JPH05239570A

JPH05239570A - 焼結チタン合金の製造方法

Info

Publication number: JPH05239570A
Application number: JP4002393A
Authority: JP
Inventors: Hideki Fujii; 秀樹藤井; Kazuhiro Takahashi; 一浩高橋; Tatsuo Yamazaki; 達夫山崎
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-01-09
Filing date: 1992-01-09
Publication date: 1993-09-17

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、本来の合金の特性を損なわず、途
中で液相を生ぜさせず、従来よりも低温あるいは短時間
で焼結が可能な、焼結チタン合金の製造方法を提供す
る。【構成】Ｔｉ粉末とＡｌ，Ｖの合金元素粉末または母
合金粉末に、Ｆｅ粉、Ｃｏ粉、またはＴｉとＦｅ，Ｃ
ｏ，Ｎｉの金属間化合物粉を、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの総量
が０．３重量％以上、１．５重量％以下となるように混
合し、容器へ充填し成形し、真空中で１００℃／分以下
の昇温速度で１０００℃以上１３５０℃以下の温度域へ
加熱し、３０分以上５時間以下保持する。あるいはさら
にＨＩＰ処理を行う。【効果】液相を生ぜず、低温あるいは短時間の焼結が
可能となり、エネルギー節減および炉の保全が達成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、粉末冶金法による焼結
チタン合金の製造方法に関する。さらに詳しくは、素粉
末混合法による焼結チタン合金の製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】粉末冶金法は、材料を最終形状に近い形
状にまで造形できるから、加工性や成型性或は被削性に
乏しいチタン合金等の製品を得るための製造法として適
している。わけても、Ｔｉ粉末と合金元素粉末或は母合
金元素粉末を混合して容器に充填し、これを成型して圧
粉体とした後、真空中で焼結と合金化熱処理を同時に行
う素粉末混合法は、焼結前に軟質のチタン粉末が大部分
を占める処から良好な成型性を有しており、室温におい
て精密な形状の圧粉体とすることができるという利点を
もっている。

【０００３】しかしながら、このような素粉末混合法に
よるチタン合金の製造コストは必ずしも安価ではなく、
コストの低減が要請されている。素粉末混合法によるチ
タン合金の製造コストを高くしている原因の１つは、焼
結および合金化を十分に行うためには、１１００〜１５
００℃の高温度域で２〜８時間といった長時間焼結する
ことを必要とすることである。特に、Ｔｉ−６Ａｌ−４
Ｖ合金のようなＡｌとＶを主要合金成分とするチタン合
金においては、Ｖの拡散が極端に遅いから高温、長時間
の焼結が不可欠であった。このような高温、長時間の焼
結は、エネルギー消費量を大ならしめて製造コストを高
くするのみならず、焼結炉の保全という観点からも望ま
しいものではなかった。

【０００４】ＡｌやＶを含まない合金では、高温域での
焼結を避け低温域でも焼結を可能ならしめるための手段
として、たとえば特開昭６０−２２１５３９号公報に開
示されているように、Ｔｉと低融点の合金相をつくるＦ
ｅ，Ｎｉ，Ｃｏ等をチタン粉末に添加し焼結時に液相を
生成させる液相焼結法によって低温域での焼結を可能な
らしめる方法が知られている。このような焼結法は、前
記公報にも記載されているように、Ｆｅ≧２重量％、Ｃ
ｏ≧５重量％、Ｎｉ≧５重量％の添加を必要とする。こ
のような多量の合金元素の添加は、ＡｌやＶを含む合金
においては、本来、合金が有している優れた諸特性を大
幅に変化させて好ましくない。また、焼結に際して液相
が生成すると、Ａｌ等蒸発し易い元素が多量に蒸発し、
成分組成の制御が困難となるのみならず、焼結炉の保全
という観点からも問題がある。

【０００５】一方、「粉体粉末冶金協会，春季講演大会
講演概要集」（昭和５９年発行）の第５２頁に記載され
ているように、液相を生じない程度の比較的少量のＣ
ｏ，Ｎｉ，Ｆｅをチタン粉末に混合すると、チタン粉末
自体の焼結特性の向上には少し有効であるけれども、Ａ
ｌやＶを含む合金では、ＡｌやＶの拡散をも加速させな
ければ焼結特性の向上にはならない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、焼結チタン
合金が本来有する特性を損なうことなく、また製造過程
において液相を生ぜしめることなく、従来のプロセスに
おけるよりも低い温度で或は、短い時間での焼結を可能
ならしめエネルギー消費量を節減するとともに焼結炉の
保全という観点からも好ましい焼結チタン合金の製造方
法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、Ｔｉ，Ａｌ，Ｖおよび不純物からなるチタ
ン合金を素粉末混合法によって製造するに際して、Ｔｉ
粉末と合金元素粉末或は母合金粉末を混合する過程で該
粉末に加えてＦｅ粉、Ｃｏ粉、ＦｅとＴｉの金属間化合
物粉、ＣｏとＴｉの金属間化合物粉、ＮｉとＴｉの金属
間化合物粉の中から１種以上をＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉの含有
量の総量が０．３重量％以上、１．５重量％以下となる
ように混合し、次いで、容器へ充填し成形しさらに、真
空中、１００℃／分以下の昇温速度で１０００℃以上、
１３５０℃以下の温度域に加熱し、３０分間以上、５時
間以下保持することを特徴とする焼結チタン合金の製造
方法であり、また上記処理後、熱間静水圧成形（ＨＩ
Ｐ）処理を施すことを特徴とする焼結チタン合金の製造
方法である。

【０００８】以下、本発明を詳細に説明する。発明者等
は、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅをチタン合金に少量添加した場合
のＴｉの拡散に関して研究を重ねた結果、Ｃｏ，Ｎｉ，
Ｆｅを総量で０．３重量％以上添加すると、Ｔｉのみな
らずＡｌやＶの拡散をも加速する原子空孔濃度を著しく
高め得ることを新たに見出した。本発明は、この知見に
基づいてこれらＣｏ，Ｎｉ，Ｆｅの添加方法および焼結
時の加熱速度を工夫することによって、発明における技
術的課題を解決するものである。

【０００９】本発明において、Ｔｉ，Ａｌ，Ｖおよび不
純物からなるチタン合金とは、たとえばＴｉ−３Ａｌ−
２．５Ｖ合金、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等の合金であって
０．３mass％未満のＦｅ，Ｏ，Ｎ，Ｃ，Ｈといった不純
物を不可避的に含む合金をいう。このようなチタン合金
を素粉末混合法によって製造するに際しては、Ａｌ，Ｖ
は、Ａｌ−Ｖ母合金粉末を混合することによって添加し
てもよいし、Ａｌ粉末およびＶ粉末を混合するようにし
てもよい。また、ＴｉおよびＡｌの金属間化合物粉末を
混合することによって添加することも可能である。さら
に、ＨＩＰとは、熱間静水圧成形をいう。また、Ｆｅと
Ｔｉの金属間化合物とは、ＦｅＴｉ，Ｆｅ₂Ｔｉを指
し、ＣｏとＴｉの金属間化合物とは、ＣｏＴｉ，Ｔｉ₂
Ｃｏ，Ｃｏ₃Ｔｉを指し、ＮｉとＴｉの金属間化合物と
は、ＮｉＴｉ，Ｔｉ₂Ｎｉ，Ｎｉ₃Ｔｉを指す。

【００１０】以下に、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明の主要なポイントは、２つある。すなわち第１の
ポイントは、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅの添加によって原子空孔
濃度を高くし、Ｔｉ，Ａｌ，Ｖの拡散速度を加速するこ
とである。また第２のポイントは、焼結時に液相を生ぜ
しめないことである。

【００１１】第１のポイントを達成するためには、Ｃ
ｏ，Ｎｉ，Ｆｅを総量で０．３重量％以上添加すること
が重要である。しかし、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅの総量が１．
５重量％を超えると、チタン合金の延性が低下するなど
本来チタン合金が有する優れた特性を損なうという問題
を生じる。このチタン合金の延性の低下は、焼結後の熱
処理によってある程度回復させることができるけれど
も、製造コストを上昇させるから好ましくない。従っ
て、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅの総量は、０．３重量％以上、
１．５重量％以下でなければならい。

【００１２】第２のポイントを達成するためには、混合
する粉末の種類を限定することおよび焼結時の加熱速度
を限定することが重要である。チタン合金にＣｏ，Ｎ
ｉ，Ｆｅを添加する目的で混合する粉末の種類として
は、Ｆｅ粉、Ｃｏ粉、Ｎｉ粉のほか、ＦｅＴｉ粉、Ｆｅ
₂Ｔｉ粉、ＣｏＴｉ粉、Ｔｉ₂Ｃｏ粉、Ｃｏ₃Ｔｉ粉、
ＮｉＴｉ粉、Ｔｉ₂Ｎｉ粉、Ｎｉ₃Ｔｉ等のＴｉとの金
属間化合物粉末を挙げることができる。これらの粉末の
うち、Ｎｉ粉は焼結時にＴｉと反応しＴｉＮｉを生成す
るが、その際、著しい発熱を伴い局所的に高温となった
部分で液相を生じる問題がある。他の粉末においても、
混合した粉末自体の融点が低かったり或は融点の低い合
金相を形成するものがあるけれども、焼結時の昇温速度
を１００℃／分以下に限定すると、昇温途中でＦｅ，Ｎ
ｉ，ＣｏがＴｉ粉末中に十分拡散し、液相の生成を防止
し得る。

【００１３】次に、本発明のプロセス条件の限定理由を
説明する。本発明において焼結を１０００℃以上、１３
５０℃以下の温度域で行うようにしたのは、次の理由に
よる。即ち、１０００℃に満たない温度では、Ｔｉ，Ａ
ｌ，Ｖの拡散速度が十分でなく、実用的な時間で十分な
焼結を遂行することができない。一方、焼結温度が１３
５０℃を超えると、エネルギー消費量が増大するのみな
らず、焼結炉の寿命を短くする。また、コスト上昇に見
合うだけの焼結時間の短縮にならない。焼結過程におけ
る保持時間を３０分間以上、５時間以下としたのは、３
０分間に満たない保持時間では、Ｔｉ，Ａｌ，Ｖの拡散
速度が高められている状態下といえども、焼結が十分に
遂行されない。一方、保持時間が５時間を超えると、エ
ネルギー消費量が増大するのみならず、それに見合う効
果が得られない。

【００１４】第２の発明においては、焼結後チタン合金
をＨＩＰ処理するようにしている。これは、焼結後、な
お残存している少量の空隙を潰し、より完全な材料を得
るためである。焼結チタン合金にＨＩＰ処理を施すに際
しては、８００〜１０００℃の温度域で、８０〜２００
MPa の圧力で１０分間〜４時間で成形するのが好まし
い。勿論、この条件外でのＨＩＰ処理も可能であり、本
発明において適用することができる。

【００１５】

【実施例】先ずＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ（Ａｌ：６重量％、
Ｖ：４重量％、残部：実質的にＴｉ、少量の不純物を含
む）に対して本発明を適用した場合を例に説明する。チ
タン粉末は、平均粒径７５μｍ、最大粒径１５０μｍの
チタン粉末を使用し、ＡｌおよびＶは、平均粒径４５μ
ｍ、最大粒径７５μｍのＡｌＶ母合金（Ａｌ６０％、Ｖ
４０％）を混合することにより添加した。また、Ｆｅ，
Ｃｏ，Ｎｉの添加は、平均粒径５μｍ、最大粒径１０μ
ｍのＦｅ粉、Ｃｏ粉、Ｎｉ粉あるいはＦｅＴｉ，ＮｉＴ
ｉ，ＣｏＴｉなどのＴｉとＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏの金属間化
合物粉末を用いて行った。成形は、ＣＩＰ（冷間静水圧
成形）によって行い、このとき圧力は４９０MPa であっ
た。

【００１６】表１は、種々の粉末混合体を、１２００℃
で真空焼結した場合に、９５％以上の相対密度を得るに
必要な焼結時間を示した表である。また表２は、表１に
示した試験片のいくつかに対して、９００℃，１２０MP
a の条件でＨＩＰ処理を行い、引張試験に供した結果で
あり、本発明の請求項２に対する実施例ならびに比較例
である。ここで、相対密度とは、同じ組成の合金を溶解
法により製造した場合に得られる試料の密度を１００％
とした場合の密度であり、粉末冶金法では経験的に、９
５％以上の相対密度を有する焼結体は、その後ＨＩＰ処
理を施すことにより１００％の相対密度に到達すること
が知られている。

【００１７】

【表１】

【００１８】

【表２】

【００１９】表１において、試験番号１は従来法であ
り、Ｆｅは不純物元素として０．２重量％以下しか含ま
れていない。この場合１２００℃での焼結において９５
％以上の相対密度を得るには５時間の焼結時間を要す
る。一方、本発明の実施例である、試験番号３，４，
５，７，９，１０，１１，１２，１４，１５，１６で
は、いずれも９５％以上の相対密度を得るに要す焼結時
間は２時間未満であり、大幅な焼結時間短縮が達成され
ている。またこれらの試料のいくつか（試験番号４，
５，７，９，１０，１１，１２，１６）に対してＨＩＰ
処理を行った後引張試験を行うと、表２に示すように、
従来法（試験番号１）と比較するといずれも良好な伸び
値を保ったまま、引張強さは上昇しており、材質特性に
悪い影響はない。これは、総量で０．３重量％以上１．
５重量％以下のＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏを、適切な粉末を選択
して添加し、さらに、毎分１００℃以下の適切な加熱速
度で焼結温度まで加熱した結果、有害な液相を生じた
り、過剰合金元素添加による延性低下を生ずることな
く、原子空孔濃度が高くなり、Ｔｉ，Ａｌ，Ｖの拡散が
加速され、本発明の効果が十分に達成されたためであ
る。

【００２０】一方、本発明の比較例である、試験番号２
では、表１に示すように、９５％以上の相対密度を得る
に要す時間が４時間３０分であり、従来法と比較して、
焼結時間の短縮効果はきわめて小さい。これはＣｏ，Ｎ
ｉ，Ｆｅの添加量が、Ｔｉの拡散を加速し焼結時間を短
縮するに必要な０．３重量％未満であったためである。
また、試験番号６，８，１３，１７では、表１に示すよ
うに、いずれも９５％以上の相対密度を得るに必要な焼
結時間は２時間未満で、大幅な焼結時間短縮が達成され
ているが、表２に示すように、いずれも大幅な延性低下
を示し、伸びが７％以下となっている。これは、以下の
理由による。試験番号６は、Ｆｅの添加量が、本発明の
上限値である１．５重量％を超えたため、本来のＴｉ−
６Ａｌ−４Ｖ合金の優れた延性が失われた。試験番号８
では、Ｎｉ粉を混合したため焼結時にＴｉと反応し、Ｔ
ｉＮｉを生成し、このとき発生した熱によって局所的に
高温となった部分で液相が生じ、一部の元素が蒸発した
り、冷却中に凝固偏析を生じ、機械的性質を劣化させ
た。試験番号１３では、ＦｅとＣｏの総量が、本発明の
上限値である１．５重量％を超えたため、本来のＴｉ−
６Ａｌ−４Ｖ合金の優れた延性が失われた。試験番号１
７は、本発明における加熱速度の上限値である毎分１０
０℃よりも高い加熱速度で加熱したため、昇温中にＦｅ
が十分に拡散せず、そのため融点の低いＴｉ−Ｆｅ合金
相が形成され、液相が生じ、機械的性質を劣化させた。

【００２１】次に、ＦｅＴｉ粉を、Ｔ−６Ａｌ−４Ｖ−
０．８Ｆｅ（０．８重量％）の組成となるように混合し
た場合を例に、さらに焼結条件についてさらに詳しく説
明する。

【００２２】

【表３】

【００２３】表３にて、試験番号１８に示すように、Ｆ
ｅ，Ｎｉ，Ｃｏのいずれも添加していない、従来法に相
当する混合粉末を１０５０℃で真空焼結すると、９５％
以上の相対密度を得るのに６４時間もかかるが、試験番
号１９に示すように０．８重量％のＦｅを添加すると、
１０５０℃という低い焼結温度であるにもかかわらず、
実用的な４時間５０分の焼結時間で９５％以上の相対密
度が得られる。しかしながら、本発明の焼結温度の下限
値である１０００℃未満の９５０℃で真空焼結を行う
と、試験番号２０に示すように、１６時間もの非実用的
な長時間の焼結が必要である。このように、実用的な焼
結のためには、１０００℃以上の温度で５時間以下の時
間焼結を行うことが適している。

【００２４】また、試験番号２１は、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ
のいずれも添加していない、従来法に相当する混合粉末
を、１３３０℃で真空焼結した場合である。きわめて高
温での焼結であるにもかかわらず９５％以上の相対密度
を得るのに２時間以上を要しており、炉の保全上好まし
くない。一方、試験番号２２に示すように、０．８重量
％のＦｅを添加すると、１３３０℃の焼結ではわずか３
５分で９５％以上の相対密度が達成されており、エネル
ギーの節減だけでなく炉の保全上もきわめて有利であ
る。また、試験番号２３に示すように、０．８重量％Ｆ
ｅ添加材を本発明の焼結温度の上限である１３５０℃を
超える、１３８０℃で焼結しても、９５％以上の相対密
度を得るには３０分以上の保持が必要であり、試験番号
２２の場合と比べて時間短縮の効果はきわめて小さい。
したがって、真空焼結は１３５０℃以下の温度で十分で
ある。また、３０分の焼結時間は最低限必要な時間であ
る。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明を適用する
ことにより、焼結チタン合金が本来有する特性を損なう
ことなく、また途中で液相を生じさせることなく、従来
よりも低い温度あるいは短い時間での焼結により、優れ
た特性の焼結チタン合金を製造することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｔｉ，Ａｌ，Ｖおよび不純物からなるチ
タン合金を素粉末混合法によって製造するに際して、Ｔ
ｉ粉末と合金元素粉末或は母合金粉末を混合する過程で
該粉末に加えてＦｅ粉、Ｃｏ粉、ＦｅとＴｉの金属間化
合物粉、ＣｏとＴｉの金属間化合物粉、ＮｉとＴｉの金
属間化合物粉の中から１種以上をＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉの含
有量の総量が０．３重量％以上、１．５重量％以下とな
るように混合し、次いで、容器へ充填し成形しさらに、
真空中、１００℃／分以下の昇温速度で１０００℃以
上、１３５０℃以下の温度域に加熱し、３０分間以上、
５時間以下保持することを特徴とする焼結チタン合金の
製造方法。
【請求項２】Ｔｉ，Ａｌ，Ｖおよび不純物からなるチ
タン合金を素粉末混合法によって製造するに際して、Ｔ
ｉ粉末と合金元素粉末或は母合金粉末を混合する過程で
該粉末に加えてＦｅ粉、Ｃｏ粉、ＦｅとＴｉの金属間化
合物粉、ＣｏとＴｉの金属間化合物粉、ＮｉとＴｉの金
属間化合物粉の中から１種以上をＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉの含
有量の総量が０．３重量％以上、１．５重量％以下とな
るように混合し、次いで、容器へ充填し成形しさらに、
真空中、１００℃／分以下の昇温速度で１０００℃以
上、１３５０℃以下の温度域に加熱し、３０分間以上、
５時間以下保持し、然る後、熱間静水圧成形（ＨＩＰ）
処理を施すことを特徴とする焼結チタン合金の製造方
法。