JPH0633165A

JPH0633165A - 焼結チタン合金の製造法

Info

Publication number: JPH0633165A
Application number: JP4194319A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Yamazaki; 達夫山崎; Hideki Fujii; 秀樹藤井; Kazuhiro Takahashi; 一浩高橋; Michio Tamura; 道夫田村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-07-21
Filing date: 1992-07-21
Publication date: 1994-02-08

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、本来の合金の特性を損なうことな
く、なおかつ安価な製造コストで焼結チタン合金を製造
するための方法を提供する。【構成】素粉末混合法により焼結チタン合金を製造す
るにあたり、Ｔｉ粉末の代わりに、Ｔｉ粉末および（Ｔ
ｉ−Ｈ）合金粉末およびＴｉＨ₂粉末をＨ：Ｔｉが質量
比で０．００２以上で０．０３０未満となるように配合
したものに、合金成分の粉末を添加混合し、ＣＩＰ（冷
間等方圧成形）などにより圧粉体の成形を行い、真空焼
結あるいは不活性雰囲気下での焼結を行う。あるいは、
焼結後さらにＨＩＰ処理を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は焼結チタン合金の製造方
法に関する。さらに詳しくは、素粉末混合法による焼結
チタン合金の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】粉末冶金法は、材料を最終形状に近い形
状にまで造形できるため、加工性や成形性あるいは被削
性の乏しいチタン合金等の製品を得るための製造法とし
て適している。とりわけ、純チタン粉末と合金化用添加
粉末を機械的に混合して、プレスもしくはＣＩＰ（冷間
等方圧成形）にて所定形状に成形し、真空もしくは不活
性ガス雰囲気中で焼結および合金化熱処理を同時に行
い、その後必要に応じてＨＩＰ（熱間等方圧成形）や鍛
造等の高密度化処理を行う素粉末混合法は、焼結以前
には軟質なチタン粉末が原料の大部分を占めるので良好
な成形性を有し、室温において精密な形状の圧粉体を製
造し得る。素材粉末の混合比を変えて、組成の異なる
各種の合金を製造することができる。などの利点を持っ
ている。

【０００３】原料であるチタン粉末としては、廉価なも
のとして、ハンター法によるスポンジチタンの製造時に
発生する粉末である、いわゆるスポンジファインの使用
が考えられる。しかしスポンジファインは多量の塩素を
含有しており、真空熱処理工程では十分な塩素の除去が
できないため、製品中に残留する塩素に起因する多量の
空孔が発生し、その結果、焼結チタン合金の機械的特性
の劣化を招く。したがって素粉末混合法においてスポン
ジファイン粉末を原料粉末として使用することは、チタ
ン合金の優れた特性を活かしているとは言えない。この
ように、原料であるチタン粉末は塩素含有量が低いこと
が必須であり、現状ではチタン粉末は純チタンインゴッ
トの粉砕により得られている。

【０００４】しかしながら、純チタンは延性が良好で、
通常の機械的な方法では粉砕が困難である。そこで、チ
タン粉末の製造には、チタンの脆化を目的として水素化
処理を行い、所定粒子径に粉砕を行った後、さらに脱水
素熱処理を行うというＨＤＨ処理を施す必要がある。こ
のＨＤＨ処理は、チタン粉末の水素量を通常のチタン合
金の水素含有量である、０．０２重量％以下にまで脱水
素するのに、６〜２０時間にわたる長時間の真空熱処理
が必要であり、非常に高価な原料となっている。

【０００５】したがって、このような原料粉末を使用し
ている素粉末混合法によるチタン合金の製造コストは極
めて高価であり、コストの低減が要請されている。

【０００６】一方、「Powder Metallurgy Internationa
l 誌」（1974年発行）No.2、第６６頁に記載されている
ように、焼結純チタン材においては原料粉末に水素化チ
タン粉末や水素化チタン粉末とチタン粉末の混合粉末を
使用し、脱水素工程と焼結工程を同時に行う方法があ
る。この方法では、脱水素工程を行わない安価な水素化
チタン粉末を使用でき、なお熱処理工程が１工程省略で
きるのでチタン合金の特性に悪影響を及ぼす酸素による
汚染が軽減される利点がある。さらに、水素化チタン粉
末に含まれる多量の転位によりチタンの拡散が活性化さ
れ、チタン粉末のみを使用した場合より低温短時間で焼
結が進行する利点がある。

【０００７】しかしながら、この方法は、素粉末混合法
による焼結チタン合金の製造方法には直接的用はできな
い。その理由は以下に述べる通りである。まず、チタン
合金は、Ａｌ，Ｖ，Ｆｅ，ＭｏなどのＴｉ以外の元素を
多量に含み、これらの合金元素は水素と強く相互作用す
る。このため、水素を含む原料粉末を使用した焼結チタ
ン合金の製造は、焼結純チタンの製造に比べ、脱水素熱
処理に非常に長い時間が必要となる。この時一部の水素
は焼結の進行に従って、素材内部に残存する空孔にガス
として閉じ込められる。素材中に閉じ込められた水素ガ
スは、昇温および脱水素によるガス圧力の上昇に伴い、
再び素材に溶け込み、材料表面から抜け出るという過程
を経なくては素材の外部に排出されないため、脱水素に
さらに時間がかかることになる。同時に水素ガスの圧力
のため素材内部の空孔の消滅が遅れ、焼結の進行が阻害
される。さらに焼結時に抜けきれず素材中に残留した水
素は、チタン合金を脆化させるなど特性に悪影響を及ぼ
す。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、素粉末混合
法により焼結チタン合金を製造するにあたり、本来チタ
ン合金の有する優れた特性を損なうことなく、なおかつ
安価な製造コストで製造するための方法を提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、（１）素粉末混合法によって焼結チタン合金を製造する
方法において、チタン粉末の代わりに、チタン粉末及び
（Ｔｉ−Ｈ）合金粉末及び水素化チタン粉末を用いて水
素：チタンが質量比で０．００２以上で０．０３０未満
となるように配合した粉末を原料粉末として使用するこ
とを特徴とする。（２）上記（１）の処理により配合された粉末を原料粉
末として使用し、圧粉体の成形を３００MPa 以上で６０
０MPa 以下の圧力でＣＩＰ（冷間等方圧成形）により行
うことを特徴とする。（３）上記（２）の処理により作製された圧粉体を、焼
結後ＨＩＰ（熱間等方圧成形）処理を行うことを特徴と
するものである。

【００１０】本発明において、水素化チタン粉末とは、
チタン中に３．０重量％以上の水素を含有する粉末であ
り、この粉末の大部分はＴｉＨ₂が占める。また（Ｔｉ
−Ｈ）合金粉末とは、チタン中の水素含有量が０．２重
量％以上３．０重量％未満の粉末で、α−Ｔｉ相とＴｉ
Ｈ₂相の２相を主相とする粉末であり、例えばＴｉ−１
％Ｈ，Ｔｉ−２％Ｈ等の合金粉末をいう。配合した粉末
とはチタン粉末および水素化チタン粉末および（Ｔｉ−
Ｈ）合金粉末のうち１種類もしくは２種類以上を混合
し、チタン以外に水素を含んだ状態の混合粉末であり、
本発明中においては、（Ｔｉ−Ｈ）合金１種類のみを使
用した場合や、チタンと（Ｔｉ−Ｈ）合金、チタンと水
素化チタン粉末などの２種類の粉末を配合した場合や、
さらにチタンと（Ｔｉ−Ｈ）合金と水素化チタン粉末と
３種類以上の粉末を配合した場合など、いずれの配合を
使用しても良い。なお、水素：チタンの質量比０．００
２とは、水素量で換算した場合０．２重量％に相当し、
０．０３０とは２．６重量％に相当する。

【００１１】また、本発明において焼結チタン合金とは
Ｔｉと、Ａｌ，Ｖ，Ｆｅやこれら以外の合金成分および
０．７重量％未満のＯ，Ｎ，Ｃ，Ｈといった不純物から
なるチタン合金であり、例えばＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合
金，Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金，Ｔｉ−５Ａｌ−２．
５Ｆｅ合金等の合金である。このような焼結チタン合金
を素粉末混合法により製造するに際して、Ａｌ，Ｖ，Ｆ
ｅその他の合金成分は、例えばＡｌ−Ｖ，Ａｌ−Ｆｅ，
Ｔｉ−Ａｌ，Ｔｉ−Ｆｅ，Ｔｉ−Ａｌ−Ｆｅ，などのよ
うな母合金粉末を混合することによって添加しても良い
し、Ａｌ粉末，Ｖ粉末，Ｆｅ粉末などの金属元素粉末を
それぞれ所定成分に混合しても良い。

【００１２】

【作用】以下、本発明を詳細に説明する。本発明者ら
は、水素化チタン粉末の利用に関して研究を重ねた結
果、素粉末混合法において焼結チタン合金を製造するに
あたり、原料粉末に水素化チタン粉末および（Ｔｉ−
Ｈ）合金粉末とチタン粉末を特定量混合した粉末を使用
すると、合金元素の拡散が著しく速くなり、焼結時の合
金化が促進されることを見出した。本発明はこの新規知
見に基づくものである。すなわち、素粉末混合法の焼結
熱処理工程の２大目的である粉末の焼結と合金化におい
て、前者の遅延を後者で補おうとするものである。

【００１３】原料粉末中に水素が含まれる場合、水素を
含まないチタン粉末を使用する場合と比べ、合金元素の
拡散が速くなるのは次の理由による。すなわち、水素は
β相安定化元素であるので、チタン中に水素を含有させ
ることにより、高温相であるβ相がより低温で出現す
る。このβ相中では、α相と比べＡｌ，Ｖ，Ｆｅ，Ｍｏ
等の金属合金元素は著しく速くなり、焼結の早期段階に
β相が低温から生じ、合金化が著しく加速される。

【００１４】この効果を十分活用するには、Ｈ：Ｔｉの
質量比で０．００２以上、０．０３０未満とする必要が
ある。すなわち、Ｈ：Ｔｉの質量比を０．００２以上に
限定したのは、これに満たない量しか添加しなかった場
合、水素添加による合金元素の拡散の活性化が十分でな
く、合金化促進効果が十分に現れないからである。ま
た、大部分の原料が既に脱水素工程を経たチタン粉末を
使用することになり、省工程による低コスト化の利点が
少ない。水素量の上限値をＨ：Ｔｉを質量比で０．０３
０未満としたのは、これ以上の水素含有量では合金化の
活性化よりも素材中の空孔内の水素ガス圧の増加による
焼結の遅延効果が勝り、本発明の効果が十分でなくなる
ためである。さらに、水素量を上限値より多くした場
合、急激に成形性が悪化し、成形体の密度が十分でな
く、さらには割れのために成形体が得られないこともあ
る。

【００１５】本発明の請求項２の発明では、粉体の成形
をＣＩＰで行うこととした。ＣＩＰは、ダイプレス等の
１軸方向で圧縮成形する方法と異なり、素材に均一な圧
力を付与でき疎密の無い均質な成形体が得られるため、
脱水素がスムーズになり、有利な成形方法である。

【００１６】本発明の請求項３では、真空焼結後にＨＩ
Ｐ処理を行う。これは焼結後わずかに残留する空孔を消
滅させ、さらにチタン合金の特性を向上させるためであ
り、焼結チタン合金の製造では通常９００℃から１００
０℃の間で行われる。

【００１７】

【実施例】Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ（Ａｌ：６重量％，Ｖ：
４重量％，残部：実質的にＴｉ、少量の不純物を含む）
に対して本発明を適用した場合を例に基づいて、さらに
詳しく説明する。

【００１８】原料粉末は、平均粒径は７５μｍ、最大粒
径１５０μｍのＴｉ粉末および平均粒径７５μｍ、最大
粒径１５０μｍのＴｉＨ₂粉末（水素量４重量％）およ
び、平均粒径７５μｍ、最大粒径１５０μｍの（Ｈ−Ｔ
ｉ）合金粉末を使用した。添加合金成分であるＡｌおよ
びＶは、平均粒径３０μｍ、最大粒径４５μｍのＡｌＶ
母合金粉末（Ａｌ：６０重量％，Ｖ：４０重量％）を使
用し、Ｔｉ対母合金の重量比を９：１となるように混合
した。

【００１９】表１は、種々のチタン粉末混合体の圧粉体
を成形し、さらに毎分４０℃で昇温し、保持温度を１２
５０℃として真空焼結した場合、９５％以上の相対密度
を得るのに必要な焼結時間を測定した結果である。ここ
でいう相対密度とは、同じ組成の合金を溶解法により製
造した場合に得られる試料の密度を１００％とした場合
の比であり、粉末冶金法では経験的に９５％以上の相対
密度を有する焼結体は、その後のＨＩＰ処理により１０
０％相対密度になることが知られている。

【００２０】

【表１】

【００２１】表１にて試験番号１はＨＤＨ−Ｔｉ粉末と
６０Ａｌ−４０Ｖ母合金粉末を９：１の割合で混合した
粉末を原料とした場合で、従来法に相当する。この混合
粉末をＣＩＰにより４９０MPa で成形し、１２５０℃で
真空焼結を行うと、９５％以上の相対密度を得るには２
時間の焼結時間が必要である。

【００２２】試験番号４は原料粉末を試験番号１で使用
したＨＤＨ−Ｔｉ粉末の代わりにＨＤＨ−Ｔｉ粉末とＴ
ｉＨ₂粉末を６：３の比率で配合し、Ｈ：Ｔｉの質量比
を０．０１４と本発明の請求範囲内の水素量を含む混合
粉末を用いた試験である。試験番号１と同様に成形をＣ
ＩＰにて４９０MPa で行い、１２５０℃で真空焼結し
た。この場合、９５％以上の相対密度を得るには１時間
４０分の焼結時間で可能であり、原料粉末への水素添加
効果のβ相の低温発生による合金元素拡散の活性化効果
が、水素ガスの発生による焼結の阻害する効果より勝る
ため、従来法より短時間での終結が可能となっている。

【００２３】試験番号３および５の原料チタン粉末の水
素量をそれぞれ本発明請求範囲内の下限値および上限値
近くに設定した配合粉末を使用している。これらの場合
９５％以上の相対密度に到達する焼結時間は従来法より
若干長めであるが、これは水素添加による合金拡散の活
性化の効果がガス発生による焼結阻害の効果を相殺した
ためであり、十分実用的な範囲にある。

【００２４】一方、本発明の比較例である、試験番号２
では、表１に示すように９５％以上の焼結密度を得るに
は３時間以上という長時間の熱処理が必要となる。この
理由は、Ｈ：Ｔｉの質量比が０．００１と本発明の請求
範囲の下限値より少ないため、水素添加による合金元素
拡散の活性化が十分でなく、焼結の促進効果が現れず、
ガス閉じ込めによる焼結の遅延が顕著になったためであ
る。また、試験番号６は本発明の請求範囲の水素量の上
限値の０．０３０以上であるため、合金化の活性化より
も素材中の空孔中の水素ガス圧の増加による焼結の遅延
効果が勝り、本発明の効果が十分でなくなるためであ
る。

【００２５】試験番号７は（Ｔｉ−１％Ｈ）合金粉末を
試験番号８は（Ｔｉ−２％Ｈ）合金粉末をそれぞれ原料
粉末として使用した実施例である。これらの場合も９５
％以上の相対密度に到達するために必要な焼結時間は約
２時間程度あり、水素添加の効果が十分に現れている。
試験番号９は（Ｔｉ−２％Ｈ）粉末とＴｉＨ₂粉末の２
種類の粉末を配合した場合で試験番号１１は（Ｔｉ−２
％Ｈ）粉末とＴｉＨ₂粉末およびＴｉ粉末の３種類の粉
末を配合した場合の実施例である。両者とも十分実用的
な焼結時間内で９５％の相対密度に到達している。この
ように原料粉末中の水素の含有状態が異なる場合でも、
水素添加による合金拡散の活性化が脱水素反応の遅れや
水素ガス発生による焼結の遅延を補い、十分に本発明の
効果が達成される。

【００２６】一方、試験番号１０は試験番号９と同様に
（Ｔｉ−２％Ｈ）粉末とＴｉＨ₂粉末の２種類の粉末を
配合した場合の比較例であるが、本発明の請求範囲の水
素量の上限値の０．０３０以上であるため、本発明の効
果が十分でなく、９５％の相対密度を得るために６時間
と長時間の焼結が必要である。

【００２７】試験番号１２は、原料粉末を試験番号４と
同様の配合比率にしたものを使用し、成形をＣＩＰの代
わりにダイプレスにて行った試料に対して真空焼結を施
した結果である。この場合では、焼結時間が２時間で９
５％以上の相対密度に到達しており、本発明の効果は十
分である。しかし、ＣＩＰ成形を行った試験番号４より
長時間の焼結が必要である。この理由は、ダイプレスが
１軸方向での圧縮成形であるため、成形された試料の位
置により密度に粗密ができるのと比べ、ＣＩＰは素材に
均一な圧力を付与し均質な成形体が得られるので、ＣＩ
Ｐで成形した試料の方が焼結時に発生した水素ガスを素
材外へよりスムーズに排出するためである。このように
ダイプレス法で成形を行っても、本発明の効果は期待で
きるが、ＣＩＰ法で成形を行うことにより効果は更なる
ものとなる。

【００２８】表２において試験番号１３，試験番号１４
はそれぞれ従来法である試験番号１および本発明の実施
例である試験番号４で作製された焼結体に９００℃、１
２０MPa 、２時間のＨＩＰ処理を行い、引張試験を行っ
た結果である。表２に示すように原料粉末に水素を添加
した粉末を使用しても、従来法と同様に１００％の相対
密度が得られ、引張試験も遜色ない結果が得られてお
り、本発明の請求範囲内では残留水素による特性の劣化
は見られず、ＨＩＰ処理により、焼結チタン合金の特性
をさらに向上させることができる。

【００２９】

【表２】

【００３０】

【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、本来チタン合金の有する優れた特性を損な
うことなく、なおかつ安価な製造コストで製造するため
の方法を提供ことができる。

フロントページの続き (72)発明者田村道夫兵庫県姫路市広畑区富士町１番地新日本製鐵株式会社広畑製鐵所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】素粉末混合法によって焼結チタン合金を
製造する方法において、チタン粉末の代わりに、チタン
粉末及び（Ｔｉ−Ｈ）合金粉末及び水素化チタン粉末を
水素：チタンが質量比で０．００２以上で０．０３０未
満となるように配合した粉末を原料粉末として使用する
ことを特徴とする焼結チタン合金の製造方法。
【請求項２】素粉末混合法によって焼結チタン合金を
製造する方法において、チタン粉末の代わりに、チタン
粉末及び（Ｔｉ−Ｈ）合金粉末及び水素化チタン粉末を
水素：チタンが質量比で０．００２以上で０．０３０未
満となるように配合した粉末を原料粉末として使用し、
圧粉体の成形を３００MPa 以上で６００MPa 以下の圧力
でＣＩＰ（冷間等方圧成形）により行うことを特徴とす
る焼結チタン合金の製造方法。
【請求項３】素粉末混合法によって焼結チタン合金を
製造する方法において、チタン粉末の代わりに、チタン
粉末及び（Ｔｉ−Ｈ）合金粉末及び水素化チタン粉末を
水素：チタンが質量比で０．００２以上で０．０３０未
満となるように配合した粉末を原料粉末として使用し、
圧粉体の成形を３００MPa 以上で６００MPa 以下の圧力
でＣＩＰ（冷間等方圧成形）により行い、焼結後ＨＩＰ
（熱間等方圧成形）処理を行うことを特徴とする焼結チ
タン合金の製造方法。