JPH0421730A - 粉末焼結チタン及び粉末焼結チタン基合金の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は粉末焼結に関するものであって、特に耐摩耗性
に優れた粉末焼結チタン及び粉末焼結チタン基合金の製
造方法に関する。

〔従来の技術と課題〕

長年、粉末冶金者は類似した組成の鍛造合金の機械的特
性と類似するか又は同一な機械的特性を有し高度の焼結
密度を示すチタン粉末合金を製造するための種々の技術
を開発してきた。

この目的で、粉末合金の粒子間の空隙を最小にして焼結
密度を理論値に近づけるために、いろいろの冶金術が開
発されてきた。高密度にすることにより現れる効果には
鍛造合金と強度が殆と同一となり、同時に残った空隙に
より最終製品の切欠き感受性を最小に減少させることが
できる等か挙げられる。

公知の技術では熱間、冷間加工及び熱間静水圧プレス（
Ｈｏｔ　ｌ５ｏｓｔａｔｉｃ　Ｐｒｅｓｓを略して以下
ｒＨＩＰ」という）などの二次加工によって鍛造品の密
度と類似する密度を有する粉末金属製品を製造する方法
を例にとることができる。

しかし上記のプレス成形では十分な焼結密度が得られず
、ＨＩＰは製造単価が高くなるのて溶製材から製造され
る鍛造チタン基合金に対抗して競争できないことが多い
。

他の公知技術には液相か出現する温度で粉末を焼結し比
較的密度が高い粉末金属製品を製造する方法がある。上
記方法の分野で行われている最近の大部分の加工は液相
が存在する時間を瞬間的に達している。しかしながら液
相を利用する上記の方法にはいろいろの問題点、特に最
終製品に生じる低脆性にその欠点がある。すなわち、上
記方法には正確な焼結温度の制御か重要であるが、これ
は実際には非常に困難である。

また、チタンの粉末の粒度分布を調整して、粉体の充填
密度を上げることが考えられる。例えば、特開昭５６−
１２３３０１号公報にはチタン粉末か平均粒径４０〜１
７７μｍのものが高密度の最終製品を与えることが記載
されている。これ以外にも特開昭５１−４１６０６号公
報にはチタン又はチタン基合金組成の押圧成形体をＡｌ
ｚＯ＊又は炭素の粉末で包被し、真空中で加熱、焼結し
、表面硬化処理を行ったことが記載されているか、この
ような方法では製造工程が増え高価になるうえ表面処理
層が非常に薄く、剥げやすいなと長期間の耐摩耗性に乏
しいという問題がある。

従って、本発明の目的の一つは同一な組成の鍛造チタン
基合金の機械的特性と類似するか、同一なる機械的特性
を有する粉末焼結チタン及び粉末焼結チタン基合金を製
造できる方法を提供することであり、他の目的は単一プ
レス及び単一焼結工程で粉末より高密度の粉末焼結チタ
ン及び粉末焼結チタン基合金の製造できる方法を提供す
ることであり、本発明のもう一つの目的は機械的特性、
特に耐摩耗性に優れ、製造価格の安い粉末焼結チタン及
び粉末焼結チタン基合金の製造できる方法を提供しよう
とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による同一の化学組成を有する鍛造チタン及び鍛
造チタン基合金と類似した機械的特性を存し、理論値に
近い密度を有する粉末焼結チタン及び粉末焼結チタン基
合金の製造方法において、粉末焼結原料としてチタン粉
末を篩いわけにより、粒径４４μｍ　−１０５μｍの粒
度分布を中粒、４４μｍ以下の粒度分布のものを細粒と
して、中粒の割合が３０〜５０重量％になるように中粒
と細粒とを混合したチタン粉末を用いる。

前記チタン混合物をそのまま圧粉体に成形し、前記圧粉
体を液相か形成する温度未満で真空加熱炉で焼結するか
２つ以上の金属から成る予備合金であって、チタンと合
金可能な平均粒径０．５〜ｌＯμｍのマスターアロイと
前記調整した粉末チタンとを混合した粉末を圧粉体に成
形し、前記圧粉体を液相が形成する温度未満で真空加熱
炉で焼結することを特徴とする。

さらに、前記チタン粉末やチタン基合金粉末を圧粉体に
成形する前に平均粒径０．１μｍ〜１０μｍのカーボン
粉末を０．５〜ｌＯ重量％混合して粉末混合物とした後
、圧粉体に成形し、前記圧粉体を液相が形成する温度未
満で真空加熱炉で焼結することを特徴とする。

〔作　用〕

チタン粉末は化学的に純粋なチタンであることが望まし
いが、焼結後にチタンの化学的及び物理的特性を示すた
めにはチタン含有量が９９重量％以上でなければならな
い。チタン粉末の平均粒径は４４μｍ以上にしなければ
ならない。チタン粉末を篩い分けた４４〜１０５μｍの
粒度分布のもの３０〜５０重量％と４４μｍ以下の細粉
との混合物が圧粉体を成形し、その後焼結したときに高
密度焼結体を得ることができる。チタン粉末の平均粒径
が４４μｍ未満であるとチタン粉末の表面酸化による酸
素濃度が高くなり過ぎ、焼結製品の延性が低下する。一
方、１０５μｍを超えると酸素濃度が低くなり過ぎ、焼
結製品の強度が低下する。

また、混合調整したチタン粉末とマスターアロイとを混
合すると微細なマスク−アロイがチタン粒子の周囲に一
様に分布する。そしてこの混合物を圧粉体に形成し、焼
結すると粒子間の相互拡散速度が増大され、焼結体の空
隙の大きさと量が減少し、高密度焼結体となる。ここで
“マスターアロイ″とは予備合金された材料及びこのよ
うな粒子の混合物を含むものである。

本発明の粉末チタン基合金はマスターアロイとチタン粉
末を相互に混合した後、圧粉体を成形し、焼結工程中液
相が存在しないように焼結する。このため従来の粉末焼
結製品の密度より高い密度の製品を意味している。マス
ターアロイの化学組成はチタンと化学的に結合し、かつ
相互拡散速度は同程度でなければならない。マスターア
ロイの代表的な材料はアルミニウムーバナジウム合金、
アルミニウムーバナジウム−すす合金などが挙げられる
。本発明において、用いたマスターアロイはアルミニウ
ムーバナジウム合金で、平均粒径は１０μｍ以下、アル
ミニウム６０重量％−バナジウム４０重量％合金を使用
すると優れた結果を得ることができる。

本発明の粉末チタン基合金はマスターアロイチタン粉末
の重量配合比が５〜２０重量％、９５〜８０重量％であ
ることか望ましい。

本発明の圧粉工程は特別な工程は必要でなく理論値に近
い密度を育するように焼結できるとよいが、実際には圧
粉体の密度か理論値の約６５〜９０％に成形または圧粉
すればよい。成形圧は４〜７　ｔｏｎｆ／　ａｌどなる
ように行われる。成形圧が４ｔｏｎｆ／　ａｄ未満であ
ると焼結後の製品の密度か理論値に近くならず、所定の
機械的特性か得られない。成形圧か７　ｔｏｎｆ／　ａ
ｔを超えると成形体の抜き圧か大きくなり過ぎるので、
金量の摩耗が著しく大きくなる。

カーボン粉末の添加は焼結チタンの組織中にＴｉＣがで
きることにより耐摩耗性を向上させることにある。チタ
ン粉末に添加するカーボン粉末の平均粒径は０．１〜１
０μｍとされるが、粒径が１０μｍを超えると生成する
ＴｉＣが粗大化し、靭性が劣化するため耐摩耗性も低下
する。カーボン粉末の平均粒径が０．１μｍ未満になる
と焼結チタン中のＴｉＣが小さすぎて耐摩耗性の向上に
寄与することが少ない。

前記圧粉体の焼結は通常真空加熱炉で行われ、条件は炉
内圧カニ　Ｉ　Ｏ−”Ｔｏｒｒ以下、温度　１１５０°
Ｃ〜　１３００°Ｃであることが望ましい。

〔実施例〕

実施例１ 純チタン粉末を篩い分けた４４〜１０５μｍの粒度分布
のもの５０重量％と４４μｍ以下の細粉との混合物（平
均粒径５０μｍ）９０重量％と平均粒径８μｍのマスタ
ーアロイ（６０Ａ］４０Ｖ）１０重量％をＶ−ブレンダ
ーで混合した後、成形圧６　ｔｏｎｆ／　ａｔでプレス
成形し圧粉体とした。前記圧粉体を真空加熱炉を使って
真空度１×１０−３Ｔｏｒｒ、　　１２６０°Ｃ１４時
間でチタン焼結材を製造した。試験材の寸法は長さＸ輻
Ｘ厚さが１６ｗＸ１０ｍＸ３■である。前記試験材の耐
摩耗性を評価するためにアムスラー庫耗試験機による摩
耗試験を行った。アムスラー摩耗試験法の概略は第１図
（ａ）に示す共晶鋳鉄製のロータ（４０ｍｍΦＸ１０ｍ
ｍｔ）１２で試験材＋１上で回転させ試験材１１にでき
た摩耗痕跡の輻Ｗの大きさ（第１図（ｂ））で比較する
。試験条件はローターの回転速度］　００　ｒｐｍ　、
ロータ軸の軸荷重１００ｋｇ　（矢印方向）とした。試
験結果は未調整チタン粉末１０５μｍ以下１００％焼結
材の摩耗幅Ｗは６ｍｍで本発明によるチタン粉末焼結材
は５ｍｍと差がなかった。しかし、本発明によるチタン
粉末焼結材は引張強度が８６　ｋｇｆ／ｍｍ！から９０
　ｋｇｆ／ｍｍ’　ヘ、耐力が７７　ｋｇｆ／ｍｍ”か
ら８１ｋｇｆ／ｍｍ”　ヘ、絞りが９％から１８％へ、
伸びか７％から１０％へとそれぞれ向上した。

実施例２ 実施例１で使った純チタン粉末の調整混合物に平均粒径
５μｍのカーボン粉末を０から１２重量％まで添加量を
変化させＶ−ブレンダーで混合した後はそれぞれ成形圧
６　ｔｏｎｆ／　ａｌでプレス成形し圧粉体を造り、真
空加熱炉で焼結した。真空度を１×１０−Ｔｏｒｒとし
た以外は実施例１と同しである。試験材の耐摩耗試験は
比摩耗量で比較できる大越式摩耗試験機により行った。

この試験は円盤状ロータ（３０ｍｍΦｘ３ｍｍｔ）を試
験材の表面で回転させ摩耗によって円弧状の摩耗痕跡の
体積から比摩耗量を求めるものである。ロータの材質は
Ｓ　４５　Ｃの調質品とし、ロータ軸の軸荷重は１８ｋ
ｇ、ロータ円周の走向距離は２００ｍ、ロータの円周速
度は０．３８　ｍ／ｓｅｅである。

第２図は粉末焼結チタン（実線）の比摩耗量を示す。カ
ーボンの添加量が無い場合は１０ｍｍ”／ｋｇｆ程度で
あるか、カーボン添加量の増加とともに摩耗量は減少し
、極小値を経て増加に転する。粉末焼結チタン（実線）
の比摩耗量を鋳鉄ＦＣ３０程度の比摩耗量］　０　”ｍ
ｍ”／ｋｇｆ以下にするカーボン添加量は４〜８重量％
である。

実施例３ 実施例１で使った純チタン粉末の調整混合物９０重量％
に平均粒径８μｍのマスターアロイ（６〇八］−４０Ｖ
）１０重量％及び平均粒径５μｍのカーボン粉末を０か
ら１２重量％まで添加量を変化させＶ−ブレンダーで混
合した後は実施例２と同じである。

第２図は粉末焼結チタン基合金（点線）の比摩耗量を示
す。カーボンの添加量か無い場合は１０　”　ｍｍ”／
ｋｇｆであるか、カーボン添加量の１重量％で急激に摩
耗量は減少し、極小値を経て増加に転する。粉末焼結チ
タン基合金（点線）の比摩耗量を鋳鉄ＦＣ３０程度の比
摩耗量１０−７ｍｒｎ”／ｋｇｆ　Ｊ）下にするカーボ
ン添加量は０．５〜４重量％である。

実施例４ 純チタン粉末を篩い分け４４μｍ以下（細粒）、４４〜
１０５８ｍ中粒）、１０５〜１７７μｍ　（粗粒）、１
７７μｍ以下の４種の粒度のそれぞれ９０重量％と平均
粒径３．４μｍのマスターアロイ（６０Ａ＋−４０Ｖ）
１０重量％を混合し、■−ブレンダーで混合した後、成
形圧６ｔｏｎｆ／　ａｌでプレス成形し圧粉体とした。

前記圧粉体を真空加熱炉を使って真空度１　ｘ　１０−
”Ｔｏｒｒ、１２６０°Ｃ１４時間でチタン焼結材を製
造した。

前記粉末焼結チタン基合金の真密度比及び焼結体のボア
は第１表に示すとおりである。表中ボアの欄は焼結体の
断面を顕微鏡で観察し、Ｉ　ｍｍ’当たりのボアの数で
、ボアの大きさを２０μｍ以下と２０８ｍ超に分けた。

＊１ ２０μｍ以下 本２ ２０μ■超 細粒が多くなるとボアの数は増加するが、大きいボアの
数は減少する傾向がある。機械的特性、特に疲労強度は
大きいボアによる影響が強い。

大、小のボアがともに消滅することガ望ましいが、これ
らの粒度分布の範囲では難しいので、最終製品の真密度
が高い粒度範囲を探した結果、中粒が３０〜５０重量％
と細粒７０〜５０重量％のものが良好であることか分か
った（試験番号（５）と（６））。

実施例５ 実施例１で使った純チタン粉末の調整混合物（平均粒径
５０μｍ）９０重量％に平均粒径３．４μｍのマスター
アロイ（６０Ａ１−４０Ｖ）１０重量％を■−ブレンダ
ーで混合した後は実施例２と同しである（試験番号（１
））。

純チタン粉末を篩い分けた４４μｍ以下の細粉（平均粒
径３２μｍ）９０重量％と平均粒径３．４μｍのマスタ
ーアロイ（６０Ａｌ−４０Ｖ）１０重量％をＶ−ブレン
ダーで混合した後は実施例２と同しである（試験番号（
２））。

１０５μｍ〜１７７μｍの純チタン粉末の調整混合物（
平均粒径１２０μｍ）９０重量％に平均粒径３．４μｍ
のマスターアロイ（６０Ａ！−４０Ｖ）１０重量％をＶ
−ブレンダーで混合した後は一実施例２と同じである（
試験番号（３））。

これらの粉末焼結製品の真密度、引張強度、耐力、疲労
試験、伸び及び絞りの機械的特性をＴｉ−６ＡＩ−４Ｖ
合金に関する米国ＭＩＬ規格と比較した。第２表は比較
結果である。

純チタン粉末の粒径が４４μｍ〜１０５μｍを外れた例
、試験番号（２）では延性を示す伸びと絞りが低下し、
平均粒径１２０μｍのものは機械的特性がＭＩＬ規格に
比較して低下している。

〔発明の効果〕

本発明の効果は上述した実施例より明らかになった。従
来技術で得られない機械的特性の優れた鍛造品に匹敵す
る高い焼結密度の焼結体か得られることが分かった。す
なわち、本発明によって製造された製品は比較的高い酸
素の存在により機械的強度を維持しつつ延性にも影響を
受けない。

【図面の簡単な説明】

第１図はアムスラー磨耗試験法の概略を示す説明図、第
２図は焼結チタン及び焼結チタン合金の耐磨耗性（比磨
耗量）と炭素添加量との関係を示すグラフである。 １１・試験材、１２・・ロータ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）同一の化学組成を有する鍛造チタンと類似した機
   械的特性を有し、理論値に近い密度を有する粉末焼結チ
   タンの製造方法において、 チタン粉末を篩いわけにより、粒径４４μｍ〜１０５μ
   ｍの粒度分布を中粒、４４μｍ以下の粒度分布のものを
   細粒として、中粒の割合か３０〜５０重量％になるよう
   に中粒と細粒とを混合したチタン粉末を粉末焼結チタン
   用のチタン原料とし、前記混合調整したチタン粉末をそ
   のまま圧粉体に成形し、前記圧粉体を液相が形成する温
   度未満で真空加熱炉で焼結することを特徴とする粉末焼
   結チタンの製造方法。
2. （２）同一の化学組成を有する鍛造チタン基合金と類似
   した機械的特性を有し、理論値に近い密度を有する粉末
   焼結チタン基合金の製造方法において、 ２つ以上の金属から成る予備合金であって、チタンと合
   金可能な平均粒径０．５〜１０μｍのマスターアロイと
   請求項１で混合調整した粉末チタンとを混合した後圧粉
   体に成形し、前記圧粉体を液相が形成する温度未満で真
   空加熱炉で焼結することを特徴とする粉末焼結チタン基
   合金の製造方法。
3. （３）前記混合調整したチタン粉末や混合調整したチタ
   ン基合金粉末を成形体に成形する前に平均粒径０．１μ
   ｍ〜１０μｍのカーボン粉末を０．５〜１０重量％添加
   し、粉末混合し、圧粉体に成形後焼結することを特徴と
   する請求項１及び請求項２の粉末焼結チタン及び粉末焼
   結チタン基合金の製造方法。
4. （４）前記マスターアロイがアルミニウム６０重量％バ
   ナジウム４０重量％とからなることを特徴とする請求項
   ２及び請求項３の粉末焼結チタン基合金の製造方法。
5. （５）前記チタン粉末粒子がチタンを９９重量％以上含
   むことを特徴とする請求項１と請求項２及び請求項３の
   粉末焼結チタン及び粉末焼結チタン基合金の製造方法。