JP2019060006A - 合金部材及びそれを用いた製造物 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来材を凌駕する高強度且つ高耐摩耗性の機械的性質を備えた合金部材を提供する。【解決手段】本発明の合金部材は、柱状晶の組織を有し、その柱状晶の断面組織は、大きく湾曲され、波打つ形状であり、柱状晶の結晶粒内及び結晶粒界に100nm以下のセラミックス粒子が分散された構造とする。【選択図】 図６Ｂ
Description
本発明は、セラミックス粒子が分散された合金部材、及びそれを用いた製造物に関する。
産業の発展につれ、ガスタービン、ベアリング等の機械部品の室温・高温強度、耐磨耗性等の機械特性に対して要求が高くなっており、分散強化を利用した合金開発が進められている。
分散強化は、よく知られている金属材料の強化法であり、母材に微細なセラミックス粒子を分散させることにより、転位がピンニングされることで母材の機械的性質を向上させる方法である。その微細粒子は、他の金属の酸化物を始め、炭化物、窒化物、ホウ化物など、多くの種類があり、その用途も多岐にわたる。
特許文献１は、航空機エンジン、発電ガスタービンなどの高温環境に曝される部品として、酸化物粒子分散強化型Ni超合金を用いることが開示されている。特許文献２は、高温高圧ボイラー等に用いる酸化物分散強化フェライト系耐熱鋼板が開示されている。
上述のように、これまでに多くの種類のセラミックス粒子が分散された合金部材が開発されている。いずれもメカニカルアロイング及び熱間静水圧プレスによる緻密化により得られており、母材金属の粉末とセラミックス粉末を粉砕混合し、セラミックス粒子が均一分散している母材金属の粉末を固めるという方法で作製されている。
上記の通り、メカニカルアロイング及び熱間静水圧プレスにより作製されたセラミックス粒子が分散された合金部材は、セラミック粒子を均一に分散させることは困難である。
以上から、本発明の目的は、従来材を凌駕する高強度且つ高耐摩耗性の機械的性質を備えた合金部材を提供することである。
上記課題に鑑みて、本発明の合金部材は、柱状晶の組織を有し、その柱状晶の断面組織は、大きく湾曲され、波打つ形状であり、柱状晶の結晶粒内及び結晶粒界に100nm以下のセラミックス粒子が分散された構造とする。
本発明は、従来材を凌駕する高強度且つ高耐摩耗性の機械的性質を備えた合金部材を提供できる。
（本発明の基本思想）
本発明は、金属粉末積層造形法により作製したセラミックス粒子が分散された合金部材に関する。
本発明は、金属粉末積層造形法により作製したセラミックス粒子が分散された合金部材に関する。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながらセラミックス粒子が分散された合金部材の製造手順に沿って説明する。ただし、本発明は、ここで取り上げた組成、母材に限定されるものではなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
（材料の製造方法）
図１は、本発明に係る合金部材の製造方法の一例を示す工程図である。図１に示したように、本発明の製造方法は、原料混合溶解工程1とアトマイズ工程2と積層造形工程3と取出工程4を有する。以下、本発明の実施形態をより具体的に説明する。
図１は、本発明に係る合金部材の製造方法の一例を示す工程図である。図１に示したように、本発明の製造方法は、原料混合溶解工程1とアトマイズ工程2と積層造形工程3と取出工程4を有する。以下、本発明の実施形態をより具体的に説明する。
（原料混合溶解工程）
図１に示したように、まず、所望のセラミックスが分散された合金部材となるように母材及びセラミックス粒子を形成する元素を混合及び溶解して溶湯10を形成する原料混合溶解工程1を行う。原料の混合方法や溶解方法に特段の限定はなく、高強度・高耐食性合金の製造における従前の方法を利用できる。例えば、溶解方法として真空溶解を好適に利用できる。
図１に示したように、まず、所望のセラミックスが分散された合金部材となるように母材及びセラミックス粒子を形成する元素を混合及び溶解して溶湯10を形成する原料混合溶解工程1を行う。原料の混合方法や溶解方法に特段の限定はなく、高強度・高耐食性合金の製造における従前の方法を利用できる。例えば、溶解方法として真空溶解を好適に利用できる。
（アトマイズ工程）
次に、溶湯10から合金粉末11を形成するアトマイズ工程2を行う。アトマイズ方法に特段の限定はなく、従前の方法を利用できる。例えば、高純度・均質組成・球形状粒子が得られるガスアトマイズ法や遠心力アトマイズ法を好ましく用いることができる。
次に、溶湯10から合金粉末11を形成するアトマイズ工程2を行う。アトマイズ方法に特段の限定はなく、従前の方法を利用できる。例えば、高純度・均質組成・球形状粒子が得られるガスアトマイズ法や遠心力アトマイズ法を好ましく用いることができる。
合金粉末11の平均粒径は、ハンドリング性や充填性の観点から、10μm以上1 mm以下が好ましく、20μm以上500μm以下がより好ましい。平均粒径が10μm未満になると、次工程の積層造形工程3において合金粉末11が舞い上がり易くなり、合金積層造形体の形状精度が低下する要因となる。一方、平均粒径が1 mm超になると、次工程の積層造形工程3において合金積層造形体の表面粗さが増加したり合金粉末11の溶融が不十分になったりする要因となる。
（積層造形工程）
次に、上記で用意した合金粉末11を用いた金属粉末積層造形法により、所望形状を有する合金積層造形体101を形成する積層造形工程3を行う。焼結ではなく溶融・凝固によってニアネットシェイプの金属部材を造形する金属粉末積層造形法の適用により、鋳造材と同等以上の硬度とともに、複雑形状を有する三次元部材を作製することができる。積層造形方法に特段の限定はなく、従前の方法を利用できる。例えば、電子ビーム溶融（Electron Beam Melting：EBM）法や選択的レーザ溶融（Selective Laser Melting：SLM）法を用いた金属粉末積層造形法を好適に利用できる。
次に、上記で用意した合金粉末11を用いた金属粉末積層造形法により、所望形状を有する合金積層造形体101を形成する積層造形工程3を行う。焼結ではなく溶融・凝固によってニアネットシェイプの金属部材を造形する金属粉末積層造形法の適用により、鋳造材と同等以上の硬度とともに、複雑形状を有する三次元部材を作製することができる。積層造形方法に特段の限定はなく、従前の方法を利用できる。例えば、電子ビーム溶融（Electron Beam Melting：EBM）法や選択的レーザ溶融（Selective Laser Melting：SLM）法を用いた金属粉末積層造形法を好適に利用できる。
SLM法による積層造形工程3を説明する。図２は、SLM法の粉末積層造形装置100の構成を示す模式図である。造形しようとする合金積層造形体101の1層厚さ分（例えば、約20〜50μm）でステージ102を下降させる。ステージ102上面上のベースプレート103上にパウダー供給用コンテナ104から合金粉末105を供給し、リコータ106により合金粉末105を平坦化して粉末床107（層状粉末）を形成する（粉末床形成工程）。
次に、造形しようとする合金積層造形体101の3D-CADデータから変換された2Dスライスデータに基づいて、レーザ発信器108から出力されるレーザ109をガルバノメーターミラー110を通してベースプレート103上の未溶融の粉末へ照射し、微小溶融池を形成すると共に、微小溶融池を移動・逐次凝固させることにより、2Dスライス形状の凝固層112を形成する（局所溶融・凝固層形成工程）。なお、未溶融粉末は回収用コンテナ111に回収される。この操作を繰り返して積層することにより、合金積層造形体101を製作する。
（取出工程）
上記工程で造形した合金積層造形体101は仮焼結体中に埋没しているため、次に、合金積層造形体を取り出す取出工程4を行う。合金積層造形体101の取り出し方法（合金積層造形体101と仮焼結体との分離方法、合金積層造形体101とベースプレート102との分離方法）に特段の限定はなく、従前の方法を利用できる。
上記工程で造形した合金積層造形体101は仮焼結体中に埋没しているため、次に、合金積層造形体を取り出す取出工程4を行う。合金積層造形体101の取り出し方法（合金積層造形体101と仮焼結体との分離方法、合金積層造形体101とベースプレート102との分離方法）に特段の限定はなく、従前の方法を利用できる。
取出工程後の合金積層造形体101から微細組織観察用の試料を採取し、光学顕微鏡および電子顕微鏡を用いて、該試料の微細組織を観察した。
その結果、合金積層造形体101の母相は、微細な柱状晶（平均粒幅10μm以下）が合金積層造形体101の積層方向に沿って林立した組織（いわゆる、急冷凝固組織）を有していた。
さらに詳細に観察したところ、合金積層造形体101は、その母相結晶中に100nm以下のセラミックス粒子が分散析出している様子が観察された。なお、セラミック粒子は均一に分散されていることが望ましい。
また、セラミックス粒子がマトリックス中に分散することにより、結晶粒界の成長がピン止めされた結果、断面組織において粒界が湾曲する形態を呈し、そして微細な結晶粒径を有する組織が得られた。
以上から、本発明では、セラミックス粒子分散強化型合金の組織制御の検討を進めた結果、結晶、そして結晶粒界の形状、セラミックス粒子の分散状態等を制御することにより、強度、耐磨耗性等の機械的性質を向上できることを見出した。
すなわち、本発明では、セラミックス粒子形成元素を添加した母材粉末を用い、金属粉末積層造形により合金部材を作製する。金属粉末積層造形の局所溶融、急冷凝固により、セラミックス粒子が均一、かつ微細なままマトリックス中に分散させることができた。均一分散したセラミックス粒子のピンニング効果により、結晶粒界の移動が阻害されるため、結晶粒の成長も抑制され、結晶粒径微細化により母材の強度・耐磨耗性を向上させることができた。そして、結晶粒が成長（結晶粒界が移動）する過程において、結晶粒界がセラミックス粒子のピンニングにより大きく湾曲され、結晶粒界が波打つ形状になっていることで、粒界割れの進展を抑制できた。さらに、造形方向に沿った柱状組織を有するため、造形方向のクリープ強度、耐疲労特性をさらに向上できた。
以下具体的な実施例について説明する。
母材SUS304に0.7wt%のZrを添加した合金を適用して、化学組成を図３に示す。この合金粉末をガスアトマイズ法により作製した。平均粒径は26μmであった。取出工程後の合金積層造形体101から図４に示す微細組織観察用の試料を採取した。図中の積層方向はベースプレート102の移動方向を指す。
図５Ａは、本発明の合金部材の柱状晶組織の一例を示す。実施例の合金積層造形体の積層方向に対し平行面のSEM像である。結晶組織は積層方向に伸びた粗大な柱状晶と微細な等軸晶の混在する組織となっている。柱状晶の長軸方向の結晶粒径は40μm以下が望ましく、今回のSEM像では、20〜35 μm程度であり、短軸方向は10 μm程度であった。結晶組織として柱状晶が存在する場合、その長軸方向の強度が短軸方向に比べて強くなってる。
図５Ｂは、図５Ａの柱状晶の結晶粒界近傍の高倍像である。組織中の白いコントラストの粒子は、セラミックス粒子であり、重量比は、0.5以上5.0以下重量パーセントであり、その大きさは100nm以下であった。なお、セラミックス粒子は、例えば、イットリウム（Y）、チタン（Ti）、バナジウム（V）、クロム（Cr）、アルミニウム（Al）、ハフニウム（Hf）、ジルコニウム（Zr）、マンガン（Mn）、モリブデン（Mo）の酸化物、炭化物、窒化物であることが望ましい。本実施例では、Zrの酸化物、窒化部の存在が確認できた。
図６Ａは図５Ａの柱状晶の短軸方向の断面の微細組織の一例を示す。実施例の合金積層造形体の積層方向に対し垂直面のSEM像である。垂直面の結晶粒界は通常のものと違い、大きく湾曲され、結晶粒界が波打つ形状になっている。垂直方向の結晶粒径は1μm以下の超微細粒から大きい粒では20μm程度であった。平均結晶粒径は2.8μmであった。
図６Ｂは、図６Ａの粒界近傍の高倍像である。組織中の白いコントラストの粒子は、セラミックス粒子であり、100nm以下のサイズで組織中に分散している様子が観察される。また、結晶粒内のみでなく、結晶粒界にもセラミックス粒子が分散している様子が観察できる。特に、図中に示している結晶粒界は、セラミックス粒子のピン止めにより湾曲していることがわかる。
次に、セラミックス粒子分布をより詳細に調査する為に、透過型電子顕微鏡（TEM）を用いて微細組織観察を行った。図 ７はセラミックス粒子分散組織の一例を示す透過型電子顕微鏡像であり、図 ７（ａ）は明視野像、図 ７（ｂ）は暗視野像である。結晶粒界が曲がっている部分に微細なセラミックス粒子が分布している様子が観察できる。
Zrを添加したSUS304材のビッカース硬さは265.25であり、JIS G 4303（ステンレス鋼棒）におけるSUS304値以上の硬さを示しており、硬度特性の向上が確認された。
図８は、Zrを添加したSUS304材の合金積層造形体の引張特性の試験結果である。荷重方向は積層方向に垂直な方向となるように試験片を採取し、引張試験を行った結果、0.2%耐力および引張強さはそれぞれ536MPa、767MPaであった。図中点線はJIS G 4303のSUS304の強度を示す。結晶粒微細化、及びセラミックス粒子分散効果により、実施例材はSUS304を上回る機械的特性を示したことがわかる。
本発明に係るセラミックス粒子が分散された合金部材を用いた製造物の一例として、ベアリングがある。
本発明のセラミックス粒子が分散された合金部材で製造された製造物は、金属粉末積層造形法により製造されることから、ベアリングのような複雑形状物でも容易に造形することができる。
また、本発明のセラミックス粒子が分散された合金部材を用いたベアリングは、高い強度と高い耐磨耗性を有することから、厳しい応力状態でも優れた耐久性を示すことができる。
上述した実施形態や実施例は、本発明の理解を助けるために説明したものであり、本発明は、記載した具体的な構成のみに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。すなわち、本発明は、本明細書の実施形態や実施例の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。
1 原料混合溶解工程
2 アトマイズ工程
3 積層造形工程
4 取出工程
10 溶湯
11 合金粉末
100 粉末積層造形装置
101 合金積層造形体
102 ステージ
103 ベースプレート
104 パウダー供給用コンテナ
105 合金粉末
106 リコーダ
107 粉末床
108 レーザ発信器
109 レーザ
110 ガルバノメーターミラー
111 回収用コンテナ
112 凝固層
2 アトマイズ工程
3 積層造形工程
4 取出工程
10 溶湯
11 合金粉末
100 粉末積層造形装置
101 合金積層造形体
102 ステージ
103 ベースプレート
104 パウダー供給用コンテナ
105 合金粉末
106 リコーダ
107 粉末床
108 レーザ発信器
109 レーザ
110 ガルバノメーターミラー
111 回収用コンテナ
112 凝固層
Claims (7)
- 柱状晶の組織を有し、
前記柱状晶の短軸方向の断面組織は、大きく湾曲され、波打つ形状であり、
前記柱状晶の結晶粒内及び結晶粒界に100nm以下のセラミックス粒子が分散されたことを特徴とする合金部材。 - 請求項１記載の合金部材において、
前記セラミックス粒子は、イットリウム（Y）、チタン（Ti）、バナジウム（V）、クロム（Cr）、アルミニウム（Al）、ハフニウム（Hf）、ジルコニウム（Zr）、マンガン（Mn）、モリブデン（Mo）の酸化物、炭化物、窒化物である、合金部材。 - 請求項１記載の合金部材において、
前記柱状晶の結晶粒内及び結晶粒界に、前記セラミック粒子が均一分散された、合金部材。 - 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の合金部材において、
前記セラミックス粒子の重量比は、0.5以上5.0以下重量パーセントである、合金部材。 - 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の合金部材において、
前記柱状晶組織の長軸方向の結晶粒径は、40μm以下であり、短軸方向の結晶粒径は、10μm以下である、合金部材。 - 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の合金部材において、
前記合金部材は、金属粉末積層造形法により造形された、合金部材。 - 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の合金部材を用いて製造された製造物。
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- 2018-03-20 WO PCT/JP2018/010991 patent/WO2019064641A1/ja active Application Filing
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