特許ウォッチ

公開番号2024058438
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-04-25
出願番号2022165794
出願日2022-10-14
発明の名称耐水素脆性に優れた高強度部品の製造方法
出願人株式会社三ツ知
代理人弁理士法人快友国際特許事務所
主分類B22F 1/00 20220101AFI20240418BHJP(鋳造;粉末冶金)
要約【課題】三次元積層造形法を利用して、高い強度を有するとともに耐水素脆性に優れた高強度部品を製造する技術を提供する。
【解決手段】耐水素脆性に優れた高強度部品の製造方法は、重量%で、C:0.010%以上0.025%以下、Si:0.15%以下、Mn:0.15%以下、P:0.01%以下、S:0.01%以下、Ni:24%以上27%以下、Cr:13.5%以上16%以下、Mo:1%以上1.5%以下、V:0.1%以上0.5%以下、Al:0.35%以下、Ti:1.90%以上2.35%以下、B:0.0006%以上0.0020%以下、を含有する金属粉末を用いて、エネルギー密度が60J/mm³以上であるレーザまたは電子ビームを用いた三次元積層造形法により、造形物の体積密度が99.9%以上である積層造形体を造形する工程と、前記積層造形体を仕上げ加工することにより高強度部品を製造する工程と、を備える。
【選択図】図7
特許請求の範囲【請求項１】
耐水素脆性に優れた高強度部品の製造方法であって、
重量％で、
Ｃ：０．０１０％以上０．０２５％以下、
Ｓｉ：０．１５％以下、
Ｍｎ：０．１５％以下、
Ｐ：０．０１％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｎｉ：２４％以上２７％以下、
Ｃｒ：１３．５％以上１６％以下、
Ｍｏ：１％以上１．５％以下、
Ｖ：０．１０％以上０．５０％以下、
Ａｌ：０．３５％以下、
Ｔｉ：１．９０％以上２．３５％以下、
Ｂ：０．０００６％以上０．００２０％以下、
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する金属粉末を用いて、エネルギー密度が６０Ｊ／ｍｍ
３
以上であるレーザまたは電子ビームを用いた三次元積層造形法により、造形物の体積密度が９９．９％以上である積層造形体を造形する工程と、
前記積層造形体を仕上げ加工することにより高強度部品を製造する工程と、を備える製造方法。
続きを表示（約 710 文字）【請求項２】
前記積層造形体を、８８５～９１５℃または９６５～９９５℃で１０分～２時間保持した後、室温まで急冷する固溶化熱処理工程と、
前記固溶化熱処理工程の後に、前記積層造形体を、６８０～７００℃で１６時間以上保持した後、室温まで空冷する時効処理工程と、をさらに備える、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記三次元積層造形法は、粉末床溶融結合方式、または、指向性エネルギー堆積方式のいずれかである、請求項１に記載の製造方法。
【請求項４】
前記時効処理工程を実行後の前記積層造形体は、引張強度が９５０ＭＰａ以上であり、降伏応力が７００ＭＰａ以上であり、破断伸びが２３％以上であり、絞りが５０％以上である、請求項２に記載の製造方法。
【請求項５】
前記時効処理工程を実行後の前記積層造形体に対して１００ＭＰａ水素雰囲気下、２７０℃で２００時間保持する水素チャージを行った後の前記積層造形体は、前記水素チャージを行う前の前記積層造形体に対して、破断伸びが０．８倍以上であり、絞りが０．５倍以上である、請求項４に記載の製造方法。
【請求項６】
前記積層造形体は、その軸方向に貫通する貫通孔を有し、前記軸方向に沿って同心状の異なる径を有する複数の部分が連結された筒形状を有している、請求項１～５のいずれかに記載の製造方法。
【請求項７】
前記高強度部品は、２つの配管を接続する配管締結具であり、
前記仕上げ加工は、前記軸方向に離間する２つの前記部分にねじ部を形成する工程を含む、請求項６に記載の製造方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する技術は高強度部品の製造方法に関する。詳しくは、耐水素脆性に優れた高強度部品の製造方法に関する。
続きを表示（約 2,400 文字）【背景技術】
【０００２】
次世代のエネルギーインフラストラクチャとして、水素をエネルギー媒体とした燃料電池等を利用するシステムが開発されている。当該システムに使用される水素配管部品、特に配管継手は、高圧もしくは液化状態の水素に曝されるため、高強度な鋼材であることが求められ、かつ水素特有の現象である「金属の水素脆化」への耐性が要求される。
【０００３】
非特許文献１には、オーステナイト組織が安定して存在する成分を含有する鋼材が好適であることが記載されており、その成分指標として、ニッケル当量が２８．５以上であることが、材料選択や材料開発の指針となっている。この成分指標を満足する既存鋼材の内、ニッケル当量が高く、かつ強度の高い鋼材としては、ＪＩＳＧ４３１１に定められるＳＵＨ６６０があり、水素配管部品、特に高圧配管継手（コネクター）へのＳＵＨ６６０の利用が検討されている。
【０００４】
しかしながら、このような部品を、例えば、溶製材を全切削して削り上げることにより製造する場合、ニッケル当量を高める成分（Ｎｉ，Ｃｒ等）の切削性の悪さにより、加工効率が著しく低下する上、切削形状や面粗さの品質低下をもたらす。また、切削代低減を目的として、鍛造によるネットシェイプブランクを製造する工法も考えられるが、上記成分は鍛造の際の加工硬化が著しいため、段差が大きい形状を有する部品の製造が難しい。さらに、削り代の大きい切削や加工変形の大きい鍛造の精度は、作業者の技術に大きく依存するため、生産効率や品質にばらつきが生じ易い。
【０００５】
一方で、非特許文献２に開示されるように、最近では、様々な金属粉末を用いた様々な形状を有する造形体を、金属三次元積層造形法により造形する技術が開発されている。これにより、比較的複雑な形状を有する造形体の造形も可能となり、造形体を最終仕上げ形状に近い形状で設計し、切削加工代を小さくすることができ、設計自由度が高まる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
斎藤彰、手塚俊雄、相川芳明、川又和憲、「水素インフラの技術基準（鋼種拡大）に関する研究開発」、２０１９年
小泉雄一郎、千葉晶彦、野村直之、中野貴由、「金属系材料の３次元積層造形技術の基礎」、２０１７年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
最近では、水素配管部品等の高強度部品を、三次元積層造形法を利用して製造する技術の開発が進んでいる。しかしながら、金属粉末の成分によっては、造形時に内部残存する気孔や結晶粒界に生じる微小クラック（以下、マイクロクラックという。）が生じ易く、同じ成分を含有する従来の鋼材（例えば、溶製バー材）と比較して、強度や耐水素脆性の面で依然として要求されるレベルには達していない。すなわち、材料成分側の要因によって、レーザ等の照射条件をどのように変えても、十分に造形欠陥を低減できないという問題がある。特に、汎用されているＳＵＨ６６０は、溶製バー材においては、耐水素脆性かつ高強度な材料として高強度部品の製造に用いられているにも関わらず、三次元積層造形体では上述したマイクロクラックが顕著に生じる。本明細書では、このような成分組成を有する金属粉末を利用して、三次元積層造形法により、高い強度を有するとともに耐水素脆性に優れた高強度部品を製造する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、三次元積層造形法により造形された積層造形体について鋭意検討した結果、溶融層が凝固するとき、および、溶融層の下側に積層された層が当該溶融層により再度加熱されるときに、結晶粒界に特定成分が偏析することに起因して、当該結晶粒界に沿った液化割れもしくは延性低下割れ、すなわちマイクロクラックが生じることがわかった。そして、試行錯誤の末、ＪＩＳＧ４３１１に規定される鋼材の規格の範囲内で、成分組成を特定の値に調整した金属粉末を利用することで、積層造形体に高い強度及び優れた耐水素脆性を付与することができるという知見を得た。
【０００９】
本明細書が開示する耐水素脆性に優れた高強度部品の製造方法は、重量％で、Ｃ：０．０１０％以上０．０２５％以下、Ｓｉ：０．１５％以下、Ｍｎ：０．１５％以下、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎｉ：２４％以上２７％以下、Ｃｒ：１３．５％以上１６％以下、Ｍｏ：１％以上１．５％以下、Ｖ：０．１％以上０．５％以下、Ａｌ：０．３５％以下、Ｔｉ：１．９０％以上２．３５％以下、Ｂ：０．０００６％以上０．００２０％以下、を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有する金属粉末を用いて、エネルギー密度が６０Ｊ／ｍｍ
３
以上であるレーザまたは電子ビームを用いた三次元積層造形法により、造形物の体積密度が９９．９％以上である積層造形体を造形する工程と、前記積層造形体を仕上げ加工することにより高強度部品を製造する工程と、を備える。
【００１０】
上記の製造方法では、上記した成分組成を有する金属粉末を用いて、三次元積層造形法により積層造形体を造形する。この製造方法では、エネルギー密度が６０Ｊ／ｍｍ
３
以上であるレーザまたは電子ビームにより、当該金属粉末が完全に溶融されながら積層されることで、造形体の体積密度を９９．９％以上とすることができる。この積層造形体は、造形時に内部残存する気孔や結晶粒界に生じるマイクロクラックが極めて少ないレベルに低減されているため、当該積層造形体を仕上げ加工することにより、高い強度を有するとともに耐水素脆性に優れた高強度部品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許