KR20200019592A

KR20200019592A - 조형물의 제조 방법 및 조형물

Info

Publication number: KR20200019592A
Application number: KR1020197012177A
Authority: KR
Inventors: 히로아키 모토야마; 다카노리 오오타키
Original assignee: 스미또모 덴꼬 쇼오께쯔 고오낑 가부시끼가이샤
Priority date: 2017-06-15
Filing date: 2018-06-06
Publication date: 2020-02-24
Also published as: DE112018003020T5; US20190263056A1; CN109963671B; JP7029623B2; WO2018230421A1; US11331850B2; KR102390081B1; CN109963671A; JPWO2018230421A1

Abstract

고속도강의 분말을 준비하는 공정과, 상기 분말을 깔아 채움으로써 분말층을 형성하는 공정과, 상기 분말층에 레이저광을 주사하면서 조사함으로써 상기 분말을 결합한 고화층을 형성하는 공정과, 상기 분말층을 형성하는 공정과 상기 고화층을 형성하는 공정을 순차 반복함으로써 상기 고화층을 적층하여 조형물을 조형하는 공정을 구비하고, 상기 레이저광의 에너지 밀도를 60 J/㎣ 이상 600 J/㎣ 미만으로 하는 조형물의 제조 방법.

Description

조형물의 제조 방법 및 조형물

본 발명은 조형물의 제조 방법 및 조형물에 관한 것이다.

본 출원은 2017년 6월 15일자 일본국 출원인 특원 2017-117487호에 기초한 우선권을 주장하며, 상기 일본국 출원에 기재된 모든 기재 내용을 원용하는 것이다.

금속 분말을 적층하여 조형하는 기술이 예컨대 특허문헌 1∼3에 기재되어 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허공개 2011-21218호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허공개 2017-25401호 공보 특허문헌 3 : 일본 특허공개 2017-20081호 공보

본 개시의 조형물의 제조 방법은,

고속도강의 분말을 준비하는 공정과,

상기 분말을 깔아 채움으로써 분말층을 형성하는 공정과,

상기 분말층에 레이저광을 주사하면서 조사함으로써 상기 분말을 결합한 고화층을 형성하는 공정과,

상기 분말층을 형성하는 공정과 상기 고화층을 형성하는 공정을 순차 반복함으로써 상기 고화층을 적층하여 조형물을 조형하는 공정을 구비하고,

상기 레이저광의 에너지 밀도를 60 J/㎣ 이상 600 J/㎣ 미만으로 한다.

본 개시의 조형물의 제조 방법은,

평균 입자경이 20 ㎛ 이상 60 ㎛ 이하인 고속도강의 분말과 고속도강의 모재를 준비하는 공정과,

상기 모재 상에 상기 분말을 상기 평균 입자경의 1배 이상 3배 이하의 적층 피치로 깔아 채움으로써 분말층을 형성하는 공정과,

상기 분말층에 출력이 100 W 이상 300 W 이하인 레이저광을 주사하면서 조사함으로써 상기 분말을 결합한 고화층을 형성하는 공정과,

상기 분말층을 형성하는 공정과 상기 고화층을 형성하는 공정을 순차 반복함으로써 상기 모재 상에 상기 고화층을 적층하여 조형물을 조형하는 공정을 구비하고,

상기 레이저광의 에너지 밀도가 이하의 식을 만족한다.

60 J/㎣≤P/(v×s×t)<600 J/㎣

P: 레이저광의 출력(W)

v: 레이저광의 주사 속도(mm/s)

s: 레이저광의 주사 피치(mm)

t: 적층 피치(mm)

본 개시의 조형물은 고속도강으로 형성된 복수의 층이 적층된 적층부를 갖는다.

도 1은 시료 No. 1-3의 단면의 반사 전자상을 도시하는 도면이다.
도 2는 시료 No. 1-7의 단면의 반사 전자상을 도시하는 도면이다.
도 3은 시료 No. 1-9의 단면의 반사 전자상을 도시하는 도면이다.
도 4는 실시형태에 따른 조형물의 단면을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 5는 시료 No. 2-1에 관해서 모재와 적층부의 계면 근방의 단면의 반사 전자상을 도시하는 도면이다.

특허문헌 1∼3에 기재되어 있는 것과 같이, 금속 분말을 재료에 이용하여 3차원 형상의 조형물을 조형하는 적층 조형 장치(소위, 금속 3D 프린터)가 실용화되어 널리 이용되고 있다. 금속 3D 프린터에 의한 적층 조형 방법의 일례로서는, 금속 분말을 균일하게 깔아 채워 분말층을 형성하고, 분말층의 소정 영역에 레이저광을 조사하면서 주사(스캔)하여 금속 분말을 선택적으로 소결 또는 용융시켜 고화층을 형성한다. 그리고, 이 공정을 반복함으로써 1층씩 고화층을 겹쳐 쌓고, 복수의 고화층을 적층하여 일체화함으로써 3차원 형상의 조형물을 조형한다.

[본 개시가 해결하고자 하는 과제]

적층 조형 방법에서는, 소정 형상의 금속 조형물을 비교적 단시간에 높은 정밀도로 제작할 수 있기 때문에, 앞으로 점점 더 이용이 많아질 것이 기대된다. 그러나, 적층 조형 방법에 사용할 수 있는 금속 재료는 지금으로선 한정되어 있으며, 철계 재료의 경우, 조형 용이성 때문에, 마에이징강이나 스테인리스강이 사용되고 있다. 그 때문에, 사용 가능한 철계 재료의 종류가 적고, 사용 용도가 한정되어 있는 것이 현재 실정이다.

금속 분말을 적층하여 조형하는 기술을, 고경도이며 내마모성이 요구되는 부품이나 금형(예, 분말 야금에 이용되는 금형)에 응용하고 싶다고 하는 요구가 있고, 고속도공구강(본 명세서에서는 「고속도강」이라고 부른다)의 분말을 재료에 사용할 것이 요구되고 있다. 그러나, 고속도강의 분말은 재료로서 사용되고 있지 않아, 고속도강의 분말을 적층하여 조형하는 방법은 아직 확립되어 있지 않은 것이 실정이다.

본 개시는, 고속도강의 분말을 재료로 하는 조형물의 제조 방법을 제공하는 것을 목적의 하나로 한다. 또한 본 개시는, 분말을 적층하여 조형된 고속도강의 조형물을 제공하는 것을 다른 목적의 하나로 한다.

[본 개시의 효과]

본 개시의 조형물의 제조 방법은 고속도강의 분말을 재료에 이용하는 것이 가능하다. 본 개시의 조형물은 고속도강으로 형성되어 있다.

[본 발명의 실시형태의 설명]

본 발명자들이 예의 연구한 결과, 고속도강의 분말은 조형이 곤란하다고 하는 지견을 얻었다. 고속도강의 조형이 곤란한 이유의 하나로서, 고속도강의 분말이라면, 레이저광을 조사했을 때에 분말을 소결 또는 용융시키기가 어렵고, 입자끼리 상호 충분히 결합하지 않는 경우가 있다는 것을 들 수 있다. 이 경우, 조형물의 내부에 빈 구멍이 많이 발생하게 되기 때문에, 조형물의 기계적 특성의 저하를 초래하여, 강도나 경도를 확보하기가 어렵다고 하는 문제가 있다. 또한 다른 이유로서는, 고속도강은 탄소를 많이 함유하기(0.5 질량% 이상) 때문에, 레이저광을 조사하여 분말을 소결 또는 용융시켜 고화층을 형성했을 때에 금속 조직 중에 탄화물이 네트워크형으로 석출되는 경우가 있는 것을 들 수 있다. 탄화물이 네트워크형으로 석출되면, 탄화물을 따라 균열이 진전되기 쉬워, 조형물이 깨지기 쉽다고 하는 문제가 있다.

본 발명자들은, 조형이 곤란하다고 여겨지고 있는 고속도강을 재료로서 사용할 수 있게 하기 위해서 여러 가지 실험을 했다. 그리고, 조형 시의 투입 에너지 밀도에 주목하여, 고속도강에 알맞은 조형 조건을 발견했다. 맨 처음으로 본 발명의 실시양태를 열거하여 설명한다.

(1) 본 발명의 일 양태에 따른 조형물의 제조 방법은,

고속도강의 분말을 준비하는 공정과,

상기 분말을 깔아 채움으로써 분말층을 형성하는 공정과,

상기 조형물의 제조 방법에 의하면, 레이저광의 에너지 밀도를 60 J/㎣ 이상으로 함으로써, 고속도강의 분말층에 레이저광을 조사하여 고속도강의 분말을 소결 또는 용융시켜 입자끼리 상호 결합한 고화층을 형성하기 쉽고, 조형물의 빈 구멍 비율을 저감할 수 있다. 이로써, 빈 구멍이 적은 고밀도의 조형물을 조형할 수 있어, 강도나 경도가 높은 조형물을 얻을 수 있다. 또한, 조형물의 빈 구멍 비율을 저감함으로써, 조형물의 강도가 높아져, 조형 과정에서 조형물의 내부에 발생하는 열 왜곡에 의한 열 응력이나 담금질로 인한 변태 응력에 기인하는 균열의 발생을 억제할 수 있다. 한편, 레이저광의 에너지 밀도를 600 J/㎣ 미만으로 함으로써, 조형 시에 금속 조직 중에 탄화물이 네트워크형으로 석출되는 것을 억제할 수 있어, 조형물에 균열이나 깨짐이 발생하기 어렵다. 또한, 에너지 밀도를 600 J/㎣ 미만으로 한 경우, 레이저광의 조사 영역 내의 분말이 과도하게 용해되는 것을 억제할 수 있어, 고화층을 소정의 적층 피치로 적층하기 쉽고, 조형물의 형상 정밀도를 유지할 수 있다. 따라서, 상기 조형물의 제조 방법은, 고속도강의 분말을 재료에 이용하는 것이 가능하며, 빈 구멍이 적은 고밀도의 조형물을 양호한 형상 정밀도로 제조할 수 있다.

여기서 말하는 「레이저광의 에너지 밀도」란, 레이저광의 조사 영역에서의 단위 체적 당 투입되는 에너지량을 말하며, 레이저광의 출력, 레이저광의 주사 속도, 레이저광의 주사 피치, 적층 피치로부터 다음 식에 의해서 산출되는 값이다.

E=P/(v×s×t)

E: 레이저광의 에너지 밀도(J/㎣)

P: 레이저광의 출력(W)

v: 레이저광의 주사 속도(mm/s)

s: 레이저광의 주사 피치(mm)

t: 적층 피치(mm)

(2) 상기 조형물의 제조 방법의 일 양태로서, 상기 레이저광의 출력을 100 W 이상으로 하는 것을 들 수 있다.

고속도강의 분말은 조사한 레이저광의 일부를 반사하기 때문에, 레이저광의 출력(레이저 출력)이 낮으면, 분말을 소결 또는 용융시키는 온도까지 효율적으로 가열할 수 없는 경우가 있다. 레이저 출력을 100 W 이상으로 함으로써, 분말을 효율적으로 가열하는 것이 가능하여, 분말을 소결 또는 용융시키기 쉽고, 빈 구멍의 발생을 억제하기 쉽다.

(3) 상기 조형물의 제조 방법의 일 양태로서, 상기 조형물을 템퍼링하여 처리하는 공정을 구비하는 것을 들 수 있다.

고속도강의 분말은, 레이저광이 조사된 후, 소결 또는 용융하고 나서 급냉됨으로써 조직이 마르텐사이트(martensite)화되어, 조형물 상태에서는 마르텐사이트 조직이 생성된다. 이 때, 전부가 마르텐사이트 조직으로 되지 않고, 일부에 오스테나이트 조직(잔류 오스테나이트)이 남는 경우가 있다. 조형물을 템퍼링 처리함으로써, 탄화물을 석출시키거나 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트화시킴으로써 조형물의 경도를 향상시킬 수 있다.

(4) 본 발명의 일 양태에 따른 조형물의 제조 방법은,

상기 레이저광의 에너지 밀도가 이하의 식을 만족한다.

60 J/㎣≤P/(v×s×t)<600 J/㎣

P: 레이저광의 출력(W)

v: 레이저광의 주사 속도(mm/s)

s: 레이저광의 주사 피치(mm)

t: 적층 피치(mm)

상기 조형물의 제조 방법에 의하면, 고속도강의 모재 상에 고속도강의 조형물을 조형함으로써, 모재와 일체가 된 조형물을 제조할 수 있다. 상기 조형물의 제조 방법은, 상기 (1)에 기재한 제조 방법에서 설명한 것과 같이, 고속도강의 분말을 재료에 이용하는 것이 가능하여, 빈 구멍이 적은 고밀도의 조형물을 양호한 형상 정밀도로 제조할 수 있다. 또한, 조형물의 조직 중에 탄화물이 네트워크형으로 석출되는 것을 억제할 수 있어, 조형물에 균열이나 깨짐이 발생하기 어렵다.

(5) 본 발명의 일 양태에 따른 조형물은,

고속도강으로 형성된 복수의 층이 적층된 적층부를 갖는다.

상기 조형물은, 분말을 적층하여 조형된 고속도강의 조형물이며, 고속도강으로 형성된 복수의 층이 적층된 적층부를 갖는다. 상기 조형물은 고속도강으로 형성되어 있기 때문에, 예컨대 고경도이며 내마모성이 요구되는 부품이나 금형(예, 분말 야금에 이용되는 금형)에 이용할 수 있다.

(6) 상기 조형물의 일 양태로서, 상기 적층부는 빈 구멍 비율이 25% 이하이고, 조직 중에 탄화물이 분산되어 석출되어 있는 것을 들 수 있다.

상기 형태에 의하면, 조형물을 구성하는 적층부의 빈 구멍 비율이 25% 이하임으로써, 빈 구멍이 적고 고밀도이다. 이로써, 강도나 경도가 높은 조형물을 얻을 수 있다. 조형물의 빈 구멍 비율을 저감함으로써, 조형물의 강도가 높아져, 균열의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 상기 형태에 의하면, 조직 중에 탄화물이 네트워크형으로 석출되지 않고, 탄화물이 분산되어 석출됨으로써 조형물에 균열이나 깨짐이 발생하기 어렵다.

(7) 상기 조형물의 일 양태로서, 상기 적층부는 면적율로 99% 이상의 마르텐사이트 조직을 갖는 것을 들 수 있다.

상기 형태에 의하면, 99% 이상의 마르텐사이트 조직을 가짐으로써, 조형물의 경도를 향상시킬 수 있다.

(8) 상기 조형물의 일 양태로서, 고속도강으로 형성된 모재를 가지고, 상기 모재 상에 상기 적층부가 형성되어 있는 것을 들 수 있다.

상기 형태에 의하면, 고속도강으로 형성된 모재 상에 적층부가 형성되어 있음으로써, 고속도강의 모재와 일체가 된 고속도강의 조형물을 얻을 수 있다. 또한, 모재와 적층부가 고속도강으로 형성되어 있음으로써, 모재와 적층부의 친화성이 좋아, 모재 상에 조형물이 강고하게 접합된다.

(9) 상기 조형물의 일 양태로서, 상기 모재와 상기 적층부가 다른 조성의 고속도강으로 형성되어 있고, 상기 적층부에 있어서의 상기 모재와의 계면 근방에 있어서, 상기 모재로 향함에 따라서 상기 층의 조성이 상기 모재의 조성에 가깝게 되는 경사 조성층을 갖는 것을 들 수 있다.

상기 형태에 의하면, 모재와 적층부의 계면 근방에 있어서 적층부가 상기 경사 조성층을 갖는 조형물을 얻을 수 있다. 적층부에 경사 조성층이 형성되는 이유는, 모재에 가까운 층일수록 모재의 성분이 확산됨으로써, 각 층의 조성이 모재의 조성에 가깝게 되기 때문이다.

[본 발명의 실시형태의 상세]

본 발명의 실시형태에 따른 조형물의 제조 방법 및 조형물의 구체예를 이하에 설명한다. 본 발명은 이들 예시에 한정되는 것이 아니라, 청구범위에 의해서 나타내어지며, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

<조형물의 제조 방법>

실시형태에 따른 조형물의 제조 방법은, 고속도강의 분말을 재료로 하고, 고속도강의 분말에 레이저광을 조사하여 조형함으로써 고속도강의 조형물을 제조하는 것이다. 보다 구체적으로는, 고속도강의 분말을 균일하게 깔아 채운 분말층의 소정 영역에 레이저광을 조사하면서 주사하고, 레이저광의 조사 영역 내의 분말을 소결 또는 용융시켜 분말의 입자끼리 상호 결합한 고화층을 형성하고, 이것을 순차 반복함으로써 고화층을 적층하여 조형물을 조형한다.

실시형태에 따른 조형물의 제조 방법은 이하에 기재하는 공정을 구비한다.

1. 고속도강의 분말을 준비하는 공정

2. 고속도강의 분말을 깔아 채움으로써 분말층을 형성하는 공정

3. 고속도강의 분말층에 레이저광을 주사하면서 조사함으로써 분말을 결합한 고화층을 형성하는 공정

4. 분말층을 형성하는 공정과 고화층을 형성하는 공정을 순차 반복함으로써 고화층을 적층하여 조형물을 조형하는 공정

실시형태의 제조 방법의 특징의 하나는, 레이저광의 에너지 밀도를 60 J/㎣ 이상 600 J/㎣ 미만으로 하는 점에 있다. 이하, 실시형태에 따른 조형물의 제조 방법에 관해서 자세히 설명한다.

(고속도강의 분말)

실시형태의 제조 방법의 재료로서 사용하는 고속도강의 분말은 공지된 것을 이용할 수 있다. 고속도강은 C, Si, Mn, Cr, W, Mo, V, Co 등의 합금 원소를 Fe에 첨가한 것으로, W계와 Mo계의 2 종류가 있으며, JIS G 4403:2015에 규정되어 있다. W계로서는, 대표적으로는 18 질량% 전후의 W를 함유하고, Mo를 함유하지 않는 SKH2 등, Mo계로서는, 대표적으로는 6 질량% 전후의 W와 5 질량% 전후의 Mo를 함유하는 SKH40나 SKH51 등을 들 수 있다. 고속도강은, JIS에 규정되어 있는 강재 외에, AISI(American Iron and Steel Institute) 규격에 규정되어 있는 것(대표예, M2(SKH51 상당))이나 각 메이커가 개발한 것이라도 좋으며, 예컨대 히타치긴조쿠고구코가부시키가이샤 제조의 YXR3나 HAP10 등이라도 좋다. 조형할 때에 조형물을 지지하는 모재에 고속도강을 이용하는 경우, 고속도강 분말의 강종(鋼種)(성분계)은 모재와 동일하여도 좋고, 다르더라도 좋다. 고속도강의 분말과 모재를 동일 강종으로 한 경우, 조형물과 모재의 친화성이 좋다.

고속도강의 화학 성분에 관해서, 상기 각 합금 원소의 함유량(단위: 질량%)의 일례를 이하에 기재한다.

C: 0.5 이상 2.1 이하, 또 0.6 이상 1.6 이하

Si: 0.2 이상 1.5 이하, 또 0.7 이하

Mn: 0.3 이상 0.5 이하, 또 0.4 이하

Cr: 3.0 이상 5.0 이하, 또 3.5 이상 4.5 이하

W: (W계의 경우) 11.0 이상 19.0 이하, 또 17.0 이상

(Mo계의 경우) 0 이상 10.0 이하, 또 2.0 이상 8.0 이하

Mo: 2.0 이상 10.0 이하, 또 2.5 이상 6.0 이하

V: 1.0 이상 5.0 이하, 또 4.0 이하

Co: 0 이상 11.0 이하, 또 10.0 이하

고속도강 분말의 평균 입자경은, 조형 용이성 때문에, 예컨대 10 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하, 또 20 ㎛ 이상 60 ㎛ 이하로 하는 것을 들 수 있다. 「평균 입자경」이란, 레이저 회절식 입도 분포 측정 장치에 의해 측정한 체적 입도 분포에 있어서의 누적 체적이 50%가 되는 입자경을 의미한다. 즉, 메디안 직경(D50)을 말한다. 고속도강 분말의 입자 형상은 진구상(眞球狀)인 것이 바람직하고, 고속도강의 분말은, 예컨대 가스 아토마이즈법에 의해 제조된 가스 아토마이즈 가루인 것이 바람직하다.

실시형태의 제조 방법은 공지된 적층 조형 장치(금속 3D 프린터)를 이용하여 실시할 수 있다. 시판되는 금속 3D 프린터로서, 예컨대 가부시키가이샤소딕 제조의 OPM250L이나 3D시스템즈사 제조의 ProX DMP 200 등을 들 수 있다.

실시형태의 제조 방법에 있어서, 고속도강의 모재 상에 고속도강의 조형물을 조형하는 경우는, 고속도강의 분말과 고속도강의 모재를 준비한다. 이 경우, 모재와 일체가 된 조형물을 제조할 수 있다.

또한, 분말층을 형성하는 공정에 있어서, 분말의 평균 입자경의 1배 이상 3배 이하의 적층 피치로 분말을 깔아 채움으로써 분말층을 형성하는 것이 바람직하다. 적층 피치를 분말의 평균 입자경의 1배 이상 3배 이하로 함으로써, 얇으면서 또한 균일한 두께로 분말층을 형성하기 쉽다. 여기서는, 적층 피치를 분말층의 두께라고 간주한다. 적층 피치는, 예컨대 분말의 평균 입자경의 1.2배 이상 2배 이하로 하는 것이 바람직하다.

(에너지 밀도)

실시형태의 제조 방법에서는, 고화층을 형성하는 공정에 있어서, 레이저광의 에너지 밀도를 60 J/㎣ 이상 600 J/㎣ 미만으로 한다. 레이저광의 에너지 밀도는, 레이저광의 조사 영역에 있어서의 에너지 밀도를 말한다. 에너지 밀도를 60 J/㎣ 이상으로 함으로써, 고속도강의 분말을 소결 또는 용융시켜 입자끼리 상호 결합된 고화층을 형성하기 쉬우며, 조형물의 빈 구멍 비율을 저감할 수 있다. 이로써, 빈 구멍이 적은 고밀도의 조형물을 조형할 수 있어, 강도나 경도가 높은 조형물을 얻을 수 있다. 또한, 조형물의 빈 구멍 비율을 저감함으로써, 조형물의 강도가 높아져, 조형 과정에서 축적되는 열 응력(열 왜곡)이나 담금질로 인한 변태 응력에 기인하는 균열의 발생을 억제할 수 있다.

구체적으로는, 조형물의 빈 구멍 비율을 25% 이하, 조형물의 상대 밀도를 75% 이상으로 하는 것이 가능하다. 「조형물의 빈 구멍 비율」은, 조형물의 단면을 현미경으로 관찰하여, 관찰 영역 내에 차지하는 빈 구멍의 면적 비율(%)로서 구할 수 있다. 관찰 영역의 사이즈는, 예컨대 250 ㎛ 이상×250 ㎛ 이상, 또 500 ㎛ 이상×500 ㎛ 이상으로 하는 것을 들 수 있다. 「조형물의 상대 밀도」는, 조형물 단면에 있어서의 빈 구멍 비율로부터 산출되는 값(상대 밀도=1-빈 구멍 비율)이다. 조형물의 빈 구멍 비율은, 예컨대 20% 이하(상대 밀도 80% 이상), 또 10% 이하(상대 밀도 90% 이상)로 하는 것이 바람직하다.

한편, 에너지 밀도를 600 J/㎣ 미만으로 함으로써, 조형 시에 금속 조직 중에 탄화물이 네트워크형으로 석출되는 것을 억제할 수 있어, 조형물에 균열이나 깨짐이 발생하기 어렵다. 또한, 에너지 밀도를 600 J/㎣ 미만으로 한 경우, 레이저광의 조사 영역 내의 분말이 과도하게 용해되는 것을 억제할 수 있어, 고화층을 소정의 적층 피치로 적층하기 쉽고, 조형물의 형상 정밀도를 유지할 수 있다.

여기서, 에너지 밀도가 높은 경우에 탄화물이 네트워크형으로 석출되는 이유는 다음과 같이 생각된다. 에너지 밀도가 높아질수록 레이저광의 조사 영역 내뿐만 아니라, 열전도에 의해서 레이저광의 조사 영역의 주위(앞서 형성한 고화층이나 주변의 분말, 조형물을 지지하는 모재 등)도 과잉으로 고온으로 되기 때문에, 레이저광이 조사된 후, 레이저광의 조사 영역 내의 분말이 소결 또는 용융되고 나서 냉각되기까지의 냉각 속도가 늦어진다. 그 때문에, 탄소(C)의 함유량이 높은 고속도강의 분말을 재료에 이용한 경우, 조형 시에 금속 조직 중에 탄화물이 다량으로 생성되기 쉽고, 탄화물이 네트워크형으로 석출되게 된다. 에너지 밀도를 어느 정도 억제함으로써, 레이저광 조사 영역의 주위가 필요 이상으로 고온이 되는 것을 억제할 수 있어, 분말이 소결 또는 용융되고 나서 냉각되기까지의 냉각 속도가 빨라진다. 그 때문에, 금속 조직 중에 탄화물이 생성되기 어려워, 탄화물이 네트워크형으로 석출되지 않고서 미세하게 분산된 상태로 되기 쉽다. 석출되는 탄화물은 합금 원소와 탄소의 화합물이며, 예컨대 Mo₂C, W₂C, VC 등을 들 수 있다.

보다 바람직한 에너지 밀도는, 예컨대 80 J/㎣ 이상 500 J/㎣ 이하, 또 120 J/㎣ 이상 450 J/㎣ 이하이다. 에너지 밀도를 80 J/㎣ 이상, 또 120 J/㎣ 이상으로 함으로써, 고속도강의 분말을 충분히 소결 또는 용융시키기 쉬워, 빈 구멍의 발생을 보다 억제할 수 있다. 그 때문에, 조형물의 빈 구멍 비율을 보다 저감할 수 있어, 예컨대 조형물의 빈 구멍 비율이 20% 이하(상대 밀도 80% 이상), 또 10% 이하(상대 밀도 90% 이상)를 달성할 수 있다. 또한, 이 경우, 빈 구멍 비율의 저감에 따라 조형물의 강도가 보다 높아져, 열 응력(열 왜곡)이나 변태 응력에 의한 균열의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다. 한편, 에너지 밀도를 500 J/㎣ 이하, 또 450 J/㎣ 이하로 함으로써, 탄화물의 생성을 보다 억제할 수 있어, 탄화물을 보다 미세하게 분산하여 석출시킬 수 있다. 또한, 이 경우, 분말의 과도한 용해를 보다 억제할 수 있어, 조형물의 형상 정밀도를 보다 높일 수 있다.

에너지 밀도는, 레이저광의 출력, 레이저광의 주사 속도, 레이저광의 주사 피치, 적층 피치와 같은 조형 조건을 변경함으로써 제어할 수 있다. 레이저광의 출력, 레이저광의 주사 속도, 레이저광의 주사 피치, 적층 피치는, 에너지 밀도가 60 J/㎣ 이상 600 J/㎣ 미만이 되도록 적절하게 설정하면 된다. 예컨대, 레이저 출력은 10 W 이상 1000 W 이하, 주사 속도는 10 mm/s 이상 2000 mm/s 이하, 주사 피치는 0.01 mm 이상 0.2 mm 이하, 적층 피치는 0.01 mm 이상 0.1 mm 이하의 각 범위에서 설정하는 것을 들 수 있다. 바람직하게는, 레이저광의 출력을 50 W 이상, 레이저광의 주사 속도를 50 mm/s 이상, 레이저광의 주사 피치를 0.05 mm 이상, 적층 피치를 0.02 mm 이상으로 하는 것을 들 수 있다. 적층 피치를 변경하는 경우는, 적층피치에 맞춘 입경의 분말을 사용하면 된다.

(레이저광의 출력)

레이저광의 출력은 100 W 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 레이저광의 출력을 100 W 이상으로 함으로써, 분말을 효율적으로 가열할 수 있어, 분말을 소결 또는 용융시키기 쉬워, 빈 구멍의 발생을 억제하기 쉽다. 레이저광의 출력의 상한은 예컨대 300 W 이하로 하는 것을 들 수 있다.

(레이저광의 종류)

레이저광은, 고속도강의 분말을 용융 또는 소결시킬 수 있는 것이라면 종류는 한정되지 않으며, 레이저광에는 예컨대 파이버 레이저, YAG 레이저, CO₂ 레이저 등을 이용할 수 있다. 그 중에서도 파이버 레이저는, 레이저 스폿 직경을 작게 하거나, 높은 출력이 얻을 수 있으므로 적합하다. 파이버 레이저로서는 예컨대 Yb 파이버 레이저(파장 1070 nm)를 들 수 있다.

(템퍼링 처리)

조형물을 조형한 후, 조형물을 템퍼링 처리하는 공정을 구비하여도 좋다. 조형물을 템퍼링 처리함으로써, 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트화시켜 조형물의 경도를 향상시킬 수 있다. 템퍼링 처리의 조건은, 가열 온도를 예컨대 530℃ 이상 630℃ 이하로 하는 것을 들 수 있다. 유지 시간은, 조형물의 사이즈에 따라 다르기도 하지만, 예컨대 1시간 이상 4시간 이하, 바람직하게는 2시간 이상으로 하는 것을 들 수 있다. 또한, 템퍼링 처리에서는, 가열 유지 후, 마르텐사이트 변태 종료 온도(Mf점) 이하의 온도(예컨대 80℃ 이하)까지 냉각한다.

템퍼링 처리는 2회 이상 행하는 것이 바람직하고, 3회 행하는 것이 보다 바람직하다. 1번째의 템퍼링 처리에서는, 탄화물을 석출시키거나 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트화시키고, 2번째의 템퍼링 처리에서, 1번째의 템퍼링에서 생긴 마르텐사이트 조직을 템퍼링하여 안정화시킬 수 있다. 3번째의 템퍼링 처리는 응력 제거를 목적으로 하는 것이며, 가열 온도는, 예컨대 상기 가열 온도의 30℃∼50℃ 정도 낮은 것(480℃ 이상 600℃ 이하)으로 하는 것을 들 수 있다. 템퍼링 처리를 2회 이상 행함으로써, 충분한 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있어, 예컨대 면적율로 99% 이상의 마르텐사이트 조직을 갖는 조형물을 제조할 수 있다. 이에 따라, 조형물의 경도를 보다 향상시킬 수 있다. 「마르텐사이트 조직의 면적율」은, 조형물의 단면을 주사형 전자현미경(SEM)으로 관찰하고, 화상 해석 소프트를 사용하여, 관찰영역 내의 금속 조직에 차지하는 마르텐사이트 조직의 면적 비율(%)을 산출함으로써 구할 수 있다. 관찰 영역의 사이즈는, 예컨대 250 ㎛ 이상×250 ㎛ 이상, 또 500 ㎛ 이상×500 ㎛ 이상으로 하는 것을 들 수 있다.

조형물의 표면 경도(HRC: 록웰 C 스케일 경도)는, 템퍼링 처리가 없는 경우, 예컨대 50 HRC 이상, 또 55 HRC 이상이며, 템퍼링 처리가 있는 경우, 예컨대 55 HRC 이상, 또 60 HRC 이상을 달성할 수 있다.

{조형물의 제조 방법의 효과}

상술한 실시형태에 따른 조형물의 제조 방법은, 조형물의 빈 구멍 비율을 저감할 수 있어, 빈 구멍이 적은 고밀도의 조형물을 조형할 수 있기 때문에, 강도나 경도가 높은 조형물을 얻을 수 있다. 조형 시에 금속 조직 중에 탄화물이 네트워크형으로 석출되는 것을 억제할 수 있어, 조형물에 균열이나 깨짐이 발생하기 어렵다. 또한, 분말이 과도하게 용해되는 것을 억제할 수 있어, 조형물의 형상 정밀도를 유지할 수 있다. 따라서, 고속도강의 분말을 재료에 이용하는 것이 가능하며, 빈 구멍이 적은 고밀도의 조형물을 양호한 형상 정밀도로 제조할 수 있다.

{조형물의 제조 방법의 용도}

실시형태에 따른 조형물의 제조 방법은 고속도강의 조형물의 제조에 이용할 수 있다.

<조형물>

도 4를 참조하여 실시형태에 따른 조형물을 설명한다. 도 4에 도시하는 것과 같이, 조형물(1)은 고속도강으로 형성된 복수의 층(21)이 적층된 적층부(2)를 갖는다. 도 4에 도시하는 조형물(1)은, 고속도강으로 형성된 모재(4)를 가지며, 모재(4) 상에 적층부(2)가 형성되어 있다. 도 4에서는 모재(4)와 적층부(2)의 계면 근방의 단면을 모식적으로 도시하고 있다. 조형물(1)은 상술한 실시형태에 따른 조형물의 제조 방법에 의해 제조할 수 있다.

(적층부)

적층부(2)는, 고속도강의 분말을 깔아 채운 분말층에 레이저광을 조사하여 고화층을 형성하고, 분말층의 형성과 고화층의 형성을 순차 반복함으로써 복수의 고화층을 적층하여 조형되어 있다. 각 층(21)은 고속도강으로 형성되어 있다. 각 층(21)의 두께는, 재료에 사용하는 고속도강 분말의 평균 입자경, 분말층의 두께 등에 의존하며, 예컨대 10 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하, 또 20 ㎛ 이상 60 ㎛ 이하이다.

적층부(2)의 빈 구멍 비율은 25% 이하(바꿔 말하면 적층부(2)의 상대 밀도는 75% 이상)인 것이 바람직하다. 이에 따라, 적층부(2)의 강도나 경도가 향상되어, 균열의 발생을 억제할 수 있다. 보다 바람직하게는, 적층부(2)의 빈 구멍 비율이 20% 이하(상대 밀도가 80% 이상), 또 빈 구멍 비율이 10% 이하(상대 밀도가 90% 이상)이다. 적층부(2)의 빈 구멍 비율, 상대 밀도는, 상술한 실시형태의 제조 방법에서 설명한 「조형물의 빈 구멍 비율」, 「조형물의 상대 밀도」와 같은 방식으로 구한다.

또한, 적층부(2)는, 조직 중에 탄화물이 분산되어 석출되어 있는 것이 바람직하다. 조직 중에 탄화물이 분산된 상태에서 석출되어 있음으로써, 탄화물이 네트워크형으로 석출되어 있는 경우와 비교하여, 균열이나 깨짐이 발생하기 어렵게 된다. 균열이나 깨짐의 발생을 억제한다는 관점에서, 탄화물은 조직 중에 미세하게 분산되어 있는 것이 바람직하며, 조직 중의 탄화물의 최대 길이는 5 ㎛ 이하, 또 1 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 「탄화물의 최대 길이」는, 적층부(2)의 단면을 주사형 전자현미경(SEM)으로 관찰하고, 화상 해석 소프트를 사용하여, 관찰 영역 내에 존재하는 탄화물의 최대 길이를 측정함으로써 구할 수 있다. 관찰 영역의 사이즈는 예컨대 10 ㎛ 이상×20 ㎛ 이상, 또 20 ㎛ 이상×20 ㎛ 이상으로 하는 것을 들 수 있다.

적층부(2)는, 면적율로 90% 이상, 또 99% 이상의 마르텐사이트 조직을 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라, 조형물의 경도를 보다 향상시킬 수 있다.

본 예의 조형물(1)은, 고속도강의 모재(4) 상에 적층부(2)가 형성되어 있음으로써 모재(4)와 일체로 되어 있다. 적층부(2)는 모재(4)에 대하여 직접 접합되어 있다. 모재(4)와 적층부(2)가 고속도강으로 형성되어 있음으로써, 모재(4)와 적층부(2)의 친화성이 좋아, 모재(4) 상에 적층부(2)가 강고하게 접합된다. 모재(4)와 적층부(2)는 동일한 조성의 고속도강으로 형성되어 있어도 좋고, 다른 조성의 고속도강으로 형성되어 있어도 좋다. 본 예에서는 모재(4)와 적층부(2)가 다른 조성의 고속도강으로 형성되어 있다.

모재(4)와 다른 조성의 고속도강으로 적층부(2)가 형성되어 있는 경우는, 적층부(2)에 있어서의 모재와의 계면 근방에 있어서, 도 4에 도시하는 것과 같이, 모재(4)로 향함에 따라서 층(21)의 조성이 모재(4)의 조성에 가깝게 되는 경사 조성층(23)을 갖는다. 적층부(2)에 경사 조성층(23)이 형성되는 이유는, 조형 시에, 모재(4)에 가까운 층(21)일수록 모재(4)의 성분이 확산됨으로써, 각 층(21)의 조성이 모재(4)의 조성에 가깝게 되기 때문이다. 그 때문에, 경사 조성층(23)에서는 층(21) 사이의 조성의 차이가 현저하게 되고, 조성의 차이 때문에 층(21) 사이의 경계가 명확하게 된다. 한편, 경사 조성층(23)보다 위의 모재(4)에서 떨어진 층(21)에서는, 층(21) 사이의 조성이 한결같게 되어, 조성의 차이에 의한 층(21) 사이의 경계는 선명하지 않게 된다. 도 4에서는, 적층부(2)의 각 층(21)의 해칭이 빽빽할수록 모재(4)의 조성에 가까움을 나타내고, 각 층(21)의 경계선이 굵은 실선에서 가는 파선으로 될수록 각 층(21)의 경계가 선명하지 않게 되고 있음을 나타내고 있다.

모재(4)와 동일한 조성의 고속도강으로 적층부(2)가 형성되어 있는 경우는, 적층부(2)에 있어서의 모재와의 계면 근방에 있어서, 층(21) 사이의 조성이 한결같게 된다. 그 때문에, 모재(4)와 다른 조성인 경우와 비교하여, 조성의 차이에 의한 층(21) 사이의 경계는 선명하지 않게 된다.

{조형물의 효과}

상술한 실시형태에 따른 조형물(1)은, 고속도강으로 형성된 복수의 층(21)이 적층된 적층부(2)를 갖는다. 조형물(1)은, 고속도강으로 형성되어 있기 때문에, 예컨대 고경도이며 내마모성이 요구되는 부품이나 금형(예, 분말 야금에 이용되는 금형)에 이용할 수 있다.

[시험예 1]

고속도강의 분말을 재료로서 이용하고, 레이저광의 에너지 밀도를 변경하여 모재 상에 적층부를 형성했다. 구체적으로는, 모재 상에 고속도강의 분말을 깔아 채워 분말층을 형성하고, 분말층의 소정 영역에 레이저광을 주사하면서 조사하여 고화층을 형성하는 조작을 반복하여 적층함으로써, 고속도강의 조형물을 조형했다.

모재에는, 고속도강(히타치긴조쿠고구코가부시키가이샤 제조 YXR3)으로 형성된 두께 10 mm의 플레이트를 이용했다. 고속도강의 분말에는, 헤가네스사 제조의 M2 분말을 이용했다. 고속도강의 분말은 가스 아토마이즈 가루이며, 평균 입자경(D50)이 40 ㎛이다. 각 강종의 화학 성분을 표 1에 나타낸다.

조형에는, 3D시스템즈사 제조의 금속 3D 프린터(ProX DMP 200)를 사용했다. 조형은, 모재 상의 5 mm 사방의 정방형 영역을 조형 영역으로 하고, 조형물의 높이가 2 mm가 되도록 설정했다. 또한, 모재 상에 1번째 층의 분말을 깔기 쉽게 하기 위해서, 전처리로서 모재 표면을 숏 블라스트 처리하는 표면 처리를 실시했다.

조형 조건은, 레이저광의 출력 및 레이저광의 주사 속도를 바꿔 에너지 밀도를 제어했다. 레이저광의 출력 및 레이저광의 주사 속도는, 각각 레이저광의 출력: 150∼300 W, 레이저광의 주사 속도: 200∼2000 mm/s의 범위에서 변경했다. 레이저광의 주사 피치 및 적층 피치는, 각각 레이저광의 주사 피치: 0.04 mm, 적층 피치: 0.05 mm로 고정하고, 적층수는 40층으로 했다(적층 피치 0.05 mm×적층수 40층=설정한 높이 2 mm). 또한, 스폿 직경은 0.05 mm로 했다. 이 예에서는, 레이저광을 정방형 영역의 대각선 방향으로 주사하고, 주사 방향을 1층마다 90° 회전시켰다.

표 2에 나타내는 각 조형 조건으로 조형을 행하여, 시료 No. 1-1∼1-9의 조형물을 제작했다.

얻어진 각 시료의 조형물(적층부)에 관해서 이하의 평가를 행했다.

(형상 정밀도)

각 조형물의 실제의 높이를 측정하고, 얻어진 조형물의 높이에 기초하여 형상 정밀도를 평가했다. 조형물의 형상 정밀도는, 조형물의 실제의 높이가 설정한 높이에 가까울수록 양호하다고 말할 수 있다. 형상 정밀도의 평가는, 조형물의 설정한 높이와 실제의 높이의 차가 설정한 높이의 5% 이내인 경우를 A, 그 미만인 경우를 B로 했다. 이 예에서는, 조형물의 설정한 높이가 2 mm이기 때문에, 얻어진 조형물의 높이가 1.9 mm 이상인 경우가 A, 그 미만인 경우가 B가 된다. 각 조형물의 높이 및 형상 정밀도의 평가 결과를 표 3에 나타낸다.

(조직)

각 조형물의 단면을 연마하고, 주사형 전자현미경(SEM)으로 반사 전자상을 촬영하여 금속 조직을 관찰함으로써, 금속 조직 중의 탄화물의 석출 상태를 조사하고, 탄화물의 석출 상태에 기초하여 조직을 평가했다. 조형물의 단면은, 조형물의 높이 방향에 평행한 평면으로 절단한 종단면으로 했다. 그리고, 조직의 평가는, 탄화물을 확인할 수 없거나 또는 탄화물이 미세하게 분산되어 있는 경우를 A, 탄화물이 네트워크형으로 석출되어 있는 경우를 B로 했다. 각 조형물의 조직 평가 결과를 표 3에 나타낸다.

도 1∼도 3은 시료 No. 1-3(에너지 밀도: 150 J/㎣), 1-7(에너지 밀도: 38 J/㎣), 1-9(에너지 밀도: 750 J/㎣) 각각의 반사 전자상이다. 반사 전자상에서는, 탄화물이 흰 빛을 띠는 것처럼 보인다. 도 3에 도시하는 것과 같이, 시료 No. 1-9에서는 탄화물(백색 부분)이 이어져 네트워크형으로 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 한편, 도 1에 도시하는 것과 같이, 시료 No. 1-3에서는 탄화물이 미세하게 분산되어 있는 것을 알 수 있다. 도 2에 도시하는 것과 같이, 시료 No. 1-7에서는 탄화물이 관찰되지 않아 확인할 수 없다는 것을 알 수 있다.

(빈 구멍 비율·상대 밀도)

각 조형물의 빈 구멍 비율 및 상대 밀도를 평가했다. 빈 구멍 비율은, 조형물의 단면을 광학현미경으로 관찰하여 촬영하고, 촬영한 사진을 화상 해석하여, 관찰 영역 내에 차지하는 빈 구멍의 면적 비율(%)을 산출함으로써 구했다. 상대 밀도는 (1-빈 구멍 비율)에 의해 산출했다. 각 조형물의 빈 구멍 비율 및 상대 밀도를 표 3에 나타낸다.

(균열의 유무)

각 조형물의 균열 유무를 평가했다. 균열 유무의 평가는, 조형물의 표면을 광학현미경으로 관찰하여, 균열이 관찰되지 않는 경우를 A, 균열이 관찰된 경우를 B로 했다. 각 조형물의 균열 유무를 표 3에 나타낸다.

(표면 경도)

각 조형물의 표면 경도를 록웰 C 스케일(HRC)로 평가했다. 표면 경도의 평가는, 조형물의 상면의 경도를 3점 측정하여, 그 평균치를 구했다. 또한, 조형물에 템퍼링 처리를 행하여, 템퍼링 처리 후의 표면 경도도 평가했다. 템퍼링 처리는 3회 행했다. 1번째 및 2번째의 템퍼링 처리의 조건은, 가열 온도를 550℃, 유지 시간을 2시간으로 하여, 가열 유지 후, 실온(30℃)까지 서냉했다. 3번째의 템퍼링 처리의 조건은, 가열 온도를 520℃, 유지 시간을 2시간으로 하여, 가열 유지 후, 실온(30℃)까지 서냉했다. 각 조형물의 템퍼링 처리 전 및 템퍼링 처리 후의 각각의 표면 경도를 표 3에 나타낸다. 또한, 시료 No. 1-7은, 템퍼링 처리 전의 상태에서는 취약하기 때문에, 경도를 측정할 수 없었다.

표 3의 결과로부터, 에너지 밀도를 60 J/㎣ 이상 600 J/㎣ 미만으로 한 시료 No. 1-1∼1-6은, 빈 구멍 비율이 25% 이하(상대 밀도가 75% 이상)이면서 또한 형상 정밀도도 양호하다. 또한, 시료 No. 1-1∼1-6은, 조형물을 템퍼링 처리함으로써 경도를 향상시킬 수 있고, 템퍼링 처리 후의 표면 경도가 55 HRC 이상이다. 그 중에서도 시료 No. 1-1∼1-3 및 1-5는, 빈 구멍 비율이 20% 이하(상대 밀도가 80% 이상)로, 빈 구멍 비율을 보다 저감할 수 있었고, 균열의 발생도 효과적으로 억제되고 있음을 알 수 있다.

또한, 시료 No. 1-1∼1-6은, 금속 조직 중에 탄화물이 네트워크형으로 석출되지 않고, 미세하게 분산되어 있기 때문에, 탄화물을 따라 균열이나 깨짐이 발생하기 어렵고, 내충격성이 우수하다고 생각된다.

에너지 밀도를 낮춘 시료 No.1-7은, 형상 정밀도가 양호하다고는 하지만, 빈 구멍 비율이 50% 이상(상대 밀도가 50% 이하)으로, 빈 구멍이 많이 발생하고 있어, 빈 구멍 비율을 저감할 수 없었음을 알 수 있다. 또한, 시료 No. 1-7에서는, 빈 구멍이 많고 저밀도이기 때문에, 강도나 경도가 낮다.

에너지 밀도를 높인 시료 No. 1-8, 1-9는, 빈 구멍 비율을 저감할 수 있었지만, 형상 정밀도가 대폭 악화되어, 형상 정밀도를 유지할 수 없었음을 알 수 있다. 또한, 시료 No. 1-8, 1-9에서는, 금속 조직 중에 탄화물이 네트워크형으로 석출되고 있기 때문에, 탄화물을 따라 균열이나 깨짐이 발생하기 쉽고, 내충격성이 뒤떨어진다고 생각된다.

[시험예 2]

시험예 1에서 사용한 것과 동일한, 평균 입자경(D50)이 40 ㎛인 고속도강(헤가네스사 제조의 M2)의 분말과, 고속도강(히타치긴조쿠고구코가부시키가이샤 제조 YXR3)로 형성된 모재를 준비했다. 그리고, 시험예 1과 같은 식으로, 금속 3D 프린터를 사용하여, 고속도강의 모재 상에 고속도강의 분말을 적층하여 조형함으로써, 모재 상에 고속도강의 조형물을 조형했다. 이에 따라, 모재 상에 고속도강으로 형성된 복수의 층이 적층된 적층부를 갖는 조형물을 제작했다. 조형 조건은, 시험예 1의 시료 No. 1-3과 동일하게 했다. 얻어진 조형물을 템퍼링 처리했다. 템퍼링 처리는 3회 행하고, 템퍼링 처리 조건은 시험예 1과 동일하게 했다. 이 조형물을 시료 No. 2-1로 한다.

시료 No. 2-1에 관해서 이하의 평가를 행했다.

(빈 구멍 비율·상대 밀도)

시험예 1과 같은 식으로 하여, 조형물을 구성하는 적층부의 빈 구멍 비율 및 상대 밀도를 구했다. 시료 No. 2-1의 적층부는 빈 구멍 비율이 10% 이하(상대 밀도가 90% 이상)였다.

(탄화물의 최대 길이)

시험예 1과 같은 식으로 하여, 조형물의 적층부의 단면을 SEM으로 관찰하고 반사 전자상을 촬영하여, 금속 조직 중의 탄화물의 석출 상태를 조사했다. 시료 No. 2-1의 적층부에서는, 조직 중에 탄화물이 네트워크형으로 석출되지 않고, 탄화물이 미세하게 분산되어 있었다. 또한, 촬영한 사진을 화상 해석하여, 관찰 영역 내에 존재하는 탄화물의 최대 길이를 측정했다. 여기서는, 사진을 2치화하고, 그것을 화상 해석 소프트(예, 미국국립위생연구소 ImageJ)로 화상 처리하여, 탄화물의 최대 길이를 측정했다. 탄화물의 최대 길이는 1 ㎛ 이하였다.

(마르텐사이트 조직의 면적율)

조형물의 적층부에 있어서의 마르텐사이트 조직의 면적율을 평가했다. 마르텐사이트 조직의 면적율은, 적층부의 단면을 SEM으로 관찰하여 촬영하고, 촬영한 사진을 화상 해석하여, 관찰 영역 내의 금속 조직에 차지하는 마르텐사이트 조직의 면적 비율(%)을 산출함으로써 구했다. 여기서는, 사진 상의 마르텐사이트 조직의 영역을 펜으로 둘러싸고, 그것을 화상 해석 소프트(예, 미국국립위생연구소 ImageJ)로 화상 처리하여, 면적 비율(%)을 구했다. 시료 No. 2-1의 적층부에 있어서의 마르텐사이트 조직의 면적율은 99% 이상이었다.

또한, 시료 No. 2-1에 관해서, 모재의 상면에 직교하도록 적층부의 적층 방향을 따라 조형물을 절단하고, 모재와 적층부의 계면 근방의 단면을 SEM으로 관찰하여 반사 전자상을 촬영했다. 도 5는 모재와 적층부의 계면 근방의 단면의 반사 전자상이다. 도 5에 있어서, 콘트라스트가 가장 어두운(색이 짙은) 하측 부분이 모재(4)이고, 그 상측의 콘트라스트가 비교적 밝은 부분이 적층부(2)이다. 반사 전자상에서는 조성의 차이가 콘트라스트의 차에 의해서 드러난다. 도 5에서는, 적층부(2)에 있어서의 모재(4)와의 계면 근방에 있어서, 모재(4)에 가까울수록 콘트라스트가 어둡고, 모재(4)에 가까운 조성으로 되어 있으며, 모재(4)로부터 떨어져 감에 따라 단계적으로 콘트라스트가 밝아지고 있다. 이로부터, 시료 No. 2-1의 조형물은, 도 5에 도시하는 것과 같이, 적층부(2)에 있어서의 모재(4)와의 계면 근방에 있어서, 모재(4)로 향함에 따라서 층의 조성이 모재(4)의 조성에 가깝게 되는 경사 조성층(23)이 형성되어 있음을 알 수 있다.

1: 조형물, 2: 적층부, 21: 층, 23: 경사 조성층, 4: 모재

Claims

고속도강의 분말을 준비하는 공정과,
상기 분말을 깔아 채움으로써 분말층을 형성하는 공정과,
상기 분말층에 레이저광을 주사하면서 조사함으로써 상기 분말을 결합한 고화층을 형성하는 공정과,
상기 분말층을 형성하는 공정과 상기 고화층을 형성하는 공정을 순차 반복함으로써 상기 고화층을 적층하여 조형물을 조형하는 공정
을 구비하고,
상기 레이저광의 에너지 밀도를 60 J/㎣ 이상 600 J/㎣ 미만으로 하는 조형물의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 레이저광의 출력을 100 W 이상으로 하는 조형물의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 조형물을 템퍼링 처리하는 공정
을 구비하는 조형물의 제조 방법.
평균 입자경이 20 ㎛ 이상 60 ㎛ 이하인 고속도강의 분말과 고속도강의 모재를 준비하는 공정과,
상기 모재 상에 상기 분말을 상기 평균 입자경의 1배 이상 3배 이하의 적층피치로 깔아 채움으로써 분말층을 형성하는 공정과,
상기 분말층에 출력이 100 W 이상 300 W 이하인 레이저광을 주사하면서 조사함으로써 상기 분말을 결합한 고화층을 형성하는 공정과,
상기 분말층을 형성하는 공정과 상기 고화층을 형성하는 공정을 순차 반복함으로써 상기 모재 상에 상기 고화층을 적층하여 조형물을 조형하는 공정
을 구비하고,
상기 레이저광의 에너지 밀도가 이하의 식
60 J/㎣≤P/(v×s×t)<600 J/㎣
을 만족하며, 위 식에서
P: 레이저광의 출력(W),
v: 레이저광의 주사 속도(mm/s),
s: 레이저광의 주사 피치(mm),
t: 적층 피치(mm)
인 것인 조형물의 제조 방법.
고속도강으로 형성된 복수의 층이 적층된 적층부
를 갖는 조형물.
제5항에 있어서, 상기 적층부는 빈 구멍 비율이 25% 이하이고, 조직 중에 탄화물이 분산되어 석출되어 있는 것인 조형물.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 적층부는 면적율로 99% 이상의 마르텐사이트 조직을 갖는 것인 조형물.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
고속도강으로 형성된 모재
를 가지고,
상기 모재 상에 상기 적층부가 형성되어 있는 것인 조형물.
제8항에 있어서, 상기 모재와 상기 적층부가 다른 조성의 고속도강으로 형성되어 있고,
상기 적층부에 있어서의 상기 모재와의 계면 근방에 있어서, 상기 모재로 향함에 따라서 상기 층의 조성이 상기 모재의 조성에 가깝게 되는 경사 조성층을 갖는 것인 조형물.