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特開2025-18233優れた焼入性および耐造形割れ性を有する積層造形用高熱伝導熱間工具鋼粉末およびこれを用いた積層造形体
(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】P2025018233
(43)【公開日】2025-02-06
(54)【発明の名称】優れた焼入性および耐造形割れ性を有する積層造形用高熱伝導熱間工具鋼粉末およびこれを用いた積層造形体
(51)【国際特許分類】
C22C 38/00 20060101AFI20250130BHJP
C22C 38/58 20060101ALI20250130BHJP
B22F 1/00 20220101ALI20250130BHJP
B22F 10/28 20210101ALI20250130BHJP
B22F 10/362 20210101ALI20250130BHJP
B33Y 70/00 20200101ALI20250130BHJP
B33Y 80/00 20150101ALI20250130BHJP
【ＦＩ】
C22C38/00 301Z
C22C38/58
C22C38/00 304
B22F1/00 S
B22F10/28
B22F10/362
B33Y70/00
B33Y80/00
【審査請求】有
【請求項の数】2
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023121766
(22)【出願日】2023-07-26
(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】辻井 佑夏
(72)【発明者】
【氏名】萩谷 透
(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）】
4K018AA24
4K018BA13
4K018BB04
(57)【要約】
【課題】大型の積層造形においても、深部まで焼きが入りやすく、造形体および造形体と積層母材との界面に割れが発生しにくく、高い熱伝導率を有する、積層造形用熱間工具鋼粉末およびこれを用いた積層造形体を提供する。
【解決手段】質量％で、必須添加成分として、Ｃ：０．１０％超～０．４５％未満、Ｎｉ：２．００％超～８．００％未満、任意的添加成分として、Ｓｉ：０．６０％未満、Ｍｎ：５．００％未満、Ｃｒ：２．００％未満、Ｍｏ：１．２０％未満、Ｗ：２．００％未満、Ｖ：０．６０％未満、Ａｌ：０．１０％未満、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、Ｎｉ＋Ｍｎ：８．５０％未満である積層造形用熱間工具鋼粉末およびこの粉末を用いて積層造形された造形体。
【選択図】なし
【解決手段】質量％で、必須添加成分として、Ｃ：０．１０％超～０．４５％未満、Ｎｉ：２．００％超～８．００％未満、任意的添加成分として、Ｓｉ：０．６０％未満、Ｍｎ：５．００％未満、Ｃｒ：２．００％未満、Ｍｏ：１．２０％未満、Ｗ：２．００％未満、Ｖ：０．６０％未満、Ａｌ：０．１０％未満、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、Ｎｉ＋Ｍｎ：８．５０％未満である積層造形用熱間工具鋼粉末およびこの粉末を用いて積層造形された造形体。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
質量％で、
必須添加成分として、
Ｃ：０．１０％超～０．４５％未満、
Ｎｉ：２．００％超～８．００％未満、
任意的添加成分として、
Ｓｉ：０．６０％未満、
Ｍｎ：５．００％未満、
Ｃｒ：２．００％未満、
Ｍｏ：１．２０％未満、
Ｗ：２．００％未満、
Ｖ：０．６０％未満、
Ａｌ：０．１０％未満、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、
Ｎｉ＋Ｍｎ：８．５０％未満である
積層造形用熱間工具鋼粉末。
必須添加成分として、
Ｃ：０．１０％超～０．４５％未満、
Ｎｉ：２．００％超～８．００％未満、
任意的添加成分として、
Ｓｉ：０．６０％未満、
Ｍｎ：５．００％未満、
Ｃｒ：２．００％未満、
Ｍｏ：１．２０％未満、
Ｗ：２．００％未満、
Ｖ：０．６０％未満、
Ａｌ：０．１０％未満、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、
Ｎｉ＋Ｍｎ：８．５０％未満である
積層造形用熱間工具鋼粉末。
【請求項2】
請求項１に記載の積層造形用熱間工具鋼粉末を用いて積層造形された造形体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、積層造形用の高熱伝導性の熱間工具鋼粉末およびこれを用いた積層造形体に関するものである。すなわち、本発明は、積層造形法（３Ｄプリンタ、三次元造形法、Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ、付加製造法などとも呼ばれる）による金型をはじめとした各種工具となる造形体および原料粉末に関し、とりわけ、大型の造形体でも、十分な焼入性、高い耐造形割れ性、高い熱伝導率を示すとともに、高い機械的特性も有する熱間工具鋼に関する。
【0002】
なお、ここでいう高い耐造形割れ性とは、積層造形による急速溶融、凝固にともなう熱応力などにより、造形体そのもの（特に切欠きとなる部位）や、造形体と造形母材との界面に割れが発生しにくいことを指す。
【背景技術】
【0003】
積層造形法は、従来工法とは異なり、複雑形状や三次元構造を持つ部材を製造することが可能であり、近年、目覚しい技術発展および適用範囲拡大が進みつつある。積層造形法の各種工具への適用の検討が試みられており、とりわけ、内部に三次元構造の複雑な冷却水管を内在するダイカスト金型において実用化が図られつつある。
【0004】
さて、熱間工具鋼を用いた工具は様々な部品の加工にも用いられるが、加工方法や部品形状に応じ、その形状や大きさも様々である。もっとも、積層造形の工具への適用は、次のような造形割れがあるため、比較的小型のものに限定されざるを得なかった。
【0005】
一般に積層造形は原料となる粉末やワイヤーをレーザーや電子ビームなどの細く絞られた熱源により短時間加熱することで急速に溶融、凝固させ、その繰り返しにより凝固層を積層することで複雑な三次元形状の部品の製造を可能にしている。この工程では、部品の一部分のみが加熱され、溶融、凝固することから、局所的な凝固収縮や熱膨張・熱収縮によって熱応力が発生する。このとき、造形される材料や造形母材が硬く、脆い材料であれば、発生する熱応力に耐えられず、造形体そのものや母材との界面に造形割れを発生してしまう。
【0006】
このような熱応力は、大きな造形体を積層造形する場合にさらに大きくなり、結果として造形割れが発生しやすくなる。一般に工具にはＪＩＳ規格のＳＫＤ６１のような高硬度合金が多用されるため造形割れが発生しやすい。こうした理由から、従来、積層造形の工具への適用は、熱応力が比較的小さい小型のものに限定されてきた。
【0007】
ダイカスト金型をはじめとした熱間工具の表面は、加工される高温の部品（ワーク）に接することから温度が上昇し、ヒートチェックをはじめとした損傷を受けやすい。また、特に温度上昇の激しい部位では焼付きを起こしやすい。
【0008】
これらを回避するために、熱間工具表面を効率よく冷却することは重要であり、熱間工具の材質としては高い熱伝導率の合金を使用することで、工具内部に配置された水冷管などによる冷却効果を熱間工具表面まで最大限利用することができる。
【0009】
また熱間工具を用いた部品加工においては、ひとつの部品を加工した後、次の部品を加工する前には工具が冷えている必要があるから、効率よく（短時間で）所定の温度まで工具を冷却できることは、部品の加工サイクルの短縮や、部品の生産効率を向上させるメリットもある。
【0010】
このような熱伝導率の高い熱間工具鋼による積層造形体として、出願人は、たとえば、質量％で０．２０＜Ｃ＜０．６０、Ｓｉ＜０．６０、Ｍｎ＜０．９０、Ｃｒ＜４．００、Ｎｉ＜２．００、Ｍｏ＜１．２０、Ｗ＜２．００、Ｖ＜０．６０、Ａｌ＜０．１０を含有し、残部をＦｅおよび不可避的不純物からなるＦｅ基合金粉末から作製された、以下の式（１）～（３）を満足する造形体を提案されている（特許文献１参照）。
Ｔ１＝７１．７－５．９Ｍｎ－６．３Ｃｒ－２．８Ｖ－５．７Ｍｏ－１．１Ｗ－２３．１Ｃ－５．８Ｎｉ－１．９Ｓｉ－０．５Ａｌ－０．６ＰＣ＞３２．０・・・式（１）
Ｔ２＝８０．１＋２．４Ｍｎ＋１．６Ｓｉ＋７．１Ｃｒ－１２．０ＰＣ＞５０．０・・・式（２）
造形体に含まれる炭化物の平均サイズ（μｍ）：ＰＣ＜３．０・・・式（３）
Ｔ１＝７１．７－５．９Ｍｎ－６．３Ｃｒ－２．８Ｖ－５．７Ｍｏ－１．１Ｗ－２３．１Ｃ－５．８Ｎｉ－１．９Ｓｉ－０．５Ａｌ－０．６ＰＣ＞３２．０・・・式（１）
Ｔ２＝８０．１＋２．４Ｍｎ＋１．６Ｓｉ＋７．１Ｃｒ－１２．０ＰＣ＞５０．０・・・式（２）
造形体に含まれる炭化物の平均サイズ（μｍ）：ＰＣ＜３．０・・・式（３）
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【特許文献1】特開２０２２－０９２５２４公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
上述の特許文献１では、各種の元素の添加量の増加により熱伝導率が低下することから、これら元素の添加量やＴ１パラメータの上限を規定することで高い熱伝導率を実現しようとしている。すなわち、熱間工具として多く用いられる汎用鋼であるＳＫＤ６１に比して、各添加元素量を低下させることで高い熱伝導率を得ようとしている。
【0013】
もっとも、各種添加元素は焼入性の向上にも寄与することから、これら元素の添加量が低下することで焼入性の低下も同時に招いてしまう。
【0014】
従来は熱応力による造形割れ発生の観点から、実際上は、積層造形は、比較的小型の熱間工具に適用場面が限定されざるを得なかった。そこで、大型工具の深部であれば、焼入時の冷却速度が十分に得られない（十分な焼入焼戻硬さが得られない。）比較的焼入性の低い合金であっても、比較的小型の造形体であるから、問題が顕在化することなく適用が可能であった。
【0015】
もっとも、近年の積層造形法による工具の適用範囲を拡大したいとの流れや、より大型の熱間工具にも積層造形体を利用したいとの要請に応えていくためには、各種添加元素量よって相反関係となる焼入性と高熱伝導率とをより高い水準で両立させる必要がある。従来の合金では両特性を高く維持することができなかった。
【0016】
また、積層造形は急速冷却工法であることから、造形したままで疑似的に焼入が施された状態になることがあるので、造形後にさらに焼入処理を施すことなく、焼戻または歪取り熱処理のみ施して使用される場合もある。ところが大型造形体の中心部では造形の熱源により熱が蓄積され温度が高くなり、急速冷却工法でありながら急冷効果が発揮されにくく、やはり焼入性の低い合金では造形体深部の硬さが低くなる傾向があるので、大型化を阻害してしまう。
【0017】
さらに、造形時に造形母材を予熱することで造形割れが軽減されることが知られているが、造形装置の設計上、予熱温度として８０～３００℃程度の範囲が多く用いられるところ、この場合は大型だけでなく小型の造形体でも造形時の急冷却果が発揮されにくくなり、焼入性の低い合金では造形体深部の硬さが低くなってしまう傾向があり問題であった。
【0018】
また、各種工具の最適な使用硬さは用途によって異なり、４０ＨＲＣ程度が好ましい用途や、５０ＨＲＣ程度が好ましい用途もあるが、焼入性の悪さにより表層と深部で硬さが異なると、工具全体を最適な使用硬さに調整することが困難となり、不具合を起こしてしまう。そこで、硬さの絶対値とは別に、部位による硬さのバラツキを低減することも重要となる。
【0019】
以上のことから、本発明は、大型の積層造形においても、深部まで焼きが入りやすく、造形体および造形体と積層母材との界面に割れが発生しにくく、高い熱伝導率を有する、積層造形用熱間工具鋼粉末およびこれを用いた積層造形体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0020】
上記の背景から、本発明者らは、大型造形体でも十分な焼入硬さが得られるだけの焼入性と高い熱伝導率を有する積層造形用熱間工具鋼について鋭意成分開発を行い、高い焼入性を実現するとともに熱伝導率の低下を極力小さくできる元素としてＮｉに着目し、検討の結果、ＮｉとともにＣｒなどの添加量を厳しく規定することで、両特性が高い次元で両立することを見出し、本発明に至った。
【0021】
さらに、上述のように大型の積層造形においては発生する熱応力も大きくなり、造形割れも起こしやすくなるが、Ｎｉ、ＣｒとともにＣなどの添加量を規定することで造形したままの硬さを低減でき、耐造形割れ性にも優れることを見出した。すなわち、本発明は、主に小型の造形体に適用されてきた従来に比してより大型の造形体にも実用的に適用できるものであって、ＮｉをはじめＣｒ、Ｃの添加量範囲を最適化して焼入性を向上するとともに、熱伝導率の低下を極力小さく、さらに大型造形でも造形割れ性しない合金に改善したものである。
【0022】
そこで、本発明の課題を解決するための第１の手段は、質量％で、必須添加成分として、Ｃ：０．１０％超～０．４５％未満、Ｎｉ：２．００％超～８．００％未満、任意的添加成分として、Ｓｉ：０．６０％未満、Ｍｎ：５．００％未満、Ｃｒ：２．００％未満、Ｍｏ：１．２０％未満、Ｗ：２．００％未満、Ｖ：０．６０％未満、Ａｌ：０．１０％未満、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、Ｎｉ＋Ｍｎ：８．５０％未満である積層造形用熱間工具鋼粉末である。
【0023】
また、その第２の手段は、第１の手段に記載の積層造形用熱間工具鋼粉末を用いて積層造形された造形体である。
【発明の効果】
【0024】
本発明の手段によると、大型の積層造形においても、深部まで焼きが入りやすく、造形体および造形体と積層母材との界面に割れが発生しにくく、高い熱伝導率を有する、積層造形用熱間工具鋼粉末およびこれを用いた積層造形体を提供できる。
【0025】
また、本発明の手段によると、焼入が省略された工程や、小型の造形、予熱された造形工程で造形体を得る場合に適用したときでも、高い焼入性と高熱伝導率を両立しうるなど、優れた効果を発揮できる。
【発明を実施するための形態】
【0026】
本発明を実施するための形態の説明に先立って、本発明の造形体に用いる積層造形用熱間工具鋼粉末の成分を規定する理由について説明する。なお、各成分についての％は質量％である。成分の残部はＦｅ及び不可避的不純物である。
【0027】
Ｃ：０．１０％超～０．４５％未満
Ｃは、マトリックスであるマルテンサイト相に固溶すること、および、微細な炭化物を析出することで、高い焼入焼戻硬さを得るための必須の成分である。もっとも、Ｃが０．１０％以下では高い焼入焼戻し硬さを得ることができない。この観点から、Ｃは０．１０％超とする。好ましくはＣは０．２０％超であり、さらに好ましくはＣは０．３０％超である。一方、Ｃが０．４５％以上になると造形したままの硬さが過度に高くなり、耐造形割れ性を劣化させる効果が他成分と比べ比較的大きいとともに、固溶Ｃ量が増加して熱伝導率が低下する。そこで、Ｃは０．４５％未満とする。好ましくはＣは０．４２％未満であり、より好ましくはＣは０．４０％未満である。
Ｃは、マトリックスであるマルテンサイト相に固溶すること、および、微細な炭化物を析出することで、高い焼入焼戻硬さを得るための必須の成分である。もっとも、Ｃが０．１０％以下では高い焼入焼戻し硬さを得ることができない。この観点から、Ｃは０．１０％超とする。好ましくはＣは０．２０％超であり、さらに好ましくはＣは０．３０％超である。一方、Ｃが０．４５％以上になると造形したままの硬さが過度に高くなり、耐造形割れ性を劣化させる効果が他成分と比べ比較的大きいとともに、固溶Ｃ量が増加して熱伝導率が低下する。そこで、Ｃは０．４５％未満とする。好ましくはＣは０．４２％未満であり、より好ましくはＣは０．４０％未満である。
【0028】
Ｎｉ：２．００％超～８．００％未満
Ｎｉは、焼入性を向上させ、大型造形体の深部においても焼入焼戻硬さを向上させるための必須の成分であり、他の成分より熱伝導率の低下効果が比較的小さいことから、本発明におけるもっとも重要な成分である。また、Ｎｉは造形時の冷却におけるマルテンサイト変態を遅らせる効果もあり、軟質で造形割れしにくいオーステナイトを比較的低温まで維持することで耐造形割れ性改善の効果もある。しかしながら、Ｎｉが２．００％以下ではその効果が不十分であるから、Ｎｉは２．００％超とする。この観点から好ましくは、Ｎｉは２．３０％超、より好ましくは、Ｎｉは３．００％超である。他方、Ｎｉが８．００％以上ではマトリックス中の固溶量が増加して熱伝導率を大きく低下させる。そこで、Ｎｉは８．００％未満とする。好ましくはＮｉは６．５０％未満であり、より好ましくはＮｉは５．００％未満である。
Ｎｉは、焼入性を向上させ、大型造形体の深部においても焼入焼戻硬さを向上させるための必須の成分であり、他の成分より熱伝導率の低下効果が比較的小さいことから、本発明におけるもっとも重要な成分である。また、Ｎｉは造形時の冷却におけるマルテンサイト変態を遅らせる効果もあり、軟質で造形割れしにくいオーステナイトを比較的低温まで維持することで耐造形割れ性改善の効果もある。しかしながら、Ｎｉが２．００％以下ではその効果が不十分であるから、Ｎｉは２．００％超とする。この観点から好ましくは、Ｎｉは２．３０％超、より好ましくは、Ｎｉは３．００％超である。他方、Ｎｉが８．００％以上ではマトリックス中の固溶量が増加して熱伝導率を大きく低下させる。そこで、Ｎｉは８．００％未満とする。好ましくはＮｉは６．５０％未満であり、より好ましくはＮｉは５．００％未満である。
【0029】
Ｓｉ：０．６０％未満
Ｓｉは、マトリックスに固溶することで硬さを向上させる成分である。また、軟化抵抗を向上させる効果もある。そこで、Ｓｉは０～０．６０％未満とする。しかしながら、Ｓｉが０．６０％以上になると、固溶Ｓｉ量が増加して熱伝導率を大きく低下させる。そこで、Ｓｉの上限を０．６０％未満としている。好ましくは、Ｓｉは０．４０％未満であり、より好ましくはＳｉは０．２４％未満である。他方、Ｓｉは０％でもよいが、硬さや軟化抵抗性を向上させる成分であるから、Ｓｉを添加する場合は、０．０４％超が好ましく、より好ましくは０．１０％超である。
Ｓｉは、マトリックスに固溶することで硬さを向上させる成分である。また、軟化抵抗を向上させる効果もある。そこで、Ｓｉは０～０．６０％未満とする。しかしながら、Ｓｉが０．６０％以上になると、固溶Ｓｉ量が増加して熱伝導率を大きく低下させる。そこで、Ｓｉの上限を０．６０％未満としている。好ましくは、Ｓｉは０．４０％未満であり、より好ましくはＳｉは０．２４％未満である。他方、Ｓｉは０％でもよいが、硬さや軟化抵抗性を向上させる成分であるから、Ｓｉを添加する場合は、０．０４％超が好ましく、より好ましくは０．１０％超である。
【0030】
Ｍｎ：５．００％未満
Ｍｎは、焼入性を向上させ、大型造形体の深部においても焼入焼戻硬さを向上させる成分である。また、軟化抵抗を向上させる効果もある。そこで、Ｍｎは０～５．００％未満とする。しかしながら、Ｍｎが５．００％以上になると、固溶Ｍｎ量が増加して熱伝導率を低下させる。そこで、Ｍｎは５．００％未満とする。好ましくはＭｎは１．００％未満であり、より好ましくはＭｎは０．４１％未満である。他方、Ｍｎは０％でもよいが、Ｍｎを添加する場合は、深部焼入焼戻し硬さを向上させたり、軟化抵抗を向上させる観点から、好ましくはＭｎは０．０５％超であり、より好ましくはＭｎは０．１１％超である。
Ｍｎは、焼入性を向上させ、大型造形体の深部においても焼入焼戻硬さを向上させる成分である。また、軟化抵抗を向上させる効果もある。そこで、Ｍｎは０～５．００％未満とする。しかしながら、Ｍｎが５．００％以上になると、固溶Ｍｎ量が増加して熱伝導率を低下させる。そこで、Ｍｎは５．００％未満とする。好ましくはＭｎは１．００％未満であり、より好ましくはＭｎは０．４１％未満である。他方、Ｍｎは０％でもよいが、Ｍｎを添加する場合は、深部焼入焼戻し硬さを向上させたり、軟化抵抗を向上させる観点から、好ましくはＭｎは０．０５％超であり、より好ましくはＭｎは０．１１％超である。
【0031】
Ｎｉ＋Ｍｎ：８．５０％未満
またＭｎはＮｉと類似の効果を持つ成分である。そこで、ＭｎとＮｉとの合計量が８．５０％以上であると、マトリックス中の固溶量が増加して熱伝導率を大きく低下させる。そこで、Ｎｉ＋Ｍｎは８．５０％未満とする。好ましくはＮｉ＋Ｍｎは７．００％未満であり、さらに好ましくは５．００未満である。
またＭｎはＮｉと類似の効果を持つ成分である。そこで、ＭｎとＮｉとの合計量が８．５０％以上であると、マトリックス中の固溶量が増加して熱伝導率を大きく低下させる。そこで、Ｎｉ＋Ｍｎは８．５０％未満とする。好ましくはＮｉ＋Ｍｎは７．００％未満であり、さらに好ましくは５．００未満である。
【0032】
Ｃｒ：２．００％未満
Ｃｒは、焼入性を向上させ、大型造形体の深部においても焼入焼戻硬さを向上させる成分である。また、軟化抵抗を向上させる効果もある。しかしながら、Ｃｒが２．００％以上になると、固溶Ｃｒ量が増加して熱伝導率を低下させ、その低下効果が他の成分と比べ、比較的大きい。そこで、Ｃｒは０～２．００％未満とする。好ましくはＣｒは１．５０％未満であり、より好ましくはＣｒは１．１５％未満である。Ｃｒは、０％であってもよいが、焼入性を向上させ、大型造形体の深部においても焼入焼戻硬さを向上させる成分であり、また軟化抵抗を向上させる効果もあるから、Ｃｒを添加する場合は、好ましくは０．５０％超であり、より好ましくは０．８５％超である。
Ｃｒは、焼入性を向上させ、大型造形体の深部においても焼入焼戻硬さを向上させる成分である。また、軟化抵抗を向上させる効果もある。しかしながら、Ｃｒが２．００％以上になると、固溶Ｃｒ量が増加して熱伝導率を低下させ、その低下効果が他の成分と比べ、比較的大きい。そこで、Ｃｒは０～２．００％未満とする。好ましくはＣｒは１．５０％未満であり、より好ましくはＣｒは１．１５％未満である。Ｃｒは、０％であってもよいが、焼入性を向上させ、大型造形体の深部においても焼入焼戻硬さを向上させる成分であり、また軟化抵抗を向上させる効果もあるから、Ｃｒを添加する場合は、好ましくは０．５０％超であり、より好ましくは０．８５％超である。
【0033】
Ｍｏ：１．２０％未満
Ｍｏは、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高める成分である。Ｍｏは添加により熱伝導率を低下するが寄与が少なく、硬さ向上の効果が大きい。そこで、Ｍｏは０～１．２０％未満とする。Ｍｏは好ましくはＭｏは１．０５％未満であり、より好ましくは０．９５％未満である。Ｍｏは０％であってもよいが、Ｍｏを添加する場合は、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高めつつも、添加により熱伝導率を低下するが寄与が少なく、硬さ向上の効果が大きいので、好ましくはＭｏは０．６０％超とし、より好ましくは０．７５％超とする。
Ｍｏは、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高める成分である。Ｍｏは添加により熱伝導率を低下するが寄与が少なく、硬さ向上の効果が大きい。そこで、Ｍｏは０～１．２０％未満とする。Ｍｏは好ましくはＭｏは１．０５％未満であり、より好ましくは０．９５％未満である。Ｍｏは０％であってもよいが、Ｍｏを添加する場合は、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高めつつも、添加により熱伝導率を低下するが寄与が少なく、硬さ向上の効果が大きいので、好ましくはＭｏは０．６０％超とし、より好ましくは０．７５％超とする。
【0034】
Ｗ：２．００％未満
Ｗは、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高める成分である。Ｗは添加により熱伝導率を低下するが寄与が少なく、硬さ向上の効果が大きい。そこで、Ｗは０～２．００％未満とする。Ｗは好ましくは１．００％未満であり、より好ましくはＷは０．５０％未満である。Ｗは０％であってもよいが、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高める成分であるり、添加により熱伝導率を低下するが寄与が少なく、硬さ向上の効果が大きいことから、Ｗを添加する場合は、好ましくはＷは０．０５％超であり、より好ましくは０．１０％超である。
Ｗは、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高める成分である。Ｗは添加により熱伝導率を低下するが寄与が少なく、硬さ向上の効果が大きい。そこで、Ｗは０～２．００％未満とする。Ｗは好ましくは１．００％未満であり、より好ましくはＷは０．５０％未満である。Ｗは０％であってもよいが、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高める成分であるり、添加により熱伝導率を低下するが寄与が少なく、硬さ向上の効果が大きいことから、Ｗを添加する場合は、好ましくはＷは０．０５％超であり、より好ましくは０．１０％超である。
【0035】
Ｖ：０．６０％未満
Ｖは、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高める成分であるが、過度な添加は熱伝導率を低下する。そこで、Ｖは０～０．６０％未満とする。好ましくはＶは０．５５％未満であり、より好ましくは０．５０％未満である。Ｖは０％であってもよいが、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高める成分であるので、添加する場合、好ましくはＶは０．２０％超であり、より好ましくは０．３０％超である。
Ｖは、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高める成分であるが、過度な添加は熱伝導率を低下する。そこで、Ｖは０～０．６０％未満とする。好ましくはＶは０．５５％未満であり、より好ましくは０．５０％未満である。Ｖは０％であってもよいが、焼戻し時の二次硬化を促進し、焼入焼戻し硬さを高める成分であるので、添加する場合、好ましくはＶは０．２０％超であり、より好ましくは０．３０％超である。
【0036】
Ａｌ：０．１０％未満
Ａｌは、窒化物を形成し焼入れにおける結晶粒の粗大化を抑制する成分である。しかしながら、Ａｌは０．１０％以上添加すると、過剰のＡｌ窒化物の形成により、靱性が低下する。また、熱伝導率も低下させる。そこで、Ａｌは０～０．１０％未満とする。好ましくはＡｌは０．０７％未満であり、より好ましくは０．０４％未満である。また、Ａｌは０％であってもよいが、窒化物を形成し焼入れにおける結晶粒の粗大化を抑制する成分であるから、Ａｌを添加する場合には、好ましくはＡｌは０．００１％超であり、より好ましくは０．００２超％である。なお、Ａｌは意図的添加ではなくガスアトマイズの溶解に使用する耐火物などから混入する場合もあるが、Ａｌの含有による効果はいずれの場合でも同様である。
Ａｌは、窒化物を形成し焼入れにおける結晶粒の粗大化を抑制する成分である。しかしながら、Ａｌは０．１０％以上添加すると、過剰のＡｌ窒化物の形成により、靱性が低下する。また、熱伝導率も低下させる。そこで、Ａｌは０～０．１０％未満とする。好ましくはＡｌは０．０７％未満であり、より好ましくは０．０４％未満である。また、Ａｌは０％であってもよいが、窒化物を形成し焼入れにおける結晶粒の粗大化を抑制する成分であるから、Ａｌを添加する場合には、好ましくはＡｌは０．００１％超であり、より好ましくは０．００２超％である。なお、Ａｌは意図的添加ではなくガスアトマイズの溶解に使用する耐火物などから混入する場合もあるが、Ａｌの含有による効果はいずれの場合でも同様である。
【0037】
（実施例）
表１に本発明の実施例Ｎｏ．１～１９、比較例Ｎｏ．１～６の鋼粉末の成分組成を示す（数値は質量％である。）。なお、残部はＦｅおよび不可避的不純物である。また、これらの実施例は本発明における実施形態の一例であって、特許の請求範囲がこれらのみに制限されるものではない。
表１に本発明の実施例Ｎｏ．１～１９、比較例Ｎｏ．１～６の鋼粉末の成分組成を示す（数値は質量％である。）。なお、残部はＦｅおよび不可避的不純物である。また、これらの実施例は本発明における実施形態の一例であって、特許の請求範囲がこれらのみに制限されるものではない。
【0038】
【表1】
【0039】
［原料粉末の製造］
本発明の積層造形用熱間工具鋼粉末として、ガスアトマイズ法により表１に記載の成分組成の粉末を得た。なお、これらの粉末を用いた積層造形後の造形体の成分組成もこれら粉末の成分組成と同等である。さて、粉末の具体的な製造手順は次のとおりである。まず、真空およびアルゴン雰囲気にて、アルミナ坩堝中に装入した溶解原料を高周波加熱により溶解した。この合金溶湯を、坩堝底の直径５ｍｍのノズルから出湯し、直後に高圧アルゴンガスで噴霧した。この噴霧により合金溶湯は微細な液滴に分断され、アトマイズ装置のタワー内を落下しながら冷却、凝固し、合金粉末となる。この合金粉末を目開き６３μｍの網で振るい、その篩を通過した下側の粉末を、以降の積層造形における原料粉末として用いた。
本発明の積層造形用熱間工具鋼粉末として、ガスアトマイズ法により表１に記載の成分組成の粉末を得た。なお、これらの粉末を用いた積層造形後の造形体の成分組成もこれら粉末の成分組成と同等である。さて、粉末の具体的な製造手順は次のとおりである。まず、真空およびアルゴン雰囲気にて、アルミナ坩堝中に装入した溶解原料を高周波加熱により溶解した。この合金溶湯を、坩堝底の直径５ｍｍのノズルから出湯し、直後に高圧アルゴンガスで噴霧した。この噴霧により合金溶湯は微細な液滴に分断され、アトマイズ装置のタワー内を落下しながら冷却、凝固し、合金粉末となる。この合金粉末を目開き６３μｍの網で振るい、その篩を通過した下側の粉末を、以降の積層造形における原料粉末として用いた。
【0040】
［積層造形］
積層造形は、レーザー加熱のパウダーベッド方式の装置（商品名：ＥＯＳ－Ｍ２９０）を用い、装置に指定されているマルエージング鋼の標準造形条件（ＭＳ１条件）相当により、予熱温度を１８０℃として実施した。
積層造形は、レーザー加熱のパウダーベッド方式の装置（商品名：ＥＯＳ－Ｍ２９０）を用い、装置に指定されているマルエージング鋼の標準造形条件（ＭＳ１条件）相当により、予熱温度を１８０℃として実施した。
【0041】
造形母材となるプレートはＳ４５Ｃの焼鈍材とし、この上に、直径１８０ｍｍ×高さ１２０ｍｍの円柱（プレートと造形体の接合界面の外周と、円柱のトップ面外周にＲ１０の曲率を付けた）と、幅１５ｍｍ×長さ１５０ｍｍ×高さ１７ｍｍの角柱を造形した。
【0042】
［評価］
表２に、各実施例及び比較例の造形体の表層の硬さと中心の硬さ、それらの硬さの差異、熱伝導率、造形時の割れの有無について示す。
表２に、各実施例及び比較例の造形体の表層の硬さと中心の硬さ、それらの硬さの差異、熱伝導率、造形時の割れの有無について示す。
【0043】
【表2】
【0044】
大型造形体の表層部および深部の焼入焼戻し硬さとして、直径１８０ｍｍ×高さ１２０ｍｍの大型円柱をプレートからワイヤーカットで切断し、大気炉で焼入焼戻し、表面部と深部から切り出した試験片のロックウェル硬さを評価した。焼入として１０３０℃で１時間保持し油冷した。その後、焼戻として６００℃で４時間保持し空冷した。焼戻は同じ処理を２回実施した。（実施例Ｎｏ．１８および１９では焼入はせず、焼き戻しのみ実施した。）これら焼入焼戻後の大型円柱の、高さの中央位置における最外周部と中心部からそれぞれ１０ｍｍ角のブロックを切り出し、ロックウェル硬さを測定した。
【0045】
また、各種工具の最適な使用硬さは用途によって異なり、４０ＨＲＣ程度が好ましい用途や、５０ＨＲＣ程度が好ましい用途もあるが、焼入性の悪さにより表層と深部で硬さが異なると、工具全体を最適な使用硬さに調整することが困難となり、不具合を起こしてしまうので、硬さの絶対値とは別に、部位による硬さのバラツキを表層と中心の硬さの差異として評価した。
【0046】
また、同様に焼入焼戻後の大型円柱の、高さ中央位置における最外周部から切り出した試験片により、熱伝導率を測定した。直径５ｍｍ×厚さ１ｍｍの円板形状に仕上げた試験片を用い、レーザーフラッシュ法にて室温の熱伝導率を測定した。
【0047】
なお、急速急冷凝固であることから、硬さおよび熱伝導率について、一部の実施例（Ｎｏ．１８、Ｎｏ．１９）では、上記の焼入をすることなく、焼戻のみ実施している。
【0048】
耐造形割れ性の評価には、幅１５×長さ１５０×高さ１７ｍｍの角柱を用いた。この角柱には大型円柱のようなプレートとの界面の曲率を設けていないことから、界面が直角であり、この部位に熱応力が集中する。また、熱応力は熱変形量の大きい長手方向で大きくなる。これらの結果として、耐造形割れ性の低い造形体の場合、長さ１５０ｍｍの端部におけるプレートと造形体の界面で造形割れを起こす。したがって、この部位を拡大鏡で目視し、割れの有無、割れの長さで耐造形割れ性を評価した。
【0049】
本発明の実施例Ｎｏ．１～１９の造形体は、いずれも表層硬さ、中心硬さが４０ＨＲＣ以上と優れた硬さを備え、表層と中心の硬さの差異が１．５ＨＲＣ以内で硬さのばらつきが抑制されており、かつ、熱伝導率も２５Ｗ／ｍ／Ｋ以上で（その大半は３０Ｗ／ｍ／Ｋ以上）と硬さと熱伝導率のいずれにも優れている。また、造形割れについても、大半は造形割れが認められず、造形割れが認められる場合も、その割れの長さは０．５ｍｍに留まっており、優れた耐造形割れ性を呈した。
【0050】
比較例Ｎｏ．１、２はＮｉが過少であり、造形体の中心と表層の硬さにばらつきがあり、大きな造形割れが認められた。
比較例Ｎｏ．３はＮｉが過多であり、熱伝導率が低いものとなった。
比較例Ｎｏ．４はＣｒが過多であり、熱伝導率が低いものとなった。
比較例Ｎｏ．５はＣが過少であり、造形体の硬さが低いものとなった。
比較例Ｎｏ．６はＣが過多であり、大きな造形割れが認められた。
比較例Ｎｏ．３はＮｉが過多であり、熱伝導率が低いものとなった。
比較例Ｎｏ．４はＣｒが過多であり、熱伝導率が低いものとなった。
比較例Ｎｏ．５はＣが過少であり、造形体の硬さが低いものとなった。
比較例Ｎｏ．６はＣが過多であり、大きな造形割れが認められた。