JP7108014B2 - Fe基合金粉末 - Google Patents
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Description
パウダーベッド方式では、レーザービームまたは電子ビームの照射によって、敷き詰められた粉末のうち照射された部位が溶融し凝固する。この溶融と凝固により、粉末粒子同士が結合する。照射は、金属粉末の一部に選択的になされ、照射がなされなかった部分は、溶融せず、照射がなされた部分のみにおいて、結合層が形成される。
もっとも、この提案の金型用鋼は、金属積層造形法によって製造されることを予定したものではなく、従来の鍛造法によって製造されることを予定している材料である。鍛造法による従来製法の金型であるため、疲労破壊の起点となる粗大な炭化物が発生しやすいという問題があり、金属積層造形法に用いるためには十分とは言い難かった。
そこで、熱伝導率を高めるためには合金元素をできるだけ減らすことが求められるが、金型用鋼として求められる硬さの特性も確保する必要がある。
質量%で、0.40<C<0.70、Si<0.60、Mn<0.90、Cr<4.00、0.90<Mo<1.20、W<2.00、V<0.60、Al<0.10を含有し、
残部をFeおよび不可避的不純物からなり、
かつ、式(1)および式(2)を満足するものであって、
平均粒子径D50が200μm以下のFe基合金粉末。
K1=9.2C+3.7Si+18.1Mo+0.8W>21.7・・・式(1)
K2=70.2-22.1C-1.6Si-5.4Mn-5.8Cr-5.2Ni-5.3Mo-1.0W-2.5V-0.3Al>29.0・・・式(2)
ただし、式(1)式(2)の元素記号には、当該元素の質量%での成分値を代入する。
なお、この粉末の成分は、質量%で、0.40<C<0.70、Si<0.60、Mn<0.90、Cr<4.00、0.90<Mo<1.20、W<2.00、V<0.60、Al<0.10を必須成分として含有し、残部をFeおよび不可避的不純物からなっている。また、以下の化学成分の%は質量%である。
Cは、固溶することでマトリックスを強化し、さらに、炭化物を形成し、析出効果を促進する元素である。従来の鍛造法による金型鋼の場合、炭素量を増やすことでミクロ偏析を助長するという問題があるが、積層造形では急冷により微細な炭化物が得られるため、鍛造材に比べて炭素をより多く含有させて硬さ向上を図ることができる。Cを0.40%を上回ることで十分な焼入焼戻し硬さを得ることができる。一方、Cが0.70%以上となるとミクロ偏析を助長し、靱性を低下させる。さらに、固溶C量が増加して鋼の熱伝導率を低下する。そこで、Cは0.40%超~0.70%未満とする。望ましくは、Cは0.40%超~0.60%未満とする。
Siは、マトリックスに固溶することで、硬さを向上させる元素である。また、軟化抵抗を向上させる効果がある。ところで、Siが0.60%以上になると、炭化物を形成することなくマトリックスに溶け込むため、熱伝導率を大きく低下させる。そこで、Siは0.60%未満とする。望ましくは、Siは0.30%以下とする。
Mnは、焼入性を向上させ、ベイナイト形成による靱性の低下を抑制する元素である。また、軟化抵抗を向上させる効果がある。ところで、Mnが0.90%以上だと、マトリックスに固溶して熱伝導率を低下させる。そこで、Mnは0.90%未満とする。望ましくは、Mnは0.80%未満とする。
Crは、焼入性を向上させ、ベイナイト形成による靱性の低下を抑制する元素である。また、軟化抵抗を向上させる効果がある。ところで、Crが4.00%以上であると、マトリックスに固溶して熱伝導率を低下させる。そこで、Crは4.00%未満とする。望ましくは、Crは2.00%未満とする。
Niは、焼入性を向上させ、ベイナイト形成による靱性の低下を抑制する元素である。
ところで、Niは炭化物を形成せずにマトリックスに固溶し、熱伝導率を低下させる。Niが2.00%以上であると、熱伝導率は大きく低下する。そこで、Niは2.00%未満とする。望ましくはNiは1.50%未満とする。
Moは、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高める元素である。Moは添加による熱伝導率低下の寄与が少なく、硬さ向上の効果が大きいので、Moを0.90%を上回るものとする。もっとも、Moが1.20%以上となると、マトリックスに残存するMoが増加し、熱伝導率が低下する。そこで、Moは0.90%超~1.20%未満とする。
Wは、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高める元素である。もっとも、Wが2.00%以上となると、マトリックスに残存するWが増加し、熱伝導率が低下する。そこで、Wは2.00%未満とする。
Vは、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高める元素である。ところでVが0.60%以上であると、マトリックスに残存するVが増加し、熱伝導率が低下する。そこで、Vは0.60%未満とする。望ましくはVは0.25~0.45%とする。
Alは、窒化物を形成し焼入れにおける結晶粒の粗大化を抑制する元素である。ところで、Alは0.10%以上添加すると、過剰のAl窒化物の形成により、靱性が低下する。そこで、Alは0.10%未満とする。
式(1)のK1の値は、焼入れ焼戻し硬さの指標である。K1が大きいほど焼戻し硬さが大きくなる。K1を向上させるには、C、Si、Mo、Wといった元素の添加が効果的であり、とりわけC、Moの添加が効果的である。そこで、K1の値を21.7より大きくなる成分組成とすることで、粉末を用いて作製した造形物は、その焼入れ焼戻し硬さが48.0HRC以上といった優れた硬さを得られることになる。
式(2)のK2の値は、熱伝導率の指標である。K2が29.0未満であるとマトリックスに残存する合金元素の量が増加し、熱伝導率を低下させることとなる。
なお、式の元素記号には、当該成分の質量%の値を代入する。
パウダーベッド方式で積層造形する際に順次粉体をスムーズに敷き詰めるには、粉体の流動性が求められている。そこで造形物の製造容易の観点から、本発明の粉末の平均粒子径D50は200μm以下とする。より好ましくは、平均粒子径D50は10μm以上100μm以下である。さらに好ましくは、平均粒子径D50は20μm以上60μm以下である。
本発明のFe基合金粉末で作製された造形物の熱伝導率は、この造形物をホットスタンピングやダイカスト用の熱間金型向けに用いる際には、冷却効率に大きく関わるので、生産サイクルスピードに関係する値となる。冷却効率の向上のためには、造形物の室温での熱伝導率が34.0W/m・K以上であり、より好ましくは熱伝導率は40.0W/m・K以上である。
焼入れ焼戻し状態での硬さは、本発明のFe基合金粉末で作製された造形物をホットスタンピングやダイカスト用の熱間金型向けに用いる際に、十分な寿命を得るために必要な値である。そこで、焼入れ焼戻しされた状態の造形物の硬さが48.0HRC以上である。より好ましくは、焼入れ焼戻しされた状態の造形物の硬さが50.0HRC以上である。
表1に記載の実施例1~25、表2に記載の比較例1~12の化学成分からなる原料を、ガスアトマイズすることでFe基合金粉末とした。各原料は、真空中にて、アルミナ製の坩堝内で高周波誘導加熱で加熱し、溶融合金とした後、坩堝の底に設けられている直径5mmのノズルから溶融合金を落下させ、この溶湯に高圧のアルゴンガスを噴射し、この噴射により溶融金属が微細化しかつ急冷されて、多数の微細粉末を得た。得られた粉末は、各粒子の径が63μm以下となるように分級し、実施例1~25及び各比較例1~12のFe基合金粉末を得た。
本発明のFe基合金粉末を用いると、種々の造形物を製造しうる。この造形物の製造方法は、
(1)金属粉末を準備する工程、及び
(2)この金属粉末を溶融・凝固し、未熱処理の造形物を得る工程を含む。
金属粉末を溶融・凝固する工程として、急速溶融急冷凝固プロセスが挙げられる。このプロセスの具体例として、三次元積層造形法、溶射法、レーザーコーティング法及び肉盛法が挙げられる。本発明のFe基合金粉末は、パウダーベッド方式の三次元積層造形法に好適に用いることができる。そこで、以下の実施例ではパウダーベッド方式を例に説明する。
得られた造形物の各試験片に対して、以下の工程の熱処理を施した。
焼入れ:1030℃で30分間保持した後に、油冷し、
焼戻し:「600℃で60分間保持した後に空冷」の処理を2回繰り返した。
熱伝導率の測定には、レーザーフラッシュ法を用い、焼入焼戻し状態の試料を直径10mmで厚さ1mmの円板形状に仕上げ加工し、試験に供した。結果を表1、表2に示す。
焼入焼戻し硬さは、ロックウェル硬さ試験機で、焼入焼戻し状態の試料の積層方向に垂直な面の硬さを測定した。結果を表1、表2に示す。
焼入焼戻し状態の試料に対して、600℃で100時間保持した後に、上記と同様の方法で硬さを測定した。結果を表1、表2に示す。
Claims (1)
- 質量%で、0.40<C<0.70、Si<0.60、Mn<0.90、Cr<4.00、Ni<2.00、0.90<Mo<1.20、W<2.00、V<0.60、0.01≦Al<0.10を含有し、
残部をFeおよび不可避的不純物からなり、
かつ、式(1)および式(2)を満足するものであって、
平均粒子径D50が200μm以下であるFe基合金粉末。
K1=9.2C+3.7Si+18.1Mo+0.8W>21.7・・・式(1)
K2=70.2-22.1C-1.6Si-5.4Mn-5.8Cr-5.2Ni-5.3Mo-1.0W-2.5V-0.3Al>29.0・・・式(2)
ただし、式(1)式(2)の元素記号には、当該元素の質量%での成分値を代入する。
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