JP6979708B2 - Manufacturing method of titanium sintered material - Google Patents

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この発明は、高強度で高靱性のチタン焼結素材の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a titanium sintered material having high strength and high toughness.

特許第3459342号公報(特許文献1)には、チタンまたはチタン合金の水素脆性を利用して、チタンまたはチタン合金を水素化させたのち任意の粒度に粉砕して水素化チタン粉末とする方法、これを真空加熱により脱水素してチタン粉末に転化させる水素化脱水素法が記載されている。 Japanese Patent No. 3459342 (Patent Document 1) describes a method of hydrogenating titanium or a titanium alloy by utilizing the hydrogen brittleness of titanium or a titanium alloy and then pulverizing the titanium or the titanium alloy to an arbitrary particle size to obtain hydride titanium powder. A hydrodehydrogenation method for dehydrogenizing this by vacuum heating and converting it into titanium powder is described.

チタン系粉末は、粒径が小さい微細な粉末が多くなるほど粉末全体の酸素含有量が増加する。その理由は、例えば粒度10μm以下の水素化微細粉末は、比表面積が大きく、粉砕時の加工熱で空気中の酸素を取り込み、酸素濃度が高くなっているからである。 In the titanium-based powder, the oxygen content of the entire powder increases as the number of fine powders having a small particle size increases. The reason is that, for example, hydrogenated fine powder having a particle size of 10 μm or less has a large specific surface area and takes in oxygen in the air by the processing heat at the time of pulverization, resulting in a high oxygen concentration.

特許第3459342号公報(特許文献1)に記載の発明では、粒度10μm以下の微粉末の粉末割合を調整することによって、水素化チタン粉末中の含有酸素量を許容範囲である0.15重量%以下に制御している。具体的には、水素化チタン粉末を粉砕処理した後、得られた最大粒径が実質的に150μm以下の水素化チタン粉末から粒径10μm以下の微粉末を選択的に除去することにより、該粒径10μm以下の粉末割合が8重量%以下となるように調整している。 In the invention described in Japanese Patent No. 3459342 (Patent Document 1), the amount of oxygen contained in the titanium hydride powder is within an allowable range of 0.15% by weight by adjusting the powder ratio of the fine powder having a particle size of 10 μm or less. It is controlled as follows. Specifically, after the hydrogenated titanium powder is pulverized, the fine powder having a particle size of 10 μm or less is selectively removed from the obtained hydrogenated titanium powder having a maximum particle size of substantially 150 μm or less. The ratio of powder having a particle size of 10 μm or less is adjusted to be 8% by weight or less.

特許第3459342号公報Japanese Patent No. 3459342

特許文献1に記載されているように、粒度10μm以下の水素化チタン粉末は、合金原料として利用されていない。 As described in Patent Document 1, titanium hydride powder having a particle size of 10 μm or less is not used as an alloy raw material.

本発明の目的は、通常廃棄されている粒度10μm以下の水素化チタン粉末を積極的に活用することにより、生産コストを削減しつつ、高強度で高靱性のチタン焼結素材を提供することである。 An object of the present invention is to provide a high-strength, high-toughness titanium sintered material while reducing production costs by positively utilizing hydrogenated titanium powder having a particle size of 10 μm or less, which is normally discarded. be.

一つの局面において、本発明に従ったチタン焼結素材の製造方法は、以下の工程を含む。 In one aspect, the method for producing a titanium sintered material according to the present invention includes the following steps.

(a)10μm以下の粒度の範囲に90重量%以上を含む水素化処理された水素化チタン粉末と、10μm以上150μm以下の粒度の範囲に90重量%以上を含み、平均粒度が20μm以上であるチタン粉末とを準備する工程。 (A) Hydrogenated titanium powder containing 90% by weight or more in the particle size range of 10 μm or less and 90% by weight or more in the particle size range of 10 μm or more and 150 μm or less, and the average particle size is 20 μm or more. The process of preparing titanium powder.

(b)水素化チタン粉末の量が、全体に対して重量基準で、15%以上75%以下となるように配合して水素化チタン粉末とチタン粉末とを混合する工程。 (B) A step of mixing the titanium hydride powder and the titanium powder by blending so that the amount of the titanium hydride powder is 15% or more and 75% or less based on the weight of the whole.

(c)混合処理された混合粉末を焼結してチタン焼結素材を得る工程。 (C) A step of sintering a mixed powder that has been mixed and treated to obtain a titanium sintered material.

好ましくは、水素化チタン粉末中の酸素含有量は、重量基準で、0.3%以上1.2%以下であり、チタン粉末中の酸素含有量は、重量基準で、0.1%以上1.5%以下である。 Preferably, the oxygen content in the titanium hydride powder is 0.3% or more and 1.2% or less on a weight basis, and the oxygen content in the titanium powder is 0.1% or more and 1 on a weight basis. It is less than 5.5%.

上記の混合する工程は、水素化チタン粉末およびチタン粉末に加えて、酸化チタン粉末を加えて混合することを含むようにしても良い。 The above mixing step may include adding and mixing titanium oxide powder in addition to the titanium hydride powder and the titanium powder.

1つの実施形態では、チタン粉末は、チタンインゴットを水素化処理した後に解砕して脱水素化処理をした水素化・脱水素化チタン粉末である。他の実施形態では、チタン粉末は、アトマイズ法によって製造されたアトマイズ粉末である。 In one embodiment, the titanium powder is a hydrogenated / dehydrogenated titanium powder obtained by hydrogenating a titanium ingot and then crushing and dehydrogenating it. In another embodiment, the titanium powder is an atomized powder produced by the atomizing method.

好ましくは、チタン焼結素材の密度が95%以上である。また、好ましくは、チタン焼結素材の酸素含有量は、重量基準で、0.25%以上0.65%以下である。 Preferably, the density of the titanium sintered material is 95% or more. Further, preferably, the oxygen content of the titanium sintered material is 0.25% or more and 0.65% or less on a weight basis.

チタン焼結素材の製造方法は、チタン焼結素材に対して熱間塑性加工を施す工程をさらに備えるものであっても良い。この場合、好ましくは、熱間塑性加工後のチタン焼結素材は、その硬度(HV)が250以上、最大引張強さ(UTS)が580MPa以上、伸び(ε)が18%以上である。なお、熱間塑性加工は、熱間圧延加工、熱間プレス加工、熱間鍛造加工等のように素材に対して熱間で塑性変形させる加工を含むものである。 The method for producing the titanium sintered material may further include a step of performing hot plastic working on the titanium sintered material. In this case, preferably, the titanium sintered material after hot plastic working has a hardness (HV) of 250 or more, a maximum tensile strength (UTS) of 580 MPa or more, and an elongation (ε) of 18% or more. The hot plastic working includes hot rolling, hot pressing, hot forging, and the like, in which the material is hotly plastically deformed.

他の局面において、本発明に従ったチタン焼結素材の製造方法は、以下の工程を含む。 In another aspect, the method for producing a titanium sintered material according to the present invention includes the following steps.

(d)平均粒度が10μm以下である水素化処理された水素化チタン粉末と、平均粒度が20μm以上であるチタン粉末とを準備する工程。 (D) A step of preparing a hydrogenated titanium powder having an average particle size of 10 μm or less and a titanium powder having an average particle size of 20 μm or more.

(e)水素化チタン粉末の量が、全体に対して重量基準で、15%以上75%以下となるように配合して水素化チタン粉末とチタン粉末とを混合する工程。 (E) A step of mixing the titanium hydride powder and the titanium powder by blending so that the amount of the titanium hydride powder is 15% or more and 75% or less based on the weight of the whole.

(f)混合処理された混合粉末を焼結してチタン焼結素材を得る工程。 (F) A step of sintering a mixed powder that has been mixed and treated to obtain a titanium sintered material.

さらに他の局面において、本発明に従ったチタン焼結素材の製造方法は、以下の工程を含む。 In still another aspect, the method for producing a titanium sintered material according to the present invention includes the following steps.

(g)平均粒度が10μm以下である水素化処理された水素化チタン合金粉末と、平均粒度が20μm以上である純チタン粉末とを準備する工程。 (G) A step of preparing a hydrogenated titanium alloy powder having an average particle size of 10 μm or less and a pure titanium powder having an average particle size of 20 μm or more.

(h)水素化チタン合金粉末の量が、全体に対して重量基準で、5%以上55%以下となるように配合して水素化チタン合金粉末と純チタン粉末とを混合する工程。 (H) A step of mixing the hydrogenated titanium alloy powder and the pure titanium powder by blending so that the amount of the hydrogenated titanium alloy powder is 5% or more and 55% or less based on the weight of the whole.

(i)混合処理された混合粉末を焼結してチタン合金焼結素材を得る工程。 (I) A step of sintering a mixed powder that has been mixed and treated to obtain a titanium alloy sintered material.

水素化チタン合金粉末の組成は、例えば、Ti−6Al−4Vである。この場合、好ましくは、水素化チタン合金粉末は、10μmの粒度の範囲に65重量%以上を含む。 The composition of the titanium hydride alloy powder is, for example, Ti-6Al-4V. In this case, preferably, the titanium hydride alloy powder contains 65% by weight or more in a particle size range of 10 μm.

好ましくは、チタン合金焼結素材の密度が95%以上である。 Preferably, the density of the titanium alloy sintered material is 95% or more.

チタン合金焼結素材の製造方法は、好ましくは、チタン合金焼結素材に対して熱間塑性加工を施す工程をさらに備える。この場合、好ましくは、熱間塑性加工後のチタン合金焼結素材は、その硬度(Hv)が250以上、最大引張強度(UTS)が620MPa以上、伸び(ε)が14%以上である。 The method for producing a titanium alloy sintered material preferably further includes a step of performing hot plastic working on the titanium alloy sintered material. In this case, preferably, the titanium alloy sintered material after hot plastic working has a hardness (Hv) of 250 or more, a maximum tensile strength (UTS) of 620 MPa or more, and an elongation (ε) of 14% or more.

さらに他の局面において、本発明に従ったチタン合金焼結素材の製造方法は、以下の工程を含む。 In still another aspect, the method for producing a titanium alloy sintered material according to the present invention includes the following steps.

(j)平均粒度が10μm以下であり、組成がTi−6Al−4Vである水素化処理された水素化チタン合金粉末と、平均粒度が20μm以上であり、組成がTi−6Al−4Vであるチタン合金粉末とを準備する工程。 (J) Hydrogenated titanium alloy powder having an average particle size of 10 μm or less and a composition of Ti-6Al-4V and titanium having an average particle size of 20 μm or more and a composition of Ti-6Al-4V. The process of preparing alloy powder.

(k)水素化チタン合金粉末とチタン合金粉末とを混合する工程。 (K) A step of mixing the hydrogenated titanium alloy powder and the titanium alloy powder.

(l)混合処理された混合粉末を焼結したチタン合金焼結素材を得る工程。 (L) A step of obtaining a titanium alloy sintered material obtained by sintering a mixed powder that has been mixed.

上記の本発明の方法によれば、通常は廃棄されている粒度10μm以下の水素化チタン粉末を活用することにより、生産コストを削減しつつ高強度で高靱性のチタン焼結素材を提供することができる。 According to the above method of the present invention, by utilizing hydrogenated titanium powder having a particle size of 10 μm or less, which is normally discarded, a titanium sintered material having high strength and high toughness is provided while reducing the production cost. Can be done.

水素化チタン粉末(粉末A)の粒度分布を示す図である。It is a figure which shows the particle size distribution of titanium hydride powder (powder A). 水素化・脱水素化チタン粉末(粉末B)の粒度分布を示す図である。It is a figure which shows the particle size distribution of the hydrogenated / dehydrogenated titanium powder (powder B). 水素化・脱水素化チタン粉末(粉末C)の粒度分布を示す図である。It is a figure which shows the particle size distribution of the hydrogenated / dehydrogenated titanium powder (powder C). 水素化・脱水素化チタン粉末(粉末D)の粒度分布を示す図である。It is a figure which shows the particle size distribution of the hydrogenated / dehydrogenated titanium powder (powder D). 試料番号4、6、9、10、11、12,13の焼結後(熱間塑性加工前)の組織写真である。It is a microstructure photograph after sintering (before hot plastic working) of sample numbers 4, 6, 9, 10, 11, 12, and 13. 試料番号13の焼結後の組織写真および熱間塑性加工後の組織写真である。It is a microstructure photograph after sintering and the microstructure photograph after hot plastic working of sample number 13. TiO添加混合粉末を示す図であり、(a)は混合粉末の外観写真、(b)は混合粉末のSEM画像である。Is a diagram showing a TiO 2 additive mixed powder is (a) the appearance of the mixed powder photographs, (b) is an SEM image of the powder mixture. TiO添加混合粉末の焼結後の組織を示すSEM画像である。Is a SEM image showing the tissue after sintering of TiO 2 added mixed powder. 試料番号10の混合粉末のSEM画像である。6 is an SEM image of the mixed powder of sample number 10. アトマイズ粉末の粒度分布を示す図である。It is a figure which shows the particle size distribution of an atomize powder. 試料番号9および試料番号16の焼結後の組織写真である。It is a microstructure photograph after sintering of the sample number 9 and the sample number 16. 水素化64チタン微粉末(粉末E)の粒度分布を示す図である。It is a figure which shows the particle size distribution of the hydrogenated 64 titanium fine powder (powder E). 水素化・脱水素化64チタン粉末(粉末F)の粒度分布を示す図である。It is a figure which shows the particle size distribution of a hydrogenated / dehydrogenated 64 titanium powder (powder F). 試料番号22、23、24、25、26、27、28、29の焼結後(熱間塑性加工前)の組織写真である。It is a microstructure photograph after sintering (before hot plastic working) of sample numbers 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29.

本件発明の発明者らは、種々の実験を行い、粒度10μm以下の水素化チタン粉末を利用して高強度・高靱性のチタン焼結素材を製造する方法を探求した。以下に、実験内容、実験結果及び考察を詳細に記載する。 The inventors of the present invention conducted various experiments and searched for a method for producing a high-strength and high-toughness titanium sintered material using hydrogenated titanium powder having a particle size of 10 μm or less. The details of the experiment, the results of the experiment, and the discussion are described below.

[焼結性の確認]
粒度10μm以下の水素化チタン微粉末を成形して圧粉体を作製し、その後、圧粉体を真空下で焼結した。焼結体を見ると亀裂が発生しており、良好な焼結体が得られなかった。良好な焼結体が得られなかった理由は、粒度10μm以下の水素化チタン微粉末は硬すぎて、高密度にしづらいからと思われる。
[Confirmation of sinterability]
A hydrogenated titanium fine powder having a particle size of 10 μm or less was formed to prepare a green compact, and then the green compact was sintered under vacuum. Looking at the sintered body, cracks were generated, and a good sintered body could not be obtained. The reason why a good sintered body could not be obtained is considered to be that the titanium hydride fine powder having a particle size of 10 μm or less is too hard and it is difficult to increase the density.

比較のために、粒度10〜45μmの水素化・脱水素化チタン粉末を成形して圧粉体を作製し、その後、圧粉体を真空下で焼結した。焼結体には亀裂の発生が見られず、焼結性は良好であることが認められた。 For comparison, hydrogenated and dehydrogenated titanium powder having a particle size of 10 to 45 μm was formed to prepare a green compact, and then the green compact was sintered under vacuum. No cracks were observed in the sintered body, and it was confirmed that the sinterability was good.

上記の実験では水素化チタン微粉末および水素化・脱水素化チタン粉末をプレス機で加圧成形して圧粉体を作製し、その圧粉体を焼結したものであったが、これらのチタン粉末を熱間等方圧加圧法(HIP)や冷間等方圧加圧法(CIP)で固めたものを焼結したものであっても同様の結果になることが予想される。 In the above experiment, hydrided titanium fine powder and hydrided / dehydrogenated titanium powder were pressure-molded with a press machine to prepare a green compact, and the green compact was sintered. It is expected that the same result will be obtained even if the titanium powder is hardened by the hot isostatic pressing method (HIP) or the cold isostatic pressing method (CIP) and sintered.

上記の実験結果から、以下の点を考察した。 From the above experimental results, the following points were considered.

a)粉末の粒度が細かすぎると、焼結性を阻害する懸念があること。 a) If the particle size of the powder is too fine, there is a concern that the sinterability may be impaired.

b)そのため、粒度10μm以下のチタン粉末だけでは良好な焼結体の製造が困難であること。 b) Therefore, it is difficult to produce a good sintered body only with titanium powder having a particle size of 10 μm or less.

c)粒度10μm以下の水素化チタン粉末は、多くの酸素を取り込んでいるため硬く、密度の高い焼結体を製造しにくいこと。 c) Titanium hydride powder with a particle size of 10 μm or less takes in a large amount of oxygen, so it is difficult to produce a hard and dense sintered body.

d)焼結性に影響を及ぼすのは粉末集合体の密度であること。密度が例えば95%以上の粉末集合体であれば、空孔は閉鎖し、独立空孔となる。他方、密度が例えば95%未満だと、独立空孔に加えて連続空孔もできる。連続空孔があると熱間塑性加工時に空気が入り込み、その部分での窒素密度が高くなる。 d) It is the density of the powder aggregate that affects the sinterability. If the powder aggregate has a density of, for example, 95% or more, the pores are closed and become independent pores. On the other hand, if the density is, for example, less than 95%, continuous vacancies can be created in addition to independent vacancies. If there are continuous vacancies, air will enter during hot plastic working, and the nitrogen density at that portion will increase.

e)コストを削減しつつ、良好な焼結性を維持するためには、粒度10μm以下の水素化チタン微粉末と粒度10μm以上のチタン粉末との混合粉末を作製し、それを成形、焼結すること。 e) In order to maintain good sinterability while reducing costs, a mixed powder of titanium hydride fine powder with a particle size of 10 μm or less and titanium powder with a particle size of 10 μm or more is prepared, and the powder is molded and sintered. To do.

[実験に使用した粉末]
混合粉末を作製するために、以下の表1に示す粉末を準備した。
[Powder used in the experiment]
In order to prepare a mixed powder, the powders shown in Table 1 below were prepared.

Figure 0006979708
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準備した粉末A、粉末B、粉末C、粉末Dは、市販品である。 The prepared powder A, powder B, powder C, and powder D are commercially available products.

粉末Aは水素化チタン粉末であり、その粒度分布を以下の表2および図1に示す。 Powder A is titanium hydride powder, and its particle size distribution is shown in Table 2 and FIG. 1 below.

Figure 0006979708
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粉末A(水素化チタン粉末)を構成する粉末粒子は、10μm以下の粒度の範囲に90重量%以上を含む。その平均粒度(メディアン径)は5.7μmである。以下の表および図面では、粉末Aを「TF」と記すことがある。 The powder particles constituting the powder A (titanium hydride powder) contain 90% by weight or more in a particle size range of 10 μm or less. Its average particle size (median diameter) is 5.7 μm. In the tables and drawings below, powder A may be referred to as "TF".

粉末Bは水素化・脱水素化チタン粉末であり、その粒度分布を以下の表3および図2に示す。 Powder B is hydrogenated / dehydrogenated titanium powder, and its particle size distribution is shown in Table 3 and FIG. 2 below.

Figure 0006979708
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粉末B(水素化・脱水素化チタン粉末)を構成する粉末粒子は、10μm以上150μm以下の粒度の範囲に90重量%以上を含む。平均粒度(メディアン径)は63.4μmである。以下の表及び図面では、粉末Bを「HDH」と記すことがある。 The powder particles constituting the powder B (hydrogenated / dehydrogenated titanium powder) contain 90% by weight or more in a particle size range of 10 μm or more and 150 μm or less. The average particle size (median diameter) is 63.4 μm. In the following tables and drawings, powder B may be referred to as "HDH".

粉末Cは水素化・脱水素化チタン粉末であり、その粒度分布を以下の表4および図3に示す。 Powder C is hydrogenated / dehydrogenated titanium powder, and its particle size distribution is shown in Table 4 and FIG. 3 below.

Figure 0006979708
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粉末C(水素化・脱水素化チタン粉末)を構成する粉末粒子は、10μm以上45μm以下の粒度の範囲に85重量%以上を含む。平均粒度(メディアン径)は28.7μmである。 The powder particles constituting the powder C (hydrogenated / dehydrogenated titanium powder) contain 85% by weight or more in the particle size range of 10 μm or more and 45 μm or less. The average particle size (median diameter) is 28.7 μm.

粉末Dは水素化・脱水素化チタン粉末であり、その粒度分布を以下の表5および図4に示す。 Powder D is hydrogenated / dehydrogenated titanium powder, and its particle size distribution is shown in Table 5 and FIG. 4 below.

Figure 0006979708
Figure 0006979708

粉末D(水素化・脱水素化チタン粉末)を構成する粉末粒子は、45μm以上150μm以下の粒度の範囲に85重量%以上を含む。平均粒度は80.2μmである。 The powder particles constituting the powder D (hydrogenated / dehydrogenated titanium powder) contain 85% by weight or more in a particle size range of 45 μm or more and 150 μm or less. The average particle size is 80.2 μm.

[焼結体の作製]
粉末A(TF:水素化チタン微粉末)と粉末B(HDH:水素化・脱水素化チタン粉末)との比率を変えた混合粉末を作製し、それらを成形し、脱水素化熱処理を施した後に真空下で焼結した。
[Manufacturing of sintered body]
Mixed powders in which the ratios of powder A (TF: hydrogenated titanium fine powder) and powder B (HDH: hydrogenated / dehydrogenated titanium powder) were changed were prepared, and they were molded and subjected to dehydrogenation heat treatment. It was later sintered under vacuum.

具体的な製造条件は、以下の通りであった。 The specific manufacturing conditions were as follows.

粉末A(TF)と粉末B(HDH)とを表6に記載の混合比率に調製し、混合処理後の混合粉末を加圧圧力710MPaでφ41×30mmHの形状に成形し、脱水素処理600℃×7.2ksを施した後に1000℃×10.8ksの条件で真空保持し焼結体を得た。 Powder A (TF) and powder B (HDH) are prepared in the mixing ratio shown in Table 6, and the mixed powder after the mixing treatment is formed into a φ41 × 30 mmH shape at a pressurizing pressure of 710 MPa and dehydrogenated at 600 ° C. After applying × 7.2 ks, vacuum holding was performed under the condition of 1000 ° C. × 10.8 ks to obtain a sintered body.

Figure 0006979708
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[焼結体の密度、硬度、最大引張強さ、伸びの測定]
表6中の「密度(焼結後)」は、上記の製法で得た焼結体の密度である。
[Measurement of sintered body density, hardness, maximum tensile strength, and elongation]
"Density (after sintering)" in Table 6 is the density of the sintered body obtained by the above-mentioned manufacturing method.

得られた焼結体(表6の試料番号1〜13)を20mmt×30mmt×40mmLに切削加工し、熱間塑性加工サンプルを作製した。各サンプルを大気雰囲気で850℃にて1.8ks保持した後、20mmtから2.5mmt(圧下率87%)まで圧延し、その後、焼鈍を行った。表2中の「密度(熱間塑性加工後)」は、上記の熱間塑性加工後の焼結体の密度である。 The obtained sintered body (sample numbers 1 to 13 in Table 6) was cut into 20 mmt × 30 mmt × 40 mmL to prepare a hot plastically worked sample. Each sample was held at 850 ° C. for 1.8 ks in the air atmosphere, then rolled from 20 mmt to 2.5 mmt (rolling ratio 87%), and then annealed. The "density (after hot plastic working)" in Table 2 is the density of the sintered body after the hot plastic working.

得られた圧延後の試料に対して、X線回折(UltimaIV:リガク製)による構造解析、マイクロスコープ(VHX−1000:キーエンス製)による組織観察、SEM−EDX(JCM−6000EDS:日本電子製)による析出部の元素分析を行った。 Structural analysis of the obtained rolled sample by X-ray diffraction (Ultima IV: manufactured by Rigaku), microstructure observation by microscope (VHX-1000: manufactured by KEYENCE), SEM-EDX (JCM-6000EDS: manufactured by JEOL Ltd.) Elemental analysis of the precipitation part was performed.

力学的特性に関しては、圧延方向に沿って採取した引張試験片を用いて、ひずみ速度5×10−4/sにて引張試験(AUTOGRAPH AG−X:島津製作所製)を実施し、硬度についてはビッカース硬度計(HMV−G:島津製作所製)を用いて測定した。各サンプルの密度については、アルキメデス法により評価を行った。 Regarding the mechanical properties, a tensile test (AUTOGRAPH AG-X: manufactured by Shimadzu Corporation) was conducted at a strain rate of 5 × 10 -4 / s using tensile test pieces collected along the rolling direction, and the hardness was determined. It was measured using a Vickers hardness tester (HMV-G: manufactured by Shimadzu Corporation). The density of each sample was evaluated by the Archimedes method.

測定した密度、硬度、最大引張強さ(UTS)、伸び(ε)を表6に示している。 Table 6 shows the measured density, hardness, maximum tensile strength (UTS), and elongation (ε).

表6に記載の結果から、以下の点を読み取ることができる。 The following points can be read from the results shown in Table 6.

a)水素化チタン微粉末(粉末A(TF))の比率が高くなるほど、焼結体中の酸素量が多くなり、硬度及び最大引張強度も高くなる。この理由は、水素化チタン微粉末は、酸素を多く含んでいるので、酸素固溶強化のための供給源となっており、水素化チタン微粉末の量が多くなるほど、チタン母材中に固溶する酸素量が増加しているからである。 a) The higher the ratio of the titanium hydride fine powder (powder A (TF)), the larger the amount of oxygen in the sintered body, and the higher the hardness and the maximum tensile strength. The reason for this is that the titanium hydride fine powder contains a large amount of oxygen, so it is a source for strengthening the solid solution of oxygen. This is because the amount of dissolved oxygen is increasing.

b)伸び値(ε)に関しては、水素化チタン微粉末(TF)の比率が75%以下であれば、熱間塑性加工前の焼結体の密度が95%以上であり、強度と伸びのバランスが適正に得られている。しかしながら、その比率が77%以上になると、熱間塑性加工前の焼結体の密度が95%未満となり、伸び値(ε)が急激に低下していることが認められる。これは、水素化チタン微粉末の比率が75%以上の場合には焼結体の密度を95%以上にすることが難しく、独立空孔に加えて連続空孔ができているためと思われる。連続空孔があると、熱間塑性加工時に連続空孔中に空気が入り込み、その部分での窒素濃度が高くなり、延性の低下を招いていると考えられる。試料番号12および13の窒素含有量が急激に増加していることが認められる。水素化チタン微粉末(TF)の比率が75%以下であれば、熱間塑性加工前の焼結体の密度が95%以上となっており、空孔は閉鎖し、独立空孔のみになっていると考えられる。 b) Regarding the elongation value (ε), if the ratio of titanium hydride fine powder (TF) is 75% or less, the density of the sintered body before hot plastic working is 95% or more, and the strength and elongation are high. The balance is properly obtained. However, when the ratio is 77% or more, the density of the sintered body before the hot plastic working is less than 95%, and it is recognized that the elongation value (ε) is sharply lowered. It is considered that this is because it is difficult to increase the density of the sintered body to 95% or more when the ratio of the titanium hydride fine powder is 75% or more, and continuous pores are formed in addition to the independent pores. .. It is considered that if there are continuous vacancies, air enters the continuous vacancies during hot plastic working, the nitrogen concentration in that portion increases, and the ductility is lowered. It is observed that the nitrogen contents of sample numbers 12 and 13 are rapidly increasing. If the ratio of titanium hydride fine powder (TF) is 75% or less, the density of the sintered body before hot plastic working is 95% or more, the pores are closed, and only independent pores are left. It is thought that it is.

c)水素化・脱水素化チタン粉末(HDH)のみからなる焼結素材(試料番号1)に注目すると、その酸素含有量が0.24重量%、硬度(HV)が230、最大引張強さ(UTS)が524MPaである。酸素含有量、硬度および最大引張強さに関して、試料番号1の焼結素材との有意差を出すためには、水素化チタン微粉末(TF)の比率を15%以上にするのが望ましい。水素化チタン粉末の比率が15%である試料番号4は、その酸素含有量が0.29重量%、硬度(HV)が259、最大引張強さ(UTS)が602MPaである。 c) Focusing on the sintered material (Sample No. 1) consisting only of hydrogenated / dehydrogenated titanium powder (HDH), its oxygen content is 0.24% by weight, hardness (HV) is 230, and maximum tensile strength. (UTS) is 524 MPa. In order to make a significant difference from the sintered material of Sample No. 1 in terms of oxygen content, hardness and maximum tensile strength, it is desirable that the ratio of titanium hydride fine powder (TF) is 15% or more. Sample No. 4, which has a ratio of titanium hydride powder of 15%, has an oxygen content of 0.29% by weight, a hardness (HV) of 259, and a maximum tensile strength (UTS) of 602 MPa.

d)水素化チタン微粉末(TF)の比率が77%以上になると伸び値(ε)が急激に低下するので、良好な延性を維持するためには水素化チタン微粉末の比率を75%以下にするのが望ましい。 d) When the ratio of titanium hydride fine powder (TF) is 77% or more, the elongation value (ε) drops sharply. Therefore, in order to maintain good ductility, the ratio of titanium hydride fine powder (TF) should be 75% or less. It is desirable to set it to.

e)水素化チタン微粉末(TF)の比率が15%〜75%の試料番号4〜11の焼結素材は、その硬度(HV)が250以上、最大引張強さ(UTS)が580MPa以上、伸び(ε)が18%以上となっている。 e) The sintered material of sample numbers 4 to 11 having a ratio of titanium hydride fine powder (TF) of 15% to 75% has a hardness (HV) of 250 or more and a maximum tensile strength (UTS) of 580 MPa or more. The elongation (ε) is 18% or more.

[組織観察結果]
図5は、試料番号4、6、9、10、11,12、13の焼結後(熱間塑性加工前)の組織観察写真を示している。水素化チタン微粉末(TF)の比率が77%の試料番号12および80%の試料番号13に注目すると、連続空孔が表れていることが観察される。水素化チタン微粉末(TF)の比率が75%以下である試料番号4、試料番号6、試料番号9、試料番号10および試料番号11には、連続空孔が表れていない。
[Tissue observation results]
FIG. 5 shows microstructure observation photographs of sample numbers 4, 6, 9, 10, 11, 12, and 13 after sintering (before hot plastic working). Focusing on sample number 12 with a proportion of titanium hydride fine powder (TF) of 77% and sample number 13 with 80%, it is observed that continuous vacancies appear. No continuous vacancies appear in Sample No. 4, Sample No. 6, Sample No. 9, Sample No. 10 and Sample No. 11 in which the ratio of the titanium hydride fine powder (TF) is 75% or less.

図6は、試料番号13の焼結後の組織写真および熱間塑性加工後の組織写真を示している。熱間塑性加工後の組織写真から明らかなように、試料番号13には、窒素濃化部が見られる。 FIG. 6 shows a microstructure photograph of sample number 13 after sintering and a microstructure photograph after hot plastic working. As is clear from the microstructure photograph after hot plastic working, a nitrogen-enriched portion can be seen in sample number 13.

[水素化・脱水素化チタン粉末の粒度の影響]
準備した水素化・脱水素化チタン粉末は、粉末B、粉末Cおよび粉末Dである(表1参照)。粉末B(HDH)は、粒度が10〜150μm、平均粒度が63.4μmである。粉末Cは、粒度が10〜45μm、平均粒度が28.7μmである。粉末Dは、粒度が45〜150μm、平均粒度が80.2μmである。水素化チタン微粉末(TF)と混合する水素化・脱水素化チタン粉末の粒度分布の相違が最終的に得られる焼結素材の特性に影響を及ぼすかどうかを調査した。その結果を以下の表7に示す。
[Effect of particle size of hydrogenated / dehydrogenated titanium powder]
The prepared hydrogenated / dehydrogenated titanium powders are powder B, powder C and powder D (see Table 1). The powder B (HDH) has a particle size of 10 to 150 μm and an average particle size of 63.4 μm. The powder C has a particle size of 10 to 45 μm and an average particle size of 28.7 μm. The powder D has a particle size of 45 to 150 μm and an average particle size of 80.2 μm. It was investigated whether the difference in particle size distribution of the hydrogenated / dehydrogenated titanium powder mixed with the hydrogenated titanium fine powder (TF) affects the characteristics of the finally obtained sintered material. The results are shown in Table 7 below.

Figure 0006979708
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表7の結果を見ると、酸素量、密度、硬度、最大引張強さおよび伸び値において顕著な差は見られず、同等の特性が得られているものと認められる。したがって、好ましくは、10μm以下の粒度の水素化チタン粉末と混合されるべきチタン粉末(本実施形態では水素化・脱水素化チタン粉末)は、10μm以上150μm以下の粒度の範囲に90重量%以上を含み、平均粒度が20μm以上である。また、水素化チタン粉末の量が、全体に対して重量基準で、15%以上75%以下となるように配合して水素化チタン粉末とチタン粉末とを混合することが望ましい。 Looking at the results in Table 7, no significant difference was observed in the amount of oxygen, density, hardness, maximum tensile strength and elongation value, and it is recognized that the same characteristics were obtained. Therefore, preferably, the titanium powder to be mixed with the titanium hydride powder having a particle size of 10 μm or less (hydrogenated / dehydrogenated titanium powder in this embodiment) is 90% by weight or more in the particle size range of 10 μm or more and 150 μm or less. The average particle size is 20 μm or more. Further, it is desirable to mix the titanium hydride powder and the titanium powder so that the amount of the titanium hydride powder is 15% or more and 75% or less based on the weight of the whole.

[TiO添加製法との比較]
チタン素材の強度向上のためにチタン素材中に酸素を固溶させる方法として、チタン粉末にTiO粉末を添加し、この混合粉末を焼結する方法が知られている。水素化チタン微粉末を利用する本発明の方法と比較するために、TiO添加製法によって焼結体を作製した。
[ Comparison with TiO 2 addition manufacturing method]
As a method of solidifying oxygen in a titanium material in order to improve the strength of the titanium material, a method of adding TiO 2 powder to the titanium powder and sintering this mixed powder is known. In order to compare with the method of the present invention using the fine powder of titanium hydride, a sintered body was prepared by the TiO 2 addition method.

準備した粉末は、粒度10〜150μmの水素化・脱水素化チタン粉末(粉末B:HDH)およびTiO粉末である。これらの2種類の粉末を混合して混合粉末を得た。混合比率は、TiO粉末が0.7重量%である。混合粉末全体の酸素量は0.55重量%に相当するものであり、表6中の試料番号10(粉末A66%+粉末B34%)と同等である。 The prepared powders are hydrogenated / dehydrogenated titanium powder (powder B: HDH) having a particle size of 10 to 150 μm and TiO 2 powder. These two kinds of powders were mixed to obtain a mixed powder. The mixing ratio is 0.7% by weight for the TiO 2 powder. The amount of oxygen in the entire mixed powder corresponds to 0.55% by weight, which is equivalent to sample number 10 (powder A 66% + powder B 34%) in Table 6.

TiO粉末をチタン粉末中に添加すると、TiO粉末が凝集し易い。図7(a)は混合粉末の外観を示す写真であり、○印で囲った部分にTiO粉末の凝集が見られる。図7(b)は、混合粉末のSEM画像であり、TiOの凝集を明瞭に観察できる。 When the TiO 2 powder is added to the titanium powder, the TiO 2 powder tends to aggregate. FIG. 7A is a photograph showing the appearance of the mixed powder, and agglomeration of the TiO 2 powder can be seen in the portion surrounded by a circle. FIG. 7B is an SEM image of the mixed powder, and the aggregation of TiO 2 can be clearly observed.

図8は、TiO添加混合粉末の焼結後の組織を示すSEM画像であり、不十分な混合に起因するとみられる酸素の濃化部が観察される。 FIG. 8 is an SEM image showing the structure of the TiO 2- added mixed powder after sintering, and an oxygen-enriched portion that seems to be caused by insufficient mixing is observed.

図9は、試料番号10(粉末A66%+粉末B34%)の混合粉末のSEM画像である。この図からわかるように、粒度10μm以下の微細な水素化チタン微粉末は全体に亘って均一に分散している。 FIG. 9 is an SEM image of a mixed powder of sample number 10 (powder A 66% + powder B 34%). As can be seen from this figure, fine titanium hydride fine powder having a particle size of 10 μm or less is uniformly dispersed throughout.

TiO添加によるチタン素材の酸素固溶強化手法は、TiOを大量に添加する場合にTiOの凝集、ひいては酸素濃化部の点在といった問題を引き起こすおそれがある。それに対して、水素化チタン微粉末を利用したチタン素材の酸素固溶強化手法は、凝集や酸素濃化部の点在といった問題を引き起こさない点で有利である。 The method for strengthening the oxygen solid solution of a titanium material by adding TiO 2 may cause problems such as aggregation of TiO 2 and indulgence of oxygen-enriched portions when a large amount of TiO 2 is added. On the other hand, the oxygen solid solution strengthening method for titanium materials using hydrogenated titanium fine powder is advantageous in that it does not cause problems such as agglutination and scattered oxygen-enriched portions.

なお、酸素量の調整のために、水素化チタン微粉末を利用したチタン素材の酸素固溶強化手法をベースにしながら、水素化チタン粉末およびチタン粉末の2種類の粉末に加えて、TiO粉末も凝集が起こらない程度に加えてそれらを混合しても良い。 In addition to the two types of powder, titanium hydride powder and titanium powder, TIO 2 powder is used to adjust the amount of oxygen, based on the oxygen solid solution strengthening method for titanium materials using titanium hydride fine powder. They may be mixed in addition to the extent that aggregation does not occur.

[アトマイズ粉末の利用]
上述の実施形態では、混合粉末の出発原料として、水素化チタン微粉末と水素化・脱水素化チタン粉末とを準備した。水素化・脱水素化チタン粉末に代えて、アトマイズ粉末を利用することが可能である。
[Use of atomized powder]
In the above-described embodiment, titanium hydride fine powder and hydrogenated / dehydrogenated titanium powder were prepared as starting materials for the mixed powder. It is possible to use atomized powder instead of hydrogenated / dehydrogenated titanium powder.

水素化・脱水素化チタン粉末に代えてアトマイズ粉末を利用した場合でも、同等の酸素固溶強化が得られているかどうかを確認するために、水素化チタン粉末とアトマイズ粉末との混合粉末(混合比率は50:50)を作製し、それを冷間成形し、脱水素化熱処理を施した後に真空下で焼結した(試料番号16)。 Even when atomized powder is used instead of hydrogenated / dehydrogenated titanium powder, a mixed powder (mixed) of titanium hydride powder and atomized powder is used to confirm whether the same oxygen solidification enhancement is obtained. The ratio was 50:50), which was cold-formed, subjected to dehydrogenation heat treatment, and then sintered under vacuum (Sample No. 16).

準備した水素化チタン粉末は、表1に記載の粉末Aであり、10μm以下の粒度の範囲に90重量%以上を含み、その平均粒度は5.7μmである。準備したアトマイズ粉末は、ガスアトマイズ法で製造されたものであり、酸素濃度が0.10重量%、窒素濃度が0.02重量%、水素濃度が0.01重量%未満、炭素濃度が0.01重量%未満である。 The prepared titanium hydride powder is the powder A shown in Table 1, and contains 90% by weight or more in a particle size range of 10 μm or less, and the average particle size is 5.7 μm. The prepared atomized powder was produced by the gas atomizing method, and had an oxygen concentration of 0.10% by weight, a nitrogen concentration of 0.02% by weight, a hydrogen concentration of less than 0.01% by weight, and a carbon concentration of 0.01. Less than% by weight.

アトマイズ粉末の粒度分布を表8および図10に示す。 The particle size distribution of the atomized powder is shown in Table 8 and FIG.

Figure 0006979708
Figure 0006979708

表8および図10に示すように、アトマイズ粉末を構成する粉末粒子は、20μm以上150μm以下の粒度の範囲に90重量%以上を含む。平均粒度(メディアン径)は67.8μmである。 As shown in Table 8 and FIG. 10, the powder particles constituting the atomized powder contain 90% by weight or more in the particle size range of 20 μm or more and 150 μm or less. The average particle size (median diameter) is 67.8 μm.

以下の表9は、試料番号9と試料番号16の焼結後および熱間塑性加工後の強度特性を示している。 Table 9 below shows the strength characteristics of Sample No. 9 and Sample No. 16 after sintering and hot plastic working.

Figure 0006979708
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表9からわかるように、水素化チタン粉末(粉末A)50%と水素化・脱水素化チタン粉末(粉末B)50%の混合粉末から出発した焼結素材(試料番号9)と、水素化チタン粉末(粉末A)50%とアトマイズ粉末50%の混合粉末から出発した焼結素材(試料番号16)とは、密度、硬度、最大引張強さ、伸び特性において同等である。 As can be seen from Table 9, the sintered material (sample number 9) starting from a mixed powder of 50% titanium hydride powder (powder A) and 50% hydride / dehydrogenated titanium powder (powder B), and hydrogenation. The sintered material (Sample No. 16) starting from a mixed powder of 50% titanium powder (powder A) and 50% atomized powder is equivalent in density, hardness, maximum tensile strength, and elongation characteristics.

図11は、試料番号9および試料番号16の焼結後の組織写真である。これらの写真からも、試料番号9および試料番号16の両者とも、連続空孔は見られず、良好な組織であることが認められる。 FIG. 11 is a microstructure photograph of Sample No. 9 and Sample No. 16 after sintering. From these photographs, it can be confirmed that both Sample No. 9 and Sample No. 16 have good tissues with no continuous pores.

水素化・脱水素化チタン粉末に代えてアトマイズ粉末を利用した場合でも、水素化チタン微粉末を活用して生産コストの低減を図りつつ、高強度で高靱性のチタン焼結素材を得ることができる。 Even when atomized powder is used instead of hydrogenated / dehydrogenated titanium powder, it is possible to obtain high-strength and high-toughness titanium sintered material while reducing production costs by utilizing titanium hydride fine powder. can.

[チタン合金焼結素材への応用]
通常は廃棄されている粒度10μm以下の水素化チタン粉末を活用して、生産コストを削減しつつ高強度で高靱性のチタン焼結素材を提供するという観点からすると、純チタンの焼結素材に限定する必要は無い。例えば、Ti−6%Al−4%Vのようなチタン合金焼結素材の製造のための出発原料として、粒度10μm以下の水素化チタン粉末を利用することができる。水素化チタン粉末として、水素化純チタン粉末および水素化チタン合金粉末の両者が考えられる。
[Application to titanium alloy sintered material]
From the viewpoint of providing a high-strength and high-toughness titanium sintered material while reducing production costs by utilizing titanium hydride powder with a particle size of 10 μm or less, which is normally discarded, it is a pure titanium sintered material. There is no need to limit it. For example, a hydrogenated titanium powder having a particle size of 10 μm or less can be used as a starting material for producing a titanium alloy sintered material such as Ti-6% Al-4% V. As the titanium hydride powder, both pure titanium hydride powder and titanium hydride alloy powder can be considered.

Ti−6%Al−4%Vの焼結素材を製造するための出発原料として考えられる組み合わせは、例えば以下のパターンである。 A possible combination as a starting material for producing a Ti-6% Al-4% V sintered material is, for example, the following pattern.

パターン1:水素化純チタン粉末+純チタン粉末+AlV合金粉末 Pattern 1: Hydrogenated pure titanium powder + pure titanium powder + AlV alloy powder

パターン2:水素化チタン合金粉末(Ti−Al−V)+チタン合金粉末(Ti−Al−V) Pattern 2: Titanium hydride alloy powder (Ti-Al-V) + Titanium alloy powder (Ti-Al-V)

[AlおよびVを含むチタン合金焼結素材の製造]
アルミニウム(Al)およびバナジウム(V)を含むチタン合金焼結素材の原料粉末として、以下の表10に示す粉末を準備した。
[Manufacturing of titanium alloy sintered material containing Al and V]
The powders shown in Table 10 below were prepared as raw material powders for a titanium alloy sintered material containing aluminum (Al) and vanadium (V).

Figure 0006979708
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粉末Eは、組成がTi−6Al−4V(64チタン)であり、水素化されたものである。この水素化64チタン微粉末の粒度分布を以下の表11および図12に示す。 The powder E has a composition of Ti-6Al-4V (64 titanium) and is hydrogenated. The particle size distribution of this hydrogenated 64 titanium fine powder is shown in Table 11 and FIG. 12 below.

Figure 0006979708
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粉末E(水素化64チタン微粉末)を構成する粉末粒子は、10μm以下の粒度の範囲に65重量%以上を含む。その平均粒度(メディアン径)は8.13μmである。以下の表および図面では、粉末Eを「64TF]と記すことがある。 The powder particles constituting the powder E (hydrogenated 64 titanium fine powder) contain 65% by weight or more in a particle size range of 10 μm or less. Its average particle size (median diameter) is 8.13 μm. In the tables and drawings below, powder E may be referred to as "64TF".

粉末C(水素化・脱水素化チタン粉末)は、表1に記載した「粉末C」と同じであり、水素化・脱水素化した純チタン粉末である。その粒度分布は、表4および図3に記載した通りである。粉末Cを構成する粉末粒子は、10μm以上45μm以下の粒度の範囲に85重量%以上を含み、その平均粒度は(メディアン径)は28.7μmである。 The powder C (hydrogenated / dehydrogenated titanium powder) is the same as the “powder C” shown in Table 1, and is a hydrogenated / dehydrogenated pure titanium powder. The particle size distribution is as shown in Table 4 and FIG. The powder particles constituting the powder C contain 85% by weight or more in a particle size range of 10 μm or more and 45 μm or less, and the average particle size (median diameter) is 28.7 μm.

粉末F(水素化・脱水素化64チタン粉末)は、組成がTi−6Al−4Vであり、水素化後に脱水素化した64チタン粉末である。その粒度分布を以下の表12および図13に示す。 The powder F (hydrogenated / dehydrogenated 64 titanium powder) is a 64 titanium powder having a composition of Ti-6Al-4V and dehydrogenated after hydrogenation. The particle size distribution is shown in Table 12 and FIG. 13 below.

Figure 0006979708
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粉末F(水素化・脱水素化64チタン粉末)を構成する粉末粒子は、10μm以上45μmの粒度の範囲に60重量%以上を含み、その平均粒度(メディアン径)は39.49μmである。 The powder particles constituting the powder F (hydrogenated / dehydrogenated 64 titanium powder) contain 60% by weight or more in a particle size range of 10 μm or more and 45 μm, and the average particle size (median diameter) is 39.49 μm.

[AlおよびVを含むチタン合金焼結体の作製]
粉末E(水素化チタン微粉末(64TF))と粉末C(水素化・脱水素化純チタン粉末)との比率を変えた混合粉末を作製し、それらを成形し、脱水素化処理を施した後に真空下で焼結した。
[Preparation of titanium alloy sintered body containing Al and V]
A mixed powder in which the ratio of powder E (hydrogenated titanium fine powder (64TF)) and powder C (hydrogenated / dehydrogenated pure titanium powder) was changed was prepared, and they were molded and dehydrogenated. It was later sintered under vacuum.

具体的な製造条件は、以下の通りであった。粉末Eと粉末Cとを表13に記載の混合比率に調製し、混合処理後の混合粉末を加圧圧力710MPaで成形し、脱水素処理600℃×7.2ksを施した後に1050℃×10.8ksの条件で真空保持し焼結体を得た。 The specific manufacturing conditions were as follows. Powder E and powder C are prepared at the mixing ratios shown in Table 13, the mixed powder after the mixing treatment is molded at a pressurizing pressure of 710 MPa, dehydrogenated at 600 ° C. × 7.2 ks, and then 1050 ° C. × 10. A sintered body was obtained by holding in vacuum under the condition of 8.8 ks.

Figure 0006979708
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[AlおよびVを含むチタン合金焼結体の組織観察結果]
図14は、試料番号22〜29の焼結後(熱間塑性加工前)の組織観察写真(×500)を示している。粉末E(64TF)を60%含み、粉末C(純チタン)を40%含む混合粉末(試料番号29)の焼結体の組織観察写真を見ると、黒色の連続空孔が表れていることが認められる。粉末Eの含有量が5%〜55%の試料番号22〜28の焼結体の組織観察写真には、連続空孔が表れていない。
[Structural observation results of titanium alloy sintered body containing Al and V]
FIG. 14 shows a microstructure observation photograph (× 500) of sample numbers 22 to 29 after sintering (before hot plastic working). Looking at the microstructure observation photograph of the sintered body of the mixed powder (Sample No. 29) containing 60% of powder E (64TF) and 40% of powder C (pure titanium), black continuous pores appear. Is recognized. No continuous pores appear in the microstructure observation photographs of the sintered body of sample numbers 22 to 28 having a powder E content of 5% to 55%.

[AlおよびVを含むチタン合金焼結体の密度、硬度、最大引張強さ、伸びの測定]
表13中の「密度(焼結後)」は、熱間塑性加工前の焼結体の密度である。得られた焼結体(表13中の試料番号21〜29)を板厚20mmtから2.4mmtまで圧延(圧下率88%)し、その後750℃×1.8ksの条件で焼鈍を行った。
[Measurement of density, hardness, maximum tensile strength, and elongation of titanium alloy sintered body containing Al and V]
"Density (after sintering)" in Table 13 is the density of the sintered body before hot plastic working. The obtained sintered body (sample numbers 21 to 29 in Table 13) was rolled from a plate thickness of 20 mmt to 2.4 mmt (rolling ratio 88%), and then annealed under the conditions of 750 ° C. × 1.8 ks.

表13中の「密度(熱間塑性加工後)」は、上記の熱間塑性加工後の焼結体の密度である。 "Density (after hot plastic working)" in Table 13 is the density of the sintered body after the hot plastic working.

圧延方向に沿って採取した引張試験片を用い引張試験(AUTOGRAPH AG−X:島津製作所)を実施した。硬度については、ビッカース硬度計(HMV−G:島津製作所)を用いて測定した。各サンプルの密度については、アルキメデス法により評価を行った。 A tensile test (AUTOGRAPH AG-X: Shimadzu Corporation) was carried out using tensile test pieces collected along the rolling direction. The hardness was measured using a Vickers hardness tester (HMV-G: Shimadzu Corporation). The density of each sample was evaluated by the Archimedes method.

測定した密度、硬度(HV)、最大引張強さ(UTS)、伸び(ε)を表13に示している。表13に記載の結果および図14の組織観察結果から、以下の点を読み取ることができる。 Table 13 shows the measured densities, hardness (HV), maximum tensile strength (UTS), and elongation (ε). The following points can be read from the results shown in Table 13 and the tissue observation results in FIG.

a)粉末E(水素化64チタン微粉末(64TF))の比率が高くなるほど、焼結体中の酸素量が多くなり、硬度および最大引張強度も高くなる。この理由は、水素化64チタン微粉末は酸素を多く含んでいるので、酸素固溶強化のための酸素供給源となっており、水素化64チタン微粉末の量が多くなるほど、チタン母材中に固溶する酸素量が増加しているからである。 a) The higher the ratio of powder E (hydrogenated 64 titanium fine powder (64TF)), the larger the amount of oxygen in the sintered body, and the higher the hardness and maximum tensile strength. The reason for this is that since the hydrogenated 64 titanium fine powder contains a large amount of oxygen, it is an oxygen supply source for strengthening the solid solution of oxygen, and the larger the amount of the hydrogenated 64 titanium fine powder, the more in the titanium base material. This is because the amount of oxygen that dissolves in the solid solution is increasing.

b)伸び値(ε)に関しては、水素化64チタン微粉末(64TF)の比率が55%以下であれば、熱間塑性加工前の焼結体の密度が95%以上であり、強度と伸びのバランスが適正に得られている。しかしながら、その比率が60%以上になると、熱間塑性加工前の密度が95%未満となり、伸び値(ε)が急激に低下していることが認められる。これは、水素化64チタン微粉末の比率が60%以上の場合には焼結体の密度を95%以上にすることが難しく、独立空孔に加えて連続空孔ができているためと思われる。したがって、混合粉末中の粉末E(水素化64チタン微粉末(64TF))の含有率の上限値を55%にするのが望ましい。 b) Regarding the elongation value (ε), if the ratio of hydrogenated 64 titanium fine powder (64TF) is 55% or less, the density of the sintered body before hot plastic working is 95% or more, and the strength and elongation. The balance is properly obtained. However, when the ratio is 60% or more, the density before hot plastic working becomes less than 95%, and it is recognized that the elongation value (ε) drops sharply. This is probably because when the ratio of hydrogenated 64 titanium fine powder is 60% or more, it is difficult to increase the density of the sintered body to 95% or more, and continuous pores are formed in addition to the independent pores. Is done. Therefore, it is desirable to set the upper limit of the content of powder E (hydrogenated 64 titanium fine powder (64TF)) in the mixed powder to 55%.

c)水素化・脱水素化した純チタン粉末のみからなる焼結素材(試料番号21)に注目すると、その酸素含有量が0.24重量%、硬度(HV)が230、最大引張強さ(UTS)が524MPaである。酸素含有量、硬度および最大引張強さに関して、試料番号21との有意差を出すためには、粉末E(水素化64チタン微粉末(64TF))の含有率の下限値を5%にするのが望ましい。日本製鉄ホームページに掲載のデータによると、Ti−3Al−2.5Vの場合の酸素含有量が0.15wt%以下、強度が620MPa、伸びが15%である。粉末Eを5%含む試料22の酸素量は0.31wt%、強度が628MPa、伸びが31.7%であり、T−3Al−2.5Vよりも機械的特性が優れている。 c) Focusing on the sintered material (Sample No. 21) consisting only of hydrogenated and dehydrogenated pure titanium powder, its oxygen content is 0.24% by weight, hardness (HV) is 230, and maximum tensile strength (sample number 21). UTS) is 524 MPa. In order to make a significant difference from sample number 21 in terms of oxygen content, hardness and maximum tensile strength, the lower limit of the content of powder E (hydrogenated 64 titanium fine powder (64TF)) is set to 5%. Is desirable. According to the data posted on the Nippon Steel website, the oxygen content of Ti-3Al-2.5V is 0.15 wt% or less, the strength is 620 MPa, and the elongation is 15%. The oxygen content of the sample 22 containing 5% of the powder E is 0.31 wt%, the strength is 628 MPa, and the elongation is 31.7%, which are superior in mechanical properties to T-3Al-2.5V.

d)粉末E(水素化64チタン微粉末(64TF))の比率が5%〜55%の試料番号22〜28の焼結素材は、その硬度(HV)が276以上、最大引張強さ(UTS)が628MPa以上、伸び(ε)が14%以上となっている。 d) The sintered material of sample numbers 22 to 28 having a ratio of powder E (hydrogenated 64 titanium fine powder (64TF)) of 5% to 55% has a hardness (HV) of 276 or more and a maximum tensile strength (UTS). ) Is 628 MPa or more, and the elongation (ε) is 14% or more.

[異なった材種の組織観察結果及び機械的特性の比較]
以下の表14は、異なった材種からなる素材の酸素量、及び機械的特性を比較して示している。試料番号31は純チタン材、試料番号32は64チタン合金溶解材、試料番号33は64チタン合金粉末焼結材、試料番号34は32チタン合金溶解材、試料番号35は32チタン合金粉末焼結材、試料番号36−aは32チタン合金粉末にTiOを0.6%添加した混合粉末焼結材、試料番号36−bは32チタン合金粉末にTiOを1.1%添加した混合粉末焼結材、試料番号36−cは32チタン合金粉末にTiOを1.3%添加した混合粉末焼結材、試料番号37は表10に記載の粉末F(水素化・脱水素化64チタン粉末)に粉末E(水素化64チタン微粉末(64TF))を25%添加した混合粉末焼結材、試料番号27は50%の粉末Eと50%の粉末Cを含む混合粉末焼結材であり、表13に記載された試料番号27と同一のものである。
[Comparison of microstructure observation results and mechanical properties of different grades]
Table 14 below compares the oxygen content and mechanical properties of materials of different grades. Sample number 31 is a pure titanium material, sample number 32 is a 64 titanium alloy melted material, sample number 33 is a 64 titanium alloy powder sintered material, sample number 34 is a 32 titanium alloy melted material, and sample number 35 is a 32 titanium alloy powder sintered material. Material, sample number 36-a is a mixed powder sintered material in which 0.6% of TiO 2 is added to 32 titanium alloy powder, and sample number 36-b is a mixed powder in which 1.1% of TiO 2 is added to 32 titanium alloy powder. Sintered material, sample number 36-c is a mixed powder sintered material in which 1.3% of TiO 2 is added to 32 titanium alloy powder, and sample number 37 is powder F (hydrogenated / dehydrogenated 64 titanium) shown in Table 10. A mixed powder sintered material containing 25% of powder E (hydrogenated 64 titanium fine powder (64TF)) added to powder), and sample number 27 is a mixed powder sintered material containing 50% powder E and 50% powder C. Yes, it is the same as the sample number 27 shown in Table 13.

Figure 0006979708
Figure 0006979708

試料番号32、33および37は、何れも、64チタン合金材である。64チタン合金溶解材(試料番号32)に比べて、64チタン合金粉末材(試料番号33)の方が機械的特性(硬度および最大引張強さ)が優れていることが認められる。試料番号37は、本発明の一実施形態に対応するものであり、水素化・脱水素化64チタン粉末(粉末F)に水素化64チタン微粉末(64TF)を25%添加したものである。試料番号37の機械的特性(硬度および最大引張強さ)は、試料番号33(64Ti合金粉末材)よりも優れている。試料番号37の伸び(ε)は7.2%であり、試料番号33の伸び値(10%)よりもやや劣っている。試料番号37は、今まで廃棄処分等されていた水素化64チタン微粉末を25%含むので、試料番号33に比べて低コストの素材となる。したがって、伸び特性があまり要求されない用途であれば、試料番号37の利用価値は高い。 Sample numbers 32, 33 and 37 are all 64 titanium alloy materials. It is recognized that the 64 titanium alloy powder material (sample number 33) is superior in mechanical properties (hardness and maximum tensile strength) to the 64 titanium alloy molten material (sample number 32). Sample number 37 corresponds to one embodiment of the present invention, in which 25% of hydrogenated 64 titanium fine powder (64TF) is added to hydrogenated / dehydrogenated 64 titanium powder (powder F). The mechanical properties (hardness and maximum tensile strength) of sample number 37 are superior to sample number 33 (64Ti alloy powder material). The elongation (ε) of sample number 37 is 7.2%, which is slightly inferior to the elongation value (10%) of sample number 33. Since sample number 37 contains 25% of hydrogenated 64 titanium fine powder that has been disposed of, it is a low-cost material as compared with sample number 33. Therefore, the utility value of sample number 37 is high if the application does not require much elongation characteristics.

試料番号27(50%粉末E(64TF)+50%粉末C(純チタン))の酸素含有量は0.77%である。32Ti合金粉末材で酸素量を増加させるには、TiOの添加が必要である。TiO2を0.6%添加した試料番号36−aの酸素含有量は0.54%、TiO2を1.1%添加した試料番号36−bの酸素含有量は0.74%、TiO2を1.3%添加した試料番号36−bの酸素含有量は0.80%である。同等の酸素量を持つ試料番号36−bおよび36−cの伸び特性(ε)は、本発明の一実施形態に対応する試料番号27に比べてはるかに劣っている。この原因は、粉末混合時に大量に添加したTiOが凝集し、焼結後も酸素濃化部が生じているためと考えられる。これに対して、水素化64チタン微粉末を使用した試料番号27では、部分的な酸素濃化といった問題は生じず、TiOの添加手法に比べて多量の酸素を均一に固溶させることができ、より優れた機械的特性および伸び特性を得ることができる。 The oxygen content of sample number 27 (50% powder E (64TF) + 50% powder C (pure titanium)) is 0.77%. In order to increase the amount of oxygen in the 32Ti alloy powder material, it is necessary to add TiO 2. The oxygen content of sample number 36-a to which 0.6% of TiO2 was added was 0.54%, the oxygen content of sample number 36-b to which 1.1% of TiO2 was added was 0.74%, and the oxygen content of TiO2 was 1. The oxygen content of sample number 36-b added with 3% is 0.80%. The elongation characteristics (ε) of sample numbers 36-b and 36-c having the same amount of oxygen are far inferior to sample number 27 corresponding to one embodiment of the present invention. It is considered that this is because a large amount of TiO 2 added at the time of powder mixing aggregates and an oxygen-enriched portion is generated even after sintering. On the other hand, in sample number 27 using hydrogenated 64 titanium fine powder, the problem of partial oxygen enrichment does not occur, and a large amount of oxygen can be uniformly dissolved as compared with the method of adding TiO 2. It is possible to obtain better mechanical properties and elongation properties.

以上説明したように、平均粒度が10μm以下の水素化された水素化チタン微粉末や、平均粒度が10μm以下の水素化された水素化64チタン微粉末の添加量が多くなるほど、チタン焼結素材またはチタン合金焼結素材中の酸素量が多くなり、硬度(HV)及び最大引張強度(UTS)が高くなる。その反面、水素化チタン微粉末および水素化64チタン微粉末の添加量が多すぎるとチタン焼結素材またはチタン合金焼結素材の伸び値(ε)が低下する。チタン焼結素材やチタン合金焼結素材の用途の中には、伸び特性があまり要求されない用途もある。例えば、刃物用途や耐摩耗性用途では、伸び特性よりも強度(硬度や最大引張強度)が重要視される。このような強度が重視される用途の場合、水素化チタン微粉末や水素化64チタン微粉末を多量に添加するようにすれば、原料コストを削減しつつ焼結素材の強度を高めることができる。 As described above, the larger the amount of hydrogenated titanium fine powder having an average particle size of 10 μm or less and the hydrogenated 64 titanium fine powder having an average particle size of 10 μm or less, the more the titanium sintered material. Alternatively, the amount of oxygen in the titanium alloy sintered material increases, and the hardness (HV) and the maximum tensile strength (UTS) increase. On the other hand, if the amount of the hydrogenated titanium fine powder and the hydrogenated 64 titanium fine powder added too much, the elongation value (ε) of the titanium sintered material or the titanium alloy sintered material decreases. Among the applications of titanium sintered materials and titanium alloy sintered materials, there are applications that do not require much elongation characteristics. For example, in cutting tool applications and wear resistance applications, strength (hardness and maximum tensile strength) is more important than elongation characteristics. In such applications where strength is important, if a large amount of hydrogenated titanium fine powder or hydrogenated 64 titanium fine powder is added, the strength of the sintered material can be increased while reducing the raw material cost. ..

原料コストを削減しつつ焼結素材の強度を高めるために利用する水素化されたチタン系粉末として、純チタンや64チタンに限らず、Ti−3Al−2.5V、Ti−3Al−3Mo−1V、Ti−4Al−3Mo−1V、Ti−4Al−4Mo−2Sn、Ti−5Al−2Cr−1Fe、Ti−5Al−1.5Fe−1.5Cr−1.5Mo、Ti−5Al−2Sn−2Zr−4Mo−4Cr、Ti−6Al−2Sn−2Zr−2Mo−2Cr、Ti−6Al−2Sn−4Zr−6Mo、Ti−6Al−2Sn−4Zr−2Mo、Ti−5Al−6Sn−2Zr−1Mo、Ti−6Al−2Cb−1Ta−1Mo、Ti−6Al−4V、Ti−6Al−6V−2Sn、Ti−7Al−4V、Ti−8Al−1Mo−1V、Ti−8Al−4Co、Ti−8Mn、およびTi−25Al−11Sn−5Zr−1Moなどのようなチタン系微粉末を利用することができる。 Ti-3Al-2.5V, Ti-3Al-3Mo-1V, not limited to pure titanium and 64 titanium, are hydrided titanium powders used to increase the strength of sintered materials while reducing raw material costs. , Ti-4Al-3Mo-1V, Ti-4Al-4Mo-2Sn, Ti-5Al-2Cr-1Fe, Ti-5Al-1.5Fe-1.5Cr-1.5Mo, Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo -4Cr, Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-5Al-6Sn-2Zr-1Mo, Ti-6Al-2Cb -1Ta-1Mo, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-7Al-4V, Ti-8Al-1Mo-1V, Ti-8Al-4Co, Ti-8Mn, and Ti-25Al-11Sn- Titanium-based fine powder such as 5Zr-1Mo can be used.

以上、図面を参照して本発明の実施形態を記載したが、本発明はここに記載した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明と同一または均等な範囲内において種々の変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings, the present invention is not limited to the embodiments described here, and is within the same or equivalent range as the invention described in the claims. Various changes are possible.

本発明は、生産コストを削減しつつ、高強度で高靱性のチタン焼結素材を得ることのできる方法として有利に利用され得る。例えば、水素化チタン微粉末は通常廃棄されることから素材購入コストはゼロに等しく、水素化チタン微粉末を66%混合する場合には素材コストが1/3となり、生産コスト削減に大いに貢献できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be advantageously used as a method capable of obtaining a titanium sintered material having high strength and high toughness while reducing production costs. For example, since titanium hydride fine powder is usually discarded, the material purchase cost is equal to zero, and when 66% of hydrogenated titanium fine powder is mixed, the material cost is reduced to 1/3, which can greatly contribute to the reduction of production cost. ..

Claims (11)

1.51μm〜10μm以下の粒度の範囲に90重量%以上を含み、平均粒度が10μm以下である水素化処理された水素化チタン粉末と、10μm以上150μm以下の粒度の範囲に90重量%以上を含み、平均粒度が20μm以上であるチタン粉末とを準備する工程と、
前記水素化チタン粉末の量が、全体に対して重量基準で、15%以上75%以下となるように配合して前記水素化チタン粉末と前記チタン粉末とを混合する工程と、
前記混合処理された混合粉末を焼結してチタン焼結素材を得る工程とを備える、チタン焼結素材の製造方法。
1.51Myuemu~ 10 [mu] m looking contains 90 wt% or more in the range of a particle size of less than the average particle size of titanium hydride powder hydrotreated at 10 [mu] m or less, 90 wt% or more in the range of particle size of less than 150μm or 10 [mu] m And a step of preparing a titanium powder having an average particle size of 20 μm or more, including
A step of mixing the hydrogenated titanium powder and the titanium powder so that the amount of the hydrogenated titanium powder is 15% or more and 75% or less based on the weight of the whole.
A method for producing a titanium sintered material, comprising a step of sintering the mixed powder that has been subjected to the mixed treatment to obtain a titanium sintered material.
前記混合する工程は、前記水素化チタン粉末および前記チタン粉末に加えて、酸化チタン粉末を加えて混合することを含む、請求項1に記載のチタン焼結素材の製造方法。 The method for producing a titanium sintered material according to claim 1, wherein the mixing step comprises adding and mixing titanium oxide powder in addition to the titanium hydride powder and the titanium powder. 前記チタン粉末は、チタンインゴットを水素化処理した後に解砕して脱水素化処理をした水素化・脱水素化チタン粉末である、請求項1または2に記載のチタン焼結素材の製造方法。 The method for producing a titanium sintered material according to claim 1 or 2, wherein the titanium powder is a hydrogenated / dehydrogenated titanium powder obtained by hydrogenating a titanium ingot and then crushing and dehydrogenating the titanium ingot. 前記チタン粉末は、アトマイズ法によって製造されたアトマイズ粉末である、請求項1または2に記載のチタン焼結素材の製造方法。 The method for producing a titanium sintered material according to claim 1 or 2, wherein the titanium powder is an atomized powder produced by an atomizing method. 前記チタン焼結素材の密度が95%以上97.5%以下である、請求項1〜4のいずれかに記載のチタン焼結素材の製造方法。 The method for producing a titanium sintered material according to any one of claims 1 to 4, wherein the density of the titanium sintered material is 95% or more and 97.5% or less. 前記チタン焼結素材に対して熱間塑性加工を施す工程をさらに備える、請求項1〜5のいずれかに記載のチタン焼結素材の製造方法。 The method for producing a titanium sintered material according to any one of claims 1 to 5, further comprising a step of performing hot plastic working on the titanium sintered material. 前記熱間塑性加工後のチタン焼結素材は、その硬度(HV)が250以上362以下、最大引張強さ(UTS)が580MPa以上923MPa以下、伸び(ε)が18%以上28.8%以下である、請求項6に記載のチタン焼結素材の製造方法。 The titanium sintered material after hot plastic working has a hardness (HV) of 250 or more and 362 or less , a maximum tensile strength (UTS) of 580 MPa or more and 923 MPa or less, and an elongation (ε) of 18% or more and 28.8% or less. The method for producing a titanium sintered material according to claim 6. 組成がTi−6Al−4Vであり、1.318μm〜10μm以下の粒度の範囲に65重量%以上を含み、平均粒度が10μm以下である水素化処理された水素化64チタン合金粉末と、10μm以上45μm以下の粒度の範囲に85重量%以上を含み、平均粒度が20μm以上である純チタン粉末とを準備する工程と、
前記水素化64チタン合金粉末の量が、全体に対して重量基準で、5%以上55%以下となるように配合して前記水素化64チタン合金粉末と前記純チタン粉末とを混合する工程と、
前記混合処理された混合粉末を焼結してチタン合金焼結素材を得る工程とを備える、チタン合金焼結素材の製造方法。
Hydrogenated 64 titanium alloy powder having a composition of Ti-6Al-4V, containing 65% by weight or more in a particle size range of 1.318 μm to 10 μm or less, and having an average particle size of 10 μm or less, and 10 μm or more. A step of preparing a pure titanium powder containing 85% by weight or more in a particle size range of 45 μm or less and having an average particle size of 20 μm or more.
A step of mixing the hydrogenated 64 titanium alloy powder and the pure titanium powder by blending so that the amount of the hydrogenated 64 titanium alloy powder is 5% or more and 55% or less based on the weight of the whole. ,
A method for producing a titanium alloy sintered material, comprising a step of sintering the mixed powder that has been subjected to the mixed treatment to obtain a titanium alloy sintered material.
前記チタン合金焼結素材の密度が95%以上98.5%以下である、請求項8に記載のチタン合金焼結素材の製造方法。 The method for producing a titanium alloy sintered material according to claim 8, wherein the density of the titanium alloy sintered material is 95% or more and 98.5% or less. 前記チタン合金焼結素材に対して熱間塑性加工を施す工程をさらに備え、
前記熱間塑性加工後のチタン合金焼結素材は、その硬度(Hv)が250以上441以下、最大引張強度(UTS)が620MPa以上1222MPa以下、伸び(ε)が14%以上31.7%以下である、請求項9に記載のチタン合金焼結素材の製造方法。
Further provided with a step of performing hot plastic working on the titanium alloy sintered material,
The titanium alloy sintered material after hot plastic processing has a hardness (Hv) of 250 or more and 441 or less , a maximum tensile strength (UTS) of 620 MPa or more and 1222 MPa or less, and an elongation (ε) of 14% or more and 31.7% or less. The method for producing a titanium alloy sintered material according to claim 9.
1.318μm〜10μm以下の粒度の範囲に65重量%以上を含み、平均粒度が10μm以下であり、組成がTi−6Al−4Vである水素化処理された水素化64チタン合金粉末と、10μm以上45μm以下の粒度の範囲に60重量%以上を含み、平均粒度が20μm以上であり、組成がTi−6Al−4Vであるチタン合金粉末とを準備する工程と、
前記水素化64チタン合金粉末の量が、全体に対して重量基準で、15%以上75%以下となるように配合して前記水素化64チタン合金粉末と前記チタン合金粉末とを混合する工程と、
前記混合処理された混合粉末を焼結したチタン合金焼結素材を得る工程とを備える、チタン合金焼結素材の製造方法。
Hydrogenated 64 titanium alloy powder having a particle size of 1.318 μm to 10 μm or less, containing 65% by weight or more, an average particle size of 10 μm or less, and a composition of Ti-6Al-4V, and 10 μm or more. A step of preparing a titanium alloy powder containing 60% by weight or more in a particle size range of 45 μm or less, an average particle size of 20 μm or more, and a composition of Ti-6Al-4V.
A step of mixing the hydrogenated 64 titanium alloy powder and the titanium alloy powder by blending so that the amount of the hydrogenated 64 titanium alloy powder is 15% or more and 75% or less based on the weight of the whole. ,
A method for producing a titanium alloy sintered material, comprising a step of obtaining a titanium alloy sintered material obtained by sintering the mixed powder that has been mixed and treated.
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