JP2737498B2

JP2737498B2 - 高密度粉末焼結用チタン合金

Info

Publication number: JP2737498B2
Application number: JP3340564A
Authority: JP
Inventors: 高弘藤田; 千秋大内; 秀紀田島; 正二久保寺
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1991-12-24
Filing date: 1991-12-24
Publication date: 1998-04-08
Anticipated expiration: 2013-04-08
Also published as: JPH05171321A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、機械的特性に優れた
高密度粉末焼結用チタン合金に関する。

【０００２】

【従来技術及び発明が解決するための手段】チタン合金
は軽量かつ高強度であり、しかも耐食性に優れているた
め産業部品から民生部品まで幅広い応用が期待されてい
る。特に、このような性質を生かして自動車部品に適用
することが検討されている。しかし、溶製材から機械加
工あるいは冷間加工によって製造する方法では、機械的
性質の優れたものが得られるものの、チタンは難加工性
材料であるため加工が難しく、コストが高いという欠点
がある。このような欠点を回避するため、チタン合金の
素粉末を混合し、所定の形状に成形した後、真空焼成し
て焼結体を得る粉末冶金技術の適用が試みられている。
しかしながら、粉末冶金技術を用いた場合、製品に空孔
が残留するため、製品の機械的性質、特に延性及び疲労
強度が溶製材に比べて低いという問題がある。

【０００３】空孔を消滅させて焼結後の密度を上げるた
めに、焼結後にＨＩＰ（熱間静水圧プレス）処理を行う
ことが試みられている（J.E.Smugeresky et al.Powder
Metallugy ,1981 及び特公平１−２９８６４など）。
ＨＩＰ処理を行えば確かに密度が上昇し、溶製・鍛造材
の特性とほぼ同じ粉末焼結材が得られ、特に延性（伸
び、絞り）が向上するが、製造単価が極めて高くなって
しまう。

【０００４】他の方法としては液相が出現する温度で焼
結を行うものがある。これは、部分的に液相を出現さ
せ、液相により空隙を充填しようとするものである。し
かしこの方法においては、部分的に液相になった部分が
凝固して生じた異相が一般的に脆く、その結果得られた
製品も脆いという欠点を有している。すなわち、密度は
高くできるものの機械的特性が悪くなってしまう。ま
た、焼結温度と機械的性質との関係が微妙であり、わず
かの温度変化で特性が大きく変化するという欠点もあ
る。

【０００５】さらに、粉末冶金技術により粉末焼結チタ
ン合金を製造する場合には、製品に空孔が残留するとい
う問題の他に、焼結工程を経るため生産性が低いという
問題がある。すなわち、Ｔｉは高融点金属であるから焼
結のための温度が高く、時間も長い。従って、低温短時
間焼結が可能なことが望まれているが、上記２つの方法
ではこのことを達成することができない。特に、後者の
方法の場合には液相が生じる高温での焼成を行うため、
このような要求を満足することは本質的に不可能であ
る。このように、緻密で空孔が少ない粉末焼結体を安価
にかつ生産性良く得る技術は未だ確立されていない。こ
の発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、安
価にかつ生産性良く高密度化できる高密度粉末焼結チタ
ン合金を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記課題を
解決するために、重量％で、１．０〜４．０％のＦｅ、
１．０〜４．０％のＭｏ、３．０〜７．０％のＡｌ、
２．０〜４．５％のＶ、及び０．５％以下のＯを含有
し、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなり、引張強さ
９８ｋｇｆ／ｍｍ ² 以上、伸び７％以上で、かつ優れた
強度−延性バランスを有することを特徴とする高密度粉
末焼結用チタン合金を提供する。

【０００７】本願発明者らは、緻密で空孔が少ない粉末
焼結体を安価にかつ生産性良く得るために、合金組成の
観点から種々検討を重ねた。すなわち、ＨＩＰなどの処
理を施すことなく、低温短時間で緻密に焼結可能な組成
を検討した。低温短時間で緻密に焼結させるためには焼
結速度が高いことが必要であるが、そのためにはＴｉ中
での拡散速度が大きく、かつＴｉに対して合金元素とし
て作用し、機械的性質に悪影響を及ぼさない元素を適量
添加すればよいという結論を得た。

【０００８】βＴｉ中での拡散速度が大きい元素を調査
した結果、Ｆｅがこのような元素に該当することがわか
った。すなわち、Ｆｅの拡散速度（拡散係数）は９５０
℃において１０^-11 オ−ダ−（ｍ² ・sec ^-1）であり、
Ｔｉの自己拡散速度である１０^-13 よりも１００倍大き
い。また、Ｆｅは強度上昇に寄与する。しかし、Ｆｅの
みではカ−ケンド−ル（Kirkendall）効果により、合金
成分側に気孔が生成されやすくなり、高密度化が妨げら
れる恐れがある。

【０００９】このようなことを防止するために、本願発
明者らがさらに検討を重ねた結果、上述のような拡散速
度が大きな元素と共に、拡散速度が遅い、すなわち焼結
を遅らせる元素を添加すればよいことを見出した。

【００１０】拡散速度が遅い元素を調査した結果、Ｍｏ
がこのような元素に該当することが判明した。Ｍｏの拡
散速度は１０^-10 のオ−ダ−であり、チタンの１／１０
である。また、Ｍｏはβチタンに全率固溶し、合金元素
として機能する。

【００１１】しかしながら、ＦｅとＭｏとの複合添加は
緻密化を促進するものの、これらのみの添加では焼結体
の強度を十分なものにすることができない。焼結体の強
度を向上させる観点からさらに検討を重ねた結果、Ｆｅ
及びＭｏに加えてさらにＡｌ及びＶを適量添加し、かつ
Ｏの含有量をコントロ−ルすることにより、望ましい強
度を有する焼結チタン合金が得られることが判明した。

【００１２】Ａｌは置換型にＴｉへ固溶する唯一のα相
安定化元素であり、著しい固溶強化を示す。また、Ｔｉ
中での拡散速度が速いのでＦｅ，Ｍｏとの複合添加で焼
結品の密度を上昇させる効果をも有する。Ｖは、Ｔｉに
全率固溶するβ相安定化元素であり、Ｔｉとの間に脆化
相である金属間化合物を形成することなく強度を上昇さ
せる作用を有する。すなわち、Ｖは主にβ相に固溶して
これを強化する。Ｏはα相に固溶して著しく強度を上昇
させる作用を有する。この発明は、このような知見に基
づいてなされたものであり、ＴｉにＦｅ，Ｍｏ，Ａｌ，
Ｖ及びＯを適量添加することを特徴とするものである。
次に、組成限定理由について説明する。

【００１３】真島らの研究（粉体および粉末冶金，１９
８７）によると、ＦｅとＴｉとの２元系状態図において
固液共存領域に入らない組成近傍までは緻密化が進む可
能性がある。また、この２元状態図から、１２００℃で
固液共存が発現する組成は、Ｆｅで１５％（重量％以下
同じ）であることがわかる。しかし、この量が多いと延
性（靭性）が低下してしまう。従って、Ｆｅ含有量の上
限を４％に規定する。また、Ｆｅの量が少なすぎても緻
密化の効果が得られない。従って、Ｆｅ含有量の下限を
１％に規定する。

【００１４】Ｍｏは上述したようにβＴｉ中での拡散速
度が遅い元素であり、拡散速度が大きいＦｅと並存する
ことにより高密度化を達成するものである。しかし、Ｍ
ｏの量が１％よりも少ない場合にはその効果が得られ
ず、４％を超えると緻密化の進行が遅れ、緻密化が十分
に図れない。従って、Ｍｏの含有量を１〜４％に規定す
る。

【００１５】Ａｌは上述のようにα相を著しく固溶強化
させる元素である。しかし、その含有量が３％未満では
焼結品の強度を十分なものにすることができない。ま
た、７％を超えると脆化相であるＤＯ₁₉型のｈｃｐ規則
相α₂（Ｔｉ₃Ａｌ）が析出し、延性を劣化させる。従
って、Ａｌの含有量を３〜７％に規定する。

【００１６】Ｖはβ相を固溶強化する作用を有するが、
その含有量が２％未満では焼結品の強度を十分なものに
することができない。一方、４．５％を超えると延性の
低下を招く。従って、Ｖの含有量を２〜４．５％に規定
する。

【００１７】ＯはＴｉ粒子及びマスタ−アロイ粉末（合
金成分）から持ち込まれ、上述したようにα相に固溶し
て著しく強度を上昇させる作用を有するが、この量が
０．５％を超えると延性を害する。従って、Ｏの含有量
を０．５％以下に規定する。なお、この発明において
は、合金製造工程で不可避的に混入される微量不純物の
含有を妨げるものではない。

【００１８】このように規定される本発明の粉末焼結用
チタン合金は、チタン粉末と予め合金化された合金粉末
とを混合し、その混合粉末を成形して焼結するといった
方法で製造することが好ましい。この方法を採用するこ
とにより、均一性が良好となり、緻密化を促進すること
ができる。このような方法としては、特公平２−５０１
７２号公報に記載されているものがある。これは、

【００１９】（ａ）２つ以上の金属からなる予備合金で
あって、チタンと合金化可能な合金形成粒子を高いエネ
ルギ−を付与できる粉砕機を用いて、平均粒径０．５乃
至２０μｍの大きさに粉砕し、

【００２０】（ｂ）これと平均粒径４０乃至１７７μｍ
のチタン基金属粒子とを混合し、このチタン基金属粒子
の重量配合比が７０乃至９５％、残部が前記合金形成粒
子である粉末混合物を形成し、（ｃ）前記粉末混合物
を、理論値の８０乃至９０％の密度を有する圧粉体に成
形し、（ｄ）前記圧粉体を、液相が生成する温度未満で
焼結すること、を骨子としたものである。

【００２１】この方法を用いることにより理論密度の９
９．０乃至９９．８％の密度のチタン合金焼結体を得る
ことができ、単に素粉末を混合して作成したチタン合金
の９４．５乃至９６．５％よりもはるかに高い密度を得
ることが可能になる。機械的性質も溶製・鍛造チタン合
金とほぼ同一となる。従来用いられていた組成のチタン
合金ではこの方法により焼結温度１２６０℃で４時間か
かって焼結可能であったが、本発明の組成のチタン合金
では、さらに低温短時間で焼結することが可能となる。
また、本発明の組成範囲のチタン合金は、この方法で製
造されたＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ及びＴｉ−６Ａｌ−６Ｖ−
２Ｓｎ合金よりも、優れた強度−延性バランスを有す
る。

【００２２】

【実施例】以下、この発明の実施例について説明する。（実施例１）

【００２３】表１，２に示す組成を有するチタン合金と
なるように、原料粉末を配合した。表１の組成番号１乃
至１６（１３は欠番）は本発明の範囲内の実施例であ
り、表２の組成番号１７乃至２８はその範囲から外れる
比較例である。

【００２４】ここでは、予め夫々の組成に対応する合金
成分のマスタ−アロイ粉末を製造した。この場合に、マ
スタ−アロイ粉末は以下のように製造した。先ず夫々の
組成のマスタ−アロイをアルゴン雰囲気ア−ク溶解炉で
溶製し、凝固後−１００メッシュに粗粉砕し、直径約３
mmの鋼球約１０kgと、フレオン２リットルとともにアト
ライタ−に入れ、約６０分間粉砕した。その後、粉砕後
の粉末をアトライタ−から取り出し、乾燥した。このよ
うにして製造されたマスタ−アロイ粉末粒子の粒径をレ
−ザ−マイクロンサイザ−で測定した結果、その平均粒
径は３〜５μｍであった。

【００２５】これらマスタ−アロイ粉末と、−１００メ
ッシュ（平均粒径約７５μｍ）の純チタン粉末とを、表
１に示す各組成になるように、Ｖブレンダ−によって混
合した。そして、このようにして製造した混合粉末を鋼
製金型に充填し、圧力５．０tonf／cm² で４×４×１５
（mm) の圧粉体に成形した。圧粉体の密度は理論値の約
８５％であった。

【００２６】このようにして成形した各組成の圧粉体を
熱膨張試験機にセットし、その中を１０^-5Torrオ−ダ−
の真空にした後、１０℃／min で１１５０℃まで昇温
し、その温度で４時間保持した。この間の試験片の収縮
量から、密度が理論密度の９９．５％になるまでに要す
る時間を求めた。表１にその値を示す。なお、９９．５
％まで焼結するとき、試験片がほぼ５．２％収縮するこ
とから、試験片が０．７８mm（元の長さ１５mmの５．２
％）収縮した点を密度９９．５％とした。表１に示すよ
うに、本発明の範囲内であれば最大１３３分間と短時間
で９９．５％という密度が得られることが確認された。

【００２７】図１は、Ｆｅ及びＭｏの量と焼結密度が９
９．５％に達するまでの時間との関係を示したものであ
り、各プロットの上に記載した数字はその時間を示すも
のである。この図から明らかなように、本発明の範囲内
でＦｅ及びＭｏを含有するものは、１１５０℃において
密度が９９．５％になるのに要する時間が１４０分以内
に短縮されることが確認された。

【００２８】これに対して、Ｆｅ量が１％未満である比
較例の組成番号１７，１８、Ｍｏ量が１％未満である比
較例の組成番号２１，２２、及びＭｏ量が４％を超える
比較例の組成番号２３，２４の場合には、密度が９９．
５％に達する時間が長時間側に移行し、１６０分間を超
えることが確認された。（実施例２）

【００２９】実施例１と同様な手順で各組成の混合粉末
により１３×１３×６９（mm）の圧粉体を成形した後、
１０^-5Torrオ−ダ−の真空中において１２５０℃で４時
間の焼結を行った。このようにして作製した各組成の焼
結体から平行部の径６．２５mm、標点間距離２５mmの引
張試験片を作製し、常温で引張試験を実施した。表１，
２にその際の引張強さ及び破断伸びの値を併せて示す。
表１から明らかなように、本発明の範囲内の組成では、
引張強さ及び破断伸びとも十分な値を示すことが確認さ
れた。

【００３０】図２は、Ｆｅ及びＭｏ量と破断伸びとの関
係を示したものであり、各プロットの上に記載した数字
は破断伸びを示すものである。この図から明らかなよう
に、本発明の範囲内でＦｅ及びＭｏを含有するものは、
７％以上の破断伸びを示したのに対し、Ｆｅ量が４％を
超える比較例の組成番号１９，２０、Ｍｏ量が４％を超
える比較例の組成番号２３，２４の場合には、破断伸び
が５％以下の低い値となった。

【００３１】図３は、Ａｌ及びＶの量と引張強さとの関
係を示したものであり、各プロットの上に記載した数字
は引張強さを示すものである。この図から明らかなよう
に、本発明の範囲内でＡｌ及びＶを含有するものは、９
８kgf/mm² 以上の引張強さを示したのに対し、Ａｌ量が
３％未満である比較例の組成番号２８、及びＶ量が２％
未満である比較例の組成番号２７の場合には、引張強さ
が９３kgf/mm² 以下の低い値となった。

【００３２】図４は、Ａｌ及びＶの量と破断伸びとの関
係を示したものであり、各プロットの上に記載された数
字は破断伸びを示すものである。この図から明らかなよ
うに、本発明の範囲内でＡｌ及びＶを含有するものは、
７％以上の破断伸びを示したのに対し、Ａｌ量が７％を
超える比較例の組成番号１７，２１、及びＶの量が４．
５％を超える比較例の組成番号１８，２２の場合には、
破断伸びが５％以下の低い値となった。

【００３３】図５は、Ｏの量と破断伸びとの関係を示し
たものである。この図から明らかなように、本発明の範
囲内でＯを含有するものは、７％以上の破断伸びを示し
たのに対し、Ｏ量が０．５％を超える比較例の組成番号
２５，２６の場合には、引張試験の途中で耐力に到達す
る前に早期破断が生じ、破断伸びは１％と低い値であっ
た。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【表２】

【００３６】

【発明の効果】この発明によれば、安価にかつ生産性良
く高密度化できる高密度粉末焼結チタン合金が提供され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｆｅ及びＭｏの量と密度が９９．５％に達する
のに要する時間との関係を示す図。

【図２】Ｆｅ及びＭｏ量と破断伸びとの関係を示す図。

【図３】Ａｌ及びＶの量と引張強さとの関係を示す図。

【図４】Ａｌ及びＶの量と破断伸びとの関係を示す図。

【図５】Ｏの量と破断伸びとの関係を示す図。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、１．０〜４．０％のＦｅ、
１．０〜４．０％のＭｏ、３．０〜７．０％のＡｌ、
２．０〜４．５％のＶ、及び０．５％以下のＯを含有
し、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなり、引張強さ
９８ｋｇｆ／ｍｍ ² 以上、伸び７％以上で、かつ優れた
強度−延性バランスを有することを特徴とする高密度粉
末焼結用チタン合金。