JP2023160150A - チタン系圧粉体の製造方法及び、チタン系焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所定の複雑な形状を有するチタン系圧粉体を、比較的簡易に製造することができるチタン系圧粉体の製造方法及び、チタン系焼結体の製造方法を提供する。【解決手段】この発明のチタン系圧粉体１の製造方法は、当該チタン系圧粉体１が、外部への開口部２ａを含む内部空間２ｂを形成した中空本体部２と、前記中空本体部２の前記内部空間２ｂに臨む内面２ｃに立てて設けられ、該内面２ｃ上で延びるプレート部３とを有し、前記製造方法が、樹脂製のモールド５１の芯材配置スペースに、前記内部空間２ｂを形成する芯材６１を配置する工程と、前記モールド５１の成形空間５２に原料粉末７１を充填する工程と、前記芯材配置スペースに前記芯材６１が配置された状態で、前記成形空間５２に前記原料粉末７１を充填した前記モールド５１に対して３００ＭＰａ以上の加圧力にて冷間等方圧加圧を行う工程とを含み、前記芯材６１として、ちょう度が５０以上である芯材構成材料を使用するというものである。【選択図】図１

Description

この発明は、チタン系圧粉体の製造方法及び、チタン系焼結体の製造方法に関するものである。

たとえばチタンやチタン合金は、耐疲労性、耐食性、軽量かつ高い比強度といった所定の優れた特性の故に、種々の部品に用いることが検討されている。
しかるに、チタン又はチタン合金製の部品を製造するには一般に、電子ビーム溶解や真空アーク溶解等による溶解、鋳造、場合によってはさらに熱間圧延、熱処理及び機械加工、溶接等の多数の工程を行う必要があり、それに伴って製造コストが嵩む。このような高コストに起因して、チタンやチタン合金の適用範囲が十分に広がっているとは言い難い。

かかる状況の下、近年は、いわゆるニアネットシェイプとして、チタンを含む原料粉末を樹脂製のモールド内に充填して、当該原料粉末に対して冷間等方圧加圧を施し、所定の形状のチタン系圧粉体を得る粉末冶金法が注目されている。粉末冶金法では、冷間等方圧加圧の後、必要に応じて加熱して焼結させ、密度を高めることが行われる場合がある。

ところで、チタン又はチタン合金製の部品のなかには、外部への開口部を含む内部空間ないし凹部が形成されたものがある。かかる内部空間を有するチタン系圧粉体を、粉末冶金法により製造するには、モールドのその内部空間に対応する箇所に芯材を配置し、成形空間に原料粉末を充填したモールドに対して冷間等方圧加圧を行う。

これに関し、特許文献１には、「母材と鉄系材料からなる中子とを有する焼結体を酸溶液に浸漬して前記中子を溶解し、除去して得られる中空構造体の製造方法であって、前記母材は前記中子を構成する鉄系材料よりも貴の材料からなり、前記母材の表面の少なくとも一部に非電導被膜を形成することで、前記母材における前記酸溶液と接触する表面を少なくする被膜形成工程を備える、中空構造体の製造方法」が提案されている。「中空構造体」としては、「インペラ（ポンプ羽根車）」が挙げられている。

また、特許文献２には、「凹部を有する金属製の圧粉体を製造する方法であって、樹脂製のモールドの、前記凹部に対応する箇所に、該凹部に対応する形状を有する樹脂製の芯材を位置させた状態で、前記モールド内に充填した原料粉末に対して冷間等方圧加圧を行う工程を含む、圧粉体の製造方法」が記載されている。特許文献２に記載された方法によれば、「芯材の近傍の圧粉体表面への隆起の発生を抑制することができる。」としている。

なお、材料がチタン又はチタン合金ではないが、圧粉体に関する技術としては、たとえば特許文献３及び４に記載されたものがある。特許文献３には、「粉体をモールド内に封入し、圧力容器内に収納して水などの液体を圧媒として等方圧を加え、冷間等方圧加圧成形を行うに際し、前記モールドとして粘塑性体にて構成したモールドを用いることを特徴とする粉体の冷間等方圧加圧成形方法」が記載されている。特許文献４には、「原料粉体を成形して圧粉体を製造する方法において、ちょう度１５～３００の半固形材料により形成されたモールド内に所望形状のキャビティを設け、該キャビティ内に粉体原料を充填した後、該モールドを圧力媒体として粉体原料を加圧することを特徴とする圧粉体の製造方法」が記載されている。

特開２０１６－１７２１８号公報 国際公開第２０２１／０６０３６３号 特開昭６３－２１９５０３号公報 特開２００３－１５４４９４号公報

特許文献１に記載された「鉄系材料からなる中子」のような高剛性の芯材を用いた場合、冷間等方圧加圧時に芯材がほぼ弾性変形しないので、芯材を介した原料粉末中での加圧力の伝達に差異が生じ、締固めが不十分になる箇所が生じ得る。それにより、高剛性の芯材では、当該芯材近傍の表面が隆起すること等により、所定の形状のチタン系圧粉体を良好に製造することができない場合があった。加えて、特許文献１に記載された方法は、「母材と鉄系材料からなる中子とを有する焼結体を酸溶液に浸漬して前記中子を溶解し、除去」することを要し、チタン系圧粉体を簡易に製造できるとは言い難い。

一方、特許文献２に記載された製造方法では、樹脂製の芯材を用いることから、冷間等方圧加圧後に成形されるチタン系圧粉体における当該芯材近傍の表面の隆起を抑制することができる。また、樹脂製の芯材は、冷間等方圧加圧後のチタン系圧粉体から比較的容易に取り出すことが可能である。

ところで、チタン又はチタン合金製の部品には、より複雑な形状として、たとえばクローズドインペラーのような、外部への開口部を含む内部空間に臨む内面に、羽根部等のプレート部を立てて設けたものがある。そのような内部空間にプレート部が設けられたチタン系圧粉体は、冷間等方圧加圧用のモールドに樹脂製の芯材を配置しても製造できない場合があった。

特許文献３及び４では、上記のような内部空間にプレート部を設けたチタン系圧粉体を製造することについては何ら検討されていない。

この発明の目的は、所定の複雑な形状を有するチタン系圧粉体を、比較的簡易に製造することができるチタン系圧粉体の製造方法及び、チタン系焼結体の製造方法を提供することにある。

発明者は鋭意検討の結果、樹脂製のモールドに配置する芯材として、ちょう度が５０以上である芯材構成材料を使用すれば、内部空間にプレート部を立てて設けたチタン系圧粉体を良好に製造できることを見出した。ちょう度が５０よりも小さく流動性に乏しい材料では、冷間等方圧加圧による荷重の除荷時における芯材のスプリングバックで、チタン系圧粉体の特に、厚みがある程度薄いプレート部が破損しやすくなると推測される。ちょう度が５０以上である芯材構成材料を使用することにより、プレート部の破損が抑制され、該プレート部を有するチタン系圧粉体を製造することが可能になる。また、ちょう度が５０以上である芯材構成材料は、冷間等方圧加圧後にチタン系圧粉体から容易に取り出すことができる。

（１）この発明のチタン系圧粉体の製造方法は、当該チタン系圧粉体が、外部への開口部を含む内部空間を形成した中空本体部と、前記中空本体部の前記内部空間に臨む内面に立てて設けられ、該内面上で延びるプレート部とを有し、前記製造方法が、樹脂製のモールドの芯材配置スペースに、前記内部空間を形成する芯材を配置する工程と、前記モールドの成形空間に原料粉末を充填する工程と、前記芯材配置スペースに前記芯材が配置された状態で、前記成形空間に前記原料粉末を充填した前記モールドに対して３００ＭＰａ以上の加圧力にて冷間等方圧加圧を行う工程とを含み、前記芯材として、ちょう度が５０以上である芯材構成材料を使用するというものである。

（２）上記（１）の項に記載のチタン系圧粉体の製造方法において、前記芯材構成材料のちょう度は、６０以上かつ２４０以下であることが好ましい。

（３）上記（１）又は（２）の項に記載のチタン系圧粉体の製造方法において、前記芯材構成材料は、ポリブテン樹脂または粘土を含むことが好ましい。

（４）上記（１）～（３）のいずれか一項に記載のチタン系圧粉体の製造方法において、インペラー用のチタン系圧粉体では、前記中空本体部は、互いに間隔をおいて配置されて相互間に前記内部空間を設けた一対の円盤状部分を含むケーシング部であり、前記プレート部は、前記円盤状部分の相互間で、該円盤状部分の中心から半径方向外側に向けて、真っ直ぐに、あるいは湾曲箇所及び／又は屈曲箇所を含んで延びる羽根部である場合がある。

（５）上記（４）の項に記載のチタン系圧粉体の製造方法において、チタン系圧粉体は、該チタン系圧粉体の前記プレート部を含んで中心軸線に直交する断面で、前記プレート部の延びる方向に垂直な垂線上にて、周方向で前記プレート部の両側に位置する各空間部分における長さの合計に対する、プレート部の厚みに相当する長さの比が０．０５以上かつ０．２５以下になる箇所が、当該チタン系圧粉体に存在する場合がある。

（６）上記（１）～（５）のいずれか一項に記載のチタン系圧粉体の製造方法において、前記モールドとしては、ショアＤ硬さが３０～１２０の範囲内である熱可塑性樹脂からなるモールドを用いることが好ましい。

（７）上記（１）～（６）のいずれか一項に記載のチタン系圧粉体の製造方法において、前記モールドとしては、三次元造形装置を用いて作製されたモールドを用いることができる。

（８）この発明のチタン系焼結体の製造方法は、上記（１）～（７）のいずれか一項に記載のチタン系圧粉体の製造方法により製造されたチタン系圧粉体を加熱して焼結させる焼結工程を含むものである。

この発明のチタン系圧粉体の製造方法によれば、所定の複雑な形状を有するチタン系圧粉体を、比較的簡易に製造することができる。

この発明の一の実施形態に係る製造方法により製造することができるチタン系圧粉体の一例を示す斜視図である。 図２（ａ）は、図１のチタン系圧粉体の平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のｂ－ｂ線に沿う断面図である。 図３（ａ）は、図１のチタン系圧粉体の側面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のｂ－ｂ線に沿う断面図である。 図４（ａ）は、図１のチタン系圧粉体の製造に用いられ得るモールド及び芯材を示す、中心軸線に沿う断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のｂ－ｂ線に沿う断面図である。 図４のモールド及び芯材を用いて冷間等方圧加圧を行う状態を模式的に示す、中心軸線に沿う断面図である。 この発明の一の実施形態に係る製造方法により製造することができるチタン系圧粉体の他の例を示す斜視図である。 図７（ａ）は、図６のチタン系圧粉体の平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のｂ－ｂ線に沿う断面図である。 図８（ａ）は、図６のチタン系圧粉体の側面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）のｂ－ｂ線に沿う断面図である。 この発明の一の実施形態に係る製造方法により製造することができるチタン系圧粉体のさらに他の例を示す斜視図である。 図１０（ａ）は、図９のチタン系圧粉体の平面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のｂ－ｂ線に沿う断面図である。 図１１（ａ）は、図９のチタン系圧粉体の側面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のｂ－ｂ線に沿う断面図である。 この発明の一の実施形態に係る製造方法により製造することができるチタン系圧粉体のさらに他の例を示す斜視図である。 図１３（ａ）は、図１２のチタン系圧粉体の平面図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のｂ－ｂ線に沿う断面図である。 図１４（ａ）は、図１２のチタン系圧粉体の側面図であり、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のｂ－ｂ線に沿う断面図である。 この発明の一の実施形態に係る製造方法により製造することができるチタン系圧粉体のさらに他の例を示す斜視図である。 図１６（ａ）は、図１５のチタン系圧粉体の平面図であり、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のｂ－ｂ線に沿う断面図である。 図１５のチタン系圧粉体の側面図である。

以下に図面を参照しながら、この発明の実施の形態について詳細に説明する。
この発明の一の実施形態に係るチタン系圧粉体の製造方法では、図１～３に例示するような、開口部２ａを含む内部空間２ｂにプレート部３を設けたチタン系圧粉体１等を製造する。なお、ここでいう「チタン系」には、純チタンのチタン製だけでなく、チタン合金製も含まれるものとする。

このような内部空間２ｂにプレート部３を設けたチタン系圧粉体１を製造するため、この実施形態では、冷間等方圧加圧に先立って、樹脂製のモールドの芯材配置スペースに、内部空間を形成する芯材を配置するに当り、その芯材として、ちょう度が５０以上である芯材構成材料を使用する。

ちょう度が５０以上である芯材構成材料で構成される芯材は、比較的低粘度で流動性が高いので、冷間等方圧加圧の後にその荷重が取り除かれたとき、それほどスプリングバックが起こらず、それによるチタン系圧粉体のプレート部の破損が抑えられると推測される。また、ちょう度が５０以上である芯材構成材料の芯材は、流動性を有することから、冷間等方圧加圧後にチタン系圧粉体から容易に取り出すことができる。その結果として、所定の複雑な形状を有するチタン系圧粉体を、比較的簡易に製造することができる。

（製造方法）
ここでは、一例として、図１～３に示すチタン系圧粉体１を製造する方法について詳説する。このチタン系圧粉体１は、外部への開口部２ａを含む内部空間２ｂを形成した中空本体部２と、中空本体部２の内部空間２ｂに臨む内面２ｃに立てて設けられ、該内面２ｃ上で延びるプレート部３とを有するものである。

ここで、中空本体部２には、互いに間隔をおいて平行に配置された一対の円盤状部分４ａ、４ｂ、並びに、円盤状部分４ａ、４ｂ間で中心軸線と平行に延びて円盤状部分４ａ、４ｂの相互を連結する円柱状の連結部分５が含まれる（図２及び３参照）。内部空間２ｂは、円盤状部分４ａ、４ｂの相互間で連結部分５の外周側に区画されており、中空本体部２の外面から窪んで該外面よりも奥まった位置に存在する。この内部空間２ｂは、中空本体部２の外面のうちの円盤状部分４ａ、４ｂの外周面の相互間に、外部への開口部２ａがある。なお、各円盤状部分４ａ、４ｂの外側を向く外端面と外周面との間の境界は、必要に応じて、たとえば曲面状の、全周にわたる面取り部４ｃを形成することができる。

そして、プレート部３は、円盤状部分４ａ、４ｂの内部空間２ｂに臨んで内部空間２ｂ側を向く内面２ｃ（より詳細には、円盤状部分４ａ、４ｂの内部空間２ｂ側を向く内端面）に設けられている。プレート部３は一枚又は複数枚とすることができ、図示の例では六枚存在する。各プレート部３は、内面２ｃ（各円盤状部分４ａ、４ｂのそれぞれの内端面）と一体に形成され、該内面２ｃから立ち上がった姿勢で内面２ｃ上にて延びるものとしている。

この例では、複数枚のプレート部３は、円盤状部分４ａ、４ｂの中心の連結部分５に接続されており、その連結部分５から半径方向外側に向かって放射状に真っ直ぐ延びる形状を有する。内部空間２ｂは、図３に示すように、複数枚のプレート部３で、それに対応する数の複数箇所の空間部分に区分けされており、各空間部分の半径方向の最も外側に複数の開口部２ａが存在する。

上記のチタン系圧粉体１を成形するモールド５１は、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、当該チタン系圧粉体１の形状に対応する形状の成形空間５２が設けられる。より詳細には、このモールド５１は、互いに間隔をおいて配置された一対の中空の円盤状壁部５３ａ、５３ｂと、円盤状壁部５３ａ、５３ｂ間の中心で中心軸線と平行に延びて各円盤状壁部５３ａ、５３ｂに連結された中空の円柱状壁部５４と、円盤状壁部５３ａ、５３ｂ間で、それらの円盤状壁部５３ａ、５３ｂ及び円柱状壁部５４のそれぞれに連結されて放射状に延びる複数個の中空の板状壁部５５とを有するものである。

図示のモールド５１では、いずれも中空の円盤状壁部５３ａ、５３ｂ、円柱状壁部５４及び板状壁部５５の内部に、成形空間５２が区画されている。円盤状壁部５３ａ、５３ｂの内部の成形面で、チタン系圧粉体１の円盤状部分４ａ、４ｂが、また円柱状壁部５４の内部の成形面で、チタン系圧粉体１の連結部分５が、また板状壁部５５の内部の成形面で、チタン系圧粉体１のプレート部３がそれぞれ形成される。なお、このモールド５１では、一方の円盤状壁部５３ａの外側の中央部分に、成形空間５２への原料粉末７１の供給に用いる貫通孔５３ｃが設けられているが、貫通孔はモールドの他の部分に設けてもよい。また、貫通孔５３ｃの個数は一個に限らず、複数個でもよい。

モールド５１は樹脂製であり、好ましくは熱可塑性樹脂製とし、特にアクリル樹脂、エラストマーを含有するアクリル樹脂、ポリ乳酸（ＰＬＡ）樹脂等で形成されたものとすることが好適である。樹脂製のモールド５１は、所要の強度を確保して原料粉末７１の充填時にもその形状を維持するため、ショアＤ硬さが３０～１２０の範囲内である熱可塑性樹脂からなることが好ましく、３０～８５の範囲内である熱可塑性樹脂としてもよい。ショアＤ硬さは、ＪＩＳ Ｋ７２１５（１９８６）に準拠する試験方法によって測定することができる。また同様の観点から、樹脂製のモールド５１の厚みは、０．５ｍｍ～２．０ｍｍであるものとすることが好ましい。

樹脂製のモールド５１は、種々の方法により作製することが可能であるが、三次元造形装置（いわゆる３Ｄプリンタ）を用いて作製されたものであることが好ましい。これにより、様々な形状のモールド５１を容易に作製することができる。三次元造形装置の造形方式は特に問わず、たとえば光造形方式、インクジェット方式、インクジェット粉末積層方式、粉末焼結積層造形方式、熱溶解積層方式又は粉末固着方式等のいずれであってもよい。

モールド５１の成形空間５２に充填する原料粉末７１としては、チタン粉末、合金元素粉末、母合金粉末等の様々な粉末を、必要に応じて組み合わせて用いることができる。このチタン粉末には、実質的にチタンのみからなる純チタン粉末や、主としてチタンを含有し、水素を５質量％以下で含む水素化チタン粉末等がある。純チタン粉末は、たとえば、水素化チタン粉末に脱水素処理を行って得られる水素化脱水素粉末とすることがある。なお、原料粉末７１が水素化チタン粉末を含む場合は、後述するようにチタン系圧粉体１を加熱して焼結させる工程を行うことが望ましい。また、上記の合金元素粉末はチタン合金の合金元素を単独で含む粉末、母合金粉末は複数の元素を含む粉末をそれぞれ意味する。原料粉末７１は、たとえば、チタン粉末のみとすることができる他、チタン粉末に、鉄、アルミニウム、バナジウム、ジルコニウム、錫、モリブデン、銅及びニッケルからなる群から選択される一種の合金元素粉末及び／又は、それらの二種以上の母合金粉末を混合させたものとしてもよい。あるいは、チタン及び合金元素を含む粉末だけを、原料粉末７１とすることも可能である。なお、純チタンとは、チタン含有量が９９質量％以上であるチタンを意味する。原料粉末７１中のチタンに対する合金元素の質量比は、チタンを１とした場合、０～０．３３の範囲内とすることがあり、たとえば０～０．１１である。

原料粉末７１の平均粒径は、１０μｍ～１５０μｍとすることが好ましい。このように比較的微細な粒子を使用することにより、冷間等方圧加圧後のチタン系圧粉体、さらには加熱後のチタン系焼結体の圧縮密度を向上させることができる。平均粒径は、レーザー回折散乱法によって得られた粒度分布（体積基準）の粒子径Ｄ５０（メジアン径）を意味する。原料粉末７１には、破砕粉末やアトマイズ粉末等の公知の粉末を使用可能である。

上記のモールド５１及び原料粉末７１を用いてチタン系圧粉体１を製造するには、モールド５１の芯材配置スペースに、チタン系圧粉体１の内部空間２ｂを形成するための芯材６１を配置する。図４に示すところでは、モールド５１における一対の円盤状壁部５３ａ、５３ｂの相互間にて、円柱状壁部５４の外周側で周方向に隣り合う板状壁部５５間のスペースに芯材６１が配置されており、このスペースが芯材配置スペースに相当する。流動性を有する芯材構成材料は、芯材配置スペースの周囲の、外部への開口部から芯材配置スペースに流し込んで充填することができ、それにより、芯材配置スペースに芯材６１が配置される。芯材６１を配置した後、芯材配置スペースの当該開口部は、たとえば板状等の密閉部材５６で閉じることで、芯材配置スペースを密閉することができる（図５参照）。

また、モールド５１の芯材配置スペースに芯材６１を配置する工程の前又は後に、モールド５１の成形空間５２に、貫通孔５３ｃを通じて原料粉末７１を充填する。成形空間５２に原料粉末７１を充填した後、貫通孔５３ｃには、たとえばモールド５１と実質的に同種の材料等からなる板状等の蓋部材５７が設けられ、これにより成形空間５２は密閉される（図５参照）。

なお、芯材配置スペースに芯材６１を配置する工程と、モールド５１の成形空間５２に原料粉末７１を充填する工程を行う順序の先後は問わず、いずれの工程を先に行ってもよい。また、貫通孔５３ｃに設ける蓋部材５７及び／又は、芯材配置スペースの開口部を閉じる密閉部材５６に代えて、図示は省略するが、モールド全体を袋状等の被覆部材で覆ってもよい。この場合、必要に応じて、次に述べる冷間等方圧加圧の前に、モールドを包み込んだ被覆部材の内部の減圧処理等が行われ得る。

その後、芯材配置スペースに芯材６１が配置された状態で、成形空間５２に原料粉末７１を充填したモールド５１に対し、冷間等方圧加圧装置内で冷間等方圧加圧（ＣＩＰ）を行う。ここでは、図５に示すように、モールド５１がその外側から加圧される。なお、密閉部材５６及び蓋部材５７はモールド５１の一部を構成するものとし、密閉部材５６及び蓋部材５７にもその外側から加圧力が作用する。モールド５１の加圧に伴い、モールド５１の成形空間５２の原料粉末７１は圧縮されて締め固められ、チタン系圧粉体１になる。

冷間等方圧加圧では、モールド５１はその形状のいかんを問わず、周囲の流体により等方圧（静水圧等）で加圧される。それ故に、冷間等方圧加圧によると、種々の形状のモールド５１を用いてチタン系圧粉体１を製造することができる。

冷間等方圧加圧でモールド５１に作用させる加圧力は、３００ＭＰａ以上とし、好ましくは４００ＭＰａ以上である。加圧力を３００ＭＰａ未満にすると、原料粉末７１が十分に圧縮されず、チタン系圧粉体１の形状精度が不十分となる。加圧力は、たとえば７５０ＭＰａ以下、また６００ＭＰａ以下、典型的には５００ＭＰａ以下とすることがある。また、そのような加圧力での保持時間は、たとえば０．５分～３０分とする場合がある。

冷間等方圧加圧の工程後は、冷間等方圧加圧装置からチタン系圧粉体１を、モールド５１及び芯材６１とともに取り出す。その後、チタン系圧粉体１からモールド５１及び芯材６１を除去する。このとき、芯材６１は、流動性を有するので容易に取り除くことが可能である。芯材６１を構成する芯材構成材料の種類等によっては、芯材６１はモールド５１の一部とともに取り出すことがある。なお、モールド５１は、必要に応じて除去前に、大気中で１００℃程度に加熱して軟化させてもよい。これにより、チタン系圧粉体１を製造することができる。

チタン系焼結体を製造する場合、冷間等方圧加圧の工程の後、チタン系圧粉体１を加熱する工程を行う。チタン系圧粉体１は加熱すると、それを構成する粒子が焼結してチタン系焼結体になる。なお、製造されたチタン系圧粉体やチタン系焼結体は切削や研磨などの更なる処理に供することができる。

この工程では、チタン系圧粉体１を無加圧で、たとえば１２００℃～１３００℃の温度にて１時間～３時間にわたって加熱することができる。また、それに代えて又は加えて、チタン系圧粉体１に熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）を施し、たとえば８００℃～１０００℃の温度にて、チタン系圧粉体１に対し、アルゴンガス等の圧力媒体により１００ＭＰａ～２００ＭＰａ程度の等方圧を３０分～１８０分にわたって作用させてもよい。

無加圧の加熱及び／又は熱間等方圧加圧により、チタン系焼結体を製造することができる。無加圧の加熱及び熱間等方圧加圧の両方を行う場合は、その順序は特に問わないが、たとえば無加圧の加熱後に熱間等方圧加圧を行うことができる。

上述したような製造方法において、モールド５１の芯材配置スペースに配置する芯材６１は、ちょう度が５０以上である芯材構成材料で構成されるものとする。

芯材構成材料のちょう度が５０以上であれば、芯材６１はある程度低粘度で高い流動性を示すので、冷間等方圧加圧時の等方圧の作用に際し、原料粉末７１及びモールド５１に追従して変形することができる。そのような芯材６１を用いると、冷間等方圧加圧後のチタン系圧粉体１の破損が生じにくくなる傾向がある。これは、芯材構成材料のちょう度が５０以上であることで、冷間等方圧加圧の荷重が除荷されたときに、適度な粘性及び流動性を有する芯材６１がそれほど復元しないことによるものと推察される。ちょう度が５０未満の芯材構成材料で構成された芯材６１を使用した場合は、冷間等方圧加圧の荷重が取り除かれた際に、芯材６１の大きなスプリングバックが起こり得る。これにより、チタン系圧粉体１の特に、芯材６１と板状壁部５５を介して隣り合う比較的薄肉のプレート部３が破損しやすくなる。

これまでは、内部空間２ｂにプレート部３が存在するチタン系圧粉体１を製造する場合、内部空間２ｂの切削加工が困難であることから、プレート部３を溶接して設ける必要があった。但し、チタンやチタン合金は酸素と結合しやすいので、溶接でプレート部３を接合すると、その溶接部は酸素を含みやすく、他の部分と機械的特性が異なるものになるという問題がある。これに対し、上述した実施形態では溶接が不要になり、そのような問題が生じないという利点もある。

また、芯材構成材料のちょう度が５０以上である芯材６１は、その流動性の故に、様々な形状の芯材配置スペースに充填して配置することができる。このため、かかる芯材６１を使用すれば、多様な形状の内部空間２ｂのチタン系圧粉体１を製造することができる。

なお一般には、ちょう度が変化しない芯材構成材料を使用するが、たとえば熱による硬化等によって、ちょう度が変化し得る芯材構成材料である場合、モールド５１の芯材配置スペースへの充填直前、及び、チタン系圧粉体１から取り出した直後の芯材構成材料のちょう度が、いずれも５０以上であればよい。芯材配置スペースへの充填前の芯材構成材料のちょう度が５０以上であっても、その充填後に硬化したことによって、そのちょう度が５０未満となった場合、冷間等方圧加圧の除荷時に芯材のスプリングバックが起こるおそれがある。

芯材構成材料のちょう度は、６０以上かつ２４０以下であることが好ましい。ちょう度を６０以上とすると、上述したようなチタン系圧粉体１の破損をより一層有効に抑制することができる。一方、ちょう度を２４０以下としたときは、芯材６１をチタン系圧粉体１から除去する際等の芯材６１の付着や内部への浸透によるチタン系圧粉体１の汚染が抑えられる。チタン系圧粉体１に芯材構成材料が付着ないし浸透した場合、その後の焼結時に酸素や炭素、窒素等の濃度が局所的に上昇し、チタン系焼結体の機械的特性が低下すること等が懸念される。また、ちょう度が適切な大きさであれば、芯材の、芯材配置スペースへの充填やそこからの取出しが容易になる。

芯材構成材料のちょう度は、ＪＩＳ Ｋ２２２０：２０１３に準拠し、標準円すいを用いて測定する。

芯材構成材料として具体的には、ポリブテン樹脂、粘土等を挙げることができる。粘土は、土、砂、油脂、パルプ等を含み所定の粘着性を有する人工もしくは自然の土又は粒子の集合体であり、たとえば油粘土等がある。

（チタン系圧粉体）
上述した実施形態の製造方法によると、図１～３に示すチタン系圧粉体１を製造することができる。このチタン系圧粉体１の具体的な構成は先に述べたとおりであり、その再度の説明は省略する。

チタン系圧粉体１は、純チタンからなるチタン製、又は、Ｔｉ－５Ａｌ－１Ｆｅ、Ｔｉ－５Ａｌ－２Ｆｅ、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ、Ｔｉ－６Ａｌ－６Ｖ－２Ｓｎ、Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｓｎ－４Ｚｒ－２Ｍｏ、Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｓｎ－４Ｚｒ－６Ｍｏもしくは、Ｔｉ－１０Ｖ－２Ｆｅ－３Ａｌ等からなるチタン合金製とすることがある。なお、ここで列挙したチタン合金の成分において各合金元素記号の前に付した数字は、含有量（質量％）を意味する。例えば、「Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ」とは、６質量％のＡｌと４質量％のＶとを含有するチタン合金を表している。

製造の対象とすることができるのは、図１～３に示すチタン系圧粉体１に限らない。その他、たとえば、図６～８に示すチタン系圧粉体１１、図９～１１に示すチタン系圧粉体２１又は、図１２～１４に示すチタン系圧粉体３１を製造することも可能である。

図６～８に示すチタン系圧粉体１１は、図１～３のチタン系圧粉体１の連結部分５に相当する部分が存在せず、一方の円盤状部分１４ａを、その中心に他方の円盤状部分１４ｂとの間の隙間につながる貫通穴部１５のあるリング状のものとしたことを除いて、チタン系圧粉体１とほぼ同様の構成を有するものである。貫通穴部１５は、内部空間１２ｂの一部を構成し、その円盤状部分１４ａの外端面側にも、外部への開口部１５ａが存在する（図６及び７参照）。なお、一対の円盤状部分１４ａ、１４ｂは、それらの間のプレート部１３で互いに連結されている。

図９～１１に示すチタン系圧粉体２１は、図１～３のチタン系圧粉体１の連結部分５に比して直径が大きい連結部分２５を有すること、並びに、各プレート部２３が、円盤状部分２４ａ、２４ｂの中心から半径方向外側に向かうに伴って周方向の一方側（図１１（ｂ）では反時計回りの向き）に突出するように湾曲する箇所を含んで延びることを除いて、チタン系圧粉体１とほぼ同様の構成を有するものである。このチタン系圧粉体２１では、プレート部２３の全体が湾曲箇所である。但し、図示しないが、プレート部は、全体ではなく、少なくとも一箇所の湾曲箇所を部分的に含むものであってもよい。

図１２～１４に示すチタン系圧粉体３１は、図１～３のチタン系圧粉体１の連結部分５に比して直径が大きい連結部分３５を有すること、並びに、各プレート部３３が、円盤状部分３４ａ、３４ｂの中心から半径方向外側に向かう途中に、少なくとも一箇所の屈曲箇所を含んで延びることを除いて、チタン系圧粉体１とほぼ同様の構成を有するものである。図示のチタン系圧粉体３１では、各プレート部３３は複数箇所の屈曲箇所を有し、図１４（ｂ）に示すように、半径方向外側に向かう途中で、周方向の一方側に突き出る屈曲箇所と、他方側に突き出る屈曲箇所とが交互に設けられたジグザグ状をなす。なお、円柱状の連結部分３５の外面には、ジグザグ状のプレート部３３の端部との接続による角部３３ａが形成されている。

図示は省略するが、図９～１１に示すチタン系圧粉体２１のプレート部２３に含まれるような湾曲箇所と、図１２～１４に示すチタン系圧粉体３１のプレート部３３に含まれるような屈曲箇所との両方が存在するプレート部とすることも可能である。

図１～図１４に示すチタン系圧粉体１、１１、２１、３１は、クローズドインペラー等のインペラーとして用いられ得るものである。それらのチタン系圧粉体１、１１、２１、３１では、一対の円盤状部分４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ、３４ａ、３４ｂ及び連結部分５、２５、３５が、インペラーのケーシング部に相当する。いずれのチタン系圧粉体１、１１、２１及び３１も、ケーシング部は、一対の円盤状部分４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ、３４ａ、３４ｂを含むものである。また、チタン系圧粉体１、１１、２１、３１のプレート部３、１３、２３、３３は、インペラーの羽根部に相当する。

このようなインペラー用のチタン系圧粉体１、１１、２１、３１は、内部空間２ｂ、１２ｂ、２２ｂ、３２ｂに存在する羽根部であるプレート部３、１３、２３、３３の厚みが比較的薄いことがある。

この点について、図１～３に示すチタン系圧粉体１を例として説明すると、このチタン系圧粉体１は、図３（ｂ）に示すような、当該チタン系圧粉体１のプレート部３を含んで中心軸線に直交する断面で視たときに、プレート部３の厚みの、内部空間２ｂに占める割合ないし領域が小さいものである。より詳細には、チタン系圧粉体１には、上記断面で、プレート部３の延びる方向に垂直な垂線ＰＬ（図３（ｂ）に破線で示す。）上にて、周方向でプレート部３の両側に位置する各空間部分における長さ（Ｌｓ／２）の合計（Ｌｓ）に対する、プレート部３の厚みに相当する長さＬｔの比（Ｌｔ／Ｌｓ）が、例えば０．０５以上かつ０．２５以下になる箇所が存在することがある。チタン系圧粉体のプレート部の全体が、上記の比（Ｌｔ／Ｌｓ）になる箇所であることまでは要しない。プレート部の少なくとも一部に、上記の比（Ｌｔ／Ｌｓ）が０．０５以上かつ０．２５以下になる箇所があれば、当該比（Ｌｔ／Ｌｓ）になる箇所が存在するチタン系圧粉体に該当する。

プレート部３の周方向両側の各空間部分における長さは、図３（ｂ）のように、当該プレート部３の空間部分を隔てた側方に、それと隣接する他のプレート部３があるときは、当該プレート部３の側面から他のプレート部の側面までの、上記垂線ＰＬに沿う方向の長さを意味する。あるいは、図示は省略するが、プレート部の空間部分を隔てた側方に、内部空間に臨む内面があるときは、当該プレート部の側面から該内面までの垂線方向の長さが、当該プレート部の両側の各空間部分の長さに相当する。

上記のような、プレート部３の厚みに相当する長さＬｔと、その周方向両側の空間部分における長さの合計（Ｌｓ）との比（Ｌｔ／Ｌｓ）が０．０５以上かつ０．２５以下になる箇所が存在するチタン系圧粉体１は、その製造時に先述した芯材６１のスプリングバックに起因する破損が生じやすくなる傾向がある。これに対し、この実施形態によれば、所定の芯材構成材料を使用することにより、そのようなチタン系圧粉体１であっても、プレート部３の破損を抑制しつつ良好に製造することができる。

ところで、この発明の実施形態によると、インペラー用のチタン系圧粉体１、１１、２１、３１だけでなく、図１５～１７に示す他の用途のチタン系圧粉体４１を製造することもできる。

図１５～１７のチタン系圧粉体４１は、外部への開口部４２ａを含む内部空間４２ｂを形成した中空本体部４２と、中空本体部４２の内部空間４２ｂに臨む内面４２ｃに立てて設けられ、内面４２ｃ上で延びる三枚のプレート部４３とを有するものである。

ここで、中空本体部４２は、互いに間隔をおいて配置された一対の円盤状部分４４ａ、４４ｂが、それらの相互間で中心軸線に沿って延びる円柱状の連結部分４５により互いに連結されている。内部空間４２ｂは、中空本体部４２の外面から窪んで外面よりも奥まった位置にて、一対の円盤状部分４４ａ、４４ｂ及び連結部分４５の内部空間４２ｂ側の内面によって区画されている。

またここで、円柱状の連結部分４５の周囲に設けた各プレート部４３は、図示の例では、その連結部分４５の内部空間４２ｂ側を向く内面４２ｃ上で周方向に延びるものであり、半径方向外側に向かうに従い厚みが漸減する円環の板状をなす。なお、プレート部４３の枚数は適宜変更可能であり、一枚、二枚又は、四枚以上としてもよい。

図１５～１７に示すチタン系圧粉体４１は、インペラー用ではないが、内部空間４２ｂに設けたプレート部４３の破損を生じさせずに成形するため、この実施形態を用いて製造することができる。

次に、この発明のチタン系圧粉体の製造方法を試験的に実施し、その効果を確認したので以下に説明する。但し、ここでの説明は単なる例示を目的としたものであり、これに限定されることを意図するものではない。

原料粉末の冷間等方圧加圧により、図１～３に示すようなチタン系圧粉体Ａ及び、図９～１１に示すようなチタン系圧粉体Ｂのそれぞれの製造を試みた。チタン系圧粉体Ａは、プレート部を含んで中心軸線に直交する断面で、プレート部の延びる方向に垂直な垂線上にて、周方向で前記プレート部の両側に位置する各空間部分における長さの合計Ｌｓに対する、プレート部の厚みに相当する長さＬｔの比（Ｌｔ／Ｌｓ）の最小値が０．０５である。また、チタン系圧粉体Ｂにおける同様の比（Ｌｔ／Ｌｓ）の最小値は、０．０９である。

実施例１～８及び比較例１～３では、チタン製の圧粉体を製造した。原料粉末として、実施例１～７及び比較例１～３では水素化脱水素粉末（ＨＤＨ粉末）を使用した。実施例８では、ＨＤＨ粉末と水素化チタン粉末とを質量比で１：１に混合させたものを使用した。上記のＨＤＨ粉末は、チタン含有量が９９質量％以上であり、平均粒径が６６μｍであった。また、上記の水素化チタン粉末は、チタン含有量が９５質量％以上、水素含有量が５質量％以下であり、平均粒径が６６μｍであった。

実施例９ではチタン合金製の圧粉体を製造し、原料粉末として、上記のＨＤＨ粉末と６０Ａｌ４０Ｖ粉末とを質量比で９：１に混合させたものを使用した。上記の６０Ａｌ４０Ｖ粉末は、鋳塊を粉砕して作製され、アルミニウムを６０質量％、バナジウムを４０質量％で含むものであり、平均粒径が３５μｍであった。

製造に用いたモールドは、３Ｄプリンタにより造形した。モールドを構成する樹脂材料は、ポリ乳酸（ＰＬＡ）とし、ショアＤ硬さが８３であった。モールドの厚みは１．０ｍｍとした。モールドの芯材配置スペースに配置する芯材には、表１に示す各芯材構成材料を使用した。なお、表１中、「エアコン配管用パテ」はポリブテン樹脂製である。芯材構成材料のちょう度は、先に述べたように、ＪＩＳ Ｋ２２２０：２０１３に準拠して測定した。但し、比較例１のシリコーンシーラントは時間の経過に伴って硬化すること、比較例２の炭素鋼及び比較例３の熱硬化性樹脂は室温で流動性を有しないことから、それぞれ、ちょう度を測定することができなかった。これにより、比較例１～３は硬い材料であり、ちょう度が明らかに５０未満であると考えられる。

上記のモールドに芯材を配置するとともに原料粉末を充填した後、モールドの全体をビニール袋で包み込んで、その内部を減圧してから、冷間等方圧加圧装置内にて静水圧加圧で冷間等方圧加圧（ＣＩＰ）を行った。冷間等方圧加圧では、原料粉末を充填したモールドに対し、４９０ＭＰａの加圧力を１分にわたって作用させた。冷間等方圧加圧の後、モールドをビニール袋から取り出し、手作業にて芯材の大部分を取り除いた。次いで、モールドを、大気中で約１００℃に加熱して軟化させた。そしてその後、モールドを内部のチタン系圧粉体から、ペンチ等の工具を使用して除去した。

このようにして製造したチタン系圧粉体を目視により観察し、破損の有無や、芯材の付着及び内部への浸透の有無を確認した。その結果を表１に示す。

実施例１～９では、いずれのチタン系圧粉体Ａ及びＢでも破断が生じていなかった。一方、比較例１及び３では、チタン系圧粉体Ａ及びＢの両方において、モールドから取り出した後にプレート部（羽根部）が破断していた。比較例２では、炭素鋼からなる芯材を使用したことから、チタン系圧粉体Ｂを製造することができなかった。なお、実施例４～６のチタン系圧粉体Ａ及びＢでは、モールドからの取出し作業中に芯材構成材料が付着し、内部への浸透が起こっていた。一方、実施例１～３、７～９のチタン系圧粉体Ａ及びＢでは、そのような芯材構成材料の付着や浸透が無かった。加えて、特に実施例１～３、７～９では、芯材配置スペースに対する芯材の充填及び取出しが容易であった。

以上より、この発明の製造方法によれば、複雑な形状を有するチタン系圧粉体を、比較的簡易に製造できることがわかった。

１、１１、２１、３１、４１ チタン系圧粉体
２、１２、２２、３２、４２ 中空本体部
２ａ、１２ａ、１５ａ、２２ａ、３２ａ、４２ａ 開口部
２ｂ、１２ｂ、２２ｂ、３２ｂ、４２ｂ 内部空間
２ｃ、１２ｃ、２２ｃ、３２ｃ、４２ｃ 内面
３、１３、２３、３３、４３ プレート部
３３ａ 角部
４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ、３４ａ、３４ｂ、４４ａ、４４ｂ 円盤状部分
４ｃ、１４ｃ、２４ｃ、３４ｃ、４４ｃ 面取り部
５、２５、３５、４５ 連結部分
１５ 貫通穴部
５１ モールド
５２ 成形空間
５３ａ 円盤状壁部
５３ｂ 円盤状壁部
５３ｃ 貫通孔
５４ 円柱状壁部
５５ 板状壁部
５６ 密閉部材
５７ 蓋部材
６１ 芯材
７１ 原料粉末
ＰＬ プレート部の延びる方向に垂直な垂線
Ｌｓ プレート部の周方向両側の空間部分における長さの合計
Ｌｔ プレート部の厚みに相当する長さ

Claims (8)

1. チタン系圧粉体の製造方法であって、
   当該チタン系圧粉体が、外部への開口部を含む内部空間を形成した中空本体部と、前記中空本体部の前記内部空間に臨む内面に立てて設けられ、該内面上で延びるプレート部とを有し、
   前記製造方法が、樹脂製のモールドの芯材配置スペースに、前記内部空間を形成する芯材を配置する工程と、前記モールドの成形空間に原料粉末を充填する工程と、前記芯材配置スペースに前記芯材が配置された状態で、前記成形空間に前記原料粉末を充填した前記モールドに対して３００ＭＰａ以上の加圧力にて冷間等方圧加圧を行う工程とを含み、
   前記芯材として、ちょう度が５０以上である芯材構成材料を使用する、チタン系圧粉体の製造方法。
2. 前記芯材構成材料のちょう度が、６０以上かつ２４０以下である、請求項１に記載のチタン系圧粉体の製造方法。
3. 前記芯材構成材料が、ポリブテン樹脂または粘土を含む、請求項１に記載のチタン系圧粉体の製造方法。
4. 当該チタン系圧粉体がインペラー用であり、
   前記中空本体部が、互いに間隔をおいて配置されて相互間に前記内部空間を設けた一対の円盤状部分を含むケーシング部であり、
   前記プレート部が、前記円盤状部分の相互間で、該円盤状部分の中心から半径方向外側に向けて、真っ直ぐに、あるいは湾曲箇所及び／又は屈曲箇所を含んで延びる羽根部である、請求項１に記載のチタン系圧粉体の製造方法。
5. 当該チタン系圧粉体の前記プレート部を含んで中心軸線に直交する断面で、前記プレート部の延びる方向に垂直な垂線上にて、周方向で前記プレート部の両側に位置する各空間部分における長さの合計に対する、プレート部の厚みに相当する長さの比が０．０５以上かつ０．２５以下になる箇所が、当該チタン系圧粉体に存在する、請求項４に記載のチタン系圧粉体の製造方法。
6. 前記モールドとして、ショアＤ硬さが３０～１２０の範囲内である熱可塑性樹脂からなるモールドを用いる、請求項１に記載のチタン系圧粉体の製造方法。
7. 前記モールドとして、三次元造形装置を用いて作製されたモールドを用いる、請求項１に記載のチタン系圧粉体の製造方法。
8. チタン系焼結体を製造する方法であって、
   請求項１～７のいずれか一項に記載のチタン系圧粉体の製造方法により製造されたチタン系圧粉体を加熱して焼結させる焼結工程を含む、チタン系焼結体の製造方法。