JP7336944B2 - Molded object manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、造形物の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a modeled object.

付加製造(Additive manufacturing)技術では、材料を付着することによって3次元形状の数値表現(典型的には3DCADデータ)をもとに物体を作製する。典型的には、粉末材料(Additive Manufacturing materials)を造形すべき造形物の断面に対応する形状の薄層として接合または焼結し、この薄層を順次積み重ねていくことで、目的の3次元形状を造形する。この付加製造においては、近年では、WC基などの超硬粉末材料を用い、成形型を必要とせずに超硬部材を直接造形する、積層造形技術の向上が求められている(例えば、特許文献1~4参照)。 Additive manufacturing techniques create objects based on numerical representations of three-dimensional shapes (typically 3D CAD data) by depositing materials. Typically, powder materials (additive manufacturing materials) are bonded or sintered as thin layers having a shape corresponding to the cross section of the object to be shaped, and the thin layers are sequentially stacked to obtain the desired three-dimensional shape. to shape. In this additive manufacturing, in recent years, there has been a demand for improvement in the additive manufacturing technology, which uses a cemented carbide powder material such as a WC base and directly forms a cemented carbide member without the need for a mold (for example, Patent Document 1-4).

国際公開第2015/194678号WO2015/194678 特開2017-113952号公報JP 2017-113952 A 特開2017-114716号公報JP 2017-114716 A 特開2017-115194号公報JP 2017-115194 A

積層造形法において、緻密で硬度が高い造形物を製造する技術が望まれている。 In the layered manufacturing method, there is a demand for a technique for manufacturing a dense and hard modeled object.

ここで、本発明者らは、レーザ光又は電子ビームを照射して3次元形状の造形物を製造する積層造形法について、積層造形用の粉末材料の成分及び造形プロセスと、造形物の物性との関係について検討を行った。その結果、積層造形用の粉末材料の成分及び造形プロセスを特定の条件に規定することで、緻密で硬度が高い造形物を製造することができる、ということを見出した。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、緻密で硬度が高い3次元形状の造形物を製造することが可能な造形物の製造方法を提供することを目的とする。
Here, the present inventors describe the additive manufacturing method for producing a three-dimensional modeled object by irradiating a laser beam or an electron beam, the composition and modeling process of the powder material for additive manufacturing, and the physical properties of the modeled product. We examined the relationship between As a result, the present inventors have found that by specifying the components of the powder material for lamination molding and the molding process under specific conditions, it is possible to manufacture a dense and highly rigid molded object.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a three-dimensional shaped object that is dense and has high hardness.

本発明の一態様に係る造形物の製造方法は、タングステン炭化物及びコバルトを含む積層造形用の粉末材料を用いて、レーザ光又は電子ビームを照射して3次元形状の造形物を形成する工程と、前記造形物に減圧雰囲気中で熱処理を施す工程と、前記熱処理が施された前記造形物に熱間等方圧加圧加工を施す工程と、を含む。
本発明の一態様に係る造形物は、レーザ光又は電子ビームを照射して3次元形状の造形物を製造するために用いられる、積層造形用の粉末材料であって、タングステン炭化物と、コバルトと、チタン炭化物と、を含み、チタン炭化物の含有量は、1質量%以上20質量%以下である。
A method for manufacturing a model according to an aspect of the present invention includes a step of forming a three-dimensional model by irradiating a laser beam or an electron beam using a powder material for layered manufacturing containing tungsten carbide and cobalt. , heat-treating the shaped object in a reduced-pressure atmosphere; and subjecting the heat-treated shaped object to hot isostatic pressing.
A modeled object according to one aspect of the present invention is a powder material for additive manufacturing, which is used for producing a three-dimensional modeled object by irradiating it with a laser beam or an electron beam, and comprises tungsten carbide and cobalt. , titanium carbide, and the content of titanium carbide is 1% by mass or more and 20% by mass or less.

本発明によれば、緻密で硬度が高い3次元形状の造形物を造形することが可能な造形物の製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the molded object which can shape a three-dimensional-shaped molded object densely and with high hardness can be provided.

図1は、本発明の実施形態に係る造形物の製造方法を実行するための、積層造形装置の構成例を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of a layered modeling apparatus for executing a method for manufacturing a modeled article according to an embodiment of the present invention. 図2は、熱処理後の3次元造形物(比較例2)の断面を拡大して示すSEM画像である。FIG. 2 is an SEM image showing an enlarged cross section of the three-dimensional structure (Comparative Example 2) after heat treatment. 図3は、HIP後の3次元造形物(実施例1)の断面を拡大して示すSEM画像である。FIG. 3 is an SEM image showing an enlarged cross section of the three-dimensional structure (Example 1) after HIP. 図4は、HIP後の3次元造形物(実施例2)の断面を拡大して示すSEM画像である。FIG. 4 is an SEM image showing an enlarged cross section of the three-dimensional structure (Example 2) after HIP.

<定義>
本明細書において、「粉末材料」とは、積層造形に用いる粉末状の材料を指す。粉末材料は、造形用材料と呼んでもよい。粉末材料は、典型的には、後述の2次粒子が集合して構成されるが、後述の1次粒子の混入が許容されることは言うまでもない。本明細書において、「1次粒子」とは、上記粉末材料を構成している形態的な構成要素のうち、外観から粒子状物として識別できる最小単位を意味する。特に、後述の2次粒子を構成する1粒子(1つの粒子状物)を指す。
<Definition>
As used herein, the term “powder material” refers to a powdered material used for additive manufacturing. A powder material may be referred to as a building material. The powder material is typically composed of an aggregate of secondary particles, which will be described later, but needless to say, primary particles, which will be described later, are allowed to mix. As used herein, the term “primary particles” means the smallest unit that can be identified as a particulate matter from its appearance, among the morphological constituent elements that constitute the powder material. In particular, it refers to one particle (one particulate matter) that constitutes a secondary particle to be described later.

本明細書において、「2次粒子」とは、1次粒子が3次元的に結合され、一体となって一つの粒のように振る舞う粒子状物(粒子の形態をなしたもの)をいう。なお、ここでいう「結合」とは、直接的または間接的に、2つ以上の1次粒子が結びつくことを指し、例えば、化学反応による1次粒子同士の結合、単純吸着によって1次粒子同士が引き合う結合、静電気により引き合う効果を利用した1次粒子同士の結合、1次粒子の表面が溶融して一体化した結合等が含まれる。 As used herein, the term “secondary particles” refers to particulate matter (particles in the form of particles) in which primary particles are three-dimensionally combined and act like one grain. The term “bonding” as used herein refers to the direct or indirect bonding of two or more primary particles. It includes bonding where particles are attracted to each other, bonding between primary particles utilizing the effect of electrostatic attraction, and bonding where the surfaces of primary particles are melted and integrated.

本明細書において、「原料粒子」とは、粉末材料を形成するための原料粉末を構成する粒子をいう。原料粒子を適切な方法で3次元的に結合させることで、2次粒子を製造することができる。また、このように製造された2次粒子を構成している粒子を1次粒子という。この1次粒子は、原料粒子とほぼ同一の形態であってもよいし、2つ以上の原料粒子が反応したり形態的に区別できない程度に一体化する等して原料粒子とは異なる形態であってもよい。また、1次粒子は、原料粒子と同一の組成であってもよいし、2種以上の原料粒子が反応するなどして原料粒子とは異なる組成となっていてもよい。 As used herein, the term "raw material particles" refers to particles that constitute a raw material powder for forming a powder material. Secondary particles can be produced by three-dimensionally bonding raw material particles by an appropriate method. Particles constituting the secondary particles thus produced are called primary particles. The primary particles may have substantially the same form as the raw material particles, or may have a form different from the raw material particles such that two or more raw material particles react or integrate to such an extent that they cannot be morphologically distinguished. There may be. Further, the primary particles may have the same composition as the raw material particles, or may have a composition different from that of the raw material particles by, for example, reacting two or more kinds of raw material particles.

本明細書において、「積層造形」とは、付加製造技術において粉末材料を用いる各種の造形方法を広く包含する。積層造形は、粉末積層造形と呼んでもよい。積層造形において粉末材料を結合させる方法としては、例えば、レーザ粉体肉盛り法(レーザメタルデポジション法;LMD)、選択的レーザ溶融法(セレク卜レーザメルティング法;SLM)、電子ビーム溶融法(エレク卜口ンビームメルティング法;EBM)等のビーム照射方式が挙げられる。
本明細書において、範囲を示す「X~Y」は「X以上Y以下」を意味する。
なお、本発明は、以下の実施形態のみには限定されない。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
As used herein, "additive manufacturing" broadly encompasses various manufacturing methods that use powder materials in additive manufacturing techniques. Additive manufacturing may also be referred to as powder additive manufacturing. Examples of methods for bonding powder materials in layered manufacturing include a laser powder build-up method (laser metal deposition method; LMD), a selective laser melting method (selective laser melting method; SLM), and an electron beam melting method. (Electronic Beam Melting Method; EBM) and other beam irradiation methods.
In this specification, "X to Y" indicating a range means "X or more and Y or less".
In addition, the present invention is not limited only to the following embodiments. Also, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may differ from the actual ratios.

<粉末材料>
(組成)
本発明の実施形態(以下、本実施形態という)に係る粉末材料は、原料粒子として、
(1)コバルト(Co)と、
(2)チタン炭化物(TiC)と、
(3)タングステン炭化物(WC)と、
を含む。
上記(1)~(3)の各原料粒子は、焼結により結合されて造粒焼結粉を構成している。本実施形態に係る粉末材料は、上記(1)~(3)の各原料粒子を1次粒子とし、造粒焼結粉が2次粒子の体をなしているとも理解することができる。なお、上記(1)~(3)の各原料粒子は、概ね均一に混合、分散された状態で2次粒子を構成している。このような粉末材料において、上記(1)~(3)の各原料粒子が1次粒子の形態で含まれることが許容(例えば、10質量%以下)されるのは言うまでもない。
<Powder material>
(composition)
The powder material according to the embodiment of the present invention (hereinafter referred to as the present embodiment) has, as raw material particles,
(1) cobalt (Co);
(2) titanium carbide (TiC);
(3) tungsten carbide (WC);
including.
The raw material particles (1) to (3) above are combined by sintering to form a granulated sintered powder. It can also be understood that the powder material according to the present embodiment has the raw material particles of (1) to (3) as primary particles, and the granulated sintered powder forms the body of secondary particles. The raw material particles of (1) to (3) constitute the secondary particles in a generally uniformly mixed and dispersed state. Needless to say, in such a powder material, it is permissible (for example, 10% by mass or less) to contain the raw material particles of the above (1) to (3) in the form of primary particles.

本実施形態に係る粉末材料において、コバルトの含有量は、例えば5質量%以上であることが好ましく、10質量%以上であることがより好ましく、15質量%以上であることがさらに好ましい。また、本実施形態に係る粉末材料において、コバルトの含有量は、例えば50質量%以下であることが好ましく、35質量%以下であることがより好ましく、25質量%以下であることがさらに好ましい。コバルトの含有量が上記の数値範囲内にあれば、レーザ光又は電子ビームを用いて積層造形を行う際にWCとCoとが結合して、WC-Co系の超硬合金を形成することができる。 In the powder material according to the present embodiment, the cobalt content is, for example, preferably 5% by mass or more, more preferably 10% by mass or more, and even more preferably 15% by mass or more. In addition, in the powder material according to the present embodiment, the content of cobalt is, for example, preferably 50% by mass or less, more preferably 35% by mass or less, and even more preferably 25% by mass or less. If the cobalt content is within the above numerical range, WC and Co can be combined to form a WC—Co-based cemented carbide when lamination molding is performed using a laser beam or an electron beam. can.

本実施形態に係る粉末材料において、チタン炭化物の含有量は、例えば1質量%以上であることが好ましく、5質量%以上であることがより好ましく、10質量%以上であることがさらに好ましい。また、本実施形態に係る粉末材料において、チタン炭化物の含有量は、例えば30質量%以下であることが好ましく、25質量%以下であることがより好ましく、20質量%以下であることがさらに好ましい。 In the powder material according to the present embodiment, the content of titanium carbide is, for example, preferably 1% by mass or more, more preferably 5% by mass or more, and even more preferably 10% by mass or more. In addition, in the powder material according to the present embodiment, the content of titanium carbide is, for example, preferably 30% by mass or less, more preferably 25% by mass or less, and even more preferably 20% by mass or less. .

チタン炭化物の含有量が上記の数値範囲内にあれば、レーザ光又は電子ビームを用いて積層造形を行う際に、チタン炭化物からタングステン炭化物(WC)に炭素(C)が供給される。レーザ光又は電子ビームを用いた積層造形では、通常の粉末冶金と比べて、粉末材料が短時間のうちに高温に熱せられるため、タングステン炭化物(WC)のCが揮発しやすく、WCはCが不足した状態(すなわち、Wリッチな状態)になり易い。しかし、この揮発したCを補うように、チタン炭化物がタングステン炭化物にCを供給する。これにより、WC-Co系の超硬合金においてη相(脆弱相)の形成を抑制することができる。 If the content of titanium carbide is within the above numerical range, carbon (C) is supplied from titanium carbide to tungsten carbide (WC) when lamination manufacturing is performed using a laser beam or an electron beam. In additive manufacturing using a laser beam or an electron beam, the powder material is heated to a high temperature in a short time compared to ordinary powder metallurgy. Insufficient state (that is, W-rich state) is likely to occur. However, titanium carbide supplies C to tungsten carbide so as to compensate for this volatilized C. As a result, formation of η phase (brittle phase) can be suppressed in the WC—Co based cemented carbide.

また、粉末材料に含まれるチタン炭化物は、タングステン炭化物と反応してタングステンチタン炭化物(WTiC)となる。造形後のWC-Co系の超硬合金にTiCは残存しない(または、残存してもその量は僅かである。)。WC-Co系の超硬合金は、WTiCを含むことによって、その硬度をさらに高くすることができる。 Further, titanium carbide contained in the powder material reacts with tungsten carbide to become tungsten titanium carbide (WTiC). TiC does not remain in the WC—Co based cemented carbide after molding (or, if it does, the amount is very small). A WC—Co based cemented carbide can further increase its hardness by containing WTiC.

本実施形態に係る粉末材料において、タングステン炭化物の含有量は、例えば75質量%以上であることが好ましく、85質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることがさらに好ましい。また、本実施形態に係る粉末材料において、タングステン炭化物の含有量は、例えば94質量%以下であることがさらに好ましい。タングステン炭化物の含有量が上記の数値範囲内にあれば、レーザ光又は電子ビームを用いて積層造形を行う際にWCとCoとが結合して、WC-Co系の超硬合金を形成することができる。 In the powder material according to the present embodiment, the content of tungsten carbide is, for example, preferably 75% by mass or more, more preferably 85% by mass or more, and even more preferably 90% by mass or more. Moreover, in the powder material according to the present embodiment, it is more preferable that the content of tungsten carbide is, for example, 94% by mass or less. If the content of tungsten carbide is within the above numerical range, WC and Co combine to form a WC—Co-based cemented carbide when lamination molding is performed using a laser beam or an electron beam. can be done.

(造粒焼結粉)
本実施形態に係る粉末材料は、上記のとおり2次粒子の形態を有する造粒焼結粉の集合として構成されてもよい。「造粒焼結粉」とは、1次粒子が焼結され、一体となって一つの粒のように振る舞う粒子状物(粒子の体をなしたもの)をいう。「焼結」とは、1次粒子同士が直接的に結合した状態をいう。したがって、焼結は、固相焼結及び液相焼結のいずれであってもよい。また、本明細書でいう焼結は、いわゆる融着、溶融結合を含み得る。
(granulated sintered powder)
The powder material according to the present embodiment may be configured as an aggregate of granulated sintered powder having the form of secondary particles as described above. The term “granulated sintered powder” refers to a particulate matter (particle body) in which primary particles are sintered and act like a single grain. “Sintered” refers to a state in which primary particles are directly bonded to each other. Therefore, sintering may be either solid phase sintering or liquid phase sintering. Also, sintering as used herein may include so-called fusion bonding and fusion bonding.

本実施形態に係る粉末材料は、例えば、顆粒粒子、コア粒子の周りに微粒子が結合されてなる微粒子被覆粒子等の形態を有する2次粒子(粒子集合体)において、個々の1次粒子が焼結により強固に一体化されることにより実現されてもよい。積層造形におけるエネルギー源としては、レーザ光、電子ビーム、アーク等が用いられる。レーザ光又は電子ビーム等が粉末材料に照射されると、高いエネルギーが解放されて粉末材料に衝撃が生じ得る。この衝撃により、単なる顆粒粒子は崩壊したり、1次粒子が飛散したりするおそれがある。この事態の発生を避けるため、顆粒粒子は焼結により個々の1次粒子が結合された、いわゆる造粒焼結粉として構成される。この造粒焼結粉は、エネルギー源としてより強度の高いレーザ光等を照射された場合であっても、粉末材料の崩壊及び飛散等が生じ難いために好ましい。このことは、造形物の造形精度及び品質を損なうことなく、造形速度の高速化に繋がり得る(例えば、レーザ走査速度を速め得る、あるいはレーザ走査速度を低減する必要がない)ために好ましい。 In the powder material according to the present embodiment, for example, in secondary particles (particle aggregates) having the form of granular particles, fine particle-coated particles in which fine particles are bonded around core particles, etc., individual primary particles are sintered. It may be realized by being firmly integrated by bonding. A laser beam, an electron beam, an arc, or the like is used as an energy source in layered manufacturing. When a powder material is irradiated with laser light, an electron beam, or the like, high energy may be released to cause an impact on the powder material. Due to this impact, simple granule particles may collapse or primary particles may scatter. In order to avoid this situation, the granule particles are formed as so-called granulated sintered powder in which individual primary particles are combined by sintering. This granulated sintered powder is preferable because the powder material is less likely to collapse and scatter even when irradiated with a laser beam or the like having a higher intensity as an energy source. This is preferable because it can lead to an increase in the modeling speed (for example, the laser scanning speed can be increased, or there is no need to reduce the laser scanning speed) without impairing the modeling accuracy and quality of the modeled object.

(顆粒強度)
造粒焼結粉における顆粒粒子の強度(以下、顆粒強度)は、1MPaを超えるように規定することができる。これにより、造形のためのエネルギーにより造粒焼結粉が崩壊したり、飛散したりするのを好適に抑制することができる。その結果、造形エリアへの材料粉末の供給が安定するため、ムラの無い高品質な造形物を造形できるために好ましい。造粒焼結粉の顆粒強度は、1kg/mm以上であることが好ましく、5kg/mm以上であることがより好ましく、10kg/mm以上(例えば、20kg/mm以上)であることがさらに好ましい。しかしながら、顆粒強度が強すぎると、粉末材料を十分に溶融させるのが困難となるために好ましくない。また、顆粒強度が強すぎる造粒焼結粉は、概ね造粒されていない単一粒子と類似した構成となるまで焼結が進行し、球状化した粒子とその性状が似たものとなってしまう。この観点から、顆粒強度は1000kg/mm未満とする。顆粒強度は500kg/mm以下であることが好ましく、250kg/mm以下であることがより好ましく、100kg/mm以下(例えば、80kg/mm以下)であることがさらに好ましい。
(granule strength)
The strength of granule particles in the granulated sintered powder (hereinafter referred to as granule strength) can be specified to exceed 1 MPa. As a result, it is possible to suitably prevent the granulated sintered powder from collapsing or scattering due to energy for modeling. As a result, the supply of the material powder to the modeling area is stabilized, so that it is possible to form a uniform, high-quality object, which is preferable. The granular strength of the granulated sintered powder is preferably 1 kg/mm 2 or more, more preferably 5 kg/mm 2 or more, and 10 kg/mm 2 or more (for example, 20 kg/mm 2 or more). is more preferred. However, if the granule strength is too high, it will be difficult to sufficiently melt the powder material, which is undesirable. In addition, granulated sintered powder with too strong granule strength is sintered until it has a structure similar to that of single particles that are not granulated, and the properties are similar to spherical particles. put away. From this point of view, the granule strength should be less than 1000 kg/mm 2 . Granule strength is preferably 500 kg/mm 2 or less, more preferably 250 kg/mm 2 or less, and even more preferably 100 kg/mm 2 or less (for example, 80 kg/mm 2 or less).

本実施形態に係る粉末材料(例えば、造粒焼結粉)において、上記(1)~(3)の各原料粒子(典型的には1次粒子である)は互いに3次元的に結合されて造粒焼結粉を構成している。この構造によって、粉末材料はエネルギー源(熱源)からエネルギーを受け取りやすく、溶解しやすいという利点がある。その結果、例えば鋳型を使用して製造する焼結体(バルク体)に近い、緻密性の高い高硬度な造形物を得ることができる。 In the powder material (eg, granulated sintered powder) according to the present embodiment, the raw material particles (typically primary particles) of (1) to (3) are three-dimensionally bonded to each other. It constitutes granulated sintered powder. This structure has the advantage that the powder material easily receives energy from an energy source (heat source) and is easily melted. As a result, for example, it is possible to obtain a highly dense and highly rigid molded article, which is similar to a sintered body (bulk body) manufactured using a mold.

特に、本実施形態に係る粉末材料は、タングステン炭化物だけではなく、タングステン炭化物よりも融点の低いコバルトを含んでいる。また粉末材料を構成する複数の1次粒子は3次元的に結合されている。これにより、粉末材料においてはコバルトの溶融が先行し、コバルトの融液がタングステン炭化物の表面に濡れ広がることができる。あるいは、タングステン炭化物が溶融してなるマトリックス内に、タングステン炭化物を分散状態で取り込むことができる。これにより、タングステン炭化物の溶融を促進させられて、緻密な造形物を得ることができる。あるいは、コバルトの相中にタングステン炭化物の相が分散された形態の緻密な造形物を得ることができる。 In particular, the powder material according to the present embodiment contains not only tungsten carbide, but also cobalt, which has a lower melting point than tungsten carbide. Also, the plurality of primary particles that constitute the powder material are three-dimensionally bonded. As a result, cobalt melts first in the powder material, and the cobalt melt can spread over the surface of the tungsten carbide. Alternatively, tungsten carbide can be incorporated in a dispersed state within a matrix of molten tungsten carbide. This promotes melting of the tungsten carbide, making it possible to obtain a dense model. Alternatively, it is possible to obtain a dense shaped article in the form of a phase of tungsten carbide dispersed in a phase of cobalt.

(平均粒子径)
本実施形態に係る粉末材料(例えば、造粒焼結粉)の平均粒子径は、特に制限されず、使用する積層造形装置の規格に適した大きさとすることができる。例えば、粉末材料の平均粒子径は、積層造形における粉末材料の供給に適した大きさであり得る。粉末材料の平均粒子径の上限は、より大きいものとする場合には、例えば、200μm超過であってもよいが、典型的には200μm以下である。粉末材料の平均粒子径の上限は、好ましくは150μm以下、より好ましくは100μm以下、さらに好ましくは40μm以下である。粉末材料は、平均粒子径が小さくなるにつれて、例えば造形エリアにおいて粉末材料の充填率が向上し得る。その結果、造形される3次元造形物の緻密性を好適に増すことができる。また、造形される3次元造形物の表面粗さ(Ra)を小さくできるとともに、寸法精度を向上させるという効果を得ることもできる。
(Average particle size)
The average particle size of the powder material (for example, granulated sintered powder) according to the present embodiment is not particularly limited, and can be set to a size suitable for the standard of the additive manufacturing apparatus to be used. For example, the average particle size of the powder material can be of a size suitable for feeding the powder material in additive manufacturing. The upper limit of the average particle size of the powder material is typically less than or equal to 200 μm, although it may be greater, for example, greater than 200 μm. The upper limit of the average particle size of the powder material is preferably 150 µm or less, more preferably 100 µm or less, and even more preferably 40 µm or less. As the powder material has a smaller average particle size, the packing of the powder material can improve, for example, in the build area. As a result, it is possible to suitably increase the density of the three-dimensional modeled object. In addition, it is possible to reduce the surface roughness (Ra) of the three-dimensional modeled object and to improve the dimensional accuracy.

また、粉末材料の平均粒子径の下限は、粉末材料の流動性に影響を与えない範囲であれば特に制限されない。しかしながら、粉末材料を形成する際のハンドリングや粉末材料の流動性を考慮した場合には、平均粒子径の下限を1μm以上とすることができ、5μm以上が好ましく、10μm以上がより好ましい。粉末材料の平均粒子径が大きくなるにつれて、粉末材料の流動性が向上する。その結果、造形装置への粉末材料の供給を良好に実施することができ、作製される3次元造形物の仕上がりが良好となるために好ましい。 Moreover, the lower limit of the average particle size of the powder material is not particularly limited as long as it does not affect the fluidity of the powder material. However, in consideration of handling when forming the powder material and fluidity of the powder material, the lower limit of the average particle size can be 1 μm or more, preferably 5 μm or more, and more preferably 10 μm or more. As the average particle size of the powder material increases, the fluidity of the powder material improves. As a result, it is possible to satisfactorily supply the powder material to the modeling apparatus, and the three-dimensional model to be produced has a good finish, which is preferable.

<製造方法>
(粉末材料の製造方法)
本実施形態における粉末材料は、上記(1)~(3)の各原料粒子を含む限り、その製造方法は特に制限されない。例えば、好適な例として、以下に、造粒焼結法により粉末材料を製造する場合について説明する。しかしながら、ここに開示される粉末材料の製造方法は、これに限定されるものではない。
<Manufacturing method>
(Method for producing powder material)
As long as the powder material in the present embodiment contains the raw material particles of (1) to (3) above, the production method is not particularly limited. For example, as a preferred example, a case of producing a powder material by a granulation sintering method will be described below. However, the method of manufacturing the powder material disclosed herein is not limited to this.

造粒焼結法は、上記(1)~(3)の各原料粒子を含む粉末を2次粒子の形態に造粒したのち焼成することで、個々の原料粒子を焼結する手法である。造粒に際しては、公知の各種の造粒法を適宜利用することができる。例えば、造粒法として、乾式造粒あるいは湿式造粒等の造粒方法を利用することができる。具体的には、例えば、転動造粒法、流動層造粒法、撹枠造粒法、破砕造粒法、溶融造粒法、噴霧造粒法、マイクロエマルション造粒法等が挙げられる。なかでも好適な造粒方法として、噴霧造粒法が挙げられる。 The granulation sintering method is a method of sintering the individual raw material particles by granulating the powder containing the raw material particles of the above (1) to (3) into secondary particles and then firing the secondary particles. For granulation, various known granulation methods can be used as appropriate. For example, as a granulation method, a granulation method such as dry granulation or wet granulation can be used. Specific examples include tumbling granulation, fluid bed granulation, frame granulation, crushing granulation, melt granulation, spray granulation, and microemulsion granulation. A particularly suitable granulation method is the spray granulation method.

噴霧造粒法によると、例えば、以下の手順で造形用材料を製造することができる。すなわち、まず、上記(1)~(3)の各原料粒子を所定の質量比で配合した粉末(以下、配合粉末ともいう)を用意する。必要に応じてその表面を保護剤等により安定化させる。そして、安定化された配合粉末を、例えばバインダと、必要に応じて含まれる有機材料等からなるスペーサー粒子等とともに適切な溶媒に分散させて噴霧液を用意する。原料粒子の溶媒への分散には、例えば、ホモジナイザー、翼式撹拌機等の混合機、分散機等を用いて実施することができる。これにより、上記(1)~(3)の各原料粒子は噴霧造粒機を用いて気流中に噴霧し、乾燥させる。これにより、上記(1)~(3)の各原料粒子がバインダにより3次元的に結合された状態の2次粒子を得ることができる。 According to the spray granulation method, for example, a modeling material can be produced by the following procedure. That is, first, a powder (hereinafter also referred to as mixed powder) is prepared by blending the raw material particles of (1) to (3) at a predetermined mass ratio. If necessary, the surface is stabilized with a protective agent or the like. Then, the stabilized compounded powder is dispersed in an appropriate solvent together with, for example, a binder and optionally spacer particles made of an organic material or the like, to prepare a spray liquid. The dispersion of the raw material particles in the solvent can be carried out using, for example, a homogenizer, a mixer such as a blade stirrer, a disperser, or the like. As a result, the raw material particles (1) to (3) above are sprayed into an air stream using a spray granulator and dried. As a result, secondary particles in which the raw material particles of (1) to (3) are three-dimensionally bound by the binder can be obtained.

次いで、造粒された2次粒子を焼成することで、2次粒子中に含まれる上記(1)~(3)の各原料粒子を焼結させる。これにより、原料粒子同士を強固に結合(焼結)させることができる。この造粒焼結法では、例えば、上記の造粒法に作製された造粒粒子に対し、焼結処理を施す。このとき、造粒された原料粒子は互いの接点で焼結されて、造粒形状を概ね維持して焼結される。焼結に際してバインダは消失する。スペーサー粒子を用いる系では、焼成によりこのスペーサー粒子も消失する。これにより、1次粒子が焼結された2次粒子の形態の粒子からなる粉末材料を得ることができる。この粉末材料において、1次粒子は、原料粒子とほぼ同等の寸法及び形状を有していてもよいし、原料粒子が焼成により成長、結合されていてもよい。 Next, the granulated secondary particles are fired to sinter the raw material particles (1) to (3) contained in the secondary particles. As a result, the raw material particles can be strongly bonded (sintered) to each other. In this granulation and sintering method, for example, granulated particles produced by the above granulation method are subjected to a sintering treatment. At this time, the granulated raw material particles are sintered at their mutual contact points, and are sintered while generally maintaining the granulated shape. The binder disappears during sintering. In systems using spacer particles, the spacer particles also disappear upon firing. This makes it possible to obtain a powder material composed of particles in the form of secondary particles in which the primary particles are sintered. In this powder material, the primary particles may have substantially the same size and shape as the raw material particles, or the raw material particles may be grown and combined by firing.

上記の製造工程において、造粒粒子の状態では、原料粒子とバインダとが均一な混合状態にあり、原料粒子はバインダにより結着されて混合粒子を構成している。スペーサー粒子を使用する系では、原料粒子とスペーサー粒子とが均一な混合状態で、バインダにより結着されて混合粒子を構成している。そして、この混合粒子が焼成されることで、バインダ(及びスペーサー粒子)が消失する(燃えぬける)とともに、原料粒子が焼結されることで、1次粒子が結合された形態の2次粒子が形成される。 In the above manufacturing process, in the state of the granulated particles, the raw material particles and the binder are in a uniform mixed state, and the raw material particles are bound by the binder to form the mixed particles. In a system using spacer particles, raw material particles and spacer particles are uniformly mixed and bound together by a binder to form mixed particles. By firing the mixed particles, the binder (and spacer particles) disappears (burns out), and the raw material particles are sintered to form secondary particles in which the primary particles are bonded. It is formed.

なお、焼結に際し、原料粒子はその組成や大きさによっては一部が液相となって他の粒子との結合に寄与し得る。そのため、出発材料の原料粒子よりも1次粒子の平均粒子径は大きくなる場合がある。これら、2次粒子及び1次粒子の平均粒子径の大きさ及び割合は、所望の2次粒子の形態に応じて適宜設計することができる。 During sintering, depending on the composition and size of the raw material particles, some of them may become liquid phase and contribute to bonding with other particles. Therefore, the average particle size of the primary particles may be larger than that of the raw material particles of the starting material. The size and ratio of the average particle sizes of these secondary particles and primary particles can be appropriately designed according to the desired form of the secondary particles.

上記の製造工程において、調整される噴霧液の原料粒子の濃度は、10~40質量%であることが好ましい。添加されるバインダとしては、例えばカルポキシメチルセルロース、ポリビニルピ口リドン、ポリビニルピ口リドン等が挙げられる。添加するバインダは、原料粒子の質量に対して0.05~10質量%の割合で調整されることが好ましい。焼成される環境は、特に制限はされないが、大気中、真空中もしくは不活性ガス雰囲気中であってもよく、600℃以上1600℃以下の温度で焼結されることが好ましい。特に、有機材料等からなるスペーサー粒子、バインダ等を用いる場合は、造粒粒子中の有機材料を除去する目的で酸素が存在する雰囲気中で焼結されてもよい。必要に応じて、製造された2次粒子を、解砕及び分級してもよい。 In the manufacturing process described above, the concentration of the raw material particles in the spray liquid to be adjusted is preferably 10 to 40% by mass. Binders to be added include, for example, carboxymethyl cellulose, polyvinyl picolidone, polyvinyl picolidone and the like. The binder to be added is preferably adjusted at a ratio of 0.05 to 10% by mass with respect to the mass of the raw material particles. The sintering environment is not particularly limited, but it may be in the air, in a vacuum, or in an inert gas atmosphere, and sintering is preferably performed at a temperature of 600° C. or higher and 1600° C. or lower. In particular, when using spacer particles, a binder, etc., made of an organic material or the like, sintering may be performed in an atmosphere in which oxygen is present for the purpose of removing the organic material in the granulated particles. If necessary, the produced secondary particles may be pulverized and classified.

(3次元造形物の製造方法)
以上のようにして得られた粉末材料は、各種の積層造形(例えば、LMD、SLM、EBM等)に適用することができる。3次元造形物の製造方法の一例として、セレク卜レーザメルティング法(SLM)を採用した場合を例に、粉末積層造形について説明する。ここに開示される3次元造形物の製造方法は、以下の工程を含む。
(A)積層造形装置の積層エリアに粉末材料(例えば、造粒焼結粉)を供給する工程
(B)当該供給された粉末材料を、積層エリアに均一に薄く堆積するようにワイパ等で平坦化して薄層を形成する工程
(C)形成された粉末材料の薄層に、粉末材料を接合及び焼結等する手段を与えて(例えば、レーザ光を照射して)粉末材料を固化する工程
(D)固化した粉末材料の上に、新たな粉末材料を供給し、上記工程(A)以後、工程( B)~(D)を繰り返すことで積層し、3次元造形物を得る工程
(E)得られた3次元造形物に減圧雰囲気中で熱処理を施す工程
(F)減圧雰囲気中で熱処理が施された3次元造形物に熱間等方圧加圧加工(HIP:Hot Isostatic Presssing)を施す工程
なお、工程(D)の「固化」は、粉末材料を構成する2次粒子同士を、溶融・凝固により直接的に結合させて、形状を所定の断面形状に固定化することを含む。
(Method for manufacturing three-dimensional model)
The powder material obtained as described above can be applied to various layered manufacturing (for example, LMD, SLM, EBM, etc.). As an example of a method for manufacturing a three-dimensional model, powder layered manufacturing will be described using a selective laser melting method (SLM) as an example. The manufacturing method of the three-dimensional structure disclosed here includes the following steps.
(A) A step of supplying a powder material (e.g., granulated sintered powder) to the stacking area of the layered manufacturing apparatus (B) Flattening the supplied powder material with a wiper or the like so as to deposit it uniformly and thinly on the stacking area Step (C): A step of solidifying the powder material by providing a means for bonding and sintering the powder material to the formed thin layer of the powder material (for example, by irradiating a laser beam). (D) A step of supplying a new powder material on top of the solidified powder material and stacking it by repeating the steps (B) to (D) after the step (A) to obtain a three-dimensional model (E ) A step of heat-treating the obtained three-dimensional model in a reduced-pressure atmosphere. The “solidification” of the step (D) includes directly bonding the secondary particles constituting the powder material by melting and solidification to fix the shape to a predetermined cross-sectional shape.

レーザメタルデポジション法(LMD)とは、構造物の所望の部位に粉末材料を提供して、そこにレーザ光を照射することで粉末材料を溶融-凝固させ、当該部位に肉盛りを行う技術である。この技術を利用することで、例えば、構造物に摩耗等の物理的な劣化が発生した場合に、当該劣化部位に粉末材料として当該構造物を構成する材料または補強材料等を供給し、その粉末材料を溶融-凝固させることで劣化部位等に肉盛りを行うことができる。 Laser Metal Deposition (LMD) is a technology that provides a powder material to the desired part of a structure, melts and solidifies the powder material by irradiating it with a laser beam, and builds up the part. is. By using this technology, for example, when physical deterioration such as wear occurs in a structure, a material that constitutes the structure or a reinforcing material is supplied as a powder material to the deteriorated part, and the powder By melting and solidifying the material, it is possible to build up the deteriorated portion.

セレク卜レーザメルティング法(SLM)とは、設計図から作成したスライスデータに基づき、粉末材料を堆積させた粉末層にレーザ光を走査させ、粉末層を所望形状に溶融・凝固する操作を、1断面(1スライスデータ)ごとに繰り返して積層させることで3次元的な構造体を造形する技術である。また、エレク卜口ンビームメルティング法(EBM)とは、3D CADデータから作成したスライスデータを基に、電子ビーム用いて上記粉末層を選択的に溶融・凝固させ、積層することで3次元的な構造体を造形する技術である。いずれの技術においても、構造体の原料である粉末材料を所定の造形位置に供給する工程を含む。 Selective Laser Melting (SLM) is an operation to melt and solidify a powder layer into a desired shape by scanning a powder layer on which powder materials are deposited based on slice data created from a design drawing. This is a technique for forming a three-dimensional structure by repeatedly layering each cross section (slice data). In addition, the electrified beam melting method (EBM) is based on slice data created from 3D CAD data. It is a technology to form a structure that is flexible. Both techniques include a step of supplying a powder material, which is the raw material of the structure, to a predetermined modeling position.

図1は、本発明の実施形態に係る造形物の製造方法を実行するための、積層造形装置100の構成例を示す概略図である。図1に示すように、積層造形装置100は、積層造形が行われる空間である造形エリア10と、粉末材料を貯留しておくストック12と、造形エリア10への粉末材料の供給を補助するワイパ11と、粉末材料を固化するための固化手段(レーザ発振器等のエネルギー供給手段)13と、を備える。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of a layered modeling apparatus 100 for executing a method for manufacturing a modeled article according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1 , the layered manufacturing apparatus 100 includes a modeling area 10 that is a space in which layered modeling is performed, a stock 12 that stores powder materials, and a wiper that assists the supply of powder materials to the modeling area 10 . 11 and solidifying means (energy supplying means such as a laser oscillator) 13 for solidifying the powder material.

造形エリア10は、外周が囲まれた造形空間内を造形面より下方に有し、この造形空間内に昇降可能な昇降テーブル14を備える。昇降テーブル14は、所定厚みΔt1ずつ下方に移動することができ、昇降テーブル14上に目的の造形物を造形してゆく。ストック12は、造形エリア10の傍に配置され、例えば、外周が囲まれた貯留空間内に、シリンダー等によって昇降可能な底板(昇降テーブル)を備える。ストック12は、底板を上昇させることで、所定量の粉末材料を造形面に供給(押し出し)する。 The modeling area 10 has a modeling space surrounded by an outer periphery below a modeling surface, and includes an elevating table 14 that can be raised and lowered in the modeling space. The elevating table 14 can be moved downward by a predetermined thickness Δt1, and a desired modeled object is formed on the elevating table 14.例文帳に追加The stock 12 is arranged beside the modeling area 10, and includes, for example, a bottom plate (elevating table) that can be raised and lowered by a cylinder or the like in a storage space whose outer periphery is surrounded. The stock 12 supplies (extrudes) a predetermined amount of powder material to the modeling surface by raising the bottom plate.

積層造形装置100は、上記工程(A)~(D)を実行することができる。例えば、積層造形装置100は、昇降テーブル14を造形面より所定厚みΔt1だけ下げた状態で造形エリア10へ粉末材料20を供給することで、所定厚みΔt1の粉末材料20の層を用意する。
次に、積層造形装置100は、造形面にワイパ11を走査させることで、ストック12から押し出された粉末材料を造形エリア10上に供給するとともに、粉末材料の上面を平坦化して、均質な粉末材料20の層を形成する。
次に、積層造形装置100は、形成された第1層目の粉末材料20の層に対し、第1層目のスライスデータに対応した固化領域にのみ、固化手段13を介してエネルギーを与えることで、粉末材料を所望の断面形状に溶融または焼結させ、第1層目の粉末固化層21を形成する。
The layered manufacturing apparatus 100 can perform the above steps (A) to (D). For example, the layered manufacturing apparatus 100 prepares a layer of the powder material 20 having a predetermined thickness Δt1 by supplying the powder material 20 to the modeling area 10 with the elevation table 14 lowered from the modeling surface by a predetermined thickness Δt1.
Next, the layered manufacturing apparatus 100 scans the molding surface with the wiper 11 to supply the powder material extruded from the stock 12 onto the molding area 10 and flatten the upper surface of the powder material to form a homogeneous powder. A layer of material 20 is formed.
Next, the layered manufacturing apparatus 100 applies energy via the solidification means 13 only to the solidified region corresponding to the slice data of the first layer of the formed powder material 20 of the first layer. , the powder material is melted or sintered into a desired cross-sectional shape to form the first solidified powder layer 21 .

次に、積層造形装置100は、昇降テーブル14を所定厚みΔt1だけ下げて再度粉末材料を供給し、ワイパ11でならすことで第2層目の粉末材料20を形成する。そして、積層造形装置100は、第2層目の粉末材料20のスライスデータに対応した固化領域にのみ、固化手段13を介して熱源を与えて粉末材料を固化させて第2層目の粉末固化層21を形成する。このとき、第2層目の粉末固化層21と、下層である第1層目の粉末固化層21とが一体化されて、第2層目までの積層体を形成する。 Next, the layered manufacturing apparatus 100 lowers the elevating table 14 by a predetermined thickness Δt1, supplies the powder material again, and smoothes it with the wiper 11 to form the powder material 20 of the second layer. Then, the layered manufacturing apparatus 100 applies a heat source through the solidification means 13 only to the solidified region corresponding to the slice data of the powder material 20 of the second layer to solidify the powder material, thereby solidifying the powder material of the second layer. A layer 21 is formed. At this time, the solidified powder layer 21 of the second layer and the solidified powder layer 21 of the first layer, which is the lower layer, are integrated to form a laminate up to the second layer.

引き続き、積層造形装置100は、昇降テーブル14を所定厚みΔt1だけ下降させて新たな粉末材料20の層を形成し、固化手段13を介して熱源を与えて所要箇所に粉末固化層21を形成する。積層造形装置100は、この工程を繰り返すことで、目的とする3次元造形物を製造することができる。
なお、粉末材料を固化するための手段としては、レーザ光又は電子ビームにより熱を与えて、粉末材料を溶融固化(焼結を含む)する方法が選択される。例えば、例えば、炭酸ガスレーザやYAGレーザを好適に用いることができる。
Subsequently, the layered manufacturing apparatus 100 lowers the elevating table 14 by a predetermined thickness Δt1 to form a new layer of the powder material 20, applies a heat source through the solidification means 13, and forms a solidified powder layer 21 at a desired location. . The layered manufacturing apparatus 100 can manufacture a target three-dimensional model by repeating this process.
As a means for solidifying the powder material, a method of applying heat with a laser beam or an electron beam to melt and solidify (including sintering) the powder material is selected. For example, a carbon dioxide laser or a YAG laser can be preferably used.

本実施形態に係る3次元造形物の製造方法では、上記(D)の工程後、上記(E)の工程へ進む。上記(E)の工程では、造形された3次元造形物に熱処理を施す。上記(E)の熱処理の温度は、例えば1200℃以上1500℃以下である。上記(E)の熱処理の圧力は、例えば1Pa以上100Pa以下である。上記(E)の熱処理によって、3次元造形物は焼結され、緻密化される。 In the method for manufacturing a three-dimensional structure according to the present embodiment, after the step (D), the process proceeds to the step (E). In the above step (E), heat treatment is applied to the three-dimensional modeled object. The temperature of the heat treatment (E) is, for example, 1200° C. or higher and 1500° C. or lower. The pressure of the heat treatment (E) is, for example, 1 Pa or more and 100 Pa or less. The three-dimensional structure is sintered and densified by the heat treatment (E).

次に、上記(F)の工程へ進む。上記(F)の熱間等方圧加圧加工(HIP)とは、高温、高圧にて対象物を加圧加工する技術である。本実施形態において、対象物は、上記(E)の熱処理を経た後の3次元造形物である。例えば、熱処理後の3次元造形物は、室温に近い温度まで空冷された後、HIPが施される。 Next, proceed to the step (F) above. The above (F) hot isostatic pressing (HIP) is a technique for pressurizing an object at high temperature and high pressure. In this embodiment, the object is a three-dimensional structure after undergoing the heat treatment of (E). For example, the three-dimensional structure after heat treatment is air-cooled to a temperature close to room temperature, and then subjected to HIP.

HIPの加熱温度は、例えば1200℃以上1400℃以下であり、好ましくは1300℃以上、1400℃以下である。HIPの加圧圧力は、上記(E)の熱処理の圧力よりも十分に高い値であり、例えば50MPa以上180MPa以下である。HIPの処理時間は、例えば1時間以上5時間以下である。HIPは、例えばアルゴン(Ar)等の不活性ガス雰囲気中に3次元造形物を配置した状態で行われる。 The HIP heating temperature is, for example, 1200° C. or higher and 1400° C. or lower, preferably 1300° C. or higher and 1400° C. or lower. The HIP pressure is sufficiently higher than the heat treatment pressure (E), and is, for example, 50 MPa or more and 180 MPa or less. The HIP processing time is, for example, 1 hour or more and 5 hours or less. HIP is performed, for example, in a state in which the three-dimensional structure is placed in an inert gas atmosphere such as argon (Ar).

上記(E)の熱処理後の3次元造形物では、WC-Co系の超硬合金にマイクロポアが残り、強度が低下する傾向がある。本実施形態では、上記(E)の熱処理後にHIPを行うことによって、マイクロポアを低減する。これにより、3次元造形物はさらに緻密化されて、強度が高められる。 In the three-dimensional structure after the heat treatment of (E), micropores remain in the WC—Co-based cemented carbide, and the strength tends to decrease. In this embodiment, micropores are reduced by performing HIP after the heat treatment (E). As a result, the three-dimensional structure is further densified and its strength is increased.

<実施形態の効果>
以上説明したように、本発明の実施形態に係る造形物の製造方法は、タングステン炭化物及びコバルトを含む積層造形用の粉末材料を用いて、レーザ光又は電子ビームを照射して3次元形状の造形物を形成する工程と、造形物に減圧雰囲気中で熱処理を施す工程と、熱処理が施された造形物に熱間等方圧加圧加工を施す工程と、を含む。これによれば、熱処理によって焼結、緻密化された3次元造形物は、HIPによってマイクロポアが低減され、さらに緻密化される。これにより、緻密で硬度が高い3次元形状の造形物を製造することができる。なお、減圧雰囲気とは、大気圧よりも低い圧力であり、例えば、真空又は、真空に近い圧力を意味する。
<Effects of Embodiment>
As described above, in the method for manufacturing a modeled object according to the embodiment of the present invention, a powder material for layered manufacturing containing tungsten carbide and cobalt is used to irradiate a laser beam or an electron beam to form a three-dimensional shape. The method includes a step of forming an object, a step of heat-treating the shaped object in a reduced-pressure atmosphere, and a step of subjecting the heat-treated shaped object to hot isostatic pressing. According to this, the three-dimensional structure sintered and densified by heat treatment is further densified by HIP to reduce micropores. As a result, it is possible to manufacture a three-dimensional modeled object that is dense and has high hardness. The reduced-pressure atmosphere is a pressure lower than the atmospheric pressure, and means, for example, a vacuum or a pressure close to a vacuum.

本発明の実施形態に係る粉末材料は、レーザ光又は電子ビームを照射して3次元形状の造形物を製造するために用いられる、積層造形用の粉末材料であって、タングステン炭化物と、コバルトと、チタン炭化物と、を含み、チタン炭化物の含有量は、1質量%以上20質量%以下である。これによれば、レーザ光又は電子ビームを用いて積層造形を行う際に、チタン炭化物(TiC)は、タングステン炭化物(WC)と反応してタングステンチタン炭化物(WTiC)となる。WTiCはWC-Co系の超硬合金の組成の一部となるため、より硬度が高いWC-Co系の超硬合金を得ることができる。また、レーザ光又は電子ビームを用いて積層造形を行う際に、チタン炭化物からタングステン炭化物に炭素(C)が供給される。これにより、η相(脆弱相)の形成が抑制された、WC-Co系の超硬合金を得ることができる。 The powder material according to the embodiment of the present invention is a powder material for additive manufacturing, which is used for producing a three-dimensional shaped object by irradiating a laser beam or an electron beam, and is composed of tungsten carbide and cobalt. , titanium carbide, and the content of titanium carbide is 1% by mass or more and 20% by mass or less. According to this, titanium carbide (TiC) reacts with tungsten carbide (WC) to become tungsten titanium carbide (WTiC) when lamination manufacturing is performed using a laser beam or an electron beam. Since WTiC is part of the composition of the WC—Co based cemented carbide, it is possible to obtain a WC—Co based cemented carbide with higher hardness. Also, carbon (C) is supplied from the titanium carbide to the tungsten carbide when lamination manufacturing is performed using a laser beam or an electron beam. This makes it possible to obtain a WC—Co-based cemented carbide in which the formation of η phase (brittle phase) is suppressed.

なお、本実施形態において、粉末材料は、チタン炭化物を含まなくてもよい。本実施形態に係る造形物の製造方法は、粉末材料にチタン炭化物が含まれていない場合でも、上記(E)の熱処理の後に上記(F)のHIPを行うことで、緻密で硬度が高い3次元形状の造形物を製造することができる。 In addition, in this embodiment, the powder material may not contain titanium carbide. In the method for manufacturing a modeled object according to the present embodiment, even if the powder material does not contain titanium carbide, the HIP described in (F) is performed after the heat treatment (E) described above, so that a dense and hard 3 modeled product can be obtained. Dimensional shaped objects can be manufactured.

本発明を、以下の実施例及び比較例を用いてさらに詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。
<実施例1>
(粉末材料の製造方法)
原料粉末として、平均粒子径が0.76μmのタングステン炭化物(WC)粉末と、平均粒子径が1.30μmのコバルト(Co)粉末と、平均粒子径が0.6μmのチタン炭化物(TiC)粉末とを用意した。
用意した各原料粉末を後述の表1に示す割合で配合し、配合粉末(1次粒子の形態)を得た。得られた配合粉末を湿式混合後、スプレードライヤーにより造粒した。得られた造粒粉末を焼結し、造粒焼結粉(2次粒子の形態)を作成した。得られた造粒焼結粉を目開き25μmの篩で分級した。得られた分級後の各顆粒の平均粒子径、嵩密度、顆粒強度をそれぞれ測定した。分級後の各顆粒の平均粒子径、嵩密度、顆粒強度、化学成分を表1に示す。
The present invention will be described in more detail using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.
<Example 1>
(Method for producing powder material)
As raw material powders, tungsten carbide (WC) powder with an average particle size of 0.76 μm, cobalt (Co) powder with an average particle size of 1.30 μm, and titanium carbide (TiC) powder with an average particle size of 0.6 μm. prepared.
Each of the prepared raw material powders was blended at the ratio shown in Table 1 below to obtain a blended powder (in the form of primary particles). The resulting compounded powder was wet mixed and then granulated with a spray dryer. The obtained granulated powder was sintered to prepare a granulated sintered powder (in the form of secondary particles). The obtained granulated sintered powder was classified with a sieve having an opening of 25 μm. The average particle size, bulk density and granule strength of each granule obtained after classification were measured. Table 1 shows the average particle size, bulk density, granule strength, and chemical components of each granule after classification.

Figure 0007336944000001
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1次粒子の「平均粒子径」には、レーザ回折・散乱法に基づく粒度分布測定装置により測定された体積基準の粒度分布における積算値50%での粒子径(50%体積平均粒子径;D50)を採用した。なお平均粒子径が1μm未満の粉末(炭化タングステン粉末)について、比表面積から算出される球形粒子の直径(球相当径)として算出される値を採用した。1次粒子の平均粒子径(Dave)は、原料粉末の比表面積をSm、密度をρとしたとき、式:Dave=6/(ρSm)、に基づき求めることができる。比表面積は、例えば、比表面積測定装置(マイクロメリティックス社製、FlowSorbII 2300)を用い、連続流動法により測定されたN等のガス吸着量から、BET法により算出した値とすることができる。この比表面積測定は、JIS Z8830:2013(ISO9277:2010)に規定される「ガス吸着による粉体(固体)の比表面積測定方法」に準じて測定することができる。 The "average particle size" of the primary particles includes the particle size at 50% of the integrated value in the volume-based particle size distribution measured by a particle size distribution measuring device based on the laser diffraction/scattering method (50% volume average particle size; D50 )It was adopted. For powders (tungsten carbide powders) with an average particle size of less than 1 μm, the value calculated as the diameter of spherical particles (equivalent sphere diameter) calculated from the specific surface area was adopted. The average particle diameter (Dave) of the primary particles can be obtained based on the formula: Dave=6/(ρSm), where Sm is the specific surface area of the raw material powder and ρ is the density. The specific surface area can be a value calculated by the BET method from the amount of adsorbed gas such as N measured by a continuous flow method using a specific surface area measuring device (FlowSorb II 2300 manufactured by Micromeritics Inc.), for example. can. This specific surface area can be measured in accordance with "Method for measuring specific surface area of powder (solid) by gas adsorption" defined in JIS Z8830:2013 (ISO9277:2010).

2次粒子の「平均粒子径」には、レーザ回折・散乱法に基づく粒度分布測定装置により測定された体積基準の粒度分布における積算値50%での粒子径(50%体積平均粒子径;D50)を採用した。
嵩密度には、JIS Z2504:2012に規定される金属粉-見掛密度測定方法に準じて測定される値を採用した。具体的には、直径2.5mmのオリフィスから自然に流れ出す粉末により、所定の容量の容器を自然充填の状態で満たしたときの、当該粉末の質量を測定することで、嵩密度を算出した。嵩密度の測定に、金属粉用のJISカサ比重測定器(筒井理化学器械株式会社製)を用いて測定した値を採用した。
The "average particle size" of the secondary particles includes the particle size at 50% of the integrated value in the volume-based particle size distribution measured by a particle size distribution measuring device based on the laser diffraction/scattering method (50% volume average particle size; D50 )It was adopted.
As the bulk density, a value measured according to the metal powder-apparent density measurement method specified in JIS Z2504:2012 was adopted. Specifically, the bulk density was calculated by measuring the mass of the powder when the powder naturally flowed out from the orifice with a diameter of 2.5 mm filled a container of a predetermined capacity in a state of natural filling. For the measurement of bulk density, a value measured using a JIS umbrella specific gravity meter for metal powder (manufactured by Tsutsui Rikagaku Kikai Co., Ltd.) was employed.

顆粒強度には、電磁力負荷方式の圧縮試験機を用いて測定される、顆粒粒子の破壊強度の値を採用した。具体的には、粉末材料を構成する任意の10個以上の造粒焼結粉について、微小圧縮試験装置(株式会社島津製作所製、MCT-500)を用いて測定した破壊強度の算術平均値を、顆粒強度として採用した。なお、造粒焼結粉について、圧縮試験にて得られた臨界荷重をL[N]、平均粒子径をd[mm]としたとき、造粒焼結粉の破壊強度σ[MPa]は、式:σ=2.8×L/π/d2、で算出される。 As the granule strength, the value of the breaking strength of granule particles measured using an electromagnetic force loading type compression tester was adopted. Specifically, for any 10 or more granulated sintered powders constituting the powder material, the arithmetic mean value of the breaking strength measured using a microcompression tester (manufactured by Shimadzu Corporation, MCT-500) , was taken as the granule strength. Regarding the granulated sintered powder, when the critical load obtained in the compression test is L [N] and the average particle diameter is d [mm], the breaking strength σ [MPa] of the granulated sintered powder is It is calculated by the formula: σ=2.8×L/π/d2.

(3次元造形物の造形方法)
上記粉末材料を使用して、積層造形装置(製品名:ProX DMP200、3DSystem社製)により、平らに敷いた粉末材料にレーザ光を照射し、一層ずつ溶融させ、この工程を繰り返すことで3次元造形物を製造した。この際、出力300W、走査速度300mm/s、ピッチ幅0.1mm、積層厚さ30μmとした。造形後に、3次元造形物の相対密度(%)と、ロックウェル硬度(HRA)と、抗折力(MPa)とを測定した。この測定値を、比較例1とした。なお、相対密度とは、最も密な状態ともっと疎な状態との間のどの状態にあるかを示す指標である。抗折力とは、曲げに対する強度を示す物性値である。抗折力は、曲げ強さと呼んでもよい。
(Method of forming a three-dimensional object)
Using the above powder material, a laser beam is applied to the powder material laid flat by a layered modeling device (product name: ProX DMP200, manufactured by 3D System) to melt it layer by layer, and this process is repeated to create a three-dimensional manufactured a molding. At this time, the output was 300 W, the scanning speed was 300 mm/s, the pitch width was 0.1 mm, and the lamination thickness was 30 μm. After modeling, the relative density (%), Rockwell hardness (HRA), and transverse rupture strength (MPa) of the three-dimensional model were measured. This measured value is referred to as Comparative Example 1. Note that the relative density is an index indicating the state between the densest state and the more sparse state. Transverse rupture strength is a physical property value indicating strength against bending. Bending strength may also be referred to as bending strength.

次に、3次元造形物に熱処理を施した。熱処理の条件は、減圧雰囲気中(10Pa)で、加熱温度が1500℃、加熱時間が2時間(連続)、である。熱処理後に、3次元造形物の相対密度(%)と、ロックウェル硬度(HRA)と、抗折力(MPa)とを測定した。この測定値を、比較例2とした。
次に、熱処理後の3次元造形物に、熱間等方圧加圧加工(HIP)を施した。HIPの条件は、アルゴン(Ar)ガスの加圧雰囲気下(100MPa)で、加熱温度が1380℃、加熱時間が4時間(連続)、である。HIP後に、3次元造形物の相対密度(%)と、ロックウェル硬度(HRA)と、抗折力(MPa)とを測定した。この測定値を、実施例1の評価結果とした。
(評価)
表2に、実施例1及び比較例1、2の評価結果を示す。
Next, heat treatment was applied to the three-dimensional structure. The heat treatment conditions are a reduced pressure atmosphere (10 Pa), a heating temperature of 1500° C., and a heating time of 2 hours (continuous). After the heat treatment, the relative density (%), Rockwell hardness (HRA), and transverse rupture strength (MPa) of the three-dimensional structure were measured. This measured value is referred to as Comparative Example 2.
Next, hot isostatic pressing (HIP) was applied to the three-dimensional structure after the heat treatment. The HIP conditions are a pressurized argon (Ar) gas atmosphere (100 MPa), a heating temperature of 1380° C., and a heating time of 4 hours (continuous). After HIP, the relative density (%), Rockwell hardness (HRA), and transverse rupture strength (MPa) of the three-dimensional structure were measured. This measured value was used as the evaluation result of Example 1.
(evaluation)
Table 2 shows the evaluation results of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2.

Figure 0007336944000002
Figure 0007336944000002

表2に示すように、造形後の3次元造形物に熱処理を施すと、ロックウェル硬度は低くなることが確認された。また、熱処理後の3次元造形物にHIPを施すと、ロックウェル硬度が高くなることが確認された。HIP後の3次元造形物(実施例1)は、造形後及び熱処理よりも、ロックウェル硬度が高いことが確認された。
図2は、熱処理後の3次元造形物(比較例2)の断面を拡大して示すSEM(Scanning Electron Microscope;走査電子顕微鏡)画像である。図3は、HIP後の3次元造形物(実施例1)の断面を拡大して示すSEM画像である。
As shown in Table 2, it was confirmed that the Rockwell hardness decreased when the three-dimensional modeled product was heat-treated. Moreover, it was confirmed that the Rockwell hardness increased when the three-dimensional structure after heat treatment was subjected to HIP. It was confirmed that the three-dimensional modeled article after HIP (Example 1) has a higher Rockwell hardness than those after modeled and after heat treatment.
FIG. 2 is an SEM (Scanning Electron Microscope) image showing an enlarged cross section of the three-dimensional structure (Comparative Example 2) after heat treatment. FIG. 3 is an SEM image showing an enlarged cross section of the three-dimensional structure (Example 1) after HIP.

図2及び図3において、白い部分はタングステン炭化物(WC)であり、黒い部分はコバルト(Co)である。グレーの部分は、タングステンチタン炭化物(WTiC)である。図2及び図3を比較して分かるように、熱処理後の3次元造形物ではタングステン炭化物が繊維状に存在しているのに対して、HIP後の3次元造形物ではタングステン炭化物は粒状に存在している。HIP後の3次元造形物では、タングステンチタン炭化物が均一に分布しており、全体の硬度が高くなっている。 In FIGS. 2 and 3, white portions are tungsten carbide (WC) and black portions are cobalt (Co). The gray areas are tungsten titanium carbide (WTiC). As can be seen by comparing FIGS. 2 and 3, tungsten carbide exists in fibrous form in the three-dimensional model after heat treatment, whereas tungsten carbide exists in granular form in the three-dimensional model after HIP. are doing. Tungsten-titanium carbide is uniformly distributed in the three-dimensional model after HIP, and the overall hardness is high.

<実施例2>
(粉末材料の製造方法)
原料粉末として、平均粒子径が0.76μmのタングステン炭化物(WC)粉末と、平均粒子径が6.72μmのコバルト(Co)粉末とを用意した。実施例2において、実施例1との違いは、粉末材料にチタン炭化物(TiC)が含まれない点のみである。用意した各原料粉末を、コバルトが17質量%、タングステン炭化物が83質量%の割合で配合し、配合粉末(1次粒子の形態)を得た。
これ以降の工程は、実施例1と同じである。すなわち、得られた配合粉末を湿式混合後、スプレードライヤーにより造粒した。得られた造粒粉末を焼結し、造粒焼結粉(2次粒子の形態)を作成した。得られた造粒焼結粉を目開き25μmの篩で分級した。
<Example 2>
(Method for producing powder material)
As raw material powders, tungsten carbide (WC) powder with an average particle size of 0.76 μm and cobalt (Co) powder with an average particle size of 6.72 μm were prepared. In Example 2, the only difference from Example 1 is that the powder material does not contain titanium carbide (TiC). The prepared raw material powders were blended at a ratio of 17% by mass of cobalt and 83% by mass of tungsten carbide to obtain blended powders (in the form of primary particles).
The subsequent steps are the same as in the first embodiment. That is, the obtained compounded powder was wet-mixed and then granulated with a spray dryer. The obtained granulated powder was sintered to prepare a granulated sintered powder (in the form of secondary particles). The obtained granulated sintered powder was classified with a sieve having an opening of 25 μm.

(3次元造形物の造形方法)
上記粉末材料を使用して、積層造形装置により、平らに敷いた粉末材料にレーザ光を照射し、一層ずつ溶融させ、この工程を繰り返すことで3次元造形物を製造した。この際、出力300W、走査速度300mm/s、ピッチ幅0.1mm、積層厚さ30μmとした。造形後に、3次元造形物の相対密度(%)と、ロックウェル硬度(HRA)と、抗折力(MPa)とを測定した。この測定値を、比較例3とした。
次に、3次元造形物に熱処理を施した。熱処理の条件は、減圧雰囲気中(10Pa)で、加熱温度が1500℃、加熱時間が2時間(連続)、である。熱処理後に、3次元造形物の相対密度(%)と、ロックウェル硬度(HRA)と、抗折力(MPa)とを測定した。この測定値を、比較例4とした。
(Method of forming a three-dimensional object)
Using the above powder material, the powder material laid flat was irradiated with a laser beam by a lamination molding apparatus to melt layer by layer, and this process was repeated to manufacture a three-dimensional model. At this time, the output was 300 W, the scanning speed was 300 mm/s, the pitch width was 0.1 mm, and the lamination thickness was 30 μm. After modeling, the relative density (%), Rockwell hardness (HRA), and transverse rupture strength (MPa) of the three-dimensional model were measured. This measured value is referred to as Comparative Example 3.
Next, heat treatment was applied to the three-dimensional structure. The heat treatment conditions are a reduced pressure atmosphere (10 Pa), a heating temperature of 1500° C., and a heating time of 2 hours (continuous). After the heat treatment, the relative density (%), Rockwell hardness (HRA), and transverse rupture strength (MPa) of the three-dimensional structure were measured. This measured value is referred to as Comparative Example 4.

次に、熱処理後の3次元造形物に、熱間等方圧加圧加工(HIP)を施した。HIPの条件は、アルゴン(Ar)ガスの加圧雰囲気中(100MPa)で、加熱温度が1380℃、加熱時間が4時間(連続)、である。HIP後に、3次元造形物の相対密度(%)と、ロックウェル硬度(HRA)と、抗折力(MPa)とを測定した。この測定値を実施例2の評価結果とした。
(評価)
表3に、実施例2及び比較例3、4の評価結果を示す。
Next, hot isostatic pressing (HIP) was applied to the three-dimensional structure after the heat treatment. The HIP conditions are a pressurized atmosphere (100 MPa) of argon (Ar) gas, a heating temperature of 1380° C., and a heating time of 4 hours (continuous). After HIP, the relative density (%), Rockwell hardness (HRA), and transverse rupture strength (MPa) of the three-dimensional structure were measured. This measured value was used as the evaluation result of Example 2.
(evaluation)
Table 3 shows the evaluation results of Example 2 and Comparative Examples 3 and 4.

Figure 0007336944000003
Figure 0007336944000003

表3に示すように、原料粉末にタングステン炭化物(WC)粉末と、コバルト(Co)粉末とが含まれ、チタン炭化物(TiC)が含まれない場合でも、熱処理後の3次元造形物にHIPを施すと、ロックウェル硬度が高くなることが確認された。HIP後の3次元造形物(実施例2)は、造形後及び熱処理よりも、ロックウェル硬度が高いことが確認された。
図4は、HIP後の3次元造形物(実施例2)の断面を拡大して示すSEM画像である。図4において、白い部分はタングステン炭化物(WC)であり、黒い部分はコバルト(Co)である。実施例2では、タングステン炭化物が多く、かつ均一に分布しており、全体の硬度が高くなっている。
As shown in Table 3, even when the raw material powder contains tungsten carbide (WC) powder and cobalt (Co) powder but does not contain titanium carbide (TiC), HIP is applied to the three-dimensional model after heat treatment. It was confirmed that the Rockwell hardness was increased when the coating was applied. It was confirmed that the three-dimensional modeled article after HIP (Example 2) has a higher Rockwell hardness than those after modelling and heat treatment.
FIG. 4 is an SEM image showing an enlarged cross section of the three-dimensional structure (Example 2) after HIP. In FIG. 4, the white parts are tungsten carbide (WC) and the black parts are cobalt (Co). In Example 2, a large amount of tungsten carbide is uniformly distributed, and the overall hardness is high.

10 造形エリア
11 ワイパ
12 ストック
13 固化手段
14 昇降テーブル
20 粉末材料
21 粉末固化層
10 modeling area 11 wiper 12 stock 13 solidifying means 14 elevating table 20 powder material 21 powder solidified layer

Claims (6)

タングステン炭化物及びコバルトを含む積層造形用の粉末材料を用いて、レーザ光又は電子ビームを照射して前記粉末材料を焼結させて3次元形状の造形物を形成する工程と、
前記造形物に減圧雰囲気中で熱処理を施す工程と、
前記熱処理が施された前記造形物に熱間等方圧加圧加工を施す工程とを含む、造形物の製造方法。
A step of forming a three-dimensional shaped object by sintering the powder material by irradiating it with a laser beam or an electron beam using a powder material for layered manufacturing containing tungsten carbide and cobalt;
a step of heat-treating the modeled object in a reduced-pressure atmosphere;
and a step of subjecting the heat-treated shaped article to hot isostatic pressing.
前記粉末材料はチタン炭化物を含む、請求項1に記載の造形物の製造方法。 The method of claim 1, wherein the powder material comprises titanium carbide. 前記粉末材料中の前記チタン炭化物の含有量は、1質量%以上20質量%以下である、請求項2に記載の造形物の製造方法。 3. The method of manufacturing a shaped article according to claim 2, wherein the content of said titanium carbide in said powder material is 1% by mass or more and 20% by mass or less. 前記熱間等方圧加圧加工の加熱温度は1200℃以上1400℃以下である、請求項1から3のいずれか1項に記載の造形物の製造方法。 The method for manufacturing a shaped article according to any one of claims 1 to 3, wherein the heating temperature of the hot isostatic pressing is 1200°C or higher and 1400°C or lower. 前記熱間等方圧加圧加工の加圧圧力は、50MPa以上180MPa以下である、請求項1から4のいずれか1項に記載の造形物の製造方法。 The method for manufacturing a modeled object according to any one of claims 1 to 4, wherein the pressurizing pressure in the hot isostatic press working is 50 MPa or more and 180 MPa or less. 前記熱間等方圧加圧加工の処理時間は、1時間以上5時間以下である、請求項1から5のいずれか1項に記載の造形物の製造方法。 The method for manufacturing a modeled object according to any one of claims 1 to 5, wherein the processing time of the hot isostatic pressing is 1 hour or more and 5 hours or less.
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