JPH05105917A - チタン粉の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 脱水素処理工程における昇温速度と均熱性を
向上させて試料の焼結ならびに飛散現象を効果的に抑制
し、かつ脱水素時間を短縮化した工業的なチタン粉の製
造方法を提供する。 【構成】 水素化脱水素法によるチタン粉の製造プロセ
スにおいて、脱水素処理を中間原料となる水素化チタン
粉から発生する水素ガス又は水素ガスを含む不活性ガス
雰囲気中でおこなうことを特徴とする。好適な操作手段
は、容器に充填した水素化チタンを脱水素炉に装入して
直ちに真空引きし、その後に炉を昇温させて水素化チタ
ンから発生する水素ガス又は水素ガスを含むアルゴン雰
囲気下で脱水素を進行させ、原料温度が均一になったの
ちに炉内を真空雰囲気に切り換えることである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水素化脱水素法による
チタン粉の製造方法、詳しくは脱水素処理工程における
試料の飛散および焼結現象を抑制しながらチタン粉を効
率よく製造するための方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、チタン粉を製造する手段として
は、四塩化チタンを金属マグネシウムにより還元してス
ポンジチタン塊を生成させる過程で、スポンジチタン塊
を粉砕する際に発生する粉末を回収する方法、四塩化チ
タンを金属ナトリウムで還元してチタンを精錬する、い
わゆるハンター法によってチタン粉を得る方法が知られ
ている。このうち、前者の方法はチタン精錬工程（クロ
ール法）中で副次的に発生する粉を利用するものである
関係で生成量が制約されるうえ、酸素、窒素または鉄等
の不純物成分を多く含有する低品位にものしか得られな
い欠点がある。また、粉末粒度も60〜20メッシュ（粒径
250〜850 μm)程度と粗く、通常は花火や溶接棒の原料
といった用途にしか適用することができない。一方、後
者の方法は比較的安価にチタン粉を得ることができる
が、粉末中に多量のナトリウムおよび塩素成分が残留す
るため、高い機械的強度と信頼性が要求される自動車部
品等を対象とする粉末冶金原料に用いることは困難であ
る。また、微粉を得ることも難しく、45〜150 μm 程度
の粗目粒分が主体となる。

【０００３】これらの方法に対し、金属チタンの水素脆
性を利用してチタン原料を一旦水素化させたのち任意の
粒度に粉砕し、これを真空加熱により脱水素してチタン
粉に転化させる水素化脱水素法は、高性能な粉末冶金原
料に必要な極低塩素チタン粉を製造することができる。
すなわち、この方法では得られるチタン粉の品位は主に
原料の材質に依存することから、例えば予め溶解したイ
ンゴットの切粉やスクラップを原料とすることにより塩
素含有量が極めて低い高品位のチタン粉を得ることが可
能となる。このほか、水素化できる材質であれば比較的
安価に入手できるスクラップや圧延端材なども使用でき
るため、原料の選択範囲が著しく広くなる。また、粒度
調整も比較的容易で、例えば45μm 以下の微粉から250
μm 程度の粗粉に至る任意の粒度範囲を造り分けること
ができるなど、生産技術面における種々の利点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように水素化脱水
素化法によれば任意の粒度を有する高品位のチタン粉を
得ることができ、製造コストの低減化も図れる要素もあ
るが、次のようないくつかの問題点がある。まず第１
に、脱水素工程で粉末の焼結が進行するため再度の煩雑
な解砕・篩別処理が必要になることである。第２に、脱
水素原料として粉状体を用いるために熱伝導率が小さ
く、また脱水素反応が吸熱反応（約700Kcal/kg−水素化
チタン）である関係で試料自身の昇温速度が遅くなっ
て、脱水素化に長時間を要する。第３に、昇温中に原料
の部位によって大きな温度差が生じて昇温中に多量の水
素ガスが発生し、これに伴い原料粉の飛散が生じて収率
の低下、発熱体への固着、損傷などを招く。これらの現
象は、いずれも製品収率、工程管理、作業能率等に影響
を及ぼし、最終的に製品コストを高めるため、水素化脱
水素化法における大きな改良課題となっている。

【０００５】本発明は上記の課題を解決するために開発
されたもので、その目的は脱水素処理工程における昇温
速度と均熱性を向上させて試料の焼結ならびに飛散現象
を効果的に抑制し、かつ脱水素時間を短縮化した工業的
に優れるチタン粉の製造方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明によるチタン粉の製造方法は、水素化脱水素
法によるチタン粉の製造プロセスにおいて、脱水素処理
を中間原料となる水素化チタン粉から発生する水素ガス
雰囲気中でおこなうことを構成上の特徴とするものであ
る。

【０００７】本発明の原料としては、スポンジチタン
粉、インゴットの切削屑、スクラップ材、圧延端材など
を適用することができる。これら原料は、真空置換可能
な水素化炉内に装入し、400 ℃以上の温度まで昇温させ
て水素ガスを系内に供給しながら水素化処理をおこな
う。

【０００８】水素化処理された原料は脆性化され、ハン
マー等による手粉砕によっても容易に粉末にすることが
可能であるが、工業的にはボールミルや振動ミルのよう
な粉砕装置を用いて機械的に粉砕することにより中間原
料としての水素化チタン粉を得る。

【０００９】ついで、水素化チタン粉を真空加熱型の脱
水素炉に移して加熱し、水素化チタンから発生する水素
ガス又は水素ガスを含む不活性ガス雰囲気下で脱水素処
理をおこなう。水素ガスは、熱伝導率が 360mW・m ^-1・
K ^-1（800K、１気圧）とかなり大きいため、昇温段階を
水素ガス又は水素ガスを含む不活性ガス雰囲気に保持す
ると試料の温度分布を向上させ、同時に昇温速度を加速
することが可能となる。また、脱水素の観点からみた場
合には炉内雰囲気は真空の方が脱水素化には有利である
が、水素の解離圧力は相当に高いため、水素ガス雰囲気
中（例えば大気圧状態）に所定時間保持して相当量の脱
水素化を達成し、原料温度が均一となったのちに真空雰
囲気に切り換えて脱水素を継続することにより目標とす
る残留水素量のチタン粉に転化させることができる。

【００１０】このため、操作手段としては容器に充填し
た水素化チタン粉を脱水素炉に装入して直ちに真空引き
を開始し、その後に炉を昇温させて中間原料となる水素
化チタンから発生する水素ガス又は水素ガスを含む不活
性ガス雰囲気下で脱水素を進行させ、原料温度がほぼ均
一な状態になったことを確認したのち炉内を真空雰囲気
に切り換えて処理を終了させるプロセスを採ることが好
適である。なお、脱水素処理を効率的かつ均等におこな
うためには、試料を皿状の容器に一定厚さになるように
充填し、この皿を多段に積み重ねて脱水素炉に装入する
方式を採ることが好ましい。

【００１１】脱水素処理後のチタンは焼結しているが、
真空雰囲気のみで脱水素したものと比較すると粉砕が容
易である。したがって、例えばハンマーミルのような汎
用の粉砕装置を用いて粉砕することにより高収率で目的
とする粒度範囲のチタン粉を製造できる。

【００１２】

【作用】水素化チタンの脱水素条件は、水素平衡状態図
〔 J.L.Murray 著 ^Phase Dia-grams of Binary Titani
um Alloys" ASM(1987), P 124 , Fig.2 参照〕が示すと
おり高温になるほど水素分圧が高くなるから、脱水素の
処理時間を短縮するためには可及的に高温度で脱水素化
することが重要な条件となる。したがって、工業的な処
理温度は 500〜900 ℃の範囲が好適とされている。とこ
ろが、従来技術による真空雰囲気下での脱水素処理によ
る場合には、発熱体からの熱の移動が主に輻射と伝導を
介しておこなわれ、対流による伝熱はない。そのうえ、
脱水素化試料が粉状体であるため熱伝導率が小さく、ま
た脱水素反応は多量の吸熱を伴う関係で、原料粉の各部
位における実際温度に大きな差が発生し、脱水素時間が
試料の実際温度の低い部位に支配されることから、上記
の温度範囲を適用しても脱水素に要する時間を効率よく
短縮化することが困難となる。

【００１３】更に、高温部では既に脱水素が終了してチ
タンとなっているにも拘らず低温部の脱水素終了時点ま
で処理が継続されるため、必要以上に焼結が進行する結
果を招いたり、昇温中における水素ガスの多量生成に伴
って粉末の激しい飛散が発生する等の現象を避けること
ができなかった。

【００１４】しかし、本発明のプロセスに従い脱水素処
理を水素化チタンから発生する水素ガス雰囲気中でおこ
なうと、水素ガスの有する優れた熱伝導性と対流による
伝熱効果により試料内部の温度が均熱化され、この作用
で過度の焼結や試料の飛散現象は効果的に抑制される。
同時に昇温速度が速まるため、脱水素時間を大幅に短縮
化することが可能となる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して説
明する。

【００１６】実施例 原料として純チタン（ＪＩＳ−１種相当、酸素量0.04wt
％) のインゴットを切削した厚さ約２mm、長さ約30mmの
切り粉を用い、これをステンレス製容器に200kg 装入し
たのち、加熱炉に収納して650 ℃まで真空雰囲気下で昇
温した。ついで、容器に水素ガスを供給して約１時間後
に容器系内が大気圧になるのを確認し、加熱炉を停止し
て水素ガスの供給を継続した。約30時間後には理論量相
当の水素が吸収されたので、そのまま水素ガス雰囲気中
で常温まで炉内を冷却した。処理後の原料は若干の焼結
はあったが、容器を傾けて棒で掻き出すことによって取
り出すことができた。水素化処理した原料をボールミル
で粉砕し、引き続き目開き150 μm の円型振動篩によっ
て篩別して、粒度150 μm 以下、見掛密度約1.5 g/cm³
の水素化チタン粉を得た。

【００１７】上記の水素化チタンを中間原料として容器
に入れ、モリブデン発熱体を備えた真空加熱炉にセット
して脱水素処理をおこなった。容器には直径350mm 、高
さ50mmのステンレス製皿状のものを用い、この容器に水
素化チタン粉を厚さ35mmになるように充填して６段に積
み重ねた。試料の実際温度を測定するため、最上段容器
の外周部上端（Ａ位置）と上部から３段目の容器の中央
部の粉厚18mmの位置（Ｂ位置）に温度計を埋め込んだ。
炉内は、真空置換後にアルゴンガス（１気圧）を封入し
て内圧が１気圧を越えたら真空ポンプが作動して系内を
自動的に１気圧に調整するように設定した。炉の加熱
は、加熱炉制御温度が400 ℃までは９分、400 ℃から80
0 ℃までは42分の速度で昇温し、最終的に800 ℃の温度
に保持した。

【００１８】その結果、800 ℃に到達した時間はＡ位置
で昇温開始後2.0時間、Ｂ位置では昇温開始後 5.4時間
であった。その後、真空ポンプ（油回転ポンプとメカニ
カルブースターポンプ）を用いて１時間真空引きをおこ
なったのち、アルゴンガスを封入してＢ位置の温度が50
℃以下になるまで冷却した。

【００１９】このようにして生成したチタンは容器内で
塊状に焼結しており、取り出しにはハンマーでまず解砕
する必要があったが、焼結の度合は容器の積段によって
相違は認められなかった。また、処理後の容器状態から
加熱時における粉の飛散現象は全くなかった。焼結した
チタン塊は、機械的粉砕により容易に所望の粉末粒度に
調整し得るものであり、残留水素量は0.01重量％以下で
あった。

【００２０】比較例 実施例と同一の条件で水素化チタン粉を皿状容器に充填
して６段に重ね、真空加熱炉にセットした。昇温中から
炉内を真空雰囲気に保持しながら脱水素処理をおこなっ
たところ、800 ℃まで到達するのに昇温開始後Ａ位置で
は 3.3時間、Ｂ位置では11.4時間を要した。その後、約
１時間に亘り真空ポンプにより脱水素をおこなった。

【００２１】取り出した試料は、中央部の容器を除いて
焼結が進行しており、粉砕には平均して実施例の約２倍
の時間を要した。また、最下段の容器で粉の飛散が認め
られ、クレーター状の孔が多数認められた。飛散粉はモ
リブデン発熱体やリフレクターにも固着しており、剥落
することは困難であった。固着した一部は合金化してお
り、再使用することは不可能であった。なお、得られた
チタン粉の残留水素量は0.01重量％以下であった。

【００２２】

【発明の効果】以上のとおり、本発明に従えば水素化脱
水素法における脱水素処理の工程が著しく改善され、処
理段階における粉末の焼結や飛散現象を効果的に抑制し
ながら短時間内に高品位のチタン粉を効率よく製造する
ことが可能となる。したがって、優れた機械的強度と信
頼性が要求される自動車部品等を対象とする粉末冶金用
チタン粉の工業的な製造技術として極めて有用である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素化脱水素法によるチタン粉の製造プ
   ロセスにおいて、脱水素処理を中間原料となる水素化チ
   タン粉から発生する水素ガス又は水素ガスを含んだ不活
   性ガス雰囲気中でおこなうことを特徴とするチタン粉の
   製造方法。
2. 【請求項２】 容器に充填した水素化チタンを脱水素炉
   に装入して直ちに真空引きを開始し、その後に炉を昇温
   させて中間原料となる水素化チタンから発生する水素ガ
   ス又は水素ガスを含むアルゴン雰囲気下で脱水素を進行
   させ、原料温度がほぼ均一になったことを確認したのち
   炉内を真空雰囲気に切り換える請求項１記載のチタン粉
   の製造方法。