技術紹介

山陽特殊製鋼の 3D プリンティング技術‌プリンティング小特集

3D

久世 哲嗣*
KUSE Tetsuji

1. 緒言

ルギーが不足することになるため、造形体内部に未溶融粉末を内包する場合がある。適切な量の粉末が積層できない

金属3Dプリンティング（金属3D 造形）には直接積層法と要因として、粉末形状が歪んでいる場合や、表面性状に凹凸間接積層法があり、このうち直接積層法は金属粉末単体にがある場合が考えられる。

レーザー光、もしくは電子ビームを走査して照射部のみを溶

このような理由から、造形場所への粉末充填度について融させ、この層を繰り返し積層・溶融させることで三次元構の代表的な指標である「粉末の流動性」は、粉末床溶融結造体を作製する方法である。

合法（パウダーベッド方式）、指向性エネルギー積層法（パウこの直接積層法は、金属粉末単体をそのままハンドリンダーデポジション方式）のいずれの装置であっても重要な特グするため、粉体特性（形状、粒径等）の制御と同時に、金性の1つであるといえる。この流動性を確保するために、当属の溶融を伴うプロセスであることから材料物性に応じた社では真空誘導溶解不活性ガスアトマイズによる製造方法造形条件の選定という2つのテクノロジーが重要になる。

で3D 用合金粉末を製造し、球形度が高く、良好な流動性を本報では、3D 造形全般について、これまでの当社の技術もたせている。しかしながら、粒径の大きい粉末や一部の的な取り組み概要について解説する。初めに、3D 造形に求鋼種において微細な粉末（サテライト）が付着する場合があめられる技術として当社が考える4つの項目について、そのる。その場合、後述するサテライトを除去する工程を実施す理由と対応方針の概略を説明したうえで、各項目について、ることで、粉末の流動性を確保している。当社の取り組み内

取り組み内容の詳細を紹介する。

容の詳細は3章で述べる。

2. ‌3Dプリンティングに求められる技術と当社の強み

2.2 造形時の割れ制御
3Dプリンティングでよく報告されている問題として内部応力と造形割れが挙げられる。

当社は、以下4項目が3D 造形において特に求められる技

内部応力は、造形プレートと造形体の熱膨張率や熱伝導術と認識している。

率などの差が大きくなることが要因で生じるが、造形後の熱1. 粉末の流動性（高い球形度）処理を施すことでほぼ解消される。より顕著な内部応力の2. 造形時の割れ制御

例として造形プレートからの造形体剥離があるが、この場合3. 造形体の高密度化

は造形プレートの選定や造形プレートの予熱、造形条件の4. 3D に適した新規合金開発再設定が必要になる。

下記にその理由を述べたうえで、3章以降に当社の具体的一方、造形割れは熱処理や造形条件を再設定しても抑制な取り組みを紹介する。

が困難である。造形割れは、その発生機構、形態より、溶接割れと同様の課題と考えられ、溶接割れの改善に関する

2.1 粉末の流動性（高い球形度）

知見として、例えば、ステンレス鋼の SUS316L に関しては、造形時の前提として、レーザーや電子ビームが照射され構成している主元素の比率が同じでもP（リン）とS（硫黄）る箇所に適切な量の粉末が存在しないと健全な造形体は作の合算値が高いと溶接割れが生じることが分かっている 。

製できない。例えば、粉末が少ない場合は、粉末を溶融す

また、炭素鋼については、炭素量に対する Mn（マンガン）るための熱エネルギーが既に固化されている造形体に与えとS の比を制御することで溶接割れの発生を抑制できるこられるため、造形体表面が焦げたり、波を打ったような形状とが報告されている2）。

1）になったり、場合によっては材料の組織が変化することがあ

このように、ステンレス鋼、炭素鋼いずれの場合に対してる。一方、粉末が多い場合は、粉末を溶融するための熱エネも、溶接時の割れ制御には成分調整、特に不純物の低減が

*

粉末事業部

粉末技術部

技術2グループ

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山陽特殊製鋼の3Dプリンティング技術がある。当社の取り組み内容の詳細は6章で述べる。

必須であることが分かっている。これは3D 造形における造‌プリンティング小特集

3D

形時の割れ制御も同様と考えている。当社の取り組み内容

3. 粉末の流動性に関する当社の取り組みの詳細は4章で述べる。
2.3 造形体の高密度化

3Dプリンティング用金属粉末の流動性を確保するため造形体に空孔やクラックが存在すると材料の特性を十分に、当社では球形度の高い粉末の開発を進めてきた。具体に発揮できないため、造形体を高密度に造形することは重的には、ガスアトマイズ条件の最適化及びアトマイズ後の後要である。高密度な造形体を作製するためには、材料・造形加工である。

条件の両面を最適化することが必須になる。材料面からは、

Fig.1に海外製粉末の SEM 画像一例を示す。50 μm 前後

平均粒子径、粒度分布幅、球形度、流動度、かさ密度などの粉末にサテライトと呼ばれる微細な粉末が付着しているが挙げられるが、これだけに留まらない。また、造形条件面ことが分かる。このサテライトの存在は粉末の流動性を大からは、レーザーの出力、走査速度、積層厚さ、ピッチ幅、きく損なうため、除去することが理想である。

オフセット幅、オーバーラップ幅などが挙げられるが、こちFig.2に当社で取り組んでいるサテライト除去工程の模式らに関しても同様である。つまり、材料・造形条件の両面を図を示す。空気流によって金属粉末を加速した後、金属粉最適化するためには非常に多くの因子が存在し、それら因末同士及び金属粉末と流路壁面との衝突により、金属粉末子の全てを変化させて造形、解析を実施するためには多くを解砕・分散させる。機械的可動部が無いためコンタミネーの時間を費やすことになる。このような理由もあり、因子のションが少ないのが特長である。その後、分散された粉末１つである粉末材料の特性を固定して、各装置メーカーが操を含む空気流の流れ方向を急変させることで、慣性の大き作しやすい造形条件を最適化させる傾向にある。事実、粉な粗大粒子（粗粉）は遠心力により、慣性の小さな微細粒子末の仕様は装置メーカーが指定することが多いが、合金の（微粉）は抗力により分級される4）。

種類は未だ少ない。そのため、装置ユーザーがオリジナルのFig.3に海外製粉末と上述のサテライト除去工程を施し合金を試したいと思っても、装置メーカーのラインナップにた当社粉末との特性比較例を示す。当社従来材はガスアト存在しないのが実情である。さらに、1鋼種に付き1種類のマイズ条件を最適化したのみ、当社改良材はアトマイズ後仕様しかないため、現状よりも作製時間を速くしたい、仕上にサテライト除去を施したものである。当社従来材は、海がりの表面粗さを小さくしたい等の要望には応えられない。

外製粉末と同等以上の流動性が得られていることが確認で当社のガスアトマイズ装置で製造される粉末は、アトマイズきる。さらに当社改良材では、サテライトはほぼ確認でき条件や鋼種によって多少変動するが、粒径は約10～300 μm

ず、球形度を示す指標は、海外製粉末の0.85～0.89に対で正規分布の形状をとり、アトマイズ後の分級で所定の粒径にして0.91～0.93となり、明確な改善が確認できた。流動揃えることが可能である。その際に、粒径を大きく仕上げれ度については、海外製粉末と当社改良材では1～3秒の差がば、1層あたりの積層厚さが厚くなるので造形に費やす時間は確認できた。

短くなる。また、粒径を小さく仕上げれば、仕上がりの表面粗以上より、当社金属粉末は一般的な海外製粉末と比較しさは小さくなる。粒径を大きく仕上げる場合、正規分布の幅をて流動性に優れているため、より金属3Dプリンティングにより広く使用することができるため、歩留まりが向上し、装置適した金属粉末といえる。

ユーザーにはコスト削減に繋がると考えられる。
このような理由から、装置ユーザーへの提案を視野に入れ、当社では粉末粒径が及ぼす造形性についてのデータ収集を実施している。当社の取り組み内容の詳細は5章で述べる。
2.4 3Dに適した新規合金開発
3Dプリンティングに使用される金属粉末は、耐食部品等に使用される SUS630や SUS316L 等のステンレス、金型等に使用されるマルエージング鋼、高温用途で使用されるNi 基超合金といった様々な合金・鋼種がある。それに加えて、多くの企業、大学、研究所等が、3Dプリンティングや金属
3）粉末の改良を進めている 。
当社でも新規合金開発を実施しており、その例としてCo

Fig.1
imageof gas
powderspowders
by a foreign
Fig.1SEM‌SEM
imageof atomize
gas atomize
by manufacturer.
a foreignmanufacturer.

（コバルト）フリーマルエージング鋼粉末、銅合金粉末など

久世34

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哲嗣

山陽特殊製鋼の3Dプリンティング技術

4. 造形時の割れ制御に関する当社の取り組み

状態から急冷凝固する際の割れ感受性が高いため、これま金属3Dプリンティングでよく使用される材料の1つに Niの割れ部解析、②造形条件の最適化によって、Alloy 713C基超合金がある。その中でも、Alloy 718は国内外問わず多の健全な造形に取り組んだ。ここで、健全な造形とはクラッくの3Dプリンティングでパラメータレシピの開発がされてクや空孔が無い状態の造形体を指す。

いる。Ni 基超合金の造形可否は AlとTi の添加量に大きく依
4.1 造形体の割れ部解析存するとされる報告が多く5）、それによると Alloy 718は健全に造形できる部類に該当する。

Fig.4に造形体を強制剥離させた破面の SEM 像を示す。

一方、Alloy 718よりも高温特性が優れている材料とし（a）は全体、（b）はクラックを中心に拡大した写真である。てAlloy 713C がある。Alloy 713C は Al 含有量が約6.0 %クラックに明確な起点が無く、破面に凝固組織が確認できであり、Alloy 718の Al 含有量約0.6 %と比較すると10倍たことから、凝固割れであると推定される。

高い。また、溶製材における870 ℃での引張強度は Alloy

Fig.5にクラック近傍における EPMA マッピング像を示

718が約330 MPa に対して、Alloy 713C は約730 MPaとす。（a）は組成像を、（b）は S（硫黄）のマッピングであ6）2倍以上である 。このような高 Al 含有・高強度材料は溶融る。クラック近傍に S が偏析しているため、S が凝固割れ

Fig.2 Process
imageof removingsatellite.
Fig.2 Processimageof removing
satellite.
久世 哲嗣

Fig.3 Characterizations of foreign powder and Sanyo’s powder.

(a)(b)

A

10 μm

50 μm

Fig.4Fracture
Fracture surface
imageof Alloy
713C
builtbuilt
by additive
manufacturing
Fig.4
surface
imageof Alloy
713C
by additive
manufacturingin (a) overview, (b) magnification of area A in (a).

in (a) overview, (b) magnification of area A in (a).

久世 哲嗣

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で造形が困難とされていた。これに対し、当社では①造形体した写真である。クラックに明確な起点が無く、破面に凝固組織が確認できたこと凝固割れであると推定される。

5 にクラック近傍におけるEPMA マッピング像を示す。(a)は組成像を、(b)は S(硫黄)山陽特殊製鋼の3Dプリンティング技術ピングである。クラック近傍に S が偏析しているため、S が凝固割れの起点になっの起点になったと推測され、S の偏析を防ぐことが重要と測され、S の偏析を防ぐことが重要と考えられる。
‌プリンティング小特集

3D

5. 高密度化に関する当社の取り組み考えられる。

形条件の最適化

4.2 造形条件の最適化

造形体の相対密度は装置側の造形条件によって大きく変

ザー照射時の積層 1 層分の単位体積当りに入熱されるエネルギー密度は、(1)式のよされる。

化することが分かっているが、粉体特性が与える影響は明らレーザー照射時の積層1層分の単位体積当りに入熱されかではない。そこで、粉体特性の影響を解析する取り組み例るエネルギー密度は、（1）式のように表される。

3𝑃𝑃
𝐸𝐸 𝐸
・・・(1)
𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣として、本報では粉末粒度の影響による造形体の相対密度差の検討結果を紹介する。

なお、E（J/mm P(W)はレーザーの出力、）はエネルギー密度、P（W）はレーザー
Fig.7にQM300（当社開発済のマルエージング鋼、18％ Niv(mm/s)はレーザーの走査速度、E(J/mm3)はエネルギー密度、の出力、𝑣 （mm/s）はレーザーの走査速度、d （mm）は型 強度2050MPa相当）造形体断面の光学顕微鏡像を示す。

はレーザーの走査ピッチ幅、t(mm)は積層厚さである。これら各パラメータを変化さ
レーザーの走査ピッチ幅、t （mm）は積層厚さである。こ（a）は-63 μm、（b）は-106 μm、（c）は-106/+63 μmの断面組織及び相対密度を示す。
Fig.6に PI713C（当社開発済の Alloy713C 相当）、S をれの粒度でも空孔が目立ち、量は-63 μm < -106 μm <が無い最適条件を見出すこととした。

れら各パラメータを変化させ欠陥が無い最適条件を見出すである。Fig.7では、エネルギー密度は左上が最も小さく、こととした。

右下が最も大きい。エネルギー密度が小さい箇所ではいず

6 に PI713C、S を低減させた PI713C、および S 低減と造形条件を最適化した PI713C低減させた PI713C、およびS 低減と造形条件を最適化し-106/+63 μm の順に増加する。つまり、粗粉の割合が多として、偏析の起因となるS を低減させる成分調整と、最適な製造条件とを組み合た PI713C 造形体の断面組織及び相対密度を示す。
い程、欠陥が多くなる傾向であることが分かった。一方、エことで、健全な造形体が難しい
PI713C においても高密度な造形体の作製が可能とな結果として、偏析の起因となる S を低減させる成分調整

ネルギー密度が高い箇所では、いずれの粒度でも空孔なく健と、最適な製造条件とを組み合わせることで、健全な造形全に造形がされており、粒度差による差異は確認できなかっ体が難しい PI713C においても高密度な造形体の作製が可た。

ように当社では、材料面と造形条件の両面から検討を行うことで、今まで造形でき能となった。

Fig.8にそれぞれの粒度のエネルギー密度における相対7

このように当社では、材料面と造形条件の両面から検討密度を示す。エネルギー密度75 J/mm3までは、造形体の相を行うことで、今まで造形できないとされていた合金や、対密度は粉末粒度に大きく影響されるが、75 J/mm3を超え新しい材料の造形を可能にする技術開発を続けている。

るとどの粉末粒度においても相対密度は99.5 % 以上であることが分かった。

(b)

(a)

10 μm

10 μm

Fig.5Fig.5
EPMAof ofAlloy
image,(b)(b)Sulfur
Sulfurmapping.
mapping.
EPMA
Alloy713C
713Cbuilt
builtinin (a)(a) composition
composition image,
久世 哲嗣

Fig.6 Microscope image and relative density of PI713C built by each condition.

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Laser power (W)About1100

About1000

About900

Scanning speed (mm/s)

About 200

1.0 mm

1.0 mm

1.0 mm

1.0 mm

1.0 mm

1.0 mm

1.0 mm

1.0 mm

1.0 mmAbout1100

About1000
900

About 200

About

Scanning speed (mm/s)

3D

About 400

Laser power (W)(b)

About 300

About 400

1.0 mm

1.0 mm

1.0 mm

1.0 mm

1.0 mm

1.0 mm

1.0 mm

1.0 mm

1.0 mmLaser power (W)(c)

About1100

About1000
900

About 200AboutScanning speed (mm/s)

About 300

About 300

About 400

1.0 mm

1.0 mm

1.0 mm

1.0 mm

1.0 mm

1.0 mm

1.0 mm

1.0 mm

1.0 mmFig.7
QM300 built
builtinin(a)-63(a)-63μm,μm, (b)-106(b)-106 μm,μm, (c)-106/+63
Fig.7Microstructures
Microstructures ofof QM300(c)-106/+63μm.
μm.

6. 3Dプリンティングに適した当社の新規合金開発‌
久世 哲嗣
Coフリーマルエージング鋼粉末
マルエージング鋼は極低炭素の高 Ni 系マルテンサイトに時効硬化元素を添加し、マルテンサイト地で時効硬化する合金である。マルテンサイト変態直後の強度（硬さ）は低いので靱性が高く、これを時効することで強化する。時効による強化機構は、主に Ni3Mo や Ni3Ti、Ni3Al の微細分散析出に23よると考えられている7,8）。
一方、特定化学物質障害予防規則等が改正され、2013年1月1日から Co及びその無機化合物に健康障害防止措置が義務づけられた。これによって、Co を含有するマルエージン
グ鋼の製造・取扱い作業全般について、屋内作業場での発Fig.8Effect
Effectofofenergy
energy density
density.
Fig.8
densityon
onrelative
relative
density.

散抑制措置、局所排気装置の性能要件・点検・届出、除塵
久世 哲嗣
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‌プリンティング小特集(a)山陽特殊製鋼の3Dプリンティング技術装置の設置が必要になった9）。
‌プリンティング小特集

3
Dを析出させず、かつ強度も確保できる改良熱処理条件を見

このような背景から、当社では QM300の特性を維持し出した。この処理で、QM300の強度、靭性に匹敵する特性つつ、特定化学物質である Co 添加を回避した Coフリーマルが得られることを確認した（図中◆）。

10）

エージング鋼を開発した 。

現在では、溶体化熱処理を省略し、造形後直接時効熱処Fig.9に成分調整、熱処理条件調整を実施した Coフリー

理した場合でも、QM300並みの強度と靭性を発揮できるこ

マルエージング鋼の引張強度とシャルピー衝撃値の相関を示とも確認している。

す。図中の写真は抽出残差後のTEM 像、グラフは XRDであ7. 結言る。マルエージング鋼の通常熱処理（溶体化熱処理：800 ℃×1 h、空冷後、時効熱処理：480 ℃×3 h）後の QM300は強度約2000 MPa、シャルピー衝撃値約27 J/cm2と高強度、本報では、3D プリンティングに求められる技術及び山、Co を抜いた組成になると高靭性な材料であるが（図中●）

陽特殊製鋼がこれまで取り組んできた内容について解説し強度の顕著な劣化（約2000 MPa →約1600 MPa）が確認た。

された（図中■）。Co は Mo の固溶度を下げるため Ni3Mo の（1）当社では、ガスアトマイズ装置と球状化処理技術

11）

析出量を増加させる効果があるという報告より 、強度の劣によって、高い流動性を持つ合金粉末を製造してい化は Ni3Mo の析出が減少した影響が出ているものと考えてる。粉末の流動性を示す流動度は、一般的な海外材約いる。

17.0秒 /50 g に対して、当社材は約15.0秒 /50 g と一方、マルエージング鋼の時効硬化に及ぼす影響は Mo、優れている。

11）

Co よりもTi、Al の方が大きいとの報告がある 。そこで、（2）造形時の割れ制御として、不純物制御及び造形条件

Ni3Mo 強化相の代替としてNi3Ti、Ni3Al の析出を目的に Ti、の最適化に取り組んでいる。難造形材といわれているAl の成分調整を実施した。その結果、通常熱処理後の強度PI713C において相対密度98.5 % から99.7 % まではマルエージング鋼以上に改善できたが、靭性は1/3程度に改善し、造形可能となった。

減少した（図中▲）。当靭性劣化材の抽出残渣における析出（3）造形体の高密度化検討として、粉末粒度と造形条件物のTEM 観察と XRD の結果、及び Thermo-Calc の計算結の最適化に取り組んでいる。パウダーベット方式の果より、Fe2Mo 相由来の Laves 相が析出したことが靭性のレーザー装置で使用されている粒度以外にも、粒度に劣化の要因と判明した。そこで、当該材料においてLaves 相合わせた造形条件の最適化が可能なことを確認した。

Fig.9 Relationship between tensile strength and charpy impact value.

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山陽特殊製鋼の3Dプリンティング技術（4）3D プリンティングに適した合金例として、Co フ3D‌プリンティング小特集

リーマルエージング鋼粉末を開発した。Co フリーマ
ルエージング鋼は特定化学物質に対応した合金粉末で、マルエージング鋼に匹敵する強度と靭性をもっている。

参考文献
1）才田一幸：溶接学会誌‌, 79（2010）, 6.
2）松田福久：山陽特殊製鋼技報‌, 5（1998）1, 8-19.
3）久世哲嗣：山陽特殊製鋼技報‌, 23（2016）1, 31-33.
4）社河内敏彦：ターボ機械 , 24（1996）11, 661-666．
5）井川博：溶接学会誌 , 38（1969）9, 979-990．
6）長谷川正義：‌ステンレス鋼便覧 , 日刊工業新聞社 , Ⅳ編
実用材料,（1973）, 559．
7）長谷川正義：‌ステンレス鋼便覧 , 日刊工業新聞社 , Ⅲ編
実用材料5.6 マルエージング鋼 ,（1973）, 502.
8）伊藤正和：特殊鋼 , 58（2009）2, 4-5.
9）‌厚生労働省ホームページ（http://w‌
w w.mhlw.go.jp/bunya /roudouk ijun /anzeneisei48/index.html）
10）‌久世哲嗣，前田壮一郎，福本新吾：粉体粉末冶金協会
平成30年度秋季大会, 2018.
11）‌細見広次，森本啓之，芦田喜郎：鉄と鋼 ,74（1988）
10, 2025-2032.

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