０℃に変更された際の引張強さの向上幅は特に顕著である。引張強さは５００℃付近でピークとなり、その後なだらかに減少している。

図１１は、第３工程の熱処理温度とビッカース硬さとの関係を示すグラフである。ビッカース硬さも、引張強さと同様の傾向を示している。

図９〜１１より、機械的強度と導電率とのバランスの観点から、熱処理温度は３００℃以上７００℃以下であってもよいし、４００℃以上６００℃以下であってもよいし、４５０℃以上５５０℃以下であってもよいし、４５０℃以上５００℃以下であってもよいと考えられる。

今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 第１粉末層、２ 第２粉末層、１０ 積層造形物、２０ ダンベル状試験片、２１
平行部、２２ つかみ部、２３ 肩部、１００ レーザ積層造形装置、１０１ ピストン、１０２ テーブル、１０３ レーザ出力部、ｐ１ 第１造形層、ｐ２ 第２造形層、ｐｎ 第ｎ造形層。

Claims (17)

1. レーザ、電子ビーム、およびプラズマからなる群より選択されるいずれかの手段により積層造形物を製造する際に使用される積層造形用の銅合金粉末であって、
   １．００質量％より多く２．８０質量％以下のクロム、および
   残部の銅
   を含有する
   銅合金粉末。
2. １．０５質量％より多く２．８０質量％以下のクロムを含有する、
   請求項１に記載の銅合金粉末。
3. １．００質量％より多く２．００質量％以下のクロムを含有する、
   請求項１に記載の銅合金粉末。
4. １．０５質量％より多く２．００質量％以下のクロムを含有する、
   請求項３に記載の銅合金粉末。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の前記銅合金粉末を準備する第１工程、および
   前記銅合金粉末により積層造形物を製造する第２工程
   を含み、
   前記積層造形物は、
   前記銅合金粉末を含む粉末層を形成すること、および
   前記粉末層において所定位置の前記銅合金粉末を固化させることにより、造形層を形成すること
   が順次繰り返され、前記造形層が積層されることにより製造される、
   積層造形物の製造方法。
6. 前記積層造形物を熱処理する第３工程
   をさらに含む、
   請求項５に記載の積層造形物の製造方法。
7. 前記第３工程では、前記積層造形物が３００℃以上の温度で熱処理される、
   請求項６に記載の積層造形物の製造方法。
8. 前記第３工程では、前記積層造形物が４００℃以上の温度で熱処理される、
   請求項６または請求項７に記載の積層造形物の製造方法。
9. 前記第３工程では、前記積層造形物が７００℃以下の温度で熱処理される、
   請求項６〜請求項８のいずれか１項に記載の積層造形物の製造方法。
10. 前記第３工程では、前記積層造形物が６００℃以下の温度で熱処理される、
    請求項６〜請求項９のいずれか１項に記載の積層造形物の製造方法。
11. 銅合金により構成されている積層造形物であって、
    １．００質量％より多く２．８０質量％以下のクロム、および残部の銅を含有し、
    前記銅合金の理論密度に対して９６％以上１００％以下の相対密度を有し、かつ
    １０％ＩＡＣＳ以上の導電率を有する、
    積層造形物。
12. １．０５質量％より多く２．８０質量％以下のクロムを含有する、
    請求項１１に記載の積層造形物。
13. １．００質量％より多く２．００質量％以下のクロムを含有する、
    請求項１１に記載の積層造形物。
14. １．０５質量％より多く２．００質量％以下のクロムを含有する、
    請求項１３に記載の積層造形物。
15. ３０％ＩＡＣＳ以上の導電率を有する、
    請求項１１〜請求項１４のいずれか１項に記載の積層造形物。
16. ５０％ＩＡＣＳ以上の導電率を有する、
    請求項１１〜請求項１５のいずれか１項に記載の積層造形物。
17. ７０％ＩＡＣＳ以上の導電率を有する、
    請求項１１〜請求項１６のいずれか１項に記載の積層造形物。

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