JP3007198B2

JP3007198B2 - チタン粉末と母合金粉末からなる複合粉末の製造方法

Info

Publication number: JP3007198B2
Application number: JP3249534A
Authority: JP
Inventors: 秀樹藤井; 達夫山崎; 昌夫山宮
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1991-09-27
Filing date: 1991-09-27
Publication date: 2000-02-07
Anticipated expiration: 2015-02-07
Also published as: JPH05140602A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、粉末冶金法によるチタ
ン合金の製造方法に関する。さらに詳しくは、素粉末混
合法に使用する原料粉末として、チタン粉末と母合金粉
末からなる複合粉末を製造する方法に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】チタン合金は軽量高強度の特性を生かす
べく、航空機などへの適用が盛んに進められてきたが、
熱間および冷間での加工性・成形性あるいは切削性が劣
るため、製造コストが著しく高くなるという欠点があっ
た。この欠点を補うべく、いわゆるニアーネットシェイ
プ加工手段により、最終形状にきわめて近い状態の製品
を直接製造する方法が種々検討されてきた。粉末冶金法
はその代表的方法のひとつである。

【０００３】さて、チタン合金の粉末冶金法には、あら
かじめ合金化された粉末を容器に充填し、成形・焼結す
る合金粉末法と、チタン粉末と母合金元素粉末を混合
し、容器に充填することにより混合粉末体を製造し、そ
れを成形し、その後、焼結と合金化を同時に行う素粉末
法がある。特に素粉末法では、成形時には軟質のチタン
粉末が大部分を占めるため、成形性が良いという利点
と、合金化熱処理と焼結を同時に行うため、製造コスト
が比較的安価となる利点がある。ところが、チタン粉末
と母合金粉末は、重さ、寸法、表面状態が異なってお
り、容器に混合粉末を充填する際、振動や重力の影響
で、チタン粉末と母合金粉末が部分的に分離し、焼結・
合金化熱処理の過程で、偏析による不均一組織が形成さ
れ、材質特性を劣化させるという問題点があった。

【０００４】このような問題点を解決するための手段と
して、１９７４年発行のＰｏｗｄｅｒＭｅｔａｌｌｕ
ｒｇｙ誌ｖｏｌ．１７の２７１ページ〜２８７ページ記
載の複合粉末を利用する方法がある。すなわち、主要金
属粉末と相対的に微細な母合金粉末を混合し、成形用の
容器に充填する前に予備焼結を行うことにより、主要金
属粉末の周囲に母合金粉末が、本格的な合金化が起きな
い程度の軽度に緩やかに結合した複合粉末を製造すると
いう方法である。この複合粉末を充填すると、主要金属
粉末と母合金粉末の分離が起きないため、その後の焼結
・合金化熱処理過程で偏析による不均一組織は形成され
ない。しかも、予備焼結では、本格的な合金化は起こっ
ていないので、主要金属粉末の優れた成形性は損なわれ
ることがない。

【０００５】このように複合粉末を利用すると、均質な
充填および成形が可能で、偏析の無い均質な材質特性を
得ることができるが、チタンはきわめて活性な金属であ
るため、チタン粉末と母合金粉末を混合し予備焼結を行
うと、図１（ａ），（ｂ）に示すように、チタン粉末と
母合金粉末の緩やかな結合を達成することが難しく、き
わめて短時間で合金化が進行し成形性が低下したり、合
金化した粉末どうしの焼結の進行により粗大な粉末とな
るという問題点があった。さらに、熱処理工程が１つ増
えるため、酸素の侵入量が多くなり、成形性や材質特性
に悪影響をおよぼすという欠点があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
を解消しようとするものであり、チタン粉末と母合金粉
末からなり、優れた成形性を有する複合粉末を製造する
ための方法を提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、粉末冶金
製チタン合金の材質特性改善のためには、偏析の無い均
質な素材を製造することがきわめて重要であるとの観点
から、チタン粉末と母合金粉末からなる複合粉末の製造
方法開発に日々努力を重ねた結果、優れた成形性を保持
した複合粉末を、容易に製造するための方法を見いだし
た。すなわち、本発明は、（１）水素化チタン粉末と相対的に微細な母合金粉末を
混合し、１×１０^-3Torr以下の圧力の真空雰囲気で４５
０℃以上８００℃以下の温度に、１０分以上１０時間以
下の時間加熱保持することを特徴とするものであり、（２）前項（１）の工程を実施後、さらに機械的粉砕を
行うことを特徴とするものである。

【０００８】なお、本発明における母合金粉末として
は、相対的に微細である２種類以上の粉末を混合して用
いても良いし、母合金粉末には合金元素だけでなくＴｉ
が含まれていても良い。例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合
金を製造する場合、（６０Ａｌ−４０Ｖ）母合金粉末を
用いても良いし、（５０Ａｌ−５０Ｔｉ）母合金粉末と
（５０Ａｌ−５０Ｖ）母合金粉末を混合して使用しても
良い。さらに、（８５Ｖ−１５Ａｌ）母合金などと上記
の母合金を様々に組み合わせて混合して使用することも
可能である。また、水素化チタン粉末には、Ｔｉの他、
通常のチタン粉末に含まれているのと同程度のＦｅ，
Ｏ，Ｃ，Ｎが不純物として含まれていてもかまわない。

【０００９】

【作用】以下、本発明について詳細に説明する。本発明
（１）では、水素化チタン粉末と相対的に微細な母合金
粉末を混合し、１×１０^-3Torr以下の圧力の真空雰囲気
で４５０℃以上８００℃以下の温度に、１０分以上１０
時間以下の時間加熱保持する。これは、きわめて活性で
あるチタン粉末の代わりに、チタン粉末に比べると活性
度の劣る水素化チタン粉末を相対的に微細な母合金粉末
と混合し、予備焼結を行うことにより、チタンと母合金
粉末の行き過ぎた反応を抑制し、両者が緩やかに結合す
る程度の適度な反応にとどめることを第１の目的として
いる。さらに、予備焼結を１×１０^-3Torr以下の圧力の
真空で行うことにより、脱水素処理を同時に行い、水素
化チタン粉末をチタン粉末に変換することを第２の目的
としている。この工程により、図２に示すように、混合
状態（ａ）から予備焼結でチタン粉末の周囲に母合金粉
末が緩やかに結合した複合粉末（ｂ）を製造することが
できる。このとき、チタン粉末と母合金粉末は緩やかな
結合をしているに過ぎず、合金化はわずかしか進行して
いないため、チタン粉末の持つ良好な成形性は損なわれ
ない。また、水素化チタン粉末を脱水素しチタン粉末を
得るという方法は、チタン粉末を得るための最も一般的
な方法の一つであり、本発明（１）の工程は、この脱水
素処理を予備焼結と兼ねて行うので、熱処理工程数の増
加は無い。したがって、余分な酸素吸収も無く、また、
製造コストの増加も無い。

【００１０】ここで、本発明（１）の加熱保持温度を４
５０℃以上としたのは、４５０℃未満の温度では、水素
化チタン粉末と母合金粉末の反応が過度に抑制され、水
素化チタン粉末の周囲に母合金粉末が十分に付着せず、
良好な複合粉末が得られないからである。また、脱水素
反応も著しく遅延し、効果的でない。一方、加熱保持温
度を８００℃以下としたのは、これを越える温度では、
水素化チタン粉末と母合金粉末の反応が活発になり過
ぎ、合金化が進行し、成形性が低下するとともに、合金
化した粉末どうしが粗大な焼結体を生じ、良好な複合粉
末を得ることができないという理由による。また加熱保
持時間を１０分以上１０時間以下としたのは、次の理由
による。すなわち、１０分未満の時間では、水素化チタ
ン粉末と母合金粉末の反応が不十分で、水素化チタン粉
末の周囲に母合金粉末が緩やかに結合した、良好な複合
粉末が得られない。また、脱水素反応も不十分である。
また、１０時間以上の時間では、脱水素はほとんど完了
しており、水素化チタンはすでに活性なチタンとなって
いて、母合金との反応がきわめて活発となり、合金化が
進行するために、成形性が損なわれ、さらに粉末も粗大
となる。また、本発明（１）では、１×１０^-3Torr以下
の圧力の真空で熱処理を行うこととしたのは、これを越
える圧力の真空度では、脱水素が十分達成できない理由
と、酸素などの不純物がチタン中に侵入し、成形性や材
質特性を劣化させるという理由による。

【００１１】本発明（２）では、本発明（１）の工程を
実施後、さらに機械的粉砕を行う。これは、本発明
（１）の効果をさらに高めるための工程である。すなわ
ち、本発明（１）の工程を実施することにより得られた
複合粉末のうち、若干の量の複合粉末は、図３に示すよ
うに複合粉末どうしが結合し、粗大な粉末となってい
る。これらを粉砕し、微細な複合粉末にすることが本工
程の目的である。さて、このような複合粉末どうしが結
合した粗大粉末は、図３に示すように、チタン粉末どう
しではなく、母合金粉末の部分で結合しているのが特徴
である。そして母合金粉末は、一般にきわめて脆い金属
間化合物であるので、機械的粉砕を行うと、この母合金
部分で破砕し、きわめて容易に微細な複合粉末を得るこ
とができる。しかも、チタン粉末はほとんど塑性変形し
ないのでチタンは硬化せず、したがって成形性も損なわ
れない。

【００１２】

【実施例】Ｔｉ−６Ａｌ−４ＶおよびＴｉ−５Ａｌ−
２．５Ｆｅを製造するために、本発明を適用して複合粉
末を製造した場合を例に、本発明についてさらに詳しく
説明する。水素化チタン粉末は、平均篩寸法１２０μ
ｍ、最大篩寸法１５０μｍの粉末を使用した。この水素
化チタン粉末には３．９重量％の水素が含まれている。
またＴｉ−６Ａｌ−４Ｖを製造するために使用した母合
金粉末は、（６０Ａｌ−４０Ｖ）母合金粉末で、平均篩
寸法４０μｍ、最大篩寸法７０μｍである。また、Ｔｉ
−５Ａｌ−２．５Ｆｅを製造するための合金元素添加
は、（２８．６Ｔｉ−７１．４Ａｌ）母合金粉末と（５
０Ｔｉ−５０Ａｌ）母合金粉末を混合して用いることに
より行った。この２種類の母合金の平均篩寸法はいずれ
も３０μｍで、最大篩寸法はいずれも６０μｍである。
なお、一部の比較材を製造するために、水素化チタン粉
末を脱水素することにより製造したチタン粉末を用いた
が、このチタン粉末の篩寸法は水素化チタンとまったく
同じである。

【００１３】表１および表２に示すような工程を行った
粉末試料は、平均篩寸法および最大篩寸法を測定すると
ともに、プレス成形試験機を用いて成形性を評価した。
成形性は、同じ成分の溶解材合金の密度を１００％とし
た場合、成形後の密度が８０％以上となるのに必要な成
形圧で評価した。これらの試験結果を表３および表４に
示す。

【００１４】

【表１】

【００１５】

【表２】

【００１６】

【表３】

【００１７】

【表４】

【００１８】表１および表３において、試験番号１は比
較例としてチタン粉末の成形性を調べた結果である。８
０％相対密度に要す成形圧は４６５MPa であった。表２
にて、試験番号２は、（６０Ａｌ−４０Ｖ）母合金粉末
とチタン粉末を混合し予備焼結した場合で、試験番号３
は（７１．４Ａｌ−２８．６Ｔｉ）母合金と（５０Ｔｉ
−５０Ｆｅ）母合金とチタン粉末と混合し予備焼結した
場合であり、それぞれ、Ｔｉ−６Ａｌ−４ＶおよびＴｉ
−５Ａｌ−２．５Ｆｅの複合粉末を製造するための従来
法に相当する。表３に示すように、試験番号２，３とも
に、篩寸法が著しく粗大化しており、平均篩寸法は２５
０μｍ、最大篩寸法は５００μｍ以上となっている。ま
た、成形性も著しく損なわれており、８０％相対密度に
要する成形圧は６００MPa 以上となっている。これは、
チタンがきわめて活性な金属であるため、予備焼結中
に、焼結や合金化が進行し、さらに、酸素量も増加し、
粉末が著しく粗大化するとともに、成形性が低下したも
のである。

【００１９】一方、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖに対して行った
本発明（１）の実施例である試験番号４、およびＴｉ−
５Ａｌ−２．５Ｆｅに対して行った本発明（１）の実施
例である試験番号５では、表３に示すように、平均篩寸
法は、チタン粉末の場合よりもやや大きいものの１５０
μｍ〜１６０μｍと微細で、最大篩寸法も３００μｍ以
下と比較的微細である。また、８０％相対密度に要する
成形圧も５００MPa 以下で、良好な値である。これは、
チタン粉末に比べると不活性な水素化チタン粉末の周囲
に、母合金粉末が緩やかに結合し、同時に水素化チタン
が脱水素されチタン粉末に変換されたためである。

【００２０】さて、表２において、試験番号７，９，１
１はＴｉ−６Ａｌ−４Ｖに対して本発明（１）を適用し
た場合の実施例であり、試験番号６，８，１０，１２，
１３は比較例である。表４に示すように、本発明（１）
の実施例である試験番号７，９，１１は、いずれも平均
篩寸法が１７０μｍ以下で、最大篩寸法が３００μｍ以
下で、比較的微細な粉末であり、かつ、８０％相対密度
に要す成形圧が５００MPa 以下で、良好な成形性が維持
されている。これに対し、試験番号６，８，１０，１
２，１３は、表４に示すように、いずれも８０％相対密
度に要す成形圧も５００MPa を越えており、チタン粉末
の優れた成形性が失われている。また、試験番号８およ
び１３では、最大篩寸法が３００μｍを越えて粗大化し
ている。さらに、試験番号１０，１２では、平均篩寸法
および最大篩寸法が、予備焼結前の水素化チタン粉末の
それらと同じ程度あるいはそれ以下となっており、母合
金粉末が十分にチタン粉末の周りに付着していないこと
を示している。

【００２１】このように、試験番号６，８，１０，１
２，１３では良好な複合粉末が得られなかったが、この
理由は次のとおりである。試験番号６では、予備焼結の
雰囲気の圧力が本発明（１）の上限値よりも高かったた
め、脱水素が不十分で硬い水素化物が残存し、また酸素
の侵入により硬化し、成形性が低下した。試験番号８で
は、加熱温度が本発明（１）の上限値よりも高かったた
め、水素化チタン粉末と母合金粉末の反応が過度に活発
となり、生成した複合粉末が粗大化するとともに、合金
化の進行により成形性が低下した。試験番号１０では、
加熱保持温度が本発明（１）の下限値未満であったた
め、脱水素が不十分で硬い水素化物が残存し、成形性が
低下した。また、この試料では、水素化チタン粉末と母
合金粉末の反応が過度に抑制されたため、水素化チタン
粉末の周りに母合金元素粉末が十分に付着しなかった。
試験番号１２では、加熱保持時間が本発明（１）の下限
値未満であったため、脱水素が不十分で、硬い水素化物
が残存し、成形性が低下した。また、水素化チタン粉末
と母合金粉末の反応が不十分で、水素化チタン粉末の周
囲に母合金粉末が十分に付着しなかった。試験番号１３
では、加熱保持時間が本発明（１）の上限値よりも長か
ったため、脱水素完了後のチタンと母合金の活発な反応
により、合金化が進行し、成形性が低下するとともに、
篩寸法も大きくなった。

【００２２】表２において、試験番号１４および１５は
それぞれ、Ｔｉ−６Ａｌ−４ＶおよびＴｉ−５Ａｌ−
２．５Ｆｅを製造するための複合粉末製造に本発明
（２）を適用した実施例である。すなわち、本発明
（１）を適用した、試験番号４および５をさらに、振動
ボールミルで１５分間機械的粉砕を行ったものである。
表４に示すように、試験番号１４および１５は、それぞ
れ試験番号４および５よりも微細な粉末となっており、
いずれも最大篩寸法は２００μｍ以下である。また８０
％相対密度に要す成形圧も、４７０MPa で、チタン粉末
の場合とほとんど同じであり、きわめて良好な複合粉末
が得られている。これは、試験番号４あるいは５におい
て、若干量含まれていた篩寸法１９０μｍ〜２８０μｍ
の複合粉末が、機械的粉砕により、脆い母合金部分で粉
砕し、微細化したためである。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明を適用する
ことにより、偏析の無い均質な素材を製造するための素
材として、チタン粉末と母合金粉末からなる複合粉末
を、チタン粉末の優れた成形性を損なうことなく、容易
に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）はチタン粉末と母合金粉末を混合した状
態を示し、（ｂ）はこれを従来の予備焼結した場合の変
化を示す模式図である。

【図２】本発明（１）の処理を適用した場合であって、
（ａ）は水素化チタン粉末と母合金粉末を混合した状態
を示し、（ｂ）は本発明の予備焼結した場合の変化を示
す模式図である。

【図３】本発明（２）を適用した場合の変化を示す模式
図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−303017（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−87802（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22F 1/00 - 9/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】水素化チタン粉末と相対的に微細な母合
金粉末を混合し、１×１０^-3Torr以下の真空雰囲気中、
４５０〜８００℃の温度域に１０分以上１０時間以内加
熱、保持することを特徴とするチタン粉末と母合金粉末
からなる複合粉末の製造方法。
【請求項２】水素化チタン粉末と相対的に微細な母合
金粉末を混合し、１×１０^-3Torr以下の真空雰囲気中、
４５０〜８００℃の温度域に１０分以上１０時間以内加
熱、保持した後、機械的粉砕を行うことを特徴とするチ
タン粉末と母合金粉末からなる複合粉末の製造方法。