JP7459577B2

JP7459577B2 - 積層造形用粉末及びダイカスト金型部品の製造方法

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Publication number: JP7459577B2
Application number: JP2020043541A
Authority: JP
Inventors: 基宏伊吹; 正道河野; 浩次堀尾; 治雄小山
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2019-06-18
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2024-04-02
Anticipated expiration: 2040-03-12
Also published as: JP2021001391A; US20200398339A1

Description

本発明は、積層造形用粉末及びダイカスト金型部品の製造方法に関し、さらに詳しくは、積層造形機での粉末搬送を円滑に行うことが可能な積層造形用粉末、及び、この積層造形用粉末を用いて積層造形を行うダイカスト金型部品の製造方法に関する。

「ダイカスト」とは、金型に溶融金属を圧入し、金型内において溶融金属を凝固させ、鋳物を製造する方法をいう。ダイカストは、精密な鋳物を短時間で大量生産できるという利点がある。
ダイカスト用の金型は、金型内に圧入された溶融金属を短時間で凝固させるために、内部に水冷回路を有しているのが標準的である。水冷回路は、通常、切削加工などの機械加工により形成される。また、ダイカスト時には、金型の加熱と冷却が繰り返される。

そのため、ダイカスト金型に用いられる鋼材には、
（ａ）切削加工による水冷回路の形成を可能とする高い被削性、
（ｂ）使用時の熱履歴による損傷（ヒートチェック）に対する高い耐性、並びに、
（ｃ）短いサイクルでの溶湯の圧入及び凝固を可能とする高い熱伝導性
が求められている。
これらの要求に対応するために、ダイカスト金型には、ＪＩＳＳＫＤ６１などの熱間工具鋼を用いるのが一般的である。

しかし、切削加工により形成される水冷回路は、直線的なものに限られる。そのため、切削加工で形成された水冷回路は、複雑形状を機能的に冷却するのには向かなかった。
また、ＳＫＤ６１は被削性の確保のためにＳｉを０．９ｍａｓｓ％程度含有しているが、Ｓｉは鋼の熱伝導率を低下させる原因となる。そのため、ＳＫＤ６１などの従来の熱間工具鋼を用いたダイカスト金型では、冷却能に限界があった。

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、所定の組成を有する鋼粉末を用いてダイカスト金型の部品を積層造形する方法が開示されている。
同文献には、
（ａ）積層造形法を用いると、切削加工では作製困難な複雑な冷却回路でも容易に形成することができる点、並びに、
（ｂ）鋼粉末の組成を最適化すると、冷却効率の向上、ヒートチェックの抑制、及び、水冷孔の割れ防止を実現することができる点、
が記載されている。

「積層造形法」とは、立体的な構造物を水平方向に輪切りにした構造に相当する薄片状の層を種々の方法を用いて積層することにより、立体的な構造物を作製する方法をいう。薄片状の層の積層方法としては、例えば、
（ａ）金属粉末からなる薄い層を形成する工程と、レーザービーム、電子ビームなどのエネルギービームを照射して粉末層を局所的に溶融及び凝固させる工程とを繰り返す方法、
（ｂ）所定の形状を有する薄板を重ね合わせ、拡散接合する方法
などがある。

これらの中でも、金属粉末を用いた積層造形法は、エネルギービームの照射位置を変えるだけで種々の立体的形状を形成できるという利点がある。そのため、これを例えばダイカスト金型の作製に適用すると、金型内に非直線的又は三次元的な水冷回路を自由に配置することができる。
このような金属粉末を用いた積層造形法を用いて各種の部材を効率良く製造するためには、造形領域への金属粉末の搬送を円滑に行う必要がある。しかしながら、従来の金属粉末は、凝集により搬送が困難になることがあった。

特開２０１６－１４５４０７号公報

本発明が解決しようとする課題は、凝集しにくく、積層造形機での粉末搬送を円滑に行うことが可能な積層造形用粉末を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、このような積層造形用粉末を用いて積層造形を行うダイカスト金型部品の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る積層造形用粉末は、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記積層造形用粉末は、
０．２５＜Ｃ＜０．４０ｍａｓｓ％、
０．００１≦Ｓｉ≦０．１５ｍａｓｓ％、
０．３０≦Ｍｎ≦０．４５ｍａｓｓ％、
５．０≦Ｃｒ≦５．５ｍａｓｓ％、
１．０≦Ｍｏ≦１．５ｍａｓｓ％、
０．３５≦Ｖ≦０．４５ｍａｓｓ％、
０．０１≦Ｎ≦０．０５ｍａｓｓ％、及び、
０．０１≦Ｏ≦０．０４ｍａｓｓ％
を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。
（２）前記積層造形用粉末は、表面が酸化膜で被覆されており、
前記酸化膜の厚さは、３ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。

本発明に係るダイカスト金型部品の製造方法は、本発明に係る積層造形用粉末を用いて積層造形を行い、ダイカスト金型部品を得るものからなる。

積層造形法は、部材をニアネットシェイプに製造することができるので、従来に比べて加工量を少なくすることができる。そのため、Ｓｉ量を低減しても被削性の低下によるデメリットは小さく、むしろＳｉ量の低減により熱伝導率を向上させることができる。
また、金属粉末の溶融及び凝固が局所的に行われ、凝固時に実質的に焼入が行われた状態となるため、積層造形物の焼入工程を省略することができる。また、焼入工程が不要となるため、従来、焼入時の結晶粒粗大化防止のために必要とされていたＶＣを組織中に形成する必要も無い。

さらに、所定の組成となるように成分調整された金属粉末の表面を酸化膜で被覆すると、粉末の凝集を抑制することができる。このような粉末を用いて積層造形を行うと、上述した効果が得られるだけでなく、粉末搬送を円滑に行うことができる。

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１．積層造形用粉末］
［１．１．成分］
［１．１．１．主構成元素］
本発明に係る積層造形用粉末は、以下のような元素を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。添加元素の種類、その成分範囲及びその限定理由は、以下の通りである。

（１）０．２５＜Ｃ＜０．４０ｍａｓｓ％：
Ｃは、積層造形物の硬さを上昇させ、耐ヒートチェック性向上させる作用がある元素である。高い耐ヒートチェック性を得るためには、Ｃ含有量は、０．２５ｍａｓｓ％超である必要がある。Ｃ含有量は、好ましくは、０．２８ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ｃ含有量が過剰になると、積層造形物の靱性が低下する。従って、Ｃ含有量は、０．４０ｍａｓｓ％未満である必要がある。Ｃ含有量は、好ましくは、０．３８ｍａｓｓ％以下である。

（２）０．００１≦Ｓｉ≦０．１５ｍａｓｓ％：
Ｓｉは、積層造形物の熱伝導率を低下させる作用がある元素である。高い熱伝導率を得るためには、Ｓｉ含有量は、０．１５ｍａｓｓ％以下である必要がある。
一方、Ｓｉは、脱酸剤としても機能する。Ｓｉ含有量が少なくなりすぎると、脱酸が不十分となる。従って、Ｓｉ含有量は、０．００１ｍａｓｓ％以上である必要がある。Ｓｉ含有量は、好ましくは、０．０３ｍａｓｓ％以上である。

（３）０．３０≦Ｍｎ≦０．４５ｍａｓｓ％：
Ｍｎは、焼入性を向上させる作用がある元素である。高い焼入性を得るためには、Ｍｎ含有量は、０．３０ｍａｓｓ％以上である必要がある。Ｍｎ含有量は、好ましくは、０．３３ｍａｓｓ％以上である。
一方、積層造形においては、微小領域が溶融及び凝固するために、溶融領域の冷却速度は相対的に速くなる。すなわち、積層造形においては、凝固時に実質的に焼入れが行われた状態となる。そのため、Ｍｎを必要以上に添加しても、効果に差が無く、実益がない。従って、Ｍｎ量は、０．４５ｍａｓｓ％以下である必要がある。Ｍｎ量は、好ましくは、０．４２ｍａｓｓ％以下である。

（４）５．０≦Ｃｒ≦５．５ｍａｓｓ％：
Ｃｒは、水冷回路の表面の耐錆性を向上させる作用がある元素である。高い耐錆性を得るためには、Ｃｒ含有量は、５．０ｍａｓｓ％以上である必要がある。Ｃｒ含有量は、好ましくは、５．２ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ｃｒ含有量が過剰になると、積層造形物の熱伝導率が低下する。従って、Ｃｒ含有量は、５．５ｍａｓｓ％以下である必要がある。Ｃｒ含有量は、好ましくは、５．４ｍａｓｓ％以下である。

（５）１．０≦Ｍｏ≦１．５ｍａｓｓ％：
Ｍｏは、高温耐力を向上させる作用がある元素である。高い高温耐力を得るためには、Ｍｏ含有量は、１．０ｍａｓｓ％以上である必要がある。Ｍｏ含有量は、好ましくは、１．１ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ｍｏ含有量が過剰になると、靱性が低下し、水冷回路の角部から割れが発生しやすくなる。従って、Ｍｏ含有量は、１．５ｍａｓｓ％以下である必要がある。Ｍｏ含有量は、好ましくは、１．３ｍａｓｓ％以下である。

（６）０．３５≦Ｖ≦０．４５ｍａｓｓ％：
Ｖは、積層造形物を高温で焼き戻した時に、積層造形物を２次硬化させる作用がある元素である。高硬度を得るためには、Ｖ含有量は、０．３５ｍａｓｓ％以上である必要がある。
一方、Ｖ含有量が過剰になると、凝固時に粗大な炭化物が形成されやすくなる。粗大な炭化物は、割れの起点となりやすい。従って、Ｖ含有量は、０．４５ｍａｓｓ％以下である必要がある。Ｖ含有量は、好ましくは、０．４２ｍａｓｓ％以下である。

（７）０．０１≦Ｎ≦０．０５ｍａｓｓ％：
Ｎは、不可避的に含まれることがある元素であるが、Ｃと同様に、固溶することによって硬さの向上に寄与する元素でもある。このような効果を得るためには、Ｎ含有量は、０．０１ｍａｓｓ％以上である必要がある。
一方、Ｎ含有量が過剰になると、粗大な炭窒化物が形成されやすくなる。粗大な炭窒化物は、割れの起点となりやすい。従って、Ｎ含有量は、０．０５ｍａｓｓ％以下である必要がある。

（８）０．０１≦Ｏ≦０．０４ｍａｓｓ％：
Ｏは、粉末表面に酸化物を形成することにより、粉末の凝集を抑制する作用（すなわち、積層造型機の粉末搬送性を向上させる作用）がある元素である。このような効果を得るためには、Ｏ含有量は、０．０１ｍａｓｓ％以上である必要がある。
一方、Ｏ含有量が過剰になると、酸化物層の厚さが過度に厚くなる。厚い酸化物層は、積層造形物中に酸化物を形成し、割れの起点となりやすい。従って、Ｏ含有量は、０．０４ｍａｓｓ％以下である必要がある。

［１．１．２．副構成元素］
本発明に係る積層造形用粉末は、以下のような１又は２以上の元素をさらに含んでいても良い。添加元素の種類、その成分範囲、及びその限定理由は、以下の通りである。

（９）Ｐ＜０．１０ｍａｓｓ％：
（１０）Ｃｕ＜０．２０ｍａｓｓ％：
（１１）Ｎｉ＜０．２０ｍａｓｓ％：
これらの元素は、原料のスクラップに含まれる元素であり、それぞれ、上記の含有量未満であれば含んでいても良い。

（１２）０．００１＜Ａｌ＜０．０５ｍａｓｓ％：
（１３）０．００１＜Ｚｒ＜０．０５ｍａｓｓ％：
Ａｌ及びＺｒは、それぞれ、粉末表面に緻密な酸化膜を形成する作用がある。このような効果を得るためには、Ａｌ及びＺｒの含有量は、それぞれ、０．００１ｍａｓｓ％超が好ましい。
一方、これらの元素を過剰に添加しても、酸素に対してこれらの元素の含有量が多くなり、酸化膜の形成に効果がない。従って、Ａｌ及びＺｒの含有量は、それぞれ、０．０５ｍａｓｓ％未満が好ましい。

（１４）０．００１＜Ｓ＜０．２０ｍａｓｓ％：
（１５）０．００１＜Ｐｂ＜０．２０ｍａｓｓ％：
（１６）０．００１＜Ｂｉ＜０．２０ｍａｓｓ％：
これらの元素は、快削性改善のために添加することができる。このような効果を得るためには、Ｓ、Ｐｂ及びＢｉの含有量は、それぞれ、０．００１ｍａｓｓ％超が好ましい。
一方、これらの元素の含有量が過剰になると、靱性が低下する。そのため、Ｓ、Ｐｂ、及びＢｉの含有量は、それぞれ、０．２０ｍａｓｓ％未満が好ましい。

（１７）Ｎｂ＜０．２０ｍａｓｓ％：
（１８）Ｔｉ＜０．２０ｍａｓｓ％：
（１９）Ｂ＜０．１０ｍａｓｓ％：
（２０）Ｃｏ＜０．２０ｍａｓｓ％：
これらの元素は、いずれも原料スクラップに含まれる不純物であり、それぞれ、上記の含有量未満であれば含んでいても良い。

［１．２．酸化膜］
本発明に係る積層造形用粉末は、表面が酸化膜で被覆されている。この点が従来とは異なる。粉末表面の酸化膜の厚さは、粉末搬送性及び積層造形物の靱性に影響を与える。
ここで、「酸化膜の厚さ」とは、オージェ分析により測定される深さであって、酸化物を形成していると推測される深さをいう。通常、酸化物を形成する主要な酸化物は、ＳｉＯ₂等の金属酸化物である。但し、Ａｌが添加される場合は、主要な酸化物はＡｌ₂Ｏ₃である。深さは、ＳｉＯ₂標準試料又はＡｌ₂Ｏ₃標準試料のスパッタ時間と深さの関係より算出する。

酸化膜の厚さが薄すぎると、粉末が凝集しやすくなり、粉末搬送性が低下する。従って、酸化膜の厚さは、３ｎｍ以上が好ましい。
一方、酸化膜の厚さが厚くなりすぎると、積層造形物内に粗大な酸化物が残存し、割れの起点となりやすい。従って、酸化膜の厚さは、３０ｎｍ以下が好ましい。

［１．３．平均粒径］
積層造形用粉末の平均粒径は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な値を選択することができる。一般に、最適な平均粒径は積層造型機の仕様により異なるが、積層造形用粉末の平均粒径は、通常、１μｍ～２００μｍ程度である。平均粒径は、好ましくは、１５μｍ～４５μｍ程度である。

［２．積層造形用粉末の製造方法］
本発明に係る積層造形用粉末は、例えば、
（ａ）溶湯に空気、水、不活性ガスなどのジェット流を吹き付けるアトマイズ法、
（ｂ）インゴットを機械的に粉砕する方法、
などにより製造することができる。

所望の厚さを有する酸化膜は、例えば、分級などのその後の工程で得られることを見込んで（自然酸化物が形成されることを見込んで）、溶湯中の酸素量を調整することで得られる。また、粉末を一定の酸素分圧の雰囲気中で加熱することによっても得られる。

［３．ダイカスト金型部品］
本発明に係るダイカスト金型部品は、本発明に係る積層造形用粉末を用いて積層造形されたものからなる。
このようなダイカスト金型部品としては、例えば、入れ子、鋳ぬきピン、中子などがあるなどがある。
また、このような部品を用いて製造されるダイカスト部品としては、例えば、エンジンブロック、トランスミッションケース、サスペンションタワーなどがある。

本発明に係るダイカスト金型部品は、具体的には、
（ａ）本発明に係る積層造形用粉末からなる薄い粉末層を形成する工程と、
（ｂ）粉末層にレーザービームや電子ビームなどのエネルギービームを照射し、粉末層を局所的に溶融及び凝固させる工程と、
を繰り返すことにより製造することができる。
また、このようにして得られたダイカスト金型部品に対し、必要に応じて、５００℃～７００℃で焼戻しを行っても良い。
積層造型機の種類、及び積層造形の条件、並びに、焼戻しに関するその他の条件は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。

［４．作用］
積層造形法は、部材をニアネットシェイプに製造することができるので、従来に比べて加工量を少なくすることができる。そのため、Ｓｉ量を低減しても被削性の低下によるデメリットは小さく、むしろＳｉ量の低減により熱伝導率を向上させることができる。
また、金属粉末の溶融及び凝固が局所的に行われ、凝固時に実質的に焼入が行われた状態となるため、積層造形物の焼入工程を省略することができる。また、焼入工程が不要となるため、従来、焼入時の結晶粒粗大化防止のために必要とされていたＶＣを組織中に形成する必要も無い。

（実施例１～２０、比較例１～５）
［１．試料の作製］
［１．１．積層造形用粉末の作製］
所定の組成となるように配合された原料を用いて、アトマイズ法により粉末を作製した。次に、比較例１を除いて、得られた粉末に対して酸化処理を施し、粉末表面に所定の厚さの酸化膜を形成した。表１に、得られた積層造形用粉末の組成を示す。

［１．２．積層造形物の作製］
積層造形用粉末を用いて、積層造形物を作製した。積層造型機には、コンセプトレーザー社のＭ２を用いた。

［２．試験方法］
［２．１．敷き詰め性］
積層造形においては、レーザービームの照射前に造形領域に金属粉末を敷き詰める。その時の一様性を目視で評価した。「○」は、粉末層表面に凹凸がない状態であることを表す。また、「×」は、粉末層表面が凝集した粉末により盛り上がっていたり、粉末供給が不十分でへこんでいることを表す。

［２．２．造形まま硬さ］
積層造形物（焼戻し無し）の硬さをロックウェルＣスケールで測定した。
［２．３．衝撃値］
積層造形物（焼戻し無し）から２ｍｍＵノッチのシャルピー衝撃試験片を作製した。得られた試験片を用いて、衝撃値を測定した。測定試験機は、ＪＩＳＢ７７２２に準拠したものを使用し、測定条件は、室温での測定とした。

［２．４．耐ヒートチェック性］
積層造形物（焼戻し無し）から、φ７０ｍｍの円柱状試験片を作製した。その平面を高周波加熱により５８０℃に加熱する工程と、水冷する工程とを、試験片表面に亀裂が発生するまで繰り返した。亀裂発生時の繰り返し回数を耐ヒートチェック性の指標とした。

［２．５．熱伝導率］
積層造形物（焼戻し無し）からφ１０×２ｍｍの試験片を切り出した。得られた試験片を用いて、レーザーフラッシュ法により熱伝導率を測定した。密度が既知の黒化した試験片にレーザーを照射し、温度上昇から比熱、熱拡散率を測定し、熱伝導率を算出した。測定条件は、室温とした。
［２．６．酸化膜厚み］
各粉末について、オージェ分析により酸化膜厚みを測定した。

［３．結果］
表２に、結果を示す。表２より、以下のことが分かる。
（１）比較例１は、敷き詰め性が低い。これは、粉末表面の酸化膜厚みが薄すぎるために、粉末が凝集したためと考えられる。
（２）比較例２は、造形まま硬さが低く、耐ヒートチェック性も低い。これは、Ｃ含有量が少ないためと考えられる。
（３）比較例３は、衝撃値が低い。これは、Ｖ量が過剰であるために、粗大な炭化物が生成したためと考えられる。

（４）比較例４は、熱伝導率が低い。これは、Ｓｉ量が過剰であるためと考えられる。
（５）比較例５は、衝撃値が低い。これは、Ｏ量が過剰であるため（すなわち、粉末表面に過剰の酸化膜が形成されたため）と考えられる。
（６）実施例１～２０は、いずれも、敷き詰め性が良好であり、造形まま硬さが高く、耐ヒートチェック性に優れ、衝撃値が高く、かつ、熱伝導率も高い。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

本発明に係る積層造形用粉末は、ダイカスト金型部品の積層造形に用いることができる。

Claims

以下の構成を備えた積層造形用粉末。
（１）前記積層造形用粉末は、
０．２５＜Ｃ＜０．４０ｍａｓｓ％、
０．００１≦Ｓｉ≦０．１５ｍａｓｓ％、
０．３０≦Ｍｎ≦０．４５ｍａｓｓ％、
５．０≦Ｃｒ≦５．５ｍａｓｓ％、
１．０≦Ｍｏ≦１．５ｍａｓｓ％、
０．３５≦Ｖ≦０．４５ｍａｓｓ％、
０．０１≦Ｎ≦０．０５ｍａｓｓ％、及び、
０．０１≦Ｏ≦０．０４ｍａｓｓ％
を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。
（２）前記積層造形用粉末は、表面が酸化膜で被覆されており、
前記酸化膜の厚さは、３ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。
Ｐ＜０．１０ｍａｓｓ％、
Ｃｕ＜０．２０ｍａｓｓ％、及び
Ｎｉ＜０．２０ｍａｓｓ％
からなる群から選ばれるいずれか１以上をさらに含む請求項１に記載の積層造形用粉末。
０．００１＜Ａｌ＜０．０５ｍａｓｓ％、及び／又は、
０．００１＜Ｚｒ＜０．０５ｍａｓｓ％
をさらに含む請求項１又は２に記載の積層造形用粉末。
０．００１＜Ｓ＜０．２０ｍａｓｓ％、
０．００１＜Ｐｂ＜０．２０ｍａｓｓ％、及び、
０．００１＜Ｂｉ＜０．２０ｍａｓｓ％
からなる群から選ばれるいずれか１以上をさらに含む請求項１から３までのいずれか１項に記載の積層造形用粉末。
Ｎｂ＜０．２０ｍａｓｓ％、
Ｔｉ＜０．２０ｍａｓｓ％、
Ｂ＜０．１０ｍａｓｓ％、及び、
Ｃｏ＜０．２０ｍａｓｓ％
からなる群から選ばれるいずれか１以上をさらに含む請求項１から４までのいずれか１項に記載の積層造形用粉末。
前記酸化膜は、ＳｉＯ ₂ を含む請求項１から５までのいずれか１項に記載の積層造形用粉末。
前記酸化膜の厚さは、６ｎｍ以上３０ｎｍ以下である請求項１から６までのいずれか１項に記載の積層造形用粉末。
請求項１から７までのいずれか１項に記載の積層造形用粉末を用いて積層造形を行い、ダイカスト金型部品を得るダイカスト金型部品の製造方法。
前記ダイカスト金型部品は、熱伝導率が３０．２Ｗ／ｍ・Ｋ以上である請求項８に記載のダイカスト金型部品の製造方法。