JP2009287106A

JP2009287106A - チタン球状粉末の製造方法およびチタン球状粉末

Info

Publication number: JP2009287106A
Application number: JP2008143112A
Authority: JP
Inventors: Mariko Abe; 麻里子阿部; Shujiro Kamisaka; 修治郎上坂; Takeshi Kan; 剛韓
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2009-12-10

Abstract

【課題】粉末を取扱う際の酸化が抑制された流動性の高いチタン球状粉末の製造方法およびチタン球状粉末を提供する。
【解決手段】チタン材料を水素雰囲気中で加熱処理を施し水素脆化させる工程と、水素脆化させた水素含有チタン材料を粉砕して水素含有チタン粉末を作製する工程と、該水素含有チタン粉末を熱プラズマによって溶融凝固させて球状化処理を行ない水素を０．０５〜３．２質量％含有するＴｉ球状粉末を得る工程と、を有するチタン球状粉末の製造方法である。また、熱プラズマによる溶融凝固処理で得られるチタン球状粉末であって、水素を０．０５〜４質量％含有し、粉末粒径２５０μｍ以下であるチタン球状粉末である。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属粉末射出成形や粉末焼結用の原料粉末、また溶射原料やショットブラスト用粉末に使用可能な流動性の高いチタン球状粉末の製造方法およびチタン球状粉末に関するものである。

金属粉末射出成形や粉末焼結用等の粉末冶金に用いられる水素化チタン粉末は、従来からスポンジチタンやチタン溶解材を水素雰囲気で加熱し、水素化チタンとして水素脆化させたのち、ボールミルなどにより機械的に粉砕して製造していた。このように機械的粉砕により製造された水素化チタン粉末は、形状が不定形で粉体の流動性が悪く、見かけ密度が小さいため型への充填性が劣り、また粉末の表面積が大きいため酸素の吸着が多くなり酸素濃度が高く、粉砕時に金属不純物が混入するなどの問題があった。

そこで、上記の問題点を解決したチタン粉末を製造する方法として、ガスアトマイズ法で得られた球状チタン粉末に、水素化処理を施す方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許３６５２９９３号公報

特許文献１は、高い粉末流動性を有し、見かけ密度の高い水素化チタン粉末を得るのに有効であるが、水素化チタン粉末を作製するに際して、ガスアトマイズ法で作製した純チタン粉末を水素化処理するため、水素化反応時に粉末同士の焼結が進み解砕処理が必要となるという問題がある。すなわち、解砕処理に際して、不純物の混入の可能性が高まると同時に、球状化した粉末の球状度を劣化させる可能性が高まる課題がある。
また、本発明者等は、金属粉末射出成形や粉末焼結用の原料粉末、溶射原料やショットブラスト用粉末のチタン粉末に関して検討したところ、チタンは酸化活性が高いため、チタン粉末は取扱いに際して酸化しやすいこと、また、上記用途において、粉末としての流動性を確保することが必要であることを確認した。
本発明の目的は、上記の課題を解決し、粉末を取扱う際の酸化が抑制された流動性の高いチタン球状粉末の製造方法およびチタン球状粉末を提供することである。

本発明者等は、上記の問題を鋭意検討した結果、熱プラズマによる溶融凝固処理を適用することで解決できることを見出し本発明に到達した。

すなわち、本発明は、チタン材料を水素雰囲気中で加熱処理を施し水素脆化させる工程と、水素脆化させた水素含有チタン材料を粉砕して水素含有チタン粉末を作製する工程と、該水素含有チタン粉末を熱プラズマによって溶融凝固させて球状化処理を行ない水素を０．０５〜３．２質量％含有するＴｉ球状粉末を得る工程と、を有するチタン球状粉末の製造方法である。
また、水素含有チタン粉末を熱プラズマによって溶融凝固させて球状化処理を行う工程の前に、水素含有チタン粉末の水素含有量を調整する工程を有することが好ましい。
また、本発明は、熱プラズマによる溶融凝固処理で得られるチタン球状粉末であって、水素を０．０５〜３．２質量％含有し、粉末粒径２５０μｍ以下であるチタン球状粉末である。

本発明によれば、粉末の取扱いに際して酸化抑制が可能で流動性が確保されたチタン球状粉末を得られるため、金属粉末射出成形や粉末焼結用の原料粉末、また溶射原料やショットブラスト用粉末に供されるチタン球状粉末として欠くことのできないものとなる。

本発明は、水素含有のチタン球状粉末の製造において、熱プラズマによる溶解凝固処理を適用すること最大の特徴とするものである。
以下に本発明を詳しく説明する。

粉末の取扱いに際して酸化を抑制するためには、一定量の水素を含有したチタンとすること、流動性を高めるために球状化することが有効である。
本発明者等は、この目的を達成するために鋭意検討を行い、水素を含有したチタン粉末を熱プラズマ処理すれば、水素含有量をある程度維持したまま球状化が可能であることを見いだしたものである。
本発明においては、まずチタンに一定量の水素を含有させるために、チタン材料を水素雰囲気中で加熱処理を施し水素脆化させ、これを粉砕して水素含有チタン粉末を作製する。

熱プラズマは５０００〜１００００Ｋ程度の高温部を形成することが可能であり、水素含有チタン粉末をこの熱プラズマの高温部に通過させることで、少なくとも水素含有チタン粉末の表面部が瞬時に溶融される。そして、熱プラズマの高温部を通過した後は、表面張力により球状に凝固した粉末状態で回収される。この熱プラズマによる溶融凝固処理では、瞬間的な溶融凝固が可能であるため、チタン溶湯を長時間保持した上で、ガスによりチタン溶湯を噴霧して球状粉末を作製するガスアトマイズ法とは異なり、球状粉末中に水素含有させた状態で球状粉末を作製することが可能となる。

また、水素含有チタン粉末を熱プラズマによって溶融凝固させて球状化処理を行う工程の前に、水素含有チタン粉末の水素含有量を調整する工程を含めることも可能である。チタン材料を水素雰囲気中で加熱処理を施して作製した水素含有チタン粉末は多量の水素を含む場合があるため、真空中において脱水素処理を行って水素含有量を調整する工程を付加することが望ましい場合があるためである。
なお、水素含有量を調整する工程である脱水素処理は、水素含有チタン粉末から水素が一定量放出される温度であれば適用可能である。具体的には、水素含有チタン粉末の焼結現象が進行しない６００℃以下の加熱処理で実施することが望ましい。また、脱水素処理の雰囲気は、Ａｒガスなどの不活性ガスで置換をした後、１０^−１Ｐａ以下に減圧した雰囲気で制御することで、効率的な脱水素と加熱処理中の粉末酸化を抑制することができるため好ましい。

また、熱プラズマによる溶解凝固処理前の水素含有チタン粉末は、粒径が大き過ぎると熱プラズマによる溶解凝固によって球状化処理する際に、球状化するための十分な溶融が困難となるので、２５０μｍ以下に調整するのが望ましい。また、５μｍ以下の粉末微粒子が多く含まれる場合、熱プラズマによる溶融凝固処理において超微細粉が生成され、大きい粒径の粉末に付着して酸素含有量を増加させる原因になりやすいため、１０％累積粒子径（Ｄ１０）が５μｍ以上の粒度分布に制御することが望ましい。

また、本発明で、水素を０．０５〜３．２質量％含有するチタン球状粉末とするのは、金属粉末射出成形や粉末焼結用の原料粉末、また溶射原料やショットブラスト用粉末として使用する水素含有チタン粉末としては、使用中の酸素含有量の増加を抑制することと、粉末形状を維持する強度を有することが重要となるためである。酸素含有量の増加を抑制する上では、水素は０．０５質量％以上を含有する必要があり、粉末形状を保持するための強度を維持するには水素の含有量は３．２質量％を上限とする必要がある。チタンの水素化合物（ＴｉＨ_Ｘ）のＸは理論上２（質量比で４％）まで安定可能であるが、熱プラズマによる溶解凝固処理においては、水素含有量が３．２質量％以上では不安定になるためである。
また、水素含有量は１．３質量％を上限とすることが望ましい。水素含有したチタン粉末の相構成はチタン原子に水素を固溶するα相あるいはβ相とＴｉＨ_Ｘ化合物であるδ相から構成される。水素含有量を１．３質量％以下とすることで、脆弱な相であるδ相を減少させることが可能となるため、粉末の耐衝突性を確保しやすいためである。

また、本発明のチタン球状粉末は、水素を０．０５〜３．２質量％含有し、粉末粒径２５０μｍ以下である。
それは、本発明のチタン球状粉末が、熱プラズマによる溶融凝固処理を施して球状化するものであり、熱プラズマ処理で効率的に球状度の高い球状粉末を作製するためには、粗大な粉末を避ける必要があるためである。
また、チタン球状粉末を金属粉末射出成形や粉末焼結用の原料粉末として使用する場合には、型への充填性を考慮する必要がある。そして、充填に際しては、粉末の形状もさることながら、粒径が過度に大きな粉末を除外する必要がある。また、溶射原料やショットブラスト用粉末としてチタン球状粉末を使用する際にも、過度に大きな粉末が混入する際には、溶射やショットブラスト時の流動制御が困難になる場合がある。そのため、本発明におけるチタン球状粉末としては、その粉末粒径を２５０μｍ以下であることが望ましい。

以下の実施例で本発明を更に詳しく説明する。
図１は熱プラズマ処理装置の一例を示す構成図である。実施例においては、熱プラズマ装置には図１に示す構造のものを用いた。本装置は交流熱プラズマ装置ある誘導結合型ＲＦプラズマトーチから構成されるもので、冷却壁１で仕切られたプラズマ発生空間２を有し、その外側に設けた高周波コイル３と、高周波コイル３の軸方向の一方から作動ガスを供給する作動ガス供給部４と、高周波コイルの内側に発生させた熱プラズマ炎５中にキャリアガスとともに粉末原料を供給する粉末供給ノズル６と、プラズマ炎の下流側に設けたチャンバー７と、チャンバーからの排気を行う排気装置８を具備する粉末の熱プラズマ処理装置である。

本実施例においては、まず、チタン材料としてスポンジチタンを使用した。このスポンジチタンを熱処理炉へ入れ、炉内の水素圧力を０．１ＭＰａとして、９００℃で３時間保持する水素雰囲気中で加熱処理を施し水素脆化させた水素含有チタン材料を作製した。なお、この水素含有チタン材料の水素含有量を不活性ガス溶解熱伝導法により分析したところ、４質量％であった。上記で作製した水素含有チタン材料を振動ミルを用いて粉砕し、その後、篩いにより分級して、粒径１５０μｍ以下の水素含有チタン粉末を得た。

次に水素含有チタン粉末を熱処理炉へ入れ、６００℃で６時間保持する真空雰囲気中で加熱処理を施して水素量を調整する脱水素処理を行った。なお、真空雰囲気は、Ａｒガスなどの不活性ガスで熱処理炉内を置換した後、１０^−１Ｐａ以下に減圧した雰囲気とした。また、加熱処理後の冷却過程は炉冷とした。この脱水素処理を行ったチタン粉末の水素含有量を不活性ガス溶解熱伝導法により分析したところ、１質量％であった。その後、篩により分級して、粒径４５〜１２５μｍの水素含有チタン粉末を得た。

次に、プラズマ出力１２ｋＷ、作動ガスとして不活性ガスのＡｒガスを合計５０Ｌ／ｍｉｎ（ｎｏｒ）供給して発生させた熱プラズマ炎中に、上記で得られた水素含有チタン粉末をＡｒガス２Ｌ／ｍｉｎ（ｎｏｒ）キャリアガスとともに、粉末供給速度４５０ｇ／ｈで供給して熱プラズマによる溶融凝固処理によって球状化を行い、チタン球状粉末を得た。
得られたチタン球状粉末について、水素含有量と酸素含有量を不活性ガス溶解熱伝導法で分析したところ、水素含有量：０．３３９質量％、酸素含有量：０．１０６質量％であった。また、粉末の粒度を測定したところ、Ｄ１０：４８．６μｍ、Ｄ５０：６３．８μｍ、Ｄ９０：９３．９μｍの粒度分布で、粒径は１２５μｍを超える粒末は確認されなかった。
また、熱プラズマによる溶融凝固処理を行ったチタン球状粉末の走査型顕微鏡写真を示す図２から本発明によりチタン球状粉末が得られることが分かる。

本発明で用いる熱プラズマ処理装置の一例を示す構造図である。実施例における熱プラズマによる溶融凝固処理を行ったチタン球状粉末の走査型電子顕微鏡写真である。

符号の説明

１．冷却壁
２．プラズマ発生空間
３．高周波コイル
４．作動ガス供給部
５．熱プラズマ炎
６．粉末供給ノズル
７．チャンバー
８．排気装置

Claims

チタン材料を水素雰囲気中で加熱処理を施し水素脆化させる工程と、
水素脆化させた水素含有チタン材料を粉砕して水素含有チタン粉末を作製する工程と、
該水素含有チタン粉末を熱プラズマによって溶融凝固させて球状化処理を行ない水素を０．０５〜３．２質量％含有するＴｉ球状粉末を得る工程と、
を有することを特徴とするチタン球状粉末の製造方法。
前記水素含有チタン粉末を熱プラズマによって溶融凝固させて球状化処理を行う工程の前に、水素含有チタン粉末の水素含有量を調整する工程を有することを特徴とする請求項１に記載のチタン球状粉末の製造方法。
熱プラズマによる溶融凝固処理で得られるチタン球状粉末であって、水素を０．０５〜３．２質量％含有し、粉末粒径２５０μｍ以下であることを特徴とするチタン球状粉末。