(57)【要約】  本発明は、高い硬度、引張強度、降伏強度および延性を有する金属部品を提供する３Ｄ金属印刷手法のための合金組成物に関する。本合金は、Ｆｅ、ＣｒおよびＭｏ、並びにＣ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、ＳｉおよびＮから選択される少なくとも３つ以上の元素を含む。アズビルト部品は少なくとも１０００ＭＰａの引張強度、少なくとも６４０ＭＰａの降伏強度、少なくとも３．０％の延性および少なくとも３７５の硬度（ＨＶ）を示す。
2020509152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部品の層ごとの構築の方法であって、
ＣｒおよびＭｏの元素と、Ｃ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、ＳｉおよびＮからの少なくとも３つの元素とを含む、粒子形態にある鉄系合金を供給するステップであって、Ｃｒは１０．０ｗｔ．％から１９．０ｗｔ．％で存在し、Ｍｏは０．５ｗｔ．％から３．０ｗｔ．％で存在し、Ｃは０から０．３５ｗｔ．％で存在し、Ｎｉは０から５．０ｗｔ．％で存在し、Ｃｕは０から５．０ｗｔ．％で存在し、Ｎｂは０から１．０ｗｔ．％で存在し、Ｓｉは０から１．０ｗｔ．％で存在し、およびＮは０から０．２５ｗｔ．％で存在し、前記合金組成物の残余はＦｅを含む、供給するステップと、
前記合金を溶融状態まで溶融し、冷却して前記元素の固化層を形成することにより前記合金の１つ以上の層を形成するステップであって、固体層の各々は２．０ミクロンから２００．０ミクロンからなる厚さを有している、形成するステップとを含み、
前記金属部品は、以下の特性：少なくとも１０００ＭＰａの引張強度、少なくとも６４０ＭＰａの降伏強度、少なくとも３．０％の伸長度、少なくとも３７５の硬度（ＨＶ）を有している、方法。
【請求項２】
Ｃｒは１０．０ｗｔ．％から１８．３ｗｔ．％で存在し、Ｍｏは０．５ｗｔ．％から２．５ｗｔ．％で存在し、Ｃは０から０．３０ｗｔ．％で存在し、Ｎｉは０から４．０ｗｔ．％で存在し、Ｃｕは０から４．０ｗｔ．％で存在し、Ｎｂは０から０．７ｗｔ．％で存在し、Ｓｉは０から０．７ｗｔ．％存在し、およびＮは０から０．２５ｗｔ．％で存在し、残余はＦｅである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記合金は、８２．０ｗｔ．％から８６．０ｗｔ．％のＦｅ、１０．５ｗｔ．％から１２．０ｗｔ．％のＣｒ；１．５ｗｔ．％から２．５ｗｔ．％のＮｉ；０．４ｗｔ．％から０．７ｗｔ．％のＣｕ；１．２ｗｔ．％から１．８ｗｔ．％のＭｏ；０．１４ｗｔ．％から０．１８ｗｔ．％のＣ；０．０２ｗｔ．％から０．０５ｗｔ．％のＮｂ；０．０４から０．０７ｗｔ．％のＮおよび０から１．０ｗｔ．％のＳｉを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記金属部品が、以下の特性：１０００ＭＰａから１９００ＭＰａの引張強度、６４０ＭＰａから１５００ＭＰａの降伏強度、３．０％から２５．０％の伸長度、および３７５から６００の硬度（ＨＶ）を有している、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記層は２．０ミクロンから２００ミクロンの厚さを有している、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
溶融が、３０Ｊ／ｍｍ３から５００Ｊ／ｍｍ３の範囲のエネルギー密度を有するレーザービームまたは電子ビームにより達成される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記金属部品は、窒素および／またはアルゴン雰囲気内で構築される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記金属部品は、３００℃以下の温度に予熱された基材上で構築される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記金属部品が９００℃を超える温度での溶体化、続いてガス急冷および冷却を受ける、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
冷却後の前記金属部品は１５０℃以上の温度で焼戻しされる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記合金は、少なくとも１０００ＭＰａの引張強度、少なくとも９００ＭＰａの降伏強度、少なくとも１．０％の伸長度、および少なくとも４７５の硬度（ＨＶ）を示す、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記金属部品は、表面から４．０ｍｍの深さまで炭素のレベルを増加させるために浸炭されている、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記金属部品は、表面から４００μｍの深さまで窒素のレベルを増加させるために窒化される、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
合金は、Ｃ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、ＳｉおよびＮから選択される少なくとも４つの元素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記合金は、Ｃ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、ＳｉおよびＮから選択される少なくとも５つの元素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記合金が、Ｃ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、ＳｉおよびＮを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
ＣｒおよびＭｏの元素と、Ｃ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、ＳｉおよびＮからの少なくとも３つの元素とを含む１つ以上の鉄系合金層を含む３Ｄ印刷された金属部品であって、Ｃｒは１０．０ｗｔ．％から１９．０ｗｔ．％で存在し、Ｍｏは０．５ｗｔ．％から３．０ｗｔ．％で存在し、Ｃは０から０．３５ｗｔ．％で存在し、Ｎｉは０から５．０ｗｔ．％で存在し、Ｃｕは０から５．０ｗｔ．％で存在し、Ｎｂは０から１．０ｗｔ．％で存在し、Ｓｉは０から１．０ｗｔ．％で存在し、およびＮは０から０．２５ｗｔ．％で存在し、前記合金組成物の残余はＦｅを含有し、
前記層は、２．０ミクロンから２００．０ミクロンの範囲にある厚さを有しており、
前記印刷された金属部品は、少なくとも１０００ＭＰａの引張強度、少なくとも６４０ＭＰａの降伏強度、少なくとも３．０％の伸長度および少なくとも３７５の硬度（ＨＶ）を示している、印刷された金属部品。
【請求項１８】
Ｃｒは１０．０ｗｔ．％から１８．３ｗｔ．％で存在し、Ｍｏは０．５ｗｔ．％から２．５ｗｔ．％で存在し、Ｃは０から０．３０ｗｔ．％で存在し、Ｎｉは０から４．０ｗｔ．％で存在し、Ｃｕは０から３．５ｗｔ．％で存在し、Ｎｂは０から０．７ｗｔ．％で存在し、Ｓｉは０から０．７ｗｔ．％存在し、およびＮは０から０．２５ｗｔ．％で存在し、残余はＦｅである、請求項１７に記載の印刷された金属部品。
【請求項１９】
前記合金は、Ｃ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、ＳｉおよびＮから選択される少なくとも４つの元素を含む、請求項１７に記載の印刷された金属部品。
【請求項２０】
前記合金は、Ｃ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、ＳｉおよびＮから選択される少なくとも５つの元素を含む、請求項１７に記載の印刷された金属部品。
【請求項２１】
前記合金は、Ｃ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、ＳｉおよびＮを含む、請求項１７に記載の印刷された金属部品。
【請求項２２】
前記部品は、１０００ＭＰａから１９００ＭＰａの引張強度、６４０ＭＰａから１５００ＭＰａの降伏強度、３．０％から２５．０％の伸長度、および３７５から６００の硬度（ＨＶ）を示している、請求項１７に記載の印刷された金属部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１６年１１月１日に出願された米国仮特許出願第６２／４１５，６６７号の利益を主張し、これは参照により本明細書に完全に組み込まれている。
【０００２】
本開示は、比較的高い硬度、引張強度、降伏強度および伸長度を有する金属部品の形成を提供するための合金組成物および３Ｄ印刷手順に関する。本合金はまた、そのような機械的性質の特徴に寄与する、金属炭化物および／または金属炭窒化物相などの所望の相を形成する能力を示す。
【背景技術】
【０００３】
金属３Ｄ印刷工程は、高度に複雑な部品を大幅に短縮された部品製造時間で製造できる能力などの、多数の並外れた利点を提供する。これらの理由のため、３Ｄ印刷は多くの産業にとって高い価値がある。金属部品を構築するための多くの３Ｄ印刷工程が存在するが、最も広く採用されている工程は、部品を構築するために固相−液相−固相変換を利用するものである。これらの工程は、粉末床溶融結合（ＰＢＦ）、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）および電子ビーム溶融（ＥＢＭ）と一般的に呼ばれ、以下ではこれらの工程はＰＢＦと呼ばれる。
【０００４】
ＰＢＦは、特定の金属合金から複雑な部品を製造するその能力において非常に用途が広いが、その工程は、３１６Ｌ、１７−４ＰＨおよびマルエージング鋼Ｍ３００などの比較的少数の合金鋼から部品を製造することができるものに限られていた。これらの合金のうち、Ｍ３００のみが、合金を硬質合金として分類するのに十分であると考えられる硬度を有している（ＨＶ＞３７０）。
【０００５】
硬質ＰＢＦ鋼合金の材料の幅を広げることは、とりわけ印刷工程の間に、または後にひび割れ形成の発生といった様々な問題に出くわしている。部品のひび割れは、熱応力、熱間割れ、および液化割れなどの多数の要因によって引き起こすことができ、一般的に、ひび割れの可能性は、構築部品の硬度が増加し、靭性が低減するにつれて増加する。
【０００６】
多くの産業は、ツーリング、ダイ、モールド、切削工具、ギア、フィルターおよびベアリングなどの用途のために、より高い硬度の材料（ＨＶ＞３７０）でＰＢＦを利用することに多くの関心を寄せている。高硬度に加えて、これらの用途はまた、高い強度、靭性および耐食性、低い環境衛生、低い安全リスクおよび管理リスク並びに低費用を一般的に要求する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
金属部品の層ごとの構築の方法は、ＣｒおよびＭｏの元素、並びにＣ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、ＳｉおよびＮからの少なくとも３つの元素を含む、粒子形態にある鉄系合金を供給するステップであって、Ｃｒは１０．０ｗｔ．％から１９．０ｗｔ．％で存在し、Ｍｏは０．５ｗｔ．％から３．０ｗｔ．％で存在し、Ｃは０から０．３５ｗｔ．％で存在し、Ｎｉは０から４．０ｗｔ．％で存在し、Ｃｕは０から５．０ｗｔ．％で存在し、Ｎｂは０から１．０ｗｔ．％で存在し、Ｓｉは０から１．０ｗｔ．％で存在し、Ｎは０から０．２５ｗｔ．％で存在し、前記合金組成物の残余はＦｅを含む、供給するステップと、
合金を溶融状態へと溶融し、冷却して元素の固化層を形成することにより、合金の１つ以上の層を形成するステップであって、固体層の各々は、２．０ミクロンから２００．０ミクロンからなる厚さを有している、形成するステップとを含む。１つ以上の層を含む金属部品は、以下の特性：少なくとも１０００ＭＰａの引張強度、少なくとも６４０ＭＰａの降伏強度、少なくとも３．０％の伸長度、少なくとも３７５の硬度（ＨＶ）を有している。
【０００８】
本発明はまた、３Ｄ印刷された金属部品に関連しており、１つ以上の鉄系金属合金層であって、ＣｒおよびＭｏの元素、並びにＣ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、ＳｉおよびＮからの少なくとも３つの元素を含み、Ｃｒは１０．０ｗｔ．％から１９．０ｗｔ．％で存在し、Ｍｏは０．５ｗｔ．％から３．０ｗｔ．％で存在し、Ｃは０から０．３５ｗｔ．％で存在し、Ｎｉは０から５．０ｗｔ．％で存在し、Ｃｕは０から５．０ｗｔ．％で存在し、Ｎｂは０から１．０ｗｔ．％で存在し、Ｓｉは０から１．０ｗｔ．％で存在し、およびＮは０から０．２５ｗｔ．％で存在し、並びに前記合金組成物の残余はＦｅを含有する、１つ以上の鉄系金属合金層を含み、
前記層は、２．０ミクロンから２００．０ミクロンの範囲の厚さを有しており、
前記印刷された金属部品は、少なくとも１０００ＭＰａの引張強度、少なくとも６４０ＭＰａの降伏強度、少なくとも３．０％の伸長度および少なくとも３７５の硬度（ＨＶ）を示す。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ＳＬＭ  ２８０  ＨＬ機械上に構築された合金１（Ａ１０）の光学画像である。
【図２】Ｔｒｕｍｐｆ  ＴＲＵＭＡＦＯＲＭ  ＬＦ  ２５０  ＰＢＦ機械上に構築された合金１（Ａ１０）の光学画像である。
【図３】９９．５％超の密度でＥＯＳ機械上に構築された合金１（Ａ１０）の光学画像である。
【図４】アズビルト合金１（Ａ１０）の１０，０００倍のＳＥＭ顕微鏡写真を示している。
【図５】Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃで作製された合金１の平衡状態図を示している。
【図６】浸炭後の２つの異なる倍率での合金５（表１）で作られた部品の表面における微細構造を示している。
【図７】浸炭表面硬化された合金５および合金８（表１）における深さの関数としての硬度を示している。
【図８】窒化後の２つの異なる倍率での合金９（表１）の部品の表面における微細構造を示している。
【図９】窒化表面硬化された合金８および９（表１）における深さの関数としての硬度を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
「アズビルト（ａｓ−ｂｕｉｌｔ）」状態および「熱処理された」状態の両方において、高い硬度（＞３７５  ＨＶ）、高い降伏強度および引張強度、および高い伸長度、並びに低い安全リスク（ＥＨ＆Ｓ）、管理リスクおよび比較的低い費用を有する優れた印刷適性を組み合わせた新しい分類の合金鋼が開発された。
【００１１】
合金の印刷適性は、構築部品内のひび割れまたは過度の多孔度が生じることなく、様々な市販のＰＢＦ機械上で金属合金を印刷することの容易さとして定義される。本明細書では、アズビルト状態とは、ＰＢＦ機械から取り外す際のＰＢＦ構築部品の状態、すなわち、いかなる構築後熱処理なしの状態と理解される。本明細書では、熱処理された状態とは、構築後熱処理を受けたＰＢＦ構築部品の状態と理解される。本明細書の合金は、三次元物体を作り出すためのプロセスを指す３Ｄ印刷が可能である。
【００１２】
以下の表１は、本明細書で好ましく採用される合金化学を示しており、これは合計で１１の合金のために、合金１（Ａ１０）および次いで１０個の追加の合金を含む。
【００１３】
【表１】
2020509152.tif 000003
【００１４】
従って、Ｆｅ、ＣｒおよびＭｏ、並びにＣ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、ＳｉおよびＮからの少なくとも３つ以上の元素を含むか、それらから本質的になるか、またはそれらからなる粒子形態の金属合金を供給することが上記から理解することができ、Ｃｒは１０．０ｗｔ．％から１９．０ｗｔ．％で存在し、Ｍｏは０．５ｗｔ．％から３．０ｗｔ．％で存在し、Ｃは０から０．３５ｗｔ．％で存在し、Ｎｉは０から５．０ｗｔ．％で存在し、Ｃｕは０から５．０ｗｔ．％で存在し、Ｎｂは０から１．０ｗｔ．％で存在し、Ｓｉは０から１．０ｗｔ．％で存在し、およびＮは０から０．２５ｗｔ．％で存在する。前記合金組成物の残余はＦｅを含有する。従って、所与の合金形成に対して、Ｃ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、ＳｉおよびＮから４つの元素、５つの元素、または６つすべての元素を選択することができる。
【００１５】
好ましい実施形態では、Ｆｅ、ＣｒおよびＭｏ、並びにＣ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、ＳｉおよびＮからの少なくとも３つ以上の元素を含むか、それらから本質的になるか、またはそれらからなる粒子形態の金属合金を再び供給し、Ｃｒは１０．０ｗｔ．％から１８．３ｗｔ．％で存在し、Ｍｏは０．５ｗｔ．％から２．５ｗｔ．％で存在し、Ｃは０から０．３０ｗｔ．％で存在し、Ｎｉは０から４．０ｗｔ．％で存在し、Ｃｕは０から４．０ｗｔ．％で存在し、Ｎｂは０から０．７ｗｔ．％存在し、Ｓｉは０から０．７ｗｔ．％で存在し、およびＮは０から０．２５ｗｔ．％で存在する。前記合金組成物の残余はＦｅを含有する。
【００１６】
さらに、本合金は、若干の不可避不純物を含んでいてもよく、そのような不純物のレベルは最大で１．０ｗｔ．％までであり得る。例えば、上で列挙されていない元素もまた、最大で１．０ｗｔ．％までのレベルで存在していてもよく、その時にＦｅの対応するレベルは、１．０ｗｔ．％低減され得る。不純物に関して、そのようなものは、硫黄、リンおよび酸素などの元素を含むことが予期されていることに留意されたい。
【００１７】
合金Ａ１０として以前に指定された合金１は、それ自体、以下の好ましい組成：８２．０から８６．０ｗｔ．％のＦｅ、１０．５から１２．０ｗｔ．％のＣｒ、１．５から２．５ｗｔ．％のＮｉ、０．４から０．７ｗｔ．％のＣｕ、１．２から１．８ｗｔ．％のＭｏ、０．１４から０．１８ｗｔ．％のＣ、０．０２から０．０５ｗｔ．％のＮｂ、０．０４から０．０７ｗｔ．％のＮおよび０から１．０ｗｔ．％のＳｉを有することができる。
【００１８】
金属合金は、粉末粒子またはワイヤの形態でＰＢＦプロセスに供給され、好ましくは、窒素もしくはアルゴンガスなどのガスを利用する、ガスもしくは遠心噴霧、または水噴霧をともなう従来の溶融を使用して製造される。窒素ガス溶融および噴霧は、粉末合金内の窒素含有量を増加させるために使用することができる。粉末粒子は、１から２００ミクロン、より好ましくは３から７０ミクロン、最も好ましくは１５から５３ミクロンの範囲の直径を有することができる。
【００１９】
ＰＢＦ部品は、ＳＬＭ（登録商標）２８０ＨＬまたはＥＯＳ  Ｍ−２８０、およびＴｒｕｍｐｆ  ＴＲＵＭＡＦＯＲＭ  ＬＦ  ２５０などの市販の従来のＰＢＦ機械を使用して本明細書の金属合金から好ましくは構築される。部品は、窒素またはアルゴン雰囲気内で好ましくは構築される。部品は、１００℃から３００℃の範囲内、より好ましくは２０℃から２００℃の範囲内など、最大で３００℃まで予熱される金属基材上に構築され得る。加えて、予熱しない基材を採用することもできる。本明細書におけるＰＢＦ手順のために、３０から５００Ｊ／ｍ３、より好ましくは５０Ｊ／ｍｍ３から３００Ｊ／ｍ３の範囲内、最も好ましくは６０Ｊ／ｍｍ３から２００Ｊ／ｍｍ３の範囲内のエネルギー密度を有する１つまたは複数のレーザーまたは電子ビームを利用することができる。
【００２０】
金属基材は、表１における合金１から１１、または他の材料から、例えば３０４Ｌステンレス鋼から好ましくは構成される。本明細書におけるＰＢＦ手順は、各々が典型的には２．０ミクロンから２００．０ミクロン、より好ましくは５．０ミクロンから１５０．０ミクロン、最も好ましくは５．０ミクロンから１２０．０ミクロンの範囲の厚さを有している個々の層のビルドアップを予期している。従って、ビルドアップ層の厚さの適切な範囲は２．０ミクロン以上である。しかしながら、より一般的には、ビルドアップ層（個々の層の組み合わせ）の厚さ範囲は、２ミクロンから８００ｍｍであり、および所与の印刷手順の能力または要件に応じてさらに高い。
【００２１】
部品内の気孔率およびひび割れは、強度、靭性、耐疲労性を含む多数の部品特性に悪影響を及ぼし得る。そのようなものとして、緻密な部品に対して、ＰＢＦ部品における気孔率およびひび割れを最小にすることが望ましい。いくつかの大きな部品は、１．０％から１５．０％より大きい気孔率などのより高い気孔率レベルを許容することができるが、部品内の気孔率は、好ましくは１．０％未満、より好ましくは０．５％未満、最も好ましくは０．２％未満である。本明細書の金属合金を有するアズビルトＰＢＦ部品において低い気孔率およびひび割れがないことは、図１から３に示される断面光学顕微鏡画像において証明されており、これらはＳＬＭ  ２８０ＨＬおよびＴｒｕｍｐｆ  ＴＲＵＭＡＦＯＲ  ＬＦ  ２５０のＰＢＦ機械、並びにＥＯＳ  Ｍ２８０／２９０のそれぞれにおいて合金１（Ａ１０）で構築された部品から得られたものである。図１から３において示される部品は、予熱しない基材上で、部品内の合計２５０層に対して、０．０４０ｍｍの厚さの層を使用して、１０ｍｍの高さまで構築された。気孔率は、１００倍の倍率で光学画像分析により測定され、合金１は０．２％未満の気孔率を示している。
【００２２】
ＰＢＦ部品は、比較的高い硬度、強度および延性を達成することができるように部品が構築された後に好ましくは熱処理される。ひび割れのない構築部品でその場で高硬度を達成することは、高硬度合金の典型的に低い靭性および延性と相まって、それらが構築されるときの部品内の熱応力および熱疲労に起因して比較的困難である。ＰＢＦは、粉末層における粉末を選択的に溶融させるためにエネルギー源を使用して、小さな、すばやく横断する溶融金属の溶融池を作り出し、次いで、再凝固して部品内に次の層を追加する。横断する溶融池の熱は、大部分は部品に伝導され、これは部品全体の温度の上昇をもたらし、溶融池の局所的近傍において比較的大きな温度勾配を提供する。部品内の熱勾配および相転移に起因して、ＰＢＦ部品の構築の間に、部品内に大きな連続的および周期的な熱応力が発生し得る。従って、部品は、局在化された応力条件下でのひび割れの形成に抵抗し、並びに連続的および周期的応力の下でのひび割れの伝播に抵抗するのに十分な強度、靭性および延性を好ましくは有している。
【００２３】
「アズビルト」合金特性：表２は、（後熱処理のない）アズビルト状態における市販のＰＢＦ鋼合金および表１からの合金１（Ａ１０）を用いて製造したＰＢＦ部品の機械的性質の比較を示している。合金１（Ａ１０）の特性は、部品内の合計２５０層に対して、０．０４０ｍｍの厚さの層を使用して１０ｍｍの高さまで、予熱のない基材上でＰＢＦ構築された部品で測定された。表２は、商業的に応用されるひび割れのない鋼合金に対して本明細書の金属合金の増加した硬度および強度を示している。
【００２４】
【表２】
2020509152.tif 000004
【００２５】
表２内の硬度のデータに関して、報告された硬度は、採用される印刷手順のみならず合金組成の関数であることが観察されるようなものであることは注目に値する。従って、例えば、Ｍ３００の場合では、印刷硬度は、ＨＶ硬度が３２０から３７０の範囲内となり得るように、印刷手順に応じて変化し得る。
【００２６】
以下の表３は、表１で特定された全ての合金に対して、熱処理なしの「ＡＢ」またはアズビルト状態における、および熱処理に関連している状態「Ｂ１」における機械的性質を示しており、この熱処理はここでさらに議論される。
【００２７】
【表３】
2020509152.tif 000005
【００２８】
従って、上記から理解され得るように、（熱処理のない）アズビルト状態における本明細書の合金は、それらが少なくとも１０００ＭＰａ、より好ましくは少なくとも１１００ＭＰａ、または少なくとも１２００ＭＰａ、さらにより好ましくは少なくとも１３００ＭＰａの引張強度を示すようなものである。その上、本明細書のアズビルト合金の引張強度は、１０００ＭＰａから１９００ＭＰａ、または１１００ＭＰａから１９００ＭＰａ、または１２００ＭＰａから１９００ＭＰａ、または１３００ＭＰａから１９００ＭＰａの範囲にあることを理解することができる。
【００２９】
上記の引張強度は、少なくとも６４０ＭＰａ、または少なくとも７００ＭＰａ、または少なくとも８００ＭＰａ、または少なくとも９００ＭＰａ、または少なくとも１０００ＭＰａ、または少なくとも１１００ＭＰａ、または少なくとも１２００ＭＰａ、または少なくとも１３００ＭＰａ、または少なくとも１４００ＭＰａ、または少なくとも１５００ＭＰａの降伏強度と組み合わせて達成される。さらに、本明細書のアズビルト合金の降伏強度は６４０ＭＰａから１５００ＭＰａの範囲にあることを今や理解することができる。
【００３０】
さらに、上記の引張強度および降伏強度はまた、少なくとも３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％など、最大で２５％までの伸長度と組み合わせて好ましくは達成される。さらに、本明細書のアズビルト合金の伸長度は、３％から２５％の範囲にあることを理解することができる。
【００３１】
上記の引張強度、降伏強度および伸長度は次いで、少なくとも３７５、４００、４１０、４２０、４３０、４４０など、最大で６００までの硬度（ＨＶ）値と組み合わせて好ましくは達成される。さらに、本明細書の合金のＨＶ値は３７５から６００の範囲内にあることを理解することができる。
【００３２】
従って、本明細書の合金は、アズビルト状態において、それらが少なくとも１０００ＭＰａの引張強度、少なくとも６４０ＭＰａの降伏強度、および少なくとも３％の伸長度および少なくとも３７５の硬度（ＨＶ）値を提供できるようなものであることを理解されたい。引張強度、降伏強度、伸長度および硬度の他の組み合わせは、ここで、熱処理されていない合金に対して本明細書に記載した引張強度、降伏強度、伸長度および硬度の個々の好ましいレベルから選択され得る。
【００３３】
図４は、ＰＢＦ製造された、アズビルトの、合金１（Ａ１０）部品の１０，０００倍の二次電子走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）顕微鏡写真を示している。図４に示す部品は、部品内の合計２５０層に対して、厚さ０．０４０ｍｍの層を使用して、１０ｍｍの高さまで、予熱のない基材上で構築された。ＳＥＭ撮像は、Ｊｅｏｌ  ＪＳＭ−７００１Ｆ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ＳＥＭで実施された。図４における微細構造は、ＢＣＣ／マルテンサイト、ＦＣＣ、Ｍ２ＣＮおよびＭ７Ｃ３を含むと予期される。
【００３４】
図５は、Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃを用いて作製した合金１（Ａ１０）の平衡状態図を示しており、２０℃から１５００℃の温度範囲にわたって熱力学的に安定である各相の相分率を示している。平衡状態図は、硬度および強度の増加に寄与する可能性が最も高い相を特定するために使用された。
【００３５】
横断する溶融池から部品への熱伝達により引き起こされる、構築の間のＰＢＦ部品の昇温は、合金１（Ａ１０）に対して図５の状態図に示したＣｕリッチなＦＣＣ相、Ｍ２Ｎ（（Ｃｒ、Ｍｏ）２Ｎ）相、およびＭ２３Ｃ６（（Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｏ）２３Ｃ６）相などの二次相のその場での析出を推進するために、本明細書の金属合金において十分に高いことが予期される。部品構築の間のこれらの相のその場での析出は、アズビルト状態における部品の強度および硬度に寄与することが予期される。
【００３６】
「熱処理」：本明細書の金属合金を用いて製造されたＰＢＦ部品は、部品の強度および硬度を高めるために熱処理することによりさらに強化させることができる。様々な熱処理が部品特性に影響を与えるように実施することができ、熱処理温度は平衡状態図から選択できることが予期される。
【００３７】
本明細書の金属合金に対する効果的な熱処理は、（１）高温溶体化（１つ以上の二次相の溶解）、焼入れ、および焼戻し（二次相の析出）、および／または（２）真空、アルゴンまたは窒素雰囲気内で実施される各熱処理ステップを伴うアズビルト部品の焼戻しを含むことが予期される。溶体化は９００℃を超える温度で、例えば９００℃から１４００℃の範囲で好ましくは実施され、焼戻しは１５０から９００℃の範囲の温度で好ましくは実施される。
【００３８】
（１）高温溶体化および焼入れステップは、
ａ．ＰＢＦプロセスからもたらされ得る部品内の異方性を低減すること、
ｂ．マルテンサイト含有量およびそれによる硬度、並びに場合により強度を増加させること、
ｃ．部品の耐食性に悪影響を及ぼし得るＣｒ炭化物および／またはＣｒ窒化物を溶解すること、
ｄ．不溶解炭化物および／または窒化物を粗雑化することが考えられる。
（２）様々な相の追加の析出を経た部品のさらなる強化および硬化は、後続の焼戻し処理により開始されることが予期される。
【００３９】
「熱処理」−手順：図５における平衡状態図は、合金１（Ａ１０）からのＰＢＦ部品に対して溶体化温度および焼戻し温度を選択するために使用された。合金１（Ａ１０）のＰＢＦ部品で使用される熱処理は、部品を強化し、および硬化するために、１．５時間の１０００℃における溶体化、続いて２時間の−８４℃におけるガス急冷、および最後に４８時間の４５４℃におけるアルゴン中での焼戻しからなる。
【００４０】
「熱処理」−合金特性：熱処理されたＰＢＦ合金１（Ａ１０）部品の特性は、ＰＢＦ部品に対するそれらの製造者指定の熱処理に付した後の市販のＰＢＦ鋼合金と共に表４に示されている。熱処理された合金１、４、５、６、７、９、０、１０および１１の特性がまた表３に列記された。合金１（Ａ１０）の特性は、部品内の合計２５０層に対して、０．０４０ｍｍ厚さの層を使用して、１０ｍｍの高さまで、予熱の無い基材上でＰＢＦ構築された熱処理部品において測定された。表４に示された合金１（Ａ１０）の硬度は、熱処理された部品の表面においてとられた。
【００４１】
【表４】
2020509152.tif 000006
【００４２】
従って、表３および表４から理解され得るように、熱処理後の本明細書の合金は、それらが少なくとも１０００ＭＰａ、または少なくとも１１００ＭＰａ、または少なくとも１２００ＭＰａ、または少なくとも１３００ＭＰａ、または少なくとも１４００ＭＰａ、または少なくとも１５００ＭＰａ、または少なくとも１６００ＭＰａ、または少なくとも１７００ＭＰａ、または少なくとも１８００ＭＰａの引張強度を示すようなものである。さらに、熱処理された合金は、１０００ＭＰａから１９００ＭＰａの範囲にある引張強度を有すると理解することができる。
【００４３】
そのような引張強度は、少なくとも９００ＭＰａ、または少なくとも１０００ＭＰａ、または少なくとも１１００ＭＰａ、または少なくとも１２００ＭＰａ、または少なくとも１３００ＭＰａ、または少なくとも１４００ＭＰａ、または少なくとも１５００ＭＰａ、または少なくとも１６００ＭＰａの降伏強度と組み合わせて達成される。さらに、本明細書の熱処理された合金は、９００ＭＰａから１６００ＭＰａの範囲にある降伏強度を有すると理解することができる。
【００４４】
そのような引張強度および降伏強度はまた、少なくとも１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％など、最大で１６％までの伸長度と組み合わせて達成される。さらに、本明細書の熱処理された合金は、１％から１６％の範囲にある伸長度の値を有すると理解することができる。
【００４５】
そのような引張強度、降伏強度および伸長度は次いで、少なくとも４７５、または少なくとも５００、または少なくとも５２５、または少なくとも５５０、または少なくとも６００の硬度（ＨＶ）値と組み合わせて好ましくは達成される。さらに、本明細書の熱処理された合金は、４７５から６５０の範囲にあるＨＶ値を有すると理解することができる。
【００４６】
従って、本発明の熱処理を施した合金は、例えば少なくとも１０００ＭＰａの引張強度、少なくとも９００ＭＰａの降伏強度、少なくとも１％の伸長度および少なくとも４７５の硬度（ＨＶ）値を提供できるようなものであることを理解されたい。引張強度、降伏強度、伸長度および硬度の他の組み合わせは、熱処理された合金に対して本明細書で言及された引張強度、降伏強度、伸長度および硬度の個々の好ましいレベルから選択され得る。
【００４７】
表４は、熱処理が３１６Ｌおよび１７−４ＰＨの硬度を、いずれかの合金が硬質合金（ＨＶ＞３７０）として分類できるレベルまで上昇しないことを示している。熱処理後のＭ−３００の硬度値のみが合金を硬質合金（ＨＶ＞３７０）として分類し、Ｍ３００は現在、硬質合金が必要とされるときの付加製造における主要な合金の選択肢である。しかしながら、そのような硬度レベルにあるＭ３００の特徴は低い伸長度（２％）のみを示し、部品を床に落下させるなどの小さな衝撃力にさえ晒されると部品が破断またはチッピングを受ける傾向を示しているので、Ｍ−３００の適用範囲は非常に限られている。従って、Ｍ３００の用途は比較的限られた工業的用途を見出す。
【００４８】
さらに、Ｍ３００合金は、著しい濃度の比較的高価な元素（１８ｗｔ．％のＮｉ、９ｗｔ．％のＣｏ、および５ｗｔ．％のＭｏ）を含有しており、そういうものとして低コストの合金を考慮しておらず、その工業的用途をさらに制限する。最後に、Ｍ−３００の工業的使用は、その潜在的なＥＨ＆Ｓおよびその高いコバルト含有量からもたらされる製品管理のリスクに起因してさらに制限される。コバルトは、吸入による健康上のリスク、およびそれが主にコンゴ共和国から供給されるため、紛争鉱物として分類されていることに起因した管理リスクとして知られている。
【００４９】
これとは対照的に、熱処理された合金１（Ａ１０）は、現在の既存のＭ３００と比較して、多数の利点を有している。合金１（Ａ１０）は、より高い硬度、より高い伸長度、より低コストの構造を有しており、好ましくはコバルトを含まない。
【００５０】
表面硬化処理（Ｃａｓｅ  Ｈａｒｄｅｎｉｎｇ  Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）−本明細書の金属合金を用いて製造されたＰＢＦ部品の表面硬度は、浸炭および窒化の表面硬化処理によりさらに強化することができる。これらの処理は、部品の表面に炭素および窒素をそれぞれ導入し、コア内の熱処理された特性を保持すると同時に、「アズビルト」状態または「熱処理された」状態と比べて硬度が増加したケース層を作り出す。浸炭窒化のような表面効果のために採用される他の処理もまた使用できることが予期される。
【００５１】
浸炭−本明細書の金属合金に対する浸炭プロセスは、以下のステップ：酸化物還元、浸炭、溶体化、焼入れおよび焼戻し、の組み合わせを好ましくは含む。酸化物還元は、還元雰囲気において、好ましくは８００℃から１２００℃、より好ましくは９００℃から１１５０℃および最も好ましくは９５０℃から１１００℃の温度で実施される。浸炭は、固体浸炭（ｐａｃｋ  ｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ）、ガス浸炭、真空浸炭、液体浸炭およびプラズマ浸炭などの部品を取り囲む雰囲気または環境において、好ましくは８００℃から１０００℃、より好ましくは８５０℃から９７５℃、最も好ましくは８７５℃から９５０℃の温度において炭素の供給源を提供または生成する方法により実施される。
【００５２】
浸炭は、部品の表面における炭素の富化をもたらし、合金５に対して図６における２つの異なる倍率で見られるように、コアと比較して異なる微細構造を有する材料の層をもたらす。この構造は、好ましくは６５０から１０００ＨＶ、より好ましくは７００から９７５ＨＶ、最も好ましくは８００から９５０ＨＶである外面における最大硬度をもたらす。硬度は次いで、本明細書で議論した熱処理された値と類似しているコア内の定常状態値に達するまで、外面からの距離（すなわち、部品の中への深さ）が増すにつれて徐々に減少する。浸炭表面硬化された合金５および８における深さの関数としての硬度の代表例が図７に示されている。本明細書に列挙された他の合金は同様に、類似の効果を有する浸炭プロセスによる表面硬化とすることができる。炭素のレベルは、表面において少なくとも２．０ｍｍの深さ、および最大で４．０ｍｍまで増加することができる。
【００５３】
窒化−本明細書の金属合金に対する窒化プロセスは、以下のステップ：溶体化、焼入れおよび焼戻し、の組み合わせを含む。窒素は、プラズマ窒化プロセスおよび液体窒化プロセスを含む他の窒化方法により部品の表面に導入され得ることが予期される。部品の表面における窒素の富化は、図８に示された合金９（表１）に対する２つの異なる倍率においてわかるように、コアと比較して異なる微細構造を有する材料の層をもたらす。この構造は、好ましくは７００から１３００ＨＶ、より好ましくは７５０から１２５０ＨＶおよび最も好ましくは８２５から１２２５ＨＶである外面において最大硬度をもたらす。硬度は次いで、本明細書で議論した熱処理された値と類似しているコア内の定常状態値に達するまで、外面からの距離（すなわち、部品の中への深さ）が増すにつれて徐々に減少する。窒化表面硬化された合金８および９における深さの関数としての硬度の代表例が図９に見られる。見て分かるように、窒素のレベルは表面から少なくとも２００μｍの深さ、および最大で４００μｍまで増大される。本明細書で列挙された他の合金は同様に、類似の効果を有する窒化プロセスにより表面硬化することができる。
【図１】
2020509152.tif 000007
【図２】
2020509152.tif 000008
【図３】
2020509152.tif 000009
【図４】
2020509152.tif 000010
【図５】
2020509152.tif 000011
【図６】
2020509152.tif 000012
【図７】
2020509152.tif 000013
【図８】
2020509152.tif 000014
【図９】
2020509152.tif 000015
【国際調査報告】
2020509152.tif 000016