JP2015161029A

JP2015161029A - 低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法

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Publication number: JP2015161029A
Application number: JP2015033777A
Authority: JP
Inventors: ローキ−ミン; Ki Min Roh; オージュン−ミン; Jung Min Oh; セオチャン−ヨウル; Chang Youl Seo; クウォンハン−ジュン; Han Jung Kwon
Original assignee: Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources KIGAM
Current assignee: Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources KIGAM
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2015-02-24
Publication date: 2015-09-07
Anticipated expiration: 2035-02-24
Also published as: KR101431731B1; JP5841273B2

Abstract

【課題】低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法を提供する。【解決手段】本発明は、チタン又はチタン合金粉末を加圧して、チタン又はチタン合金圧粉体を製造する段階と、前記製造されたチタン又はチタン合金圧粉体に脱酸剤を装入して焼結させる段階とを含む低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法に関する。

チタン(Ｔｉ)又はチタン合金は、軽量素材であるにもかかわらず、高い引張強度、耐食性を有する特性により、航空機、宇宙船、医療装備、スポーツ装備など、様々な分野で活用されている。

チタン又はTi-6Al-4V(重量％で、Ｔｉ: ９０％、Ａｌ: ６％、Ｖ: ４％)のような商用のチタン(commercially pure titanium)又はチタン合金粉末は、略数千重量ppmの酸素を含有している。このような高い含量の酸素のため、チタン又はチタン合金粉末で製造された素材の場合、目標とする物性が現われにくい。

それで、チタン又はチタン合金粉末の高い酸素含量を低くし、密度を高くして、チタン又はチタン合金の機械的特性を増加するための研究が行われている。本発明に関わる先行技術としては、大韓民国登録特許公報第１０−１０１４３５０号(2011.02.15. 公告)に開示されている高純度チタン合金粉末の製造方法がある。前記文献に記載された高純度チタン合金粉末の製造方法の場合、チタン合金表面還元、洗浄、水素化反応、粉砕、及び脱水素化の過程に行われる。しかし、このような方法の場合、製造されたチタン合金粉末の酸素含量が、約２０００ppm 以上であるため、所望する硬度及び強度を得られない。このような粉末を用いて、一般の真空焼結法で焼結体を製造する場合、硬度及び強度は増加するものの、延伸率が極めて減少して、機械的破壊が生じ易いという不都合がある。

そこで、本発明は、酸素含量が低く、高密度を有し且つ延伸率が向上したチタン又はチタン合金焼結体の製造方法を提供することにある。

本発明が解決しようとする課題は、以上で言及した課題に限られず、言及していない他の課題は、以下の記載から当業者にとって明確に理解されるだろう。

前記課題を解決するため、本発明は、チタン又はチタン合金粉末を加圧して、チタン又はチタン合金圧粉体を製造する段階と、前記製造されたチタン又はチタン合金圧粉体に脱酸剤を装入して焼結させる段階とを含む低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法を提供する。

ここで、前記チタン合金粉末は、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-7Al-4Mo、及びTi-13V-11Cr-3Alからなるグループから選ばれる１種を用いることができる。

前記チタン又はチタン合金粉末の加圧時の圧力は、２８００〜３２００kgf/cm²で行われる。

前記脱酸剤は、カルシウム又は塩化カルシウムなどを用いることができ、前記脱酸剤は、前記チタン又はチタン合金粉末に対して、５０〜１５０重量比で含まれる。

ここで、前記焼結は、１１００〜１４００℃で行われ、前記焼結時の真空度は、１×１０^−６〜１×１０^−５torrである。

また、本発明は、チタン又はチタン合金粉末を加圧して、チタン又はチタン合金圧粉体を製造する段階と、前記チタン又はチタン合金圧粉体を、チタン焼結装置のるつぼに装入し、前記るつぼの下に設けられたブラケットに脱酸剤を装入した後、焼結させる段階とを含み、前記脱酸剤は、焼結温度で蒸発して、前記チタン又はチタン合金圧粉体が装入されたるつぼに流入され、脱酸剤の蒸気圧で、前記チタン又はチタン合金圧粉体を脱酸させることを特徴とする。

前記チタン焼結装置は、アルミナ材質のるつぼと、鉄材質のブラケットとを含み、前記るつぼ及びブラケットの間には、マイクロシーブが設けられる。

前記マイクロシーブは、１００〜２００メッシュサイズの多数のホールを含む。

また、本発明は、相対密度が９３〜９８％であり、延伸率が６〜７．４％であり、酸素含量が３０００〜３１００ppmであるチタン又はチタン合金焼結体を提供する。

本発明によると、チタン又はチタン合金粉末を加圧して、チタン又はチタン合金焼結体の密度を増加することができ、焼結工程に際して、脱酸剤を装入して、焼結と脱酸を同時に行うことができる。また、チタン又はチタン合金焼結体の酸素含量は低くしながら、密度を増加することにより、硬度(ビッカース硬度)と引張強度は、商用の合金と類似し、且つ延伸率は極めて増加したチタン又はチタン合金焼結体を製造することができる。

図１は、本発明による低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法を示すシーケンス図である。図２は、本発明による低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体を製造するための装置を示す模式図である。図３は、本発明による低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法において、脱酸剤の有無によるチタン焼結体の酸素濃度を示すグラフである。図４は、本発明による低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法において、脱酸剤の有無によるチタン焼結体の密度を示すグラフである。図５は、本発明による低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法において、脱酸剤の有無によるチタン焼結体の硬度を示すグラフである。図６は、本発明による低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法において、脱酸剤の有無によるチタン焼結体の引張強度を示すグラフである。図７は、本発明による低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法において、脱酸剤の有無によるチタン焼結体の延伸率を示すグラフである。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による望ましい実施例を詳細に説明する。

本発明の利点及び特徴、及びそれを達成する方法は、添付の図面と共に詳細に後述している実施例を参照すると、明確になるだろう。

しかし、本発明は、以下に開示される実施例によって限定されるものではなく、互いに異なる様々な形態で具現され、単に、本実施例は、本発明の開示が完全になるようにし、本発明が属する技術の分野における通常の知識を有する者に、発明の範疇を完全に知らせるために提供するものであり、本発明は、請求項の範疇によって定義されるだけである。

また、本発明を説明することに当たり、該当公知技術などが、本発明の要旨を濁ごしていると判断される場合、それに関する詳しい説明は省略することにする。

本発明は、チタン又はチタン合金粉末を加圧して、チタン合金圧粉体を製造する段階と、前記製造されたチタン又はチタン合金圧粉体に脱酸剤を装入して焼結する段階とを含む低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法を提供する。

本発明による低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法は、従来の真空焼結法で製造されたチタン又はチタン合金焼結体が、酸素含量の増加で延伸率が極めて減少することに鑑みて、延伸率が向上したチタン又はチタン合金焼結体の製造方法を提供する。また、本発明による低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法は、チタン又はチタン合金焼結体の密度は高くし、且つ酸素含量は低くすることができ、脱酸と焼結工程を同時に行って、真空焼結法で製造された焼結体の硬度と引張強度は同一にしながら、延伸率は極めて増加させて、機械的破壊は生じない。

図１は、本発明による低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法を示すシーケンス図である。以下、図１を参考して、本発明を詳細に説明する。

本発明による低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法は、チタン又はチタン合金粉末を加圧して、チタン又はチタン合金圧粉体を製造する段階(Ｓ１０)を含む。

本発明による低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法において、チタン又はチタン合金圧粉体を製造する段階を行うことにより、製造されるチタン又はチタン合金焼結体の密度を増加させて、硬度及び引張強度を増加することができる。ここで、前記チタン合金粉末は、Ti-6Al-4V、 Ti-6Al-6V-2Sn、 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-7Al-4Mo、及びTi-13V-11Cr-3Alからなるグループから選ばれる１種を用いることができる。

また、前記チタン又はチタン合金粉末の加圧時の圧力は、２８００〜３２００kgf/cm²の範囲であることが望ましい。一方、前記圧力が２８００kgf/cm²未満であると、圧粉体として成形されないことがあり、３２００kgf/cm²を超える場合は、圧粉体形成のための十分な圧力が加えられるので、エネルギー効率の側面から、３２００kgf/cm²であることが望ましい。

次に、本発明による低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法は、前記製造されたチタン又はチタン合金圧粉体に脱酸剤を装入して焼結させる段階(Ｓ２０)を含む。

本発明による低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法において、脱酸剤の装入と焼結工程を行うことにより、チタン又はチタン合金圧粉体に含まれた酸素含量を減少させ、延伸率は増加したチタン又はチタン合金焼結体を製造することができる。

前記脱酸剤は、カルシウム又は塩化カルシウムなどを用いることができ、前記脱酸剤は、前記チタン又はチタン合金粉末に対して、５０〜１５０重量比で含まれることが望ましい。前記脱酸剤が５０重量比未満であると、チタン又はチタン合金圧粉体に含まれた酸素含量が高いため、硬度及び引張強度が増加しないという問題があり、１５０重量比を超える場合は、チタン又はチタン合金圧粉体がさらに脱酸せず、装置に脱酸剤が吸着するという問題がある。

また、前記焼結は、１１００〜１４００℃で、３〜５時間の間、行われることが望ましい。前記焼結温度が１１００℃未満であると、焼結体の密度及び機械的特性(硬度、引張強度、及び延伸率)が低下し、１４００℃を超えると、エネルギー対比機械的特性の増加幅が小さいため、脱酸剤と反応して、チタン又はチタン合金内の不純物の量が増加するという問題がある。前記焼結時の真空度は、１×１０^−６〜１×１０^−５torrであることが望ましい。

また、本発明は、チタン又はチタン合金粉末を加圧して、チタン又はチタン合金圧粉体を製造する段階と、前記チタン又はチタン合金圧粉体をチタン焼結装置のるつぼに入れ、前記るつぼの下に設けられたブラケットに脱酸剤を入れた後、焼結させる段階とを含み、前記脱酸剤は、焼結温度によって蒸発して、前記チタン又はチタン合金圧粉体が装入されたるつぼに流入され、脱酸剤の蒸気圧で、前記チタン又はチタン合金圧粉体を脱酸させる低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法を提供する。

図２は、本発明による低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体を製造するための焼結装置を示す模式図である。図２に示しているように、焼結装置１００の外部容器１７０は、内部容器を焼結し脱酸させるために、加熱装置として用いられ、内部容器は、鉄材質のポット１１０及びキャップ１２０からなり、ポット１１０とキャップ１２０によって、蒸発した脱酸剤１４１の漏れを防止することができる。内部容器には、アルミナ材質のるつぼ１３０と、鉄材質のブラケット１４０とが設けられ、るつぼ１３０とブラケット１４０との間には、マイクロシーブ１５０が設けられる。前記るつぼ１３０の下には、蒸気が流入できるように、多数の孔が形成され、ブラケット１４０の上にも、るつぼ１３０の下と同様に、蒸気が放出できるように、多数の孔が形成されている。前記るつぼ１３０には、チタン又はチタン合金圧粉体１３１が装入され、ブラケット１４０には、脱酸剤１４１が装入される。チタン又はチタン合金圧粉体１３１の焼結と脱酸は、外部容器１７０の両側に設けられた黒鉛ヒータ１６０によって行われる。また、マイクロシーブ１５０は、チタン又はチタン合金圧粉体１３１が落下しないように、１５０メッシュを使用し、脱酸剤１４１が高温で上部方向に蒸発するように設計される。

前記マイクロシーブ１５０は、１００〜２００メッシュサイズの多数のホール(孔)を含むことが望ましい。前記マイクロシーブ１５０のホールが、１００メッシュ未満であると、脱酸剤の流入がスムーズでないため、酸素含量が増加し、２００メッシュを超えると、チタン又はチタン合金圧粉体の粉末が、脱酸剤が装入されたブラケットに流入して、脱酸剤の気化を低下させて、脱酸効率が低下するという問題がある。

また、本発明は、相対密度が９３〜９８％であり、延伸率が６〜７．４％であり、酸素含量が３０００〜３１００ppmのチタン又はチタン合金焼結体を提供する。

本発明によるチタン又はチタン合金焼結体は、前述した製造方法を用いて、硬度及び引張強度は、商用の合金と同一でありながら、酸素含量は低いだけでなく、密度が高く且つ延伸率を向上することができる。

実施例１: 低酸素と高密度を有するチタン焼結体の製造１
高純度チタン粉末２００gを、冷間等方圧プレス(CIP:Cold Isostatic Press)に入れ、３０００kgf/cm²の圧力を加えて、圧粉体を製造した後、図２に示しているように、アルミナるつぼに該当圧粉体を装入し、るつぼの下に設けられたブラケットに、カルシウム２００gを装入して、１×１０^−５torrの真空で且つ１１００℃の温度で、４時間の間焼結して、チタン焼結体を製造した。

実施例２: 低酸素と高密度を有するチタン焼結体の製造２
焼結温度を１２００℃で行ったことを除き、前記実施例１と同様な方法で、チタン焼結体を製造した。

実施例３: 低酸素と高密度を有するチタン焼結体の製造３
焼結温度を１３００ ℃で行ったことを除き、前記実施例１と同様な方法で、チタン焼結体を製造した。

実施例４: 低酸素と高密度を有するチタン焼結体の製造４
焼結温度を１４００ ℃で行ったことを除き、前記実施例１と同様な方法で、チタン焼結体を製造した。

実験例１: 脱酸剤の有無によるチタン焼結体の酸素濃度及び密度の分析
本発明による低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法において、脱酸剤の有無によるチタン焼結体の酸素濃度と相対密度を分析し、その結果を、図３及び図４に示した。

図３は、本発明による低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法において、脱酸剤の有無によるチタン焼結体の酸素濃度を示すグラフである。

図３に示しているように、脱酸剤を使用していない場合は、チタン焼結体の酸素濃度が、約４３００〜４５００ppmであったが、本発明でのように脱酸剤を使用すると、チタン焼結体の酸素濃度は、約３１００ppmの水準に急激に低下した。チタン焼結体における酸素濃度が低くなることで、延伸率が極めて増加するという効果がある。

図４は、本発明による低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法において、脱酸剤の有無によるチタン焼結体の相対密度を示すグラフである。図４に示しているように、脱酸剤を使用した場合、焼結体の相対密度は、脱酸剤を試用しなかった場合よりも高くなっており、温度が高くなるほど、増加することが分かる。

実験例２: 脱酸剤の有無によるチタン焼結体の硬度及び引張強度分の析本
発明による低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法において、脱酸剤の有無によるチタン焼結体の硬度及び引張強度を分析し、その結果を、図５及び図６に示した。

図５は、本発明による低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法において、脱酸剤の有無によるチタン焼結体の硬度を示すグラフである。図５に示しているように、焼結温度が１１５０℃以下では、脱酸剤を使用した場合が、チタン焼結体の硬度が高いことが分かり、１１５０℃以後では、脱酸剤を使用しなかった場合の方が、硬度がより高いことが分かる。しかし、脱酸剤の有無による硬度の差は、約１％以内であるため、差が大きくないことが分かる。

図６は、本発明による低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法において、脱酸剤の有無によるチタン焼結体の引張強度を示すグラフである。図６に示しているように、脱酸剤の有無による引張強度の変化は、殆どないことが分かる。

実験例３: 脱酸剤の有無によるチタン焼結体の延伸率の分析
本発明による低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法において、脱酸剤の有無によるチタン焼結体の延伸率を分析し、その結果を図７に示した。

図７に示しているように、脱酸剤を使用した場合のチタン焼結体が、延伸率が１％以上大きく向上したことが分かる。

そこで、本発明による製造方法で製造されたチタン又はチタン合金焼結体は、酸素含量は減少し、密度は増加し、焼結体の硬度と引張強度はほぼ類似しているが、延伸率が大きく増加して、機械的特性が向上することが分かる。

以上では、本発明による低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法に関する具体的な実施例について説明したが、本発明の範囲から逸脱しない限度内では、様々な実施変形が可能であることは言うまでもない。

これより、本発明の範囲は、前記実施例に限定されなく、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等なものによって決められるべきである。

すなわち、前述した実施例は、あらゆる面で例示に過ぎず、限定的なものではないことと理解されるべきであり、本発明の範囲は、詳細な説明よりは、後述する特許請求の範囲によって示され、その特許請求の範囲の意味及び範囲、そして、その等価概念から導出される全ての変更又は変形した形態が、本発明の範囲に含まれることと解されるべきである。

１００: 焼結装置
１１０: ポット
１２０: キャップ
１３０: るつぼ
１３１: チタン又はチタン合金圧粉体
１４０: ブラケット
１４１: 脱酸剤
１５０: マイクロシーブ
１６０: 黒鉛ヒータ
１７０: 外部容器

Claims

チタン又はチタン合金粉末を加圧して、チタン又はチタン合金圧粉体を製造する段階と、
前記製造されたチタン又はチタン合金圧粉体に脱酸剤を装入して焼結させる段階とを含み、
前記焼結は、１１００〜１４００℃で行うことを特徴とする低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法。
前記チタン合金粉末は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−６Ｖ−２Ｓｎ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ、Ｔｉ−１０Ｖ−２Ｆｅ−３Ａｌ、Ｔｉ−７Ａｌ−４Ｍｏ、及びＴｉ−１３Ｖ−１１Ｃｒ−３Ａｌからなるグループから選ばれる１種であることを特徴とする請求項１に記載の低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法。
前記脱酸剤は、カルシウム又は塩化カルシウムであることを特徴とする請求項１に記載の低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法。
チタン又はチタン合金粉末を加圧して、チタン又はチタン合金圧粉体を製造する段階と、
前記チタン又はチタン合金圧粉体を、チタン焼結装置のるつぼに装入し、前記るつぼの下に設けられたブラケットに脱酸剤を装入した後、焼結させる段階とを含み、
前記脱酸剤は、焼結温度で蒸発して、前記チタン又はチタン合金圧粉体が装入されたるつぼに流入され、脱酸剤の蒸気圧で、前記チタン又はチタン合金圧粉体を脱酸させ、
前記焼結は、１１００〜１４００℃で行うことを特徴とする低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法。
前記チタン焼結装置は、アルミナ材質のるつぼと、鉄材質のブラケットとを含み、前記るつぼ及びブラケットの間には、マイクロシーブが設けられることを特徴とする請求項４に記載の低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法。
前記マイクロシーブは、１００〜２００メッシュサイズの多数のホールを含むことを特徴とする請求項５に記載の低酸素と高密度を有するチタン又はチタン合金焼結体の製造方法。
請求項１又は４記載の製造方法で製造される、相対密度が９３〜９８％であり、延伸率が６〜７．４％であり、酸素含量が３０００〜３１００ｐｐｍであるチタン又はチタン合金焼結体。