JP7036413B2

JP7036413B2 - 電子ビーム積層造形用Ｃｏ基合金粉末

Info

Publication number: JP7036413B2
Application number: JP2017130663A
Authority: JP
Inventors: 晶彦千葉; 信之佐々木
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2017-07-03
Filing date: 2017-07-03
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2037-07-03
Also published as: JP2019014920A

Description

本発明は、ＣＡＤの３次元データを利用した、高エネルギー電子ビームを使用して金属粉末の急速加熱溶解・凝固による積層造形法（以降、「ＥＢＭ法」と記載する）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基合金の粉末の組成に関し、特に、高硬度で靭性に優れる電子ビーム積層造形用Ｃｏ基合金粉末に関するものである。

Ｃｏ－Ｃｒ－Ｍｏ基合金等の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基合金を、機械的強度が必要な工業製品として使用する用途はなかった。

Ｃｏ基合金の機械的強度改善方法として、窒素を０．３質量％添加して熱間加工することで、微細窒化物の析出効果で硬度を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。また、溶解法でＣｏ－Ｃｒ－Ｍｏ基合金等のＣｏ基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、機械加工性の点で炭素添加量０．３質量％が限界である（例えば、特許文献１参照）。また、ＥＢＭ法を用いて、Ｃｏ基合金において炭素を０．５～５．０ｗｔ％の範囲で添加することにより、ロックウェル硬度（ＨＲＣ）が５０以上の値を得ている。しかし、炭素量を増加してもロックウェル硬度（ＨＲＣ）は６５が限界であった（例えば、特許文献２参照）。

また、レーザービーム積層造形法によって、Ｃｒ：３０ｗｔ％超、３６ｗｔ％以下、Ｍｏ：５～８ｗｔ％、及び、Ｎ：０．２０～０．６５ｗｔ％を含有した生体用Ｃｏ基合金において、０．２％耐力が７００ＭＰａ以上であり、引張強さが９８０ＭＰａ以等の機械的特性に優れるものが得られる。しかし、本製造方法で作製されたＣｏ合金の組織は、通常、デンドライト組織であり、該組織が異方性を有する影響で、前記Ｃｏ基合金は、積層方向と対向する方向によってその機械的特性が異なるという課題がある（例えば、特許文献３参照）。

特許第５２８３１３６号公報特開２０１５－１５１６１０号公報国際公開ＷＯ２０１３／０５８３３９号

Ｃｏ基合金粉末を原料としたＥＢＭ法によれば、耐食性、耐摩耗性が優れた、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、従来のＣｏ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合金の耐食性と耐摩耗性とを維持したまま、硬度が極めて大きく、鉄鋼材料並みの靭性が得られる電子ビーム積層造形用Ｃｏ基合金粉末を提供することを目的とする。

第１の本発明に係る電子ビーム積層造形用Ｃｏ基合金粉末は、Ｃ：３質量％と、Ｃｒ：２６～３５質量％とを含み、Ｍｏ：１２～１６質量％と、Ｗ：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。Ｍｏが１６質量％、または、Ｗが２２質量％を越えると、造形体の靭性が極端に劣化し、一般工業製品として使用できない。

第２の本発明に係る電子ビーム積層造形用Ｃｏ基合金粉末は、Ｃ：３質量％と、Ｃｒ：２６～３５質量％とを含み、Ｍｏ：０～１２質量％と、Ｗ：６～２２質量％とを含み、残部がＣｏおよび不可避不純物から成り、前記Ｍｏと前記Ｗとを合わせた含有量が１８～２２質量％であることを特徴とする。

また、本発明によれば、粒子径が、１μｍ以上、２００μｍ以下であることを特徴とする電子ビーム積層造形用Ｃｏ基合金粉末が得られる。

更に、本発明によれば、本発明に係る電子ビーム積層造形用Ｃｏ基合金粉末をＥＢＭ処理して得られる造形体であって、２μｍ以下の炭化物が均一に分散しており、ロックウェル硬度値（ＨＲＣ）が６５以上で、シャルピー値が８Ｊ／ｃｍ^２以上であることを特徴とする造形体が得られる。

本発明により、Ｃｏ基合金の耐食性と耐摩耗性とを維持したまま、硬度が大きく、靭性を有する積層造形体が得られ、耐食性、耐摩耗性、靭性を有し、高硬度の一般工業用製品が得られるという効果がある。尚、本発明は、電子ビームを使用した金属粉末の急速溶解と急速凝固による造形技術に関するが、電子ビームに変わってレーザービームを用いた金属粉末の急速溶解と急速凝固による積層造形技術でも同様の効果が得られることは、明白である。

本発明の実施の形態の、Ｃ：３質量％、Ｃｒ：２７質量％、Ｍｏ：１２質量％、Ｗ：６質量％、Ｃｏ：ＢａｌのＥＢＭ造形体の結晶組織の走査型電子顕微鏡写真である。Ｃ：３質量％、Ｃｒ：２７質量％、Ｍｏ：１２質量％、Ｗ：６質量％、Ｃｏ：Ｂａｌの鋳造体の結晶組織の走査型電子顕微鏡写真である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
Ｃｒ：２７～３７質量％、Ｍｏ：０～１４質量％、Ｗ：０～２２質量％を含むＣｏ基合金組成物に、炭素をそれぞれ２．５質量％から４．５質量％を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、各種合金粉末を作製した。これらの合金粉末は、アトマイズ条件と、メッシュ篩とを調整することで、粒径を１μｍから２００μｍとした。また、真空溶解した際に、溶湯の一部を金型に鋳込み、ロックウェル硬度（ＨＲＣ）測定用の直径１４ｍｍの円盤状の鋳造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ＥＢＭ法を実施した。使用した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～１００μｍ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をスキャンした。また、造形完了後、アルゴンガス雰囲気中で冷却した。造形体の形状は、直径１４ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円盤である。

直径１４ｍｍの円盤状の鋳造インゴット、およびＥＢＭ法により作成した直径１４ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円盤について、表面を研磨して、ロックウェル硬度（ＨＲＣ）を測定した。また、作製した合金粉末を使用して、真空チャンバー内でＥＢＭ法を実施し、シャルピー試験用の１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍの造形体を作製し、表面研磨後、長さ方向の中心に沿って深さ５ｍｍの溝を加工し、シャルピー衝撃値を測定した。それぞれの測定結果を、表１に示す。表中の各成分の単位は、質量％である。また、靭性は、シャルピー衝撃値であり、ＥＢＭ法で作製された造形体の結果のみを示す。なお、鋳造インゴットについては、シャルピー試験に供する強度を有する試料が得られなかったため、靭性の欄には「－」と記載している。

表１中、Ｎｏ．４と５、Ｎｏ．６と７、Ｎｏ．９と１０は、化学組成が同一であり、鋳造とＥＢＭのプロセスの違いが、硬度には影響を与えていないが、シャルピー衝撃試験値の靭性に影響を与えていることは明らかである。鋳造に比較して、ＥＢＭ法では造形体の加熱と冷却の速度が速いことが、シャルピー衝撃試験値が大きいことの原因と考えられる。

図１および図２に、表１中のＮｏ．１０およびＮｏ．９の結晶組織の走査型電子顕微鏡写真をそれぞれ示す。図１と図２とを比較すると、図１のＥＢＭ造形体の組織において、２μｍ以下の微細な炭化物がネットワーク状に均一に分散していることが判る。

本発明を使用して得られる工業製品は、Ｃｏ基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と靭性とが得られるので、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や摺動部品の公共製品として利用することが可能である。

Claims

Ｃ：３質量％と、Ｃｒ：２６～３５質量％とを含み、Ｍｏ：１２～１６質量％と、Ｗ：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電子ビーム積層造形用Ｃｏ基合金粉末。
Ｃ：３質量％と、Ｃｒ：２６～３５質量％とを含み、Ｍｏ：０～１２質量％と、Ｗ：６～２２質量％とを含み、残部がＣｏおよび不可避不純物から成り、前記Ｍｏと前記Ｗとを合わせた含有量が１８～２２質量％であることを特徴とする電子ビーム積層造形用Ｃｏ基合金粉末。
粒子径が、１μｍ以上、２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の電子ビーム積層造形用Ｃｏ基合金粉末。