JPH0741882A - 焼結チタン合金の製造方法 - Google Patents
焼結チタン合金の製造方法Info
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- JPH0741882A JPH0741882A JP5190613A JP19061393A JPH0741882A JP H0741882 A JPH0741882 A JP H0741882A JP 5190613 A JP5190613 A JP 5190613A JP 19061393 A JP19061393 A JP 19061393A JP H0741882 A JPH0741882 A JP H0741882A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明は、素粉末混合法にて焼結チタン合金
を製造する方法において、従来と同様の一般的な成形・
焼結条件で99.5%以上の高密度焼結チタン合金を、さら
には結晶粒の粗大化を抑制し従来より高い機械的特性を
有する焼結チタン合金を製造する方法を提供する。 【構成】 酸素量を制限した水素化脱水素法により製造
したチタン粉末を使用し、使用粉末全重量の40%以上70
%以下を粒径45から 150μmのチタン粉末、 5%以上20
%以下を平均粒径 3から10μmの合金元素添加用粉末、
残部を粒径10μm未満45μm以上のチタン粉末にするこ
とにより、高密度焼結チタン合金が得られる。さらには
Y,Er,Bの少なくとも一種類を当該合金の0.03から
0.5重量%含有する合金元素添加用粉末を使用すること
により、焼結密度を低下させることなく結晶粒の粗大化
を抑制し、高機械的特性が得られる。
を製造する方法において、従来と同様の一般的な成形・
焼結条件で99.5%以上の高密度焼結チタン合金を、さら
には結晶粒の粗大化を抑制し従来より高い機械的特性を
有する焼結チタン合金を製造する方法を提供する。 【構成】 酸素量を制限した水素化脱水素法により製造
したチタン粉末を使用し、使用粉末全重量の40%以上70
%以下を粒径45から 150μmのチタン粉末、 5%以上20
%以下を平均粒径 3から10μmの合金元素添加用粉末、
残部を粒径10μm未満45μm以上のチタン粉末にするこ
とにより、高密度焼結チタン合金が得られる。さらには
Y,Er,Bの少なくとも一種類を当該合金の0.03から
0.5重量%含有する合金元素添加用粉末を使用すること
により、焼結密度を低下させることなく結晶粒の粗大化
を抑制し、高機械的特性が得られる。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、粉末冶金法による焼結
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。
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】粉末冶金法は材料から最終形状に近い形
の製品を直接製造する、いわゆるニアーネットシェイプ
技術の一つで、加工性や成形性あるいは被削性に乏しい
チタン合金製品を得るための製造方法として適してい
る。特に、素粉末混合法はチタン粉末と合金元素添加用
粉末を混合して容器に充填し、これを圧力3〜8ton/cm
2で成形して圧粉体とした後、真空中1100〜130
0℃で1〜8時間の焼結と合金化熱処理を同時に行う方
法であり、焼結前に軟質のチタン粉末が大部分を占める
ことより良好な成形性を有しており室温において精密な
形状の圧粉体を得ることができるという利点を有してい
る。
の製品を直接製造する、いわゆるニアーネットシェイプ
技術の一つで、加工性や成形性あるいは被削性に乏しい
チタン合金製品を得るための製造方法として適してい
る。特に、素粉末混合法はチタン粉末と合金元素添加用
粉末を混合して容器に充填し、これを圧力3〜8ton/cm
2で成形して圧粉体とした後、真空中1100〜130
0℃で1〜8時間の焼結と合金化熱処理を同時に行う方
法であり、焼結前に軟質のチタン粉末が大部分を占める
ことより良好な成形性を有しており室温において精密な
形状の圧粉体を得ることができるという利点を有してい
る。
【0003】しかし、素粉末混合法は上記のような高温
・長時間の焼結を行っても焼結密度が不十分で内部ポア
が残存しているため疲労強度が低いという欠点がある。
これを解決する方法として、HIP処理により高密度化
し内部ポアを完全に消滅させ疲労強度を向上させる方法
があるものの、製造コストが著しく高くなる。
・長時間の焼結を行っても焼結密度が不十分で内部ポア
が残存しているため疲労強度が低いという欠点がある。
これを解決する方法として、HIP処理により高密度化
し内部ポアを完全に消滅させ疲労強度を向上させる方法
があるものの、製造コストが著しく高くなる。
【0004】これに対して特公平2−50172号公報
には、平均粒径40〜177μmのチタン粉末と、粉砕
により高エネルギーを付与した平均粒径0.5〜20μ
mの合金形成粒子(本発明中の合金元素添加用粉末に相
当する)を使用し、粉末の表面エネルギーを高くするこ
とにより、焼結段階で理論値に対して99.0%以上の
密度を得る方法が記載されている。
には、平均粒径40〜177μmのチタン粉末と、粉砕
により高エネルギーを付与した平均粒径0.5〜20μ
mの合金形成粒子(本発明中の合金元素添加用粉末に相
当する)を使用し、粉末の表面エネルギーを高くするこ
とにより、焼結段階で理論値に対して99.0%以上の
密度を得る方法が記載されている。
【0005】しかしこの方法はハンタースポンジファイ
ン(HSF)などの酸素を0.1重量%以下しか含有し
ない軟質のチタン粉末を使用した場合には、一般的な成
形・焼結条件で99.0%以上の高密度化が可能である
が、製造工程上0.1重量%を超える酸素を不可避的に
含有するため、硬質で成形性に劣る水素化脱水素法によ
り製造したチタン粉末(HDH粉末)を使用した場合に
は、上記の一般的な成形・焼結条件での高密度化は困難
であった。またHDH粉末は塩素を20ppm 以下しか含
んでおらず、塩素による結晶粒粗大化の抑制効果がない
ため塩素を0.05〜0.2重量%含むHSFを使用し
た場合と異なり焼結時に組織が粗大化し機械的特性、特
に疲労特性の劣化をもたらすという欠点もあった。
ン(HSF)などの酸素を0.1重量%以下しか含有し
ない軟質のチタン粉末を使用した場合には、一般的な成
形・焼結条件で99.0%以上の高密度化が可能である
が、製造工程上0.1重量%を超える酸素を不可避的に
含有するため、硬質で成形性に劣る水素化脱水素法によ
り製造したチタン粉末(HDH粉末)を使用した場合に
は、上記の一般的な成形・焼結条件での高密度化は困難
であった。またHDH粉末は塩素を20ppm 以下しか含
んでおらず、塩素による結晶粒粗大化の抑制効果がない
ため塩素を0.05〜0.2重量%含むHSFを使用し
た場合と異なり焼結時に組織が粗大化し機械的特性、特
に疲労特性の劣化をもたらすという欠点もあった。
【0006】一方、1980年 American Institute of
Mining, metallurgical, and Petroleum Engineers, I
nc. 発行の「Titanium '80 Science and Technology 」
1185頁に記載されているようにTiまたはTi−6
Al−4V溶製材にErあるいはYを約1重量%以下添
加すると、これらの酸化物が合金中に生成し、これが粒
成長を抑制するため組織が微細化されるという知見があ
るが、この知見を素粉末混合法に応用しY,Er,Y2
O3 ,Er2 O3 あるいはTiB2 ,B4 C,BNなど
のB含有化合物を単独で直接添加、混合すると、チタン
粉末や合金元素添加用粉末の接触を阻害し、かつ粉末表
面の移動をピン止めするためHDH粉末の焼結特性をさ
らに劣化させ、その結果疲労強度がさらに低下するとい
う欠点があった。
Mining, metallurgical, and Petroleum Engineers, I
nc. 発行の「Titanium '80 Science and Technology 」
1185頁に記載されているようにTiまたはTi−6
Al−4V溶製材にErあるいはYを約1重量%以下添
加すると、これらの酸化物が合金中に生成し、これが粒
成長を抑制するため組織が微細化されるという知見があ
るが、この知見を素粉末混合法に応用しY,Er,Y2
O3 ,Er2 O3 あるいはTiB2 ,B4 C,BNなど
のB含有化合物を単独で直接添加、混合すると、チタン
粉末や合金元素添加用粉末の接触を阻害し、かつ粉末表
面の移動をピン止めするためHDH粉末の焼結特性をさ
らに劣化させ、その結果疲労強度がさらに低下するとい
う欠点があった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、水素
化脱水素法により製造した極低塩素チタン粉末を用いた
粉末混合法にて焼結チタン合金を製造する方法におい
て、従来と同様の一般的な成形・焼結条件で99.5%
以上の高密度焼結チタン合金を、さらには結晶粒の粗大
化を抑制し従来より高い機械的特性を有する焼結チタン
合金を製造する方法を提供することを目的とする。
化脱水素法により製造した極低塩素チタン粉末を用いた
粉末混合法にて焼結チタン合金を製造する方法におい
て、従来と同様の一般的な成形・焼結条件で99.5%
以上の高密度焼結チタン合金を、さらには結晶粒の粗大
化を抑制し従来より高い機械的特性を有する焼結チタン
合金を製造する方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、(1)水素化脱水素法により製造した極低塩
素チタン粉末を用いた素粉末混合法で焼結チタン合金を
製造する方法において、使用粉末全重量の40%以上7
0%以下が、粒径45μm以上150μm以下で且つ
0.1重量%より多く0.24重量%以下の酸素を含有
するチタン粉末であり、使用粉末全重量の5%以上20
%以下が、平均粒径3μm以上10μm以下の合金元素
添加用粉末であり、残部が粒径10μm以上で45μm
未満で且つ0.2重量%以上0.37重量%以下の酸素
を含有するチタン粉末であることを特徴とする、焼結チ
タン合金の製造方法であり、(2)素粉末混合法にて焼
結チタン合金を製造する方法において、当該合金の0.
03重量%以上0.5重量%以下に相当する量のY,E
r,Bの少なくとも一種類を含有する合金元素添加用粉
末を使用することを特徴とする(1)記載の焼結チタン
合金の製造方法であり、(3)素粉末混合法にてAlを
含む焼結チタン合金を製造する方法において、合金元素
添加用粉末としてTi,Alの両元素とY,Er,Bの
少なくとも一種類を当該合金の0.03重量%以上0.
5重量%以下含有した粉末を使用することを特徴とする
(1)記載の焼結チタン合金の製造方法であり、(4)
素粉末混合法にてAl,Vを含む焼結チタン合金を製造
する方法において、合金元素添加用粉末としてAl,V
の両元素とY,Er,Bの少なくとも一種類を当該合金
の0.03重量%以上0.5重量%以下含有した粉末を
使用することを特徴とする(1)記載の焼結チタン合金
の製造方法であり、(5)素粉末混合法にてFeを含む
焼結チタン合金を製造する方法において、合金元素添加
用粉末としてTi,Feの両元素とY,Er,Bの少な
くとも一種類を当該合金の0.03重量%以上0.5重
量%以下含有した粉末を使用することを特徴とする
(1)記載の焼結チタン合金の製造方法であり、(6)
素粉末混合法にてAl,Feを含む焼結チタン合金を製
造する方法において、合金元素添加用粉末としてTi,
Al,Feの3元素とY,Er,Bの少なくとも一種類
を当該合金の0.03重量%以上1.5重量%以下含有
した粉末を使用することを特徴とする(1)記載の焼結
チタン合金の製造方法である。
本発明は、(1)水素化脱水素法により製造した極低塩
素チタン粉末を用いた素粉末混合法で焼結チタン合金を
製造する方法において、使用粉末全重量の40%以上7
0%以下が、粒径45μm以上150μm以下で且つ
0.1重量%より多く0.24重量%以下の酸素を含有
するチタン粉末であり、使用粉末全重量の5%以上20
%以下が、平均粒径3μm以上10μm以下の合金元素
添加用粉末であり、残部が粒径10μm以上で45μm
未満で且つ0.2重量%以上0.37重量%以下の酸素
を含有するチタン粉末であることを特徴とする、焼結チ
タン合金の製造方法であり、(2)素粉末混合法にて焼
結チタン合金を製造する方法において、当該合金の0.
03重量%以上0.5重量%以下に相当する量のY,E
r,Bの少なくとも一種類を含有する合金元素添加用粉
末を使用することを特徴とする(1)記載の焼結チタン
合金の製造方法であり、(3)素粉末混合法にてAlを
含む焼結チタン合金を製造する方法において、合金元素
添加用粉末としてTi,Alの両元素とY,Er,Bの
少なくとも一種類を当該合金の0.03重量%以上0.
5重量%以下含有した粉末を使用することを特徴とする
(1)記載の焼結チタン合金の製造方法であり、(4)
素粉末混合法にてAl,Vを含む焼結チタン合金を製造
する方法において、合金元素添加用粉末としてAl,V
の両元素とY,Er,Bの少なくとも一種類を当該合金
の0.03重量%以上0.5重量%以下含有した粉末を
使用することを特徴とする(1)記載の焼結チタン合金
の製造方法であり、(5)素粉末混合法にてFeを含む
焼結チタン合金を製造する方法において、合金元素添加
用粉末としてTi,Feの両元素とY,Er,Bの少な
くとも一種類を当該合金の0.03重量%以上0.5重
量%以下含有した粉末を使用することを特徴とする
(1)記載の焼結チタン合金の製造方法であり、(6)
素粉末混合法にてAl,Feを含む焼結チタン合金を製
造する方法において、合金元素添加用粉末としてTi,
Al,Feの3元素とY,Er,Bの少なくとも一種類
を当該合金の0.03重量%以上1.5重量%以下含有
した粉末を使用することを特徴とする(1)記載の焼結
チタン合金の製造方法である。
【0009】ここで、合金元素添加用粉末とはTiある
いは合金元素のうち2元素以上からなる母合金粉末ある
いは合金化元素の単一金属粉末である。また合金元素添
加用粉末に含有されるY,Er,Bは単体でもよいし、
酸化物などの化合物、例えばY2 O3 ,Er2 O3 ,B
4 Cなどでもよい。さらにY,Er,Bのうち少なくと
も一種類を含有する合金元素添加用粉末を必要な合金元
素添加量の全部に使用してもよいし、一部に使用しても
よい。なお、本発明において、チタン合金中にはTiと
合金元素および0.4重量%以下の酸素の他、0.4重
量%未満のFe(Fe非含有合金の場合)、N,C,H
などの不純物を不可避的に含んでもよい。
いは合金元素のうち2元素以上からなる母合金粉末ある
いは合金化元素の単一金属粉末である。また合金元素添
加用粉末に含有されるY,Er,Bは単体でもよいし、
酸化物などの化合物、例えばY2 O3 ,Er2 O3 ,B
4 Cなどでもよい。さらにY,Er,Bのうち少なくと
も一種類を含有する合金元素添加用粉末を必要な合金元
素添加量の全部に使用してもよいし、一部に使用しても
よい。なお、本発明において、チタン合金中にはTiと
合金元素および0.4重量%以下の酸素の他、0.4重
量%未満のFe(Fe非含有合金の場合)、N,C,H
などの不純物を不可避的に含んでもよい。
【0010】
【作用】以下、本発明を詳細に説明する。本発明者等
は、酸素を0.1重量%より多く含むためハンタースポ
ンジファインより成形性に劣るものの、安定供給が可能
な水素化脱水素法により製造した極低塩素チタン粉末
(HDH粉末)を使用し、焼結段階で高密度で且つ高い
機械的特性を有する焼結チタン合金を得るため、粉末の
粒度分布、酸素量、組織制御などに関して研究を重ね
た。その結果、使用粉末の酸素含有量と粒度分布を最適
化することにより、さらには結晶粒成長を抑制する物質
の添加方法を工夫することにより、相対密度が99.5
%以上で高い機械的特性を達成できることを見いだし
た。ここで相対密度とは、同一な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
た場合の密度である。
は、酸素を0.1重量%より多く含むためハンタースポ
ンジファインより成形性に劣るものの、安定供給が可能
な水素化脱水素法により製造した極低塩素チタン粉末
(HDH粉末)を使用し、焼結段階で高密度で且つ高い
機械的特性を有する焼結チタン合金を得るため、粉末の
粒度分布、酸素量、組織制御などに関して研究を重ね
た。その結果、使用粉末の酸素含有量と粒度分布を最適
化することにより、さらには結晶粒成長を抑制する物質
の添加方法を工夫することにより、相対密度が99.5
%以上で高い機械的特性を達成できることを見いだし
た。ここで相対密度とは、同一な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
た場合の密度である。
【0011】本発明1(請求項1の発明)では、0.1
重量%より多く0.24重量%以下の酸素を含有し、粒
径が45μm以上150μm以下のHDH粉末を使用粉
末全重量の40%以上70%以下使用し、平均粒径3μ
m以上10μm以下の合金元素添加用粉末を使用粉末全
重量の5%以上20%以下使用し、残部が0.2重量%
以上0.37重量%以下の酸素を含有し、粒径が10μ
m以上で45μm未満のHDH粉末を使用することとし
た。このような特定の酸素含有量の粉末を特定の割合で
使用し、さらには特定の粒径の合金元素添加用粉末を特
定の割合で添加することにより、圧粉成形性や最終製品
の機械的特性を低下させる含有酸素量の大幅な上昇防止
と、粉末の充填率と焼結特性の向上による焼結密度上昇
の両者を同時に満たすことができる。
重量%より多く0.24重量%以下の酸素を含有し、粒
径が45μm以上150μm以下のHDH粉末を使用粉
末全重量の40%以上70%以下使用し、平均粒径3μ
m以上10μm以下の合金元素添加用粉末を使用粉末全
重量の5%以上20%以下使用し、残部が0.2重量%
以上0.37重量%以下の酸素を含有し、粒径が10μ
m以上で45μm未満のHDH粉末を使用することとし
た。このような特定の酸素含有量の粉末を特定の割合で
使用し、さらには特定の粒径の合金元素添加用粉末を特
定の割合で添加することにより、圧粉成形性や最終製品
の機械的特性を低下させる含有酸素量の大幅な上昇防止
と、粉末の充填率と焼結特性の向上による焼結密度上昇
の両者を同時に満たすことができる。
【0012】ここで使用するチタン粉末の粒径を10μ
m以上150μm以下にしたのは、150μmより粒径
が大きいと粉末の充填率が低下し十分な焼結密度が得ら
れないためであり、10μm未満にすると活性なチタン
では安全上取扱いが困難となるためである。さらに、粒
径45μm以上150μm以下のHDH粉末を使用粉末
全重量の40%以上70%以下としたのは、40%未満
では粒径が45μm未満のチタン粉末の割合が相対的に
増加し、製品の酸素量が上昇し機械的特性が急激に低下
するためであり、70%より多いと粗大な粉末が多くな
り焼結密度が低下し機械的特性が劣化するためである。
m以上150μm以下にしたのは、150μmより粒径
が大きいと粉末の充填率が低下し十分な焼結密度が得ら
れないためであり、10μm未満にすると活性なチタン
では安全上取扱いが困難となるためである。さらに、粒
径45μm以上150μm以下のHDH粉末を使用粉末
全重量の40%以上70%以下としたのは、40%未満
では粒径が45μm未満のチタン粉末の割合が相対的に
増加し、製品の酸素量が上昇し機械的特性が急激に低下
するためであり、70%より多いと粗大な粉末が多くな
り焼結密度が低下し機械的特性が劣化するためである。
【0013】またチタン粉末の酸素量の下限値(10〜
45μm粉末で0.2%、45〜150μm粉末で0.
1%)は、水素化脱水素法の製造工程上不可避的に含ま
れる値の下限値であり、上限値を粒径10μm以上45
μm未満の粉末で0.37%、45μm以上150μm
以下の粉末で0.24%とした理由は、10μm以上4
5μm未満の粉末では含有酸素量が0.37重量%より
多いと本発明の粉末混合比では焼結後の製品の酸素量が
増加し機械的特性が低下するためであり、45μm以上
150μm以下の粉末では含有酸素量が0.24重量%
より多いと圧粉成形性が低下し十分な焼結密度が得られ
ないためである。
45μm粉末で0.2%、45〜150μm粉末で0.
1%)は、水素化脱水素法の製造工程上不可避的に含ま
れる値の下限値であり、上限値を粒径10μm以上45
μm未満の粉末で0.37%、45μm以上150μm
以下の粉末で0.24%とした理由は、10μm以上4
5μm未満の粉末では含有酸素量が0.37重量%より
多いと本発明の粉末混合比では焼結後の製品の酸素量が
増加し機械的特性が低下するためであり、45μm以上
150μm以下の粉末では含有酸素量が0.24重量%
より多いと圧粉成形性が低下し十分な焼結密度が得られ
ないためである。
【0014】一方、合金元素添加用粉末の平均粒径を3
μm以上10μm以下に制限したのは、3μm未満にす
ると粉末が凝集し均一に混合されないため成分偏析が起
きる理由による。また、10μmより大きくすると、チ
タン粉末間の空隙を埋めることによる充填密度向上効果
が小さくなるため、焼結密度が十分に向上しない。さら
に平均粒径を3μm以上10μm以下の合金元素添加用
粉末を使用粉末全重量の5%以上20%以下使用するこ
ととしたのは、5%未満だと、粉末が充填されていない
チタン粉末間の空隙の数が多くなり、充填密度が低下
し、さらには焼結密度が低下するためであり、20%よ
り多くすると微細な粉末が多いため凝集し均一に混合さ
れず成分偏析が起きるためである。
μm以上10μm以下に制限したのは、3μm未満にす
ると粉末が凝集し均一に混合されないため成分偏析が起
きる理由による。また、10μmより大きくすると、チ
タン粉末間の空隙を埋めることによる充填密度向上効果
が小さくなるため、焼結密度が十分に向上しない。さら
に平均粒径を3μm以上10μm以下の合金元素添加用
粉末を使用粉末全重量の5%以上20%以下使用するこ
ととしたのは、5%未満だと、粉末が充填されていない
チタン粉末間の空隙の数が多くなり、充填密度が低下
し、さらには焼結密度が低下するためであり、20%よ
り多くすると微細な粉末が多いため凝集し均一に混合さ
れず成分偏析が起きるためである。
【0015】さて、本発明2(請求項2の発明)は、さ
らに当該合金の0.03重量%以上0.5重量%以下に
相当するY,Er,Bの少なくとも1種類を含有する合
金元素添加用粉末を使用することとした。これは焼結密
度向上に加え、組織を微細化することにより機械的特
性、特に疲労特性をさらに向上させることを目的とする
ものである。しかし、従来の技術の項で説明したよう
に、これらの粉末を直接添加すると焼結密度が著しく低
下する。そこで本発明では、焼結密度を低下することな
く結晶粒粗大化を抑制し組織を微細化にするため、予め
合金元素添加用粉末の内部に結晶粒を抑制する物質を含
有させて使用することとした。すなわちY,Er,Bあ
るいはこれらの化合物の周囲を合金元素が被っている状
態の合金元素添加用粉末を使用することにより、Y,E
r,Bあるいはこれらを含む化合物がチタン粉末同士あ
るいはチタン粉末と合金元素の接触を阻害せず、且つ粉
末表面の移動を妨げることがなくなる。しかし、一方で
は焼結合金の結晶粒界移動を阻害し結晶粒成長を抑制す
る。その結果、従来と同様の条件での混合−充填−成形
−真空焼結の工程で、結晶粒微細化と99.5%以上の
高い相対密度を有し、高い機械的性質を有する焼結チタ
ン合金が得られる。なお、Y,Er,Bの添加量につい
て、当該チタン合金の0.03重量%未満では添加量が
少ないため組織微細化の効果が認められず、また0.5
重量%以下で既に十分な効果が得られており、0.5重
量%より多く添加するとY,Er,Bの粗大な塊ができ
破壊の起点となり機械的特性を低下させる。
らに当該合金の0.03重量%以上0.5重量%以下に
相当するY,Er,Bの少なくとも1種類を含有する合
金元素添加用粉末を使用することとした。これは焼結密
度向上に加え、組織を微細化することにより機械的特
性、特に疲労特性をさらに向上させることを目的とする
ものである。しかし、従来の技術の項で説明したよう
に、これらの粉末を直接添加すると焼結密度が著しく低
下する。そこで本発明では、焼結密度を低下することな
く結晶粒粗大化を抑制し組織を微細化にするため、予め
合金元素添加用粉末の内部に結晶粒を抑制する物質を含
有させて使用することとした。すなわちY,Er,Bあ
るいはこれらの化合物の周囲を合金元素が被っている状
態の合金元素添加用粉末を使用することにより、Y,E
r,Bあるいはこれらを含む化合物がチタン粉末同士あ
るいはチタン粉末と合金元素の接触を阻害せず、且つ粉
末表面の移動を妨げることがなくなる。しかし、一方で
は焼結合金の結晶粒界移動を阻害し結晶粒成長を抑制す
る。その結果、従来と同様の条件での混合−充填−成形
−真空焼結の工程で、結晶粒微細化と99.5%以上の
高い相対密度を有し、高い機械的性質を有する焼結チタ
ン合金が得られる。なお、Y,Er,Bの添加量につい
て、当該チタン合金の0.03重量%未満では添加量が
少ないため組織微細化の効果が認められず、また0.5
重量%以下で既に十分な効果が得られており、0.5重
量%より多く添加するとY,Er,Bの粗大な塊ができ
破壊の起点となり機械的特性を低下させる。
【0016】本発明3(請求項3の発明)は、Alを合
金元素として含む焼結チタン合金、例えばTi−6Al
−4V、Ti−5Al−2.5Fe、Ti−5Al−
2.5Snなどに本発明2を適用した場合で、例えばT
i−Al・2元母合金に予めY,Er,Bを含有させた
母合金を合金元素添加用粉末として使用する。
金元素として含む焼結チタン合金、例えばTi−6Al
−4V、Ti−5Al−2.5Fe、Ti−5Al−
2.5Snなどに本発明2を適用した場合で、例えばT
i−Al・2元母合金に予めY,Er,Bを含有させた
母合金を合金元素添加用粉末として使用する。
【0017】本発明4(請求項4の発明)は、Al,V
を合金元素として含む焼結チタン合金、例えばTi−6
Al−4VやTi−10V−2Fe−3Alなどに本発
明2を適用した場合で、例えばAl−V・2元母合金に
予めY,Er,Bを含有させた母合金を合金元素添加用
粉末として使用する。
を合金元素として含む焼結チタン合金、例えばTi−6
Al−4VやTi−10V−2Fe−3Alなどに本発
明2を適用した場合で、例えばAl−V・2元母合金に
予めY,Er,Bを含有させた母合金を合金元素添加用
粉末として使用する。
【0018】本発明5(請求項5の発明)は、Feを合
金元素として含む焼結チタン合金、例えばTi−5Al
−2.5FeやTi−10V−2Fe−3Alなどに本
発明2を適用した場合で、例えばTi−Fe・2元母合
金に予めY,Er,Bを含有させた母合金を合金元素添
加用粉末として使用する。
金元素として含む焼結チタン合金、例えばTi−5Al
−2.5FeやTi−10V−2Fe−3Alなどに本
発明2を適用した場合で、例えばTi−Fe・2元母合
金に予めY,Er,Bを含有させた母合金を合金元素添
加用粉末として使用する。
【0019】本発明6(請求項6の発明)は、AlとF
eを合金元素として含む焼結チタン合金、例えばTi−
5Al−2.5FeやTi−10V−2Fe−3Alな
どに本発明2を適用した場合で、例えばTi−Al−F
e・3元母合金に、予めY,Er,Bを含有させた母合
金を合金元素添加用粉末として使用する。
eを合金元素として含む焼結チタン合金、例えばTi−
5Al−2.5FeやTi−10V−2Fe−3Alな
どに本発明2を適用した場合で、例えばTi−Al−F
e・3元母合金に、予めY,Er,Bを含有させた母合
金を合金元素添加用粉末として使用する。
【0020】
【実施例】以下、実施例によって本発明をさらに詳しく
説明する。試験に供した試料は以下の工程で作製した。
すなわち、所定の割合の粉末を混合し、成形用容器に充
填し、4.9ton/cm2 の圧力で冷間静水圧成形(CI
P)を行い圧粉体を作製し、1×10-3Paの真空中で1
250℃、2時間の焼結を行い、直径15mmで長さ15
0mmの円柱状試験片を作製した。この焼結合金に対し、
焼結密度(相対密度)測定、含有酸素量測定、β粒径測
定、引張試験による伸び測定、回転曲げ疲労試験を行っ
た。ここで、疲労強度は繰り返し数が107 回に達して
も破断しない負荷応力で評価した。
説明する。試験に供した試料は以下の工程で作製した。
すなわち、所定の割合の粉末を混合し、成形用容器に充
填し、4.9ton/cm2 の圧力で冷間静水圧成形(CI
P)を行い圧粉体を作製し、1×10-3Paの真空中で1
250℃、2時間の焼結を行い、直径15mmで長さ15
0mmの円柱状試験片を作製した。この焼結合金に対し、
焼結密度(相対密度)測定、含有酸素量測定、β粒径測
定、引張試験による伸び測定、回転曲げ疲労試験を行っ
た。ここで、疲労強度は繰り返し数が107 回に達して
も破断しない負荷応力で評価した。
【0021】まず最初に、本発明1について説明する。
粒径、含有酸素量の異なるHDH粉末、および合金元素
添加用粉末を、表1に示すように種々の割合で混合し、
圧粉成形、焼結を行った試料の焼結密度、含有酸素量、
β粒径、伸び、疲労強度を表2に示す。
粒径、含有酸素量の異なるHDH粉末、および合金元素
添加用粉末を、表1に示すように種々の割合で混合し、
圧粉成形、焼結を行った試料の焼結密度、含有酸素量、
β粒径、伸び、疲労強度を表2に示す。
【0022】
【表1】
【0023】
【表2】
【0024】表1において、試験番号1は、粒径45μ
m以上150μm以下のチタン粉末90%と平均粒径6
μmの60Al−40V粉末10%を使用した場合で、
従来法に相当する。従来の項で述べたように、ハンター
スポンジファインのような酸素含有量が0.1%以下の
チタン粉末を用いた場合には、この方法により高密度焼
結品が得られるが、表2に示すように、酸素含有量の高
いHDH粉末を用いた場合、98%程度の焼結密度しか
得られず、伸び、疲労強度も低い値である。
m以上150μm以下のチタン粉末90%と平均粒径6
μmの60Al−40V粉末10%を使用した場合で、
従来法に相当する。従来の項で述べたように、ハンター
スポンジファインのような酸素含有量が0.1%以下の
チタン粉末を用いた場合には、この方法により高密度焼
結品が得られるが、表2に示すように、酸素含有量の高
いHDH粉末を用いた場合、98%程度の焼結密度しか
得られず、伸び、疲労強度も低い値である。
【0025】これに対し、本発明1の実施例である試験
番号3,4,5,8,10,12,15,16,19,
20は、いずれも99.5%以上の高い焼結密度が得ら
れており、焼結品の含有酸素量も0.35%以下で、1
2%以上の高い伸び値、および300MPa 以上の高い疲
労強度が得られている。これは、特定の酸素含有量の粉
末を特定の割合で、さらには特定の粒径の合金元素添加
用粉末を特定の割合で添加することにより、圧粉成形性
や最終製品の機械的特性を低下させる含有酸素量の大幅
な上昇防止と、粉末の充填率と焼結特性の向上による焼
結密度上昇の両者を同時に満たすことができた結果であ
る。
番号3,4,5,8,10,12,15,16,19,
20は、いずれも99.5%以上の高い焼結密度が得ら
れており、焼結品の含有酸素量も0.35%以下で、1
2%以上の高い伸び値、および300MPa 以上の高い疲
労強度が得られている。これは、特定の酸素含有量の粉
末を特定の割合で、さらには特定の粒径の合金元素添加
用粉末を特定の割合で添加することにより、圧粉成形性
や最終製品の機械的特性を低下させる含有酸素量の大幅
な上昇防止と、粉末の充填率と焼結特性の向上による焼
結密度上昇の両者を同時に満たすことができた結果であ
る。
【0026】一方、本発明1の比較例である試験番号
2,6,7,9,11,13,14,17,18,21
はいずれも、8%以下の低い伸び値と300MPa 以下の
低い疲労強度しか得られなかった。特に、試験番号21
はTi−6Al−4Vよりも高強度の組成であるにもか
かわらず、例えば試験番号5のTi−6Al−4Vより
も低い疲労強度しか得られていない。この理由は次の通
りである。試験番号2および7は、粒径45μm以上1
50μm以下のチタン粉末の割合が本発明1の範囲より
も多かったため、粗大なチタン粉末が多くなり焼結密度
が99%にも達せず、そのため伸び、疲労強度が低下し
た。試験番号6および9は、粒径45μm以上150μ
m以下のチタン粉末の割合が本発明1の範囲よりも少な
かったため、粒径が45μm未満のチタン粉末の割合が
相対的に増加し、製品の酸素量が0.35%以上にまで
増加し、伸び、疲労強度が低下した。試験番号11は、
45μm以上150μm以下のチタン粉末の含有酸素量
が本発明1の上限値である0.24重量%より多かった
ため、圧粉成形性が低下し十分な焼結密度が得られず、
伸び、疲労強度が低下した。試験番号13は、粒径10
μm以上45μm未満のチタン粉末の含有酸素量が本発
明1の上限値である0.37%を超えたため、焼結後の
製品の酸素量が0.35%以上にまで増加し、伸び、疲
労強度が低下した。また、試験番号14は合金元素添加
用粉末の平均粒径が本発明1の下限値以下であり、試験
番号21はTi−AlとTi−Feの添加量の総計が本
発明1の上限値である20%を超えたため、いずれも成
分偏析を生じ、十分な伸び、疲労強度が得られなかっ
た。また、試験番号17は、合金元素添加用粉末の平均
粒径が本発明1の上限値よりも大きかったため、チタン
粉末間の空隙を埋めることによる充填密度向上効果が小
さくなり、焼結密度が十分に向上せず、その結果、伸
び、疲労強度が低下した。試験番号18は、合金元素添
加用粉末の使用割合が、5%未満であったため、粉末が
充填されていないチタン粉末間の空隙の数が多くなり、
充填密度および焼結密度が低下し、その結果、伸び、疲
労強度が低下した。
2,6,7,9,11,13,14,17,18,21
はいずれも、8%以下の低い伸び値と300MPa 以下の
低い疲労強度しか得られなかった。特に、試験番号21
はTi−6Al−4Vよりも高強度の組成であるにもか
かわらず、例えば試験番号5のTi−6Al−4Vより
も低い疲労強度しか得られていない。この理由は次の通
りである。試験番号2および7は、粒径45μm以上1
50μm以下のチタン粉末の割合が本発明1の範囲より
も多かったため、粗大なチタン粉末が多くなり焼結密度
が99%にも達せず、そのため伸び、疲労強度が低下し
た。試験番号6および9は、粒径45μm以上150μ
m以下のチタン粉末の割合が本発明1の範囲よりも少な
かったため、粒径が45μm未満のチタン粉末の割合が
相対的に増加し、製品の酸素量が0.35%以上にまで
増加し、伸び、疲労強度が低下した。試験番号11は、
45μm以上150μm以下のチタン粉末の含有酸素量
が本発明1の上限値である0.24重量%より多かった
ため、圧粉成形性が低下し十分な焼結密度が得られず、
伸び、疲労強度が低下した。試験番号13は、粒径10
μm以上45μm未満のチタン粉末の含有酸素量が本発
明1の上限値である0.37%を超えたため、焼結後の
製品の酸素量が0.35%以上にまで増加し、伸び、疲
労強度が低下した。また、試験番号14は合金元素添加
用粉末の平均粒径が本発明1の下限値以下であり、試験
番号21はTi−AlとTi−Feの添加量の総計が本
発明1の上限値である20%を超えたため、いずれも成
分偏析を生じ、十分な伸び、疲労強度が得られなかっ
た。また、試験番号17は、合金元素添加用粉末の平均
粒径が本発明1の上限値よりも大きかったため、チタン
粉末間の空隙を埋めることによる充填密度向上効果が小
さくなり、焼結密度が十分に向上せず、その結果、伸
び、疲労強度が低下した。試験番号18は、合金元素添
加用粉末の使用割合が、5%未満であったため、粉末が
充填されていないチタン粉末間の空隙の数が多くなり、
充填密度および焼結密度が低下し、その結果、伸び、疲
労強度が低下した。
【0027】次に、本発明2〜6の実施例について説明
する。粒径が45μm以上150μm以下で酸素を0.
15重量%含有するHDH粉末を使用粉末全重量の50
%、表3に示す合金元素添加用粉末、さらには粒径が4
5μm未満10μm以上で酸素を0.30重量%含有す
るHDH粉末を、母材の組成がTi−6Al−4V(試
験番号22〜33および37〜40)またはTi−5A
l−2.5Feで、Y,Er,Bの総量が母材に対して
表3に示すような値となるように混合し、成形、焼結を
行った。成形、焼結の条件、焼結品の寸法・形状、試験
方法・項目は先に述べた本発明1の説明と同じである。
する。粒径が45μm以上150μm以下で酸素を0.
15重量%含有するHDH粉末を使用粉末全重量の50
%、表3に示す合金元素添加用粉末、さらには粒径が4
5μm未満10μm以上で酸素を0.30重量%含有す
るHDH粉末を、母材の組成がTi−6Al−4V(試
験番号22〜33および37〜40)またはTi−5A
l−2.5Feで、Y,Er,Bの総量が母材に対して
表3に示すような値となるように混合し、成形、焼結を
行った。成形、焼結の条件、焼結品の寸法・形状、試験
方法・項目は先に述べた本発明1の説明と同じである。
【0028】
【表3】
【0029】表3において、試験番号22〜25は、
Y,Y2 O3 ,Er2 O3 ,B4 Cの単体粉末をそのま
まチタン粉末および母材の合金元素添加用粉末(60A
l−40V)と混合した場合で、いずれも焼結密度が9
6%以下の低い値となっており、伸び、疲労強度は極端
に低い値となっている。これは、これらの粉末を直接添
加したため、チタン粉末や母材の合金元素添加用粉末の
接触を阻害し、且つ粉末表面の移動をピン止めし、水素
化脱水素により製造したチタン粉末の焼結特性をさらに
劣化させたことによる。
Y,Y2 O3 ,Er2 O3 ,B4 Cの単体粉末をそのま
まチタン粉末および母材の合金元素添加用粉末(60A
l−40V)と混合した場合で、いずれも焼結密度が9
6%以下の低い値となっており、伸び、疲労強度は極端
に低い値となっている。これは、これらの粉末を直接添
加したため、チタン粉末や母材の合金元素添加用粉末の
接触を阻害し、且つ粉末表面の移動をピン止めし、水素
化脱水素により製造したチタン粉末の焼結特性をさらに
劣化させたことによる。
【0030】一方、表3において、試験番号26〜40
では、母材の合金元素添加用物質(60Al−40V、
TiAl3 、TiFe、5Ti−5Al−2.5Fe)
の塊とY,Er,B,Y2 O3 ,Er2 O3 ,B4 C粉
末を混合し、真空アーク溶解し、さらにこれを粉砕し、
Y,Er,Bあるいはこれらの化合物の周囲を合金元素
が被っている状態の合金元素添加用粉末を作製し使用し
た場合である。
では、母材の合金元素添加用物質(60Al−40V、
TiAl3 、TiFe、5Ti−5Al−2.5Fe)
の塊とY,Er,B,Y2 O3 ,Er2 O3 ,B4 C粉
末を混合し、真空アーク溶解し、さらにこれを粉砕し、
Y,Er,Bあるいはこれらの化合物の周囲を合金元素
が被っている状態の合金元素添加用粉末を作製し使用し
た場合である。
【0031】本発明の実施例である試験番号26〜36
および38,39は、Y,Er,Bあるいはこれらの化
合物を添加しなかった場合、例えば試験番号4(表1,
表2)と比べて、平均β粒径は4分の1あるいはそれ以
下になっており、一方焼結密度は99.5%以上の高い
値となっている。その結果、伸び、疲労強度は、Y,E
r,Bあるいはこれらの化合物を添加しなかった場合よ
りも高くなっており、特に疲労強度は370MPa 以上の
極めて高い値が得られた。これは、予め合金元素添加用
粉末の内部に結晶粒を抑制する物質を含有させて使用し
たことにより、チタン粉末同士あるいはチタン粉末と合
金元素の接触を阻害せず、且つ粉末表面の移動を妨げる
ことがなくなり、しかし、一方では焼結合金の結晶粒界
移動を阻害し結晶粒成長を抑制し、従来と同様の条件で
の混合−充填−成形−真空焼結の工程で、結晶粒微細化
と99.5%以上の高い相対密度を有し、高い機械的性
質が得られたものである。
および38,39は、Y,Er,Bあるいはこれらの化
合物を添加しなかった場合、例えば試験番号4(表1,
表2)と比べて、平均β粒径は4分の1あるいはそれ以
下になっており、一方焼結密度は99.5%以上の高い
値となっている。その結果、伸び、疲労強度は、Y,E
r,Bあるいはこれらの化合物を添加しなかった場合よ
りも高くなっており、特に疲労強度は370MPa 以上の
極めて高い値が得られた。これは、予め合金元素添加用
粉末の内部に結晶粒を抑制する物質を含有させて使用し
たことにより、チタン粉末同士あるいはチタン粉末と合
金元素の接触を阻害せず、且つ粉末表面の移動を妨げる
ことがなくなり、しかし、一方では焼結合金の結晶粒界
移動を阻害し結晶粒成長を抑制し、従来と同様の条件で
の混合−充填−成形−真空焼結の工程で、結晶粒微細化
と99.5%以上の高い相対密度を有し、高い機械的性
質が得られたものである。
【0032】これに対し、試験番号37では、β粒径お
よび疲労強度は試験番号4と比較してほとんど変化して
おらず、Y2 O3 の添加効果はほとんど見られなかっ
た。これは、Y2 O3 の添加量が本発明の下限値である
0.03重量%未満であったためである。また試験番号
40では、β粒径は微細化したものの伸び、疲労強度は
低い値しか得られなかった。これは、Y2 O3 の添加量
が、本発明の上限値を超えたため、Y2 O3 の粗大な塊
が生成し、破壊の起点となり機械的特性を低下させたも
のである。
よび疲労強度は試験番号4と比較してほとんど変化して
おらず、Y2 O3 の添加効果はほとんど見られなかっ
た。これは、Y2 O3 の添加量が本発明の下限値である
0.03重量%未満であったためである。また試験番号
40では、β粒径は微細化したものの伸び、疲労強度は
低い値しか得られなかった。これは、Y2 O3 の添加量
が、本発明の上限値を超えたため、Y2 O3 の粗大な塊
が生成し、破壊の起点となり機械的特性を低下させたも
のである。
【0033】
【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、水素化脱水素法により製造した極低塩素チタ
ン粉末を用いた素粉末混合法にて焼結チタン合金を製造
する方法において、従来と同様の一般的な成形・焼結条
件で99.5%以上の高密度焼結チタン合金を、さらに
は結晶粒の粗大化を抑制し従来より高い機械的特性を有
する焼結チタン合金を製造することができる。
とにより、水素化脱水素法により製造した極低塩素チタ
ン粉末を用いた素粉末混合法にて焼結チタン合金を製造
する方法において、従来と同様の一般的な成形・焼結条
件で99.5%以上の高密度焼結チタン合金を、さらに
は結晶粒の粗大化を抑制し従来より高い機械的特性を有
する焼結チタン合金を製造することができる。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成6年2月15日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項1
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項6
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0007
【補正方法】変更
【補正内容】
【0007】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、水素
化脱水素法により製造した極低塩素チタン粉末を用いた
素粉末混合法にて焼結チタン合金を製造する方法におい
て、従来と同様の一般的な成形・焼結条件で99.5%
以上の高密度焼結チタン合金を、さらには結晶粒の粗大
化を抑制し従来より高い機械的特性を有する焼結チタン
合金を製造する方法を提供することを目的とする。
化脱水素法により製造した極低塩素チタン粉末を用いた
素粉末混合法にて焼結チタン合金を製造する方法におい
て、従来と同様の一般的な成形・焼結条件で99.5%
以上の高密度焼結チタン合金を、さらには結晶粒の粗大
化を抑制し従来より高い機械的特性を有する焼結チタン
合金を製造する方法を提供することを目的とする。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0008
【補正方法】変更
【補正内容】
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、(1)水素化脱水素法により製造した極低塩
素チタン粉末を用いた素粉末混合法で焼結チタン合金を
製造する方法において、使用粉末全重量の40%以上7
0%以下が、粒径45μm以上150μm以下で且つ
0.1重量%より多く0.24重量%以下の酸素を含有
するチタン粉末であり、使用粉末全重量の5%以上20
%以下が、平均粒径3μm以上10μm以下の合金元素
添加用粉末であり、残部が粒径10μm以上45μm未
満で且つ0.2重量%以上0.37重量%以下の酸素を
含有するチタン粉末であることを特徴とする、焼結チタ
ン合金の製造方法であり、(2)素粉末混合法にて焼結
チタン合金を製造する方法において、当該合金の0.0
3重量%以上0.5重量%以下に相当する量のY,E
r,Bの少なくとも一種類を含有する合金元素添加用粉
末を使用することを特徴とする(1)記載の焼結チタン
合金の製造方法であり、(3)素粉末混合法にてAlを
含む焼結チタン合金を製造する方法において、合金元素
添加用粉末としてTi,Alの両元素とY,Er,Bの
少なくとも一種類を当該合金の0.03重量%以上0.
5重量%以下含有した粉末を使用することを特徴とする
(1)記載の焼結チタン合金の製造方法であり、(4)
素粉末混合法にてAl,Vを含む焼結チタン合金を製造
する方法において、合金元素添加用粉末としてAl,V
の両元素とY,Er,Bの少なくとも一種類を当該合金
の0.03重量%以上0.5重量%以下含有した粉末を
使用することを特徴とする(1)記載の焼結チタン合金
の製造方法であり、(5)素粉末混合法にてFeを含む
焼結チタン合金を製造する方法において、合金元素添加
用粉末としてTi,Feの両元素とY,Er,Bの少な
くとも一種類を当該合金の0.03重量%以上0.5重
量%以下含有した粉末を使用することを特徴とする
(1)記載の焼結チタン合金の製造方法であり、(6)
素粉末混合法にてAl,Feを含む焼結チタン合金を製
造する方法において、合金元素添加用粉末としてTi,
Al,Feの3元素とY,Er,Bの少なくとも一種類
を当該合金の0.03重量%以上0.5重量%以下含有
した粉末を使用することを特徴とする(1)記載の焼結
チタン合金の製造方法である。
本発明は、(1)水素化脱水素法により製造した極低塩
素チタン粉末を用いた素粉末混合法で焼結チタン合金を
製造する方法において、使用粉末全重量の40%以上7
0%以下が、粒径45μm以上150μm以下で且つ
0.1重量%より多く0.24重量%以下の酸素を含有
するチタン粉末であり、使用粉末全重量の5%以上20
%以下が、平均粒径3μm以上10μm以下の合金元素
添加用粉末であり、残部が粒径10μm以上45μm未
満で且つ0.2重量%以上0.37重量%以下の酸素を
含有するチタン粉末であることを特徴とする、焼結チタ
ン合金の製造方法であり、(2)素粉末混合法にて焼結
チタン合金を製造する方法において、当該合金の0.0
3重量%以上0.5重量%以下に相当する量のY,E
r,Bの少なくとも一種類を含有する合金元素添加用粉
末を使用することを特徴とする(1)記載の焼結チタン
合金の製造方法であり、(3)素粉末混合法にてAlを
含む焼結チタン合金を製造する方法において、合金元素
添加用粉末としてTi,Alの両元素とY,Er,Bの
少なくとも一種類を当該合金の0.03重量%以上0.
5重量%以下含有した粉末を使用することを特徴とする
(1)記載の焼結チタン合金の製造方法であり、(4)
素粉末混合法にてAl,Vを含む焼結チタン合金を製造
する方法において、合金元素添加用粉末としてAl,V
の両元素とY,Er,Bの少なくとも一種類を当該合金
の0.03重量%以上0.5重量%以下含有した粉末を
使用することを特徴とする(1)記載の焼結チタン合金
の製造方法であり、(5)素粉末混合法にてFeを含む
焼結チタン合金を製造する方法において、合金元素添加
用粉末としてTi,Feの両元素とY,Er,Bの少な
くとも一種類を当該合金の0.03重量%以上0.5重
量%以下含有した粉末を使用することを特徴とする
(1)記載の焼結チタン合金の製造方法であり、(6)
素粉末混合法にてAl,Feを含む焼結チタン合金を製
造する方法において、合金元素添加用粉末としてTi,
Al,Feの3元素とY,Er,Bの少なくとも一種類
を当該合金の0.03重量%以上0.5重量%以下含有
した粉末を使用することを特徴とする(1)記載の焼結
チタン合金の製造方法である。
【手続補正5】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0011
【補正方法】変更
【補正内容】
【0011】本発明1(請求項1の発明)では、0.1
重量%より多く0.24重量%以下の酸素を含有し、粒
径が45μm以上150μm以下のHDH粉末を使用粉
末全重量の40%以上70%以下使用し、平均粒径3μ
m以上10μm以下の合金元素添加用粉末を使用粉末全
重量の5%以上20%以下使用し、残部が0.2重量%
以上0.37重量%以下の酸素を含有し、粒径が10μ
m以上で45μm未満のHDH粉末を使用することとし
た。このような特定の酸素含有量の粉末を特定の割合で
使用し、さらには特定の粒径の合金元素添加用粉末を特
定の割合で添加することにより、圧粉成形性や最終製品
の機械的特性を低下させる含有酸素量の大幅な上昇防止
と、粉末の充填率と焼結特性の向上による焼結密度上昇
の両者を同時に満たすことができる。
重量%より多く0.24重量%以下の酸素を含有し、粒
径が45μm以上150μm以下のHDH粉末を使用粉
末全重量の40%以上70%以下使用し、平均粒径3μ
m以上10μm以下の合金元素添加用粉末を使用粉末全
重量の5%以上20%以下使用し、残部が0.2重量%
以上0.37重量%以下の酸素を含有し、粒径が10μ
m以上で45μm未満のHDH粉末を使用することとし
た。このような特定の酸素含有量の粉末を特定の割合で
使用し、さらには特定の粒径の合金元素添加用粉末を特
定の割合で添加することにより、圧粉成形性や最終製品
の機械的特性を低下させる含有酸素量の大幅な上昇防止
と、粉末の充填率と焼結特性の向上による焼結密度上昇
の両者を同時に満たすことができる。
【手続補正6】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0020
【補正方法】変更
【補正内容】
【0020】
【実施例】以下、実施例によって本発明をさらに詳しく
説明する。試験に供した試料は以下の工程で作製した。
すなわち、所定の割合の粉末を混合し、成形用容器に充
填し、4.9ton/cm2 の圧力で冷間静水圧成形(CI
P)を行い圧粉体を作製し、1×10-3Paの真空中で1
250℃、2時間の焼結を行い、直径15mmで長さ15
0mmの円柱状試験片を作製した。この焼結チタン合金に
対し、焼結密度(相対密度)測定、含有酸素量測定、β
粒径測定、引張試験による伸び測定、回転曲げ疲労試験
を行った。ここで、疲労強度は繰り返し数が107 回に
達しても破断しない負荷応力で評価した。
説明する。試験に供した試料は以下の工程で作製した。
すなわち、所定の割合の粉末を混合し、成形用容器に充
填し、4.9ton/cm2 の圧力で冷間静水圧成形(CI
P)を行い圧粉体を作製し、1×10-3Paの真空中で1
250℃、2時間の焼結を行い、直径15mmで長さ15
0mmの円柱状試験片を作製した。この焼結チタン合金に
対し、焼結密度(相対密度)測定、含有酸素量測定、β
粒径測定、引張試験による伸び測定、回転曲げ疲労試験
を行った。ここで、疲労強度は繰り返し数が107 回に
達しても破断しない負荷応力で評価した。
【手続補正7】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0022
【補正方法】変更
【補正内容】
【0022】
【表1】
【手続補正8】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0026
【補正方法】変更
【補正内容】
【0026】一方、本発明1の比較例である試験番号
2,6,7,9,11,13,14,17,18,21
はいずれも、8%以下の低い伸び値と300MPa 以下の
低い疲労強度しか得られなかった。特に、試験番号21
はTi−6Al−4Vよりも高強度の組成であるにもか
かわらず、例えば試験番号5のTi−6Al−4Vより
も低い疲労強度しか得られていない。この理由は次の通
りである。試験番号2および7は、粒径45μm以上1
50μm以下のチタン粉末の割合が本発明1の範囲より
も多かったため、粗大なチタン粉末が多くなり焼結密度
が99%にも達せず、そのため伸び、疲労強度が低下し
た。試験番号6および9は、粒径45μm以上150μ
m以下のチタン粉末の割合が本発明1の範囲よりも少な
かったため、粒径が45μm未満のチタン粉末の割合が
相対的に増加し、製品の酸素量が0.35%以上にまで
増加し、伸び、疲労強度が低下した。試験番号11は、
45μm以上150μm以下のチタン粉末の含有酸素量
が本発明1の上限値である0.24重量%より多かった
ため、圧粉成形性が低下し十分な焼結密度が得られず、
伸び、疲労強度が低下した。試験番号13は、粒径10
μm以上45μm未満のチタン粉末の含有酸素量が本発
明1の上限値である0.37%を超えたため、焼結後の
製品の酸素量が0.35%以上にまで増加し、伸び、疲
労強度が低下した。また、試験番号14は合金元素添加
用粉末の平均粒径が本発明1の下限値以下であり、試験
番号21はTiAlとTiFeの添加量の総計が本発明
1の上限値である20%を超えたため、いずれも成分偏
析を生じ、十分な伸び、疲労強度が得られなかった。ま
た、試験番号17は、合金元素添加用粉末の平均粒径が
本発明1の上限値よりも大きかったため、チタン粉末間
の空隙を埋めることによる充填密度向上効果が小さくな
り、焼結密度が十分に向上せず、その結果、伸び、疲労
強度が低下した。試験番号18は、合金元素添加用粉末
の使用割合が、5%未満であったため、粉末が充填され
ていないチタン粉末間の空隙の数が多くなり、充填密度
および焼結密度が低下し、その結果、伸び、疲労強度が
低下した。
2,6,7,9,11,13,14,17,18,21
はいずれも、8%以下の低い伸び値と300MPa 以下の
低い疲労強度しか得られなかった。特に、試験番号21
はTi−6Al−4Vよりも高強度の組成であるにもか
かわらず、例えば試験番号5のTi−6Al−4Vより
も低い疲労強度しか得られていない。この理由は次の通
りである。試験番号2および7は、粒径45μm以上1
50μm以下のチタン粉末の割合が本発明1の範囲より
も多かったため、粗大なチタン粉末が多くなり焼結密度
が99%にも達せず、そのため伸び、疲労強度が低下し
た。試験番号6および9は、粒径45μm以上150μ
m以下のチタン粉末の割合が本発明1の範囲よりも少な
かったため、粒径が45μm未満のチタン粉末の割合が
相対的に増加し、製品の酸素量が0.35%以上にまで
増加し、伸び、疲労強度が低下した。試験番号11は、
45μm以上150μm以下のチタン粉末の含有酸素量
が本発明1の上限値である0.24重量%より多かった
ため、圧粉成形性が低下し十分な焼結密度が得られず、
伸び、疲労強度が低下した。試験番号13は、粒径10
μm以上45μm未満のチタン粉末の含有酸素量が本発
明1の上限値である0.37%を超えたため、焼結後の
製品の酸素量が0.35%以上にまで増加し、伸び、疲
労強度が低下した。また、試験番号14は合金元素添加
用粉末の平均粒径が本発明1の下限値以下であり、試験
番号21はTiAlとTiFeの添加量の総計が本発明
1の上限値である20%を超えたため、いずれも成分偏
析を生じ、十分な伸び、疲労強度が得られなかった。ま
た、試験番号17は、合金元素添加用粉末の平均粒径が
本発明1の上限値よりも大きかったため、チタン粉末間
の空隙を埋めることによる充填密度向上効果が小さくな
り、焼結密度が十分に向上せず、その結果、伸び、疲労
強度が低下した。試験番号18は、合金元素添加用粉末
の使用割合が、5%未満であったため、粉末が充填され
ていないチタン粉末間の空隙の数が多くなり、充填密度
および焼結密度が低下し、その結果、伸び、疲労強度が
低下した。
【手続補正9】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0027
【補正方法】変更
【補正内容】
【0027】次に、本発明2〜6の実施例について説明
する。粒径が45μm以上150μm以下で酸素を0.
15重量%含有するHDH粉末を使用粉末全重量の50
%、表3に示す合金元素添加用粉末、さらには粒径が1
0μm未満45μm以上で酸素を0.30重量%含有す
るHDH粉末を、母材の組成がTi−6Al−4V(試
験番号22〜33および37〜40)またはTi−5A
l−2.5Feで、Y,Er,Bの総量が母材に対して
表3に示すような値となるように混合し、成形、焼結を
行った。成形、焼結の条件、焼結品の寸法・形状、試験
方法・項目は先に述べた本発明1の説明と同じである。
する。粒径が45μm以上150μm以下で酸素を0.
15重量%含有するHDH粉末を使用粉末全重量の50
%、表3に示す合金元素添加用粉末、さらには粒径が1
0μm未満45μm以上で酸素を0.30重量%含有す
るHDH粉末を、母材の組成がTi−6Al−4V(試
験番号22〜33および37〜40)またはTi−5A
l−2.5Feで、Y,Er,Bの総量が母材に対して
表3に示すような値となるように混合し、成形、焼結を
行った。成形、焼結の条件、焼結品の寸法・形状、試験
方法・項目は先に述べた本発明1の説明と同じである。
【手続補正10】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0028
【補正方法】変更
【補正内容】
【0028】
【表3】
【手続補正11】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0029
【補正方法】変更
【補正内容】
【0029】表3において、試験番号22〜25は、
Y,Y2 O3 ,Er2 O3 ,B4 Cの単体粉末をそのま
まチタン粉末および母材の合金元素添加用粉末(60A
l−40V)と混合した場合で、いずれも焼結密度が9
6%以下の低い値となっており、伸び、疲労強度は極端
に低い値となっている。これは、これらの粉末を直接添
加したため、チタン粉末や母材の合金元素添加用粉末の
接触を阻害し、且つ粉末表面の移動をピン止めし、水素
化脱水素法により製造したチタン粉末の焼結特性をさら
に劣化させたことによる。
Y,Y2 O3 ,Er2 O3 ,B4 Cの単体粉末をそのま
まチタン粉末および母材の合金元素添加用粉末(60A
l−40V)と混合した場合で、いずれも焼結密度が9
6%以下の低い値となっており、伸び、疲労強度は極端
に低い値となっている。これは、これらの粉末を直接添
加したため、チタン粉末や母材の合金元素添加用粉末の
接触を阻害し、且つ粉末表面の移動をピン止めし、水素
化脱水素法により製造したチタン粉末の焼結特性をさら
に劣化させたことによる。
【手続補正12】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0030
【補正方法】変更
【補正内容】
【0030】一方、表3において、試験番号26〜40
では、母材の合金元素添加用物質(60Al−40V、
TiAl3 、TiFe、5Ti−5Al−2.5Fe)
の塊とY,Er,B,Y2 O3 ,Er2 O3 ,B4 C粉
末を混合し、真空アーク溶解し、さらにこれらを粉砕
し、Y,Er,Bあるいはこれらの化合物の周囲を合金
元素が被っている状態の合金元素添加用粉末を作製し使
用した場合である。
では、母材の合金元素添加用物質(60Al−40V、
TiAl3 、TiFe、5Ti−5Al−2.5Fe)
の塊とY,Er,B,Y2 O3 ,Er2 O3 ,B4 C粉
末を混合し、真空アーク溶解し、さらにこれらを粉砕
し、Y,Er,Bあるいはこれらの化合物の周囲を合金
元素が被っている状態の合金元素添加用粉末を作製し使
用した場合である。
【手続補正13】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0031
【補正方法】変更
【補正内容】
【0031】本発明の実施例である試験番号26〜36
および38,39は、Y,Er,Bあるいはこれらの化
合物を添加しなかった場合、例えば試験番号4(表1,
表2)と比べて、平均β粒径は4分の1あるいはそれ以
下になっており、一方焼結密度は99.5%以上の高い
値となっている。その結果、伸び、疲労強度は、Y,E
r,Bあるいはこれらの化合物を添加しなかった場合よ
りも高くなっており、特に疲労強度は370MPa 以上の
極めて高い値が得られた。これは、予め合金元素添加用
粉末の内部に結晶粒の成長を抑制する物質を含有させて
使用したことにより、チタン粉末同士あるいはチタン粉
末と合金元素の接触を阻害せず、且つ粉末表面の移動を
妨げることがなくなり、しかし、一方では焼結合金の結
晶粒界移動を阻害し結晶粒成長を抑制し、従来と同様の
条件での混合−充填−成形−真空焼結の工程で、結晶粒
微細化と99.5%以上の高い相対密度を有し、高い機
械的性質が得られたものである。 ─────────────────────────────────────────────────────
および38,39は、Y,Er,Bあるいはこれらの化
合物を添加しなかった場合、例えば試験番号4(表1,
表2)と比べて、平均β粒径は4分の1あるいはそれ以
下になっており、一方焼結密度は99.5%以上の高い
値となっている。その結果、伸び、疲労強度は、Y,E
r,Bあるいはこれらの化合物を添加しなかった場合よ
りも高くなっており、特に疲労強度は370MPa 以上の
極めて高い値が得られた。これは、予め合金元素添加用
粉末の内部に結晶粒の成長を抑制する物質を含有させて
使用したことにより、チタン粉末同士あるいはチタン粉
末と合金元素の接触を阻害せず、且つ粉末表面の移動を
妨げることがなくなり、しかし、一方では焼結合金の結
晶粒界移動を阻害し結晶粒成長を抑制し、従来と同様の
条件での混合−充填−成形−真空焼結の工程で、結晶粒
微細化と99.5%以上の高い相対密度を有し、高い機
械的性質が得られたものである。 ─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成6年3月8日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0011
【補正方法】変更
【補正内容】
【0011】本発明1(請求項1の発明)では、0.1
重量%より多く0.24重量%以下の酸素を含有し、粒
径が45μm以上150μm以下のHDH粉末を使用粉
末全重量の40%以上70%以下使用し、平均粒径3μ
m以上10μm以下の合金元素添加用粉末を使用粉末全
重量の5%以上20%以下使用し、残部が0.2重量%
以上0.37重量%以下の酸素を含有し、粒径が10μ
m以上45μm未満のHDH粉末を使用することとし
た。このような特定の酸素含有量の粉末を特定の割合で
使用し、さらには特定の粒径の合金元素添加用粉末を特
定の割合で添加することにより、圧粉成形性や最終製品
の機械的特性を低下させる含有酸素量の大幅な上昇防止
と、粉末の充填率と焼結特性の向上による焼結密度上昇
の両者を同時に満たすことができる。
重量%より多く0.24重量%以下の酸素を含有し、粒
径が45μm以上150μm以下のHDH粉末を使用粉
末全重量の40%以上70%以下使用し、平均粒径3μ
m以上10μm以下の合金元素添加用粉末を使用粉末全
重量の5%以上20%以下使用し、残部が0.2重量%
以上0.37重量%以下の酸素を含有し、粒径が10μ
m以上45μm未満のHDH粉末を使用することとし
た。このような特定の酸素含有量の粉末を特定の割合で
使用し、さらには特定の粒径の合金元素添加用粉末を特
定の割合で添加することにより、圧粉成形性や最終製品
の機械的特性を低下させる含有酸素量の大幅な上昇防止
と、粉末の充填率と焼結特性の向上による焼結密度上昇
の両者を同時に満たすことができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 堀谷 貴雄 千葉県富津市新富20−1 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内
Claims (6)
- 【請求項1】 水素化脱水素法により製造した極低塩素
チタン粉末を用いた素粉末混合法で焼結チタン合金を製
造する方法において、使用粉末全重量の40%以上70
%以下が、粒径45μm以上150μm以下で且つ0.
1重量%より多く0.24重量%以下の酸素を含有する
チタン粉末であり、使用粉末全重量の5%以上20%以
下が、平均粒径3μm以上10μm以下の合金元素添加
用粉末であり、残部が粒径10μm以上で45μm未満
で且つ0.2重量%以上0.37重量%以下の酸素を含
有するチタン粉末であ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】 素粉末混合法にて焼結チタン合金を製造
する方法において、当該焼結チタン合金の0.03重量
%以上0.5重量%以下に相当する量のY,Er,Bの
少なくとも一種類を含有する合金元素添加用粉末を使用
することを特徴とする請求項1記載の焼結チタン合金の
製造方法。 - 【請求項3】 素粉末混合法にてAlを含む焼結チタン
合金を製造する方法において、合金元素添加用粉末とし
てTi,Alの両元素とY,Er,Bの少なくとも一種
類を当該焼結チタン合金の0.03重量%以上0.5重
量%以下に相当する量を含有した粉末を使用することを
特徴とする請求項1記載の焼結チタン合金の製造方法。 - 【請求項4】 素粉末混合法にてAl,Vを含む焼結チ
タン合金を製造する方法において、合金元素添加用粉末
としてAl,Vの両元素とY,Er,Bの少なくとも一
種類を当該焼結チタン合金の0.03重量%以上0.5
重量%以下含有した粉末を使用することを特徴とする請
求項1記載の焼結チタン合金の製造方法。 - 【請求項5】 素粉末混合法にてFeを含む焼結チタン
合金を製造する方法において、合金元素添加用粉末とし
てTi,Feの両元素とY,Er,Bの少なくとも一種
類を当該焼結チタン合金の0.03重量%以上0.5重
量%以下含有した粉末を使用することを特徴とする請求
項1記載の焼結チタン合金の製造方法。 - 【請求項6】 素粉末混合法にてAl,Feを含む焼結
チタン合金を製造する方法において、合金元素添加用粉
末としてTi,Al,Feの3元素とY,Er,Bの少
なくとも一種類を当該焼結チタン合金の0.03重量%
以上1.5重量%以下含有した粉末を使用することを特
徴とする請求項1記載の焼結チタン合金の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5190613A JPH0741882A (ja) | 1993-07-30 | 1993-07-30 | 焼結チタン合金の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5190613A JPH0741882A (ja) | 1993-07-30 | 1993-07-30 | 焼結チタン合金の製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0741882A true JPH0741882A (ja) | 1995-02-10 |
Family
ID=16260991
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP5190613A Withdrawn JPH0741882A (ja) | 1993-07-30 | 1993-07-30 | 焼結チタン合金の製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0741882A (ja) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2000005425A1 (fr) * | 1998-07-21 | 2000-02-03 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | Materiau composite a base de titane, son procede de production et soupape de moteur |
CN102407337A (zh) * | 2011-11-24 | 2012-04-11 | 李宝干 | 钛及钛合金粉末冶金异型件制备方法 |
US9654104B2 (en) | 2007-07-17 | 2017-05-16 | Apple Inc. | Resistive force sensor with capacitive discrimination |
US9977518B2 (en) | 2001-10-22 | 2018-05-22 | Apple Inc. | Scrolling based on rotational movement |
US10139870B2 (en) | 2006-07-06 | 2018-11-27 | Apple Inc. | Capacitance sensing electrode with integrated I/O mechanism |
US10180732B2 (en) | 2006-10-11 | 2019-01-15 | Apple Inc. | Gimballed scroll wheel |
US10353565B2 (en) | 2002-02-25 | 2019-07-16 | Apple Inc. | Input apparatus and button arrangement for handheld device |
-
1993
- 1993-07-30 JP JP5190613A patent/JPH0741882A/ja not_active Withdrawn
Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2000005425A1 (fr) * | 1998-07-21 | 2000-02-03 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | Materiau composite a base de titane, son procede de production et soupape de moteur |
CN1097639C (zh) * | 1998-07-21 | 2003-01-01 | 株式会社丰田中央研究所 | 钛基复合材料、其制备方法以及发动机阀门 |
US6551371B1 (en) | 1998-07-21 | 2003-04-22 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | Titanium-based composite material, method for producing the same and engine valve |
US9977518B2 (en) | 2001-10-22 | 2018-05-22 | Apple Inc. | Scrolling based on rotational movement |
US10353565B2 (en) | 2002-02-25 | 2019-07-16 | Apple Inc. | Input apparatus and button arrangement for handheld device |
US10139870B2 (en) | 2006-07-06 | 2018-11-27 | Apple Inc. | Capacitance sensing electrode with integrated I/O mechanism |
US10359813B2 (en) | 2006-07-06 | 2019-07-23 | Apple Inc. | Capacitance sensing electrode with integrated I/O mechanism |
US10890953B2 (en) | 2006-07-06 | 2021-01-12 | Apple Inc. | Capacitance sensing electrode with integrated I/O mechanism |
US10180732B2 (en) | 2006-10-11 | 2019-01-15 | Apple Inc. | Gimballed scroll wheel |
US9654104B2 (en) | 2007-07-17 | 2017-05-16 | Apple Inc. | Resistive force sensor with capacitive discrimination |
CN102407337A (zh) * | 2011-11-24 | 2012-04-11 | 李宝干 | 钛及钛合金粉末冶金异型件制备方法 |
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