JPWO2019239655A1 - 銅合金粉末、積層造形物および積層造形物の製造方法ならびに各種金属部品 - Google Patents
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Abstract
本発明の銅合金粉末は、質量％で、Ｃｒ：０．０１０〜１．５０％、Ｚｒ：０．０１０〜１．４０％を含有し、残部が銅および不可避不純物からなる。本発明の積層造形物は、質量％で、Ｃｒ：０．０１０〜１．５０％、Ｚｒ：０．０１０〜１．４０％を含有し、残部が銅および不可避不純物からなる銅合金粉末を溶融固化して形成された積層造形物であって、該積層造形物の見かけ密度が９４％以上１００％以下であり、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上であり、高強度、高導電率および優れた耐熱性の全てを具備した積層造形物の製造を可能にする。
Description
本発明は、銅合金粉末、積層造形物および積層造形物の製造方法ならびに各種金属部品に関し、特に、素材粉末として、クロムおよびジルコニウムを含有する銅合金粉末を用い、積層造形を行うことによる急冷凝固現象を利用することにより、高強度、高導電性および優れた耐熱性の全てを具備する、積層造形物としてのクロム−ジルコニウム銅合金の製造を実現する。
高強度、高導電性および優れた耐熱性を具備することが必要とされる金属材料、例えば抵抗溶接や放電加工に用いられるような電極の材料としては、クロムおよびジルコニウムを含有する銅合金などが挙げられる。このような銅合金中に含まれるジルコニウムは、固溶した状態で最も優れた耐熱性の効果を発揮することができるが、実際の製造工程においては、ジルコニウムが析出するような温度域で保持されることが多いことから、ジルコニウムが、銅母材中には固溶せずに析出物となるとともに、さらにその析出物が粗大化することによって耐熱性が低下する傾向がある。クロム含有銅合金（Ｃｕ−Ｃｒ合金）やクロム−ジルコニウム含有銅合金（Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金）は、比較的高い強度と導電率を有する時効硬化型銅合金であることから、一般には、抵抗溶接用電極材やバネ材などの小型部品や、水冷モールドなどの大型部品に適用されている。（例えば非特許文献１参照）
また、クロム含有銅合金（Ｃｕ−Ｃｒ合金）にジルコニウムを添加したクロム−ジルコニウム銅合金（Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金）は、銅合金全般に認められる中間温度脆性が改善され、かつクロム銅より焼鈍軟化温度が高く、強度も高いことが知られている。（例えば非特許文献１参照）
クロム含有銅合金（Ｃｕ−Ｃｒ合金）では、非加工材の時効硬化が大きく、加工材は３００℃付近の時効で回復により軟化する傾向があり、約４００℃で最大硬度に達し、さらに高温で急激に軟化する傾向がある。（例えば非特許文献２参照）
従来のＣｕ−Ｃｒ合金およびＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金は、一般に金型鋳造により溶製されるため、鋳造時の冷却速度を大きくすることができないため、凝固組織を構成する結晶粒が粗大化するとともに、ジルコニウムが銅母材中に固溶した状態で存在できずに析出物の形として局所的に存在することによって製品品質が不均一になりやすく、安定した機械的特性が得られない場合がある。
従来より、金属・合金から金属製品を製造する方法として、鋳造、押し出し、切削、粉末冶金などの加工法が用いられてきた。
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、切削加工で不可能であった複雑形状の創製が可能となることである。これまで、鉄系合金粉末、アルミニウム合金粉末、チタン合金粉末など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、適用可能な金属製品にも一定の制限がある。（例えば特許文献１参照）
積層造形法を用いることにより、従来工法では製造できない複雑形状品が作製可能であり、また設計をソフト上で行うことによりテーラーメイドが求められる製品づくりにも対応可能である。また、粉末で構成された粉末層の所定位置に、レーザや電子ビームを照射することにより、金属・合金を、溶融させた後に、通常のバルクでは達成できないような大きな冷却速度で急冷して凝固させることが可能になることから、新しい特性をもつ材料・製品の開発が可能である。
しかしながら、銅は、レーザに対する光吸収率が低いことから、鉄系合金粉末、アルミニウム合金粉末等と比較して造形条件の設定が困難であり、また、造形した後の積層造形物としての密度が低いことから、現状の銅合金粉末を用いて作製した従来の積層造形物では、高強度、高導電性および優れた耐熱性のすべてを具備した銅合金は得られていない。
田中慎二ら著、「Cu-Cr合金およびCu-Cr-Zr合金の凝固組織」日本金属学会誌、日本金属学会、第７４巻、第６号、ｐ．３５６−３６４
鈴木寿ら著、「Cu-Cr-Zr合金の強度と時効組織」日本金属学会誌、日本金属学会、第３３巻、第５号、ｐ．６２８−６３３
本発明の目的は、素材粉末の組成成分の適正化を図ることにより、高強度、高導電率および優れた耐熱性の全てを具備した積層造形物の製造を可能にする銅合金粉末、積層造形物および積層造形物の製造方法、ならびに例えばモーターのブラシ、ブレーキパッド、抵抗溶接用電極、放電加工用電極、スリップリング、軸受のような各種金属部品を提供することにある。
本発明の要旨構成は、以下のとおりである。
（１）質量％で、Ｃｒ：０．０１０〜１．５０％、Ｚｒ：０．０１０〜１．４０％を含有し、残部が銅および不可避不純物からなることを特徴とする積層造形用の銅合金粉末。
（２）平均粒径が１０μｍ以上４０μｍ以下の範囲である、上記（１）に記載の銅合金粉末。
（３）体積基準で測定して得られる積算粒度分布の、５０％粒子径（ｄ５０）が１０〜４０μｍ、かつ１０％粒子径（ｄ１０）が１〜３０μｍである、上記（１）または（２）に記載の銅合金粉末。
（４）体積基準で測定して得られる積算粒度分布の９０％粒子径（ｄ９０）が３０〜７０μｍである、上記（３）に記載の銅合金粉末。
（５）Ｐｂ：０．０１〜１．０％、Ｂｉ：０．０１〜１．０％、Ｃａ：０．０１〜１．０％、Ｓｒ：０．０１〜１．０％、Ｂａ：０．０１〜１．０％、Ｔｅ：０．０１〜１．０％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｓｎ：０．０１〜１．０％、Ｍｇ：０．０１〜１．０％、Ｎｉ：０．０１〜１．０％、Ａｇ：０．０１〜１．０％およびＭｎ：０．０１〜１．０％の群から選択される１種以上をさらに含有する上記（１）〜（４）いずれか１項に記載の銅合金粉末。
（６）質量％で、Ｃｒ：０．０１０〜１．５０％、Ｚｒ：０．０１０〜１．４０％を含有し、残部が銅および不可避不純物からなる銅合金粉末を溶融固化して形成された積層造形物であって、該積層造形物の見かけ密度が９４％以上１００％以下であり、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする積層造形物。
（７）前記積層造形物中に存在する析出物のサイズが５μｍ以下である、上記（６）に記載の積層造形物。
（８）Ｐｂ：０．０１〜１．０％、Ｂｉ：０．０１〜１．０％、Ｃａ：０．０１〜１．０％、Ｓｒ：０．０１〜１．０％、Ｂａ：０．０１〜１．０％、Ｔｅ：０．０１〜１．０％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｓｎ：０．０１〜１．０％、Ｍｇ：０．０１〜１．０％、Ｎｉ：０．０１〜１．０％、Ａｇ：０．０１〜１．０％およびＭｎ：０．０１〜１．０％の群から選択される１種以上をさらに含有する請求項６または７に記載の積層造形物。
（９）上記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の銅合金粉末で粉末層を形成する第１工程と、前記粉末層の所定位置に存在する前記銅合金粉末を溶融固化させて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て前記造形層を積層することを特徴とする積層造形物の製造方法。
（１０）前記造形層の繰り返し積層の終了後に、熱処理工程および鍛造処理工程の少なくとも１方の工程をさらに含む、上記（９）に記載の積層造形物の製造方法。
（１１）上記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の銅合金粉末または上記（６）〜（８）のいずれか１項に記載の積層造形物を用いて形成されたモーターのブラシ。
（１２）上記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の銅合金粉末または上記（６）〜（８）のいずれか１項に記載の積層造形物を用いて形成されたブレーキパッド。
（１３）上記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の銅合金粉末または上記（６）〜（８）のいずれか１項に記載の積層造形物を用いて形成された抵抗溶接用電極。
（１４）上記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の銅合金粉末または上記（６）〜（８）のいずれか１項に記載の積層造形物を用いて形成された放電加工用電極。
（１５）上記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の銅合金粉末または上記（６）〜（８）のいずれか１項に記載の積層造形物を用いて形成されたスリップリング。
（１６）上記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の銅合金粉末または上記（６）〜（８）のいずれか１項に記載の積層造形物を用いて形成された軸受。
（１）質量％で、Ｃｒ：０．０１０〜１．５０％、Ｚｒ：０．０１０〜１．４０％を含有し、残部が銅および不可避不純物からなることを特徴とする積層造形用の銅合金粉末。
（２）平均粒径が１０μｍ以上４０μｍ以下の範囲である、上記（１）に記載の銅合金粉末。
（３）体積基準で測定して得られる積算粒度分布の、５０％粒子径（ｄ５０）が１０〜４０μｍ、かつ１０％粒子径（ｄ１０）が１〜３０μｍである、上記（１）または（２）に記載の銅合金粉末。
（４）体積基準で測定して得られる積算粒度分布の９０％粒子径（ｄ９０）が３０〜７０μｍである、上記（３）に記載の銅合金粉末。
（５）Ｐｂ：０．０１〜１．０％、Ｂｉ：０．０１〜１．０％、Ｃａ：０．０１〜１．０％、Ｓｒ：０．０１〜１．０％、Ｂａ：０．０１〜１．０％、Ｔｅ：０．０１〜１．０％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｓｎ：０．０１〜１．０％、Ｍｇ：０．０１〜１．０％、Ｎｉ：０．０１〜１．０％、Ａｇ：０．０１〜１．０％およびＭｎ：０．０１〜１．０％の群から選択される１種以上をさらに含有する上記（１）〜（４）いずれか１項に記載の銅合金粉末。
（６）質量％で、Ｃｒ：０．０１０〜１．５０％、Ｚｒ：０．０１０〜１．４０％を含有し、残部が銅および不可避不純物からなる銅合金粉末を溶融固化して形成された積層造形物であって、該積層造形物の見かけ密度が９４％以上１００％以下であり、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする積層造形物。
（７）前記積層造形物中に存在する析出物のサイズが５μｍ以下である、上記（６）に記載の積層造形物。
（８）Ｐｂ：０．０１〜１．０％、Ｂｉ：０．０１〜１．０％、Ｃａ：０．０１〜１．０％、Ｓｒ：０．０１〜１．０％、Ｂａ：０．０１〜１．０％、Ｔｅ：０．０１〜１．０％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｓｎ：０．０１〜１．０％、Ｍｇ：０．０１〜１．０％、Ｎｉ：０．０１〜１．０％、Ａｇ：０．０１〜１．０％およびＭｎ：０．０１〜１．０％の群から選択される１種以上をさらに含有する請求項６または７に記載の積層造形物。
（９）上記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の銅合金粉末で粉末層を形成する第１工程と、前記粉末層の所定位置に存在する前記銅合金粉末を溶融固化させて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て前記造形層を積層することを特徴とする積層造形物の製造方法。
（１０）前記造形層の繰り返し積層の終了後に、熱処理工程および鍛造処理工程の少なくとも１方の工程をさらに含む、上記（９）に記載の積層造形物の製造方法。
（１１）上記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の銅合金粉末または上記（６）〜（８）のいずれか１項に記載の積層造形物を用いて形成されたモーターのブラシ。
（１２）上記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の銅合金粉末または上記（６）〜（８）のいずれか１項に記載の積層造形物を用いて形成されたブレーキパッド。
（１３）上記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の銅合金粉末または上記（６）〜（８）のいずれか１項に記載の積層造形物を用いて形成された抵抗溶接用電極。
（１４）上記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の銅合金粉末または上記（６）〜（８）のいずれか１項に記載の積層造形物を用いて形成された放電加工用電極。
（１５）上記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の銅合金粉末または上記（６）〜（８）のいずれか１項に記載の積層造形物を用いて形成されたスリップリング。
（１６）上記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の銅合金粉末または上記（６）〜（８）のいずれか１項に記載の積層造形物を用いて形成された軸受。
本発明は、質量％で、Ｃｒ：０．０１０〜１．５０％、Ｚｒ：０．０１０〜１．４０％を含有し、残部が銅および不可避不純物からなることにより、高強度、高導電率および優れた耐熱性の全てを具備した積層造形物の製造を可能にする銅合金粉末、積層造形物および積層造形物の製造方法、ならびに例えばモーターのブラシ、ブレーキパッド、抵抗溶接用電極、放電加工用電極、スリップリング、軸受のような各種金属部品の提供が可能になった。
特に、銅にクロムおよびジルコニウムを含有させることにより、光吸収率を向上させることが可能になることから、造形性に優れた粉末を設計することができる。
また、このような合金粉末を用いることにより、積層造形物の密度を向上させることができ、また、積層造形物が高密度になることにより、純銅と比較して強度および導電率を向上させることができる。
さらに、積層造形法を用いることにより、素材の銅合金粉末を溶融させた後に、従来の銅合金を製造する鋳造法に比べて格段に大きな冷却速度で溶融金属を急冷凝固させることができ、その結果、この急冷凝固により結晶粒を微細化させて強度を向上させることができるとともに、銅合金中に含まれるクロムやジルコニウムの析出物の生成も有効に抑制されるため、耐熱性を向上させることができる。
次に、本発明に従う銅合金粉末の好ましい実施形態について、以下で詳細に説明する。
（銅合金粉末）
本実施形態の銅合金粉末は、質量％で、Ｃｒ：０．０１０〜１．５０％、Ｚｒ：０．０１０〜１．４０％を含有し、残部が銅および不可避不純物からなる。
（銅合金粉末）
本実施形態の銅合金粉末は、質量％で、Ｃｒ：０．０１０〜１．５０％、Ｚｒ：０．０１０〜１．４０％を含有し、残部が銅および不可避不純物からなる。
まず、本発明の銅合金粉末の成分組成を限定した理由について説明する。
［成分組成］
＜必須含有成分＞
・Ｃｒ：０．０１０〜１．５０質量％
Ｃｒ（クロム）は、強度および耐熱性を向上させる作用を有する成分であるとともに、１．２μｍ以下の波長を有するレーザ光、特に１．０６５μｍの波長を有するファイバーレーザの光吸収率を少量で格段に高める作用を発揮することができる重要な元素である。かかる作用を発揮するため、Ｃｒ含有量は、０．０１０質量％以上であることが好ましい。また、Ｃｒ含有量が１．５０質量％を超えると、Ｃｒ２ＺｒまたはＣｕ３Ｚｒといった析出物が粗大化するため、強度および耐熱性の向上効果が期待できなくなるからである。このため、Ｃｒ含有量が０．０１０〜１．５０質量％の範囲とすることが好ましい。
［成分組成］
＜必須含有成分＞
・Ｃｒ：０．０１０〜１．５０質量％
Ｃｒ（クロム）は、強度および耐熱性を向上させる作用を有する成分であるとともに、１．２μｍ以下の波長を有するレーザ光、特に１．０６５μｍの波長を有するファイバーレーザの光吸収率を少量で格段に高める作用を発揮することができる重要な元素である。かかる作用を発揮するため、Ｃｒ含有量は、０．０１０質量％以上であることが好ましい。また、Ｃｒ含有量が１．５０質量％を超えると、Ｃｒ２ＺｒまたはＣｕ３Ｚｒといった析出物が粗大化するため、強度および耐熱性の向上効果が期待できなくなるからである。このため、Ｃｒ含有量が０．０１０〜１．５０質量％の範囲とすることが好ましい。
・Ｚｒ：０．０１０〜１．４０質量％
Ｚｒ（ジルコニウム）は、耐熱性を向上させる作用を有する成分であるとともに、１．２μｍ以下の波長を有するレーザ光、特に１．０６５μｍの波長を有するファイバーレーザの光吸収率を少量で各段に高める作用を発揮することができる重要な元素である。かかる作用を発揮するため、Ｚｒ含有量は、０．０１０質量％以上であることが好ましい。また、Ｚｒ含有量が１．４０質量％を超えると、Ｃｒ２ＺｒまたはＣｕ３Ｚｒといった析出物が粗大化するため、強度および耐熱性の向上効果が期待できなくなるからである。このため、Ｚｒ含有量が０．０１０〜１．４０質量％の範囲とすることが好ましい。
Ｚｒ（ジルコニウム）は、耐熱性を向上させる作用を有する成分であるとともに、１．２μｍ以下の波長を有するレーザ光、特に１．０６５μｍの波長を有するファイバーレーザの光吸収率を少量で各段に高める作用を発揮することができる重要な元素である。かかる作用を発揮するため、Ｚｒ含有量は、０．０１０質量％以上であることが好ましい。また、Ｚｒ含有量が１．４０質量％を超えると、Ｃｒ２ＺｒまたはＣｕ３Ｚｒといった析出物が粗大化するため、強度および耐熱性の向上効果が期待できなくなるからである。このため、Ｚｒ含有量が０．０１０〜１．４０質量％の範囲とすることが好ましい。
＜任意添加成分＞
本発明では、上述したＣｒおよびＺｒを必須の含有成分とするが、これらの成分以外、例えば、質量％で、Ｐｂ：０．０１〜１．０％、Ｂｉ：０．０１〜１．０％、Ｃａ：０．０１〜１．０％、Ｓｒ：０．０１〜１．０％、Ｂａ：０．０１〜１．０％、Ｔｅ：０．０１〜１．０％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｓｎ：０．０１〜１．０％、Ｍｇ：０．０１〜１．０％、Ｎｉ：０．０１〜１．０％、Ａｇ：０．０１〜１．０％およびＭｎ：０．０１〜１．０％の群から選択される１種以上の元素も、要求性能等に応じて適宜、任意成分として含有させることができる。これらの任意添加成分は、光吸収特性を向上させるために添加される元素であり、かかる特性を向上させるためには、各添加成分とも、それぞれ０．０１０％以上含有させることが好ましい。一方、各添加成分の上記含有範囲の上限値よりも多く添加しても、それ以上の向上効果が期待できないからである。また０．０５％以上０．３％以下がより好ましい。さらに、これらの任意添加成分が２種以上である場合には、光吸収率の向上効果が期待できる観点から、合計含有量が０．０２〜２．０質量％であることが好ましい。
本発明では、上述したＣｒおよびＺｒを必須の含有成分とするが、これらの成分以外、例えば、質量％で、Ｐｂ：０．０１〜１．０％、Ｂｉ：０．０１〜１．０％、Ｃａ：０．０１〜１．０％、Ｓｒ：０．０１〜１．０％、Ｂａ：０．０１〜１．０％、Ｔｅ：０．０１〜１．０％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｓｎ：０．０１〜１．０％、Ｍｇ：０．０１〜１．０％、Ｎｉ：０．０１〜１．０％、Ａｇ：０．０１〜１．０％およびＭｎ：０．０１〜１．０％の群から選択される１種以上の元素も、要求性能等に応じて適宜、任意成分として含有させることができる。これらの任意添加成分は、光吸収特性を向上させるために添加される元素であり、かかる特性を向上させるためには、各添加成分とも、それぞれ０．０１０％以上含有させることが好ましい。一方、各添加成分の上記含有範囲の上限値よりも多く添加しても、それ以上の向上効果が期待できないからである。また０．０５％以上０．３％以下がより好ましい。さらに、これらの任意添加成分が２種以上である場合には、光吸収率の向上効果が期待できる観点から、合計含有量が０．０２〜２．０質量％であることが好ましい。
＜残部＞
上述した必須含有成分および任意添加成分以外は、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる。なお、ここでいう「不可避不純物」とは、おおむね銅合金粒子において、原料中に存在するものや、製造工程において不可避的に混入するもので、本来は不要なものであるが、微量であり、概ね０．０５質量％以下であって、銅合金粒子の特性に影響を及ぼさないため許容されている不純物である。
上述した必須含有成分および任意添加成分以外は、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる。なお、ここでいう「不可避不純物」とは、おおむね銅合金粒子において、原料中に存在するものや、製造工程において不可避的に混入するもので、本来は不要なものであるが、微量であり、概ね０．０５質量％以下であって、銅合金粒子の特性に影響を及ぼさないため許容されている不純物である。
［粉末の平均粒径及び粒度分布］
本実施形態の銅合金粉末は、平均粒径が１０μｍ以上４０μｍ以下の範囲であることが好ましい。
本実施形態の銅合金粉末は、平均粒径が１０μｍ以上４０μｍ以下の範囲であることが好ましい。
また、本実施形態の銅合金粉末は、体積基準で測定して得られる積算粒度分布の、５０％粒子径（ｄ５０）が１０〜４０μｍ、かつ１０％粒子径（ｄ１０）が１〜３０μｍであることが好ましく、さらに、９０％粒子径（ｄ９０）が３０〜７０μｍであることがより好ましい。
なお、ここでいう「平均粒径」は、体積平均径ＭＶを意味する。また、「５０％粒子径ｄ５０」は、メジアン径ともいい、体積基準で測定して得られる積算粒度分布において、銅合金粉末を小さい側から積算して５０％体積となるときの粒子径を意味する。さらに、「１０％粒子径ｄ１０」は、体積基準で測定して得られる積算粒度分布において、粒子を小さい側から積算して１０％体積となるときの粒子径を意味する。加えて、後述する「９０％粒子径ｄ９０」は、体積基準で測定して得られる積算粒度分布において、粒子を小さい側から積算して９０％体積となるときの粒子径を意味する。
そして、本発明では、銅合金粉末の平均粒径を１０μｍ以上４０μｍ以下の範囲にすることによって、レーザ照射時に溶融されやすく造形物の密度の向上が可能になり、また、５０％粒子径ｄ５０を１０〜４０μｍにすることによって、粉末のスキージング性の向上が可能になり、さらに、１０％粒子径ｄ１０を１〜３０μｍにすることによって、粉末層のかさ密度の向上が可能になる結果、積層造形の際に、銅系粉末を、空隙率が小さくかつ高密度になるように敷き詰めて粉末層を形成することができ、その後のレーザ光の照射によって、高密度の銅合金からなる積層造形物を製造することができる。一方、銅合金粉末の平均粒径が１０μｍ未満だと、レーザ照射時の粉末の飛散が生じるという問題があり、また、４０μｍ超えだと、粉末の不完全な溶融が生じることによる造形物密度の低下およびスキージング性の低下という問題が生じる。また、５０％粒子径ｄ５０が１０μｍ未満だと、スキージング性の低下という問題が生じ、５０％粒子径ｄ５０が４０μｍ超えだと、粉末のかさ密度の低下という問題が生じる。さらに、１０％粒子径ｄ１０を１μｍ未満だと、レーザ照射時の粉末の飛散という問題が生じ、１０％粒子径ｄ１０を３０μｍ超えだと、粉末層のかさ密度の低下という問題が生じる。
加えて、体積基準で測定して得られる積算粒度分布の９０％粒子径（ｄ９０）が３０〜７０μｍであることが、粉末層のかさ密度を向上させる点で好ましい。９０％粒子径ｄ９０が３０μｍ未満だと、レーザ照射時の粉末の飛散による粉末層のかさ密度が低下するという問題が生じるおそれがあり、また、９０％粒子径ｄ９０が７０μｍ超えだと、粉末層のかさ密度が低下することによって造形物の密度が低下するという問題が生じるおそれがあるからである。
（積層造形物）
本実施形態の積層造形物は、質量％で、Ｃｒ：０．０１０〜１．５０％、Ｚｒ：０．０１０〜１．４０％を含有し、残部が銅および不可避不純物からなる銅合金粉末を溶融固化して形成された積層造形物であって、該積層造形物の見かけ密度が９４％以上１００％以下であり、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上である。本実施形態の積層造形物において、見かけ密度が９４％以上１００％以下に限定した理由は、従来の銅系粉末を用いて形成した、銅合金から構成される積層造形物は、空隙率が６％よりも大きくなって、積層造形物の見かけ密度が９４％以上１００％以下にすることができなかったが、本実施形態では、上述したように素材粉末の粒径サイズおよび粒度分布の適正化を図ることによって、見かけ密度が９４％以上１００％以下と高い銅合金で構成された積層造形物を形成することができる。なお、見かけ密度が１００％である場合は、バルクの銅合金の理論密度と同じことを意味し、本実施形態の積層造形物は、銅合金（バルク）と同等である高密度の高合金で構成することができる。
本実施形態の積層造形物は、質量％で、Ｃｒ：０．０１０〜１．５０％、Ｚｒ：０．０１０〜１．４０％を含有し、残部が銅および不可避不純物からなる銅合金粉末を溶融固化して形成された積層造形物であって、該積層造形物の見かけ密度が９４％以上１００％以下であり、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上である。本実施形態の積層造形物において、見かけ密度が９４％以上１００％以下に限定した理由は、従来の銅系粉末を用いて形成した、銅合金から構成される積層造形物は、空隙率が６％よりも大きくなって、積層造形物の見かけ密度が９４％以上１００％以下にすることができなかったが、本実施形態では、上述したように素材粉末の粒径サイズおよび粒度分布の適正化を図ることによって、見かけ密度が９４％以上１００％以下と高い銅合金で構成された積層造形物を形成することができる。なお、見かけ密度が１００％である場合は、バルクの銅合金の理論密度と同じことを意味し、本実施形態の積層造形物は、銅合金（バルク）と同等である高密度の高合金で構成することができる。
また、本実施形態では、純銅より造形性に優れるＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金粉末を用いて積層造形することにより、内部の空隙率を低減することができ、５０％ＩＡＣＳ以上の高い導電率を達成することができる。
さらに、積層造形物中に存在するＣｒ２Ｚｒ、Ｃｕ３Ｚｒなどの析出物のサイズは５μｍ以下であることが、高強度と優れた耐熱性を得る上で好ましい。Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金は、時効硬化型銅合金であり、析出物のサイズが５μｍよりも粗大化すると、強度および耐熱性を低下する傾向があるからである。
（積層造形物の製造方法）
本実施形態の積層造形物の製造方法は、例えば、上述した、銅合金粉末で粉末層を形成する第１工程と、形成した粉末層の所定位置に存在する銅合金粉末を溶融固化させて造形層を形成する第２工程とを含み、第１工程と第２工程とを順次繰り返して造形層を積層することによって積層造形物を製造することができる。より具体的には、昇降可能な造形・加工テーブル上に、銅合金粉末を、リコータによるスキージングによって０．０５ｍｍ程度の厚さで敷き詰めて薄い粉末層を形成し（第１工程）、次いでＣＡＤデータに基づきレーザ光を照射し、粉末層の照射部分のみを溶融固化させて造形層を形成し（第２工程）、さらに新たな粉末層の形成とレーザ光の照射とをレーザ積層造形装置（いわゆる３Ｄプリンタ）を用いて繰り返し行なうことによって、積層造形物を製造すればよい。
本実施形態の積層造形物の製造方法は、例えば、上述した、銅合金粉末で粉末層を形成する第１工程と、形成した粉末層の所定位置に存在する銅合金粉末を溶融固化させて造形層を形成する第２工程とを含み、第１工程と第２工程とを順次繰り返して造形層を積層することによって積層造形物を製造することができる。より具体的には、昇降可能な造形・加工テーブル上に、銅合金粉末を、リコータによるスキージングによって０．０５ｍｍ程度の厚さで敷き詰めて薄い粉末層を形成し（第１工程）、次いでＣＡＤデータに基づきレーザ光を照射し、粉末層の照射部分のみを溶融固化させて造形層を形成し（第２工程）、さらに新たな粉末層の形成とレーザ光の照射とをレーザ積層造形装置（いわゆる３Ｄプリンタ）を用いて繰り返し行なうことによって、積層造形物を製造すればよい。
また、用途に応じた要求特性を得るため、必要に応じて、造形層の繰り返し積層の終了後に、熱処理工程および鍛造処理工程の少なくとも１方の工程をさらに施すことが好ましい。
さらに、銅合金粉末を均一にスキージングする際に、リコータに５ｋＨｚ以上の高周波を印可することが積層造形物のポロシティ（空隙率）が小さくなって、見かけ密度が高くなる点でより好適である。これは、スキージングを行う際に使用するブレードの表面にある極めて微細な表面傷（大きさ：〜１０μｍ）に銅合金粉末が固着して均一にスキージングできない現象に対して、振動を付与することで改善するものである。これにより銅合金粉末がより均一に分散することで、比較的大きな粒子径をもつ銅合金粉末同士の空隙が均一になるとともに、この空隙に比較的小さな粒子径をもつ銅合金粉末が入り込みやすくなり、銅合金粉末間の熱抵抗が均一になることでレーザによる光エネルギーが熱エネルギーに変換されたものが均一に拡散することで溶融凝固後の銅合金（積層造形物）の見かけ密度が高くなるように改善されるためである。
（本発明の積層造形物の用途）
本発明の積層造形物は、銅合金材料が用いられている種々の金属部品として、広範な技術分野や用途で適用することができる。具体的には、種々の金属部品に適用することができ、特にモーターのブラシ、ブレーキパッド、抵抗溶接用電極、放電加工用電極、スリップリング、軸受などに使用するのが好適である。図１（ａ）、（ｂ）は、本発明に従う銅合金粉末を素材として用い、積層造形装置（３Ｄプリンタ）によって製造した部品の中から、２種類の電極を例示したものであって、図１（ａ）が抵抗溶接用電極、図１（ｂ）が放電加工用電極の概略図である。
本発明の積層造形物は、銅合金材料が用いられている種々の金属部品として、広範な技術分野や用途で適用することができる。具体的には、種々の金属部品に適用することができ、特にモーターのブラシ、ブレーキパッド、抵抗溶接用電極、放電加工用電極、スリップリング、軸受などに使用するのが好適である。図１（ａ）、（ｂ）は、本発明に従う銅合金粉末を素材として用い、積層造形装置（３Ｄプリンタ）によって製造した部品の中から、２種類の電極を例示したものであって、図１（ａ）が抵抗溶接用電極、図１（ｂ）が放電加工用電極の概略図である。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の概念および特許請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含み、本発明の範囲内で種々に改変することができる。
次に、本発明の効果をさらに明確にするために、実施例および比較例について説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
（実施例１〜２２および比較例１〜５）
表１に示す成分組成となるように各成分を秤量し、秤量した成分を溶解炉に投入し、溶解して銅合金（インゴット）を作製した。作製した各銅合金（インゴット）を機械的に粉砕し、粉砕した銅合金の粉砕物をガスアトマイズ装置にて溶解後に噴霧して銅合金粒子を得た。なお、微細粒子を得る為に、ガスアトマイズ装置の噴霧槽内は、８５体積％Ｎ２と１５体積％Ｈ２との混合ガス、もしくはＨｅガスを充填した雰囲気とした。回収された銅合金粉末（粒子）は、ふるいにかけて分粒を実施した。なお、分粒されたものの粒度分布は、レーザ回折式粒度分布測定装置（株式会社島津製作所製SALD-2300）で測定し、体積基準で測定して得られる積算粒度分布の、５０％粒子径（ｄ５０）、１０％粒子径（ｄ１０）および９０％粒子径（ｄ９０）を求めた。また、粉末の平均粒径は、光回折/散乱法で求めた。
表１に示す成分組成となるように各成分を秤量し、秤量した成分を溶解炉に投入し、溶解して銅合金（インゴット）を作製した。作製した各銅合金（インゴット）を機械的に粉砕し、粉砕した銅合金の粉砕物をガスアトマイズ装置にて溶解後に噴霧して銅合金粒子を得た。なお、微細粒子を得る為に、ガスアトマイズ装置の噴霧槽内は、８５体積％Ｎ２と１５体積％Ｈ２との混合ガス、もしくはＨｅガスを充填した雰囲気とした。回収された銅合金粉末（粒子）は、ふるいにかけて分粒を実施した。なお、分粒されたものの粒度分布は、レーザ回折式粒度分布測定装置（株式会社島津製作所製SALD-2300）で測定し、体積基準で測定して得られる積算粒度分布の、５０％粒子径（ｄ５０）、１０％粒子径（ｄ１０）および９０％粒子径（ｄ９０）を求めた。また、粉末の平均粒径は、光回折/散乱法で求めた。
次に、作製した素材粉末を、レーザ積層造形装置としてＣｏｎｃｅｐｔ Ｌａｓｅｒ Ｍ２（波長１０６５ｎｍ、出力４００Ｗ）を用いて、サイズが１３０ｍｍ×２０ｍｍ×９ｍｍの積層造形物（銅合金部品）を作製し、表面の粉末の除去及び平滑面を確保すべく切削加工にて１２０ｍｍ×１４ｍｍ×３ｍｍのテストピースを作製した。作製した各造形物（銅合金部品）を、アルキメデス法によって見掛け密度（％）の測定を実施した。なお、見掛け密度（％）の数値は、真密度（バルクの理論密度）を１００％としたときのものである。
積層造形物の素材として使用した各素材粉末の、平均粒径、ｄ１０、ｄ５０およびｄ９０、ならびに各造形物（銅合金部品）の空隙率（％）および総合判定を表１に示す。なお、総合判定は、積層造形物（銅合金部品）の見かけ密度、引張強度、導電率および耐熱性のそれぞれの結果を踏まえて、以下に示す基準によって、「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」、「Ｄ」および「Ｅ」の５段階で総合的に判定した。なお、本実施例では、総合判定が、「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」および「Ｄ」を合格とした。
積層造形物（銅合金部品）の見かけ密度は、９５％以上である場合を「○」とし、９４％以上９５％未満である場合を「△」、９４％未満を「×」とした。
（引張強度）
引張強度は、ＪＩＳ Ｚ２２４１：２００１に準じて、精密万能試験機（株式会社島津製作所製）を用いて、引張試験を行い、引張強度（ＭＰａ）を測定した。なお、上記試験は、標点間距離を５ｃｍ、変形速度を１０ｍｍ／分の条件で実施した。また、引張試験は各３本ずつ測定し、それぞれの平均値（Ｎ＝３）とした。本実施例では、引張強度が２５０ＭＰａ以上である場合を「○」、２００ＭＰa以上２５０ＭＰa未満である場合を「△」２００ＭＰａ未満の場合を「×」とし、表１に示す。
引張強度は、ＪＩＳ Ｚ２２４１：２００１に準じて、精密万能試験機（株式会社島津製作所製）を用いて、引張試験を行い、引張強度（ＭＰａ）を測定した。なお、上記試験は、標点間距離を５ｃｍ、変形速度を１０ｍｍ／分の条件で実施した。また、引張試験は各３本ずつ測定し、それぞれの平均値（Ｎ＝３）とした。本実施例では、引張強度が２５０ＭＰａ以上である場合を「○」、２００ＭＰa以上２５０ＭＰa未満である場合を「△」２００ＭＰａ未満の場合を「×」とし、表１に示す。
（耐熱性）
耐熱性は、引張強度で測定した試験片と同様な試験片を作製し、熱処理炉で３００℃、１０時間の条件で加熱した試験片について、上述したのと同様の条件で引張り試験を行い、引張強度（ＭＰａ）を測定し、測定した引張強度の平均値から評価した。加熱後の引張強度が加熱前の引張強度より１５０ＭＰa以上低下している場合を「×」、１００ＭＰa以上１５０ＭＰa未満の場合を「△」１００ＭＰ未満の場合を「○」とし、表１に示す。
耐熱性は、引張強度で測定した試験片と同様な試験片を作製し、熱処理炉で３００℃、１０時間の条件で加熱した試験片について、上述したのと同様の条件で引張り試験を行い、引張強度（ＭＰａ）を測定し、測定した引張強度の平均値から評価した。加熱後の引張強度が加熱前の引張強度より１５０ＭＰa以上低下している場合を「×」、１００ＭＰa以上１５０ＭＰa未満の場合を「△」１００ＭＰ未満の場合を「○」とし、表１に示す。
（導電率）
導電率は、ＪＩＳ Ｈ０５０５−１９７５に準じた四端子法を用いて、２０℃（±１℃）に管理された恒温槽中で、各試験片の２本について測定し、その平均値（％ＩＡＣＳ）を算出した。このときの端子間距離は１００ｍｍとした。本実施例では、６０％ＩＡＣＳ以上である場合を、導電性が優れているとして「○」とし、５０％ＩＡＣＳ以上６０％ＩＡＣＳ未満である場合を導電性が良好であるとして「△」とし、そして、５０％ＩＡＣＳ未満である場合を導電性が劣るとして「×」として評価し、表１に示す。
導電率は、ＪＩＳ Ｈ０５０５−１９７５に準じた四端子法を用いて、２０℃（±１℃）に管理された恒温槽中で、各試験片の２本について測定し、その平均値（％ＩＡＣＳ）を算出した。このときの端子間距離は１００ｍｍとした。本実施例では、６０％ＩＡＣＳ以上である場合を、導電性が優れているとして「○」とし、５０％ＩＡＣＳ以上６０％ＩＡＣＳ未満である場合を導電性が良好であるとして「△」とし、そして、５０％ＩＡＣＳ未満である場合を導電性が劣るとして「×」として評価し、表１に示す。
＜総合判定＞
Ａ：積層造形物（銅合金部品）の見かけ密度、引張強度、耐熱性および導電率の４項目のいずれもが「○」である場合。
Ｂ：積層造形物（銅合金部品）の見かけ密度、引張強度、耐熱性および導電率のうち、３項目が「○」、１項目が「△」の場合。
Ｃ：積層造形物（銅合金部品）の見かけ密度が、引張強度、耐熱性および導電率のうち、２項目が「○」、２項目が「△」の場合。
Ｄ：積層造形物（銅合金部品）の見かけ密度が、引張強度、耐熱性および導電率のうち、１項目が「○」、３項目が「△」の場合。
Ｅ：積層造形物（銅合金部品）の見かけ密度、引張強度、耐熱性および導電率の少なくとも１項目で「×」の場合、または積層造形品の形成ができなかった場合。
Ａ：積層造形物（銅合金部品）の見かけ密度、引張強度、耐熱性および導電率の４項目のいずれもが「○」である場合。
Ｂ：積層造形物（銅合金部品）の見かけ密度、引張強度、耐熱性および導電率のうち、３項目が「○」、１項目が「△」の場合。
Ｃ：積層造形物（銅合金部品）の見かけ密度が、引張強度、耐熱性および導電率のうち、２項目が「○」、２項目が「△」の場合。
Ｄ：積層造形物（銅合金部品）の見かけ密度が、引張強度、耐熱性および導電率のうち、１項目が「○」、３項目が「△」の場合。
Ｅ：積層造形物（銅合金部品）の見かけ密度、引張強度、耐熱性および導電率の少なくとも１項目で「×」の場合、または積層造形品の形成ができなかった場合。
表１に示す結果から、実施例１〜２２はいずれも、ＣｒおよびＺｒの含有量が本発明の範囲内であって、積層造形物（銅合金部品）の見かけ密度が９４％以上、引張強度が２００ＭＰａ以上であり、導電率および耐熱性の少なくとも一方が「△」以上であり、総合判定が「Ａ」〜「Ｄ」の合格レベルであった。一方、比較例１〜３は、いずれもＺｒを含有しないため、積層造形物（銅合金部品）の見かけ密度が９４％未満であり、耐熱性が「△」であり、導電率が「×」または「△」であり、総合判定が「Ｅ」と不合格であった。比較例４は、Ｃｒ、Ｚｒ含有量が本発明の適正範囲よりも多いため、積層造形物（銅合金部品）を形成することできなかった。比較例５は、ＣｒもＺｒも含有しないため、積層造形物（銅合金部品）の見かけ密度が９４％未満であり、引張強度が２００ＭＰａ未満と「×」であり、耐熱性も「×」であり、総合判定が「Ｅ」であった。
本発明によれば、高強度、高導電率および優れた耐熱性の全てを具備した積層造形物の製造を可能にする銅合金粉末、積層造形物および積層造形物の製造方法、ならびに例えばモーターのブラシ、ブレーキパッド、抵抗溶接用電極、放電加工用電極、スリップリング、軸受のような各種金属部品の提供が可能になった。本発明の銅合金粉末で製造された積層造形物は、種々の金属部品に適用することができ、特にモーターのブラシ、ブレーキパッド、抵抗溶接用電極、放電加工用電極、スリップリング、軸受などに使用するのに適している。
１０ 抵抗溶接用電極
２０ 放電加工用電極
２０ 放電加工用電極
Claims (16)
- 質量％で、Ｃｒ：０．０１０〜１．５０％、Ｚｒ：０．０１０〜１．４０％を含有し、残部が銅および不可避不純物からなることを特徴とする積層造形用の銅合金粉末。
- 平均粒径が１０μｍ以上４０μｍ以下の範囲である、請求項１に記載の銅合金粉末。
- 体積基準で測定して得られる積算粒度分布の、５０％粒子径（ｄ５０）が１０〜４０μｍ、かつ１０％粒子径（ｄ１０）が１〜３０μｍである、請求項１または２に記載の銅合金粉末。
- 体積基準で測定して得られる積算粒度分布の９０％粒子径（ｄ９０）が３０〜７０μｍである、請求項３に記載の銅合金粉末。
- Ｐｂ：０．０１〜１．０％、Ｂｉ：０．０１〜１．０％、Ｃａ：０．０１〜１．０％、Ｓｒ：０．０１〜１．０％、Ｂａ：０．０１〜１．０％、Ｔｅ：０．０１〜１．０％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｓｎ：０．０１〜１．０％、Ｍｇ：０．０１〜１．０％、Ｎｉ：０．０１〜１．０％、Ａｇ：０．０１〜１．０％およびＭｎ：０．０１〜１．０％の群から選択される１種以上をさらに含有する請求項１〜４いずれか１項に記載の銅合金粉末。
- 質量％で、Ｃｒ：０．０１０〜１．５０％、Ｚｒ：０．０１０〜１．４０％を含有し、残部が銅および不可避不純物からなる銅合金粉末を溶融固化して形成された積層造形物であって、
該積層造形物の見かけ密度が９４％以上１００％以下であり、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上であることを特徴とする積層造形物。 - 前記積層造形物中に存在する析出物のサイズが５μｍ以下である、請求項６に記載の積層造形物。
- Ｐｂ：０．０１〜１．０％、Ｂｉ：０．０１〜１．０％、Ｃａ：０．０１〜１．０％、Ｓｒ：０．０１〜１．０％、Ｂａ：０．０１〜１．０％、Ｔｅ：０．０１〜１．０％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｓｎ：０．０１〜１．０％、Ｍｇ：０．０１〜１．０％、Ｎｉ：０．０１〜１．０％、Ａｇ：０．０１〜１．０％およびＭｎ：０．０１〜１．０％の群から選択される１種以上をさらに含有する請求項６または７に記載の積層造形物。
- 請求項１〜５のいずれか１項に記載の銅合金粉末で粉末層を形成する第１工程と、
前記粉末層の所定位置に存在する前記銅合金粉末を溶融固化させて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て前記造形層を積層することを特徴とする積層造形物の製造方法。 - 前記造形層の繰り返し積層の終了後に、熱処理工程および鍛造処理工程の少なくとも１方の工程をさらに含む、請求項９に記載の積層造形物の製造方法。
- 請求項１〜５のいずれか１項に記載の銅合金粉末または請求項６〜８のいずれか１項に記載の積層造形物を用いて形成されたモーターのブラシ。
- 請求項１〜５のいずれか１項に記載の銅合金粉末または請求項６〜８のいずれか１項に記載の積層造形物を用いて形成されたブレーキパッド。
- 請求項１〜５のいずれか１項に記載の銅合金粉末または請求項６〜８のいずれか１項に記載の積層造形物を用いて形成された抵抗溶接用電極。
- 請求項１〜５のいずれか１項に記載の銅合金粉末または請求項６〜８のいずれか１項に記載の積層造形物を用いて形成された放電加工用電極。
- 請求項１〜５のいずれか１項に記載の銅合金粉末または請求項６〜８のいずれか１項に記載の積層造形物を用いて形成されたスリップリング。
- 請求項１〜５のいずれか１項に記載の銅合金粉末または請求項６〜８のいずれか１項に記載の積層造形物を用いて形成された軸受。
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