(57)【要約】【課題】自重による変形を防ぐとともに高強度な金属複合体を提供する。【解決手段】金属粒子の層を形成し、金属粒子の層に有機性の結着剤を供給して金属粒子同士を結着させ、結着された金属粒子の層を順次積層して結着体を形成する結着体形成工程と、結着体を乾燥し空孔部を有する多孔質体を作製する多孔質体作製工程と、多孔質体をＴｉを含む銅又は銅合金を還元雰囲気下で加熱して溶浸させ、結着剤の炭素と銅又は銅合金中のＴｉとを反応させ、金属粒子と銅又は銅合金との界面にＴｉＣ相を形成する工程とから金属複合体の製造方法を構成する。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粒子の層を形成し、前記金属粒子の層に有機性の結着剤を供給して前記金属粒子同士を結着させ、結着された前記金属粒子の層を順次積層して結着体を形成する結着体形成工程と、
前記結着体を乾燥し空孔部を有する多孔質体を作製する多孔質体作製工程と、
前記多孔質体をＴｉを含む銅又は銅合金を還元雰囲気下で加熱して溶浸させ、前記結着剤の炭素と前記銅又は前記銅合金中のＴｉとを反応させ、前記金属粒子と前記銅又は前記銅合金との界面にＴｉＣ相を形成する工程と、
を備えた金属複合体の製造方法。
【請求項２】
Ｔｉを含む銅又は銅合金のＴｉ含有量は、０．０１重量％以上２．０重量％未満とすることを特徴とする、請求項１に記載の金属複合体の製造方法。
【請求項３】
還元雰囲気は、水素雰囲気とすることを特徴とする、請求項１又は２に記載の金属複合体の製造方法。
【請求項４】
金属粒子の平均粒径は、１μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属複合体の製造方法。
【請求項５】
金属粒子は、ステンレス鋼粒子とすることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属複合体の製造方法。
【請求項６】
複数の金属粒子が互いに接触し形成されたコア部と、
前記コア部の外周を覆うとともに前記複数の金属粒子間に充填されたＴｉを含む銅又は銅合金から構成された基盤部と、
前記コア部と前記基盤部との界面の少なくとも一部にＴｉＣ相が形成された界面部と、
を有する金属複合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属を用いた溶浸処理により製造される造形体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
三次元図面データをもとに、材料粒子から三次元造形体（以下、造形体という）を形成する新たな造形技術が注目されている。その１つである結合剤噴射法（以下、結着剤噴射法という）は、材料粒子である金属粒子を薄く敷き、金属粒子上に有機性の結着剤を噴射して、結着剤が噴射された部分の金属粒子を固め、固められた層を順次積層することにより複雑な形状の結着体を作製する。作製された結着体は、加熱により金属粒子同士が結合され、空孔部を有する多孔質の造形体となる。
この方法では、三次元図面データに基づく種々の形状を柔軟に作製できるが、造形体の空孔率が高いため、型を用いる鋳造体に比べて強度が劣り、特に加熱時に自重によって変形するおそれがあった。
そこで、金属の溶浸により強度を向上させる処理、例えば造形体より融点の低い金属又は合金を融解させ、造形体の空孔部に充填して再凝固させる処理が行われている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１８−５１０２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、金属の溶浸前に結着体形成時の結着剤を除去する必要があり、これが残留すると十分な強度が確保できないという課題があった。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、結着剤噴射法により製造された造形体の強度を向上させる金属複合体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にかかる金属複合体の製造方法は、金属粒子の層を形成し、前記金属粒子の層に有機性の結着剤を供給して前記金属粒子同士を結着させ、結着された前記金属粒子の層を順次積層して結着体を形成する結着体形成工程と、前記結着体を乾燥し空孔部を有する多孔質体を作製する多孔質体作製工程と、前記多孔質体をＴｉを含む銅又は銅合金を還元雰囲気下で加熱して溶浸させ、前記結着剤の炭素と前記銅又は前記銅合金中のＴｉとを反応させ、前記金属粒子と前記銅又は前記銅合金との界面にＴｉＣ相を形成する工程とを備えたものである。
【０００７】
また、本発明にかかる金属複合体は、複数の金属粒子が互いに接触し形成されたコア部と、前記コア部の外周を覆うとともに前記複数の金属粒子間に充填されたＴｉを含む銅又は銅合金から構成された基盤部と、前記コア部と前記基盤部との界面の少なくとも一部にＴｉＣ相が形成された界面部とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、Ｔｉを含む銅又は銅合金を多孔質体に溶浸させることによって、多孔質体を構成する金属粒子の表面に残留した炭素とＴｉとを反応させ、金属粒子と銅又は銅合金との界面にＴｉＣ相を形成することにより、炭素の残留を抑制でき、作製した金属複合体の強度を著しく向上できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる三次元造形装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる多孔質体の概略構成図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる多孔質体の溶浸処理の状態を示す概略構成図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる金属複合体片の造形方法を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかる金属複合体を示す模式図である。
【図６】本発明の実施の形態２にかかる金属複合体の引張強度比を示す関係図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
発明者らは、従来の溶浸処理により製造された造形体の強度が不足する原因の一つが、結着剤の有機成分の残留であることに着目し、有機成分を変成できないか考えた。そして、鋭意検討の結果、有機成分中の炭素と金属とを反応させ、金属化合物として造形体内に残留させることが可能であることがわかった。
そして、特にチタンと炭素とを反応させてＴｉＣとし、造形体を形成する金属粒子間、又は金属粒子と溶浸材との界面にＴｉＣ相として残留させた金属複合体とすることにより、強度を確保できることを確認した。以下、発明にかかる金属複合体の製造方法、及び金属複合体について説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施の形態１にかかる三次元造形装置の概略構成図である。三次元造形装置４は、造形室壁５により囲まれ上下に昇降するテーブル６を備えた造形室７を有する。造形室７内には、タンク８に備えられた金属粒子供給部９からテーブル６へ、金属粒子１０（例えば、ステンレス鋼粒子）が供給される。供給された金属粒子１０は、スキージ１１によりテーブル６上に敷き詰められ、押し固められて、厚みｔＤの金属粒子層１２となる。
形成された金属粒子層１２に、溶媒に溶解又は混合された有機性の結着剤１４がノズル１３から噴射され、ノズル１３が移動することにより金属粒子層１２の任意の位置に結着剤１４が供給される。これにより、複数の金属粒子１０が結着剤１４によって結着され、結着された金属粒子層１２が順次積層され、三次元形状の結着体１が形成される。図１において、結着体１の一例として換気扇のファンの形状を示している。
【００１２】
次に、得られた結着体１を造形室７から取り出して、乾燥させる。結着体１には結着剤１４の溶媒成分が残留しているため、溶媒成分を乾燥によって飛ばすことにより結着を進行させ、結着体１の変形を防止する。残留した溶媒成分を飛ばす乾燥温度、乾燥時間は、例えば２００℃、８時間程度である。
【００１３】
次に、乾燥した結着体１を常温において冷却する。図２に示すように、結着体１は、複数の金属粒子１０とそれらを互いに結着させる結着剤１４とから構成され、空孔部を有する多孔質体２となる。多孔質体２の周囲には、結着剤１４によって結着していない金属粒子が存在するため、これらを除去する。
【００１４】
次に、図３に示すように、乾燥及び冷却した多孔質体２に、例えば水素雰囲気下でＴｉを含む銅又はＴｉを含む銅合金を溶浸材１５として接触させ、ヒータ１６で加熱する。ここで、溶浸材１５は粉末状とし、これに多孔質体２を浸漬させる。ブロック形状、短冊状のものを供給してもよい。
【００１５】
この溶浸処理によって、図４（ａ）に示す多孔質体２の空孔部１７にＴｉを含む銅又は銅合金が充填され、多孔質体２は、複数の金属粒子１０が互いに接触し形成されたコア部１８と、コア部１８の外周を覆うとともに複数の金属粒子１０間に充填された溶浸材１５により構成された基盤部１９とにより形成された金属複合体３となる（図４（ｂ））。
また、金属複合体３はさらに、図５に示すように、コア部１８と基盤部１９との界面の少なくとも一部に、ＴｉＣ相２０が形成された界面部２１を有する。
【００１６】
ＴｉＣ相２０は溶浸材１５中のＴｉ含有量及び多孔質体２中の結着剤１４の量に依存して形状が異なる。界面部２１に点在又は覆うように形成されたＴｉＣ相２０の他、ＴｉＣ相２０は基盤部１９にも存在する。金属粒子１０間に存在する場合もある。また、図５に示すように、金属複合体３には炭素２２が残留する場合もある。
【００１７】
このような溶浸処理、即ちＴｉを含む銅又は銅合金を多孔質体２に接触させ加熱、保持することによって、多孔質体２を構成する金属粒子１０の表面に残留した炭素２２とＴｉとを反応させ、金属粒子１０と銅又は銅合金との界面にＴｉＣ相２０を形成することにより、炭素２２の残留を抑制でき、作製した金属複合体３の強度を著しく向上できる。
【００１８】
また、余剰の有機成分を脱脂処理してもよいが、本発明においては、有機成分の炭素２２はＴｉと反応するため、脱脂処理を省略できる。通常の脱脂処理では、多孔質体２を作製した後、５００℃前後、真空雰囲気下において１〜２４時間程度の加熱処理を行うため、脱脂処理を省略した場合、作業効率が向上する。
【００１９】
ここで、金属粒子１０を構成する金属粒子１０の平均粒径が１μｍ以上５０μｍ以下程度であれば、その金属粒子１０は高い流動性を持つため、結着剤噴射法において、均一な金属粒子層１２を形成でき、高精度な多孔質体２を得ることができる。
【００２０】
金属粒子１０の充填密度を増して均一な金属粒子層１２を得るためには、金属粒子１０はアスペクト比が１．０の球形状であることが好ましいが、アスペクト比が１．０以上２．０以下の球形状、楕円形状、多面体形状等の扁平形状であってもよい。
【００２１】
また、平均粒径１μｍ未満の金属粒子１０は、そのままでは流動性が低く均一な金属粒子層１２を形成することが困難であるため、これらの金属粒子１０を予め樹脂又は有機溶剤と混合し、平均粒径が１μｍ以上５０μｍ以下である複合粒子又は分散体として流動性を向上させ、用いることができる。
【００２２】
また、本実施の形態では、金属粒子１０であるステンレス鋼粉末として平均粒径１０μｍのＳＵＳ３１６Ｌ粉末を用いたが、同様の流動性を示す、他の金属粒子に対しても適応可能である。
【００２３】
また、溶浸処理は、水素雰囲気下以外でも可能であるが、炭素を酸化させないために還元雰囲気下であることが好ましい。溶浸処理の加熱温度、加熱時間は、例えば１１００℃、３０分である。
【００２４】
また、結着体１を中空構造としてもよい。このとき、中空構造内の結着していない金属粒子１０を取り除けるように、結着体１形成時に予め除去用の穴を設けてもよい。除去された金属粒子１０は、三次元造形装置４において再利用が可能である。
【００２５】
また、金属複合体３として換気扇のファンを製造する例を示したが、ＴｉＣ相２０を形成することにより金属複合体３の強度を向上できることから、自動車用部品、航空機の駆動部品等、応力がかかり強度確保が必要となる金属部品にも適用できる。
【００２６】
また、溶浸処理後、金属複合体３に切削加工等を行い、形状変更してもよい。
【００２７】
本発明においては、金属粒子１０の層に有機性の結着剤１４を供給して金属粒子１０同士を結着する工程を繰り返し行うことにより、三次元形状の結着体１を形成する（結着体形成工程）。結着体１は乾燥されることで空孔部１７を有する多孔質体２となり（多孔質体作製工程）、多孔質体２をＴｉを含む銅又は銅合金に溶浸させ、還元雰囲気下で加熱して、結着剤１４の炭素２２と銅又は銅合金中のＴｉとを反応させる。
これにより、複数の金属粒子１０が互いに接触し形成されたコア部１８と、コア部１８の外周を覆うとともに複数の金属粒子１０間に充填されたＴｉを含む銅又は銅合金から構成された基盤部１９と、コア部１８と基盤部１９との界面の少なくとも一部にＴｉＣ相２０が形成された界面部２１とが得られる。
【００２８】
そして、多孔質体２を構成する金属粒子１０の表面に残留した炭素２２とＴｉとを反応させ、金属粒子１０と銅又は銅合金との界面にＴｉＣ相２０を形成することにより、簡易な処理で強度を確保した金属複合体３を得ることができる。
【００２９】
実施の形態２．
実施の形態１において説明した金属複合体３の強度について説明する。金属複合体３の強度を確認するために、実施の形態１と同様にして幅２０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚さ５ｍｍの金属複合体片を作製した。また、比較のためにＴｉを含まない銅を用いて溶浸した試料片を作製した。
【００３０】
図６は、金属複合体片の引張強度比と溶浸材１５中のＴｉ含有量の関係図であり、Ｔｉを含まない銅を用いて溶浸した試料片の引張強度を１とし、溶浸材１５のＴｉ含有量を変化させた時の金属複合体片の引張強度比を示している。
図６に示すように、Ｔｉ含有量が０．０１重量％を超えると、Ｔｉを含まない銅を用いた場合の引張強度よりも大きくなることがわかる。溶浸材１５中に０．１重量％のＴｉを含むと、引張強度比は１．５倍となった。さらにＴｉ含有量を増やすと、０．３重量％で約２．５倍となり、それ以上は引張強度上昇がみられなかった。さらに０．５重量％を超えると、徐々に低下がみられた。Ｔｉ含有量が２．０重量％以上となると、Ｔｉを含まない銅を用いた場合との差がみられなくなった。
これは、Ｔｉが、例えばチタン水素化物を形成し、金属粒子１０の表面に残留してＴｉＣ相２０の形成を阻害したためと推測される。また、Ｔｉ含有量が２．０重量％以上となると界面部２１にＴｉＣ相が形成されにくくなると思われる。
【００３１】
つまり、溶浸材１５中のＴｉ含有量が０．０１重量％未満の場合、得られる金属複合体片中のＴｉＣ相２０の形成量が十分でなく、Ｔｉ含有量が２．０重量％以上の場合、形成されるＴｉＣ相２０が形成されにくいため、Ｔｉ含有量としては０．０１重量％以上２．０重量％未満が好ましい。さらには、０．０１重量％以上０．５重量％以下、０．１重量％以上０．５重量％以下、０．３重量％以上０．５重量％以下が好ましい。
【００３２】
このように、Ｔｉを含む銅又は銅合金を多孔質体２に溶浸させることによって、多孔質体２を構成する金属粒子１０の表面に残留した炭素２２とＴｉとを反応させ、金属粒子１０と銅又は銅合金との界面にＴｉＣ相２０を形成することにより、炭素２２の残留を抑制でき、作製した金属複合体３の強度を著しく向上できる。
【００３３】
なお、本発明は、発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせることや、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１  結着体、２  多孔質体、３  金属複合体、４  三次元造形装置、５  造形室壁、
６  テーブル、７  造形室、８  タンク、９  金属粒子供給部、１０  金属粒子、
１１  スキージ、１２  金属粒子層、１３  ノズル、１４  結着剤、１５  溶浸材、
１６  ヒータ、１７  空孔部、１８  コア部、１９  基盤部、２０  ＴｉＣ相、
２１  界面部、２２  炭素。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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