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技術 積層造形用粉末、積層造形体および積層造形体の製造方法

出願人 株式会社日立製作所
発明者 陳美伝藤枝正
出願日 2018年11月30日 (2年2ヶ月経過) 出願番号 2018-224465
公開日 2020年6月4日 (8ヶ月経過) 公開番号 2020-084294
状態 未査定
技術分野 粉末冶金 プラスチック等のその他の成形、複合成形(変更なし)
主要キーワード つば付 積層造形用 造形体 電子後方 積層造形法 AM法 積層造形物 レーザ肉盛
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2020年6月4日)のものです。
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図面 (4)

課題

積層造形後の後熱処理を不要とし、従来と同等以上の強度を有する積層造形体を得ることができる積層造形用粉末、積層造形体および積層造形体の製造方法の提供。

解決手段

Tiを0.1質量%以上6質量%以下、Bを0.2質量%以上2質量%以下含む鉄基合金を有することを特徴とする積層造形用粉末。さらに、Cを0.08質量%以下、Mnを2質量%以下、Niを10質量%以上15質量%以下、Crを16質量%以上18質量%以下、Moを2質量%以上3質量%以下含み、残部が鉄および不可避元素であることが好ましい。Tiを0.1質量%以上6質量%以下、Bを0.2質量%以上2質量%以下含む鉄基合金を有し、TiBおよびTiB2のうちの少なくとも1つを含む結晶を有することを特徴とする積層造形体。

概要

背景

金属粉末積層造形法は、望ましい形状の部品ニアネットシェイプで作製することが可能であるため、近年注目が集まっている。造形時に生じるさまざまな課題を解決するための研究も発展し続けている。

特許文献1には、高エネルギービーム照射して、鉄系粉末材料を部分的または完全に溶融凝固させて鉄基焼結体を形成する際に用いられる鉄系粉末材料であって、質量%で、Si:0.7〜8.0%、S:0.04〜0.6%、C:0.005〜1%、Mn:0.2〜15%、P:0.05%以下(0%を含む)をそれぞれ含有することを特徴とする、鉄基焼結体形成用の鉄系粉末材料が開示されている。特許文献1には、急速溶融・急冷凝固等によって焼結体誘起される割れの発生を抑制し、かつ形状精度に影響する表面粗度を改善できる粉末材料を提供できると記載されている。

また、特許文献2には、金属の粉末材料に光ビームを照射して得られる焼結層を積層することで、三次元形状を造形する金属光造形に用いる金属粉末であって、Feを71重量%以上76重量%以下、Crを10重量%以上13重量%以下、Niを4重量%以上9重量%以下、Cuを4重量%以上7重量%以下、Tiを2重量%以上3重量%以下、Coを0重量%以上4重量%以下、Siを0重量%以上0.5重量%以下、Mnを0重量%以上0.5重量%以下を含有し、且つCr+Niが16重量%以上19重量%以下、Cu+Ti+Coが8重量%以上9重量%以下、Si+Mnが0重量%以上1重量%以下であることを特徴とする金属光造形用金属粉末が開示されている。特許文献2によれば、硬度熱伝導率耐食性に優れた造形物を得ることができる金属光造形用金属粉末を提供することができると記載されている。

概要

積層造形後の後熱処理を不要とし、従来と同等以上の強度を有する積層造形体を得ることができる積層造形用粉末、積層造形体および積層造形体の製造方法の提供。Tiを0.1質量%以上6質量%以下、Bを0.2質量%以上2質量%以下含む鉄基合金を有することを特徴とする積層造形用粉末。さらに、Cを0.08質量%以下、Mnを2質量%以下、Niを10質量%以上15質量%以下、Crを16質量%以上18質量%以下、Moを2質量%以上3質量%以下含み、残部が鉄および不可避元素であることが好ましい。Tiを0.1質量%以上6質量%以下、Bを0.2質量%以上2質量%以下含む鉄基合金を有し、TiBおよびTiB2のうちの少なくとも1つを含む結晶を有することを特徴とする積層造形体。

目的

特許文献2によれば、硬度、熱伝導率、耐食性に優れた造形物を得ることができる金属光造形用金属粉末を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

Tiを0.1質量%以上6質量%以下、Bを0.2質量%以上2質量%以下含む鉄基合金を有することを特徴とする積層造形用粉末

請求項2

前記鉄基合金は、さらに、Cを0.08質量%以下、Mnを2質量%以下、Niを10質量%以上15質量%以下、Crを16質量%以上18質量%以下、Moを2質量%以上3質量%以下含み、残部が鉄および不可避元素であることを特徴とする請求項1に記載の積層造形用粉末。

請求項3

前記積層造形用粉末の平均粒径が5μm以上200μm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の積層造形用粉末。

請求項4

Tiを0.1質量%以上6質量%以下、Bを0.2質量%以上2質量%以下含む鉄基合金を有し、TiBおよびTiB2のうちの少なくとも1つを含む結晶を有することを特徴とする積層造形体

請求項5

前記結晶は、前記鉄基合金の析出物であることを特徴とする請求項4に記載の積層造形体。

請求項6

前記鉄基合金は、さらに、Cを0.08質量%以下、Mnを2質量%以下、Niを10質量%以上15質量%以下、Crを16質量%以上18質量%以下、Moを2質量%以上3質量%以下含み、残部が鉄および不可避元素であることを特徴とする請求項4に記載の積層造形体。

請求項7

前記積層造形体が、流体機械インペラであることを特徴とする請求項4〜6のいすれか1項に記載の積層造形体。

請求項8

鉄基合金の原料を混合・溶解して溶湯を作製する原料混合溶解工程と、前記溶湯から前記鉄基合金の粉末を作製するアトマイズ工程と、前記粉末を用いて積層造形体を作製する積層造形焼結工程とを有し、前記粉末は、Tiを0.1質量%以上6質量%以下、Bを0.2質量%以上2質量%以下含み、前記積層造形・焼結工程において、前記鉄基合金にTiBおよびTiB2のうちの少なくとも1つを含む結晶を析出させることを特徴とする積層造形体の製造方法。

請求項9

前記鉄基合金は、さらに、Cを0.08質量%以下、Mnを2質量%以下、Niを10質量%以上15質量%以下、Crを16質量%以上18質量%以下、Moを2質量%以上3質量%以下含み、残部が鉄および不可避元素であることを特徴とする請求項8に記載の積層造形体の製造方法。

請求項10

前記粉末の平均粒径が5μm以上200μm以下であることを特徴とする請求項8または9に記載の積層造形体の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、積層造形用粉末積層造形体および積層造形体の製造方法に関する。

背景技術

0002

金属粉末積層造形法は、望ましい形状の部品ニアネットシェイプで作製することが可能であるため、近年注目が集まっている。造形時に生じるさまざまな課題を解決するための研究も発展し続けている。

0003

特許文献1には、高エネルギービーム照射して、鉄系粉末材料を部分的または完全に溶融凝固させて鉄基焼結体を形成する際に用いられる鉄系粉末材料であって、質量%で、Si:0.7〜8.0%、S:0.04〜0.6%、C:0.005〜1%、Mn:0.2〜15%、P:0.05%以下(0%を含む)をそれぞれ含有することを特徴とする、鉄基焼結体形成用の鉄系粉末材料が開示されている。特許文献1には、急速溶融・急冷凝固等によって焼結体誘起される割れの発生を抑制し、かつ形状精度に影響する表面粗度を改善できる粉末材料を提供できると記載されている。

0004

また、特許文献2には、金属の粉末材料に光ビームを照射して得られる焼結層を積層することで、三次元形状を造形する金属光造形に用いる金属粉末であって、Feを71重量%以上76重量%以下、Crを10重量%以上13重量%以下、Niを4重量%以上9重量%以下、Cuを4重量%以上7重量%以下、Tiを2重量%以上3重量%以下、Coを0重量%以上4重量%以下、Siを0重量%以上0.5重量%以下、Mnを0重量%以上0.5重量%以下を含有し、且つCr+Niが16重量%以上19重量%以下、Cu+Ti+Coが8重量%以上9重量%以下、Si+Mnが0重量%以上1重量%以下であることを特徴とする金属光造形用金属粉末が開示されている。特許文献2によれば、硬度熱伝導率耐食性に優れた造形物を得ることができる金属光造形用金属粉末を提供することができると記載されている。

先行技術

0005

特開2004−076040号公報
特開2014−105373号公報

発明が解決しようとする課題

0006

積層造形体の作製では、通常、積層造形物残留応力除去、元素固溶および析出強化などを図るため、後熱処理を行って組織制御が行われている。たとえば、SUS316L造形物は、造形後、造形方向に沿い柱状晶組織となり、機械的特性には異方性が生じる。それを解消するため(等軸晶に整える)に、後熱処理が行われる。一方、後熱処理する際に材料の鋭敏化が発生したり、結晶粒径が粗大化して軟化が起こったりすることが課題となることがある。

0007

本発明の目的は、上記事情に鑑み、積層造形後の後熱処理を不要とし、従来と同等以上の強度を有する積層造形体を得ることができる積層造形用粉末、積層造形体および積層造形体の製造方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

上記目的を達成するための本発明の一態様は、Tiを0.1質量%以上6質量%以下、Bを0.2質量%以上2質量%以下含有する鉄基合金を含むことを特徴とする積層造形用粉末である。

0009

上記目的を達成するための本発明の他の態様は、Tiを0.1質量%以上6質量%以下、Bを0.2質量%以上2質量%以下含む鉄基合金を有し、TiBおよびTiB2のうちの少なくとも1つを含む結晶を有することを特徴とする積層造形体である。

0010

上記目的を達成するための本発明の他の態様は、鉄基合金の原料を混合・溶解して溶湯を作製する原料混合溶解工程と、溶湯から上記鉄基合金の粉末を作製するアトマイズ工程と、上記粉末を用いて積層造形体を作製する積層造形・焼結工程とを有し、上記粉末は、Tiを0.1質量%以上6質量%以下、Bを0.2質量%以上2質量%以下含み、上記積層造形・焼結工程において、上記鉄基合金にTiBおよびTiB2のうちの少なくとも1つを含む結晶を析出させることを特徴とする積層造形体の製造方法である。

0011

本発明のより具体的な構成は、特許請求の範囲に記載される。

発明の効果

0012

積層造形後の後熱処理を不要とし、従来と同等以上の強度を有する積層造形体を得ることができる積層造形用粉末、積層造形体および積層造形体の製造方法を提供することができる。

0013

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

図面の簡単な説明

0014

本発明の積層造形用粉末、積層造形体および積層造形体を製造する方法の一例を示す工程図
試料1の積層造形を模擬したレーザ照射後組織を示す電子後方散乱回折法像(EBSD像
SUS316Lを肉盛によって作製した積層造形物の組織の一例を示す電子後方散乱回折法像(EBSD像)(A)と、試料2を肉盛によって作製した積層造形物の組織の一例を示す電子後方散乱回折法像(EBSD像)(B)

0015

(本発明の基本思想)
本発明者は、鉄基合金の造形物の後熱処理による鋭敏化、軟化を解消するため、後熱処理無しで、微細で、かつ、異方性の無い組織を有し、さらに高い機械的特性を示す合金材の開発について鋭意検討を行った。その結果、鉄基合金にTiおよびBを所定量添加し、積層造形体にTiBまたはTiB2のうちの少なくとも1つの結晶を合金組織中に微細に分散することにより、等軸晶組織を形成し、機械的特性を向上できることを見出した。本発明は、該知見に基づくものである。

0016

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明は、ここで取り挙げた実施形態に限定されるものではなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、公知技術と適宜組み合わせたり公知技術に基づいて改良したりすることが可能である。

0017

[積層造形用粉末]
上述した通り、本発明の積層造形用粉末は、鉄基合金にTi(チタン)を0.1質量%以上6質量%以下、B(ホウ素)を0.2質量%以上2質量%以下含む。このような組成を有することによって、固溶強化により強度を向上させると同時に、積層造形後の組織中に微細なTiBおよびTiB2のうちの少なくとも1つを分散させることができる。

0018

積層造形体は、通常、造形後に合金再結晶温度以上(例えば、SUS316Lでは、1000℃以上)に加熱し、結晶異方性を無くす(等軸晶)にする後熱処理が行われる。本発明の積層造形用は、上述した組成を有することによって積層造形体にTiBおよびTiB2のうちの少なくとも1つを析出させる。このTiBまたはTiB2が再結晶結晶核となり、組織微細化と同時に結晶粒界の移動をピン止めする効果を発揮し、柱状晶成長を抑制できる。この結果、積層造形後の後熱処理を行わなくても、結晶異方性を解消し、従来と同等以上の強度を達成することができる。

0019

Tiの含有量が0.1質量%未満およびBの含有量が0.2質量%未満であると、TiBまたはTiB2を析出させるのに十分ではない。Tiの含有量が6質量%を超えるとコストの観点で好ましくない。Bは融点が低く、凝固が早いため、含有量が2質量%を超えると、積層造形後の割れが生じやすくなり、好ましくない。

0020

TiとBの合計含有量は、1.5質量%以上2質量%以下であることがより好ましい。

0021

積層造形用粉末は、鉄基合金組成を有することが好ましく、より具体的にはオーステナイト系ステンレス鋼の組成であることが好ましい。さらに具体的には、C(炭素)を0.08質量%以下、Mn(マンガン)を2質量%以下、Ni(ニッケル)を10質量%以上15質量%以下、Cr(クロム)を16質量%以上18質量%以下、Mo(モリブデン)を2質量%以上3質量%以下含み、残部がFe(鉄)および不可避元素である組成が好ましい。このような組成を有する合金の1つとして、SUS316Lが挙げられる。

0022

[積層造形体]
次に、上述した本発明の積層造形用鉄基合金粉末を用いて作製した鉄基積層造形体について、その製造方法に沿って説明する。図1は本発明の積層造形用粉末、積層造形体および積層造形体を製造する方法の一例を示す工程図である。図1に示すように、積層造形体の製造方法は、原料混合溶解工程(S1)と、アトマイズ工程(S2)と、積層造形・焼結工程(S3)を有する。以下にS1〜S3について詳述する。

0023

S1:原料混合溶解工程
原料混合溶解工程S1では、所望の合金組成となるように原料を混合・溶解して溶湯10を作製する。原料の混合方法溶解方法特段の限定はなく、鉄基合金の製造における従前の方法を利用できる。例えば、溶解方法として真空溶解を好適に利用できる。また、真空炭素脱酸法などを併用して、溶湯10を精錬することが好ましい。合金組成は、上述した通りである。

0024

S2:アトマイズ工程
アトマイズ工程S2では、溶湯10から合金粉末20を形成する。本工程S2で得られる合金粉末20が、本発明の積層造形用粉末の一形態である。アトマイズ方法に特段の限定はなく、従前の方法を利用できる。例えば、高純度均質組成・球形状粒子が得られるガスアトマイズ法遠心アトマイズ法を好ましく用いることができる。

0025

本発明の合金粉末20の平均粒径に特段の限定はないが、該合金粉末20を用いて造形する際の流動性充填性の観点から、5μm以上200μm以下が好ましく、10μm以上100μm以下がより好ましく、10μm以上50μm以下が更に好ましい。

0026

後述する積層造形工程S3においては、合金粉末20の平均粒径が5μm未満になると、合金粉末20の流動性が低下して(例えば、積層造形における合金粉末床の形成性が低下して)、造形物の形状精度が低下する要因となる。一方、合金粉末20の平均粒径が200μm超になると、積層造形工程S3における合金粉末床の局所溶融・急冷凝固の制御が難しくなり、合金粉末20の溶融が不十分になったり造形物の表面粗さが増加したりする要因となる。

0027

S3:積層造形・焼結工程
積層造形工程S3では、上記で用意した合金粉末20を用いた積層造形法(Additive Manufacturing、AM法とも称する。)により、所望形状を有する合金造形物(AM体)30を形成する。本工程S3で得られるAM体30が、本発明の積層造形体の一形態である。焼成炉による焼結ではなく、レーザによる局所溶融・急冷凝固によってニアネットシェイプの金属部材を造形する積層造形法の適用により、鍛造材と同等以上の硬度とともに、複雑形状を有する三次元部材を作製することができる。積層造形方法に特段の限定はなく、従前の方法を利用できるが、例えば、選択的レーザ溶融SLM)法、レーザ肉盛を用いることが好ましい。

0028

AM体30は、上述した通り、TiBおよびTiB2のうちの少なくとも1つの結晶を含む。これは、本工程において鉄基合金から析出したものであり、この結晶の粒径は、100μm以下である。積層造形後にTiBまたはTiB2の結晶を合金組織中に微細に分散することにより、等軸晶組織を形成し、機械的特性を向上できる。このような組織を有することによって、積層造形後に後熱処理を行うこと無く、従来と同等以上の強度を達成することができる。

0029

AM体としては、例えば流体機械圧縮機およびポンプ等)のインペラが挙げられる。

0030

以下、実施例に基づき、本発明についてより詳細に説明する。

0031

(積層造形を模擬したレーザ照射試験
実施例1では、SUS316L合金粉末にTiを0.1質量%およびBを1.9質量%添加した試料1を鋳造により作製した。積層造形を模擬した試験として、試料1の表面にレーザを照射し、照射部分の断面の組織観察を行った。図2は試料1の積層造形を模擬したレーザ照射後の組織を示す電子後方散乱回折法像(EBSD像)である。図2に示すように、試料1の中心部に平均粒径20μm以下の微細かつ等軸の結晶粒が観察された。

0032

(レーザ肉盛による積層造形物の微細組織観察および強度評価
実施例2では、SUS316L合金粉末にTiを0.5質量%およびBを1.5質量%添加した試料2の粉末を用い、レーザ肉盛試験を行った。作製した試料2の断面の組織観察を行った。図3はSUS316Lを肉盛による作製した積層造形物の組織の一例を示す電子後方散乱回折法像(EBSD像)(A)と、試料2を肉盛によって作製した積層造形物の組織の一例を示す電子後方散乱回折法像(EBSD像)(B)である。図3の(A)から、SUS316Lは肉盛の造形方(縦方向)に沿い、平均結晶粒径100μm以上の柱状晶組織になっている。一方、図3の(B)に示すように、試料2はSUS316Lに比べ、柱状晶組織が消え、微細な結晶が多数生成していることが確認される。

0033

上述したSUS316Lおよび試料2の肉盛材から、つば付形状の引張試験片切り出し、デュアルコラム置型試験機インストロン社製、型式:Instron 5982)を用い、JIS Z 2241に準拠して室温において降伏強さおよび引張強さを測定した。SUS316Lおよび試料2の引張強さおよび降伏強さを後述する表1に示す。

0034

また、SUS316Lの後熱処理(1010〜1150℃、急冷)後の降伏強さおよび引張強さを表1に併記する。

0035

0036

表1に示すように、試料2の降伏強さおよび引張強さは、後熱処理なしのSUS316Lに比べてはるかに高い値となっている。また、従来のSUS316Lの後熱処理後の値と比較しても、試料2の降伏強さおよび引張強さは同等以上のレベルを達成している。

0037

以上、説明したように、本発明によれば、積層造形後の後熱処理を不要とし、従来と同等以上の強度を有する造形体を得ることができる積層造形用粉末および積層造形体を提供できることが実証された。

実施例

0038

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加や削除または置換をすることが可能である。

0039

10…溶湯、20…合金粉末、30…合金造形物。

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