(57)【要約】      （修正有）【課題】金属粉末積層造形においてマルエージング鋼の三次元造形物を生成するコバルトを含まない金属粉末材料の提供。【解決手段】金属粉末材料は、鉄７６％以上、炭素０．０３％以下、珪素０．１２％以下、マンガン０．１２％以下、ニッケル１７％以上１９％以下、モリブデン１．５％以上２．５％以下、チタン０．５％以上２．０％以下、アルミニウム１．５％以下（０％を含む）、残部は混入不可避な不純物を含んでなり、不純物の含有量は、各不純物毎に０．０１％未満である。金属積層造形装置での使用時、金属粉末材料は、リコータヘッド３によって均一に撒布される。金属粉末材料は、レーザ照射装置８によって焼結される。造形中または造形後にマルテンサイト化し、その後、適正な時効処理を行なって硬化する。【選択図】図１
2019073752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の成分でなる複数種類の合金の粉体を混合してなる金属積層造形用の金属粉末材料。
鉄（Ｆｅ）  ７６％以上
炭素（Ｃ）  ０．０３％以下
珪素（Ｓｉ）  ０．１２％以下
マンガン（Ｍｎ）  ０．１２％以下
ニッケル（Ｎｉ）  １７％以上１９％以下
モリブデン（Ｍｏ）  １．５％以上２．５％以下
チタン（Ｔｉ）  ０．５％以上２．０％以下
アルミニウム（Ａｌ）  １．５％以下
残部は０．０１％未満で混入不可避な不純物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属粉末積層造形用の金属粉末材料に関する。特に、本発明は、マルエージング鋼に相当する鋼製の三次元造形物を生成するための金属粉末材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属粉末材料にレーザ光あるいは電子ビームを照射して所望の三次元造形物を生成する金属粉末積層造形法が知られている。常温で粉体として存在することができ、レーザ光あるいは電子ビームによって溶融し、冷却することによって凝固して常温で固体として存在することができる金属元素であるならば、基本的に金属粉末積層造形用の金属粉末材料として使用できると言える。金属粉末積層造形に適する金属粉末材料として、マルエージング鋼と同じ組成の金属粉末材料が実際に使用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ニッケルを１７％以上１９％以下含む１８Ｎｉ系マルエージング鋼と、コバルトとモリブデンを除いてニッケルを１９％以上２０％以下含む２０Ｎｉ系マルエージング鋼の金属粉末積層造形用の金属粉末材料の組成が具体的に開示されている。例えば、１８Ｎｉ系マルエージング鋼は、時効処理後に要求される硬度と引張強度を得るために、欠くことができない元素として、コバルトを７％以上１３％以下、モリブデンを３％以上５％以下、チタンを０．２％以上２％以下、アルミニウムを０．５％以上１．５％以下含んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５５７９８９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
マルエージング鋼に含まれるコバルトは、ジェットエンジン、タービン、金型、切削工具のような高硬度と高強度の工業製品に欠くことができない元素であるが、世界的に鉱物として生産できる地域が限定されているため、使用が制限されている。また、コバルトは、労働安全衛生法における特定化学物質であり、元来人体に存在しない元素であるため、摂取量にもよるが、体内に入って蓄積した場合に、何らかの悪影響を与える可能性が指摘されている。
【０００６】
２０Ｎｉ系マルエージング鋼、いわゆるコバルトフリーのマルエージング鋼は、コバルトとモリブデンを除いて要求される硬度と高強度を維持するために、ニッケルとチタンの含有率を高くしており、硬度と強度が主にニッケルとチタンに由来するので、比較的柔軟性に欠き、より難切削性であると考えられる。そのため、造形途中の焼結体の形状を切削加工によって整えることによって三次元造形物の形状精度の向上を図る金属粉末積層造形における金属粉末材料としては、適当ではない。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みて、コバルトを含まず、マルエージング鋼の性質を有する鋼材を生成することができる金属粉末積層造形用の金属粉末材料を提供することを主たる目的とする。本発明によって得ることができるいくつかの有利な点は、具体的な実施の形態の説明において、その都度詳しく説示される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の金属積層造形用の金属粉末材料は、鉄７６％以上、炭素０．０３％以下、珪素０．１２％以下、マンガン０．１２％以下、ニッケル１７％以上１９％以下、モリブデン１．５％以上２．５％以下、チタン０．５％以上２．０％以下、アルミニウム１．５％以下（０％を含む）で、残部は０．０１％未満で混入不可避な不純物とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の金属粉末材料は、炭素含有量が０．０３％以下でマルテンサイト化させた後に適切な時効処理を行なうことによって硬化させる鋼材の材料であって、時効処理による硬化前における切削性により優れる。工具の破損と過度の磨耗を抑えることができるので、例えば、所定数の溶融固化層を形成後に切削液を使用しない刃先の小さい工具によるフライス加工を行なうことができ、金属積層造形において、造形途中の焼結体の形状を切削加工によって整えることができる。そのため、切削加工による仕上げ加工が困難なマルエージング鋼の製造物の形状精度を向上することができる。
【００１０】
本発明の金属粉末材料は、所定の含有率でモリブデンとニッケルとチタンを含んでいるので、時効処理後に十分に高い硬度と比較的高い引張強度を得ることができる。そして、本発明の金属粉末材料は、可撓性に優れ、時効処理による歪が小さく、窒化処理が容易であり、熱膨張率が少ないというマルエージング鋼の特性を有している。そのため、金属粉末積層造形法による金型、あるいは金属部品の製作に有益である。また、コバルトを含まないので、管理を含めた材料の取扱いが比較的簡単であり、生産効率が向上する。また、安全性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の金属粉末材料を使用して三次元造形物を生成する金属積層造形装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
炭素の含有量が０．０３％であって、マルテンサイト変態後に時効処理を行なうという広義の意味では、本発明の金属粉末材料は、マルエージング鋼の材料に相当する。しかしながら、一般のマルエージング鋼は、コバルトを含むニッケル合金鋼であるから、本発明の金属粉末材料は、正確には、マルエージング鋼の材料に相当しない。また、コバルトフリーのマルエージング鋼は、コバルトおよびコバルトと関係が密接であるモリブデンを除いてニッケルとチタンの含有率を増大させたものであるから、同様にマルエージング鋼の材料に相当しない。
【００１３】
本発明においては、本発明の金属粉末材料によって鋼材を生成する熱処理工程がマルエージング鋼と同じで、生成された鋼材の性質がマルエージング鋼と概ね同じであるが、誤解を生じないようにするために、マルエージング鋼相当の鋼材という。また、金属積層造形装置によって生成された時効処理前の三次元造形物は、正確には、マルエージング鋼相当の鋼材ではなく中間材であるが、説明の便宜上、マルエージング鋼相当の三次元造形物と表現することがある。
【００１４】
コバルトは、マルエージング鋼の硬化には直接寄与しないが、モリブデンの固溶限を下げて析出を促進する作用を有していると推定されている。また、コバルトは、チタンの析出には、無関係であることが判明している。そのため、一般に、例えば、２０Ｎｉ系マルエージング鋼のように、コバルトを除く場合は、関係するモリブデンも除き、硬度と引張強度を得るためにニッケルとチタンを増大するように図られていることに注意を要する。
【００１５】
本発明の金属粉末積層造形用の金属粉末材料は、１８Ｎｉ系マルエージング鋼相当の三次元造形物を生成するための材料である。本発明の金属粉末材料の基本の技術思想は、１８Ｎｉ系マルエージング鋼の組成からコバルトを除くことであるが、コバルトと関係するモリブデンはそのまま残し、コバルトを除いたことによる含有量の変化に対して、ニッケルとチタンを増量せずに原則鉄を増量することである。
【００１６】
本発明の具体的な組成は、次のとおりである。
鉄（Ｆｅ）  ７６％以上
炭素（Ｃ）  ０．０３％以下
珪素（Ｓｉ）  ０．１２％以下
マンガン（Ｍｎ）  ０．１２％以下
ニッケル（Ｎｉ）  １７％以上１９％以下
モリブデン（Ｍｏ）  １．５％以上２．５％以下
チタン（Ｔｉ）  ０．５％以上２．０％以下
アルミニウム（Ａｌ）  １．５％以下
残部は０．０１％未満で混入不可避な不純物。
ただし、マルエージング鋼相当の鋼として性能が維持される範囲で単一の元素として０．０１％未満含まれているという意味であり、不純物が複数の元素でなるときに、複数種類の元素の合計の含有率で０．０１％未満という意味ではない。なお、アルミニウムは、本発明においては、必須の成分元素ではなく、含有していなくてもよい。
【００１７】
本発明の金属粉末積層造形用の金属粉末材料は、コバルトを含まず、硬度と引張強度の維持のためにニッケルとチタンの含有量を多くすることをしていないので、造形中における焼結体の切削性が良好である。そのため、金属粉末積層造形においては、造形中に焼結体を切削加工することによって三次元造形物の形状精度を向上させることができる。最終的にマルエージング鋼と同等の性質を得ることができるので、変形と歪が少なく、高精度の三次元造形物を得ることができる。
【００１８】
本発明の金属粉末材料によって生成されるマルエージング鋼相当の鋼材は、コバルトを含有していないため、同じクラスの１８Ｎｉ系マルエージング鋼に比べると硬度が殆ど変わらないものの、引張強度がある程度低くなることが判明した。そして、その他の性質に関しては、本発明の金属粉末材料によって生成されるマルエージング鋼相当の鋼材は、一般のマルエージング鋼と実質変わらない。
【実施例１】
【００１９】
実施例１の含有成分を表１に示す。硬度は、時効硬化後の数値であり、括弧内の数値は、時効硬化前の造形時の硬度である。硬度に直接影響するモリブデン（Ｍｏ）の含有率を少なくし、チタン（Ｔｉ）の含有率を比較的多くして、基礎的な値を確認するために、不純物を可能な限り取り除いた。
【００２０】
【表１】
2019073752.tif 000003
【実施例２】
【００２１】
実施例２の含有成分を表２に示す。硬度は、時効硬化後の数値であり、括弧内の数値は、時効硬化前の造形時の硬度である。実施例１に対して、モリブデン（Ｍｏ）の含有率を多くし、チタン（Ｔｉ）の含有率を少なくし、その他の金属元素を一般の１８Ｎｉ系マルエージング鋼に対して標準的に含ませるとともに、コバルトも誤差の範囲として０．０１％意図的に加えた。試験の結果から、性能としては、コバルトを誤差の範囲で含む場合も実質的にコバルトを含まないものと同じであると見做すことができる。
【００２２】
【表２】
2019073752.tif 000004
【比較例】
【００２３】
市販の粉体の１８Ｎｉ系マルエージング鋼の公称値を表３に例示する。
【００２４】
【表３】
2019073752.tif 000005
【００２５】
本発明の金属粉末材料における粉体の粒径は、１０μｍ以上５０μｍ以下である。金属粉末積層造形における金属粉末材料として、単一の金属元素の粉体が含まれると、未焼結の金属粉末材料を回収して再利用するときに金属粉末材料の性質が変化してしまうおそれが高いので、各粉体は、炭素を含む場合を含めて、全て合金である。
【００２６】
以下に、図１を参照して、本発明の金属粉末材料の使用方法を説明する。図１は、一般に、金属３Ｄプリンタと称される金属積層造形装置の一例を示す。図１は、金属積層造形装置の正面向かって右側面の断面を示す。図１に示される金属積層造形装置は、切削装置１を備える。金属積層造形装置は、具体的に、チャンバ２と、リコータヘッド３と、材料供給装置４と、造形テーブル５と、不活性ガス供給装置６と、ヒュームコレクタ７と、レーザ照射装置８とを含んでなる。
【００２７】
上下に移動可能な造形テーブル５は、チャンバ２によって形成される造形室内に所定の造形領域を形成する。造形室内は、不活性ガス供給装置６から供給される不活性ガス、例えば、窒素ガスによって充満されていて、酸素濃度が３％未満に保持されており、金属粉末材料の酸化が防がれている。レーザ照射装置８から照射される所定のエネルギのレーザ光によって金属粉末材料が焼結されるときに発生する金属ヒュームは、ヒュームコレクタ７によって除去されて、窒素ガスが浄化される。
【００２８】
本発明の所定の含有率で各金属元素を含む合金の粉体を混合した金属粉末材料は、材料供給装置４からリコータヘッド３に供給される。リコータヘッド３は、造形テーブル５の上に形成されている所定の造形領域に金属粉末材料を撒布しながら３０μｍ以上１００μｍ以下の均一の高さに均す。
【００２９】
金属粉末材料が撒布された後、所望の三次元造形物の輪郭形状に合わせて所定のエネルギのレーザ光が照射されて焼結層が形成される。焼結されなかった金属粉末材料は、造形後に回収される。レーザ光の照射方法によっては、マルテンサイト変態をさせながら金属粉末材料を焼結させることができる。もちろん、三次元造形物を生成後にマルテンサイト化することができる。
【００３０】
例えば、実施例１の本発明の金属粉末材料は、焼結時の硬度がＨＲＣ３４．５であるので、切削液なしで切削が可能である。そのため、造形の途中で切削装置１を適時駆動して造形途中の焼結体の輪郭あるいは表面を切削することができ、造形後の仕上げ加工が困難なマルエージング鋼の形状精度を向上させることができる。また、造形途中の焼結体の表面に不慮に生成される金属突起を切削によって除去することができ、連続的な造形工程の中断を避けることができる。特に、実施例１は、例えば、表３に示す市販の粉体の１８Ｎｉ系マルエージング鋼の時効硬化前の硬度の公称値に比べて低く、工具の磨耗を小さく抑える。
【００３１】
所望の形状の三次元造形物を生成した後は、適正に時効処理をすることによって硬化させ、マルエージング鋼相当の鋼でなる三次元造形物を生成することができる。モリブデンの析出に寄与するコバルトを殆ど含まないため、モリブデン由来の硬度と引張硬度が低く、表１から表３に示されるように、同じクラスの一般の１８Ｎｉ系マルエージング鋼に比べて特に引張強度がある程度低くなる。ただし、マルエージング鋼の特徴を依然として保持しており、高い形状精度が要求される金型、あるいは金属部品に有用である。
【００３２】
本発明の金属粉末材料は、所望の三次元造形物を造形中に切削加工によって形状を整える金属粉末積層造形に特に有益である。本発明の金属粉末材料は、戦略物資であるコバルトを含まないので、取扱いが容易であり、生産効率が向上する。また、コバルトは、人体に対して有害であるかどうかが不明な点があるので、コバルトを含まない本発明の金属粉末材料は、安全性に優れる。
【００３３】
以上に説明される本発明の実施例によって生成される鋼材は、マルエージング鋼の性質を保持している。本発明の技術思想に反しない限り、実施例に具体的に示した組成含有率と全く同じでなくても、実施例と同等の性能を得ることができる範囲で本発明は有効である。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、金属粉末積層造形法による三次元光造形に適用できる。本発明は、マルテンサイト化した三次元造形物を時効処理した後の変形と歪が少ないので、金属粉末積層造形用の金属粉末材料として有効である。本発明は、造形物に要求される形状精度、硬度、引張強度を十分に得ることができる。本発明は、金属粉末積層造形技術の進歩と、金型産業、金属部品産業の発展に寄与する。
【符号の説明】
【００３５】
１  切削装置
２  チャンバ
３  リコータヘッド
４  材料供給装置
５  造形テーブル
６  不活性ガス供給装置
７  ヒュームコレクタ
８  レーザ照射装置
【図１】
2019073752.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成30年8月9日(2018.8.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の成分でなる複数種類の合金の粉体を混合してなる金属積層造形用の金属粉末材料。
鉄（Ｆｅ）  ７６重量％以上
炭素（Ｃ）  ０．０３重量％以下
珪素（Ｓｉ）  ０．１２重量％以下
マンガン（Ｍｎ）  ０．１２重量％以下
ニッケル（Ｎｉ）  １７重量％以上１９重量％以下
モリブデン（Ｍｏ）  １．５重量％以上２．５重量％以下
チタン（Ｔｉ）  ０．５重量％以上２．０重量％以下
アルミニウム（Ａｌ）  １．５重量％以下
残部は０．０１重量％未満で混入不可避な不純物。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属粉末積層造形用の金属粉末材料に関する。特に、本発明は、マルエージング鋼に相当する鋼製の三次元造形物を生成するための金属粉末材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属粉末材料にレーザ光あるいは電子ビームを照射して所望の三次元造形物を生成する金属粉末積層造形法が知られている。常温で粉体として存在することができ、レーザ光あるいは電子ビームによって溶融し、冷却することによって凝固して常温で固体として存在することができる金属元素であるならば、基本的に金属粉末積層造形用の金属粉末材料として使用できると言える。金属粉末積層造形に適する金属粉末材料として、マルエージング鋼と同じ組成の金属粉末材料が実際に使用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ニッケルを１７重量％以上１９重量％以下含む１８Ｎｉ系マルエージング鋼と、コバルトとモリブデンを除いてニッケルを１９重量％以上２０重量％以下含む２０Ｎｉ系マルエージング鋼の金属粉末積層造形用の金属粉末材料の組成が具体的に開示されている。例えば、１８Ｎｉ系マルエージング鋼は、時効処理後に要求される硬度と引張強度を得るために、欠くことができない元素として、コバルトを７重量％以上１３重量％以下、モリブデンを３重量％以上５重量％以下、チタンを０．２重量％以上２重量％以下、アルミニウムを０．５重量％以上１．５重量％以下含んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５５７９８９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
マルエージング鋼に含まれるコバルトは、ジェットエンジン、タービン、金型、切削工具のような高硬度と高強度の工業製品に欠くことができない元素であるが、世界的に鉱物として生産できる地域が限定されているため、使用が制限されている。また、コバルトは、労働安全衛生法における特定化学物質であり、元来人体に存在しない元素であるため、摂取量にもよるが、体内に入って蓄積した場合に、何らかの悪影響を与える可能性が指摘されている。
【０００６】
２０Ｎｉ系マルエージング鋼、いわゆるコバルトフリーのマルエージング鋼は、コバルトとモリブデンを除いて要求される硬度と高強度を維持するために、ニッケルとチタンの含有率を高くしており、硬度と強度が主にニッケルとチタンに由来するので、比較的柔軟性に欠き、より難切削性であると考えられる。そのため、造形途中の焼結体の形状を切削加工によって整えることによって三次元造形物の形状精度の向上を図る金属粉末積層造形における金属粉末材料としては、適当ではない。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みて、コバルトを含まず、マルエージング鋼の性質を有する鋼材を生成することができる金属粉末積層造形用の金属粉末材料を提供することを主たる目的とする。本発明によって得ることができるいくつかの有利な点は、具体的な実施の形態の説明において、その都度詳しく説示される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の金属積層造形用の金属粉末材料は、鉄７６重量％以上、炭素０．０３重量％以下、珪素０．１２重量％以下、マンガン０．１２重量％以下、ニッケル１７重量％以上１９重量％以下、モリブデン１．５重量％以上２．５重量％以下、チタン０．５重量％以上２．０重量％以下、アルミニウム１．５重量％以下（０重量％を含む）で、残部は０．０１重量％未満で混入不可避な不純物とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の金属粉末材料は、炭素含有量が０．０３重量％以下でマルテンサイト化させた後に適切な時効処理を行なうことによって硬化させる鋼材の材料であって、時効処理による硬化前における切削性により優れる。工具の破損と過度の磨耗を抑えることができるので、例えば、所定数の溶融固化層を形成後に切削液を使用しない刃先の小さい工具によるフライス加工を行なうことができ、金属積層造形において、造形途中の焼結体の形状を切削加工によって整えることができる。そのため、切削加工による仕上げ加工が困難なマルエージング鋼の製造物の形状精度を向上することができる。
【００１０】
本発明の金属粉末材料は、所定の含有率でモリブデンとニッケルとチタンを含んでいるので、時効処理後に十分に高い硬度と比較的高い引張強度を得ることができる。そして、本発明の金属粉末材料は、可撓性に優れ、時効処理による歪が小さく、窒化処理が容易であり、熱膨張率が少ないというマルエージング鋼の特性を有している。そのため、金属粉末積層造形法による金型、あるいは金属部品の製作に有益である。また、コバルトを含まないので、管理を含めた材料の取扱いが比較的簡単であり、生産効率が向上する。また、安全性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の金属粉末材料を使用して三次元造形物を生成する金属積層造形装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
炭素の含有量が０．０３重量％であって、マルテンサイト変態後に時効処理を行なうという広義の意味では、本発明の金属粉末材料は、マルエージング鋼の材料に相当する。しかしながら、一般のマルエージング鋼は、コバルトを含むニッケル合金鋼であるから、本発明の金属粉末材料は、正確には、マルエージング鋼の材料に相当しない。また、コバルトフリーのマルエージング鋼は、コバルトおよびコバルトと関係が密接であるモリブデンを除いてニッケルとチタンの含有率を増大させたものであるから、同様にマルエージング鋼の材料に相当しない。
【００１３】
本発明においては、本発明の金属粉末材料によって鋼材を生成する熱処理工程がマルエージング鋼と同じで、生成された鋼材の性質がマルエージング鋼と概ね同じであるが、誤解を生じないようにするために、マルエージング鋼相当の鋼材という。また、金属積層造形装置によって生成された時効処理前の三次元造形物は、正確には、マルエージング鋼相当の鋼材ではなく中間材であるが、説明の便宜上、マルエージング鋼相当の三次元造形物と表現することがある。
【００１４】
コバルトは、マルエージング鋼の硬化には直接寄与しないが、モリブデンの固溶限を下げて析出を促進する作用を有していると推定されている。また、コバルトは、チタンの析出には、無関係であることが判明している。そのため、一般に、例えば、２０Ｎｉ系マルエージング鋼のように、コバルトを除く場合は、関係するモリブデンも除き、硬度と引張強度を得るためにニッケルとチタンを増大するように図られていることに注意を要する。
【００１５】
本発明の金属粉末積層造形用の金属粉末材料は、１８Ｎｉ系マルエージング鋼相当の三次元造形物を生成するための材料である。本発明の金属粉末材料の基本の技術思想は、１８Ｎｉ系マルエージング鋼の組成からコバルトを除くことであるが、コバルトと関係するモリブデンはそのまま残し、コバルトを除いたことによる含有量の変化に対して、ニッケルとチタンを増量せずに原則鉄を増量することである。
【００１６】
本発明の具体的な組成は、次のとおりである。
鉄（Ｆｅ）  ７６重量％以上
炭素（Ｃ）  ０．０３重量％以下
珪素（Ｓｉ）  ０．１２重量％以下
マンガン（Ｍｎ）  ０．１２重量％以下
ニッケル（Ｎｉ）  １７重量％以上１９重量％以下
モリブデン（Ｍｏ）  １．５重量％以上２．５重量％以下
チタン（Ｔｉ）  ０．５重量％以上２．０重量％以下
アルミニウム（Ａｌ）  １．５重量％以下
残部は０．０１重量％未満で混入不可避な不純物。
ただし、マルエージング鋼相当の鋼として性能が維持される範囲で単一の元素として０．０１重量％未満含まれているという意味であり、不純物が複数の元素でなるときに、複数種類の元素の合計の含有率で０．０１重量％未満という意味ではない。なお、アルミニウムは、本発明においては、必須の成分元素ではなく、含有していなくてもよい。
【００１７】
本発明の金属粉末積層造形用の金属粉末材料は、コバルトを含まず、硬度と引張強度の維持のためにニッケルとチタンの含有量を多くすることをしていないので、造形中における焼結体の切削性が良好である。そのため、金属粉末積層造形においては、造形中に焼結体を切削加工することによって三次元造形物の形状精度を向上させることができる。最終的にマルエージング鋼と同等の性質を得ることができるので、変形と歪が少なく、高精度の三次元造形物を得ることができる。
【００１８】
本発明の金属粉末材料によって生成されるマルエージング鋼相当の鋼材は、コバルトを含有していないため、同じクラスの１８Ｎｉ系マルエージング鋼に比べると硬度が殆ど変わらないものの、引張強度がある程度低くなることが判明した。そして、その他の性質に関しては、本発明の金属粉末材料によって生成されるマルエージング鋼相当の鋼材は、一般のマルエージング鋼と実質変わらない。
【実施例１】
【００１９】
実施例１の含有成分を表１に示す。硬度は、時効硬化後の数値であり、括弧内の数値は、時効硬化前の造形時の硬度である。硬度に直接影響するモリブデン（Ｍｏ）の含有率を少なくし、チタン（Ｔｉ）の含有率を比較的多くして、基礎的な値を確認するために、不純物を可能な限り取り除いた。
【００２０】
【表１】
2019073752.tif 000007
【実施例２】
【００２１】
実施例２の含有成分を表２に示す。硬度は、時効硬化後の数値であり、括弧内の数値は、時効硬化前の造形時の硬度である。実施例１に対して、モリブデン（Ｍｏ）の含有率を多くし、チタン（Ｔｉ）の含有率を少なくし、その他の金属元素を一般の１８Ｎｉ系マルエージング鋼に対して標準的に含ませるとともに、コバルトも誤差の範囲として０．０１重量％意図的に加えた。試験の結果から、性能としては、コバルトを誤差の範囲で含む場合も実質的にコバルトを含まないものと同じであると見做すことができる。
【００２２】
【表２】
2019073752.tif 000008
【比較例】
【００２３】
市販の粉体の１８Ｎｉ系マルエージング鋼の公称値を表３に例示する。
【００２４】
【表３】
2019073752.tif 000009
【００２５】
本発明の金属粉末材料における粉体の平均粒径は、１０μｍ以上５０μｍ以下である。金属粉末積層造形における金属粉末材料として、単一の金属元素の粉体が含まれると、未焼結の金属粉末材料を回収して再利用するときに金属粉末材料の性質が変化してしまうおそれが高いので、各粉体は、炭素を含む場合を含めて、全て合金である。
【００２６】
以下に、図１を参照して、本発明の金属粉末材料の使用方法を説明する。図１は、一般に、金属３Ｄプリンタと称される金属積層造形装置の一例を示す。図１は、金属積層造形装置の正面向かって右側面の断面を示す。図１に示される金属積層造形装置は、切削装置１を備える。金属積層造形装置は、具体的に、チャンバ２と、リコータヘッド３と、材料供給装置４と、造形テーブル５と、不活性ガス供給装置６と、ヒュームコレクタ７と、レーザ照射装置８とを含んでなる。
【００２７】
上下に移動可能な造形テーブル５は、チャンバ２によって形成される造形室内に所定の造形領域を形成する。造形室内は、不活性ガス供給装置６から供給される不活性ガス、例えば、窒素ガスによって充満されていて、酸素濃度が３重量％未満に保持されており、金属粉末材料の酸化が防がれている。レーザ照射装置８から照射される所定のエネルギのレーザ光によって金属粉末材料が焼結されるときに発生する金属ヒュームは、ヒュームコレクタ７によって除去されて、窒素ガスが浄化される。
【００２８】
本発明の所定の含有率で各金属元素を含む合金の粉体を混合した金属粉末材料は、材料供給装置４からリコータヘッド３に供給される。リコータヘッド３は、造形テーブル５の上に形成されている所定の造形領域に金属粉末材料を撒布しながら３０μｍ以上１００μｍ以下の均一の高さに均す。
【００２９】
金属粉末材料が撒布された後、所望の三次元造形物の輪郭形状に合わせて所定のエネルギのレーザ光が照射されて焼結層が形成される。焼結されなかった金属粉末材料は、造形後に回収される。レーザ光の照射方法によっては、マルテンサイト変態をさせながら金属粉末材料を焼結させることができる。もちろん、三次元造形物を生成後にマルテンサイト化することができる。
【００３０】
例えば、実施例１の本発明の金属粉末材料は、焼結時の硬度がＨＲＣ３４．５であるので、切削液なしで切削が可能である。そのため、造形の途中で切削装置１を適時駆動して造形途中の焼結体の輪郭あるいは表面を切削することができ、造形後の仕上げ加工が困難なマルエージング鋼の形状精度を向上させることができる。また、造形途中の焼結体の表面に不慮に生成される金属突起を切削によって除去することができ、連続的な造形工程の中断を避けることができる。特に、実施例１は、例えば、表３に示す市販の粉体の１８Ｎｉ系マルエージング鋼の時効硬化前の硬度の公称値に比べて低く、工具の磨耗を小さく抑える。
【００３１】
所望の形状の三次元造形物を生成した後は、適正に時効処理をすることによって硬化させ、マルエージング鋼相当の鋼でなる三次元造形物を生成することができる。モリブデンの析出に寄与するコバルトを殆ど含まないため、モリブデン由来の硬度と引張硬度が低く、表１から表３に示されるように、同じクラスの一般の１８Ｎｉ系マルエージング鋼に比べて特に引張強度がある程度低くなる。ただし、マルエージング鋼の特徴を依然として保持しており、高い形状精度が要求される金型、あるいは金属部品に有用である。
【００３２】
本発明の金属粉末材料は、所望の三次元造形物を造形中に切削加工によって形状を整える金属粉末積層造形に特に有益である。本発明の金属粉末材料は、戦略物資であるコバルトを含まないので、取扱いが容易であり、生産効率が向上する。また、コバルトは、人体に対して有害であるかどうかが不明な点があるので、コバルトを含まない本発明の金属粉末材料は、安全性に優れる。
【００３３】
以上に説明される本発明の実施例によって生成される鋼材は、マルエージング鋼の性質を保持している。本発明の技術思想に反しない限り、実施例に具体的に示した組成含有率と全く同じでなくても、実施例と同等の性能を得ることができる範囲で本発明は有効である。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、金属粉末積層造形法による三次元光造形に適用できる。本発明は、マルテンサイト化した三次元造形物を時効処理した後の変形と歪が少ないので、金属粉末積層造形用の金属粉末材料として有効である。本発明は、造形物に要求される形状精度、硬度、引張強度を十分に得ることができる。本発明は、金属粉末積層造形技術の進歩と、金型産業、金属部品産業の発展に寄与する。
【符号の説明】
【００３５】
１  切削装置
２  チャンバ
３  リコータヘッド
４  材料供給装置
５  造形テーブル
６  不活性ガス供給装置
７  ヒュームコレクタ
８  レーザ照射装置