JP7817536B2 - ステンレス鋼・高合金製部品の製造方法及びステンレス鋼・高合金製部品 - Google Patents

Description

本発明は、ステンレス鋼・高合金製部品の製造方法及びステンレス鋼・高合金製部品について、高強度・高耐食性の寸法精度に優れる部品に関する。

近年、金属３次元積層造形技術は複雑形状部品等への革新的な生産方法として期待され、様々な生産技術が提案されている。特に原料が高価で高強度・高耐食性を有し、冷間加工性が悪いステンレス鋼や高合金製の製品では、従来の切削加工に依存した部品成型方法に対して大きな効果が期待され、中でも高生産性のアーク溶接による３次元積層造形を適用することで画期的な生産性を発揮できる可能性がある。しかしながら、アーク溶接による３次元積層造形方法では適切なベースプレートが必要であって積層造形後にベースプレートを切り離す必要があること、又は熱歪みが生じること、若しくは加工精度が悪い等のデメリットが指摘されている。

そのため、例えば、アーク溶接による３次元積層造形技術において、ベースプレート上に異種の溶材を使用して１層目と２層目で積層造形条件を変更することで、３次元積層造形後にベースプレートから積層造形物を切り離しが容易な技術が提案されている（特許文献１）。

また、溶接等による３次元積層造形した直後に同一領域で切削加工して精度の高い部品を得る複合加工技術が提案されている（例えば、特許文献２）。
更に冷間鍛造とレーザー溶接，切削加工を組み合わせた効率的な部品の成型技術が提案されている（例えば、特許文献３）。但し、部品点数が多く溶接個所が多くて生産性が低くなる課題がある。

以上のように生産性を向上させる技術が従来提案されているが、これらの手法でも十分な生産性が確保できず、従来の鍛造加工や切削加工に比べて効率が必ずしも高いとはいえない。

特開２０１７－１４４４４７号公報 特許第６１９９５１１号公報 特開２０２１－３８４３９号公報

本発明者はこれまでのアーク溶接による３次元積層造形において、生産性を上げて寸法精度の高い製品を安価に製造するにあたって、解決すべき課題を認識した。
まず、３次元積層技術において、３次元積層造形後に切り離す必要のあるベースプレートを使用しない加工技術が必要になる。

また、アーク溶接による３次元積層造形では熱歪みによる製品の変形が生じて寸法精度が劣化するため、熱歪みを低減することが必要になる。
更には、製品の表面や寸法精度を向上することが必要になる。

本発明は、ステンレス鋼や高合金の冷間鍛造，切削加工と合わせてアーク溶接による３次元積層造形を行うことで、アーク溶接による金属３次元積層造形を伴う部品の生産性や寸法精度を飛躍的に向上させることのできる、ステンレス鋼・高合金製部品の製造方法及びステンレス鋼・高合金製部品を提供することを目的とする。

即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
［１］冷間成形部と３次元積層造形部からなる、ステンレス鋼・高合金製部品の製造方法において、冷間鍛造、又は冷間プレスにて厚さが６ｍｍ以上の部分を有する前記冷間成形部を形成し、その後、前記冷間成形部の厚さ６ｍｍ以上の部分の上にステンレス鋼・高合金製の溶材によるアーク溶接にて厚さが１０ｍｍ以下で３次元積層造形を施して前記３次元積層造形部を形成することを特徴とするステンレス鋼・高合金製部品の製造方法。
［２］前記３次元積層造形部を切削加工又は研削加工仕上げすることを特徴とする［１］に記載のステンレス鋼・高合金製部品の製造方法。
［３］冷間成形部と３次元積層造形部からなる、ステンレス鋼・高合金製部品の製造方法において、冷間鍛造、又は冷間プレスにて厚さが４ｍｍ以上の部分を有する前記冷間成形部を形成し、その後、前記冷間成形部の厚さ４ｍｍ以上の部分の上にステンレス鋼・高合金製の溶材によるアーク溶接にて厚さ１２ｍｍ以下の３次元積層造形を施して前記３次元積層造形部を形成し、３次元積層造形開始から６０ｓ経過するまでに３次元積層造形した部分に水溶性の冷却媒体を掛けて冷却し、その後、前記３次元積層造形部を切削加工又は研削加工仕上げすることを特徴とするステンレス鋼・高合金製部品の製造方法。
［４］前記溶材がステンレス鋼製溶材であり、前記溶材のＣ含有量が０．１５質量％以下、Ｃｒ含有量が１０～３０質量％であることを特徴とする請求項［１］～［３］のいずれか１つに記載のステンレス鋼・高合金製部品の製造方法。

［５］冷間成形部と３次元積層造形部からなる部品であって、前記冷間成形部のうち前記３次元積層造形部が配置された部分の肉厚が４ｍｍ以上であり、前記３次元積層造形部は、その肉厚が１２ｍｍ以下、積層造形間隔が２ｍｍ以下であり、部品表面の一部が切削加工又は研削加工仕上げとなっていることを特徴とするステンレス鋼・高合金製部品。
［６］前記冷間成形部と前記３次元積層造形部の一方または両方がステンレス鋼製であり、Ｃ含有量が０．１５質量％以下、Ｃｒ含有量が１０～３０質量％の成分を有することを特徴とする［５］に記載のステンレス鋼・高合金製部品。
［７］前記３次元積層造形部と前記冷間成形部の界面付近の平均の残留応力が５００ＭＰａ以下であることを特徴とする［５］又は［６］に記載のステンレス鋼・高合金製部品。

冷間成形部と３次元積層造形部からなる本発明のステンレス鋼・高合金製部品は、アーク溶接による金属３次元積層造形を伴うステンレス鋼や高合金製の部品であり、冷間成形と切削加工と合わせて製造工程を最適に配分化させることにより、部品の高生産性と寸法精度を具備させることができ、安価に積層造形品を製造することができる。

冷間成形部と３次元積層造形部からなる部品を示す図であり、下側に円盤状の冷間成形部と上側に円筒形の３次元積層造形部を有する例を示す図である。

図１に記載の部品にさらに切削加工を行った部品を示す図であり、（Ａ）は切削加工前後の関係を示す図、（Ｂ）は切削加工後の形状及び冷間成形部と３次元積層造形部の界面付近における残留応力測定位置と残留応力の測定方向を示す図である。

部品の断面埋め込み研磨面のエッチング後の３次元積層造形部のマクロな金属組織写真であり、積層造形のピッチを表す図である。

冷間成形部と３次元積層造形部からなるステンレス鋼・高合金製部品の代表的な金属組織を示す写真であり、（Ａ）は冷間成形部の金属組織の写真、（Ｂ）は３次元積層造形部の金属組織の写真を示す図である。

図１～図４に基づいて本発明の説明を行う。
本発明は、冷間成形部１と３次元積層造形部２からなる、ステンレス鋼・高合金製部品及びその製造方法に関するものである。冷間鍛造、又は冷間プレスにて形成した冷間成形部１と、ステンレス鋼、高合金製の溶材を用いたアーク溶接により３次元積層造形を実施して形成した３次元積層造形部２を有する。これにより、高精度な高強度・高耐食性の複雑形状部品を安価且つ高効率に製造することにある。ここで３次元積層造形部２とは、溶着物が積層造形されてなり、積層造形部が３次元の形状を構成している部分を意味する。３次元積層造形部２はその金属組織がデンドライト組織を示すことにより、溶着物が積層されたものであることを判別することができる。

３次元積層造形部２は、金属ワイヤを溶材として用いる金属３Ｄプリンタによって、溶着積層造形して形成することができる。例えば、ロボットのＭＩＧアーク溶接機を使用して、ステンレス鋼・高合金製ワイヤの溶材を用い、図１に示す溶着方向１１に渦巻き状に連続して積層しつつ繰り返し溶着し、図１に示す積層方向１２に積層することにより、３次元造形し、図１に示すような中空の円柱からなる３次元積層造形部２を製造する。

ここで、溶着積層造形における「積層方向１２」について定義する。造形品に固定した座標系において、溶接機の移動方向が溶着方向１１であり、溶着物１３は溶着方向１１に線状に配置され、層１６を形成する。すでに溶着が完了した線状の層１６（溶着物１３）にさらに溶着を繰り返す。図１に記載の場合は、前回溶着した溶着物１３の上に、新たな溶着物１３を形成する。これを順次繰り返すことにより、層１６（溶着物１３）が積み重なった積層構造が形成される。層１６と層１６の界面を積層界面１５と呼ぶ。ここにおいて、層１６（溶着物１３）が順次積み上がる方向を「積層方向１２」と呼ぶ。３次元積層造形部２は通常は「面」状に形成され、この面をここでは「積層面１４」と呼ぶ。図１に示す例では、積層面１４は円筒面を形成している。溶着方向１１と積層方向１２はいずれも当該積層面１４に平行であり、積層方向１２は溶着方向１１と直交する。

また、このようにして製造したステンレス鋼・高合金製部品の３次元積層造形部２を切削加工又は研削加工仕上げすることを特徴とする。

本発明において、従来の切削加工品に対して経済合理性を発揮するためには、素材歩留まりの観点から素材自身が冷間成形性，溶接性を有する必要があり、主にステンレス鋼やＦｅ，Ｎｉ，Ｃｒを主に含有する高価な高合金素材を使用して高合金製とすることが好適であることに着想して本発明に至ったものである。

その上で、従来のベースプレートに替えて、素材の冷間鍛造等の冷間成形品を使用して部品の一部を構成する冷間成形部１とすることで、ベースプレートとの分離作業を省略できて部品成型性の効率化が図れること、更には冷間成形部１のサイズと冷間成形部１の上部に形成される３次元積層造形部２のサイズを規定することで熱歪みを抑制でき、切削加工と合わせると精度の高い複雑部品が製造可能になることがわかった。
以下、詳細に説明する。

素材の限定理由について、素材の歩留まりの観点から合金元素を多く含有するステンレス鋼や高合金が好ましく、特に高硬度・耐食性且つ冷間成形の観点からステンレス鋼や高合金が好ましく、本発明の対象素材とした。ここで高合金製とは、高価なＣｒ，Ｎｉ，Ｍｏを主要元素として含有する合金を意味する。

本発明において、最初に冷間鍛造、冷間プレス等の冷間成形で冷間成形部１を形成し、冷間成形部１を部品製品の一部として、これを、その上にアーク溶接による３次元積層造形部２を形成するための基板とする。この時、冷間成形部１のうち３次元積層造形部２を積層する部分の厚さが６ｍｍ未満と薄いと、次工程のアーク溶接による３次元積層造形時に熱歪みが発生し、部品の変形に繋がる。そのため、最初に製造する冷間成形部１の当該部分の厚さは６ｍｍ以上（好ましくは８ｍｍ以上）の部品に限定する。

次に前項の冷間成形部１で厚さが６ｍｍ以上の部分の上にアーク溶接による積層造形を実施する。この時、３次元積層造形部２の厚さが１０ｍｍよりも厚い場合には３次元積層造形部２から冷間成形部１へ伝わる熱量が大きいため、冷間成形部１の熱歪みが大きく、部品の変形が大きくなる。そのため、３次元積層造形部２の厚さが１０ｍｍ以下（好ましくは８ｍｍ以下）に限定する。なお、冷間成形部１と３次元積層造形部２の成分は必ずしも一致する必要がなく、ステンレス鋼又は高合金の範囲内であれば本発明の効果は発揮される。

前記に示す、アーク溶接によって積層造形した３次元積層造形部２は寸法精度が悪いので、±０．５ｍｍの寸法精度にするために必要に応じて切削加工又は研削加工仕上げすることが好ましい。図２（Ａ）は切削加工前後の関係を示す図であり、切削加工前の３次元積層造形部２が２点鎖線、３次元積層造形部の表面切削加工部３が実線で記述されている。図２（Ｂ）は切削加工後の形状を示す図である。寸法精度が必要な部位については切削代又は研削代が１．５ｍｍ以下であれば十分である。そのため、部品の切削加工又は研削加工を施した場合にはその部分の厚さに３ｍｍを足した値が、アーク溶接によって積層造形した３次元積層造形部２の厚さと推定できる。

３次元積層造形を開始すると積層造形物の熱が冷間成形部１に伝達して熱歪みが発生し、部品の変形に繋がり易い。熱の伝達を防止するために積層造形後に速やかに水溶性の冷却媒体を掛けて急冷することが好ましい（積層造形を開始後６０ｓ以下が好ましい）。この場合、前記の熱歪みが発生し難いため、前記の冷間成形部１のうち３次元積層造形部２が配置される部分の厚さを４ｍｍ以上（好ましくは６ｍｍ以上）まで薄厚化方向に拡大し、３次元積層造形部２の厚さを１２ｍｍ以下（好ましくは１０ｍｍ以下）に範囲を拡大することができる。水溶性の冷却媒体として、水、あるいは水溶性潤滑剤、水性潤滑剤等を用いることができる。

本発明のステンレス鋼・高合金製部品がステンレス鋼製である場合、高硬度・耐食性・冷間成形性の観点から特にＣｒを１０質量％以上、Ｃを０．１５質量％以下に含有するステンレス鋼が好ましい。一方、Ｃｒが３５質量％を超え、あるいはＣが０．１５質量％を超えるステンレス鋼や高合金になると冷間成形性に劣るため本発明のニアネット鍛造による３次元積層造形の基盤を製造し難くなり、又は、熱歪みが大きくなる。高硬度・高耐食性の部品で本発明の効果を発揮させるためにはＣｒが１０％質量以上、３５質量％以下、Ｃが０．１５質量％以下（好ましくは０．１２質量％以下）を含有するステンレス鋼や高合金が好ましい。
本発明のステンレス鋼・高合金製部品が高合金製である場合、例えば、Ｃｒが１５～３５質量％（好ましくは２０～３０質量％）、Ｎｉが５～８０質量％以下（好ましくは８～５０質量％）、Ｍｏが１０質量％以下（好ましくは７質量％以下）の高価な元素を主に含有し、Ｃが０．１５質量％以下、Ｎが０．４質量％以下、Ｆｅが５０質量％以下で、その他Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｗ，Ｃｏ，Ｎｂ，Ｖ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｂ，Ｎ，ＲＥＭ等の元素を３．質量％以下含有する高合金が好ましい。

前記理由から本発明の冷間成形と３次元積層造形、積層後の急冷、切削・研削加工の複合加工製法で製造された部品は高硬度・高耐食性を有して優れた寸法精度を有する。すなわち、該部品の冷間成形部のうち前記３次元積層造形部２が配置された部分の肉厚が４ｍｍ以上、３次元積層造形部２の肉厚が１２ｍｍ以下の部品である。この時、入熱量を規制するため積層造形間隔（積層方向１２における積層界面５の間隔）は２ｍｍ以下であることが好ましい（１．５ｍｍ以下が更には好ましい）。更には、３次元積層造形部２を中心に切削若しくは研削加工仕上げすると部品の寸法精度（±０．５ｍｍ）が向上する。なお、冷間成形部１および３次元積層造形部２若しくは積層造形の間隔については、断面を鏡面研磨してエッチングすることで冷間加工のメタルフローを有する冷間成形部１、積層造形間隔毎の凝固組織を有する３次元積層造形部２を判別できる。切削若しくは研削加工部は表面拡大鏡又はＳＥＭ観察により部品表面に機械加工ラインを観察することで確認できる。以上の要件を示す本発明の複雑形状部品は安価な製造コストで高硬度・高耐食性・高寸法精度を有する特徴を有する。

熱歪みによる部品の変形を防止すると供に、特に部品の耐久性（疲労や遅れ破壊等の防止）のためには冷間成形部１と３次元積層造形部２の接合界面付近の残留応力の低減が必要になる。最大の残留応力が５００ＭＰａを超えると界面の疲労や遅れ破壊等の耐久性劣化につながる。そのため５００ＭＰａ以下に制限する。好ましくは３００ＭＰａ以下である。本発明の手法により製造することで該残留応力の低減が可能になる。

４５ｋｇの真空溶解炉にて表１に示すＮｉ，Ｃｒ等の主要な合金元素を含有する金属を溶解し、熱間鍛造によりφ６０ｍｍ棒鋼とし、一部については焼鈍と切削加工を施して冷間プレス用の試験片φ４８ｍｍ×５～１７ｍｍを作製した。φ６０ｍｍ棒鋼の残部については熱間押し出しにより直径１１ｍｍの線材に加工し、伸線と焼鈍を繰り返してφ１．２ｍｍの金属ワイヤとし、ＭＩＧアーク溶接用の溶材として用いた。

冷間プレス用の試験片は、最初に１０００ｔ平面プレスにより冷間で厚さ３～１０ｍｍの円盤状に冷間圧縮成型し、端面を機械加工してφ６０ｍｍ－高さ３～１０ｍｍの円盤状の冷間成形部１とし、この上に３次元積層造形部２を形成するための基板を作製した。

その後、ロボットのＣＭＴのアーク溶接機を使用し、先の冷間成形部１（直径φ６０ｍｍ－３～１０ｍｍ厚）上に、図１に示すように、各種試作した金属ワイヤを溶材として、図１に示す溶着方向１１に渦巻状に連続して積層しつつ繰り返し溶着し、冷間成形部１と垂直方向（積層方向１２）に積層造形することにより高さ１０～３０ｍｍの円筒形（平均径３０ｍｍ）に３次元造形を行い、冷間成形部１と３次元積層造形部２の複合加工物を形成した。この時、アーク溶接機のヘッド移動速度，ワイヤ供給量を変化させて３次元積層造形部２の厚さと積層造形間隔を変化させた。また、一部については積層造形を開始してから６０ｓ以内に水溶性の冷却媒体として水を噴射させて部品を急冷させた。

アークによる溶着条件として、Ａｒ＋３％酸素のシールドガスを用い、溶接電流２００Ａ、アーク電圧２０Ｖとし、アーク溶接のヘッド移動速度は１０～３０ｍｍ／ｓ、溶材供給速度は２～８ｋｇ／ｈとした。

常温まで冷却された成形部品について、３次元積層造形部２の外周を、切り込み１ｍｍ，送り０．１ｍｍ／ｒｅｖ．，切削速度１００ｍ／ｍｉｎ，湿式の条件で切削加工仕上げを行って、図２（Ｂ）に示すような仮想の部品に仕上げた。該切削仕上げの箇所の寸法精度は０．５ｍｍ以下に十分に入る。

成形部品について、３次元積層造形部２の厚さを測定し、また熱歪み，冷間成形部１と３次元積層造形部２の界面近傍の割れ有無および残留応力，金属組織および積層造形間隔を評価した。

熱歪みは、成型部品の基盤（冷間成形部１）部分（φ６０－３～１０ｍｍ）の底を平面の床に接して置いて、基盤周囲と床部との隙間の最大長さを測定した。すなわち熱歪みが大きいと基盤が変形して隙間が大きくなり、成型部品の寸法精度が悪くなる。隙間が１ｍｍ超の場合を×、１ｍｍ以下で０．５ｍｍ超の場合を〇、０．５ｍｍ以下の場合を◎として評価した。

３次元積層造形部２と冷間成形部１の界面付近の割れの有無は、拡大鏡での観察で行って有無を確認し、割れ観察の場合を×、割れ観察なしの場合を〇として評価した。

３次元積層造形部２と冷間成形部１の界面近傍の残留応力について、図２（Ｂ）に「Ｘ線による残留応力測定位置および残留応力の測定方向４」として示すように、界面から５ｍｍ離れた冷間成形部１の表層部の位置においてφ１ｍｍにＸ線を絞ったＸ線応力測定法により円盤表層の円周方向に垂直な方向で測定した。引張の残留応力が５００ＭＰａを超える場合を残留応力×、５００ＭＰａ以下で３００ＭＰａ超の場合を残留応力〇、３００ＭＰａ以下の場合を残留応力◎とした。なお、切削加工部の表面は加工変質層の影響を受けるため界面から５ｍｍ離れた冷間成形部仕上げの表層の残留応力を測定した。

積層造形間隔は、３次元積層造形部２を積層方向に平行で埋め込み鏡面研磨して、しゅう酸電解エッチによりエッチングして図３に示すようにエッチングのマクロパターンによって積層界面５を現出し、積層界面５の間隔により積層造形間隔を求めた。また、３次元積層造形部は図４（Ｂ）に示すようにデンドライト組織を示し、冷間成形部は図４（Ａ）に示すようにメタルフローを有する冷間加工組織を示す。本発明の積層造形間隔は２ｍｍ以下であった。

表２の本発明例Ｎｏ．１～１５は、積層造形後の水冷有無材について冷間成形部１の厚さ、３次元積層造形部２の厚さが本発明範囲内であり、本発明の製造方法を適用した結果として、熱歪みも少なく、割れなく、残留応力も低く、寸法精度に優れることを確認した。

なお、本発明例Ｎｏ．１，１３は冷間成形部１の厚さが小さく、本発明例Ｎｏ．３，１５は３次元積層造形部２の厚さが大きく、本発明例Ｎｏ．５，７は素材のＣ量が高いため、熱歪み、残留応力が大きい傾向にあった。

表２の比較例Ｎｏ．１～Ｎｏ．１３は冷間成形部１の厚さ、３次元積層造形部２の厚さが本発明の範囲外であり、熱歪みが大きく、残留応力が高く、寸法精度に劣る。また、Ｃ量の高い比較例Ｎｏ．６～９ではその傾向が顕著であり、比較例Ｎｏ．６、８では界面付近で割れも発生した。

１ 冷間成形部
２ ３次元積層造形部
３ ３次元積層造形部の表面切削加工部
４ Ｘ線による残留応力測定位置および残留応力の測定方向
５ 積層界面
１１ 溶着方向
１２ 積層方向
１３ 溶着物
１４ 積層面
１６ 層

Claims (7)

1. 冷間成形部と３次元積層造形部からなる、ステンレス鋼・高合金製部品の製造方法において、冷間鍛造、又は冷間プレスにて厚さが６ｍｍ以上の部分を有する前記冷間成形部を形成し、その後、前記冷間成形部の厚さ６ｍｍ以上の部分の上にステンレス鋼・高合金製の溶材によるアーク溶接にて厚さが１０ｍｍ以下で３次元積層造形を施して前記３次元積層造形部を形成することを特徴とするステンレス鋼・高合金製部品の製造方法。
2. 前記３次元積層造形部を切削加工又は研削加工仕上げすることを特徴とする請求項１に記載のステンレス鋼・高合金製部品の製造方法。
3. 冷間成形部と３次元積層造形部からなる、ステンレス鋼・高合金製部品の製造方法において、冷間鍛造、又は冷間プレスにて厚さが４ｍｍ以上の部分を有する前記冷間成形部を形成し、その後、前記冷間成形部の厚さ４ｍｍ以上の部分の上にステンレス鋼・高合金製の溶材によるアーク溶接にて厚さ１２ｍｍ以下の３次元積層造形を施して前記３次元積層造形部を形成し、３次元積層造形開始から６０ｓ経過するまでに３次元積層造形した部分に水溶性の冷却媒体を掛けて冷却し、その後、前記３次元積層造形部を切削加工又は研削加工仕上げすることを特徴とするステンレス鋼・高合金製部品の製造方法。
4. 前記溶材がステンレス鋼製溶材であり、前記溶材のＣ含有量が０．１５質量％以下、Ｃｒ含有量が１０～３０質量％であることを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか１項に記載のステンレス鋼・高合金製部品の製造方法。
5. 冷間成形部と３次元積層造形部からなる部品であって、前記冷間成形部のうち前記３次元積層造形部が配置された部分の肉厚が４ｍｍ以上であり、前記３次元積層造形部は、その肉厚が１２ｍｍ以下、積層造形間隔が１ｍｍ以上２ｍｍ以下であり、部品表面の一部が切削加工又は研削加工仕上げとなっていることを特徴とするステンレス鋼・高合金製部品。
6. 前記冷間成形部と前記３次元積層造形部の一方または両方がステンレス鋼製であり、Ｃ含有量が０．１５質量％以下、Ｃｒ含有量が１０～３０質量％の成分を有することを特徴とする請求項５に記載のステンレス鋼・高合金製部品。
7. 前記３次元積層造形部と前記冷間成形部の界面付近の平均の残留応力が５００ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のステンレス鋼・高合金製部品。