金属制造物的制造方法与流程

本发明涉及金属制造物的制造方法，特别是涉及用于流通高频电流的金属制造物的制造方法。

背景技术：

一直以来，流通高频大电流的金属制造物通过对具有优异的导电性的材料进行加工来制作。对于这种金属制造物，期待利用使用了三维打印机等的金属的增材制造技术(additivemanufacturingtechnology)来制作。

作为这种金属制造物的制造方法，已知使用了下述铜合金粉末的层积造型物的制造方法，该铜合金粉末含有0.10质量％以上1.00质量％以下的铬(cr)和硅(si)中的至少任一种，铬和硅的总量为1.00质量％以下，剩余部分由铜构成(例如，专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第6030186号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

但是，在上述例子中，由铜合金等构成的金属制造物与纯铜等金属材料相比，作为流通高频电流的金属制造物其导电性不足。另外，在将纯铜等金属材料作为材料使用时，高密度化困难，实用化存在问题。

根据上述情况，本发明的目的在于提供一种金属制造物的制造方法，该制造方法即便使用导电性劣于纯铜等金属材料的金属材料，也能赋予与纯铜等金属材料相同程度的高频导电性。

用于解决课题的手段

为了达到上述目的，本发明为一种用于流通高频电流的金属制造物的制造方法，其特征在于，其至少包括下述工序：层积造型工序，层积造型出第一金属材料的造型物；和镀覆工序，对上述造型物实施镀覆处理而形成第二金属材料的层，上述第二金属材料的对于高频电流的电导率高于上述第一金属材料，上述造型物按照利用上述第二金属材料的层的厚度而形成上述金属制造物的尺寸的方式形成。

另外，上述第二金属材料的层的厚度(d)优选满足下述式1)。

[式中，d为厚度(mm)，f为高频电流的频率(mhz)，μ为第二金属材料的磁导率(h/m)，σ为第二金属材料的电导率(s/m)。]

另外，本发明的金属制造物的制造方法可以为下述形式：在上述镀覆工序前进一步包括下述切削工序，即，将上述造型物的外表面切削掉上述第二金属材料的层的厚度的量。

另外，优选的是，在上述镀覆工序中，在含有50g/l～80g/l的硫酸铜和160g/l～250g/l的硫酸的硫酸铜浴中，在将浴温设为20℃～27℃、将阴极电流密度设为1a/dm²～3a/dm²的条件下对上述造型物实施厚镀覆，由此形成上述第二金属材料的层。

另外，优选的是，上述层积造型工序包括下述工序：粉末层形成工序，形成含有上述第一金属材料的粉末的粉末层；和造型层形成工序，对上述粉末层的特定位置照射激光，使上述粉末固化，由此形成造型层，通过依次重复上述粉末层形成工序和上述造型层形成工序，层积造型出上述第一金属材料的造型物。

另外，优选的是，上述高频电流的频率为10khz以上且小于100khz，上述第一金属材料为由选自由铜、铝、钛、铁、碳、硅、磷、硫、铬、镍、钼、钨、钒、锰、锆、锡、钽、铌和钴组成的组中的两种以上金属元素构成的非磁性的合金，上述第二金属材料为纯铜，上述第二金属材料的层的厚度为0.66mm以上。

另外，优选的是，上述高频电流的频率为100khz以上，上述第一金属材料为含有0.1质量％以上5质量％以下的铬的铬铜合金，上述第二金属材料为纯铜，上述第二金属材料的层的厚度为0.2mm以上。

发明的效果

根据本发明，提供一种金属制造物的制造方法，该制造方法即便使用导电性劣于纯铜等金属材料的金属材料，也能赋予与纯铜等金属材料相同程度的高频导电性。

附图说明

图1是示出通过本发明的金属制造物的制造方法的第一实施方式所制造的优选的金属制造物的示意图。

图2是为了说明本发明的金属制造物的制造方法的第一实施方式而示出图1的截面的示意图。

图3中，(a)和(b)分别是用于说明本发明的金属制造物的制造方法的一个工序的示意图。

图4是为了说明本发明的金属制造物的制造方法的第二实施方式而示出金属制造物的截面的示意图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的金属制造物的制造方法的实施方式进行详细说明。需要说明的是，本发明不被以下说明的实施方式所限定。

1.第一实施方式

1.1.金属制造物

首先，图1中示意性地示出通过本发明的金属制造物的制造方法所制造的金属制造物1。如图1所示，金属制造物1具有近似环形状，从其截面形状来看，具备由第一金属材料构成的造型物3、和第二金属材料的层5。另外，为了除去其使用中的放热，金属制造物1具有用于流通水等制冷剂的中空部7。金属制造物的尺寸和形状只要为能够用于高频感应加热、高频天线等利用了高频的用途的尺寸和形状即可。金属制造物可以优选用于高频感应加热用的线圈。

第一金属材料可以通过增材制造技术进行层积造型，其是具有非磁性和导电性、且对于高频的电导率低于第二金属材料的金属。第一金属材料例如为由选自由铜(cu)、铝(al)、钛(ti)、铁(fe)、碳(c)、硅(si)、磷(p)、硫(s)、铬(cr)、镍(ni)、钼(mо)、钨(w)、钒(v)、锰(mn)、锆(zr)、锡(sn)、钽(ta)、铌(nb)和钴(co)组成的组中的两种以上金属元素构成的非磁性的合金。

具体而言，作为第一金属材料，可以举出黄铜、磷青铜、铬铜合金等铜系合金；alsi12(al112)、alsi10mg等铝系合金；ti6al4v(astmb348gr5)等钛系合金；镍铬铁耐热耐蚀合金(inconel)618(注册商标)、镍铬铁耐热耐蚀合金625(注册商标)、镍铬铁耐热耐蚀合金718(注册商标)等镍系合金；sus304(x10crni18-9)、sus316l(x2crnimо17-12-2、17-12-3、18-13-4、sus630(x5crnicunb16-4)、马氏体时效钢等铁系合金。铬铜合金含有0.1质量％以上5质量％以下的铬，剩余部分主要由铜构成。这些之中，从实用的观点来看，第一金属材料优选铬铜合金。

第二金属材料只要是具有非磁性和导电性、且对于高频具有比第一金属材料好的电导率的金属即可。作为这样的第二金属材料，例如可以举出纯铜等金属。这些之中，从实用的观点来看，第二金属材料优选纯铜，更优选其纯度为99.95％以上的纯铜，进一步优选其纯度为99.99％以上的纯铜。

第一金属材料和第二金属材料有时含有不可避免的杂质。作为这样的杂质，可以举出上述的元素、氧(o)等。在第一金属材料和/或第二金属材料中，在本说明书中记载的金属制造物的制造前、制造过程中或制造后，通常会混入不可避免的杂质，其构成了上述材料的剩余部分的一部分。

1.2.层积造型工序和镀覆工序

接下来，参照图2对具有上述构成的金属制造物1的制造方法进行说明。如图2所示，在本实施方式的金属制造物的制造方法中，通过层积造型工序层积造型出造型物3，之后通过镀覆工序形成第二金属材料的层5，制造出金属制造物1。

首先，利用增材制造技术，造型出由第一金属材料构成的造型物3。在图2所示的例子中，在其截面形状中，造型物3的四个外表面按照分别减小第二金属层的厚度(d)的量的方式形成。另外，图中的造型物3作为高频感应加热用的线圈而具有中空部7。图中的造型物3的四个外表面与三维形状的造型物3的外表面相当。即，本工序中，按照将具有特定三维形状的造型物3的外表面减薄第二金属材料的层的厚度(d)的量的方式进行层积造型。换言之，本工序中，使三维形状的造型物3的尺寸预先减小第二金属材料的层的厚度(d)的量，从而使镀覆工序后的金属制造物的尺寸(d)达到所期望的尺寸。

接下来，对造型物3实施镀覆处理，由此在造型物3的外表面形成具有大致均匀的厚度(d)的第二金属材料的层(镀层)5。由此，制作出金属制造物1。在图2所示的例子中，在其截面形状中，在造型物3的四个外表面分别形成有具有厚度(d)的第二金属材料的层5。另外，制作出由造型物3的尺寸和第二金属材料的层的厚度(d)而形成所期望的尺寸(d)的金属制造物1。图中的第二金属材料的层5的四个外表面与三维形状的金属制造物1的外表面相当。即，本工序中，按照第二金属材料的层5遍及形成于三维形状的造型物3的外表面的方式来实施镀覆处理。换言之，本工序中，第二金属材料的层5以覆盖三维形状的造型物3的方式形成。需要说明的是，第二金属材料的层5仅形成于造型物3的高频电流导通的部分即可。例如，在用于高频感应加热的情况下，图2中，第二金属材料的层5形成于造型物3的四个外表面中的至少一个面即可，图1中，第二金属材料的层5至少形成于造型物3的径向内侧的表面即可。由此，能够通过最小限度的镀覆处理来高效地制造金属制造物1。

在镀覆工序中可以采用电镀、化学镀等镀覆处理。这些之中，从实用的观点来看，优选电镀。例如，在用于形成作为第二金属材料层的铜层的镀铜中，将造型物浸渍到硫酸铜浴、氟硼酸铜浴、焦磷酸铜浴、氰化铜浴等电镀浴中，在特定条件下进行通电。由此，铜析出到造型物的表面上，能够形成第二金属材料的层。另外，为了提高镀层的均匀性，在镀覆处理中可以进行机械搅拌、空气搅拌、利用振动、射流等的搅拌。

镀覆处理的条件只要是能够在由第一金属材料构成的造型物的表面上形成第二金属材料的层的条件即可。另外，用于进行镀铜的条件也只要是能够形成作为第二金属材料层的铜层的条件即可。例如镀铜可以如下实施：将造型物浸渍到含有硫酸铜50g/l～80g/l、硫酸160g/l～250g/l的硫酸铜浴中，在将阴极电流密度设为1a/dm²～3a/dm²、浴温设为20℃～27℃的条件下实施。

与由第一金属材料构成的造型物的导电性相比，如上得到的金属制造物1具有优异的导电性。例如，由本说明书中记载的第一金属材料构成的造型物的导电性为30％lacs左右时，镀覆工序后得到的金属制造物的导电性能够提高至100％lacs。需要说明的是，本说明书中记载的导电性例如能够以将退火标准软铜(iacs：internationalannealedcopperstandard，国际退火铜标准)的电导率定义为100％iacs的单位为基准来计测。

可以推测，这种效果起因于金属制造物1的表皮效应。若考虑表皮效应，用于得到对于高频的良好的导电性的第二金属材料的层的厚度(d)例如可以由下述式1)来确定。

[式中，d为第二金属材料的层的厚度(mm)，f为频率(mhz)，μ为第二金属材料的磁导率(h/m)，σ为第二金属材料的电导率(s/m)。]

若考虑式1)，关于第二金属材料的层的厚度的下限值，例如，在使第二金属材料为纯铜，将铜的电导率(σ)设为5.82×10⁷s/m、磁导率假定为4π×10^-7h/m的情况下，用于流通1khz以上的电流的层的厚度为2mm，用于流通10khz以上的电流的层的厚度为0.66mm以上，用于流通100khz以上的电流的层的厚度为0.209mm以上，用于流通400khz以上的电流的层的厚度为0.104mm以上。换言之，若层的厚度为2mm以上，则能够流通小于10khz的电流，若层的厚度为0.66mm以上，则能够流通小于100khz的电流，若层的厚度为0.209mm以上，则能够流通小于400khz的电流。需要说明的是，本说明书中，“高频电流”是指频率为1khz以上的电流。从实用上的观点来看，高频电流的频率优选为10khz以上400khz以下，更优选为100khz以上400khz以下。

另外，关于第二金属材料的层的厚度(d)的上限值，第二金属材料的层的厚度优选为1mm以下，更优选为0.2mm以下。若第二金属材料的层的厚度(d)超过1mm，则镀层的性质保持有可能变得困难。

接着，参照图3的(a)和图3的(b)，对层积造型工序进行更详细的说明。在层积造型工序中，使用增材制造技术，基于由所期望的三维形状的造型物计算出的造型条件，由粉末状的金属材料层积造型出三维形状的造型物3。造型条件可以利用3d-cad/cam等应用程序制成。将所期望的三维形状数据转换为stl形式的数据，进而转换为分割成n个(n为整数)的切片数据。基于切片数据分别形成n个造型层，由此层积造型出三维形状的造型物3。在增材制造技术中可以采用能够由粉末状的金属材料层积造型出所期望的三维形状的造型物的装置，例如可以采用利用了激光烧结法(sls)、直接金属激光烧结法(dmls)、激光熔融法(slm)、电子束熔融法(ebm)等的三维打印机。

如图3的(a)所示，在按照可配置粉末状的金属的方式构成的具备能够升降的升降部122的造型台120上铺满第一金属材料的粉末。由此，形成由第一金属材料的粉末构成的第一金属粉末层l1。接下来，从激光照射部130对第一金属粉末层l1的特定位置照射激光。关于激光器的输出功率、扫描速度、能量密度等，基于造型条件来对任意选择具备的未图示的透镜、镜等光学系统一同进行控制。通过将经控制的激光照射到第一金属粉末层l1，使第一金属粉末层l1烧结或熔融并固化。固化后的粉末层形成第一造型层m1。

激光器只要是能够使由第一金属材料构成的粉末层固化的激光器即可，例如为co2激光器等气体激光器、镱(yb)激光器、yag激光器等固体激光器、半导体激光器、电子束等。激光器的输出功率、扫描速度、能量密度只要为能够使第一造型层固化的范围即可。例如，激光器的输出功率为约100w～约1000w，其能量密度为约100j/mm³～约1000j/mm³，其扫描速度可以设为约100mm/s～约1000mm/s。

接下来，如图3的(b)所示，为了在形成第一造型层m1后形成第二造型层，随着升降部122的降低，造型台120降低。对于降低后的造型台120，在第一造型层m1上铺满粉末状的第一金属材料。由此，在第一造型层m1上形成第二金属粉末层l2。通过由激光照射部130对第二金属粉末层l2的特定位置照射激光，形成第二造型层m2。这样，通过依次重复n次形成粉末层的粉末层形成工序和形成造型层的造型层形成工序，能够层积造型出由n个造型层构成的三维形状的造型物3。需要说明的是，为了形成第n个金属粉末层，第一金属材料的粉末可以使用未图示的辊等铺展开。另外，n个造型层的各层的厚度只要是基于造型条件能够层积造型出造型物的厚度即可，例如为约10μm～约200μm。

为了防止第一金属材料的氧化，以上的层积造型工序优选在惰性气氛下进行。本说明书中，惰性气氛例如是指在氩(ar)、氦(he)、氮(n2)等惰性气体的存在下为真空状态、减压状态的气氛。

另外，从机械强度的观点来看，本说明书中记载的造型物的密度越高越好。例如，造型物的相对密度可以为95％以上。造型物的相对密度例如可以通过依照jisz2501(iso/dis2738)的阿基米德法等进行测定。

第一金属材料的粉末的形状和尺寸只要为能够由第一金属材料层积造型出造型物3的形状和尺寸即可。粉末的形状可以为球状等规则形状，也可以为不规则形状。第一金属材料的粉末的尺寸可以通过制造条件、分级等作为粒度分布适当调整。第一金属材料的粉末的平均粒径只要为能够确保粉末的流动性并形成层的范围即可，例如为20μm～200μm左右的范围，可以为100μm～200μm、50μm～100μm或5μm～50μm左右。关于第一金属材料的粉末的平均粒径，在进行造型物3的造型时，也可以根据第n层和第n+1层的间隔(层积间距)来调整。本说明书中，平均粒径是指在通过激光衍射/散射法所测定的粒度分布中累积值50％处的粒径(“d50”)。

2.第二实施方式

接下来，参照图4对本发明的金属制造物的第二实施方式进行说明。如图4所示，本实施方式的金属制造物10从其截面形状来看具备由第一金属材料构成的造型物13a、和第二金属材料的层15。另外，为了除去其使用中的放热，金属制造物10具有用于流通水等制冷剂的中空部17。本实施方式的金属制造物的制造方法在层积造型工序后且镀覆工序前进一步包括切削工序，这点是与第一实施方式主要不同之处。关于与第一实施方式同样的构成，省略说明。

2.1.层积造型工序

在层积造型工序中，使用增材制造技术，造型出由第一金属材料构成的造型物13。图中的造型物13的四个外表面与三维形状的造型物13的外表面相当。本工序中对造型条件进行调整，以使具有特定三维形状的造型物13的尺寸成为金属制造物10所期望的三维形状的尺寸(d)。即，本工序中，省略了第一实施方式中说明的为了使镀覆工序后的金属制造物的尺寸成为所期望的尺寸而对造型条件进行调整。造型物13的尺寸至少为金属制造物10的尺寸(d)即可，也可以为金属制造物10的尺寸(d)以上。

2.2.切削工序

在切削工序中，对层积造型工序后的造型物13的外表面进行切削，减薄第二金属材料的层的厚度(d)的量。在图4所示的例子中，在截面形状中，对造型物13的四个外表面进行切削，减薄第二金属材料的层15的厚度(d)的量。由此，形成造型物13a。关于本工序中的切削厚度，与第一实施方式的层积造型工序同样地，只要是镀覆工序后的金属制造物的尺寸为所期望的尺寸(d)这样的厚度即可，例如可以为0.2mm以上。切削工序可以通过使用车刀、铣刀、包含磨粒的抛光轮等工具、或具备其的车床、铣床等装置对造型物的外表面进行切削来实施。切削工序优选使用车床实施。

需要说明的是，在上述实施方式中，例示出将由粉末形状的第一金属材料构成的造型物烧结或熔融而进行层积造型的层积造型工序。本发明不限定于此。作为层积造型工序，只要是能够由第一金属材料造型出所期望的造型物的方法即可，例如可以适当采用astm国际标准(astmf2792)中规定的造型方法。例如，通过采用一边从喷嘴供给非粉末或粉末形状的第一金属材料一边将材料选择性地结合而进行层积造型的定向能量沉积法(ded)；或将非粉末形状的第一金属材料切割成片状而进行层积造的片层积(sl：sheetlamination)法，能够造型出所期望的三维形状的造型物。

另外，在上述实施方式中，例示出通过镀覆处理形成第二金属材料的膜的镀覆工序。本发明不限定于此。除了镀覆处理以外，可以采用能够在由第一金属材料构成的造型物上形成具有均匀膜厚的第二金属材料的层的处理。例如，通过采用溅射法、离子镀、真空蒸镀法等物理蒸镀(pvd：physicalvapordeposition，物理气相沉积)、化学蒸镀(cvd：chemicalvapordeposition，化学气相沉积)等处理，能够在由第一金属材料构成的造型物上形成第二金属材料的层。

实施例

下面，通过实施例对本发明进行更具体的说明。本发明的金属制造物的制造方法不被下述实施例所限定。

1.金属制造物的制造

[试验例1]

作为试验例1的非磁性的第一金属材料，准备了含有5.0质量％的铬的铬铜合金。关于试验例1的第一金属材料，利用三维打印机(eos公司制造、型号：eosm290)进行层积造型，造型出具有环形状(直径82mm×高度10mm)的三维形状的造型物。将所得到的造型物作为试验例1的金属制造物。

[试验例2]

作为试验例2的非磁性的第一金属材料，准备了与试验例1同样的铬铜合金。关于试验例2的第一金属材料，利用三维打印机进行层积造型，造型出具有环形状(直径82mm×高度10mm)的三维形状的造型物。接下来，作为镀覆处理，在含有50g/l～80g/l的硫酸铜和160g/l～250g/l的硫酸的硫酸铜浴中，在将浴温设为20℃～27℃、阴极电流密度设为1～3a/dm²的条件下对由三维打印机得到的造型物进行镀覆，由此实施铜厚镀覆。由此，在造型物的外表面形成作为第二金属材料的层的纯铜层(镀层)。作为试验例2的金属制造物。试验例2的相对密度为95％。

2.电导率的计测

对于利用三维打印机造型出的试验例1和2的金属制造物，以iacs单位为基准，计测它们的高频导电性。电导率的计测使用过流电导率计。

试验例1的电导率为30％iacs。另一方面，试验例2的电导率为100％iacs，为与退火标准软铜相同的程度。由此可知，试验例2的金属制造物的导电性为与纯铜大致相同的程度。另外可知，与未实施镀覆处理的试验例1相比，实施了镀覆处理的试验例2的电导率改善70％iacs。

工业实用性

根据本发明的金属制造物的制造方法，即便使用导电性劣于纯铜等金属材料的金属材料，也能赋予与纯铜等金属材料相同程度的高频导电性。

符号说明

1、10金属制造物

3、13、13a造型物

5、15第二金属材料的层(镀层)

7、17中空部