JP2943026B2 - チタン系合金およびチタン系焼結合金の製造方法 - Google Patents
チタン系合金およびチタン系焼結合金の製造方法Info
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- Powder Metallurgy (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はチタン系焼結合金および
その製造方法にかかるもので、とくにアルミニウム、お
よび生体内で毒性を示す危険性のある元素を含まず、な
おかつ強度および耐腐食特性にすぐれたチタン系焼結合
金およびその製造方法に関するものである。
その製造方法にかかるもので、とくにアルミニウム、お
よび生体内で毒性を示す危険性のある元素を含まず、な
おかつ強度および耐腐食特性にすぐれたチタン系焼結合
金およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来から、一般の構造用部材、化学プラ
ント、航空宇宙用部材、その他各種部材に最も一般的に
使用されているチタン系の材料は、溶製法による純チタ
ン、およびＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金であるが、チタン系
材料はその加工性が悪く、単価が高いために、上記溶製
法による場合には、歩留まりの低さによるコスト高が問
題である。
ント、航空宇宙用部材、その他各種部材に最も一般的に
使用されているチタン系の材料は、溶製法による純チタ
ン、およびＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金であるが、チタン系
材料はその加工性が悪く、単価が高いために、上記溶製
法による場合には、歩留まりの低さによるコスト高が問
題である。
【０００３】上記純チタンは、その強度が低いために高
強度化が望まれている。
強度化が望まれている。
【０００４】また、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は、一般構
造材料としては理想的な特性を有するが、生体内構造材
料としてこれを用いた場合には、バナジウムの生体内へ
の溶出による悪影響、およびアルミニウムによる生体内
での耐食性劣化の危険性があり、生体内での安全性が危
惧されている。
造材料としては理想的な特性を有するが、生体内構造材
料としてこれを用いた場合には、バナジウムの生体内へ
の溶出による悪影響、およびアルミニウムによる生体内
での耐食性劣化の危険性があり、生体内での安全性が危
惧されている。
【０００５】なお、特開昭６０−２２１５３９号などの
ように、チタンに鉄、コバルト、ニッケル、パラジウム
を添加したチタン焼結合金もあるが、強度、靱性の面
で、過酷な環境下で使用する構造用部材としては実用に
供することは困難であるとともに、生体に有害なパラジ
ウムを含むために、上記Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金と同様
に生体内での安全性が危惧される。
ように、チタンに鉄、コバルト、ニッケル、パラジウム
を添加したチタン焼結合金もあるが、強度、靱性の面
で、過酷な環境下で使用する構造用部材としては実用に
供することは困難であるとともに、生体に有害なパラジ
ウムを含むために、上記Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金と同様
に生体内での安全性が危惧される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような
諸問題にかんがみなされたもので、とくに生体用金属材
料として、さらにＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の代替え材料
として、アルミニウムを含まず、なおかつ生体内で安全
なジルコニウム、鉄、コバルトなどの添加元素を少量含
んだ、耐食特性が良好で、高強度のチタン系合金および
その製造方法を提供することを課題とする。
諸問題にかんがみなされたもので、とくに生体用金属材
料として、さらにＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の代替え材料
として、アルミニウムを含まず、なおかつ生体内で安全
なジルコニウム、鉄、コバルトなどの添加元素を少量含
んだ、耐食特性が良好で、高強度のチタン系合金および
その製造方法を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、ニア
ネットシェイプによる歩留まりの向上を期待可能である
こと、および偏析のない微細均質組織が可能であること
などの特徴を有する粉末冶金法の特徴を生かし、チタン
の基地（ｍａｔｒｉｘ）に、生体内で安全なジルコニウ
ム、鉄、コバルトなどの添加元素を少量含ませることに
着目したもので、第一の発明は、チタンと、２〜５重量
％未満のジルコニウムと、２〜６重量％の鉄あるいはコ
バルトとからなる材料による三元素系のチタン系合金で
ある。第二の発明は、チタンに、２〜５重量％未満のジ
ルコニウム、および２〜６重量％の鉄あるいはコバルト
の元素単体の粉末、あるいはこれら金属相互間の合金粉
末を所定量混合して圧粉体とする混合圧粉工程と、この
圧粉体を焼結する焼結工程とを有するチタン系焼結合金
の製造方法である。第三の発明は、チタンに、２〜５重
量％未満のジルコニウム、および２〜６重量％の鉄ある
いはコバルトの元素単体の粉末、あるいはこれら金属相
互間の合金粉末を所定量混合して圧粉体とする混合圧粉
工程と、この圧粉体を焼結して焼結体とする焼結工程
と、この焼結体を熱間静水圧処理するＨＩＰ工程とを有
するチタン系焼結合金の製造方法である。
ネットシェイプによる歩留まりの向上を期待可能である
こと、および偏析のない微細均質組織が可能であること
などの特徴を有する粉末冶金法の特徴を生かし、チタン
の基地（ｍａｔｒｉｘ）に、生体内で安全なジルコニウ
ム、鉄、コバルトなどの添加元素を少量含ませることに
着目したもので、第一の発明は、チタンと、２〜５重量
％未満のジルコニウムと、２〜６重量％の鉄あるいはコ
バルトとからなる材料による三元素系のチタン系合金で
ある。第二の発明は、チタンに、２〜５重量％未満のジ
ルコニウム、および２〜６重量％の鉄あるいはコバルト
の元素単体の粉末、あるいはこれら金属相互間の合金粉
末を所定量混合して圧粉体とする混合圧粉工程と、この
圧粉体を焼結する焼結工程とを有するチタン系焼結合金
の製造方法である。第三の発明は、チタンに、２〜５重
量％未満のジルコニウム、および２〜６重量％の鉄ある
いはコバルトの元素単体の粉末、あるいはこれら金属相
互間の合金粉末を所定量混合して圧粉体とする混合圧粉
工程と、この圧粉体を焼結して焼結体とする焼結工程
と、この焼結体を熱間静水圧処理するＨＩＰ工程とを有
するチタン系焼結合金の製造方法である。
【０００８】以下、図面にもとづき本発明をより具体的
に説明する。図１は製造工程を概略的に示した説明図で
あって、図示のように、純チタン粉末１に、ジルコニウ
ム粉末２、およびコバルト粉末３あるいは鉄粉末４を混
合し、圧粉することにより圧粉体５とする。
に説明する。図１は製造工程を概略的に示した説明図で
あって、図示のように、純チタン粉末１に、ジルコニウ
ム粉末２、およびコバルト粉末３あるいは鉄粉末４を混
合し、圧粉することにより圧粉体５とする。
【０００９】この圧粉体５を焼結処理して焼結体６とす
ることにより、チタン系合金とすることができる。
ることにより、チタン系合金とすることができる。
【００１０】さらにこの焼結体６を熱間等方圧加圧（Ｈ
ＩＰ）処理して、ＨＩＰ処理体７とすることにより、ほ
ぼ１００％の密度に稠密化し、チタン系合金とすること
ができる。
ＩＰ）処理して、ＨＩＰ処理体７とすることにより、ほ
ぼ１００％の密度に稠密化し、チタン系合金とすること
ができる。
【００１１】したがって、本発明によるチタン系合金な
いしはチタン系焼結合金は、Ｔｉ−Ｚｒ−Ｃｏ系、ある
いはＴｉ−Ｚｒ−Ｆｅ系の合金となる。
いしはチタン系焼結合金は、Ｔｉ−Ｚｒ−Ｃｏ系、ある
いはＴｉ−Ｚｒ−Ｆｅ系の合金となる。
【００１２】上記純チタン粉末の平均粒径は、１４９μ
ｍ以下である。上記ジルコニウム粉末の平均粒径は、４
〜５μｍである。上記コバルト粉末の平均粒径は、１．
４μｍである。上記鉄粉末の平均粒径は、４〜５μｍで
ある。
ｍ以下である。上記ジルコニウム粉末の平均粒径は、４
〜５μｍである。上記コバルト粉末の平均粒径は、１．
４μｍである。上記鉄粉末の平均粒径は、４〜５μｍで
ある。
【００１３】ジルコニウムの添加量としては、ジルコニ
ウムがチタン内に完全に固溶して特定の化合物を析出さ
せることがないため、とくに上限はないが、ジルコニウ
ム粉末の価格がチタン粉末に比べて格段に高価であるた
め、実用的には２０重量％くらいまでが適当で、好まし
くは２〜２０重量％である。さらに好ましくは、２〜５
重量％未満である。
ウムがチタン内に完全に固溶して特定の化合物を析出さ
せることがないため、とくに上限はないが、ジルコニウ
ム粉末の価格がチタン粉末に比べて格段に高価であるた
め、実用的には２０重量％くらいまでが適当で、好まし
くは２〜２０重量％である。さらに好ましくは、２〜５
重量％未満である。
【００１４】コバルトあるいは鉄の添加量は、稠密化処
理であるＨＩＰ処理を行う温度において、チタンが（α
＋β）二相混合領域である必要があることから、実用的
には、ＨＩＰ処理温度が室温〜８００℃で、コバルトお
よび鉄ともに０〜６重量％くらいまで、好ましくは２〜
６重量％である。
理であるＨＩＰ処理を行う温度において、チタンが（α
＋β）二相混合領域である必要があることから、実用的
には、ＨＩＰ処理温度が室温〜８００℃で、コバルトお
よび鉄ともに０〜６重量％くらいまで、好ましくは２〜
６重量％である。
【００１５】圧粉処理の圧力条件は、２〜６ｔｏｎ／ｃ
ｍ2である。
ｍ2である。
【００１６】焼結処理の条件は、真空雰囲気中におい
て、温度１１００〜１３００℃で、処理時間１〜４時間
である。
て、温度１１００〜１３００℃で、処理時間１〜４時間
である。
【００１７】ＨＩＰ処理条件は、温度７００〜８００
℃、圧力１０００Ｋｇｆ／ｃｍ2で、処理時間１〜４時
間である。ただし、ＨＩＰ処理条件には特別の限定はな
いが、ＨＩＰ処理温度と、コバルトあるいは鉄の添加量
との間には互いに関連性があり、コバルトあるいは鉄の
添加量が０〜６重量％で、ＨＩＰ処理温度は室温〜８０
０℃である。
℃、圧力１０００Ｋｇｆ／ｃｍ2で、処理時間１〜４時
間である。ただし、ＨＩＰ処理条件には特別の限定はな
いが、ＨＩＰ処理温度と、コバルトあるいは鉄の添加量
との間には互いに関連性があり、コバルトあるいは鉄の
添加量が０〜６重量％で、ＨＩＰ処理温度は室温〜８０
０℃である。
【００１８】
【作用】本発明によるチタン系焼結合金の製造方法にお
いては、チタンに、ジルコニウムと、コバルトあるいは
鉄という安価でしかも生体内でまったく毒性を示さない
添加元素とを粉末冶金法により添加し、焼結処理し、さ
らに好ましくはＨＩＰ処理による稠密化により、Ｔｉ−
６Ａｌ−４Ｖ合金に匹敵する静的機械特性および耐食性
を有する材料を製造することができるとともに、Ｔｉ−
６Ａｌ−４Ｖ合金とは異なって生体内での危険性もない
チタン系焼結合金とすることが可能である。
いては、チタンに、ジルコニウムと、コバルトあるいは
鉄という安価でしかも生体内でまったく毒性を示さない
添加元素とを粉末冶金法により添加し、焼結処理し、さ
らに好ましくはＨＩＰ処理による稠密化により、Ｔｉ−
６Ａｌ−４Ｖ合金に匹敵する静的機械特性および耐食性
を有する材料を製造することができるとともに、Ｔｉ−
６Ａｌ−４Ｖ合金とは異なって生体内での危険性もない
チタン系焼結合金とすることが可能である。
【００１９】具体的に述べると、チタンと全率固溶する
ジルコニウムをチタンに添加することにより、チタン基
地を強化することができる。
ジルコニウムをチタンに添加することにより、チタン基
地を強化することができる。
【００２０】また、コバルトあるいは鉄は、チタンと共
析型の状態図をつくり、チタンのβ相安定型元素として
はたらく。
析型の状態図をつくり、チタンのβ相安定型元素として
はたらく。
【００２１】鉄は、チタン基地中のβ相を固溶強化す
る。コバルトは、高温域においてチタンがβ相であった
部分に微細な析出物を析出させることによる析出強化を
することができる。
る。コバルトは、高温域においてチタンがβ相であった
部分に微細な析出物を析出させることによる析出強化を
することができる。
【００２２】かくして、チタンに、ジルコニウムと、コ
バルトあるいは鉄とを同時に添加した三元素合金とする
と、ジルコニウムおよびコバルトあるいは鉄は互いにチ
タンに対する強化効果を損なうことなく、有効に作用す
るため、互いに少量の添加により、チタン本来の延性を
損なうことなく、その強度および耐食性を強化すること
ができる。
バルトあるいは鉄とを同時に添加した三元素合金とする
と、ジルコニウムおよびコバルトあるいは鉄は互いにチ
タンに対する強化効果を損なうことなく、有効に作用す
るため、互いに少量の添加により、チタン本来の延性を
損なうことなく、その強度および耐食性を強化すること
ができる。
【００２３】
【実施例】つぎに本発明の実施例を説明する。試料の組
成としては、Ｔｉ−Ｚｒ−Ｆｅ系について示すと、純Ｔ
ｉ、Ｔｉ−４重量％Ｚｒ、Ｔｉ−４重量％Ｆｅ、および
Ｔｉ−４重量％Ｚｒ−４重量％Ｆｅの四種類であり、そ
れぞれ上述した原料粉末を秤量し、混合したのち、４ｔ
ｏｎ／ｃｍ2の圧力で圧縮し、圧粉体とした。
成としては、Ｔｉ−Ｚｒ−Ｆｅ系について示すと、純Ｔ
ｉ、Ｔｉ−４重量％Ｚｒ、Ｔｉ−４重量％Ｆｅ、および
Ｔｉ−４重量％Ｚｒ−４重量％Ｆｅの四種類であり、そ
れぞれ上述した原料粉末を秤量し、混合したのち、４ｔ
ｏｎ／ｃｍ2の圧力で圧縮し、圧粉体とした。
【００２４】得られた圧粉体を温度１２５０℃で２時
間、真空焼結し、そののち金属容器に真空封入して、温
度８００℃、圧力１０００Ｋｇｆ／ｃｍ2で、４時間、
ＨＩＰ処理した。
間、真空焼結し、そののち金属容器に真空封入して、温
度８００℃、圧力１０００Ｋｇｆ／ｃｍ2で、４時間、
ＨＩＰ処理した。
【００２５】得られた合金から引張り試片を切り出し、
引張り試験および伸び試験を行った結果を図２の表に示
す。
引張り試験および伸び試験を行った結果を図２の表に示
す。
【００２６】このように、ジルコニウム、鉄、各々の単
体でも最大引張り強度および伸びについて強化効果はあ
るが、Ｔｉ−Ｚｒ−Ｆｅ系と三元素とすることにより、
さらなる強化が可能であり、最大引張り強度８８Ｋｇｆ
／ｍｍ2、伸び１０％以上というＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合
金の強度に十分匹敵する特性が得られた。
体でも最大引張り強度および伸びについて強化効果はあ
るが、Ｔｉ−Ｚｒ−Ｆｅ系と三元素とすることにより、
さらなる強化が可能であり、最大引張り強度８８Ｋｇｆ
／ｍｍ2、伸び１０％以上というＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合
金の強度に十分匹敵する特性が得られた。
【００２７】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、チタン系
合金として、チタンにジルコニウム、鉄、コバルトなど
を添加した焼結合金とし、またＨＩＰ処理も施すことに
より、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の強度に十分匹敵する特
性を有するとともに、生体内用材料としても安全な材料
を製造することができる。
合金として、チタンにジルコニウム、鉄、コバルトなど
を添加した焼結合金とし、またＨＩＰ処理も施すことに
より、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の強度に十分匹敵する特
性を有するとともに、生体内用材料としても安全な材料
を製造することができる。
【００２８】
【図１】本発明によるチタン系焼結合金の製造方法にお
ける製造工程を概略的に示した説明図である。
ける製造工程を概略的に示した説明図である。
【図２】本発明の実施例によるＴｉ−Ｚｒ−Ｆｅ系合金
の最大引張り強度および伸びを示す表である。
の最大引張り強度および伸びを示す表である。
１ 純チタン粉末 ２ ジルコニウム粉末 ３ コバルト粉末 ４ 鉄粉末 ５ 圧粉体 ６ 焼結体 ７ ＨＩＰ処理体
Claims (3)
- 【請求項１】 チタンと、 ２〜５重量％未満のジルコニウムと、 ２〜６重量％の鉄あるいはコバルトとからなる材料によ
る三元素系のチタン系合金。 - 【請求項２】 チタンに、２〜５重量％未満のジルコ
ニウム、および２〜６重量％の鉄あるいはコバルトの元
素単体の粉末、あるいはこれら金属相互間の合金粉末を
所定量混合して圧粉体とする混合圧粉工程と、 この圧粉体を焼結する焼結工程とを有するチタン系焼結
合金の製造方法。 - 【請求項３】 チタンに、２〜５重量％未満のジルコ
ニウム、および２〜６重量％の鉄あるいはコバルトの元
素単体の粉末、あるいはこれら金属相互間の合金粉末を
所定量混合して圧粉体とする混合圧粉工程と、 この圧粉体を焼結して焼結体とする焼結工程と、 この焼結体を熱間静水圧処理するＨＩＰ工程とを有する
チタン系焼結合金の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3177738A JP2943026B2 (ja) | 1991-06-24 | 1991-06-24 | チタン系合金およびチタン系焼結合金の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3177738A JP2943026B2 (ja) | 1991-06-24 | 1991-06-24 | チタン系合金およびチタン系焼結合金の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH051342A JPH051342A (ja) | 1993-01-08 |
| JP2943026B2 true JP2943026B2 (ja) | 1999-08-30 |
Family
ID=16036261
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3177738A Expired - Lifetime JP2943026B2 (ja) | 1991-06-24 | 1991-06-24 | チタン系合金およびチタン系焼結合金の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2943026B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN112143937B (zh) * | 2020-09-29 | 2022-02-15 | 中国科学院金属研究所 | 一种高热稳定性等轴纳米晶Ti-Zr-Co合金及其制备方法 |
| CN115948676B (zh) * | 2022-12-13 | 2024-06-25 | 西安九洲生物材料有限公司 | 用于骨量不足的自适应种植体、钛锆铁合金及其制备方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60224727A (ja) * | 1984-04-24 | 1985-11-09 | Haruyuki Kawahara | Ｔｉ−Ｚｒ系焼結合金 |
-
1991
- 1991-06-24 JP JP3177738A patent/JP2943026B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH051342A (ja) | 1993-01-08 |
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