特開 2016-211062 銅合金粉末、積層造形物の製造方法および積層造形物

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2016-211062(P2016-211062A)

(43)【公開日】2016年12月15日

(54)【発明の名称】銅合金粉末、積層造形物の製造方法および積層造形物

(51)【国際特許分類】

   B22F 1/00 20060101AFI20161118BHJP

   B22F 3/105 20060101ALI20161118BHJP

   B22F 3/16 20060101ALI20161118BHJP

   B22F 3/24 20060101ALI20161118BHJP

   C22C 9/00 20060101ALI20161118BHJP

   C22C 9/10 20060101ALI20161118BHJP

   B33Y 70/00 20150101ALI20161118BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20161118BHJP

   B33Y 80/00 20150101ALI20161118BHJP

【ＦＩ】

   B22F1/00 L

   B22F3/105

   B22F3/16

   B22F3/24 C

   C22C9/00

   C22C9/10

   B33Y70/00

   B33Y10/00

   B33Y80/00

【審査請求】有

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2015-97974(P2015-97974)

(22)【出願日】2015年5月13日

(11)【特許番号】特許第6030186号(P6030186)

(45)【特許公報発行日】2016年11月24日

(71)【出願人】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(71)【出願人】

【識別番号】512109161

【氏名又は名称】地方独立行政法人大阪府立産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】坪田 龍介

(72)【発明者】

【氏名】田中 順一

(72)【発明者】

【氏名】岡 陽平

(72)【発明者】

【氏名】中本 貴之

(72)【発明者】

【氏名】菅原 貴広

(72)【発明者】

【氏名】武村 守

(72)【発明者】

【氏名】内田 壮平

【テーマコード（参考）】

4K018

【Ｆターム（参考）】

4K018AA03

4K018BA02

4K018BB04

4K018CA44

4K018EA51

4K018EA60

4K018FA08

(57)【要約】

【課題】機械強度および導電率を両立できる、銅合金から構成される積層造形用の金属粉末、積層造形物の製造方法および積層造形物を提供する。
【解決手段】金属粉末は、クロムおよび珪素の少なくともいずれかを０．１０質量％以上１．００質量％以下含有し、該クロムおよび該珪素の合計量が１．００質量％以下であり、残部が銅からなる。この金属粉末を対象とする積層造形法によれば、銅合金から構成される積層造形物が提供される。この積層造形物は、機械強度および導電率を両立し得る。
【選択図】なし

【特許請求の範囲】

【請求項1】

積層造形用の金属粉末であって、
クロムおよび珪素の少なくともいずれかを０．１０質量％以上１．００質量％以下含有し、前記クロムおよび前記珪素の合計量が１．００質量％以下であり、残部が銅からなる、金属粉末。

【請求項2】

前記クロムを０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、前記残部が前記銅からなる、請求項１に記載の金属粉末。

【請求項3】

前記珪素を０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、前記残部が前記銅からなる、請求項１に記載の金属粉末。

【請求項4】

請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の金属粉末を含む粉末層を形成する第１工程と、
前記粉末層において、所定位置の前記金属粉末を固化させることにより、造形層を形成する第２工程と、を含み、
前記第１工程と前記第２工程とを順次繰り返し、前記造形層を積層することにより、積層造形物を製造する、積層造形物の製造方法。

【請求項5】

前記積層造形物を熱処理する熱処理工程をさらに含む、請求項４に記載の積層造形物の製造方法。

【請求項6】

請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の金属粉末から製造された積層造形物であって、造形後に熱処理が施された積層造形物。

【請求項7】

銅合金から構成される積層造形物であって、
前記銅合金は、クロムおよび珪素の少なくともいずれかを０．１０質量％以上１．００質量％以下含有し、前記クロムおよび前記珪素の合計量が１．００質量％以下であり、残部が銅からなり、
前記銅合金の理論密度に対する相対密度が９６％以上１００％以下であり、
導電率が２６％ＩＡＣＳ以上である、積層造形物。

【請求項8】

前記銅合金は、前記クロムを０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、前記残部が前記銅からなるクロム含有銅合金であり、
前記クロム含有銅合金の理論密度に対する相対密度が９６％以上１００％以下であり、
導電率が３０％ＩＡＣＳ以上である、請求項７に記載の積層造形物。

【請求項9】

前記銅合金は、前記珪素を０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、前記残部が前記銅からなる珪素含有銅合金であり、
前記珪素含有銅合金の理論密度に対する相対密度が９６％以上１００％以下であり、
導電率が２６％ＩＡＣＳ以上である、請求項７に記載の積層造形物。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金属粉末、積層造形物の製造方法および積層造形物に関する。

【背景技術】

【0002】

特開２０１１−２１２１８号公報（特許文献１）には、金属粉末を対象とするレーザ積層造形装置（いわゆる「３Ｄプリンタ」）が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１−２１２１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

金属製品の加工技術として、金属粉末を対象とする積層造形法が注目されている。この方法の利点は、切削加工では不可能であった複雑形状の創製が可能なことにある。これまでに、鉄系合金粉末、アルミニウム合金粉末、チタン合金粉末等を用いた積層造形物の製作例が報告されている。しかし現状では、使用可能な金属種が限られており、適用可能な金属製品にも一定の制限がある。

【0005】

本発明の目的は、機械強度および導電率を両立できる、銅合金から構成される積層造形用の金属粉末、積層造形物の製造方法および積層造形物を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

〔１〕金属粉末は、積層造形用の金属粉末である。当該金属粉末は、クロムおよび珪素の少なくともいずれかを０．１０質量％以上１．００質量％以下含有し、該クロムおよび該珪素の合計量が１．００質量％以下であり、残部が銅からなる。

【0007】

〔２〕上記〔１〕の金属粉末は、クロムを０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、残部が銅からなる、金属粉末でもよい。

【0008】

〔３〕上記〔１〕の金属粉末は、珪素を０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、残部が銅からなる、金属粉末でもよい。

【0009】

〔４〕積層造形物の製造方法は、上記〔１〕〜〔３〕のいずれかの金属粉末を含む粉末層を形成する第１工程と、該粉末層において、所定位置の該金属粉末を固化させることにより、造形層を形成する第２工程と、を含む。この製造方法では、第１工程と第２工程とを順次繰り返し、造形層を積層することにより、積層造形物を製造する。

【0010】

〔５〕上記〔４〕の積層造形物の製造方法は、積層造形物を熱処理する熱処理工程をさらに含んでいてもよい。

【0011】

〔６〕積層造形物は、上記〔１〕〜〔３〕のいずれかの金属粉末から製造された積層造形物であり、造形後に熱処理が施されていることが望ましい。

【0012】

〔７〕積層造形物は、銅合金から構成される積層造形物である。銅合金は、クロムおよび珪素の少なくともいずれかを０．１０質量％以上１．００質量％以下含有し、該クロムおよび該珪素の合計量が１．００質量％以下であり、残部が銅からなる。積層造形物は、銅合金の理論密度に対する相対密度が９６％以上１００％以下であり、導電率が２６％ＩＡＣＳ以上である。

【0013】

〔８〕上記〔７〕において、銅合金は、クロムを０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、残部が銅からなるクロム含有銅合金でもよい。この場合、積層造形物は、クロム含有銅合金の理論密度に対する相対密度が９６％以上１００％以下であり、導電率が３０％ＩＡＣＳ以上である。

【0014】

〔９〕上記〔７〕において、銅合金は、珪素を０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、残部が銅からなる珪素含有銅合金でもよい。この場合、積層造形物は、珪素含有銅合金の理論密度に対する相対密度が９６％以上１００％以下であり、導電率が２６％ＩＡＣＳ以上である。

【発明の効果】

【0015】

上記によれば、機械強度および導電率を両立できる、銅合金から構成される積層造形物が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施形態に係る積層造形物の製造方法の概略を示すフローチャートである。

【図2】ＳＴＬデータの一例を示す概略図である。

【図3】スライスデータの一例を示す概略図である。

【図4】積層造形物の製造過程を図解する第１概略図である。

【図5】積層造形物の製造過程を図解する第２概略図である。

【図6】積層造形物の製造過程を図解する第３概略図である。

【図7】積層造形物の製造過程を図解する第４概略図である。

【図8】引張試験に用いる試験片を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の一実施形態（以下「本実施形態」と記す。）について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

【0018】

最初に、本発明者が本実施形態に至った経緯を説明する。
機械強度および導電率を必要とする機械部品には、銅が多用されている。そうした機械部品としては、たとえば溶接トーチ、配電設備の部品等が挙げられる。本発明者は、純銅の地金をアトマイズ加工することにより、銅粉末を得、これを用いて積層造形物の製作を試みた。ところがこの方法では、所望の積層造形物は得られなかった。具体的には、造形物は多数の空隙を有しており、元材に対して密度が大幅に低下していた。さらに導電率も元材に対して大幅に低下していた。密度が低下すれば、当然機械強度も低下すると考えられる。本発明者は、各種条件を変更して物性の改善を試みた。しかし純銅を用いる限り、条件を固定しても、仕上がり物性が安定せず、機械強度および導電率を両立することはできなかった。

【0019】

そこで、本発明者は銅合金について検討した。その結果、特定の合金組成を有する銅合金粉末を用いることにより、積層造形物において、機械強度および導電率を両立できることが見出された。

【0020】

ここで「機械強度および導電率を両立できる」とは、積層造形物が次の（ａ）〜（ｃ）の条件をすべて満たすことを示す。

【0021】

（ａ）引張強さが概ね１９５ＭＰａ以上である。すなわち引張強さが無酸素銅（ＵＮＳ番号：Ｃ１０２００）の地金と概ね同等以上である。引張強さは次の手順で測定する。測定には「ＪＩＳ Ｂ ７７２１：引張試験機・圧縮試験機‐力計測系の校正方法および検証方法」に基づく等級１級以上の引張試験装置を使用する。図８に示すダンベル状試験片２０を製造する。ダンベル状試験片２０を、引張試験装置を用いて２ｍｍ／ｍｉｎの速度で、破断するまで引っ張る。このとき、つかみ装置または治具には、ダンベル状試験片２０の形状に適したものを用いる。またダンベル状試験片２０の軸方向に力が加わるように調整する。破断するまでに現れる最大引張応力を測定する。最大引張応力を平行部２１の断面積で除することにより、引張強さを算出する。平行部２１の断面積は、９．６１６ｍｍ²（＝π×３．５ｍｍ×３．５ｍｍ÷４）である。なおダンベル状試験片２０の各部の寸法は次のとおりである。

【0022】

ダンベル状試験片２０の全長Ｌ０：３６ｍｍ
平行部２１の長さＬ１：１８±０．５ｍｍ
平行部２１の直径Ｄ１：３．５±０．０５ｍｍ
肩部２３の半径Ｒ：１０ｍｍ
つかみ部２２の長さＬ２：４．０ｍｍ
つかみ部２２の直径Ｄ２：６．０ｍｍ。

【0023】

（ｂ）理論密度に対する相対密度が９６％以上である。ここで合金の理論密度は、該合金と同じ組成を有する溶製材の密度を示す。理論密度に対する相対密度は、積層造形物の実測密度を、合金の理論密度で除した値の百分率を示す。

【0024】

（ｃ）焼鈍標準軟銅（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ａｎｎｅａｌｅｄ Ｃｏｐｐｅｒ Ｓｔａｎｄａｒｄ：ＩＡＣＳ）の導電率を１００％ＩＡＣＳとして定義される、導電率が２６％ＩＡＣＳ以上である。すなわち導電率が黄銅（ＵＮＳ番号：Ｃ２６０００）の地金と概ね同等以上である。

【0025】

〔金属粉末〕
本実施形態の金属粉末は、積層造形用の金属粉末である。金属粉末は、通常の２次元プリンタにおけるトナー、インクに相当する。金属粉末は、クロム（Ｃｒ）および珪素（Ｓｉ）の少なくともいずれかを０．１０質量％以上１．００質量％以下含有し、ＣｒおよびＳｉの合計量が１．００質量％以下であり、残部が銅（Ｃｕ）からなる。金属粉末におけるＣｕ含有量は、たとえば９８質量％以上でもよいし、９８．５質量％以上でもよいし、９９．０質量％以上でもよい。

【0026】

金属粉末におけるＣｕ含有量は、「ＪＩＳ Ｈ １０５１：銅および銅合金中の銅定量方法」に準拠した方法により測定できる。Ｃｒ含有量は、「ＪＩＳ Ｈ １０７１：銅および銅合金中のクロム定量方法」に準拠したＩＣＰ発光分析法により測定できる。Ｓｉ含有量は、「ＪＩＳ Ｈ １０６１：銅および銅合金中の珪素定量方法」に準拠したＩＣＰ発光分析法により測定できる。金属粉末において、ＣｒおよびＳｉの少なくともいずれかの含有量の上限は、０．９０質量％でもよいし、０．８０質量％でもよいし、０．７０質量％でもよいし、０．６０質量％でもよい。同含有量の下限は、０．１５質量％でもよいし、０．２０質量％でもよい。

【0027】

金属粉末は、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｓｉの他に、不純物元素を含有することもある。不純物元素は、製造時に意図的に添加された元素（添加元素）でもよい。つまり本実施形態の金属粉末では、残部がＣｕおよび添加元素からなることもある。不純物元素は、製造時に不可避的に混入した元素（不可避不純物）でもよい。つまり本実施形態の金属粉末では、残部がＣｕおよび不可避不純物からなることもある。あるいは残部は、Ｃｕ、添加元素および不可避不純物からなることもある。不純物元素としては、たとえば酸素（Ｏ）、リン（Ｐ）等が挙げられる。不純物元素の含有量は、たとえば０．１０質量％未満でもよいし、０．０５質量％未満でもよい。

【0028】

本実施形態の金属粉末には、たとえば以下に示すクロム含有銅合金粉末および珪素含有銅合金粉末が包含される。

【0029】

（クロム含有銅合金粉末）
クロム含有銅合金粉末は、Ｃｒを０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、残部がＣｕからなる。前述のように、残部は添加元素、不可避不純物を含んでいてもよい。かかる化学組成を有する銅合金粉末によれば、積層造形物において、特に導電率の向上を期待できる。クロム含有銅合金粉末において、Ｃｒ含有量の下限は、たとえば０．１５質量％でもよいし、０．２０質量％でもよいし、０．２５質量％でもよい。Ｃｒ含有量の上限は、たとえば０．５５質量％でもよいし、０．５０質量％でもよい。Ｃｒ含有量は、たとえば０．２２質量％以上０．５１質量％以下でもよい。これらの範囲において、機械強度と導電率とのバランスが良くなることもある。

【0030】

（珪素含有銅合金粉末）
珪素含有銅合金粉末は、Ｓｉを０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、残部がＣｕからなる。前述のように、残部は添加元素、不可避不純物を含んでいてもよい。かかる化学組成を有する銅合金粉末によれば、積層造形物において、特に機械強度の向上を期待できる。珪素含有銅合金粉末において、Ｓｉ含有量の下限は、たとえば０．１５質量％でもよいし、０．２０質量％でもよいし、０．２５質量％でもよい。Ｓｉ含有量の上限は、たとえば０．５５質量％でもよいし、０．５０質量％でもよい。Ｓｉ含有量は、たとえば０．２１質量％以上０．５５質量％以下でもよい。これらの範囲において、機械強度と導電率とのバランスが良くなることもある。

【0031】

（粒度分布）
金属粉末の粒度分布は、粉末製造条件、分級、篩分け等により、適宜調整される。金属粉末の平均粒径は、積層造形物を製造する際の積層ピッチに合わせて調整してもよい。金属粉末の平均粒径は、たとえば１００〜２００μｍ程度でもよいし、５０〜１００μｍ程度でもよいし、５〜５０μｍ程度でもよい。ここで、本明細書における平均粒径は、レーザ回折・散乱法によって測定された粒度分布において、積算値５０％での粒径（いわゆる「ｄ５０」）を示すものとする。金属粉末において、粒子形状は特に限定されない。粒子形状は、たとえば略球状でもよいし、不規則形状でもよい。

【0032】

（金属粉末の製造方法）
本実施形態の金属粉末は、たとえばガスアトマイズ法または水アトマイズ法によって製造される。すなわちタンデッシュの底部から、溶融状態の合金成分を落下させながら、高圧ガスまたは高圧水と接触させ、合金成分を急冷凝固させることにより、合金成分を粉末化する。この他、たとえばプラズマアトマイズ法、遠心力アトマイズ法等によって、金属粉末を製造してもよい。これらの製造方法で得られた金属粉末を用いることにより、緻密な積層造形物が得られる傾向にある。

【0033】

〔積層造形物の製造方法〕
次に、上記の金属粉末を用いた積層造形物の製造方法について説明する。ここでは、金属粉末を固化させる手段として、粉末床溶融結合法のうちレーザを用いる態様を説明する。しかし当該手段は、金属粉末の固化が可能である限り、レーザに限定されない。当該手段は、たとえば電子ビーム、プラズマ等でもよい。本実施形態では、粉末床溶融結合法以外の付加製造法（Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ：ＡＭ）を利用してもよい。たとえば本実施形態では、指向性エネルギ堆積法を利用することもできる。さらに本実施形態では、造形中に切削加工を実施してもよい。

【0034】

図１は、本実施形態の積層造形物の製造方法の概略を示すフローチャートである。当該製造方法は、データ処理工程（Ｓ１０）と、造形工程（Ｓ２０）とを備える。当該製造方法は、造形工程（Ｓ２０）の後に、熱処理工程（Ｓ３０）を備えていてもよい。造形工程（Ｓ２０）は、第１工程（Ｓ２１）と第２工程（Ｓ２２）とを含む。当該製造方法では、第１工程（Ｓ２１）と第２工程（Ｓ２２）とを順次繰り返すことにより、積層造形物を製造する。以下、図１〜図７を参照しつつ、当該製造方法を説明する。

【0035】

１．データ処理工程（Ｓ１０）
先ず、３Ｄ−ＣＡＤ等により３次元形状データが作成される。３次元形状データは、ＳＴＬデータに変換される。図２は、ＳＴＬデータの一例を示す概略図である。ＳＴＬデータ１０ｄでは、たとえば有限要素法による要素分割（メッシュ化）が行われる。

【0036】

ＳＴＬデータから、スライスデータが作成される。図３は、スライスデータの一例を示す概略図である。ＳＴＬデータは、第１造形層ｐ１〜第ｎ造形層ｐｎのｎ層に分割される。スライス厚さｄは、たとえば１０〜１５０μｍ程度である。

【0037】

２．造形工程（Ｓ２０）
次いで、スライスデータに基づき、積層造形物が造形される。図４は、積層造形物の製造過程を図解する第１概略図である。図４に示されるレーザ積層造形装置１００は、ピストン１０１と、ピストン１０１に支持されたテーブル１０２と、レーザ出力部１０３とを備える。以降の工程は、造形物の酸化を抑制するため、たとえば不活性ガス雰囲気で行われる。不活性ガスは、たとえばアルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ₂）、ヘリウム（Ｈｅ）等でよい。あるいは不活性ガスに代えて、たとえば水素（Ｈ₂）等の還元性ガスを用いてもよい。さらに真空ポンプ等を用いて、減圧雰囲気としてもよい。

【0038】

ピストン１０１は、テーブル１０２を昇降できるように構成されている。テーブル１０２上において、積層造形物が造形される。

【0039】

２−１．第１工程（Ｓ２１）
第１工程（Ｓ２１）では、金属粉末を含む粉末層が形成される。スライスデータに基づき、ピストン１０１は、テーブル１０２を１層分だけ降下させる。テーブル１０２上に、１層分の金属粉末が敷き詰められる。これにより、金属粉末を含む第１粉末層１が形成される。第１粉末層１の表面は、図示しないスキージングブレード等により、平滑化される。粉末層は、複数種の金属粉末を含んでいてもよい。たとえば、粉末層は、前述のクロム含有銅合金粉末および珪素含有銅合金粉末の両方含むこともある。粉末層は、金属粉末の他、レーザ吸収剤（たとえば樹脂粉末）等を含んでいてもよい。粉末層は、実質的に金属粉末のみから形成されることもある。

【0040】

２−２．第２工程（Ｓ２２）
図５は、積層造形物の製造過程を図解する第２概略図である。第２工程（Ｓ２２）では、積層造形物の一部となるべき造形層が形成される。

【0041】

レーザ出力部１０３は、スライスデータに基づき、第１粉末層１の所定位置にレーザ光を照射する。レーザ光の照射に先立ち、予め粉末層を加熱しておいてもよい。レーザ光の照射を受けた金属粉末は、溶融、焼結を経て、固化する。このように、第１粉末層１において所定位置の金属粉末を固化させることにより、第１造形層ｐ１が形成される。

【0042】

本実施形態のレーザ出力部には、汎用のレーザ装置を採用できる。レーザ光の光源には、たとえばファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ＣＯ₂レーザ、半導体レーザ等が用いられる。レーザ光の出力は、たとえば１００〜１０００Ｗ程度でもよいし、２００〜５００Ｗ程度でもよい。レーザ光の走査速度は、たとえば１００〜１０００ｍｍ／ｓの範囲内で調整してもよい。またレーザ光のエネルギ密度は、たとえば１００〜１０００Ｊ／ｍｍ³の範囲内で調整してもよい。

【0043】

ここでレーザ光のエネルギ密度は、下記式（Ｉ）：
Ｅ＝Ｐ÷（ｖ×ｓ×ｄ）・・・（Ｉ）
によって算出される値を示す。式（Ｉ）中、Ｅはレーザ光のエネルギ密度［単位：Ｊ／ｍｍ³］を、Ｐはレーザの出力［単位：Ｗ］を、ｖは走査速度［単位：ｍｍ／ｓ］を、ｓは走査幅［単位：ｍｍ］を、ｄはスライス厚さ［単位：ｍｍ］をそれぞれ示している。

【0044】

図６は、積層造形物の製造過程を図解する第３概略図である。図６に示されるように、第１造形層ｐ１が形成された後、ピストン１０１は、テーブル１０２をさらに１層分だけ降下させる。その後、上記と同様に、第２粉末層２が形成され、スライスデータに基づき第２造形層ｐ２が形成される。以後、第１工程（Ｓ２１）と第２工程（Ｓ２２）とを繰り返す。図７は、積層造形物の製造過程を図解する第４概略図である。図７に示されるように、最後に、第ｎ造形層ｐｎが形成され、積層造形物１０が完成する。

【0045】

３．第３工程（Ｓ３０）
その後、積層造形物を熱処理することが望ましい。すなわち積層造形物は、造形後に熱処理が施されていることが望ましい。熱処理により、積層造形物の機械的性質および導電率の向上が期待できる。熱処理時の雰囲気は、たとえば窒素、大気、アルゴン、水素、真空等の雰囲気でもよい。熱処理温度は、たとえば３００℃以上４００℃以下でよい。熱処理時間は、たとえば２時間以上４時間以下でよい。

【0046】

〔積層造形物〕
次に、上記の製造方法によって得られた積層造形物について説明する。積層造形物は、切削加工では実現できない、複雑形状を有し得る。さらに本実施形態の積層造形物は、機械強度および導電率を両立できる。本実施形態の積層造形物は、一例としてプラズマトーチに適用できる。

【0047】

原料に、本実施形態の金属粉末を用いた場合、積層造形物は次の構成を備え得る。
すなわち本実施形態の積層造形物は、特定の銅合金から構成される積層造形物である。当該銅合金は、ＣｒおよびＳｉの少なくともいずれかを０．１０質量％以上１．００質量％以下含有し、ＣｒおよびＳｉの合計量が１．００質量％以下であり、残部がＣｕからなる。金属粉末と同様に残部は、添加元素、不可避不純物を含んでいてもよい。この積層造形物では、理論密度に対する相対密度が９６％以上１００％以下であり、なおかつ導電率が２６％ＩＡＣＳ以上である。

【0048】

銅合金において、ＣｒおよびＳｉの少なくともいずれかの含有量の上限は、０．９０質量％でもよく、０．８０質量％でもよく、０．７０質量％でもよく、０．６０質量％でもよい。同含有量の下限は、０．１５質量％でもよく、０．２０質量％でもよい。

【0049】

積層造形物の密度は、たとえばアルキメデス法により測定することができる。アルキメデス法による密度測定は、「ＪＩＳ Ｚ ２５０１：焼結金属材料‐密度、含油率および開放気孔率試験方法」に準拠して行うことができる。液体には水を用いればよい。

【0050】

理論密度に対する相対密度が９６％以上であれば、実用に耐え得る機械強度を期待できる。相対密度は高いほど望ましい。積層造形物の相対密度は、９６．５％以上でもよく、９７．０％以上でもよく、９７．５％以上でもよく、９８．０％以上でもよく、９８．５％以上でもよく、９９．０％以上でもよい。

【0051】

導電率は、市販の渦流式導電率計によって測定できる。導電率も高いほど望ましい。積層造形物の導電率は、３０％ＩＡＣＳ以上でもよく、４０％ＩＡＣＳ以上でもよく、５０％ＩＡＣＳ以上でもよく、６０％ＩＡＣＳ以上でもよい。導電率の上限は、たとえば１００％ＩＡＣＳでもよい。

【0052】

（クロム含有銅合金から構成される積層造形物）
原料に、本実施形態のクロム含有銅合金粉末を使用した場合、積層造形物は次の構成を備え得る。

【0053】

すなわち積層造形物は、特定のクロム含有銅合金から構成される積層造形物である。当該クロム含有銅合金は、Ｃｒを０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、残部がＣｕからなる。金属粉末と同様に残部は、添加元素、不可避不純物を含んでいてもよい。この積層造形物では、クロム含有銅合金の理論密度に対する相対密度が９６％以上１００％以下であり、なおかつ導電率が３０％ＩＡＣＳ以上である。この積層造形物において、たとえばＣｒ含有量が０．１０質量％以上０．３０質量％以下の場合、９８．０％以上の相対密度と、６０％ＩＡＣＳ以上の導電率との両立を期待できる。

【0054】

（珪素含有銅合金から構成される積層造形物）
原料に、本実施形態の珪素含有銅合金粉末を使用した場合、積層造形物は次の構成を備え得る。

【0055】

すなわち積層造形物は、特定の珪素含有銅合金から構成される積層造形物である。当該珪素含有銅合金は、Ｓｉを０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、残部がＣｕからなる。金属粉末と同様に残部は、添加元素、不可避不純物を含んでいてもよい。この積層造形物では、珪素含有銅合金の理論密度に対する相対密度が９６％以上１００％以下であり、なおかつ導電率が２６％ＩＡＣＳ以上である。この積層造形物において、たとえばＳｉ含有量が０．１０質量％以上０．３０質量％以下の場合、９８．５％以上の相対密度と、４５％ＩＡＣＳ以上の導電率との両立を期待できる。

【実施例】

【0056】

以下、実施例を用いて本実施形態を説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。

【0057】

１．金属粉末の準備
表１に示す化学成分を有する金属粉末Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ｂ１、Ｂ２、ＸおよびＹを準備した。

【0058】

【表1】

【0059】

これらの金属粉末は、所定のアトマイズ法によって製造した。金属粉末Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ｂ１およびＢ２は実施例に相当する。

【0060】

金属粉末Ｘは、市販純銅の地金を原料とした。金属粉末Ｙは、市販銅合金（製品名「ＡＭＰＣＯ９４０」）の地金を原料とした。金属粉末ＸおよびＹは比較例に相当する。

【0061】

２．レーザ積層造形装置
以下の仕様のレーザ積層造形装置を準備した
レーザ ：ファイバレーザ、最大出力４００Ｗ
スポット径：０．０５〜０．２０ｍｍ
走査速度 ：〜７０００ｍｍ／ｓ
積層ピッチ：０．０２〜０．０８ｍｍ
造形サイズ：２５０ｍｍ×２５０ｍｍ×２８０ｍｍ。

【0062】

３．積層造形物の製造
上記の装置を用いて、円柱状の積層造形物（直径１４ｍｍ×高さ１５ｍｍ）を製造した。

【0063】

３−１．市販純銅粉末
図１に示すフローに沿って、金属粉末を含む粉末層を形成する第１工程（Ｓ２１）と、粉末層の所定位置にレーザ光を照射し、金属粉末を固化させることにより、造形層を形成する第２工程（Ｓ２２）とを順次繰り返し、Ｎｏ．Ｘ−１〜４０に係る積層造形物を製造した。各積層造形物の製造条件を表２および表３に示す。

【0064】

前述の方法に従って、各積層造形物の相対密度および導電率を測定した。結果を表２および表３に示す。

【0065】

【表2】

【0066】

【表3】

【0067】

表２および表３から分かるように、純銅粉末（金属粉末Ｘ）を用いた積層造形物では、条件を固定しても、仕上がり物性のバラツキが非常に大きい。表２中の「測定不可」は、空隙が多すぎるために、アルキメデス法では信頼性の高い密度を測定できなかったことを示している。純銅の地金の導電率は、１００％ＩＡＣＳ程度と考えてよい。純銅を用いた積層造形物では、地金に比し、導電率が大幅に低下している。これらの結果から、純銅粉末を用いた場合、実用的な機械部品の製造は困難といえる。

【0068】

３−２．市販銅合金粉末
表４に示す各条件で、上記と同様にしてＹ−１〜７に係る積層造形物を製造した。各積層造形物の製造条件を表４に示す。

【0069】

前述の方法に従って、各積層造形物の相対密度および導電率を測定した。結果を表４に示す。

【0070】

【表4】

【0071】

市販銅合金粉末（金属粉末Ｙ）を用いた積層造形物では、純銅に比し、高い密度を実現できた。しかし導電率は、元材（４５．５％ＩＡＣＳ程度）に比し、大幅に低下した。

【0072】

３−３．クロム含有銅合金粉末
３−３−１．Ｃｒ＝０．２２質量％
表５に示す各条件で、上記と同様にしてＮｏ．Ａ１−１〜１１に係る積層造形物を製造した。さらに、ここでは積層造形物を造形した後に、熱処理工程（Ｓ３０）を実行した。熱処理条件は、窒素雰囲気下、３００℃×３時間とした（以下の熱処理も同様である）。各積層造形物の物性を評価した。評価結果を表５に示す。引張強さは、Ｎｏ．Ａ１−１２〜１４に示す条件で、別途、図８に示すダンベル状試験片２０を製造し、該試験片で測定した（以下の引張強さも同様である）。

【0073】

【表5】

【0074】

表５から分かるように、クロムを０．２２質量％含有する銅合金粉末（金属粉末Ａ１）を用いた積層造形物では、前述の純銅に比し、仕上がり物性のバラツキを抑制できた。これらの積層造形物では、実用的な機械強度と導電率とを両立できた。またこの組成では、熱処理後に６０％ＩＡＣＳ以上の高い導電率を実現できた。

【0075】

３−３−２．Ｃｒ＝０．５１質量％
表６に示す各条件で、上記と同様にしてＮｏ．Ａ２−１〜１２に係る積層造形物を製造した。各積層造形物の物性を評価した。評価結果を表６に示す。

【0076】

【表6】

【0077】

表６から分かるように、クロムを０．５１質量％含有する銅合金粉末（金属粉末Ａ２）を用いた積層造形物では、前述の純銅に比し、仕上がり物性のバラツキを抑制できた。これらの積層造形物では、相対密度が９９％を超える緻密さと、３５％ＩＡＣＳを超える導電率とを両立できた。引張強さも良好であった。

【0078】

３−３−３．Ｃｒ＝０．９４質量％
表７に示す各条件で、上記と同様にしてＮｏ．Ａ３−１〜７に係る積層造形物を製造した。各積層造形物の物性を評価した。評価結果を表７に示す。

【0079】

【表7】

【0080】

表７から分かるように、クロムを０．９４質量％含有する銅合金粉末（金属粉末Ａ３）を用いた積層造形物では、前述の純銅に比し、仕上がり物性のバラツキを抑制できた。これらの積層造形物では、実用的な機械強度と導電率とを両立できた。またこの組成では、相対密度が９９％を超える緻密さを実現できた。引張強さも良好であった。

【0081】

３−４．珪素含有銅合金粉末
３−４−１．Ｓｉ＝０．２１質量％
表８に示す各条件で、上記と同様にしてＮｏ．Ｂ１−１〜１１に係る積層造形物を製造した。各積層造形物の物性を評価した。評価結果を表８に示す。

【0082】

【表8】

【0083】

表８から分かるように、珪素を０．２１質量％含有する銅合金粉末（金属粉末Ｂ１）を用いた積層造形物では、前述の純銅に比し、仕上がり物性のバラツキを抑制できた。これらの積層造形物では、実用的な機械強度と導電率とを両立できた。またこの組成では、４５％ＩＡＣＳ以上の高い導電率を実現できた。

【0084】

３−４−２．Ｓｉ＝０．５５質量％
表９に示す各条件で、上記と同様にしてＮｏ．Ｂ２−１〜８に係る積層造形物を製造した。各積層造形物の物性を評価した。評価結果を表９に示す。

【0085】

【表9】

【0086】

表９から分かるように、珪素を０．５５質量％含有する銅合金粉末（金属粉末Ｂ２）を用いた積層造形物では、前述の純銅に比し、仕上がり物性のバラツキを抑制できた。これらの積層造形物では、実用的な機械強度と導電率とを両立できた。またこの組成では、相対密度が９９％を超える緻密さを実現できた。

【0087】

今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0088】

１ 第１粉末層、２ 第２粉末層、１０ 積層造形物、１０ｄ ＳＴＬデータ、２０ ダンベル状試験片、２１ 平行部、２２ つかみ部、２３ 肩部、１００ レーザ積層造形装置、１０１ ピストン、１０２ テーブル、１０３ レーザ出力部、Ｄ１，Ｄ２ 直径、Ｌ０ 全長、Ｌ１，Ｌ２ 長さ、Ｒ 半径、ｄ 厚さ、ｐ１ 第１造形層、ｐ２ 第２造形層、ｐｎ 第ｎ造形層。

【図8】

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【手続補正書】

【提出日】2016年5月6日

【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】

積層造形用の金属粉末であって、
クロムおよび珪素の少なくともいずれかを０．１０質量％以上１．００質量％以下含有し、前記クロムおよび前記珪素の合計量が１．００質量％以下であり、残部が銅からなる、金属粉末。

【請求項2】

前記クロムを０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、前記残部が前記銅からなる、請求項１に記載の金属粉末。

【請求項3】

前記珪素を０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、前記残部が前記銅からなる、請求項１に記載の金属粉末。

【請求項4】

請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の金属粉末を含む粉末層を形成する第１工程と、
前記粉末層において、所定位置の前記金属粉末を固化させることにより、造形層を形成する第２工程と、を含み、
前記第１工程と前記第２工程とを順次繰り返し、前記造形層を積層することにより、積層造形物を製造する、積層造形物の製造方法。

【請求項5】

前記積層造形物を熱処理する熱処理工程をさらに含む、請求項４に記載の積層造形物の製造方法。

【請求項6】

銅合金から構成される積層造形物であって、
前記銅合金は、クロムおよび珪素の少なくともいずれかを０．１０質量％以上１．００質量％以下含有し、前記クロムおよび前記珪素の合計量が１．００質量％以下であり、残部が銅からなり、
前記銅合金の理論密度に対する相対密度が９６％以上１００％以下であり、
導電率が２６％ＩＡＣＳ以上である、積層造形物。

【請求項7】

前記銅合金は、前記クロムを０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、前記残部が前記銅からなるクロム含有銅合金であり、
前記クロム含有銅合金の理論密度に対する相対密度が９６％以上１００％以下であり、
導電率が３０％ＩＡＣＳ以上である、請求項６に記載の積層造形物。

【請求項8】

前記銅合金は、前記珪素を０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、前記残部が前記銅からなる珪素含有銅合金であり、
前記珪素含有銅合金の理論密度に対する相対密度が９６％以上１００％以下であり、
導電率が２６％ＩＡＣＳ以上である、請求項６に記載の積層造形物。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0011】

積層造形物は、上記〔１〕〜〔３〕のいずれかの金属粉末から製造された積層造形物であり、造形後に熱処理が施されていることが望ましい。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0012】

〔６〕積層造形物は、銅合金から構成される積層造形物である。銅合金は、クロムおよび珪素の少なくともいずれかを０．１０質量％以上１．００質量％以下含有し、該クロムおよび該珪素の合計量が１．００質量％以下であり、残部が銅からなる。積層造形物は、銅合金の理論密度に対する相対密度が９６％以上１００％以下であり、導電率が２６％ＩＡＣＳ以上である。

【手続補正4】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0013】

〔７〕上記〔６〕において、銅合金は、クロムを０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、残部が銅からなるクロム含有銅合金でもよい。この場合、積層造形物は、クロム含有銅合金の理論密度に対する相対密度が９６％以上１００％以下であり、導電率が３０％ＩＡＣＳ以上である。

【手続補正5】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0014】

〔８〕上記〔６〕において、銅合金は、珪素を０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、残部が銅からなる珪素含有銅合金でもよい。この場合、積層造形物は、珪素含有銅合金の理論密度に対する相対密度が９６％以上１００％以下であり、導電率が２６％ＩＡＣＳ以上である。

【手続補正書】

【提出日】2016年9月23日

【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】

積層造形用の銅合金粉末であって、
クロムおよび珪素の少なくともいずれかを０．１０質量％以上１．００質量％以下含有し、前記クロムおよび前記珪素の合計量が１．００質量％以下であり、残部が銅からなる、銅合金粉末。

【請求項2】

前記クロムを０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、前記残部が前記銅からなる、請求項１に記載の銅合金粉末。

【請求項3】

前記珪素を０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、前記残部が前記銅からなる、請求項１に記載の銅合金粉末。

【請求項4】

請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の銅合金粉末を含む粉末層を形成する第１工程と、
前記粉末層において、所定位置の前記銅合金粉末を固化させることにより、造形層を形成する第２工程と、を含み、
前記第１工程と前記第２工程とを順次繰り返し、前記造形層を積層することにより、積層造形物を製造する、積層造形物の製造方法。

【請求項5】

前記積層造形物を熱処理する熱処理工程をさらに含む、請求項４に記載の積層造形物の製造方法。

【請求項6】

銅合金から構成される積層造形物であって、
前記銅合金は、クロムおよび珪素の少なくともいずれかを０．１０質量％以上１．００質量％以下含有し、前記クロムおよび前記珪素の合計量が１．００質量％以下であり、残部が銅からなり、
前記銅合金の理論密度に対する相対密度が９６％以上１００％以下であり、
導電率が２６％ＩＡＣＳ以上である、積層造形物。

【請求項7】

前記銅合金は、前記クロムを０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、前記残部が前記銅からなるクロム含有銅合金であり、
前記クロム含有銅合金の理論密度に対する相対密度が９６％以上１００％以下であり、
導電率が３０％ＩＡＣＳ以上である、請求項６に記載の積層造形物。

【請求項8】

前記銅合金は、前記珪素を０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、前記残部が前記銅からなる珪素含有銅合金であり、
前記珪素含有銅合金の理論密度に対する相対密度が９６％以上１００％以下であり、
導電率が２６％ＩＡＣＳ以上である、請求項６に記載の積層造形物。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0006】

〔１〕銅合金粉末は、積層造形用の銅合金粉末である。当該銅合金粉末は、クロムおよび珪素の少なくともいずれかを０．１０質量％以上１．００質量％以下含有し、該クロムおよび該珪素の合計量が１．００質量％以下であり、残部が銅からなる銅合金の粉末である。

【手続補正4】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0007】

〔２〕上記〔１〕の銅合金粉末は、クロムを０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、残部が銅からなる、銅合金の粉末でもよい。

【手続補正5】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0008】

〔３〕上記〔１〕の銅合金粉末は、珪素を０．１０質量％以上０．６０質量％以下含有し、残部が銅からなる、銅合金の粉末でもよい。

【手続補正6】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0009】

〔４〕積層造形物の製造方法は、上記〔１〕〜〔３〕のいずれかの銅合金粉末を含む粉末層を形成する第１工程と、該粉末層において、所定位置の該銅合金粉末を固化させることにより、造形層を形成する第２工程と、を含む。この製造方法では、第１工程と第２工程とを順次繰り返し、造形層を積層することにより、積層造形物を製造する。