金属粉の特性評価と流動性

2020年12月、Natureにオストラバ大学（チェコ）の研究者による、金属粉の特性評価と流動性の方法に関する論文が掲載されました。

金属部品は伝統的な方法と現代的な方法で作られます。現代的な方法の多くは金属粉を原料とし、圧縮、焼結、溶射、または選択的レーザー溶融（SLM）、レーザー粉末供給（LPF）、バインダージェット（BJ）、電子ビーム粉末床（EPBF）などの積層造形でさらに加工します。方法を選ぶと部品の性質は変わりますが、どの方法でも粉体の入力性質が重要です。流動性、化学組成、粒径、光学的・熱物性、表面張力などです。積層の方法ごとに、粉体パラメータへの要求が異なります。

積層造形が広がるほど、金属粉の特性評価は重要になります。粉体の性質は各機械に合い、製造は均一でなければなりません。論文は十種の金属粉（316L、Zn、Sn、Al、Cu、Mn、Fe、青銅、Ti、Mo）を特性評価します。粒度分布、形態、静的・動的安息角、有効内部摩擦角（AIFE）です。

流出速度は静的安息角（AOR）で評価し、AORの変化で試料の挙動を補って説明します。流動性はRST、PFT、FT4のせん断試験でも求めました。静的AORは特許PV2015-239で保護された装置で測定しました。オストラバ工科大学VSBの静的・動的流出角の装置と方法の試験を以下に示します。装置はZenegeroと呼ばれます。

AOR設定装置

十種の金属粉の静的AOR

以下は動的安息角（DAOR）測定の要約です。ほとんどの試料で、回転周波数が0.2 Hzから0.6 Hzへ増えると、測定された平均角は大きくなりました。図は316L、Sn、Ti、Fe、青銅、Al、Cu、Zn、Mn、Moのすべての試料を示します。

316L粉では、0.2から0.6 Hzへ回転したときの平均角の差が最大でした。周波数が増えると、流れの形は0.2 Hzの転動から0.6 Hzのカスケードへ変わりました。三つの局所速度での角の平均は標準偏差が大きく、49.4° ± 9°でした。すずは平均角のばらつきが最小で、44.8° ± 1.5°でした。そのためすず粉は動的流れの全体的な安定性が最も良い結果でした。DAOR測定中の流れの形では、すべての試験周波数で一定の転動が安定性を確認しました。アルミニウム粉の流れは周波数による変化が最も大きく、低い周波数では転動し、その後しだいにcataract領域へ移りました。

AIFEは広く使われる三つの装置RST、PFT、FT4で求めました。図は十種の粉のAIFEと、RST、PFT、FT4の範囲を示します。アルミニウム以外のすべての粉で、PFTの絶対範囲が最小でした。これは評価ソフトによる可能性があります。FT4では有効AIFE角の変化が最大でした。アルミニウムの広い範囲は、軽く柔らかく塑性変形しやすい金属であることと関係する可能性があります。粒子の90 %が452 µmより粗くないチタンでは、有効角の明らかなばらつきは粒子の大きさと形によります。測定中、より大きいチタン粒子がガラス円筒と測定翼（せん断ヘッド）の間に挟まりました。隙間は1 mmですが、チタン粒子の形が運動と逆方向の翼の抵抗を増し、せん断応力を高めます。

十種の金属粉のAIFE

論文の目的は、金属粉の流れと、混合物・粒子・その他のパラメータの機械的・物理的性質への可能な依存を評価することです。既知のバルク材料区分に基づく一般的な方法を使いました。デジタル化やインダストリー4.0に関連しても、これらの方法は引き続き使われます。

出典: Characterization and flowability methods for metal powders

• Jiri Zegzulka, Daniel Gelnar, Lucie Jezerska, Rostislav Prokes & Jiri Rozbroj