JP2007009287A - チタン合金素材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チタン合金素材を粉末冶金手法にて得ることのできるチタン合金素材の製造方法を提供する。
【解決手段】チタン合金粉末にバインダを加えて混合し、混合物を押出し成形した後に脱バインダし、しかる後焼結を行ってチタン合金素材を製造する。そのチタン合金粉末には必要に応じてB及びCを、更にはNi，Fe，Coの何れか１種又は２種以上を含有させておく。
【選択図】 なし

Description

この発明はチタン合金素材の製造方法、詳しくは粉末冶金手法によってチタン合金素材を製造する方法に関する。

従来より、鉄系材料にあっては粉末冶金の手法によって素材製造することが広く行われている。
この粉末冶金の手法を用いた素材製造では、粉末をプレス金型に充填してプレス成形（圧粉成形）し、そしてプレス成形品をその後焼結処理する。
このような粉末冶金の手法を用いた製造では、溶製材から素材を得る場合に比べてニアネットシェイプ、即ち最終形状に近い形状に成形することができ、従ってその後の機械加工の加工量が少なくて済み、加工費が安価となる利点がある。

また溶製材にて得た素材の場合には組織が粗大化した部分と微細な部分とが生成して組織的に不均一となり易い問題が内在しているが、粉末冶金の手法にて得た素材の場合には均一な組織が得られるといった利点もある。
チタン合金素材を製造するに際し、鉄系材料と同様に粉末冶金の手法を用いることができれば、上記のような利点が得られて望ましい。

しかしながらチタン合金の場合、鉄系材料と異なって以下のような特有の問題点を有しており、鉄系材料において用いられていた通常の粉末冶金の手法をそのまま用いることには困難がある。
通常、鉄系材料の場合には粉末製造の手法として金属溶湯をノズルから流出させて、これに水流ジェットを噴射し粉末化する水噴霧法が用いられる。

この水噴霧法にて得られた粉末は１つ１つの粒子の表面が凹凸状をなしており、従って粉末をプレス金型に充填してプレス成形（圧粉成形）したとき、各粒子が表面の凹凸により互いに絡まり合った状態となって成形品に所要の強度が付与される。

これに対してチタン合金の場合には非常に酸化され易いため、上記のような水噴霧法にて粉末製造すること自体が困難である。
従ってチタン合金の場合、粉末製造の手法としてノズルからの金属溶湯流に対し高圧ガスを噴射させて粉末化するガス噴霧法を用いざるを得ない。

しかしながらこのようなガス噴霧法によって得られる粉末は、粒子の１つ１つが表面に凹凸の少ない球に近い丸い粒子となってしまい、従ってこのようなガス噴霧法にて得られた粉末を従来と同様にプレス成形した場合、粒子同士が互いに絡まり合わないために成形品の強度が弱く、ハンドリングが困難であって、ハンドリング中に成形品を構成する粉末が成形品から「ボロボロ」と欠けて取れて来てしまう。
即ちチタン合金粉末の場合、通常のプレス成形によって所定形状に成形するといったことができない問題がある。

尚、本願発明に対する先行技術として下記特許文献１に開示されたものがある。
但しこの特許文献１に開示された水素化脱水素法により製造したチタン粉末は異形状を呈するため、成形性に優れる反面、比表面積が大きいため、表面酸化に起因して、酸素が多く含有され、焼結体の靭性を低下させるという欠点を有している。

特開平７−２７８６０９号公報

本発明は以上のような事情を背景とし、チタン合金素材を粉末冶金の手法にて得ることのできるチタン合金素材の製造方法を提供することを目的としてなされたものである。

而して請求項１のものは、ガス噴霧法で製造した球状のチタン合金粉末にバインダを加えて混合し、混合物を押出し成形した後に脱バインダし、しかる後焼結を行ってチタン合金素材を製造することを特徴とする。

請求項２のものは、請求項１において、前記チタン合金粉末がB及びCを含有していることを特徴とする。

請求項３のものは、請求項１，２の何れかにおいて、前記チタン合金粉末がNi，Fe，Coの何れか１種又は２種以上を含有していることを特徴とする。

発明の作用・効果

以上のように本発明は、ガス噴霧法で製造した球状のチタン合金粉末にバインダを加えて混合し、その混合物を押出し成形により所定形状に成形し、しかる後焼結を行ってチタン合金素材を得るもので、本発明によれば、チタン合金粉末がガス噴霧にて得た粉末であっても、即ち１つ１つの粒子が表面に凹凸のない丸い球状のものであっても、支障なく成形処理及びその後のハンドリングを行うことができ、更にまた成形後に焼結を行って所定形状の焼結体即ちチタン合金素材を得ることができる。

本発明では、成形方法として押出し成形を用いることから、特に板状，棒状或いは管状の素材を得るための方法として好適である。
或いはまたそれらから適当な機械加工を加えることで様々な形状のものを得ることができる。

本発明は、合金成分としてB，Cを含有したチタン合金素材の製造方法として特に好適なものである（請求項２）。
これらB，Cを含有したチタン合金素材を通常の溶製によって製造する場合、合金成分としてのB，Cの析出物が凝固の際に粗大に成長してしまったり或いは偏析を生じて均一に析出せず、このため組織が不均一化してしまって、合金成分としてのB，Cによる効果を十分に発揮させることが難しい。

しかるに予めB，Cを含有したチタン合金粉末を製造しておいて、その粉末を用いてその後の成形及び焼結によりチタン合金素材を製造する場合には上記のような問題を生じず、ホウ化物，炭化物が微細且つ均一に素材中に分散した状態となって組織が均一化し、また合金成分としてのB，Cによる効果を十分に発揮させ得て、チタン合金素材を効果的に高強度化，高硬度化することができる。

チタン合金素材を機械部品等に用いる場合、高強度化，高硬度化による耐磨耗性が求められ、従って本発明はこのような高強度，高硬度の求められるチタン合金素材の製造に適用して好適なものである。
この場合において、B，Cはそれぞれ質量％でB：０．５〜３．０％，C：０．５〜１．５％の範囲で含有させておくことが望ましい。

本発明はまた、合金成分としてNi，Fe，Coの１種又は２種以上を含有したチタン合金素材の製造に適用して特に好適である（請求項３）。
チタン合金素材を粉末冶金手法により製造した場合、即ち粉末の成形体を焼結して製造する場合、溶製材にてこれを製造した場合に比べて密度が低くなる。

しかるにチタン合金素材に合金成分としてNi，Fe，Coを含有させておいた場合、即ち粉末成分としてこれらを含有させておいた場合、これらの成分を含有していない場合の相対密度９０％強程度に対して、高密度化することができる。
これら成分を含有させておいた場合焼結時に液相が生じ易く、このために焼結性が上がって焼結体の密度を効果的に高めることができる。
而して焼結体の密度が高まればこれに伴って機械的強度を高強度化することができる。

即ち、これら成分を含有することによって焼結体から成るチタン合金素材の欠点であるところの密度の低さ，強度的な弱さを効果的に改善することができる。
ここでNi，Fe，Coは単一添加の場合は何れも質量％でNi：２％以上，Fe：７％以上，Co：５％以上、２種以上同時添加の場合はNi(％)/２＋Fe(％)/７＋Co(％)/５≧１としておくことが望ましく、より望ましくは３％以上含有させておく。
尚、その上限値は単一添加の場合はNi：１０％，Fe：２０％，Co：１０％、２種以上同時添加の場合はNi(％)/１０＋Fe(％)/２０＋Co(％)/１０＝１(％)としておくことが望ましい。

上記のようにチタン合金素材を機械部品用等として用いる場合には強度が高いことが望ましく、そのためにはチタン合金素材の焼結密度が高い方が望ましい。
この意味においてチタン合金素材の密度を８５％以上となしておくことが望ましい。

一方、チタン合金素材は耐食性に優れ、また人体に対して無害であるといった特長も有している。
従って例えばチタン合金素材を海水用のろ過フィルター或いは食品用のろ過フィルター等としての用途に好適に供することができる。
このようなろ過フィルター等として用いる場合には焼結体の密度を８０％以下となしておくことが望ましい。

尚本発明におけるB，C，Ni，Fe，Coの働き及びその添加量範囲の限定理由は以下の通りである。
B及びC：B，CはTiと化合物を造り、合金素材の強度，硬さ，剛性を向上させるためにはより多く含有することが望しいが、上限値を超えると靭性が低下するばかりでなく、粉末製造にける溶解時にホウ化物，炭化物が晶出して操業性が著しく低下する。
Ni，Fe，Co：下限値未満であると合金の固相線温度が十分に下がらないために焼結時に液相が生じ難く、結果として密度が上がらない。
上限値を超えると液相が多く形成され過ぎるため、焼結体の形状が変形してしまう。

次に本発明の実施形態を以下に具体的に説明する。
表１に示す化学組成の−２５０μｍ（２５０μｍアンダー）のチタン合金粉末と市販の水溶性セルロース系バインダを質量比１００：７で混合した後、更に混合物に対して１０％（質量％）の水を加えて混練した。
混練物を室温にて厚さ５ｍｍ、幅５０ｍｍで押出成形機でシート状に成形した後、長さ２００ｍｍに切断した。
これを真空炉において５００℃×１ｈｒ保持によって脱脂し、更に継続して１２５０℃まで昇温して１ｈｒ保持し焼結体を得た。
その焼結体からＪＩＳ Ｚ ２２０１ ６号試験片を加工し引張試験を行った。

その結果が参考例及び比較例とともに表１に併せて示してある。
ここで参考例及び比較例は何れも溶製材についてのものである。

表１の結果に見られるように、合金成分としてB，Cをそれぞれ１％含有させた実施例２のものは、これら成分を含有させていない参考例のもの（溶製材）に比べて、相対密度が９２％と低いにも拘らず引張強さ，ヤング率ともに高い値を示している。
尚、参考例と同じ溶製材でB，Cを含有させた比較例２のものは、相対密度は参考例と同様であるが引張強さの値は却って低くなっている（ただしヤング率は高くなっている）。

つまり溶製材にてチタン合金素材を製造する場合、B，Cを含有させることによって引張強さは低下するが、粉末冶金手法を用いてチタン合金素材を製造した実施例２のものの場合、引張強さも、ヤング率もともに高まっている。
また、合金成分として更にNiを５％含有させた実施例１のものは、実施例２のものに比べて相対密度が効果的に高められており、これに伴なって引張強さも高まっている。

以上のように本発明は、従来にない新規なチタン合金素材の製造方法を提供するもので、しかも本発明の製造方法によれば、チタン合金素材の強度や硬さを溶製材にて製造した場合に比べて効果的に高めることが可能である。

Claims (3)

1. ガス噴霧法で製造した球状のチタン合金粉末にバインダを加えて混合し、混合物を押出し成形した後に脱バインダし、しかる後焼結を行ってチタン合金素材を製造することを特徴とするチタン合金素材の製造方法。
2. 請求項１において、前記チタン合金粉末がB及びCを含有していることを特徴とするチタン合金素材の製造方法。
3. 請求項１，２の何れかにおいて、前記チタン合金粉末がNi，Fe，Coの何れか１種又は２種以上を含有していることを特徴とするチタン合金素材の製造方法。