JP2018104778A - 焼結刃物素材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い切断性能および良好な加工性を発揮するチタン製焼結刃物素材を提供する。【解決手段】焼結刃物素材は、チタン材料からなり、チタン材料中に、０．４〜１．９質量％の窒素および０．６〜１．９質量％の酸素のうちの少なくともいずれか一方を固溶している。【選択図】図１

Description

この発明は、包丁、鋏、カミソリ等の刃物の素材に関するものであり、特に焼結体からなる焼結刃物素材に関するものである。

チタン素材は、軽量かつ高強度の非磁性材料であり、良好な耐食性を発揮することから、航空機産業や各種工業プラントなどの幅広い分野で利用されている。また、チタン素材は、生体親和性があり、ステンレス鋼に比べると抗菌性も良好であるので、医療用ハサミや民生刃物等への応用も考えられている。

しかしながら、チタン素材からなる刃物は、チタン素材が軟らかく刃先が軟らかいことから、例えば硬い食材を切るには不向きである。

チタンまたはチタン素材からなる刃材を開示した先行技術文献として、特開２０００−３１３９０１号公報（特許文献１）がある。この公報に開示された発明では、良好な切れ味を確保し、刃先のもろさを少なくするチタン素材からなる刃材を提供することを目的としている。上記公報に開示された刃材の出発原料は、純Ｔｉ粉またはＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金粉を主素材とし、これに粒径５μｍ以下の金属炭化物粉末を全量に対して１０〜３０部添加して混合した混合素材である。この混合素材を加圧成型した後に焼結し、焼結体に衝撃鍛圧を施して焼結鍛造刃材としている。

本願発明の発明者の一人は、国際公開公報ＷＯ２０１５／１１１３６１Ａ１（特許文献２）において、チタン素材中に窒素を固溶させてチタン素材の強度を向上させる発明を提案し、特開２０１２−２４１２４１号公報（特許文献３）において、チタン素材中に酸素を固溶させてチタン素材の強度を向上させる発明を提案した。これらの公報には、刃物への適用を示唆するような記載は無く、また切断性能についての記載も無い。

特開２０００−３１３９０１号公報 国際公開公報ＷＯ２０１５／１１１３６１Ａ１ 特開２０１２−２４１２４１号公報

特許文献１は、チタン素材に多量の金属炭化物を含ませることによりチタン素材からなる刃材の切断性能および耐久性を向上させる技術を提案している。しかしながら、多量の金属炭化物を含むので、加工性が悪くなるとともに、耐久性の低下、耐食性の低下および生体親和性の低下等を招き、チタン素材特有のメリットを打消してしまうことになる。

本発明の目的は、チタン素材に対して金属炭化物やセラミック等を過剰に添加することなく、高い切断性能や良好な加工性を発揮する焼結刃物素材およびその製造方法を提供することである。

本発明に従った焼結刃物素材は、チタン材料からなり、チタン材料中に、０．４〜１．９質量％の窒素及び０．６〜１．９質量％の酸素のうちの少なくともいずれか一方を固溶している。

一つの実施形態に係る焼結刃物素材では、チタン材料中に、０．０７〜０．６５質量％の炭素を含む。また、他の実施形態では、チタン材料中に、チタン炭化物を含む。さらに、他の実施形態では、チタン材料中に、ケイ素またはバナジウムを含む。さらに他の実施形態では、チタン材料中に、チタンシリサイドを含む。好ましくは、素地を構成するチタン材料は純チタンである。

本発明に従った焼結刃物素材の製造方法は、窒素及び酸素のうちの少なくともいずれか一方を固溶したチタン粉末と、炭素成分を含む粉末とを混合する工程と、混合後の粉末を所定の形状に成形する工程と、成形後の成形体を焼結する工程と、焼結後の焼結体に圧延加工を施す工程と、圧延加工後の素材を刃物形状に成形する工程とを備える。

好ましくは、焼結工程後に、焼結体に対して均質化熱処理を行う工程をさらに備える。

炭素成分を含む粉末は、例えば、ＳｉＣ，ＶＣ，ＴｉＣ及びＷＣからなる群から選ばれた炭化物である。炭素成分を含む粉末は、炭素であってもよい。

混合粉末成形体を焼結処理すると、チタン粉末中のＴｉと炭素成分を含む粉末中のＣとが結合してＴｉＣを生成する。

本発明によれば、素地を形成するチタン材料中に、０．４〜１．９質量％の窒素および０．６〜１．９質量％の酸素のうちの少なくともいずれか一方を含むものであるので、良好な加工性を維持しながら、高硬度で切断性能に優れた焼結刃物素材を提供することができる。

気相法で窒素を固溶させた窒素固溶チタン材料からなる刃物の切断性能を示す図である。 粉末添加によって窒素を固溶させた窒素固溶チタン材料からなる刃物の切断性能を示す図である。 ガス反応窒素固溶法（気相法）と粉末添加窒素固溶法との間で、刃物の切断性能に差が生じるのかどうかを評価する図である。 酸素固溶チタン材料からなる刃物の切断性能を示す図である。 窒素固溶量および酸素固溶量と、切断性能との関係を示す図である。 純チタン材料粉末に炭素成分を含む粉末を添加して焼結した焼結刃物の切断性能を示す図である。 純チタン材の刃物、「純チタン＋Ｓｉ＋Ｃ」の刃物、「純チタン＋ＳｉＣ」の刃物の切断性能を示す図である。 純チタン材に対してＳｉ成分を添加した場合の切断性能への影響を示す図である。 窒素固溶チタン材にＳｉＣを添加した試料、酸素固溶チタン材にＳｉＣを添加した試料および純チタン材にＳｉＣを添加した試料の切断性能を示す図である。 炭素成分を含む粉末の添加による切断性能の影響を示す図である。 純チタン材に炭素成分を添加した場合の切断性能の影響を示す図である。 純チタン材にＳｉＣ粉末を添加した場合の切断性能の影響を示す図である。 粉末添加によって窒素を固溶させた窒素固溶チタン材にＴｉＣ粉末を添加した場合の切断性能の影響を示す図である。 粉末添加によって窒素を固溶させた窒素固溶チタン材にＶＣ粉末を添加した場合の切断性能の影響を示す図である。 粉末添加によって窒素を固溶させた窒素固溶チタン材にＳｉＣ粉末を添加した場合の切断性能の影響を示す図である。

本願発明者らは、純チタンからなる刃物および６４チタン材料（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）からなる刃物を比較例として捉え、これらの刃物よりも硬度、加工性及び切断性に優れるチタン素材の開発に着手した。

［データを採取したチタン素材の種類］
各種チタン素材からなる刃物のデータを採取したが、出発材料を基準にして大きく分類すると以下の通りである。
−純チタン材料のみからなるもの（比較例、後述する表１中の試料番号１）
−６４チタン材料からなるもの（比較例、試料番号２）
−純チタン材料に窒素を固溶させたもの（試料番号３〜１０）
−純チタン材料に酸素を固溶させたもの（試料番号１１〜１６）
−純チタン材料に窒素および酸素を固溶させたもの（試料番号１７〜１９）
−純チタン材料にＳｉＣを添加したもの（比較例、試料番号２０〜２３）
−６４チタン材料にＳｉＣを添加したもの（比較例、試料番号２４〜２６）
−窒素固溶チタン材料にＳｉＣを添加したもの（試料番号２７〜３０）
−酸素固溶チタン材料にＳｉＣを添加したもの（試料番号３１〜３４）
−純チタン材料にＶＣを添加したもの（比較例、試料番号３５〜３９）
−窒素固溶チタン材料にＶＣを添加したもの（試料番号４０〜４２）
−純チタン材料にＣを添加したもの（比較例、試料番号４３〜４８）
−純チタン材料にＴｉＣを添加したもの（比較例、試料番号４９〜５３）
−窒素固溶チタン材料にＴｉＣを添加したもの（試料番号５４〜６０）
−純チタン材料にＳｉを添加したもの（比較例、試料番号６１〜６８）

［刃物素材の製法］
刃物の特性を比較する上での前提条件として、出発材料の形態および製法を同じにした。すなわち、出発原料の形態は粉末であり、製法は、以下の通りである。

ａ）出発原料粉末を用意する。出発原料粉末が２種類以上であれば、それらを混合する。

ｂ）出発原料粉末を所定の形状に成形する。

ｃ）成形後の成形体を焼結する。焼結後に均質化のための熱処理を行っても良い。

ｄ）焼結体に圧延加工を施す。

ｅ）圧延加工後の素材を刃物形状に成形する。

［比較した特性］
刃物形状に成形し、硬度、加工性及び切断性能を評価した。

切断性能（切れ味性能）の試験方法は、以下の通りであった。

刃物を固定し、７．５ｍｍ幅の新聞紙相当の紙を重ねて約７５０ｇの荷重をかけながら、２０ｍｍの往復運動をさせた。１往復を１切断回数として、１５０回の切断操作を行い、所定の切断回数の時に完全に切断された紙の枚数を数えた。

［窒素固溶チタン材料製刃物の切断性能評価］
図１は、窒素固溶チタン材料からなる刃物の切断性能を示す図である。比較例として純チタン製の刃物（ＨＶ２１５−２８８）も示している。「窒素固溶チタン（気相）」は、純チタン材料を高温の窒素ガス雰囲気中に置いて窒素をチタン材料中に固溶させた窒素固溶チタン材料であることを意味する。

比較したのは、純チタンからなるもの（ＨＶ２１５−２８８）、窒素固溶量が０．４８質量％のチタン材料からなるもの（ＨＶ３３４−４３１）、窒素固溶量が０．７７質量％のチタン材料からなるもの（ＨＶ４０１−４６８）、窒素固溶量が１．２６質量％のチタン材料からなるもの（ＨＶ４２６−４９８）である。

図１から、純チタン製刃物に比べて窒素固溶チタン材料製刃物の切断性能が優れていること、及び窒素固溶量が多いほど切断性能が向上することが認められる。

図２は、図１と同様に、窒素固溶チタン材料からなる刃物の切断性能を示す図である。図２に示す「窒素固溶チタン（粉末）」は、純チタン材料とＴｉＮ粉末とを混合し、熱処理によってＴｉＮから解離した窒素を純チタン材料中に固溶させた窒素固溶チタン材料であることを意味する。

窒素固溶量を０．６７質量％（ＨＶ３３１−４１５）、０．９９質量％（ＨＶ４０７−４６８）、１．４９質量％（ＨＶ４５３−５６３）及び１．９８質量％（ＨＶ５１５−５９９）にして評価した。傾向は、図１の結果と同様に、純チタン製刃物（ＨＶ２１５−２８８）に比べて窒素固溶チタン材料製刃物の切断性能が優れていること、及び窒素固溶量が多いほど切断性能が向上することが認められた。

［ガス反応窒素固溶法（気相法）と粉末添加窒素固溶法との比較］
図３は、純チタン材料を窒素ガス雰囲気中に置いてガス中の窒素を固溶させるガス反応窒素固溶法と、純チタン材料とＴｉＮ粉末とを混合し、ＴｉＮから解離した窒素を固溶させる粉末添加窒素固溶法との間で、刃物の切断性能に差が生じるのかどうかを評価する図である。図３から、切断性能において両固溶法の間に大きな差はないことがわかる。

［酸素固溶チタン材料製刃物の切断性能評価］
図４は、酸素固溶チタン材料からなる刃物の切断性能を示す図である。比較例として純チタン製の刃物（ＨＶ２１５−２８８）も示している。「酸素固溶チタン（粉末）」は、
純チタン材料とＴｉＯ_２粉末とを混合し、熱処理によってＴｉＯ_２から解離した酸素を純チタン材料中に固溶させた酸素固溶チタン材料であることを意味する。

酸素固溶量を０．４２質量％（ＨＶ２１３−２９８）、０．６６質量％（ＨＶ２７９−３９９）、０．８４質量％（ＨＶ３８５−４５３）、１．１２質量％（ＨＶ４２２−４９５）、１．３６質量％（ＨＶ４８４−５３３）および２．０５質量％（ＨＶ５７０−６３４）にして評価した。図４から、純チタン製刃物に比べて酸素固溶チタン材料製刃物の切断性能が優れていること、及び酸素固溶量が多いほど切断性能が向上することが認められた。

［切断性能と、窒素固溶量と、酸素固溶量との関係］
図５は、横軸に窒素固溶量又は酸素固溶量をとり、縦軸に切断枚数をとったグラフである。この図５から、窒素固溶量が増加するにつれて切断性能が向上し、酸素固溶量が増加するにつれて切断性能が向上することが認められる。

［炭素成分と刃物の切断性能との関係］
本願発明者らは、炭素成分が刃物の切断性能に影響を及ぼすのかについて調査及び検討を行った。図６は、純チタン材料粉末に炭素成分を含む粉末を添加して焼結した焼結刃物の切断性能を示す図である。横軸は、炭素成分含有量（質量％）を示し、縦軸は、切断枚数を示す。炭素成分を含む粉末として、ＳｉＣ粉末、ＴｉＣ粉末、Ｃ粉末、ＶＣ粉末を用いた。

図６から、チタン材料中の炭素含有量が増加するにつれて切断性能が向上することが認められる。

本願発明者らは、さらに、純チタン粉末にＳｉ粉末とＣ粉末を同時に添加した場合の刃物の切断性能を調査し、ＳｉＣ粉末を添加した場合の結果と比較した。

供試材は、以下の通りである。
−純チタン粉末：市販品 粒径４５μｍ以下
−Ｓｉ粉末：市販品 粒径５μｍ
−カーボンブラック：市販品
−ＳｉＣ粉末：市販品 粒径２．５μｍ以下

粉末の調整は、以下のとおりである。
−純チタン粉末＋Ｓｉ＋Ｃ（Ｓｉ１．０５質量％、Ｃ０．４５質量％＝ＳｉＣの１．５質量％に相当）
−純チタン粉末＋ＳｉＣ（ＳｉＣ１．５質量％）

混合条件は、以下の通りである。
−ロッキングミル ６０Ｈｚ×２Ｈ、「純チタン粉末＋Ｓｉ＋Ｃ」に関しては、「純チタン粉末＋Ｓｉ」および「純チタン粉末＋Ｃ」を各１時間混合した後、両者を合わせてさらに１時間混合した。

圧粉条件は、以下の通りである。
−圧粉金型：直径４１ｍｍ
−圧粉量：各条件１５０ｇ
−加圧圧力：６８０ＭＰａ（９００ｋＮ）
−加圧速度：０．３ｍｍ／ｓ

真空焼結処理は、以下の通りである。
−１０００℃×５ｈ、真空焼結 昇温まで９０分

均質化熱処理は、以下の通りである。
−１０００℃×５ｈ、 真空加熱 昇温まで９０分

なお、上述の刃物素材の製造方法および条件は、本明細書に記載の他の試料についても実質的に同じである。

「純チタン＋ＳｉＣ」と「純チタン＋Ｓｉ＋Ｃ」の比較結果は、以下の通りであった。
−Ｘ線回折の結果、両者とも、Ｔｉ、ＴｉＣ、Ｔｉ_５Ｓｉ_３のピークが確認された。
−組織観察の結果、両者とも、分散粒子が確認された。
−熱間圧延後の硬度および切断性能は、ほぼ同等であった。

図７は、純チタン材の刃物、「純チタン＋Ｓｉ＋Ｃ」の刃物、「純チタン＋ＳｉＣ」の刃物の切断性能を示す図である。この図から、「純チタン＋Ｓｉ＋Ｃ」の刃物および「純チタン＋ＳｉＣ」の刃物は、純チタン材の刃物よりも優れた切断性能を示すこと、および両者の切断性能がほぼ同等であることが認められる。

熱処理後の密度および硬度は、以下の通りであった。
−純チタン材：密度４．５０６、平均硬度ＨＶ２４７
−「純チタン＋Ｓｉ＋Ｃ」：密度４．４９５、平均硬度ＨＶ３５９
−「純チタン＋ＳｉＣ」：密度４．４８６、硬度ＨＶ３５１

以上の結果より、ＳｉＣ粉末を添加した場合と、Ｓｉ粉末およびＣ粉末を同時に添加した場合とに得られるチタン刃物材の性能は同等であると認められた。

[Ｓｉ成分と刃物切断性能との関係]
図８は、純チタン材に対してＳｉ成分を添加した場合の切断性能への影響を示す図である。Ｓｉ成分の添加は、Ｓｉ粉末を添加した場合とＳｉＣ粉末を添加した場合の両者を含む。図８から、Ｓｉ成分の含有量が増加するにつれて、切断性能が向上することが認められる。Ｓｉ成分が１％を超えると、切断性能が飛躍的に向上していることが認められる。これは、チタン材料中にチタンシリサイド（Ｔｉ_５Ｓｉ_３）が形成されるからである。

［窒素固溶チタン材および酸素固溶チタン材にＳｉＣを添加した場合の切断性能］
図９は、窒素固溶チタン材にＳｉＣを添加した試料、酸素固溶チタン材にＳｉＣを添加した試料および純チタン材にＳｉＣを添加した試料の切断性能を示す図である。図９から、純チタン材にＳｉＣを添加した試料に比べて、窒素固溶チタン材にＳｉＣを添加した試料および酸素固溶チタン材にＳｉＣを添加した試料は、切断性能が遥かに優れていることが認められる。

［炭素成分を含む粉末の添加による切断性能の向上］
図１０は、炭素成分を含む粉末の添加による切断性能の影響を示す図である。データを採取した試料は、以下の通りである。
−「〇」：純チタン材（粉末）にＳｉＣ粉末を添加したもの
−「□」：純チタン材（粉末）にＣ粉末を添加したもの
−「△」：純チタン材（粉末）にＴｉＣ粉末を添加したもの
−「＋」（細字）：純チタン材（粉末）にＶＣ粉末を添加したもの
−「◇」：純チタン粉末の固化材
−「●」：窒素固溶チタン材（粉末）にＳｉＣ粉末を添加したもの
−「▲」：窒素固溶チタン材（粉末）にＴｉＣ粉末を添加したもの
−「＋」（太字）：窒素固溶チタン材（粉末）にＶＣ粉末を添加したもの
−「◆」：窒素固溶チタン粉末固化材

図１０から、窒素固溶チタン材に少量の炭素成分を含む粉末を添加した試料は、同量の炭素成分を添加した純チタン材の試料に比べて、切断性能が大幅に向上していることが認められる。また、窒素固溶チタン粉末固化材に対して炭素成分を含む粉末を添加することにより、切断性能が大幅に向上していることも認められる。

［純チタン材にＣ粉末を添加した試料の切断性能］
図１１は、純チタン材（ＨＶ２１５−２８８）に炭素粉末を添加した場合の切断性能の影響を示す図である。炭素粉末の添加量を０．４ｗｔ％、０．６ｗｔ％、０．９ｗｔ％、１．２ｗｔ％、１．５ｗｔ％、２．３ｗｔ％に変えて比較した。図１１から、炭素粉末の添加量が１．５ｗｔ％までは、添加量が増加するにつれて、切断性能が向上していることが認められる。また、炭素添加量が２．３ｗｔ％になると、添加量１．５ｗｔ％のものよりも若干切断性能が劣ることが認められる。

［純チタン材にＳｉＣ粉末を添加した試料の切断性能］
図１２は、純チタン材（ＨＶ２１５−２８８）にＳｉＣ粉末を添加した場合の切断性能の影響を示す図である。ＳｉＣ粉末の添加量を０．５ｗｔ％、１．０ｗｔ％、１．５ｗｔ％に変えて比較した。図１２から、ＳｉＣ添加量が増加するにつれて切断性能が向上していることが認められる。

［窒素固溶チタン材にＴｉＣ粉末を添加した試料の切断性能］
図１３は、粉末添加によって窒素を固溶させた窒素固溶チタン材にＴｉＣ粉末を添加した場合の切断性能の影響を示す図である。ＴｉＣ粉末の添加量を０．５ｗｔ％、２．０ｗｔ％、３．０ｗｔ％、４．０ｗｔ％に変えて比較した。ＴｉＣを添加させていない窒素固溶チタン材（ＨＶ３５４−４５７）に比べて、ＴｉＣ粉末を添加した試料は切断性能が向上していることが認められる。

［窒素固溶チタン材にＶＣ粉末を添加した試料の切断性能］
図１４は、粉末添加によって窒素を固溶させた窒素固溶チタン材にＶＣ粉末を添加した場合の切断性能の影響を示す図である。ＶＣ粉末の添加量を０．５ｗｔ％、１．０ｗｔ％、１．５ｗｔ％に変えて比較した。ＶＣを添加させていない窒素固溶チタン材（ＨＶ３５４−４５７）に比べて、ＶＣ粉末を１．０ｗｔ％以上添加した試料は初期の切断性能が向上していることが認められる。

［窒素固溶チタン材にＳｉＣ粉末を添加した試料の切断性能］
図１５は、粉末添加によって窒素を固溶させた窒素固溶チタン材にＳｉＣ粉末を添加した場合の切断性能の影響を示す図である。ＳｉＣを添加させていない窒素固溶チタン材（ＨＶ３５４−４５７）に比べて、ＳｉＣ粉末を添加した試料は切断性能が向上していることが認められる。ＳｉＣ添加量を０．５ｗｔ％、１．０ｗｔ％、１．５ｗｔ％に変えた３つの試料の比較では、１．５ｗｔ％添加の試料の方が切断性能の良いことが認められる。

［炭素成分を含む粉末の他の例］
今回の実験では、炭素成分を含む粉末として、Ｃ粉末、ＳｉＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴｉＣ粉末を使用したが、ＷＣ粉末、Ｂ_４Ｃ粉末などの他の炭化物でも同様な効果が奏されると思われる。

窒素及び酸素のうちの少なくもいずれか一方を固溶したチタン粉末と、炭素成分を含む粉末との混合粉末成形体を焼結処理すると、チタン粉末中のＴｉと炭素成分を含む粉末中のＣとが結合してＴｉＣを生成する。このＴｉＣの分散強化も刃物素材の切断性能の向上に寄与しているものと思われる。

［採取したテータのまとめ］
本発明に関連して本願発明者らが採取したデータを以下の表１〜表６に示す。表中の加工性の記号「〇」、「△」、「×」の定義は以下の通りである。

〇：圧延良好
△：部分割れ
×：大幅な割れが発生し、圧延中止
表１は、添加物無しの試料１〜１９を示している。表２は、添加物としてＳｉＣ粉末を用いた場合の試料２０〜３４を示している。表３は、添加物としてＶＣ粉末を用いた場合の試料３５〜４２を示している。表４は、添加物としてＣ粉末を用いた場合の試料４３〜４８を示している。表５は、添加物としてＴｉＣ粉末を用いた場合の試料４９〜６０を示している。表６は、添加物としてＳｉ粉末を用いた場合の試料６１〜６８を示している。各表中の切断枚数は、１回目〜５回目までの５回の切断枚数の平均値を算出したものである。

［表１から読み取れること］
試料１は純チタン材の刃物、試料２は６４チタン合金材の刃物、試料３〜１０は窒素固溶チタン材の刃物、試料１１〜１６は酸素固溶チタン材の刃物、試料１７〜１９は窒素および酸素の両者を固溶させた酸素窒素固溶チタン材の刃物である。

試料１と試料２との比較から、純チタン材に比べて６４チタン合金のほうが、硬度が高く、かつ切断性能に優れていることがわかる。しかし、６４チタン合金は、加工性に劣ることも認められる。

試料３〜１０の窒素固溶チタン材は、試料１の純チタン材に比べて、硬度が高く、切断性能も優れている。固溶窒素量が０．４８質量％の試料３は、試料２の６４チタン合金材と同程度の硬度を有しているが、加工性および切断性能に関しては６４チタン合金材よりも良好な数値を示している。固溶窒素量が０．６７質量％〜１．９８質量％の試料４〜試料１０は、試料２の６４チタン合金に比べて、硬度および切断性能に優れている。窒素量が１．９８質量％の試料１０は、加工時に表面粒界割れを起こしたので、加工性の点でやや劣る。硬度、加工性および切断性能の観点から、窒素固溶チタン材の好ましい窒素含有量は、０．４〜１．９質量％の範囲である。

試料１１〜試料１６の酸素固溶チタン材に注目すると、固溶酸素量が０．４２質量％の試料１１は、硬度および切断性能に関して、試料１の純チタン材との間に差は見られない。固溶酸素量が０．６６質量％〜２．０５質量％の試料１２〜試料１６は、硬度および切断性能に関して、試料１の純チタン材よりも良好な数値を示している。試料２の６４チタン合金材と比べると、酸素量が０．８４質量％〜２．０５質量％の試料１３〜試料１６が硬度および切断性能において、良好な数値を示した。酸素量が２．０５質量％の試料１６は、加工時に表面粒界割れを起こしたので、加工性の点でやや劣る。硬度、加工性および切断性の観点から、酸素固溶チタン材の好ましい酸素含有量は、０．６〜１．９質量％の範囲が好ましい。

試料１７〜試料１９の酸素窒素固溶チタン材は、試料２の６４チタン合金材に比べて、硬度および切断性能において、良好な数値を示している。窒素量が０．５１質量％で酸素量が１．５２質量％の試料１９は加工性の点で問題があるが、その原因は、酸素量がやや多すぎるからと思われる。

［表２から読み取れること］
試料２０〜２３は純チタン材にＳｉＣ粉末を添加した刃物、試料２４〜２６は６４チタン合金材にＳｉＣ粉末を添加した刃物、試料２７〜３０は窒素固溶チタン材にＳｉＣ粉末を添加した刃物、試料３１〜３４は酸素固溶チタン材にＳｉＣ粉末を添加した刃物である。

表１の純チタン材（試料１）に比べて、ＳｉＣ粉末を添加して炭素含有量が０．２２質量％〜０．５３質量％になっている純チタン材の試料２０〜２２は、硬度および切断性能に関して良好な数値を示している。ＳｉＣ粉末の添加量が２．０ｗｔ％の試料２３は、加工性の点で問題があった。

６４チタン合金材にＳｉＣ粉末を添加した試料２４〜２６は、いずれも、加工性の点で問題があった。

窒素固溶チタン材にＳｉＣ粉末を添加した試料２７〜３０に注目すると、表１の同程度の窒素量を固溶した試料７の窒素固溶チタン材に比べて、硬度および切断性能において良好な数値を示している。

酸素固溶チタン材にＳｉＣ粉末を添加した試料３１〜３４に注目すると、表１の同程度の酸素量を固溶した試料１３の酸素固溶チタン材と比べて、硬度および切断性能において良好な数値を示している。

［表３から読み取れること］
試料３５〜３９は純チタン材にＶＣ粉末を添加した刃物、試料４０〜４２は窒素固溶チタン材にＶＣ粉末を添加した刃物である。ＶＣ粉末の添加量は０．５〜１．５ｗｔ％であり、チタン材中の炭素含有量は０．０７〜０．２６質量％である。これらの試料の窒素含有量は０．８８〜１．１０質量％であり、同程度の窒素含有量である表１中の試料７の窒素固溶チタン材に比べると、硬度および切断性能においてほぼ良好な数値を示している。

［表４から読み取れること］
試料４３〜４８は純チタン材にＣ粉末を添加した刃物である。Ｃ粉末の添加量は０．４〜２．３ｗｔ％であり、チタン材中の炭素含有量は０．４１〜２．４１質量％である。表１中の試料１の純チタン材に比べると、硬度および切断性能において良好な数値を示している。Ｃ粉末の添加量が１．５ｗｔ％を超える試料４７および４８では、チタン材中の炭素含有量が１．５５〜２．４１質量％になっており、加工性の点で問題があった。

［表５から読み取れること］
試料４９〜５３は純チタン材にＴｉＣ粉末を添加した刃物、試料５４〜６０は窒素固溶チタン材にＴｉＣ粉末を添加した刃物である。

炭素含有量が０．２１〜０．９９質量％になっている試料５０〜５３のチタン材は、表１中の試料１の純チタン材に比べて、硬度および切断性能において良好な数値を示している。

炭素含有量が０．１２〜０．７９質量％になっている試料５４〜５９の窒素固溶チタン材（窒素量０．８９〜０．９２質量％）は、表１中の試料４の窒素固溶チタン材（窒素量０．７７質量％）に比べて、硬度および切断性能において良好な数値を示している。

ＴｉＣ添加量が５．０ｗｔ％の試料６０の窒素固溶チタン材は、加工性の点でやや問題があった。

［表６から読み取れること］
試料６１〜６８は、純チタン材にＳｉ粉末を添加した刃物である。表１の試料１の純チタン材に比べて、Ｓｉ粉末を添加することにより、硬度および切断性能が向上していることがわかる。しかしながら、Ｓｉ添加量が２．１ｗｔ％の試料６８は、加工性の点で問題があった。

［好ましい炭素含有量］
以上の結果から、チタン材中に所定量以上の炭素を含有することにより、刃物素材の硬度および切断性能が向上することが認められた。しかし、炭素含有量が多すぎると加工性に支障をきたすことも認められた。表２、表３および表５中の窒素固溶チタン材および酸素固溶チタン材の炭素含有量に注目すると、０．０７〜０．６１質量％で良好な加工性を維持しながら硬度および切断性能を向上させていることが認められる。したがって測定上の誤差を考慮すると、窒素固溶チタン材および酸素固溶チタン材中の好ましい炭素含有量は０．０７〜０．６５質量％である。

本発明は、高硬度で切断性能に優れたチタン製の焼結刃物素材として有利に利用され得る。

Claims (11)

1. チタン材料からなり、
   前記チタン材料中に、０．４〜１．９質量％の窒素及び０．６〜１．９質量％の酸素のうちの少なくともいずれか一方を固溶している、焼結刃物素材。
2. 前記チタン材料中に、０．０７〜０．６５質量％の炭素を含む、請求項１に記載の焼結刃物素材。
3. 前記チタン材料中に、チタン炭化物を含む、請求項２に記載の焼結刃物素材。
4. 前記チタン材料中に、ケイ素またはバナジウムを含む、請求項２または３に記載の焼結刃物素材。
5. 前記チタン材料中に、チタンシリサイドを含む、請求項２または３に記載の焼結刃物素材。
6. 前記チタン材料は純チタンである、請求項１〜５のいずれかに記載の焼結刃物素材。
7. 窒素及び酸素のうちの少なくともいずれか一方を固溶したチタン粉末と、炭素成分を含む粉末とを混合する工程と、
   前記混合後の粉末を所定の形状に成形する工程と、
   前記成形後の成形体を焼結する工程と、
   前記焼結後の焼結体に圧延加工を施す工程と、
   前記圧延加工後の素材を刃物形状に成形する工程とを備える、焼結刃物素材の製造方法。
8. 前記焼結工程後に、前記焼結体に対して均質化熱処理を行う工程をさらに備える、請求項７に記載の焼結刃物素材の製造方法。
9. 前記炭素成分を含む粉末は、ＳｉＣ，ＶＣ，ＴｉＣ，ＷＣおよびＢ_４Ｃからなる群から選ばれた炭化物である、請求項７または８に記載の焼結刃物素材の製造方法。
10. 前記炭素成分を含む粉末は、炭素である、請求項７または８に記載の焼結刃物素材の製造方法。
11. 前記焼結工程により、前記チタン粉末中のＴｉと前記炭素成分を含む粉末中のＣとが結合してＴｉＣを生成する、請求項７〜１０のいずれかに記載の焼結刃物素材の製造方法。
    
    

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