JP2019108595A - チタン又はチタン合金圧粉体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】形状の自由度と寸法精度を高くすることができ、破断の発生を抑制可能で、経済的なチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法を提供する。【解決手段】厚さが０．２〜２．０ｍｍ、圧縮弾性率が８００ＭＰａ〜２１００ＭＰａの熱可塑性樹脂からなり、粉末供給口と粉末充填用の空洞とを有し、長手方向の任意の１０点の厚みを測定した場合の（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）で表されるモールド厚さ誤差範囲指数αが０〜０．０５であるＣＩＰ成形用モールド１内に、純チタン粉末又は純チタン粉末と合金元素粉末又は母合金粉末とを充填し、４００〜５００ＭＰａでＣＩＰ処理を実施し、相対密度８７％以上のチタン又はチタン合金圧粉体を製造することを含むチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法である。【選択図】図１

Description

本発明は、チタン又はチタン合金圧粉体の製造方法に関する。

チタン及びチタン合金は優れた機械的特性を有するが、加工が難しく、複雑形状製品は従来切削により製造されてきた。しかしながら、切削で製造する場合は歩留まりが悪く、製品単価が非常に高くなるという問題がある。

上記問題を解決する手法の一つとして、素粉末混合法を用いてチタン及びチタン合金圧粉体の製造を行う方法が知られている。素粉末混合法は、純チタン粉末と合金元素添加用粉末を所定の割合で混合し、これをモールドに充填後、室温で圧粉成形し、その後焼結処理や静水圧プレス処理等を行う処理方法である。

例えば、特開平７−９０３１３号公報には、熱可塑性樹脂を使用してブロー成形法により粉末成形用金型を作製し、その粉末成形用金型にチタン粉末を充填し、静水圧成形プレスで成形することで、チタン粉体の成形体を製造する方法が記載されている。

特開平７−９０３１３号公報

しかしながら、特許文献１に例示されるような熱可塑性樹脂をブロー成形して成形体を形成する方法では、割れがなく高密度の成形体が得られるが、厚さの精度が出にくい。そのため、ブロー成形により製造された成形体を用いて製造されたチタン又はチタン合金圧粉体は、外形寸法にずれが生じやすくなる。外形寸法の精度を高めるためには、金属金型などを利用する方法もあるが、高価になる上、複雑形状が製造しにくくなり、圧粉体に破断が生じる場合もある。

上記課題を鑑み、本発明は、形状の自由度と寸法精度を高くすることができ、破断の発生を抑制可能で、経済的なチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法を提供する。

本発明者は鋭意検討を重ねたところ、所定の特性を有する熱可塑性樹脂を用いて、所定の厚さ範囲を有するＣＩＰ成形用モールドを用いて、所定の圧力でＣＩＰ処理を行うことが有効であるとの知見を得た。

以上の知見を基礎として完成した本発明は一側面において、厚さが０．２〜２．０ｍｍ、圧縮弾性率が８００ＭＰａ〜２１００ＭＰａの熱可塑性樹脂からなり、粉末供給口と粉末充填用の空洞とを有し、長手方向の任意の１０点の厚みを測定した場合の（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）で表されるモールド厚さ誤差範囲指数αが０〜０．０５であるＣＩＰ成形用モールド内に、純チタン粉末又は純チタン粉末と合金元素粉末又は母合金粉末とを充填し、４００〜５００ＭＰａでＣＩＰ処理を実施し、相対密度８７％以上のチタン又はチタン合金圧粉体を製造することを含むチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法が提供される。

本発明に係るチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法は一実施態様において、ＣＩＰ処理後にＣＩＰ成形用モールドを除去することと、ＣＩＰ成形用モールド除去後のチタン又はチタン合金圧粉体を焼結処理し、相対密度９５％以上の焼結体を得ることを更に含む。

本発明に係るチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法は別の一実施態様において、ＣＩＰ成形用モールドが、大径部と、大径部に連続し、大径部よりも水平断面の断面積が小さい小径部とを少なくとも備え、且つ水平断面における大径部の最大径に対する小径部の最小径の比率Ｄ（小径部最小径／大径部最大径）が、０．５以上１．０未満である。

本発明に係るチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法は更に別の一実施態様において、ＣＩＰ成形用モールドが、大径部と、大径部に連続し、大径部よりも水平断面の断面積が小さい小径部とを少なくとも備え、且つ水平断面における大径部の最大径に対する小径部の最小径の比率Ｄ（小径部最小径／大径部最大径）が、０．５以上０．８未満である。

本発明に係るチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法は更に別の一実施態様において、ＣＩＰ成形モールドは、大径部の外側面に対して小径部の外側面が傾斜し、大径部の外側面の端部から大径部の外側面の延在方向に延びる直線と小径部の外側面とのなす角θが１０度以上６０度未満である。

本発明に係るチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法は更に別の一実施態様において、ＣＩＰ成形モールドを、３Ｄプリンタ装置を用いて作製することを含む。

本発明に係るチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法は更に別の一実施態様において、ＣＩＰ成形モールドを、材料押出法を利用した３Ｄプリンタ装置を用いて作製することを含む。

本発明に係るチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法は更に別の一実施態様において、ＣＩＰ成形モールドを、材料噴射法を利用した３Ｄプリンタ装置を用いて作製することを含む。

本発明に係るチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法は更に別の一実施態様において、平均粒径３０μｍ以上１００μｍ未満の純チタン粉末を８０〜１００質量％、ＣＩＰ成形用モールドの空洞内に充填することを含む。

本発明に係るチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法は更に別の一実施態様において、平均粒径３０μｍ以上１００μｍ未満の純チタン粉末と、平均粒径５μｍ以上５０μｍ未満の合金元素粉末又は母合金粉末とを１〜２０質量％、ＣＩＰ成形用モールドの空洞内に充填することを含む。

本発明によれば、形状の自由度と寸法精度を高くすることができ、破断の発生を抑制可能で、経済的なチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法が提供できる。

本発明の実施の形態に係るＣＩＰ成形用モールドの一例とＣＩＰ成形用モールドの厚さの測定位置（任意の１０点）を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係るＣＩＰ成形用モールドの大径部と小径部の傾斜角度θを説明する説明図であり、図２（ａ）は小径部が平面状の斜面を有し、図２（ｂ）は小径部が曲面状の斜面を有する場合の例である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。以下に示す実施の形態はこの発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものではない。

本発明の実施の形態に係るチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法は、冷間等方圧プレス（ＣＩＰ）処理により、相対密度８７％以上、更には相対密度９５％以上のチタン又はチタン合金圧粉体を得ることができるチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法であり、例えば図１に例示されるような、粉末供給口２と粉末充填用の空洞３とを有するＣＩＰ成形用モールド１を利用することができる。

外形の自由度が高く、寸法精度が高いチタン又はチタン合金圧粉体を製造するためには、ＣＩＰ処理の製造工程との関係において、ＣＩＰ成形用モールド１の材料、圧縮弾性率を最適化するとともに、ＣＩＰ成形用モールド１の厚さの寸法精度を高くすることが必要である。

具体的には、本実施形態に係るＣＩＰ成形用モールド１としては、厚さが０．２〜２．０ｍｍ、一実施態様においては、０．５〜１．７５ｍｍであることを要する。厚さが０．２ｍｍ未満の場合、厚さが不足しすぎて、充填粉末の重量でＣＩＰ成形用モールド１が変形し、寸法精度が低下する場合がある。一方、厚さを２．０ｍｍより大きくすると、得られる圧粉体に支障はないが、モールド造形材料コストが増加するため経済性を損なう。

厚さの寸法精度については、モールドの長手方向の任意の１０点の厚みを測定した場合の（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）で表されるモールド厚さ誤差範囲指数αが０〜０．０５であることを要する。

厚さの寸法精度の評価に際し、厚さの測定点が局所に偏ると、ＣＩＰ成形用モールド１の全体としての厚さのバラツキを適切に評価できない場合がある。本実施形態においては、「任意の１０点の厚み」の測定点として、ＣＩＰ成形用モールド１の最長面を１０等分した場所を測定する。

即ち、「モールド厚さ誤差範囲指数α」は、図１に示すように、ＣＩＰ成形用モールド１の長手方向に沿ってＣＩＰ成形用モールド１を１０等分した場合のそれぞれの高さの任意の位置の測定点の厚さをそれぞれ測定し、その最大値と最小値を用いて評価した誤差範囲指数を指す。厚さの測定は、例えば、各測定点に対してデジタルノギス等を用いることにより行うことができる。

モールド厚さ誤差範囲指数αが０．０５よりも大きくなると、ＣＩＰ成形用モールド１を用いて製造されるチタン又はチタン合金圧粉体の外形寸法の精度が悪くなる上に、スプリングバック力の制御が困難になり、破断発生の原因となる。モールド厚さ誤差範囲指数αは、０．０１以下とすることが好ましく、より好ましくは０．００８以下、更には０．００１以下とすることが好ましい。

ＣＩＰ成形用モールド１の狙い厚さ、即ち製造時のＣＩＰ成形用モールド１の厚さデータが既知の場合は、モールド厚さ誤差範囲指数βによって、ＣＩＰ成形用モールド１の寸法精度を評価することもできる。モールド厚さ誤差範囲指数βは、モールド厚さ誤差範囲指数αの測定と同様に、ＣＩＰ成形用モールド１の長手方向に沿って１０等分した場合のそれぞれの高さの任意の位置の測定点の厚さをそれぞれ測定した場合の「（最大値−最小値）／狙い厚さ」を指す。狙い厚さとしては、例えば、ＣＩＰ成形用モールド１の成形時の三次元ＣＡＤ元データの厚さを用いることができる。

モールド厚さ誤差範囲指数βが０．５よりも大きくなると、ＣＩＰ成形用モールド１を用いて製造されるチタン又はチタン合金圧粉体の外形寸法の精度が悪くなる上に、スプリングバック力の制御が困難になり、破断発生の原因となる。モールド厚さ誤差範囲指数βが０．５未満の誤差はＣＩＰ成形用モールド１の物性に影響しない。モールド厚さ誤差範囲指数βは０．２以下が好ましく、より好ましくは０．１以下、更に好ましくは０．０５以下である。

或いは、ＣＩＰ成形用モールド１の長手方向に沿ってＣＩＰ成形用モールド１を１０等分した場合のそれぞれの高さの任意の１０点の（厚さ/狙い厚さ×１００−１００）の絶対値の平均値をモールド厚さ誤差範囲指数γとして評価することもできる。モールド厚さ誤差範囲指数γは１．５未満が好ましく、より好ましくは１．０以下、更に好ましくは０．５以下である。

ＣＩＰ成形用モールド１に使用する材料としては、熱可塑性樹脂が好ましく、例えば、アクリル樹脂、ポリ乳酸（ＰＬＡ）樹脂、ＡＢＳ樹脂等を用いることができる。熱可塑性樹脂材料の圧縮弾性率は、８００ＭＰａから２１００ＭＰａとすることが好ましい。圧縮弾性率を８００ＭＰａ未満とすると、ＣＩＰ除荷時のＣＩＰ成形モールド１のスプリングバックが大きくなり、圧粉体破断に繋がる場合がある。圧縮弾性率を２１００ＭＰａよりも大きくすると、ＣＩＰ成形用モールド１の剛性が高くなり、ＣＩＰ加圧時に内部粉末に十分な圧力がかからず、緻密化を阻害する場合がある。

ＣＩＰ成形用モールド１に使用する熱可塑性樹脂の圧縮弾性率はより好ましくは１０００ＭＰａ〜１９００ＭＰａ、更に好ましくは１５００ＭＰａ〜１９００ＭＰａである。圧縮弾性率は、ＪＩＳ Ｋ７１８１（２０１１）に準拠する試験方法によって測定することができる。

図１に示すように、ＣＩＰ成形用モールド１は、大径部１１と、大径部１１に連続し、大径部１１よりも水平断面の断面積が小さい小径部１２と、小径部１２よりも水平断面の断面積が大きく、小径部１２に連続する大径部１３と、大径部１３に連続し、頂部に粉末供給口２を有する頂部１４とを含む。

小径部１２は、底部から頂部に向かって水平方向の断面積が徐々に小さくなり、中間部分で最小断面積となり、中間部分から大径部１３に向けて水平方向の断面積が徐々に大きくなるようなくびれを有することができる。

大径部１１、１３は、水平断面が多角形状を有していてもよいし、水平断面が円又は楕円状であってもよく、利用用途に応じて適宜変更することができ、具体的形状は特に限定されない。また、水平断面における大径部１１、１３の最大径Ｄ₁₁に対する小径部１２の最小径Ｄ₁₂の比率Ｄ（小径部最小径Ｄ₁₂／大径部最大径Ｄ₁₁）が、０．５以上１．０未満、別の実施態様においては０．５以上０．８未満の複雑形状のＣＩＰモールド１を作製することができる。

図２（ａ）の拡大図に示すように、ＣＩＰ成形用モールド１は、大径部１１の外側面１１１に対して小径部１２の外側面１２１が傾斜している。大径部１１の外側面１１１の端部１１２から大径部１１の外側面１１１の延在方向に延びる直線Ｘと小径部１２の外側面１２１とのなす角θ（図２（ａ）の例では直線Ｘから半時計回りに測定した場合の小径部１２の外側面１２１とのなす角θ）が１０度以上６０度未満である。なお、小径部１２の外側面１２１が曲面を有する場合は、図２（ｂ）に示すように、小径部１２の水平断面において最小径Ｄ₁₂となる位置と大径部１１の端部１１２とを通る直線Ｙと直線Ｘとのなす角θ（即ち、直線Ｘを基点として直線Ｘから反時計回りに測定した場合の直線Ｙとのなす角）が、１０度以上６０度未満である。

図１及び図２（ａ）、図２（ｂ）に示すような複雑形状を有するＣＩＰ成形用モールド１は、３Ｄプリンタ装置を用いて作製することができる。これにより、従来のようにブロー成形してモールドを形成する場合に比べて、厚さを均一にすることができ、寸法精度を向上させることができる。また、モールドの製造に際し、金型等を作製する必要がないため、より経済的に複雑形状を有するＣＩＰ成形用モールド１を、寸法精度が高くなるように製造することができる。

３Ｄプリンタ装置としては汎用の装置を用いることができるが、材料押出法を利用した３Ｄプリンタ装置、或いは材料噴射法を利用した３Ｄプリンタ装置を用いて作製することが好ましい。

本実施形態に係るＣＩＰ成形用モールド１内の空洞３に、純チタン粉末又は純チタン粉末と合金元素粉末又は母合金粉末とを充填し、ＣＩＰ処理を実施することにより、本実施形態に係るチタン又はチタン合金圧粉体が得られる。

充填材としては、例えば平均粒径３０μｍ以上１００μｍ未満の純チタン粉末を８０〜１００質量％、ＣＩＰ成形用モールドの空洞内に充填することにより、相対密度８７％以上のチタン又はチタン合金圧粉体が得られる。或いは、平均粒径３０μｍ以上１００μｍ未満の純チタン粉末と、平均粒径５μｍ以上５０μｍ未満の合金元素粉末又は母合金粉末とを１〜２０質量％、ＣＩＰ成形用モールド１の空洞内３に充填し、ＣＩＰ処理を実施することにより、相対密度８７％以上のチタン又はチタン合金圧粉体が得られる。粉体の充填、ＣＩＰ処理は一般的に良く知られる条件を用いて実施することができる。

本発明の実施の形態に係るチタン又はチタン合金圧粉体によれば、３Ｄプリンタを用いて、所定の熱可塑性樹脂を利用して、厚さ及び厚さ精度が制御されたＣＩＰ成形用モールド１を得て、これを利用してＣＩＰ処理を実施することにより、外形寸法の精度が高く、複雑形状を有するチタン又はチタン合金圧粉体をより経済的に製造することができる。

以下に本発明の実施例および比較例について説明するが、本発明は以下の実施例に制限されないことは勿論である。

狙い厚さ０．５〜１．７５ｍｍの間で調整したＣＩＰ成形用モールドの３Ｄデータに基づいて、ＡＢＳ樹脂、ＰＬＡ樹脂、アクリル樹脂、シリコン樹脂をそれぞれ用いて、３ＤプリンタによりＣＩＰ成形用モールドを作製した。ＰＬＡ樹脂を用いたＣＩＰ成形用モールドについては、久宝金属製作所製の３Ｄプリンタ装置クホリアを用いて材料押出法により作製した。アクリル樹脂を用いたＣＩＰ成形用モールドについては、３ＤＳｙｓｔｅｍｓ製３Ｄプリンタ装置ＰｒｏＪｅｔ３６００ＭＡＸを用いて材料噴射法により作製した。シリコン樹脂材料については、キーエンス製３Ｄプリンタ装置ＡＧＩＬＩＳＴＡ−３２００を用いて材料噴射法により作製した。ＣＩＰ成形用モールドの大径部と小径部の比率Ｄは０．６、大外径と小外径とのなす角θを２７度と設定して、図１に示す形状のＣＩＰ成形用モールドを作製した。

作製されたＣＩＰ成形用モールド内の空洞に、トーホーテック製純チタン粉末ＴＣ−１５０（粒度幅４５−１５０μｍ、平均粒径９０μｍ）を充填し、ＣＩＰ処理を行った。ＣＩＰ処理は、日機装製冷間静水圧成形装置ＣＬ４−２２−６０を用いた。

作製されたＣＩＰ成形用モールド内にチタン粉末を充填し、タッピングし、ビニールテープで封じたものを真空パックし、真空パックしたチタン粉末充填品を、冷間静水圧成形装置にセットし、約１０分かけて加圧した。目標とするＣＩＰ圧力（表１）に達したところで１分間保持後、除圧し、チタン粉末充填品を冷間静水圧成形装置から取り出した。得られた成形体を大気圧、１３０℃で１５分間加熱し、軟化したＣＩＰ成形用モールドをカッター、ニッパー等を使用して除去して、圧粉体を得た。この圧粉体に対して、１２５０℃で２時間、Ａｒ雰囲気で焼結処理を施して焼結体を得た。焼結処理の目標真空度は３．０×１０³Ｐａとした。

各材料及び各装置を用いて作製したＣＩＰ成形用モールドに対し、圧縮弾性率、圧粉体相対密度及びモールド厚さの誤差範囲指数α、β、γを測定し、得られた焼結体に対し、相対密度を測定した。ＣＩＰ成形用モールドの圧縮弾性率はＪＩＳ Ｋ７１８１（２０１１）に準拠して実施した測定結果より算出した。圧粉体及び焼結体の相対密度は、アルキメデス法で求めた密度／理論密度４．５１／ｃｍ³×１００から算出した。得られた圧粉体の破断の有無は目視により観察した。表１に実施条件及び結果を示す。

ＣＩＰ圧力が本発明の範囲よりも低い比較例１及び２では、圧粉体の相対密度を十分に高くすることができなかった。ＣＩＰ圧力が本発明の範囲よりも低く、狙い厚さが１．７５ｍｍの比較例３、及び４、７では、ＣＩＰ成形用モールドを作製することはできたが、得られた圧粉体に破断が生じた。ＣＩＰ圧力が本発明の範囲よりも低い比較例５及び６では、ＣＩＰ成形用モールドを作製することはできたが、得られた圧粉体の相対密度を十分に高くすることができなかった。シリコン樹脂でＣＩＰ成形用モールドを作製した比較例８〜１０では、ＣＩＰ成形用モールドを作製することができなかった。一方、実施例1〜１４では、いずれも相対密度８７％以上で破断のない圧粉体を作製することができた。

１…ＣＩＰ成形用モールド
２…粉末供給口
３…空洞
１１…大径部
１２…小径部
１３…大径部
１４…頂部
１１１,１２１…外側面
１１２…端部

Claims (10)

1. 厚さが０．２〜２．０ｍｍ、圧縮弾性率が８００ＭＰａ〜２１００ＭＰａの熱可塑性樹脂からなり、粉末供給口と粉末充填用の空洞とを有し、長手方向の任意の１０点の厚みを測定した場合の（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）で表されるモールド厚さ誤差範囲指数αが０〜０．０５であるＣＩＰ成形用モールド内に、純チタン粉末又は純チタン粉末と合金元素粉末又は母合金粉末とを充填し、４００〜５００ＭＰａでＣＩＰ処理を実施し、相対密度８７％以上のチタン又はチタン合金圧粉体を製造することを含むチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法。
2. 前記ＣＩＰ処理後に前記ＣＩＰ成形用モールドを除去することと、
   前記ＣＩＰ成形用モールド除去後の前記チタン又はチタン合金圧粉体を焼結処理し、相対密度９５％以上の焼結体を得ること
   を更に含むチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法。
3. 前記ＣＩＰ成形用モールドが、大径部と、前記大径部に連続し、前記大径部よりも水平断面の断面積が小さい小径部とを少なくとも備え、且つ水平断面における前記大径部の最大径に対する前記小径部の最小径の比率Ｄ（小径部最小径／大径部最大径）が、０．５以上１．０未満であることを含む請求項１に記載のチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法。
4. 前記ＣＩＰ成形用モールドが、大径部と、前記大径部に連続し、前記大径部よりも水平断面の断面積が小さい小径部とを少なくとも備え、且つ水平断面における前記大径部の最大径に対する前記小径部の最小径の比率Ｄ（小径部最小径／大径部最大径）が、０．５以上０．８未満であることを含む請求項１に記載のチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法。
5. 前記ＣＩＰ成形モールドは、前記大径部の外側面に対して前記小径部の外側面が傾斜し、前記大径部の前記外側面の端部から前記大径部の前記外側面の延在方向に延びる直線と前記小径部の外側面とのなす角θが１０度以上６０度未満である請求項１〜４のいずれか１項に記載のチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法。
6. 前記ＣＩＰ成形モールドを、３Ｄプリンタ装置を用いて作製することを含む請求項１〜５のいずか１項に記載のチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法。
7. 前記ＣＩＰ成形モールドを、材料押出法を利用した３Ｄプリンタ装置を用いて作製することを含む請求項１〜５のいずれか１項に記載のチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法。
8. 前記ＣＩＰ成形モールドを、材料噴射法を利用した３Ｄプリンタ装置を用いて作製することを含む請求項１〜５のいずれか１項に記載のチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法。
9. 平均粒径３０μｍ以上１００μｍ未満の純チタン粉末を８０〜１００質量％、前記ＣＩＰ成形用モールドの前記空洞内に充填することを含む請求項１〜８のいずれか１項に記載のチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法。
10. 平均粒径３０μｍ以上１００μｍ未満の純チタン粉末と、平均粒径５μｍ以上５０μｍ未満の合金元素粉末又は母合金粉末とを１〜２０質量％、前記ＣＩＰ成形用モールドの前記空洞内に充填することを含む請求項１〜８のいずれか１項に記載のチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法。