(57)【要約】【課題】簡易な処理で積層造形物をほぼ一定の硬さに加工することが可能な、積層造形物の熱処理方法を提供すること。【解決手段】本発明に係る積層造形物の熱処理方法は、ＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金粉末を用いて積層造形された積層造形物を所定の熱処理温度で保持することによって積層造形物の硬さを制御する、積層造形物の熱処理方法である。当該熱処理方法における所定の熱処理温度は、２００℃よりも高く３００℃よりも低い温度である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金粉末を用いて積層造形された積層造形物を所定の熱処理温度で保持することによって前記積層造形物の硬さを制御する、積層造形物の熱処理方法であって、
前記所定の熱処理温度は、２００℃よりも高く３００℃よりも低い温度である、
積層造形物の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層造形物の熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車等に用いられる金属製品は、軽量化を目的として、アルミニウム合金等の軽金属を用いて製作されることがある。このような金属製品を形成する方法の一つとして、高い自由度で設計が可能なアディティブマニュファクチャリング（Additive Manufacturing、ＡＭ）が注目されている。ＡＭとは、材料粉末を積層させながら、その一部を硬化させていくことによって、造形物を形成する方法である。
【０００３】
ＡＭ法によって金属製品を造形した場合、金属が急冷凝固されるために、当該金属製品内には数十ｎｍ程度の微結晶組織が生成される。したがって、造形直後の金属製品は硬度が高すぎて脆性的であり、使用に適しないことがある。このため、ＡＭ法によって造形された金属製品を熱処理等の方法で改質し、強度を制御したいという要望がある。特許文献１には、アルミニウム合金の粉末を用いてＡＭによって積層造形物を製作する際、積層時の温度を制御することによって積層造形物の強度を制御する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１５５２９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されている方法では、積層造形物を形成するための積層時間によって温度条件を逐一変更する必要があり、処理が煩雑であるという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、簡易な処理で積層造形物をほぼ一定の硬さに加工することが可能な、積層造形物の熱処理方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る積層造形物の熱処理方法は、ＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金粉末を用いて積層造形された積層造形物を所定の熱処理温度で保持することによって前記積層造形物の硬さを制御する、積層造形物の熱処理方法であって、前記所定の熱処理温度は、２００℃よりも高く３００℃よりも低い温度であることを特徴としたものである。
【０００８】
上記の構成によれば、本発明に係る積層造形物の熱処理方法は、ＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金粉末を用いて積層造形された積層造形物を２００℃よりも高く３００℃よりも低い温度で保持する。このような条件下においては、熱処理の時間に依らず、積層造形物の硬さをほぼ一定に加工することができる。したがって、当該熱処理温度の範囲においては、熱処理の時間を厳密に調整することなく、積層造形物の硬さをほぼ一定にすることができる。すなわち、簡易な処理で積層造形物をほぼ一定の硬さに加工することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、簡易な処理で積層造形物をほぼ一定の硬さに加工することが可能な、積層造形物の熱処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】積層造形物の製造方法のフローチャートである。
【図２】熱処理時における熱処理温度を変化させた場合の、熱処理時間と積層造形物の硬さとの相関を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明者らは鋭意研究の結果、ＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金粉末を用いてＡＭ法で積層造形された積層造形物を２００℃よりも高く３００℃よりも低い温度で保持すれば、熱処理の時間に依らず、積層造形物の硬さをほぼ一定に加工することができることを見出した。本発明は、上記の知見に基づくものである。
【００１２】
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載および図面は、適宜、簡略化されている。
【００１３】
まず、図１を参照して、本実施形態に係る積層造形物の熱処理方法について説明する。図１は、本実施形態における積層造形物の製造方法のフローチャートである。
【００１４】
まず、ステップＳ１において、作業者は、ＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金粉末を用いて積層造形物を積層造形する。当該ＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金粉末には、公知の積層造形用のＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金粉末を用いることができ、例えばその平均粒径は１００μｍ程度とすることができる。また、積層造形物の造形方法としては、例えばＳＬＭ（Selective Laser Melting）方式やＥＢＭ（electron beam melting）方式といった、公知の積層造形方法を用いることができる。
【００１５】
次に、ステップＳ２において、作業者は、積層造形された積層造形物を熱処理する。具体的には、作業者は積層造形物を加熱炉に入れ、積層造形物を所定の熱処理温度で保持する。このようにすることで、積層造形物のひずみや内部欠陥を少なくするとともに、積層造形物の硬さを制御することができる。なお、ステップＳ２における加熱炉には、例えばバッチ式の加熱炉や連続式の加熱炉といった、公知の加熱炉を用いることができる。
【００１６】
本実施形態において、ステップＳ２における熱処理温度は、２００℃よりも高く３００℃よりも低いものとする。このような条件にすることで、後述するように、熱処理の時間に依らず、積層造形物の硬さをほぼ一定に加工することができる。
【００１７】
次に、ステップＳ３において、作業者は、熱処理した積層造形物を機械加工する。例えば、ステップＳ１（積層造形の工程）において、積層造形物を支えるためのサポート材が同時に形成されていた場合は、当該サポート材を除去する。また、作業者は、目的の形状に合わせて、さらなる機械加工を行ってもよい。
【００１８】
このようにして製造された積層造形物は、例えばＸ線ＣＴ（Computed Tomography）や三次元測定機等による外観検査を経て、製品として出荷される。
【００１９】
ここで、前述したステップＳ２における熱処理の条件について、図２を用いてさらに詳細に説明する。図２は、熱処理時における熱処理温度を変化させた場合の、熱処理時間と積層造形物の硬さ（ビッカース硬さ）との相関を示すグラフである。
【００２０】
（実験手順）
まず、図２のグラフを得るために行った実験の手順について説明する。初めに、ＳＬＭ方式の積層造形法によって、ＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金粉末を用いて直径１８ｍｍ×高さ２０ｍｍの円柱を複数造形した。次いで、それぞれの円柱に対し、熱風循環式のバッチ式加熱炉を用いて、異なる熱処理温度かつ熱処理時間で保持した。次いで、それぞれの円柱を室温大気中で冷却し、最後に積層造形物の硬さを測定した。
【００２１】
図２は、上述した実験において、熱処理温度を２００℃、２２５℃、２５０℃、２７５℃、３００℃とし、熱処理時間を０．５時間、１時間、２時間とした場合の、それぞれの積層造形物に対する硬さの測定結果を示す。なお、図２の横軸は熱処理時間を示し、図２の縦軸は積層造形物の硬さを示す。また、異なる形のプロットは、それぞれ異なる熱処理温度に対応する。
【００２２】
（実験結果）
次に、上述した実験の結果について説明する。まず、図２に示すように、造形直後の積層造形物の硬さは１３３ＨＶ程度であったが、熱処理を行った後の積層造形物の硬さは、それぞれ造形直後における硬さよりも低くなった。これは、積層造形物を加熱することによってＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金の結晶粒が大きく成長し、積層造形物の強度が低下したことに起因すると考えられる。
【００２３】
一方、熱処理温度を２００℃とした場合において、熱処理時間が１時間の積層造形物は、熱処理時間が０．５時間の積層造形物に比べて硬さが高くなることがわかった。これは、積層造形物を加熱することによってＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金のＳｉが析出し、ＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金全体としての強度が上昇したからであると考えられる。すなわち、熱処理温度が２００℃の場合は、熱処理時間が０．５時間〜１時間の範囲において、結晶粒の成長に伴う強度低下よりもＳｉの析出に伴う強度上昇の方が優位に起こり、積層造形物の強度が上昇したものと考えられる。
【００２４】
しかし、熱処理温度を２００℃とした場合において、熱処理時間が２時間の積層造形物は、熱処理時間が１時間の積層造形物よりも硬さが低くなることがわかった。これは、熱処理時間が１時間〜２時間の範囲において、Ｓｉの析出に伴う強度上昇よりも結晶粒の成長に伴う強度低下の方が優位に起こったからであると考えられる。
以上に示した通り、熱処理温度を２００℃とした場合は、ＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金のＳｉの析出に伴う強度上昇の速さとＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金の結晶粒の成長に伴う強度低下の速さとが釣り合わず、積層造形物の強度が上昇あるいは低下することが分かった。
【００２５】
また、熱処理温度を３００℃とした場合において、熱処理時間を長くすればするほど、積層造形物の硬さが低くなることがわかった。これは、熱処理時間が０．５時間〜２時間の範囲において、Ｓｉの析出に伴う強度上昇よりも結晶粒の成長に伴う強度低下の方が優位に起こったからであると考えられる。
以上に示した通り、熱処理温度を３００℃とした場合も、ＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金のＳｉの析出に伴う強度上昇の速さとＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金の結晶粒の成長に伴う強度低下の速さとが釣り合わず、積層造形物の強度が低下することが分かった。
【００２６】
これに対して、熱処理温度を２００℃よりも高く３００℃よりも低くした場合、すなわち、熱処理温度を２２５℃、２５０℃、２７５℃とした場合は、熱処理時間が０．５時間〜２時間の範囲において、積層造形物の硬さがほぼ同じであった。具体的には、熱処理時間が０．５時間〜２時間の範囲における積層造形物の硬さの変化量が５％以下であった。これは、当該熱処理温度の範囲内では、ＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金のＳｉの析出に伴う強度上昇とＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金の結晶粒の成長に伴う強度低下とがほぼ同じ早さで進行し、お互いの強度変化が相殺されたからであると考えられる。
【００２７】
以上で説明したように、本実施形態に係る積層造形物の熱処理方法においては、熱処理温度を２００℃よりも高く３００℃よりも低くすることで、熱処理の時間に依らず、積層造形物の硬さをほぼ一定に加工することができる。したがって、当該熱処理温度の範囲においては、熱処理の時間を厳密に調整することなく、積層造形物の硬さをほぼ一定にすることができる。すなわち、簡易な処理で積層造形物をほぼ一定の硬さに加工することができる。
【００２８】
なお、熱処理温度を２００℃よりも高く３００℃よりも低くする場合において、熱処理時間を０．５時間以上とすることが好ましい。熱処理時間が０．５時間以上の領域では、熱処理時間が０．５時間未満の領域（図２の領域Ｘ）よりもＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金の結晶粒の成長速度が緩やかであるため、熱処理時間に対する強度変化がより小さくなるからである。
【００２９】
また、熱処理温度を２００℃よりも高く３００℃よりも低くする場合において、熱処理時間を２時間以下とすることが好ましい。熱処理時間が２時間以下の領域では、ＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金のＳｉの析出に伴う強度上昇とＡｌＳｉ１０Ｍｇ合金の結晶粒の成長に伴う強度低下とが特にほぼ同じ早さで進行するため、熱処理時間に対する強度変化がより小さくなるからである。
【００３０】
また、熱処理温度は、２００℃よりも高く３００℃よりも低ければよいが、熱処理温度を２２５℃以上２７５℃以下とすることが好ましい。熱処理温度が２２５℃以上２７５℃以下である場合は、図２に示すように、熱処理時間に対する積層造形物の強度変化が特に小さいからである。
【００３１】
なお、本発明は上記の実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【００３２】
例えば、上記の実施形態において、ステップＳ１〜Ｓ３は作業者によって行われるものとして説明したが、各工程の一部または全部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を備える制御装置（不図示）によって行われてもよい。
【図１】
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【図２】
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