技術資料＞大型品の 3D 造形を可能とするプラスチック金型用ステンレス系粉末の開発

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技術資料
Technical Data

大型品の3D造形を可能とするプラスチック金型用ステンレス系粉末の開発
賴近瑛斗＊，富山耕介＊，熊谷祥希＊

Development of Stainless Steel Powder for Plastic Molds that Enables
3D Printing of Large Products
Akito YORICHIKA, Kosuke TOMIYAMA and Yoshiki KUMAGAISynopsis
Laser beam powder bed fusion (PBF-LB) is an interesting and attractive technology used for many applications in various
industries such as mold-making, medicine and aerospace. However, defects such as part distortion and delamination resulted
from process-induced residual stresses are limiting a wider uptake of PBF-LB.
In order to solve this problem, we developed LTX TM420, which eliminates tensile residual stress by martensitic transformationexpansion. LTX TM420 has reduced thermal distortion while the mechanical and thermal properties are equivalent to SUS420J2
tool steel.

1．緒言

金属積層造形（Additive Manufacturing，以下，AM という）は，特に航空宇宙分野やエネルギー・産業機器分属粉末を厚さ数十 μm に敷き詰めて粉末床とした後，微細レーザを熱源として粉末床を選択的に溶融凝固させるプロセスであり，このプロセスを繰り返すことで，形状自由度が高く複雑形状の作製が可能といった特徴がある 2）．

野，自動車分野などのさまざまな分野において実用化がPBF-LB を金型製作に適用した場合の従来法と比較し進んでおり，また造形装置の性能向上や造形技術の発達てのメリットとして，分割で製作していた金型部品を金1）により造形可能な材料が増えている ．金型においてもAM の適用が可能であると考えられており，日本国内の属 AM では一体型として製作できるため，短納期で金型製作が可能であることが挙げられる 2）．また，切削加みならず，世界で AM 技術を用いた金型の試作や量産工や放電加工などでは製作できない複雑な形状の冷却水が実施されている．

用配管の配置が可能となるため，金型の温度調節が容易

金属 AM は材料の形態や供給方法，熱源などによっとなり，製品成形時のサイクルタイムが低減可能であるて複数の手法に分類される．現在最も広く普及していこと，成形品の品質が向上できること，および金型寿命る方式はレーザビームを用いる金属粉末床溶融結合法が向上可能であることが報告されている 3）．

（Powder Bed Fusion-Laser Beam，以下，PBF-LB という）である．PBF-LB の模式図を Fig. 1 に示す．本方式は金ここで，従来ダイカスト金型で使用されている JIS

SKD61（以下，SKD61 という）や，プラスチック射出2023年 9月 25日 受付＊ 大同特殊鋼㈱技術開発研究所（Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd．
）

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成形金型で使用されている SUS420J2 系鋼種を，PBF靭性であるため割れやすいという課題がある．そのため現在は造形時に軟らかく，靭性が高くて割れにくいマ
ルエージング鋼が主に使用されている 3）．しかし，マルエージング鋼粉末は特定化学物質である Co を含むため健康障害防止措置が必要であること，および輸出規制に該当するという問題がある．したがって，SKD61 系 /SUS420J2 系の材料で造形可能な粉末の実現が望まれている．
Laser oscillator

Galvano mirror

Rockwell hardness (HRC)

LB での金型製作に適用する場合，造形時に硬化し，低SUS420J2LTXTM
420
Maraging
steel

5045

SKD61HTCTM40, 45 LTXTM

40
Printability

Laser

RecoaterPowder bed
Powderfeeding

Fig. 2. Positioning diagram of metal powders for additive
manufacturing.

2 ． LT X T M 4 2 0 の 造 形 変 形 		
低 減 のコンセプト
一般に，PBF-LB では溶融凝固に伴う熱収縮が，下層の凝固相ならびにベースプレートへの拘束によって制限されるため，造形物が下に凸の変形を示すことが報告されている 4）．一方，マルエージング鋼は造形物の変形がFig. 1. Schematic diagram of PBF-LB system.

小さく，造形物が上に凸の変形を示すことが報告されて大同特殊鋼㈱（以下，当社という）では，ダイカストが低いことに加え，ダイカスト金型の造形で使用されて金型用の粉末として SKD61 の成分を改良し，SKD61 よいる汎用の PBF-LB 装置の最大予熱温度である 200 ℃に造形時の変形を抑制し，造形性を向上させることで大であり，造形中に未変態オーステナイトが多く存在する型品が造形可能である LTX

り造形しやすく高熱伝導性である HTCTM45，40，およびTMいる．その理由として，マルエージング鋼は炭素含有量

対し，Ms 点（マルテンサイト変態開始温度）が 220 ℃を開発し，金型部品メーため，①造形中は軟らかく，熱応力を塑性変形によってカーへの展開を進めている 2）（「造形性に優れた」とは，緩和できること，②造形後の冷却時にマルテンサイト変造形時に割れが発生することはなく，大型品を造形で態して膨張することで，熱収縮により発生する引張残留きるほど良いと定義する）．また，プラスチック金型用応力が緩和されること，が考えられる．これを利用し，の粉末においても，造形性に優れた SUS420J2 系粉末

当社で開発した LTXTM は，SKD61 の Ms 点を 200 ℃まの開発が求められている．そこで，SUS420J2 系の鋼材と同等の機械特性・物理特性を有しつつ，造形性に優れ，大型品の造形が可能である LTX 420 を開発した．
TM

LTX 420 の位置付けを Fig. 2 に示す．LTX 420 は造形
TM

TM

後の熱処理により SUS420J2 と同等の硬さが得られ，かつマルエージング鋼と同等の造形性を有する粉末である．また，LTX 420 は Co を含有していない．本報でTMは，LTXTM420 の造形変形低減のコンセプトと，基礎的な機械特性・物理特性，および造形例を紹介する．

で低下させることで，造形性を向上させた 4）．

プ ラ ス チ ッ ク 金 型 に 用 い ら れ る SUS420J2 の Ms 点

は LTXTM と同等の 200 ℃であるが，プラスチック金型の造形では，造形と同時に切削加工を行うことが多い

ため，これらの装置の最大予熱温度は 120 ℃であり，
SUS420J2 では造形中に部分的にマルテンサイト変態することで硬化し，割れが発生してしまうリスクが高いと考える．そこで，LTXTM420 では 120 ℃の予熱温度で造形できるよう，Ms 点を SUS420J2 よりも低下させる成分を検討した．

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3．合金設計法で作製した．その後，粉末を +25/-53 μm に分級した．

Table 1 に LTXTM420 と，比較鋼として SUS420J2 の成である，Concept Laser M2（GE Additive 社製）を用い，分を示す．LTXTM420 は以下の思想①，②に基づいて設計した．

実験に用いた試験片の造形は当社保有の PBF-LB 装置

Table 2 の条件で実施した．なお，本造形条件において99.95 % 以上の造形密度が得られることを確認している．

Table 1. Chemical composition (mass %).

Table 2. 3D printing conditions.

GradeTMCNiCrV

LTX 4200.27

1.5

130.10SUS420J2

0.340.01

130.01300 W

Scanning speed

600 mm/s

Hatch width

0.13 mm

Laser spot diameter① C量を SUS420J2対比で低減させた．

Layer thickness

SUS420J2では造形まま硬さが 55 HRCと高く，造形性が低い．前述した HTCTM45，40，および LTXTMでは C量を低減することで造形まま硬さを低減し，造形物の割れを抑制している 4）．LTXTM420にも本知見を適用した．

② Ni，V量を SUS420J2対比で増加させた．

5）
Ms点は Finklerの式（1）のように，Nb，Zr，Ta，Hfを除く合金元素の添加量の増加によって低下する傾向にある．
Ms (℃) =635 － 474 [ C ＋ 0.86(N － 0.15(Nb + Zr)) －0.066(Ta + Hf)] － (17Cr + 33Mn + 21Mo + 17Ni + 39V +11W) (mass%)

Laser power（1）（1）式は 8 ～ 14 mass%Cr，および 1 at% までの C，Mn，Ni，Mo，W，V を含有した鋼の連続冷却変態線図を調べる中で予測された式である．しかし，（1）式は Ni 添

加時には Ms 点の実測値が計算値よりも高くなることも
5）報告されている ．そのため，当社で過去に検討した13Cr 系のステンレス鋼に Ni を添加した成分での Ms 点の実測値を用いて，（1）式を補正し，使用した．
Ms 点は装置の予熱温度と同等の 120 ℃まで低下させることが望ましいが，120 ℃まで低下させると残留オーステナイトの存在による硬さ不足，および添加元素の影響によって熱伝導率の低下が問題となる．そのため，造形性と材料特性のバランスから，狙いの Ms 点は 170 ℃とし，（1）式を補正したものを用い，基地に固溶し，耐食4.

180 μm50 μm

Preheating temperature

120 ℃

Formative atmosphereN2(O2<0.1 vol%)

2

実験条件

Ms 点の測定にはフォーマスター試験を用いた．造形後に機械加工によって幅 15 mm，高さ 17 mm，長さ150 mm の試験片を作製し，真空雰囲気にて，1250 ℃で0.5 h 加熱保持後に室温まで 100 ℃ /min の冷却速度で冷却し，試料寸法の変化量から Ms 点を測定した．

造形性を評価するため，下部に深さ 5 mm，角度 90 °の応力集中部を有する試験片を造形した．Fig. 3 に試験片形状を示す．一般に，造形高さが大きくなるほど造形物に働く残留応力は大きくなる．そこで造形高さが割れ感受性におよぼす影響を評価するため，高さ 25，35 mm の 2 水準で造形し，応力集中部における割れ発生の有無を確認した．
焼入・焼戻し硬さ測定に用いた試験片は，LTXTM420，

SUS420J2 系鋼材ともに焼入れは 1030 ℃で 1 h 保持後，油冷相当のガス急冷で実施した．焼戻しは各温度で 1 h実施した．詳細は 5.

4 節で後述するが，LTXTM420 は200 ℃，500 ℃の焼戻し温度で SUS420J2 系鋼材と同等である 53 HRC の硬さを示した．

引張試験，およびシャルピー衝撃試験用として，幅性の向上にも寄与すると考えられる Ni，および 500 ℃で15 mm，高さ 15 mm，長さ 100 mm のサンプルと，幅得られるように V を添加した．

た．造形後に焼なましとして大気炉で 700 ℃× 1 h 保持の焼戻しをした際に，二次硬化により 53 HRC の硬さが4．実験方法
4.

1造形条件

LTX 420 は Table 1 に記載の合金成分を，高周波誘導TM加熱大気溶解炉において溶解し，N2 ガスアトマイズによって作製した．比較材の SUS420J2 系鋼材も同様の方15 mm，高さ 15 mm，長さ 60 mm のサンプルを造形し後に空冷の熱処理を 2 回実施した後，焼入れとして真空炉で 1030 ℃× 1 h 保持後に油冷相当のガス急冷を実施

し，焼戻しは大気炉で 200 ℃× 1 h 保持後，空冷の熱処理を実施し，53 ± 1 HRC に調質した．熱処理後，引張試験片は標点距離 30 mm，平行部径 6 mm の JIS 14 A 号縮小試験片に加工し，JIS Z 2241 に準拠し，室温で試験を行った．シャルピー衝撃試験片は，幅 10 mm，高さ10 mm，長さ 55 mm，切欠き部が 2 mmU ノッチの試験

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82片に加工し，JIS Z 2242 に準拠し，室温で評価した．

SUS420J2

LTXTM420

熱伝導率測定，湿潤試験は造形物を焼なましとして大気炉で 700 ℃× 1 h 保持後に空冷を 1 回した後，引張試
験片と同じ焼入・焼戻しを行い，53 ± 1 HRC に調質し

H=25た．熱伝導率の試験片は φ10 mm，高さ 2 mm の試験片に加工し，レーザーフラッシュ法により Ar 雰囲気中における室温～ 400 ℃の値を測定した．湿潤試験の試験片は高さ 12 mm，幅 25 mm，長さ 40 mm の形状とし，温度 50 ℃，湿度 98 % の環境下に 48 h 保持した後，外観

Notch
H=25の腐食度合いを目視にて観察した．
1580H90 °H=25, 35

No
crack

Smallcrack

Building
direction
10.0
2.5

H=35Fig. 3. Test samples for crack susceptibility test.

5.
5.

1実験結果

Notch
H=35Grosscrack

フォーマスター試験（Ms点測定）

Fig. 4 に LTXTM420 の フ ォ ー マ ス タ ー 試 験 の 結 果 を示 す． 冷 却 過 程 において，オーステナイトか ら マ ル

Fig. 5. Comparison of crack susceptibility between
SUS420J2 and LTXTM420.

テンサイトへの相変態に伴う体積膨張が確認された．

(Preheating temperature: 120 ℃).

LTXTM420 の Ms 点は 173 ℃であり，成分設計における狙い値とほぼ合致した．なお，LTXTM420 の Mf 点は明確には観測されなかった．

焼戻し硬さ

Heating

0.10.100.050.05

500 ℃の焼戻し温度で SUS420J2 系鋼材と同等である 53AC1AC3HRC の硬さを示した．
70706565

Cooling0.000MS00200200400400600600 800
800 1000
1000 1200
1200 1400
1400
Temperature (℃)
TMFig. 4. Transformation behavior of LTX 420.

造形性Fig. 5 に造形物の浸透探傷後の外観写真を示す．

SUS420J2 は造形高さが 25 mm の場合で小さな割れが確認された．さらに造形高さが 35 mm に増加すると割れが増大した．しかし，LTX 420 は造形物に割れは発TM生しなかった．従って，LTXTM420 の造形性は SUS420J2対比で大幅に改善しているといえる．

Rockwell hardness (HRC)

Dilation (mm)0.150.1523を SUS420J2 系鋼材と比較して示す．LTXTM420 は 200 ℃，0.20.20

5.

5.

Fig. 6 に LTXTM420 における焼戻し温度と硬さの関係

0.250.25-0.05-0.05

NocrackQuenching temperature: 1030 ℃

60605555505045454040353530302525●LTXTM420◇SUS420J2 type steel

2020As100 200200 300
300 400
400 500
500 600
600
0100
quenched
Tempering temperature (℃)×1 hFig. 6. Tempering hardness curve.

700700技術資料＞大型品の 3D 造形を可能とするプラスチック金型用ステンレス系粉末の開発

43030

機械特性Fig. 7 に 53 HRC に 調 質 し た LTX 420 と SUS420J2
TM系 鋼 材 の 引 張 特 性 を 示 す． LTXTM420 の 引 張 強 さ は

SUS420J2 系 鋼 材 対 比 で 同 等 で あ る が，0.2 % 耐 力 は
SUS420J2 系鋼材対比，低位であった．

Fig. 8 に 53 HRC に調質した LTXTM420 の SUS420J2 系鋼材の衝撃値を示す．LTXTM420 の衝撃値は同一硬さのSUS420J2 系鋼対比で優れている．
2500
2500(MPa)
2000
2000

Thermal conductivity （W/（m・K））

5.

83●: LTXTM420△: SUS420J2 type steel

252520201515101000■: LTXTM420 (53 HRC)□: SUS420J2 type steel (53 HRC)

100
100200300
200300
Temperature （℃）

400
400

500500Fig. 9. Thermal conductivity.

5.

6

耐食性Fig. 10 に 温 度 50 ℃， 湿 度 90 %， 保 持 時 間 48 h で1500
1500

実 施 し た 湿 潤 試 験 に よ る 耐 食 性 評 価 の 結 果 を 示 す．
LTXTM420，SUS420J2 系鋼材ともに錆は認められず，本1000
1000

試験条件では耐食性は同等であった．

500
50000

Tensile strength

0.2 % proof stressFig. 7. Tensile strength and 0.2 % proof stress.
4040

Impact value (J/cm 2)3535■: LTXTM420 (53 HRC)□: SUS420J2 type steel (53 HRC)

10 mm

3030

LTXTM420

2525

Fig. 10. Corrosion resistance.

SUS420J2 type steel

2020

6.

1515
1010
55Fig. 8. Charpy impact value.

5

金 型の 製 造 工 程および模 擬 型の 造 形 例

Fig. 11 に LTXTM420 を使用した金型の想定製造工程を005.

10 mm

熱伝導率示す．LTXTM420 は造形後の硬さが約 53 HRC となるため，切削加工が難しい．そのため，切削加工を実施する際は，造形後に焼なましを実施することが望ましい．

Fig. 9 に LTX 420 の熱伝導率を SUS420J2 系鋼材とFig. 12 に LTXTM420 の焼なまし特性を示す．700 ℃で 1 h度と推測される，最高温度 400 ℃までの温度範囲におい材の納入硬さと同等の，31 ～ 34 HRC に調質可能であTM比較して示す．プラスチック金型において金型の最高温て，LTXTM420 の熱伝導率は，SUS420J2 系鋼材といずれの温度においても同等であることが確認された．

保持の焼なましを 2 回実施することで，SUS420J2 系鋼る．その後，切削加工を実施し，さらに，焼入・焼戻しによって狙い硬さに調質し，精加工を実施して使用することを想定している．また LTXTM420 は，高温焼戻しよりも低温焼戻しの方が機械特性に優れていることを確認

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7．結しているため，低温焼戻しを推奨する．Fig. 13 に実金型を模擬した造形物の外観を示す．造形に用いたベースプレートの厚さは 35 mm，造形時のベースプレート予熱温度は 120 ℃とした．また，ベースプレートと造形部の境界には R=3 mm の曲部を設け，応力緩和をしている．LTXTM420 は曲部を設けることで，150 mm 角を超える大型品が造形可能であることを確認した．

言LTXTM420 は SUS420J2 対 比 で C 量 を 低 減 し， 造 形時の焼入れ硬さを低減させるとともに，Ni 量を増加させ，Ms 点を 170 ℃近くまで低減させたことで，プラスチック金型の造形で使用されることが多い，120 ℃での予熱下で大型品の造形が可能となった．LTXTM420 は

SUS420J2 相当の機械特性・物理特性を両立しており，

3D Printing

これまで SUS420J2 では困難であった，プラスチック金型での大型品の造形において有利な粉末であると考えられる．

Annealing（文Rough machning献）1）京極秀樹：日本画像学会誌，60（2021），333．

2）阿部諭：2018年度精密工学会秋季大会学術講演会講

Quenching and tempering

演論文集，（2018），350．
3）澤崎隆：デジタルプラクティス，7（2016），18．
4）大同特殊鋼㈱：電気製鋼，92（2021），61．

Finish machning

Rockwell hardness（HRC）

Fig. 11. Mold manufacturing process of LTXTM420.
45455）中川英樹，宮崎亨：鉄と鋼，85（1999），249．

6）新家一郎，網岡弘至，岡崎秀二，佐野定男，宮川広康，
吉田勇太，高野昌宏：スマートプロセス学会誌，10●: LTXTM420 Annealing〇: LTXTM420 Annealing twice（2021），163．
7）田村今男：鉄鋼材料強度学，日刊工業新聞社，1969，

404039．

3535 Delivery Rockwell

hardness of SUS420J2
series of steel.
3030 (31～34 HRC)
2525550
550

600
600

650
650

700
700

Annealing temperature (℃)

750
750

800
800

賴近瑛斗Fig. 12. Rockwell hardness of LTXTM420 after annealing.

50 mm

175 mmFig. 13. Example of 3D-printed sample of LTXTM420.

富山耕介

熊谷祥希