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(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】P2024134890
(43)【公開日】2024-10-04
(54)【発明の名称】Ｃｕ基合金粉末及びこのＣｕ基合金粉末を用いた成形体
(51)【国際特許分類】
C22C 9/00 20060101AFI20240927BHJP
B22F 1/00 20220101ALI20240927BHJP
B22F 10/28 20210101ALI20240927BHJP
B33Y 70/00 20200101ALI20240927BHJP
B33Y 80/00 20150101ALI20240927BHJP
B22F 10/34 20210101ALN20240927BHJP
【ＦＩ】
C22C9/00
B22F1/00 L
B22F10/28
B33Y70/00
B33Y80/00
B22F10/34
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023045321
(22)【出願日】2023-03-22
(71)【出願人】
【識別番号】000180070
【氏名又は名称】山陽特殊製鋼株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100134131
【弁理士】
【氏名又は名称】横井 知理
(74)【代理人】
【識別番号】100185258
【弁理士】
【氏名又は名称】横井 宏理
(72)【発明者】
【氏名】森口 裕樹
(72)【発明者】
【氏名】池田 裕樹
(72)【発明者】
【氏名】澤田 俊之
【テーマコード（参考）】
4K018
【Ｆターム（参考）】
4K018AA03
4K018BA02
4K018KA63
(57)【要約】
【課題】急速溶融急冷凝固を伴うプロセスに適するＣｕ基合金粉末であって、かつ、導電性に優れた造形物が得られるＣｕ基合金粉末を提供すること。
【解決手段】質量％でＺｒを０．１～３．０％含み、残部がＣｕおよび不可避的不純物であるＣｕ基合金粉末であって、不可避的不純物のうち、元素Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎの合計が０．０５％以下であるＣｕ基合金粉末である。
【選択図】なし
【解決手段】質量％でＺｒを０．１～３．０％含み、残部がＣｕおよび不可避的不純物であるＣｕ基合金粉末であって、不可避的不純物のうち、元素Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎの合計が０．０５％以下であるＣｕ基合金粉末である。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
質量％でＺｒを０．１～３．０％含み、残部がＣｕおよび不可避的不純物であるＣｕ基合金粉末であって、
不可避的不純物のうち、元素Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎの合計が０．０５％以下であるＣｕ基合金粉末。
不可避的不純物のうち、元素Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎの合計が０．０５％以下であるＣｕ基合金粉末。
【請求項2】
質量％でＺｒを０．１～３．０％、Ａgを０．０５～３．００％含み、残部がＣｕおよび不可避的不純物であるＣｕ基合金粉末であって、
不可避的不純物のうち、元素Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎの合計が０．０５％以下であるＣｕ基合金粉末。
不可避的不純物のうち、元素Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎの合計が０．０５％以下であるＣｕ基合金粉末。
【請求項3】
質量％でＺｒを０．１～３．０％含み、残部がＣｕおよび不可避的不純物であるＣｕ基合金粉末であって、
不可避的不純物のうち、元素Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎの合計が０．０５％以下であるＣｕ基合金粉末を用いた成形体。
不可避的不純物のうち、元素Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎの合計が０．０５％以下であるＣｕ基合金粉末を用いた成形体。
【請求項4】
質量％でＺｒを０．１～３．０％、Ａgを０．０５～３．００％含み、残部がＣｕおよび不可避的不純物であるＣｕ基合金粉末であって、
不可避的不純物のうち、元素Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎの合計が０．０５％以下であるＣｕ基合金粉末を用いた成形体。
不可避的不純物のうち、元素Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎの合計が０．０５％以下であるＣｕ基合金粉末を用いた成形体。
【請求項5】
請求項１又は２に記載のＣｕ基合金粉末からなる三次元積層造形用粉末。
【請求項6】
請求項１又は２に記載のＣｕ基合金粉末で積層造形された三次元積層造形物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、三次元積層造形法、溶射法、レーザーコーティング法、肉盛法等の、急速溶融急冷凝固を伴うプロセスに適したＣｕ基合金粉末及びこのＣｕ基合金粉末を用いた成形体に関する。とりわけ三次元積層造形法に好適なＣｕ基合金粉末からなる三次元積層造形用粉末及び三次元積層造形体に関する。
【背景技術】
【0002】
金属からなる造形物の製作に、３Ｄプリンターが使用されはじめている。この３Ｄプリンターとは、積層造形法によって造形物が製作するものであり、金属積層造形法の代表的な方式にはパウダーベッド方式（粉末床溶融結合方式）やメタルデポジション方式（指向性エネルギー堆積方式）などがある。パウダーベッド方式では、レーザービームまたは電子ビームの照射によって、敷き詰められた粉末のうち照射された部位が溶融し凝固する。この溶融と凝固により、粉末粒子同士が結合する。レーザービーム等の照射は、金属粉末の一部に選択的になされ、照射がなされなかった部分は溶融せず、照射がなされた部分のみにおいて結合層が形成される。
【0003】
形成された結合層の上に、さらに新しい金属粉末が敷き詰められ、それらの金属粉末にレーザービームまたは電子ビームの照射が行われる。すると、ビームの照射により、金属粒子が溶融、凝固し、新たな結合層が形成される。また、新たな結合層は、既存の結合層とも結合される。
【0004】
こうして敷き詰めた金属粉末の所望の位置上にビームを照射して溶融・凝固させる工程を順次繰り返していくことによって、結合層の集合体が徐々に成長していく。この成長により、三次元形状を有する造形体を得ることができる。このように積層造形法を用いると、従来の金型成形などでは製造が困難であったような複雑な形状の造形物であっても容易に得ることができる。
【0005】
ところで、高周波誘導加熱装置、モーター冷却用ヒートシンク等に使用される合金には、優れた電気伝導度や熱伝導性が要請される。このような用途には、Ｃｕ基合金が適している。
【0006】
これまでに、Ｃｕと、Ｚｒを５～８ａｔ％を含む粉末を放電プラズマで焼結させた銅合金で、ＣｕとＣｕ－Ｚｒ化合物とを含み、Ｃｕと前記Ｃｕ－Ｚｒ化合物との２相が、共晶相を含むことなく、断面視したときに大きさ１０μｍ以下の結晶が分散したモザイク状の組織を有する、銅合金が提案されている（特許文献１参照）。
【0007】
また、質量％で、Ｃｒ：１．１～２０％、Ｚｒ：０～０．２％、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる銅合金粉末が提案されている（特許文献２参照）。
【0008】
本願出願人は、質量％で、選択的成分Ｍ（Ｖ、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ及びＴａのいずれか１種以上）：０．１～５．０％、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなるＣｕ基合金からなり、平均粒子径Ｄ50（μｍ）と上記粉末のタップ密度ＴＤ（Ｍｇ／ｍ3）との比（Ｄ50／ＴＤ）が、０．２×１０-5・ｍ4／Ｍｇ～２０×１０-5・ｍ4／ＭｇであるＣｕ基合金粉末を提案している（特許文献３）。この提案におけるＺｒの含有率は、０．１～２．０％である。
【0009】
また、本願出願人は、質量％で、選択的成分Ｍ（Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｒ及びＮｂのいずれか１種以上）：０．１～１０．０％、Ｓｉ：０．２０％以下、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．１０％以下、不可避的不純物を含むＣｕ基合金からなり、平均粒子径Ｄ50（μｍ）と上記粉末のタップ密度ＴＤ（Ｍｇ／ｍ3）との比（Ｄ50／ＴＤ）が、０．２×１０-5・ｍ4／Ｍｇ～２０×１０-5・ｍ4／Ｍｇであり、その球形度が０．８０～０．９５以下であるＣｕ基合金粉末を提案している（特許文献４参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】国際公開第２０１４／０６９３１８号
【特許文献2】特開２０１９－４４２６０号公報
【特許文献3】特開２０１９－２１０４９７号公報
【特許文献4】特開２０２１－１７６３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
積層造形法では、金属材料が急速に溶融され、かつ急冷されて凝固する。このような急速溶融急冷凝固を伴うプロセスに用いられる粉末としては、従来のＣｕ基合金は不向きであり、従来のＣｕ基合金粉末を用いても、高密度な造形物は得られにくかった。あた、溶射法、レーザーコーティング法、肉盛法等の、他の急速溶融急冷凝固プロセスにおいても、従来のＣｕ基合金は好適とはいえず、むしろ不向きである。
【0012】
純Ｃｕのレーザー反射率は、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等のレーザー反射率と比較すると、反射率が高い。そこで、急速溶融急冷凝固を伴うプロセスに純Ｃｕの粉末を用いるときには、Ｃｕの高いレーザー反射率に起因して、多くの熱が大気へ放出されることとなる。他方で、粉末が溶融するための十分な熱が、この粉末自体に付与されないこととなる。熱が不足すると、粒子同士の結合の不良が招来される。そして、熱の不足によって、この粉末から得た造形物の内部には、未溶融の粒子が残存することも起こる。このように純Ｃｕ粉末から得られる造形物の相対密度は低くなりやすい。
【0013】
他方で、エネルギー密度が高いレーザーを純Ｃｕ粉末に照射すれば、未溶融の粒子の残存自体は抑制することができる。もっとも、エネルギー密度が高いレーザーを用いると、溶融金属の突沸を招来することとなる。突沸は、造形物の内部に空隙が生ずる原因となるので、エネルギー密度を安易に高めることはできない。
【0014】
そこで、積層造形法などの急速溶融急冷凝固プロセスに用いられるＣｕ基合金において、レーザー反射率を抑制するために、合金元素が添加されている。しかしながら、添加された合金元素がＣｕに固溶することで、今度は導電性が著しく低下することとなる。
【0015】
そこで、本発明の目的は、急速溶融急冷凝固を伴うプロセスに適するＣｕ基合金粉末であって、かつ、導電性に優れた造形物が得られるＣｕ基合金粉末を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0016】
発明者らは、鋭意検討の結果、まずレーザー反射率を抑制するために、ＣｕにＺｒを添加することとした。Ｚｒは平衡状態図上のＣｕへの固溶限は小さい。ところが、粉末がアトマイズ法のような急冷凝固を伴うプロセスで製造されるときには、ＺｒはＣｕに過飽和に固溶することとなる。そして、この過飽和固溶体ではレーザー反射率が抑制されることから、得られたＣｕ基合金粉末が急速溶融急冷凝固を伴うプロセスに供されても、熱が大気へ放出されにくい。
【0017】
もっとも、レーザー反射率の抑制するために添加されるＺｒは、同時にＣｕ基合金の導電性を低下させてしまう。そこで、導電性を向上させるために、導電性を悪化させる不純物を低減することが有用と考え、出発材料に含まれる不純物の混入を制御することとした。もっとも、出発材料の制御だけでは足らないことが判明した。不純物は、出発材料以外にも、粉末の製造の際に、粉末製造設備および原料の溶融に用いられるるつぼからも混入するからである。そこで、出発材料の高純度化に加えて、坩堝の材質の変更や出湯温度の低下によって製造時に不純物元素が混入することをも抑制することとした。
【0018】
さらに導電性を向上させるために、Ａｇを添加することとした。もっとも、Ａｇ添加の効果が有意に発揮されるためには、不純物としてＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎが含まれていないことが望ましく、これら成分が不純物として含まれていると、導電性の向上が十分とはならないことが判明した。そこでＡｇの添加に際しては、Ｃｕ基合金から不純物をなお一層取り除くことが有用であって、不純物をコントロールしたうえでＡｇを添加すると、より導電性が向上することを見出した。
【0019】
本発明の課題を解決するための第１の手段は、質量％でＺｒを０．１～３．０％含み、かつ残部がＣｕおよび不可避的不純物であるＣｕ基合金粉末であって、さらに不可避的不純物のうちＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎが合計で０．０５％以下であるＣｕ基合金粉末である。
【0020】
さらに、このＣｕ基合金粉末は、質量％でＺｒを０．２～２．０％を含んでいることが好ましい。
【0021】
その第２の手段は、質量％でＺｒを０．１～３．０％、Ａｇを０．０５～３．００％含み、かつ残部がＣｕおよび不可避的不純物であるＣｕ基合金粉末であって、さらに不可避的不純物のうちＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎが合計で０．０５％以下であるＣｕ基合金粉末である。
【0022】
さらに、このＣｕ基合金粉末は、質量％でＺｒを０．２～２．０％、Ａｇを０．０５～２．００％を含んでいることが好ましい。
【0023】
その第３の手段は、質量％でＺｒを０．１～３．０％含み、かつ残部がＣｕおよび不可避的不純物であるＣｕ基合金粉末であって、さらに不可避的不純物のうちＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎが合計で０．０５％以下であるＣｕ基合金粉末を用いた成形体である。
【0024】
さらに、Ｚｒを質量％で０．２～２．０％を含んでいるＣｕ基合金粉末を用いた成形体であることが好ましい。
【0025】
その第４の手段は、質量％でＺｒを０．１～３．０％、Ａｇを０．０５～３．００％含み、かつ残部がＣｕおよび不可避的不純物であるＣｕ基合金粉末であって、さらに不可避的不純物のうちＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎが合計で０．０５％以下であるＣｕ基合金粉末を用いた成形体である。
【0026】
さらに、Ｚｒを質量％で０．２～２．０％、Ａｇを０．０５～２．００％を含んでいるＣｕ基合金粉末を用いた成形体であることが好ましい。
【0027】
その第５の手段は、第１又は第２の手段に記載のＣｕ基合金粉末からなる三次元積層造形用粉末である。レーザーなどのビームを粉末に照射することで急速溶融急冷凝固させる工程を繰り返しながら三次元的に積層造形させていくための、三次元積層造形用粉末である。
【0028】
その第６の手段は、第１又は第２の手段に記載のＣｕ基合金粉末で積層造形された三次元積層造形物である。
すなわち、第１又は第２の手段の合金粉末からなる三次元積層造形用粉末をレーザーなどのビームを粉末に照射することで急速溶融急冷凝固させる工程を順次繰り返しながら三次元的に積層造形することで形成した、三次元積層造形物である。
すなわち、第１又は第２の手段の合金粉末からなる三次元積層造形用粉末をレーザーなどのビームを粉末に照射することで急速溶融急冷凝固させる工程を順次繰り返しながら三次元的に積層造形することで形成した、三次元積層造形物である。
【発明の効果】
【0029】
本発明のＺｒを含有するＣｕ基合金粉末はＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの不純物を制御して低減させているので、急速溶融急冷凝固を伴う造形で得られた成形体は８０％ＩＡＣＳ以上の優れた導電率を呈する。さらにＺｒを含有するＣｕ基合金粉末にＡｇを少量添加し、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの不純物を制御して低減させることで、８５％ＩＡＣＳ以上のさらに優れた導電率を示す。本発明に係るＺｒを含有するＣｕ基合金粉末は、急速溶融急速凝固によってＺｒが過飽和に固溶しているので、よりレーザー反射率が低減されやすいものとなっている。過飽和固溶体であるＣｕ基合金粉末ではレーザー反射率が抑制されることから、得られたＣｕ基合金粉末が急速溶融急冷凝固を伴うプロセスに供されても、熱が大気へ放出されにくいので、未溶融の粒子が残存しづらく、またエネルギー密度の高いレーザーを用いる必要がないので突沸により内部に空隙が生じることが避けられる。そこで本発明のＣｕ基合金を急速溶融急速凝固を伴うプロセスを用いたときには、Ｃｕ基合金粉末からなる成形体を適切に造形することができ、相対密度も低くなりにくい成形体を得ることができる。また、これらのＣｕ基合金粉末は反射率が低く三次元造形用粉末として積層造形したものは相対密度が高く、導電性にも優れた三次元積層造形物となる。
【発明を実施するための形態】
【0030】
本発明に係るＣｕ基合金粉末は、多数の粒子の集合である。この粒子の材質は、Ｃｕ基合金であって、質量％でＺｒを０．１～３．０％含み、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる。さらに、Ａｇを０．０５～３．００％含むＣｕ基合金とすることもできる。そして、これらのＣｕ基合金粉末は、不可避的不純物のうちＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎの合計が０．０５％以下であることを特徴としている。まず、実施の形態の説明に先立ち、Ｃｕ基合金粉末の添加成分及び不可避不純物の各成分を規定する理由について説明する。以下の成分に関する説明における％は、いずれも質量％のことである。
【0031】
［Ｚｒ：０．１～３．０％］
Ｚｒは、平衡状態図におけるＣｕへの固溶限は小さい成分である。もっとも、Ｃｕ基合金粉末がアトマイズ法のような急速溶融急冷凝固を伴う方法で製造されるときには、添加ｓっるＺｒはＣｕに過飽和に固溶することとなる。こうしたＺｒの過飽和固溶体を含むＣｕ基合金粉末は、レーザー反射率が抑制されている。他方で、Ｃｕ基合金粉末が急速溶融急冷凝固を伴うプロセスに供されたときも、その熱は大気へ放出されにくい。そこで、このプロセスにおいて、Ｚｒを含有しているＣｕ基合金粉末に対しては、エネルギー密度が過剰に高いレーザーの照射は不要となる。そこで、過剰なレーザーの照射に伴う溶融金属の突沸が抑制される。突沸が抑制されることから、Ｚｒを適量含有しているＣｕ基合金粉末を用いて積層造形などで造形体を得る場合には、相対密度が大きく、内部の空隙が少ない造形物を得ることができる。
Ｚｒは、平衡状態図におけるＣｕへの固溶限は小さい成分である。もっとも、Ｃｕ基合金粉末がアトマイズ法のような急速溶融急冷凝固を伴う方法で製造されるときには、添加ｓっるＺｒはＣｕに過飽和に固溶することとなる。こうしたＺｒの過飽和固溶体を含むＣｕ基合金粉末は、レーザー反射率が抑制されている。他方で、Ｃｕ基合金粉末が急速溶融急冷凝固を伴うプロセスに供されたときも、その熱は大気へ放出されにくい。そこで、このプロセスにおいて、Ｚｒを含有しているＣｕ基合金粉末に対しては、エネルギー密度が過剰に高いレーザーの照射は不要となる。そこで、過剰なレーザーの照射に伴う溶融金属の突沸が抑制される。突沸が抑制されることから、Ｚｒを適量含有しているＣｕ基合金粉末を用いて積層造形などで造形体を得る場合には、相対密度が大きく、内部の空隙が少ない造形物を得ることができる。
【0032】
Ｃｕ基合金粉末中におけるＺｒの含有率が０．１％以上であると、この粉末を用いた造形体の相対密度が大きくなり、内部の空隙が少ない造形物を得ることができる。この観点からＺｒは０．２％以上がより好ましい。他方、Ｚｒの含有率３．０％を超えると、導電性の低下が大きくなり過ぎる。この観点からは、Ｚｒは２．０％以下がより好ましい。そこで、Ｃｕ基合金粉末中におけるＺｒは０．１～３．０％とする。好ましくは、Ｚｒは、０．２～２．０質量％である。
【0033】
［Ａｇ：０．０５～３．００％］
Ａｇは、Ｃｕよりも導電性に優れた元素であるため、Ｃｕに固溶しても、Ｃｕ基合金の電気伝導及び熱伝導が阻害されにくい元素である。ＣｕとＺｒ化合物の２相になる本造形体において、Ａｇが添加されると、導電率を低下するＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＭｎのＣｕへの固溶を抑制し、Ｚｒ化合物に濃縮させることとなる。こうした効果は、０．０５質量％以上の添加から有意に得られる。もっとも、このとき、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＭｎがＺｒ化合物に濃縮される量には上限があるため、これらの不純物自体を低減することなしにＡｇを添加しても、その効果は十分に得られることはなく、同様の効果は得られない。Ａｇの添加量が３．００％を超えると、ＡｇのＣｕへの固溶によって導電性が低下することとなり、Ａｇを添加する効果が減殺されてしまう。この観点からは、Ａｇは２．００％以下がより好ましい。そこで、Ｃｕ基合金中にＡｇを添加する場合は０．０５～３．００％とする。好ましくはＡｇは０．０５～００％である。
Ａｇは、Ｃｕよりも導電性に優れた元素であるため、Ｃｕに固溶しても、Ｃｕ基合金の電気伝導及び熱伝導が阻害されにくい元素である。ＣｕとＺｒ化合物の２相になる本造形体において、Ａｇが添加されると、導電率を低下するＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＭｎのＣｕへの固溶を抑制し、Ｚｒ化合物に濃縮させることとなる。こうした効果は、０．０５質量％以上の添加から有意に得られる。もっとも、このとき、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＭｎがＺｒ化合物に濃縮される量には上限があるため、これらの不純物自体を低減することなしにＡｇを添加しても、その効果は十分に得られることはなく、同様の効果は得られない。Ａｇの添加量が３．００％を超えると、ＡｇのＣｕへの固溶によって導電性が低下することとなり、Ａｇを添加する効果が減殺されてしまう。この観点からは、Ａｇは２．００％以下がより好ましい。そこで、Ｃｕ基合金中にＡｇを添加する場合は０．０５～３．００％とする。好ましくはＡｇは０．０５～００％である。
【0034】
［Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ：合計で０．０５％以下］
Ｃｕ基合金粉末における不可避不純物のうち、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＭｎはＣｕに固溶し、Ｃｕ基合金の電気伝導及び熱伝導を阻害する。そこでＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎの合計量を低減することは、導電性の向上に有用である。この観点から、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎの合計の含有率は０．０５％以下とする。なお、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎは、出発材料に含まれる不純物として混入するほか、粉末の製造の際にも、粉末製造設備および原料の溶融に用いられるるつぼから混入する。そこで、出発材料の高純度化に加えて、るつぼの材質の選択を適切にしたり、出湯温度を低下させることによって、粉末製造におけるこれら不純物元素の混入を低減することができる。
Ｃｕ基合金粉末における不可避不純物のうち、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＭｎはＣｕに固溶し、Ｃｕ基合金の電気伝導及び熱伝導を阻害する。そこでＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎの合計量を低減することは、導電性の向上に有用である。この観点から、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎの合計の含有率は０．０５％以下とする。なお、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎは、出発材料に含まれる不純物として混入するほか、粉末の製造の際にも、粉末製造設備および原料の溶融に用いられるるつぼから混入する。そこで、出発材料の高純度化に加えて、るつぼの材質の選択を適切にしたり、出湯温度を低下させることによって、粉末製造におけるこれら不純物元素の混入を低減することができる。
【0035】
［粉末の製造方法］
粉末の製造方法として、水アトマイズ法、単ロール急冷法、双ロール急冷法、ガスアトマイズ法、ディスクアトマイズ法及び遠心アトマイズ法が例示される。好ましい製造方法は、ガスアトマイズ法及びディスクアトマイズ法である。そこで、以下ではガスアトマイズ法を例にＣｕ基合金粉末を得る方法を例に説明する。
粉末の製造方法として、水アトマイズ法、単ロール急冷法、双ロール急冷法、ガスアトマイズ法、ディスクアトマイズ法及び遠心アトマイズ法が例示される。好ましい製造方法は、ガスアトマイズ法及びディスクアトマイズ法である。そこで、以下ではガスアトマイズ法を例にＣｕ基合金粉末を得る方法を例に説明する。
【0036】
以下、実施例によって本発明の効果が明らかにするが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるべきではないことを付言する。
【0037】
［粉末の製造］
Ｃｕ基合金粉末は、ガスアトマイズ法にて作製した。真空中にて、所定の坩堝で、所定の組成を有する原料を高周波誘導加熱で加熱し、溶解した。次に坩堝下にある直径が５ｍｍのノズルから、所定の出湯温度で溶湯を落下させた。この溶湯に、アルゴンガス又は窒素ガスを噴霧し、Ｃｕ基合金粉末を得た。各粉末の製造に使用した坩堝、出湯温度、得られたＣｕ基合金粉末の成分組成を下記の表１に示す。表中の成分組成はいずれも質量％である。Ｃｕ基合金粉末中のＺｒ、Ａｇの成分は、添加元素であり、出発原料の成分組成とほぼ一致している。また出発原料のＣｕとして、Ｎｏ．１～Ｎｏ．１５では不純物の極めて少ない高純度のＣｕ、Ｎｏ．１６～Ｎｏ．２０では一般純度のＣｕを使用した。
Ｃｕ基合金粉末は、ガスアトマイズ法にて作製した。真空中にて、所定の坩堝で、所定の組成を有する原料を高周波誘導加熱で加熱し、溶解した。次に坩堝下にある直径が５ｍｍのノズルから、所定の出湯温度で溶湯を落下させた。この溶湯に、アルゴンガス又は窒素ガスを噴霧し、Ｃｕ基合金粉末を得た。各粉末の製造に使用した坩堝、出湯温度、得られたＣｕ基合金粉末の成分組成を下記の表１に示す。表中の成分組成はいずれも質量％である。Ｃｕ基合金粉末中のＺｒ、Ａｇの成分は、添加元素であり、出発原料の成分組成とほぼ一致している。また出発原料のＣｕとして、Ｎｏ．１～Ｎｏ．１５では不純物の極めて少ない高純度のＣｕ、Ｎｏ．１６～Ｎｏ．２０では一般純度のＣｕを使用した。
【0038】
【表1】
【0039】
［成形］
このＣｕ基合金粉末を原料として、３次元積層造形装置（ＥＯＳ社製ＥＯＳ－Ｍ２９０）による積層造形法を実施し、造形体を得た。
このＣｕ基合金粉末を原料として、３次元積層造形装置（ＥＯＳ社製ＥＯＳ－Ｍ２９０）による積層造形法を実施し、造形体を得た。
【0040】
［電気伝導度の測定］
積層造形法で造形体の試験片（３×２×６０ｍｍ）を作製し、日本産業規格（ＪＩＳ）Ｃ２５２５に準拠した４端子法で、電気抵抗値（Ω）を測定した。測定には、アルバック理工社製の「ＴＥＲ－２０００ＲＨ型」を用いた。測定条件は、以下の通りである。
温度：２５℃
電流：４Ａ
電圧測定端子間距離：４０ｍｍ
下記数式に基づき、電気抵抗率ρ（Ωｍ）を算出した。
ρ＝Ｒ／Ｌ×Ｓ
この数式において、Ｒは試験片の電気抵抗値（Ω）であり、Ｌは電圧測定端子間距離（ｍ）であり、Ｓは試験片の料断面積（ｍ2）である。電気伝導度（Ｓ／ｍ）は、電気抵抗率ρの逆数から算出した。また、５．９×１０７（Ｓ／ｍ）を１００％ＩＡＣＳとして、各試験片の電気伝導度（％ＩＡＣＳ）を算出した。測定の結果を、表１に示す。
積層造形法で造形体の試験片（３×２×６０ｍｍ）を作製し、日本産業規格（ＪＩＳ）Ｃ２５２５に準拠した４端子法で、電気抵抗値（Ω）を測定した。測定には、アルバック理工社製の「ＴＥＲ－２０００ＲＨ型」を用いた。測定条件は、以下の通りである。
温度：２５℃
電流：４Ａ
電圧測定端子間距離：４０ｍｍ
下記数式に基づき、電気抵抗率ρ（Ωｍ）を算出した。
ρ＝Ｒ／Ｌ×Ｓ
この数式において、Ｒは試験片の電気抵抗値（Ω）であり、Ｌは電圧測定端子間距離（ｍ）であり、Ｓは試験片の料断面積（ｍ2）である。電気伝導度（Ｓ／ｍ）は、電気抵抗率ρの逆数から算出した。また、５．９×１０７（Ｓ／ｍ）を１００％ＩＡＣＳとして、各試験片の電気伝導度（％ＩＡＣＳ）を算出した。測定の結果を、表１に示す。
【0041】
［Ｎｏ．１～Ｎｏ．５：ＣｕーＺｒ粉末］
本発明例Ｎｏ．１～Ｎｏ．３は、不純物であるＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎを主原料に含まない坩堝（黒鉛、ジルコニア、マグネシア）をそれぞれ使用したＣｕーＺｒ粉末である。好適な坩堝により、不純物の混入が抑制され、造形物の導電性が８２％ＩＡＣＳ以上の値を示した。
比較例Ｎｏ．４はアルミナの坩堝を使用し、かつ出湯温度を本発明例Ｎｏ．１～Ｎｏ．３と同じ温度である１４００℃としたＣｕーＺｒ粉末である。得られた粉末では不純物の含有量が増大し、導電性が悪化した。
本発明例Ｎｏ．５は、アルミナの坩堝を使用し、かつ出湯温度を１４００℃から１３５０℃に低下させて得たＣｕーＺｒ粉末である。出湯温度の低下により、不純物の混入は抑制され、造形物の導電性が８３％ＩＡＣＳ以上の値を示した。
本発明例Ｎｏ．１～Ｎｏ．３は、不純物であるＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎを主原料に含まない坩堝（黒鉛、ジルコニア、マグネシア）をそれぞれ使用したＣｕーＺｒ粉末である。好適な坩堝により、不純物の混入が抑制され、造形物の導電性が８２％ＩＡＣＳ以上の値を示した。
比較例Ｎｏ．４はアルミナの坩堝を使用し、かつ出湯温度を本発明例Ｎｏ．１～Ｎｏ．３と同じ温度である１４００℃としたＣｕーＺｒ粉末である。得られた粉末では不純物の含有量が増大し、導電性が悪化した。
本発明例Ｎｏ．５は、アルミナの坩堝を使用し、かつ出湯温度を１４００℃から１３５０℃に低下させて得たＣｕーＺｒ粉末である。出湯温度の低下により、不純物の混入は抑制され、造形物の導電性が８３％ＩＡＣＳ以上の値を示した。
【0042】
［Ｎｏ．６～Ｎｏ．１０：Ｃｕ‐Ｚｒ‐Ａｇ粉末］
本発明例Ｎｏ．６～Ｎｏ．８は、不純物であるＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎを主原料に含まない坩堝（黒鉛、ジルコニア、マグネシア）をそれぞれ使用したＣｕ‐Ｚｒ‐Ａｇ粉末である。好適な坩堝により、不純物の混入が抑制され、さらにＡｇの添加によって、不純物のＣｕへの固溶が抑えられたことで、造形物の導電性が８７％ＩＡＣＳ以上の値を示した。
比較例Ｎｏ．９はアルミナの坩堝を使用し、かつ出湯温度を本発明例Ｎｏ．６～Ｎｏ．８と同じ温度である１４２０℃としたＣｕ‐Ｚｒ‐Ａｇ粉末である。得られた粉末では不純物の含有量が増大し、Ａｇ添加による不純物のＣｕへの固溶抑制効果が十分に得られず、導電性が悪化した。
本発明例Ｎｏ．１０は、アルミナの坩堝を使用し、かつ出湯温度を１４２０℃から１３２０℃に低下させて得たＣｕ‐Ｚｒ‐Ａｇ粉末である。出湯温度の低下により、不純物の混入は抑制され、さらにＡｇの添加によって、不純物のＣｕへの固溶が抑えられたことで、造形物の導電性が８８％ＩＡＣＳ以上の値を示した。
本発明例Ｎｏ．６～Ｎｏ．８は、不純物であるＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎを主原料に含まない坩堝（黒鉛、ジルコニア、マグネシア）をそれぞれ使用したＣｕ‐Ｚｒ‐Ａｇ粉末である。好適な坩堝により、不純物の混入が抑制され、さらにＡｇの添加によって、不純物のＣｕへの固溶が抑えられたことで、造形物の導電性が８７％ＩＡＣＳ以上の値を示した。
比較例Ｎｏ．９はアルミナの坩堝を使用し、かつ出湯温度を本発明例Ｎｏ．６～Ｎｏ．８と同じ温度である１４２０℃としたＣｕ‐Ｚｒ‐Ａｇ粉末である。得られた粉末では不純物の含有量が増大し、Ａｇ添加による不純物のＣｕへの固溶抑制効果が十分に得られず、導電性が悪化した。
本発明例Ｎｏ．１０は、アルミナの坩堝を使用し、かつ出湯温度を１４２０℃から１３２０℃に低下させて得たＣｕ‐Ｚｒ‐Ａｇ粉末である。出湯温度の低下により、不純物の混入は抑制され、さらにＡｇの添加によって、不純物のＣｕへの固溶が抑えられたことで、造形物の導電性が８８％ＩＡＣＳ以上の値を示した。
【0043】
［Ｎｏ．１１～Ｎｏ．１５：ＣｕーＺｒーＡｇ粉末］
本発明例Ｎｏ．１１～Ｎｏ．１３は、不純物であるＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎを主原料に含まない坩堝（黒鉛、ジルコニア、マグネシア）をそれぞれ使用したＣｕーＺｒーＡｇ粉末である。好適な坩堝により、不純物の混入が抑制され、さらにＡｇの添加によって、不純物のＣｕへの固溶が抑えられたことで、造形物の導電性が８６％ＩＡＣＳ以上の値を示した。
比較例Ｎｏ．１４はアルミナの坩堝を使用し、かつ出湯温度を本発明例Ｎｏ．１１～Ｎｏ．１３と同じ温度である１４５０℃としたＣｕーＺｒーＡｇ粉末である。得られた粉末では不純物の含有量が増大し、Ａｇ添加による不純物のＣｕへの固溶抑制効果が十分に得られず、導電性が悪化した。
本発明例Ｎｏ．１５は、アルミナの坩堝を使用し、かつ出湯温度を１４５０℃から１３５０℃に低下させて得たＣｕーＺｒーＡｇ粉末である。出湯温度の低下により、不純物の混入は抑制され、さらにＡｇの添加によって、不純物のＣｕへの固溶が抑えられたことで、造形物の導電性が８８％ＩＡＣＳ以上の値を示した。
本発明例Ｎｏ．１１～Ｎｏ．１３は、不純物であるＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎを主原料に含まない坩堝（黒鉛、ジルコニア、マグネシア）をそれぞれ使用したＣｕーＺｒーＡｇ粉末である。好適な坩堝により、不純物の混入が抑制され、さらにＡｇの添加によって、不純物のＣｕへの固溶が抑えられたことで、造形物の導電性が８６％ＩＡＣＳ以上の値を示した。
比較例Ｎｏ．１４はアルミナの坩堝を使用し、かつ出湯温度を本発明例Ｎｏ．１１～Ｎｏ．１３と同じ温度である１４５０℃としたＣｕーＺｒーＡｇ粉末である。得られた粉末では不純物の含有量が増大し、Ａｇ添加による不純物のＣｕへの固溶抑制効果が十分に得られず、導電性が悪化した。
本発明例Ｎｏ．１５は、アルミナの坩堝を使用し、かつ出湯温度を１４５０℃から１３５０℃に低下させて得たＣｕーＺｒーＡｇ粉末である。出湯温度の低下により、不純物の混入は抑制され、さらにＡｇの添加によって、不純物のＣｕへの固溶が抑えられたことで、造形物の導電性が８８％ＩＡＣＳ以上の値を示した。
【0044】
［Ｎｏ．１６～Ｎｏ．２０：一般純度のＣｕを使用］
比較例Ｎｏ．１６～Ｎｏ．２０は、一般純度のＣｕを出発材料として、不純物であるＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎを主原料に含まない坩堝（ジルコニア）を使用したＣｕーＺｒーＡｇ粉末である。坩堝からの不純物の混入は抑止されているが、Ｃｕ内の不純物の影響によって、得られたＣｕ基合金粉末は、発明例に比して不純物の含有量が増大してしまったことから、Ａｇ添加による不純物のＣｕへの固溶抑制効果が十分に得られず、導電性が悪化した。
比較例Ｎｏ．１６～Ｎｏ．２０は、一般純度のＣｕを出発材料として、不純物であるＡｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎを主原料に含まない坩堝（ジルコニア）を使用したＣｕーＺｒーＡｇ粉末である。坩堝からの不純物の混入は抑止されているが、Ｃｕ内の不純物の影響によって、得られたＣｕ基合金粉末は、発明例に比して不純物の含有量が増大してしまったことから、Ａｇ添加による不純物のＣｕへの固溶抑制効果が十分に得られず、導電性が悪化した。
【0045】
（反射率について）
銅合金粉末の反射率について、Ｙｂファイバーレーザーの波長１０６４ｎｍに対する反射率を確認した。波長１０６４ｎｍのＹｂファイバーレーザーに対する純Ｃｕ粉末の反射率は７６％である。これに対して、実施例、比較例のいずれも、Ｚｒが０．５～０．６％の粉末ではレーザー光を約６５％反射とやや改善した。Ｚｒが１．９～２．１％の粉末では約４５％の反射率となり、効率的な入熱がしやすくなっている。
銅合金粉末の反射率について、Ｙｂファイバーレーザーの波長１０６４ｎｍに対する反射率を確認した。波長１０６４ｎｍのＹｂファイバーレーザーに対する純Ｃｕ粉末の反射率は７６％である。これに対して、実施例、比較例のいずれも、Ｚｒが０．５～０．６％の粉末ではレーザー光を約６５％反射とやや改善した。Ｚｒが１．９～２．１％の粉末では約４５％の反射率となり、効率的な入熱がしやすくなっている。
【0046】
（相対密度について）
純Ｃｕ粉末による造形体の相対密度は８８％であった。これに対して、本発明のＺｒが０．５～０．６％含有されたＣｕ基合金粉末による造形体は、相対密度が９７～９９％であった。また、本発明のＺｒが１．９～２．１％のＣｕ基合金粉末による造形体では相対密度は９９％以上となった。
純Ｃｕ粉末による造形体の相対密度は８８％であった。これに対して、本発明のＺｒが０．５～０．６％含有されたＣｕ基合金粉末による造形体は、相対密度が９７～９９％であった。また、本発明のＺｒが１．９～２．１％のＣｕ基合金粉末による造形体では相対密度は９９％以上となった。
【0047】
（導電性について）
表１に示されるように、本発明例のＣｕ基合金粉末は、出発材料および粉末製造過程での不純物の混入を制御しているので、Ｚｒを含有する本発明のＣｕ基合金粉末から得られた造形体は導電性に優れたものとなった。また、本発明のＣｕ基合金粉末は、Ｚｒに加えてさらにＡｇが添加されている場合には、不純物によってその効果が減殺されることがなく、Ｚｒのみの場合よりもさらに優れた導電性が得られることが確認された。一般的なアルミナの坩堝ではなく、高価なジルコニアなどの坩堝を用いることで不純物の混入を低減しうること、また坩堝からの出湯温度を下げることで不純物の溶融を低減することによっても、導電性の低下が抑制できるＣｕ基合金粉末が得られることが確認された。
他方で、比較例は、出発材料もしくは粉末製造過程において不純物が制御されておらず、出発材料のみならず坩堝などからも製造段階で不純物が混入している。そこで、Ｃｕ基合金粉末中のＣｕに不純物成分が固溶してしまい、導電性に劣ることとなっている。高純度のＣｕを用いている場合も、坩堝の影響によって、不純物が混入し、所望の導電性が得られていない。また、比較例では、Ｃｕに過剰に不純物が混入してしまっている場合には、Ａｇの添加の効果が減殺され、十分な効果が得られていないものとなった。
表１に示されるように、本発明例のＣｕ基合金粉末は、出発材料および粉末製造過程での不純物の混入を制御しているので、Ｚｒを含有する本発明のＣｕ基合金粉末から得られた造形体は導電性に優れたものとなった。また、本発明のＣｕ基合金粉末は、Ｚｒに加えてさらにＡｇが添加されている場合には、不純物によってその効果が減殺されることがなく、Ｚｒのみの場合よりもさらに優れた導電性が得られることが確認された。一般的なアルミナの坩堝ではなく、高価なジルコニアなどの坩堝を用いることで不純物の混入を低減しうること、また坩堝からの出湯温度を下げることで不純物の溶融を低減することによっても、導電性の低下が抑制できるＣｕ基合金粉末が得られることが確認された。
他方で、比較例は、出発材料もしくは粉末製造過程において不純物が制御されておらず、出発材料のみならず坩堝などからも製造段階で不純物が混入している。そこで、Ｃｕ基合金粉末中のＣｕに不純物成分が固溶してしまい、導電性に劣ることとなっている。高純度のＣｕを用いている場合も、坩堝の影響によって、不純物が混入し、所望の導電性が得られていない。また、比較例では、Ｃｕに過剰に不純物が混入してしまっている場合には、Ａｇの添加の効果が減殺され、十分な効果が得られていないものとなった。
【0048】
以上のように、本発明の特定の不純物を制御したＺｒ含有のＣｕ基合金粉末を積層造形などの急速溶融急速凝固のプロセスに適用すると、得られた造形体は、優れた特性を示すことが確認された。さらに、特定の不純物を制御したＺｒ及びＡｇを含有するＣｕ基合金粉末を積層造形などの急速溶融急速凝固のプロセスに適用すると、得られた造形体はより優れた特性示すことが確認された。