JP7026543B2 - 低塩素濃度チタン粉、チタン合金粉、およびそれらの製造方法 - Google Patents
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Description
スポンジチタンは工業的にはクロール法で製造されている。クロール法とは、チタン鉱石を塩素化して得られる四塩化チタン(TiCl4)をマグネシウム(Mg)で還元して金属チタンを得る方法である。
スポンジチタンを融解凝固させることで、チタンインゴットを製造する方法を説明する。スポンジチタンを融解凝固させる方法としては、EB法やVAR法などが知られている。
チタン粉の製造方法は、アトマイズ法とHDH法に大別される。アトマイズ法では、チタン原料を溶融させた後、Arガス中で液状化したチタンを細かい液状の粒にすると同時に、急冷し、固化させることでチタン粉を製造する。
HDH法とは、チタン原料を一旦水素化し、脆いTiH2を形成した後、粉砕後脱水素してチタン粉を得る方法であり、水素化~粉砕~脱水素~解砕の工程によりチタン粉を製造する方法である。
本発明者は、HDH法の各製造工程における条件を塩素濃度の観点から詳細に研究調査し、いかに内部に閉じ込められたMgCl2(内部MgCl2)を低減させることができるかを調べた。HDH法では、各製造工程中でチタンが溶融され液化されることが無ければ、製造工程中に原料のチタンに含有されていた塩素が気化することで雰囲気中にMgCl2が混入し,そのMgCl2が水素化チタンの塊状体に巻き込まれて塩素残存の原因となることはない。HDH法での熱処理は、水素化と脱水素化の2工程であることから、いずれも融点以下で行えばよいことになる。ただし、一般的にチタン材を入れる容器としてはステンレス鋼が使用されることから、ステンレス鋼に含まれる鉄とチタンとが接触して、両者の温度が、鉄とチタンとの共晶温度以上になるとチタンが液体となり、上記目的にそぐわなくなる。その為、本発明者は、塩素の残存を防ぐためにはチタンを鉄とチタンとの共晶温度以下で制御し、チタンの液化を防ぐ必要があることを見出し、上限温度を制御することが本発明の重要な構成要素になる。
チタン原料の全MgCl2濃度を1.0mass%以下に抑え、さらにはチタン原料内部に閉じ込められたMgCl2濃度(内部MgCl2濃度)を0.1mass%以下に抑える方法としては、コストはかかるものの事前にスポンジチタンをさらに細かくし、再度、真空中で熱処理する方法や、一部もしくは全体を溶融しMgCl2を飛ばすことなどの前処理も有効である。
内部MgCl2の濃度の測定方法を説明する。まず、対象とするチタン原料を減圧下(50pa以下)にて、約750℃×1時間の熱処理することにより表面のMgCl2を飛ばした後、本材料の塩素濃度を測定し、その塩素濃度の値よりMgCl2濃度に換算し、これをチタン原料の内部に閉じ込められ存在するMgCl2濃度(内部MgCl2濃度)とすることで算出し、これを本発明における内部MgCl2濃度とする。
本発明では、EB法やVAR法で加工されたチタンインゴットを切削したチタン片(切削片)をチタン原料として用いることとした。スポンジチタンのみを用いる場合に比べて残存しているチタン原料内部にあるMgCl2(内部MgCl2)を低減させることができる。本発明でチタンインゴットの切削片とは、スポンジチタンを融解凝固させて得られるチタンインゴットを切削して得られるもののことである。また、チタンインゴットを鍛造、圧延等の加工を行って得られるインゴット加工品を切削または切断して得られる加工片も本発明のチタンインゴットの切削片に含まれる。
本発明のチタン粉の製造方法では、チタンインゴットの切削片を原料として用いることを特徴とするものである。しかし、要求される塩素濃度低減に応じて、原料の全部がチタンインゴットの切削片である必要はなく、従来から使用されているスポンジチタンとチタンインゴットの切削片とを混合させたものを原料として用いる。
本発明のチタン粉の製造方法で原料として用いるチタンインゴットの切削片の厚みは、10mm以下である必要がある。HDH法によるチタン粉製造工程においては、水素化の工程があり、その際に、チタンインゴットの切削片の厚みは、10mm超であると、HDH法の工程中に,チタンインゴットの切削片の内部が充分に水素化(つまり、水素脆化)されないことにより、HDH法の工程中に原料のチタンに亀裂が生じず、チタンの中に存在する塩素を蒸発によりチタンから取り除く効果が低くなるという問題が生じるためである。
チタンインゴットの切削片の水素化工程において、チタンインゴットの切削片の嵩密度を0.2g/cm3以上4.0g/cm3以下とすることが好ましい。
本発明のチタンインゴットの切削片は、その表面と裏面とでは表面粗さが異なる。チタン粉の製造方法で原料として用いるチタンインゴットの切削片の一方の表面の表面粗さ(Ra1)が他方の表面の表面粗さ(Ra2)よりも小さいことが好ましい。チタンインゴットの切削片のその表面と裏面とでは表面粗さが異なることで、HDH法の工程中に切削片の内部に存在するMgCl2(内部MgCl2)が膨張し、チタンに亀裂を生じさせやすくなるためである。つまり、表面粗さがより大きい面は表面粗さがより小さい面よりも水素化により水素脆化され、MgCl2(内部MgCl2)が膨張したときの圧力が表面粗さがより大きい面のほうに集中し、チタンに亀裂を生じやすくなるためである。
水素化されたチタンを解砕し細かくすることで、残存している内部にあるMgCl2(内部MgCl2)を表面から外部に放出できる確率をさらに高めることができ、その確率は、水素化チタンの粒径を細かくすれば高くなるが、工業的にはコストおよび時間の制限があることから、300μm以下、好ましくは150μm以下であればよい。ここで、HDH法で製造され解砕された水素化チタン粉の粒径は分布を持っており、全水素化チタン粒径の95%以上が上記値以下であればよい。
チタン粉中の塩素濃度は硝酸銀滴定法(JIS H 1615)という分析方法で分析する。
スポンジチタンをVAR溶解して得られたチタンインゴットから切削した切削片を原料として用いた。チタンインゴットの切削片の最大厚みは8mm以下のものを使用した。
原料として実施例1で用いた切削片とスポンジチタンとを混合させた原料を用いた他は実施例1と同様の条件でチタン粉を製造した。スポンジチタンの最大厚みは1/2インチ以下のものを使用した。原料全体に対する切削粉の混合割合は80質量%とした。得られたチタン粉の塩素濃度を硝酸銀滴定法で測定した結果、塩素濃度は0.002%(20ppm)であった。
原料として実施例1で用いた切削片とスポンジチタンとを混合させた原料を用いた他は実施例1と同様の条件でチタン粉を製造した。原料全体に対する切削粉の混合割合は40質量%とした。得られたチタン粉の塩素濃度を硝酸銀滴定法で測定した結果、塩素濃度は0.004%(40ppm)であった。
原料として実施例1で用いた切削片とスポンジチタンとを混合させた原料を用いた他は実施例1と同様の条件でチタン粉を製造した。原料全体に対する切削粉の混合割合は20質量%とした。得られたチタン粉の塩素濃度を硝酸銀滴定法で測定した結果、塩素濃度は0.006%(60ppm)であった。
原料としてスポンジチタンを用いた以外は、実施例1と同様の条件でチタン粉を製造した。得られたチタン粉の塩素濃度を測定したところ、0.007%(70ppm)であった。チタン原料がスポンジチタンであり、塩素濃度が高かったことが原因と考えられる。
原料の切削片の厚みが11mmであること以外は、実施例1と同様の条件でチタン粉を製造した。粉砕ができなかった。切削片の厚みが厚すぎたためと考えられる。
水素化時の嵩密度をプレス機を用いる事で4.1g/cm3としたこと以外は、実施例1と同様の条件でチタン粉を製造した。充分に水素化できず粉砕できなかった。嵩密度が高すぎるため充分に水素化ができたかったためと考えられる。
Claims (5)
- 水素化脱水素法によるチタン粉末の製造方法であって、
スポンジチタンを融解凝固させたチタンインゴットの切削片であって、かつ、厚みが10mm以下で嵩密度が0.2g/cm 3 以上4.0g/cm 3 以下の前記チタンインゴットの切削片を40質量%以上と、厚みが20mm以下の前記スポンジチタンと、を含有するチタン原料を使用し、
716℃以上1050℃以下の範囲で90分以上保持する水素化工程を含む、
ことを特徴とするチタン粉末の製造方法。 - 前記チタンインゴットの切削片の一方の表面の表面粗さRa1が他方の表面の表面粗さRa2よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載のチタン粉末の製造方法。
- 前記Ra2が10μm以上1mm以下であることを特徴とする請求項2に記載のチタン粉末の製造方法。
- 前記チタン粉末の塩素濃度が20ppm以下であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載のチタン粉末の製造方法。
- 前記スポンジチタンの内部MgCl 2 量が0.1mass%以下であることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載のチタン粉末の製造方法。
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