(57)【要約】【課題】従来の金型の強度、硬度を保持しつつ、伸びを増大させることにより、厚い金型の内部まで高強度かつ高い伸びを両立する鋼材を提供する。【解決手段】マルテンサイトの領域Ａ中に、フェライトの領域Ｂを３次元網目状に分散させた複合組織を有する鋼材。【選択図】図２
2018021236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルテンサイトからなる領域Ａと、フェライトからなる領域Ｂを含み、前記領域Ｂが３次元網目状の組織を構成していることを特徴とする鋼材。
【請求項２】
マルテンサイトあるいは焼戻しマルテンサイトあるいは、微細なフェライトとセメンタイトからなる領域Ａと、フェライトとセメンタイトからなる領域Ｂを含み、前記領域Ｂが３次元網目状の組織を構成していることを特徴とする鋼材。
【請求項３】
マルテンサイトあるいは焼戻しマルテンサイトあるいは、微細なフェライトとセメンタイトからなる領域Ａと、フェライトとセメンタイトからなる領域Ｂを含み、前記領域Ｂが３次元網目状の組織を構成しており、かつ前記領域Ｂの周りを、焼戻しマルテンサイトあるいは、微細なフェライトとセメンタイトを含む領域Ｃの組織が包囲した構成を有することを特徴とする鋼材。
【請求項４】
厚さが１０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋼材。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の鋼材を作製する金属粉末の積層造形方法であって、粉末床あるいは造形層を冷却しながらレーザ光照射を行うことにより、マルテンサイトと焼戻しマルテンサイトからなる領域Ａを作り、次に、造形層を冷却しながらレーザ光照射を行うことにより領域Ａの中に領域Ｂを作ることを特徴とする金属粉末の積層造形方法。
【請求項６】
マルテンサイト系ステンレス鋼材の粉末積層造形方法であることを特徴とする請求項５に記載の粉末積層造形方法。
【請求項７】
請求項１記載の鋼材を含むことを特徴とする部品。
【請求項８】
請求項７記載の部品に関する３Ｄデータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強靭な鋼材および該鋼材を作製するための金属粉末積層造形方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、事務機用樹脂射出成形品の高精度化や金型の高耐久化を向上するために、図１に示すように金型表面をマルテンサイト変態処理して該表面を高強度化していた。これにより表面は硬化するが、一方では脆性が増大し、取扱い時や樹脂成形品の離型時に欠けが発生したり、樹脂の充填時にかかる負荷により金型の摩耗が生じて成形品の精度が悪化したりするという課題があった。
【０００３】
そこで、材料の表面のみならず内部まで、強度、硬度を保ちつつ、伸びの向上した内部組織とするための検討がなされてきた。特許文献１には、材料内部までマルテンサイト化させ、そのマルテンサイト相の中に軟らかなフェライト相を分散させることによって高靭性の冷延鋼板を得る手段が示されている。得られた鋼板の機械的強度は、伸びについては増したが、強度（硬度）は低下し、且つ板材であることから、肉厚の金型への使用には適さなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２１３６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
マルテンサイト相の中にフェライト相を独立分散させた材料では、マルテンサイト相とフェライト相は弾性率が異なることから、二相の境界で応力が発生し易く、衝撃や摩耗等を起点として脆いマルテンサイト領域あるいは周辺から破壊が始まる。フェライト相が独立分散して存在している上記の先行技術では、一旦マルテンサイト相側でクラックの発生が開始すると、マルテンサイト相内または境界を亀裂が伝播し、比較的低応力で破壊が進行する。また、形状が鋼板であるため、大型で肉厚の金型への適用は難しかった。
【０００６】
本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、従来の金型の強度、硬度を保ちつつ、伸びを増大させることにより、厚い金型の内部においても高強度かつ高い伸びを両立させ得る鋼材を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決すべく完成された本発明の第１の観点によれば、マルテンサイトからなる領域Ａと、フェライトからなる領域Ｂを含み、前記領域Ｂが３次元網目状の組織を構成していることを特徴とする鋼材が提供される。
【０００８】
さらに、本発明の第２の観点によれば、マルテンサイトあるいは焼戻しマルテンサイトあるいは、微細なフェライトとセメンタイトからなる領域Ａと、フェライトとセメンタイトからなる領域Ｂを含み、前記領域Ｂが３次元網目状の組織を構成していることを特徴とする鋼材が提供される。
【０００９】
また、本発明の第３の観点によれば、マルテンサイトあるいは焼戻しマルテンサイトあるいは、微細なフェライトとセメンタイトからなる領域Ａと、フェライトとセメンタイトからなる領域Ｂを含み、前記領域Ｂが３次元網目状の組織を構成しており、かつ前記領域Ｂの周りを、焼戻しマルテンサイトあるいは、微細なフェライトとセメンタイトを含む領域Ｃの組織が包囲した構成を有することを特徴とする鋼材が提供される。
【００１０】
さらに、本発明の第４の観点によれば、上記の各鋼材を作製する金属粉末積層造形方法であって、粉末床あるいは造形層を冷却しながらレーザ光照射を行うことにより、マルテンサイトと焼戻しマルテンサイトからなる領域Ａを作り、次に、造形層を冷却しながらレーザ光照射を行うことにより領域Ａの中に領域Ｂを作ることを特徴とする金属粉末積層造形方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高強度を保持しながら伸びの向上した厚いバルク材を提供することができる。特に、樹脂射出成形用の金型の剛性を増大させ、それにより金型の欠けや摩耗を抑制することができ、最終的に高精度化した事務機用樹脂製品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来の金型内部の組織の概略を示す図である。
【図２】マルテンサイト相内にフェライト相が３次元網目状に形成された鋼材の概略を示す図である。
【図３】部材断面を観察した際に現れる代表的な組織の概略を示す図である。
【図４】図２に示す部材の内部の任意の点を通る互いに直交する３つの断面の組織を示す概略図である。
【図５】材料内のスライス断面位置を示す概略図である。
【図６】金属粉末積層造形方法で実施する各工程を示す概略工程図であり、（ａ）は金属粉末を造形プレート上に敷き詰める積層工程図であり；（ｂ）は金属粉末に多量の冷却ガスを吹き付けながら粉末にレーザ光を照射して溶融・固化させる工程を示す図であり；（ｃ）は固化表面に吹き付ける冷却ガスの流量を少なくし、エネルギー密度の低いレーザ光を照射して焼き戻しを行う工程を示す図であり；（ｄ）は（ｃ）で得られた造形層の表面にさらに金属粉を積層し、（ｂ）に示すのと同様なプロセスで溶融・固化させる工程を示す図であり；（ｅ）は（ｄ）で固化した造形層表面に（ｃ）と同様のプロセスで焼き戻しを行い、第二層目を積層造形する工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図２〜６に基づいて説明する。
本発明に係る鋼材の一実施形態は、図２に示すように、マルテンサイト相１である領域Ａ中に、フェライト相２である領域Ｂを３次元網目状に分散させた複合組織を有する材料である。この材料の断面を研磨し、後方散乱電子回折（ＥＢＳＤ）法によって組織を詳しく観察した。その結果、図３に示すように、前記マルテンサイト相１の領域Ａ内は、マルテンサイト組織、あるいは焼戻しマルテンサイト、あるいは微細なフェライト、あるいはオーステナイトからなる。さらに、同領域をエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）により観察するとε炭化物（Ｆｅ２−２.５Ｃ）あるいはセメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）の存在を確認することができる。
【００１４】
一方、前記３次元網目状フェライト相２の領域Ｂ内には、フェライト組織の存在を確認することができる。また、同領域をＥＤＸにより観察するとセメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）の存在を確認することができる。
【００１５】
加えて、前記フェライト相２の領域Ｂの周りに第三の相として、焼戻しマルテンサイト、あるいはフェライト組織、あるいはベイナイトを含む領域Ｃが存在し、領域Ｂを包囲している。同領域をＥＤＸによりさらに観察するとセメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）の存在を確認することができる。このように領域Ａの中に、領域Ｂが３次元の網目状に存在し、且つ領域Ｂの表面を領域Ｃが覆っている、三種類の領域が組み合わさった部材が提供される。
【００１６】
領域Ａのみでは非常に硬い反面、脆いため、領域Ｂを領域Ａ内に３次元網目状に存在させることで、領域Ａ、もしくは領域Ｂとの界面での破壊の起点の分散を図る。同時に、領域Ｂによって破壊の伝播を食い止め、破壊強度の低減を抑えると共に、延性を付与し、部材全体としての靭性を向上させることができる。加えて、領域Ｂのまわりに領域Ｃを存在させることで、領域Ａと領域Ｂの間における弾性率の急激な変化を防ぎ、破壊を抑制し、強度向上に効果を発揮する。
【００１７】
３次元網目構造の特徴は、得ようとする製品の形態によって変えることができる。例えば、金型のような一方向から加圧を受ける部材の場合には、一軸圧縮の剪断発生方向を多くのフェライトの網目が横切るように構成されていると効果的であり、具体的にはフェライトの網目が表面に向かって異方性を有する構成が好ましい。また、歯車のように一方向からの圧力や捩じりが加わる部材の場合、応力発生方向に垂直な網目状フェライト構造が好ましい。また、針状部材や棒状部材が点接触しており、あたかも網目状になっているフェライト組織もこれに含まれる。
【００１８】
上記材料を確認する方法として、図４に示すように、材料内部の任意の点において、その点を通る互いに直交する３つの断面を研磨し、ＥＢＳＤによって観察する。この方法により、２つ以上の断面でマルテンサイト組織中に棒状、あるいは針状、あるいは枝状、あるいは板状のフェライト組織の存在を確認することができる。
【００１９】
また、別な確認方法として、図５に示すように部材内の任意の一点を通る直線に直交する面に沿って部材を連続的にスライスし、その各断面を研磨し、ＥＢＳＤによって観察する。その場合、一つの断面内にあるフェライト領域がその前後の断面上のフェライト領域と連続的につながることで確認することができる。
【００２０】
対象となる金属材料としては、金型材料として耐食性の優れたマルテンサイト系ステンレス鋼材が主に用いられるが、コスト低減の観点から、炭素鋼の表面に硬質Ｃｒめっきの様な耐食性を有するめっき処理を行ったものも含まれる。
かかる鋼材の製造法としては金属粉末積層造形方法が適しているが、溶射法や肉盛造形（クラッディング）法でも製造は可能である。
【００２１】
上記の本発明に係る鋼材は、上述したように、金属粉末積層造形方法により製造することが好ましい。金属粉末積層造形方法により製造すると、本発明に係る鋼材を含む部品を製造することができる。例えば、金型などの大型部品や、歯車、ネジなどの構造部品など、任意の形状の部品を製造することができる。部品を例えば金属粉末積層造形方法により製造するため、例えば部品の形状が、一層ごとにスライスされた３Ｄデータを作成する。そして、層ごとに、粉末床あるいは造形層を冷却しながらレーザ光照射を行うことにより、マルテンサイトと焼戻しマルテンサイトからなる領域Ａを作り、次に、造形層を冷却しながらレーザ光照射を行うことにより領域Ａの中に領域Ｂを作ることを特徴とする。
【００２２】
以下、本発明に係る金属粉末積層造形方法の一実施形態を図６に基づいて説明する。
まず、造形プレート８上に金属粉末７を積層し（図６（ａ））、積層した金属粉末７の表面に多量の冷却ガス流９を吹きかけながら、１回目のエネルギー密度の大きなレーザ光１０の照射で、金属粉末７を溶融固化して急冷組織を作る（図６（ｂ））。２回目のレーザ光照射では、少量の冷却ガス流１３を吹きかけながら、１回目で固化させた領域内の必要な箇所に対し、エネルギー密度の小さいレーザ光１４を照射して組織を焼戻す（図６（ｃ））。以降、上記工程を繰返し、積層しながらフェライト相の３次元の網目組織を、１０ｍｍ以上のバルクとして提供することができる（図６（ｄ）および（ｅ））。
【００２３】
このとき、多量の冷却ガスを吹きかけると積層した金属粉末が飛散してしまい、積層造形が続かなくなる。そこで、下記の工程を行うことで改善することができる。
（１）前記の１回目のレーザ光照射前に、粉が吹き飛ばない程度に冷却ガスを弱め、金属粉末を積層し、エネルギー密度の低いレーザ光によって積層粉末表層を固化し、多量の冷却ガスを吹きかけ、前記１回目のレーザ光照射の工程に移る。
（２）予め造形エリアを液体窒素に浸し、粉が吹き飛ばない程の少量の冷却ガスを吹きかけ、前記１回目のレーザ光照射の工程に移る。以降、少量の冷却ガスはかけ続ける工程とする。
上記工程により、本発明に係るマルテンサイト相中に３次元の網目状のフェライト組織を有する高靭性鋼材を提供することができる。
【００２４】
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、以下の説明において使用する「エネルギー密度」の用語については、粉体に照射するレーザ光のエネルギー密度Ｅを下記のように規定した。
Ｅ［Ｊ／ｍｍ２］
＝レーザーパワー［Ｗ］／｛レーザ速度［ｍｍ／ｓｅｃ］×積層厚さ［μｍ］｝
【００２５】
（実施例１）
Ａｒ雰囲気中（Ｏ２濃度＜５００ｐｐｍ）において、粒径２５μｍ以下のＳＵＳ４２０粉末を５０μｍの厚さで敷詰めた。敷詰めて積層させた粉末の表面に向けて２００Ｌ／ｍｉｎの流量でドライアイスのミストの吹き付けを開始した。造形物を水平方向にスライスした断面形状エリアを１０Ｊ／ｍｍ２のエネルギー密度のレーザ光で急速溶融・急速凝固させた。２回目のレーザ光照射では、ミストの流量を２０Ｌ／ｍｉｎに下げ、レーザ光の径を２倍に増して５Ｊ／ｍｍ２のエネルギー密度で必要箇所の焼き戻しを行った。次いで、次の層を積層し、造形物の厚さが１８．５ｍｍになるまで上記の操作を繰り返した。
造形したＳＵＳ４２０の断面二値化法により得られた密度は９９．７％以上であった。また、３次元の３つの断面をＥＢＳＤ法により観察し、２断面においてマルテンサイト相と焼戻しマルテンサイト相の混相中に、フェライト相が棒状や枝状に存在する組織を観察することができた。また、棒状のフェライト相の周りに焼戻しマルテンサイトとフェライトの混相組織を確認することができた。ＪＩＳ規格Ｚ２２４１に従って引張試験片を作製し、引張試験を行った。引張強度、伸びの測定結果を表１に示した。
【００２６】
（実施例２）
Ａｒ雰囲気中（Ｏ２濃度＜５００ｐｐｍ）において、粒径２０μｍ以下のＳＵＳ４４０粉末を３０μｍの厚さで敷詰めた。敷詰めた粉末の表層に向けて５０Ｌ／ｍｉｎの流量で液体窒素のミストの吹き付けを開始した。設計に従った断面形状部分を１１Ｊ／ｍｍ２のエネルギー密度のレーザ光で十分焼結させながら、急冷を行った。続く２回目のレーザ光照射では、ミストの流量を８Ｌ／ｍｉｎに下げ、レーザ光の径を１．３倍に広げて４Ｊ／ｍｍ２のエネルギー密度で必要箇所の焼き戻しを行った。次いで、次の層を積層し、造形物の厚さが１２ｍｍになるまで上記の操作を繰り返した。
造形したＳＵＳ４４０の断面二値化法により得られた密度は９９．８％以上であった。さらに、造形物内の任意の一点を通る直線に直交する面を連続的にスライスし、その各断面を研磨し、ＥＢＳＤ法により観察を行った。その結果、材料断面上のフェライト相の領域が、連続する断面が滑らかに繋がっている組織であることを確認することができた。同フェライト相領域をＥＤＸにより観察するとセメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）の存在を確認した。また、前記の連続的に繋がったフェライト組織の周りに焼戻しマルテンサイトとフェライトとベイナイトの混相組織が存在することを確認することができた。実施例１と同様に引張試験を行い、その結果を表１に示した。
【００２７】
（比較例１）
Ａｒ雰囲気中（Ｏ２濃度＜５００ｐｐｍ）において、粒径２５μｍ以下のＳＵＳ４２０粉末を５０μｍの厚さで敷詰めた。敷詰めた粉末の表層に向けて３Ｌ／ｍｉｎの流量で液体ドライアイスのミストの吹き付けを開始した。設計に従った断面形状部分を１０Ｊ／ｍｍ２のエネルギー密度のレーザ光で十分焼結させながら、急冷を行った。続く２回目のレーザ光照射では、ミストの流量を１Ｌ／ｍｉｎに下げ、レーザ光の径を２倍に広げ、６Ｊ／ｍｍ２のエネルギー密度で必要箇所の焼き戻しを行った。次いで、次の層を積層し、造形物の厚さが１５ｍｍになるまで上記の操作を繰り返した。
造形したＳＵＳ４２０の断面二値化法により得られた密度は９９.９％以上であった。また、３次元の３つの断面のＥＢＳＤ観察により、いずれの断面においてもマルテンサイト相と焼戻しマルテンサイト相がほとんど見当たらず、ほぼフェライト相からなる組織が得られた。実施例１と同様に引張試験を行い、その結果を表１に示した。
【００２８】
【表１】
2018021236.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明に係る強靭な鋼材は、従来の板材では適用できなかった大型部品や、強靭性が必要とされる構造部品への展開が可能となり、耐久性の高い金型や高負荷のかかる軸、小型のネジ、歯車等に適用することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１  マルテンサイト相
２  フェライト相
３  ファイバーレーザ光
４  領域Ａ：マルテンサイト＋焼戻しマルテンサイト
５  領域Ｂ：フェライト＋セメンタイト
６  領域Ｃ：焼戻しマルテンサイト＋フェライト＋セメンタイト
７  金属粉末
８  造形プレート
９  多量の冷却ガス流
１０  エネルギー密度の大きなレーザ光
１１  マルテンサイト相
１２  溶融池
１３  少量の冷却ガス流
１４  エネルギー密度の小さいレーザ光
１５  フェライト相
【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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