JPH06100969A

JPH06100969A - Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物焼結体の製造方法

Info

Publication number: JPH06100969A
Application number: JP4275443A
Authority: JP
Inventors: Taku Saito; 卓斎藤; Koji Tanaka; 浩司田中; Tadahiko Furuta; 忠彦古田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1992-09-18
Filing date: 1992-09-18
Publication date: 1994-04-12

Abstract

(57)【要約】【目的】ＨＩＰ装置を用いず通常の真空あるいは不活
性ガス中で焼結するという通常の粉末冶金的手法のみに
より、緻密で延性および靱性に優れたＴｉ−Ａｌ系金属
間化合物の焼結部品を製造すること。【構成】チタン粉末とＴｉＡｌ₃粉末とからなる原料
粉末を混合して混合粉末とする混合工程と、該混合粉末
を所定形状に成形して成形体とする成形工程と、該成形
体を無加圧で加熱してＴｉＡｌ系またはおよびＴｉ₃Ａ
ｌ系を主成分とする金属間化合物を合成焼結して焼結体
とする焼結工程とからなるＴｉ−Ａｌ系金属間化合物焼
結体の製造方法および原料にＩＶａ属、Ｖａ属、ＶＩａ
属、ＶIIa属、ＶIII 属元素の硼化物粉末を添加してマ
トリックス中に微細なＴｉＢ₃粒子を分散させたＴｉ−
Ａｌ系金属間化合物基焼結体を製造する方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、微細組織を有し延性お
よび靱性に優れたＴｉ−Ａｌ系金属間化合物焼結体また
はＴｉ−Ａｌ系金属間化合物基複合焼結体の製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｔｉ−Ａｌ系の金属間化合物部品の製造
方法としては、一般に精密鋳造法と粉末冶金法とが知ら
れている。前者の精密鋳造法は、アーク、プラズマ、高
周波を熱源としたスカル溶解、あるいはカルシア坩堝を
用いた高周波溶解などにより溶湯を作製し、カルシアな
どで製造した鋳型に上記の溶湯を鋳込む方法である。と
ころが、この方法は、溶解や鋳造の設備やエネルギーに
多大なコストを要するとともに、金属組織が粗大化し易
いという問題がある。

【０００３】後者の粉末冶金法は、微細組織で延性・靱
性の高い合金部品が製造できるため、精密鋳造法に代わ
る製造技術として最近注目されている。この粉末冶金法
は、合金粉末法と素粉末混合法とに分類され、合金粉末
法は目標とする組成の合金粉末を直接ＨＩＰ成形法など
により固化する方法である。一方、素粉末混合法は、通
常の混合・成形・焼結の工程で製造する方法である。

【０００４】しかし、合金粉末法においては、目的とす
る部品形状の中空部を有する容器に粉末を充填し、この
容器ごとにＨＩＰ処理を行うので、容器製造およびＨＩ
Ｐ処理後の容器剥ぎ取り作業に多大な労力とコストを要
するという問題を有している。また、素粉末混合法にお
いては、融点の低いアルミニウム粉末と融点の高いチタ
ン粉末の混合物を通常の方法で焼結すると、昇温過程で
アルミニウムが融解すること、およびチタンとアルミニ
ウムとの合成反応に伴う著しい発熱が起こること等によ
り、緻密な焼結体を得ることが困難である。このため、
素粉末混合法の焼結工程では、粉末成形体をＨＩＰ装置
中で圧力を加えながら徐々に加熱して反応速度を抑制す
ることにより、焼結体の緻密化をはかることが必要であ
る。しかし、これらの方法では、何れもＨＩＰ処理が必
要であり、また、複雑形状の成形は困難であるという問
題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の事情に
鑑みてなされたもので、ＨＩＰ装置を用いずに通常の真
空あるいは不活性ガス中で焼結するという通常の粉末冶
金的手法により、緻密で延性および靱性に優れたＴｉ−
Ａｌ系金属間化合物の焼結部品を製造することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】

（第１発明）第１発明のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物焼結
体の製造方法は、チタン粉末とＴｉＡｌ₃粉末とからな
る原料粉末を混合して混合粉末とする混合工程と、該混
合粉末を所定形状に成形して成形体とする成形工程と、
該成形体を無加圧で加熱してＴｉＡｌ系または／および
Ｔｉ₃Ａｌ系を主成分とする金属間化合物を合成焼結し
て焼結体とする焼結工程とからなることを特徴とする。（第２発明）本発明の第２のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物
基複合焼結体の製造方法は、チタン粉末と、ＴｉＡｌ₃
粉末と、 IＶａ属，Ｖａ属，ＶIa属，ＶIIa 属，ＶIII
属元素の硼化物粉末のうち少なくとも１種以上とを混合
して混合粉末とする混合工程と、該混合粉末を所定形状
に成形して成形体とする成形工程と、該成形体を無加圧
で加熱して焼結して焼結体とする焼結工程とからなり、
ＴｉＡｌ系または／およびＴｉ₃Ａｌ系を主成分とする
金属間化合物マトリックス中に微細なＴｉＢ₂粒子を分
散させたことを特徴とする。

【０００７】

【作用】第１発明のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物焼結体の
製造方法および第２発明のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物基
複合焼結体の製造方法が優れた効果を発揮するメカニズ
ムについては、未だ必ずしも明らかではないが、次のよ
うに考えられる。（第１発明の作用）本発明の金属間化合物焼結体の製造
方法は、チタン粉末とＴｉＡｌ₃粉末とからなる原料粉
末を混合して混合粉末とする混合工程と、該混合粉末を
所定形状に成形して成形体とする成形工程と、該成形体
を無加圧で加熱してＴｉＡｌ系または／およびＴｉ₃Ａ
ｌ系を主成分とする金属間化合物を合成焼結して焼結体
とする焼結工程とからなる。

【０００８】このＴｉＡｌ₃粉末は、融点１３５０℃で
Ｄ０₂₂構造を有する金属間化合物である。この金属間化
合物は、通常のチタン合金に比べ活性が著しく低いため
に溶解が容易である。例えば、ＴｉＡｌ₃粉末は、安価
な坩堝での溶解が可能である。さらに、ＴｉＡｌ₃合金
は、結晶構造上の制約から変形モードが限られるため、
極めて脆い性質を有している。従って、ＴｉＡｌ₃合金
は、通常の粉砕工程により溶解インゴットから容易に微
粉末を形成することができる。

【０００９】一方、チタン粉末には、市販の純チタン粉
末を使用できるが、この粉末は延性に富み、また個々の
粒子形状が複雑なため、これとＴｉＡｌ₃粉末との混合
粉末は成形性に優れており、通常の圧力で成形すること
により実用に十分に耐え得る成形体強度を得ることがで
きる。また、焼成工程においては、チタン粉末とアルミ
ニウム粉末との混合体とは異なり、空孔発生の原因とな
る液相はほとんど発生しない。さらに、チタンとＴｉＡ
ｌ₃との反応熱はチタンとアルミニウムとの反応熱に比
べて著しく小さいという特長を有している。従って、焼
成工程における反応を抑制するための高価な圧力制御な
どは一切不要であり、通常の無加圧焼結工程のみで緻密
な部品を成形することができる。

【００１０】さらに、本方法においては、終始固相状態
で反応が進行し、得られた製品の結晶粒径は、原料チタ
ン粉末の粒径を越えることはない。このため、通常の溶
解法により得られた製品に比べ著しく微細な組織の焼結
体を得ることができる。従って、得られた焼結体は、強
度、延性、靱性が極めて高いという特徴を有している。（第２発明の作用）第２発明のＴｉ−Ａｌ系金属間化合
物基複合焼結体の製造方法では、チタン粉末と、ＴｉＡ
ｌ₃粉末と、 IＶａ属，Ｖａ属，ＶIa属，ＶIIa 属，Ｖ
III 属元素の硼化物粉末のうち少なくとも１種以上とを
混合・成形し、該成形体を無加圧で加熱・焼結してな
る。

【００１１】このように、チタン粉末と、ＴｉＡｌ₃粉
末と、 IＶａ属，Ｖａ属，ＶIa属，ＶIIa 属，ＶIII 属
元素の硼化物粉末のうち少なくとも１種以上と混合・成
形し、得られた成形体を無加圧で焼成すると、前記硼化
物粉末中に含まれる硼素以外の元素はマトリックス中に
拡散・固溶し、該硼素はチタンと反応してＴｉＢ₂粒子
を形成する。このような冶金反応と並行して焼結が進行
し、最終的には、強化成分が均一固溶したＴｉ−Ａｌ系
金属間化合物マトリックス中にＴｉＢ₂粒子が均一に分
散した緻密な複合材料となる。

【００１２】このとき、硼素が僅かでも含まれるとチタ
ンの焼結が著しく促進され、また強化相であるＴｉＢ₂
粒子は、チタン粉末と硼素含有物質粉末との反応によっ
て、マトリックス中に生成される。これらの特徴は、以
下に述べるように、複合焼結体の製造コスト低減のため
に、極めて有効に作用する。通常、この種の複合材料
は、マトリックス合金に強化相そのものを添加・複合し
て製造される。このため、強化相の量が或る程度以上に
多くなると、必然的にマトリックス合金の焼結性が著し
く阻害されてしまう。従って、緻密な複合材料を得るた
めには、何らかの塑性変形処理（例えば、熱間押出し、
熱間鍛造、等）や加圧処理（例えば、ＨＩＰ処理、ホッ
トプレス、等）等を必要とし、これら後処理のため製造
コストを大幅に引き上げる要因となっていた。

【００１３】これに対して、本発明によるＴｉ−Ａｌ系
金属間化合物基複合焼結体の製造方法では、強化相その
ものを添加するのではなく、硼素源として添加された粉
末とチタン粉末とを反応させることにより、初めて強化
相としてマトリックス中に形成させること、ならびに、
理由は明らかではないが、硼素がチタンの焼結を著しく
促進する効果があることの相乗効果により、単に無加圧
で焼成することで、多量の強化相を分散させた場合で
も、ほぼ真密度の緻密な複合材料を得ることができる。
この方法により、極めて安価にＴｉ−Ａｌ系金属間化合
物基複合焼結体の製造が可能となる。

【００１４】以上のように、本第２発明のＴｉ−Ａｌ系
金属間化合物基複合焼結体の製造方法により、極めて安
価で、かつ延性および靱性の低下がなく、しかも得られ
る複合材料はＴｉ−Ａｌ系金属間化合物からなるマトリ
ックス中にＴｉＢ₂粒子が分散したものであるため、室
温から高温までの強度、剛性、耐摩耗性等の特性が向上
したＴｉ−Ａｌ系金属間化合物基複合焼結体が得られる
ものと考えられる。

【００１５】

【発明の効果】

（第１発明の効果）第１発明のＴｉ−Ａｌ系金属間化合
物焼結体の製造方法によれば、アルミニウム源としてＴ
ｉ₃Ａｌ系粉末を使用するので、焼結工程でアルミニウ
ム単独の場合のように液相を形成せず、また反応熱も小
さいため、焼結の制御が簡略化でき通常の焼結方法が適
用できる。そして、得られるＴｉ−Ａｌ系金属間化合物
焼結体は、結晶粒径が小さく相対密度が９８％以上のも
のが容易に得られる。さらに、得られた焼結体は延性や
靱性に優れている。しかも最終製品形状に近いＴｉ−Ａ
ｌ系金属間化合物の焼結体からなる成形部品を安価に製
造することができる。（第２発明の効果）本第２発明のＴｉ−Ａｌ系金属間化
合物基複合焼結体の製造方法により、前記第１発明によ
り得られる効果を奏することができる上に、さらに以下
の様な効果を奏することができる。

【００１６】すなわち、従来この種の複合材料の製造方
法に比べて、安価で高性能な複合材料を得ることができ
る。また、本方法により、各種Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合
物マトリックス中に微細なＴｉＢ₂粒子が分散した、強
度、延性、剛性、耐摩耗性、耐熱性に優れたＴｉ−Ａｌ
系金属間化合物基複合焼結体を得ることができる。

【００１７】

【実施例】以下に、第１発明および第２発明を具体例に
基づいて説明する。まず、本第１発明のＴｉ−Ａｌ系金
属間化合物焼結体の製造方法について、以下に具体例で
説明する。混合工程において用いるチタン粉末は、一般
に純チタン粉末と呼ばれるものであり、どのような種類
のものであってもよい。例えば、（ａ）ナトリウム還元
法スポンジチタンの副産物であるスポンジファイン、
（ｂ）マグネシウム還元法スポンジチタンを水素化→粉
砕→脱水素して製造される水素化・脱水素チタン粉末、
（ｃ）マグネシウム還元法スポンジチタンを、一旦溶解
して不純物を除去した後、水素化→粉砕→脱水素して製
造される極低塩素チタン粉末の３種類が代表的なもので
ある。なお、チタン粉末は、最大粒径が５０μｍ以下で
あることが好ましい。これは、チタン粉末は粒径が小さ
いほど焼結性に優れており、特に前記最大粒径を５０μ
ｍ以下とすることにより、焼結のみの工程で９８％以上
の緻密化した焼結体の製造が可能となるからである。こ
こで、純チタン粉末のかわりに水素化チタン粉末を使用
する方法も考えられるが、水素化チタン粉末は、その製
造工程から考えて低酸素化が本質的に困難であることに
加え、塑性変形能をほとんど持たないために成形体が極
めて悪く、実用に耐え得る成形体強度を得ることが困難
である、等の問題点を有していることから、原料粉末と
しては適さない。

【００１８】ＴｉＡｌ₃粉末は、アルミニウム源であ
る。該ＴｉＡｌ₃粉末は延性に乏しく容易に微粉砕でき
るので、これを用いることによりチタン源に市販のチタ
ン粉末を使用して従来の粉末冶金法で緻密なＴｉ−Ａｌ
系金属間化合物焼結体を得ることが可能となる。しか
も、該ＴｉＡｌ₃粉末を用いることにより、チタン原料
粉末との混合・成形・焼結の各工程が容易となり、Ｔｉ
Ａｌ系または／およびＴｉ₃Ａｌ系などの金属間化合物
が緻密化して延性や靱性の高いニアネットの焼結体が容
易に形成できる。例えば、ＴｉＡｌ₃合金の融点はチタ
ンより低く１３５０℃付近であるが、アルミニウムの融
点の６５９℃より高い。このため、ＴｉＡｌ₃粉末とチ
タン粉末の混合粉末は、ＴｉＡｌ₃合金の融点以下で焼
結する限り焼結時に有害となる液相は発生しない。さら
に、チタンとアルミニウムが反応してＴｉＡｌが形成さ
れた場合は、約７０ｋcal/mol の発熱を伴うが、チタン
とＴｉＡｌ₃が反応してＴｉＡｌが形成される場合の反
応熱は高々約２０ｋcal/mol と小さい。このため、反応
を制御する複雑な装置を必要とせず通常の簡略な無加圧
焼結法が適用できる。

【００１９】ここで、Ｔｉ−Ａｌ系、ＴｉＡｌ系、Ｔｉ
₃Ａｌ系の「系」とは、ＴｉとＡｌとの組成比がその分
子式の比そのものだけではなく、その値より若干ずれた
もの、及び／又は少量の第三元素を含むものの総称であ
る。また、ＴｉＡｌ₃系合金は、Ｄ０₂₂という本質的に
延性が乏しい構造を有しているので容易に微粉砕ができ
る。また、通常のチタン合金に比べ活性が著しく低いた
め、低酸素含有量の微粉末を安価に製造することができ
る。例えば、マグネシウム等の通常の坩堝を用いた高周
波溶解、プラズマ溶解、アーク溶解などにより作製され
たＴｉＡｌ₃系合金を、擂解機、アトライタ等で粉砕し
て容易に得ることができる。すなわち、ＴｉＡｌ₃は、
延性がほとんどないため、溶解法により製造したＴｉＡ
ｌ₃インゴットを粉砕することにより低酸素の粉末を安
価に製造することができる。なお、該ＴｉＡｌ₃粉末
は、平均粒径が１０μｍ以下に微細化したものであるこ
とが好ましい。このように微細なＴｉＡｌ₃粉末を用い
ることにより、チタン粉末として５０μｍ以下の市販の
粉末を用いれば、成形・焼結することのみにより、相対
密度９８％以上の緻密な焼結体が得られる。

【００２０】本混合工程では、目標とする組成割合とな
るように両者を混合する。混合方法は特に制約されるも
のではなく、従来公知の粉末冶金の方法が適用できる。
なお、本混合工程において、主成分であるチタン粉末お
よびＴｉＡｌ₃粉末以外の成分を添加することも可能で
あり、この場合、第３成分をＴｉＡｌ₃粉末を溶解する
際に添加してもよく、また純チタン粉末とＴｉＡｌ₃粉
末を混合する際に粉末として添加してもよい。

【００２１】成形工程は、混合粉末を部品形状とする金
型成形、ＣＩＰ成形などの何れの成形法で行ってもよ
い。成形圧力は３ ton／cm²以上が好ましい。３ ton／
cm²未満の圧力で成形した成形体を焼結すると、得られ
る焼結体の密度が向上しにくいため好ましくない。焼結
工程は、真空中あるいは不活性ガス雰囲気中で行うこと
が好ましい。焼結温度は、１２５０℃〜１４００℃の範
囲が好ましい。１２５０℃未満では化合物の均質化が不
十分となるので好ましくない。また、１４００℃を超え
ると焼結時に多量の液相が生成して焼結を阻害し、また
寸法精度が低下するため好ましくない。焼結時間は、１
〜２４時間の範囲が好ましい。焼結時間が１時間未満で
あると焼結が不十分で均質化できず、２４時間を超える
と焼結がそれ以上進まずエネルギー的にも不経済である
ことに加え、焼結体の脱アルミニウムの問題が生ずるた
め好ましくない。

【００２２】さらに、前記焼結工程のみでは緻密化が不
十分な場合は、焼結後にＨＩＰ処理を施すことにより容
易に真密度の部品が製造できる。なお、この焼結体は焼
結工程で内部空孔は完全に孤立化し、表面には通じてい
ないので、その後のＨＩＰ処理の際には合金粉末法のよ
うに缶封入を必要とせず、焼結体を被覆することもなく
そのままＨＩＰ処理することができる。従って、安価な
処理が可能である。ＨＩＰ処理の条件としては、雰囲気
ガスとの反応性、緻密化、経済性などを考慮すると、ア
ルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスを圧力媒体として、
１０００〜１３５０℃、５００〜２０００気圧、１〜１
０時間の範囲で行うことが好ましい。

【００２３】このような簡略な工程で緻密で靱性に優れ
た製品形状に近いＴｉ−Ａｌ系金属間化合物の焼結体が
容易に製造できる。次に、本第２発明のＴｉ−Ａｌ系金
属間化合物基複合焼結体の製造方法を具体的に説明す
る。本発明のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物基複合焼結体の
製造方法は、チタン粉末と、ＴｉＡｌ₃粉末と、 IＶａ
属，Ｖａ属，ＶIa属，ＶIIa 属，ＶIII 属元素の硼化物
粉末のうち少なくとも１種以上を混合・成形すると共
に、該成形体を無加圧で加熱して焼結させることによ
り、ＴｉＡｌ系または／およびＴｉ₃Ａｌ系を主成分と
する金属間化合物マトリックス中に体積比で３〜３０％
の微細なＴｉＢ₂粒子を分散させたＴｉ−Ａｌ系金属間
化合物基複合焼結体を得ることである。

【００２４】ここで、チタン粉末およびＴｉＡｌ₃粉末
は、前記第１発明で説明したものと同様のものが使用で
きる。また、 IＶａ属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ），Ｖａ属
（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ），ＶIa属（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ），ＶII
a 属（Ｍｎ，Ｔｃ，Ｒｅ），ＶIII 属（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎ
ｉ等）元素の硼化物粉末は、どのようなものでも利用可
能であり、一般に微粉末の形で市販されているものが利
用できる。

【００２５】上記のチタン粉末と、ＴｉＡｌ₃粉末と、
上記の硼化物粉末とを所定割合で混合し、成形、焼成す
ることにより焼結が進行すると共に、硼化物中の硼素は
チタンと結合して微細なＴｉＢ₂固溶体となってマトリ
ックス中に分散し、硼化物中の IＶａ属，Ｖａ属，ＶIa
属，ＶIIa 属，ＶIII 属元素はマトリックス中に拡散・
合金化する。その理由は、上記各硼化物はＴｉＢ₂を除
いてＴｉＡｌまたはＴｉＡｌ₃を主体とする金属間化合
物とは熱力学的に平衡できず、しかも、これら硼化物の
標準生成自由エネルギーの絶対値が、チタン硼化物のそ
れよりも一般に小さいからである。

【００２６】一方、これら IＶａ属，Ｖａ属，ＶIa属，
ＶIIa 属，ＶIII 属元素の多くは、ＴｉＡｌまたはＴｉ
Ａｌ₃を主体とする金属間化合物に合金化すると、延性
を向上させる作用を有する。本具体例の製造方法による
Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物基複合焼結体の高強度化は、
Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物マトリックスの強化とＴｉＢ
₂粒子複合化による強化の相乗効果によるものである。
一般に強度レベルが高くなるほど、残留空孔の機械的性
質におよぼす影響が顕著に現れるようになる。したがっ
て、残留空孔の量を極力減少させ、また、その大きさも
できるだけ小さくすることが必要である。残留空孔の量
は成形体密度と焼結性に依存し、また、残留空孔の大き
さは、原料粉末の粒径、粉末の充填性、焼結性などが関
係している。チタン粉末及び／又はＴｉＡｌ₃粉末の粒
径が大きすぎると、残留空孔は粗大化しやすく、また、
強化用粉末の粒径が大き過ぎると、焼結性が低下するた
め十分な焼結体密度が得られない。したがって、チタン
粉末及び／又はＴｉＡｌ₃粉末の最大粒径は５０μm 以
下、硼化物粉末の平均粒径は１０μm 以下が、それぞれ
好ましい。

【００２７】また、上記の硼化物粉末の添加量として
は、反応によって生成するＴｉＢ₂量として３〜３０ v
ol％の範囲になることが好ましい。該ＴｉＢ₂量が３ v
ol％未満ではＴｉＢ₂粒子複合化による特性改善の効果
が小さく、また、該ＴｉＢ₂量が３０ vol％を越えると
焼結による緻密化が困難となり、ＴｉＢ₂の分散も不均
一となり易いため好ましくない。

【００２８】以上本第２発明の製造方法により、極めて
安価に、延性および靱性が低下しにくく、しかも室温か
ら高温までの強度、剛性、耐摩耗性等の特性が向上した
チタン基複合材料を得ることができる。また、本例で
は、前記 IＶａ属，Ｖａ属，ＶIa属，ＶIIa 属，ＶIII
属元素の硼化物粉末の形で硼素を添加することにより、
硼素と同時に延性改善作用を有する元素をも添加するこ
とが可能になる。

【００２９】すなわち、 IＶａ属，Ｖａ属，ＶIa属，Ｖ
IIa 属，ＶIII 属元素の硼化物粉末の形で硼素を添加し
ても、同様に硼素は焼結過程でチタンと反応して微細な
ＴｉＢ₂粒子を形成すると共に、 IＶａ属，Ｖａ属，Ｖ
Ia属，ＶIIa 属，ＶIII 属元素はＴｉＡｌ系または／お
よびＴｉ₃Ａｌ系を主成分とする金属間化合物マトリッ
クス中に固溶する。 IＶａ属，Ｖａ属，ＶIa属，ＶIIa
属，ＶIII 属属元素のうちチタンを除く大部分は前記Ｔ
ｉＡｌ系または／およびＴｉ₃Ａｌ系を主成分とする金
属間化合物に対してマトリックスの特性あるいは組織を
制御することも同時に可能となるなどの特有の利点を奏
することができる。

【００３０】第３の具体例のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物
焼結体の製造方法では、チタン粉末とＴｉＡｌ₃粉末と
からなる原料粉末を準備する工程（原料粉末準備工程）
と、前記原料粉末のうち少なくともチタン粉末を加圧す
ると共にこすり合わせ，原料粉末の充填密度を所定値と
するための工程（粉末加工工程）と、前記原料粉末を混
合する工程（原料粉末混合工程）と、前記混合粉末を成
形する工程（成形工程）と、前記成形体を無加圧で焼成
する工程（焼結工程）とからなる。

【００３１】第４の具体例のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物
基複合焼結体の製造方法では、チタン粉末と，ＴｉＡｌ
₃粉末と， IＶａ属，Ｖａ属，ＶIa属，ＶIIa 属，ＶII
I 属元素の硼化物粉末のうち少なくとも１種以上とから
なる原料粉末を準備する工程（原料粉末準備工程）と、
前記原料粉末のうち少なくともチタン粉末を加圧すると
共にこすり合わせ，原料粉末の充填密度を所定値とする
ための工程（粉末加工工程）と、前記原料粉末を混合す
る工程（原料粉末混合工程）と、前記混合粉末を成形す
る工程（成形工程）と、前記成形体を無加圧で焼成する
工程（焼結工程）とからなる。

【００３２】これら第３の具体例の製造方法および第４
の具体例の製造方法では、前記粉末加工工程に特徴を有
する製造方法である。本加工工程において、チタン粉末
にある程度の加圧を行うと共にチタン粉末をこすり合わ
せ、チタン粉末の充填率（充填密度）を所定値とする。
この工程により、チタン粉末に加工を行うと共にこすり
合わせることにより変形を与えると、チタン粉末個々の
粒子の突起部が潰されて表面が平滑化する。これによ
り、粉末の流動性が向上して原料粉末の粒子間における
空隙が微細化し、充填密度が向上する。この粉末を成
形、焼結すると残留空孔は著しく微細化する。そのた
め、粉末の流動性が向上し、所望の充填密度とすること
ができる。

【００３３】一般に、粉末の充填密度は、粉末の粒度分
布と粒子形状とによって左右される。すなわち、粗大粒
子の空隙を満たすのに最適な粒度を有する中小粒子が適
量存在するような粒度分布が望ましいが、たとえ粒度分
布が最適であっても、粉末の流動性が悪いと粉末の充填
率は向上しない。スポンジファイン（５０μｍ以下）の
場合、粉末の形状はポーラスかつ不定形であって流動性
が著しく悪いため、充填密度（タップ密度）は１．８ｇ
／cm³程度である。また、水素化・脱水素チタン粉末の
場合は、粉砕粉末のため角張った形状をしており、スポ
ンジファインと比べると若干優れてはいるが、通常のア
トマイズ粉末などと比較すると流動性は著しく劣ってお
り、せいぜい２．２ｇ／cm³程度である。このような状
態のままで原料粉末を成形しても、粒子間の摩擦力のた
め粒子はほとんど移動できず、そのまま変形を受けるの
で、成形体中には粗大空孔が形成されやすい。さらに、
この成形体を焼成した場合、焼結体中にも粗大空孔は受
け継がれ、破壊の起点となりやすい。成形圧力を上げて
密度を向上させても、焼結体中の残留空孔を微細化させ
ることは困難である。これらの粉末の流動性を向上させ
るためには、本加工工程により粉末の形状を変化させ、
上記所定値の充填密度を有するようにする必要がある。

【００３４】本加工工程において、現在市販されている
チタン粉末に対して５％以上、より望ましくは、チタン
粉末としてスポンジファインを用いる場合は１５％以
上、水素化・脱水素チタン粉末または極低塩素チタン粉
末を用いる場合は１０％以上、それぞれ充填密度を向上
させるように、チタン粉末に変形を与えることが好適で
ある。

【００３５】この充填密度は、１．９ｇ／cm³〜２．８
ｇ／cm³であることが好適である。充填密度がこの数値
範囲内の場合、適度な流動度およびタップ密度を有する
ものとすることができる。該充填密度が１．９ｇ／cm³
未満の場合は、粗大空孔を完全には消失させることがで
きないため、チタン基複合材料の強度や延性を十分に向
上させることができず、また、２．８ｇ／cm³を越える
場合には粉末の成形性が著しく低下するため共に好まし
くない。

【００３６】なお、チタン粉末としてスポンジファイン
を用いる場合は、粉末の充填密度が２．０ｇ／cm³〜
２．４ｇ／cm³となるように、また、水素化・脱水素チ
タン粉末または極低塩素チタン粉末を用いる場合は、粉
末の充填密度が２．３ｇ／cm³〜２．７ｇ／cm³となる
ように、それぞれ加工を加えることが好ましい。これに
より、破壊の起点となりうる粗大空孔を消失させること
ができる。

【００３７】また、前記加工処理は、チタン粉末のみに
与えてもよいがチタン粉末とＴｉＡｌ₃粉末、またはチ
タン粉末とＴｉＡｌ₃粉末と IＶａ属，Ｖａ属，ＶIa
属，ＶIIa 属，ＶIII 属元素の硼化物粉末のうち少なく
とも１種以上とを混合した混合物に行っても、強度、延
性、剛性、耐摩耗性、耐熱性に優れた、極めて安価なＴ
ｉ−Ａｌ系金属間化合物焼結体またはＴｉ−Ａｌ系金属
間化合物基複合焼結体を得ることができる。

【００３８】前記加工を与える方法としては次のような
方法がある。すなわち、この工程は粉末表面の突起部を
平滑にする、あるいはスポンジファインのような凝集粉
末を壊砕する程度の軽度な加工であり、例えば、鋼球を
含むボールミルやアトライター中に原料粉末を投入し
て、ごく短時間（１〜２０min.）攪拌する方法などによ
り行う。このような処理により、チタン粉末はこすり会
うと共に、その突起部が加圧され平坦化する。なお、繰
り返し述べるように、チタン粉末粒子を粉砕微細化させ
たり、著しい加工硬化を生じさせるような強加工を与え
ることは、圧縮性、成形性が低下し、また、酸素量も増
加するため避けなければならない。

【００３９】前記のように、チタン粉末を加圧すると共
にこすり合わせる加工を施し、原料粉末の充填密度を所
定値とすることにより、残留空孔を孤立微細化すること
が可能となり、その結果、強度、延性、耐摩耗性、剛
性、耐熱性の優れたＴｉ−Ａｌ系金属間化合物焼結体ま
たはＴｉ−Ａｌ系金属間化合物基複合焼結体が得られる
ものと考えられる。

【００４０】従って、本第３具体例の製造方法および第
４具体例の製造方法により、不純物を多く含む安価なチ
タン粉末を原料として用いても、コストアップを招くＨ
ＩＰ処理や熱間加工処理を一切行わずに、焼結のみで、
極めて高価な溶製法で得られたＴｉＡｌ系材料またはＴ
ｉＡｌ系複合材料を上回る強度、延性、剛性、耐摩耗
性、耐熱性に優れたＴｉ−Ａｌ系金属間化合物焼結体ま
たはＴｉ−Ａｌ系金属間化合物基複合焼結体を得ること
ができる。このため、焼結材料本来のコストメリットが
十分発揮でき、コスト最優先の自動車用部品等の量産品
にもＴｉ−Ａｌ系金属間化合物焼結体またはＴｉ−Ａｌ
系金属間化合物基複合焼結体を適用することが可能にな
る。

【００４１】第３の具体例および第４の具体例の原料粉
末混合工程における前記原料粉末の混合は、ボールミ
ル、Ｖ型混合機等の装置を用いる等、どのような混合方
法でもよいが、硼化物粒子の分散を均一にするために
は、例えばアトライタのような高エネルギーボールミル
を用いる方が好ましい。第３具体例および第４具体例の
成形工程において、前記加工を施した原料粉末を成形す
る方法としては、金型プレス成形、ＣＩＰ（冷間静水圧
プレス）成形などの方法がある。

【００４２】第３の具体例および第４の具体例の焼結工
程において、前記成形体を焼成する。焼成温度および焼
成時間は、焼結体の緻密化、合金組成の均質化、ＴｉＢ
₂粒子の分散状態、焼成炉の耐久性、経済性等を考慮す
ると、１２５０〜１４００℃、１〜２４時間の範囲が望
ましい。また、焼成雰囲気としては、ＴｉＡｌ系または
／およびＴｉ₃Ａｌ系を主成分とする金属間化合物は雰
囲気ガス（酸素、窒素、水素、その他還元性のガス）と
反応しやすいため、１０^-3torr以下の高真空中、あるい
はアルゴン、ヘリウム等の高純度不活性ガス中とするの
がよい。

【００４３】以下に、本発明の実施例を説明する。（実施例１）−１００メッシュのＴｉＡｌ₃粉末を鋼球
と凝集防止剤と共にアトライタ中に挿入し、６０分間粉
砕処理を施し、平均粒径７μｍの微粉末を得た。該Ｔｉ
Ａｌ₃微粉末３９０ｇと−３５０メッシュの純チタン粉
末（水素化・脱水素チタン粉末；Ｔｉ：９９．６％、
Ｏ：０．３％、Ｃｌ：０．０１％）３１０ｇとをボール
ミルにて３０分間混合処理して混合粉末を得た。

【００４４】成形工程は、上記の混合粉末をＣＩＰ法に
て圧力４ ton／cm²で円柱形状の成形体に成形した。焼
結工程では、得られた成形体を１０^-5Ｔorr の真空中に
て、１３００℃で１２時間焼結してＴｉ−Ａｌ系金属間
化合物焼結体を得た。得られた焼結体の断面の金属組織
を示す光学顕微鏡写真（倍率：１００倍）を、図１に示
す。図１より明らかなように、残留空孔ａは僅かであり
（相対密度：９５％）、また極めて微細な結晶粒径（平
均粒径：５０μｍ）を有するγ相＋α₂相からなる層状
組織ｂを呈している。（実施例２）前記実施例１と同様にして作製したＴｉＡ
ｌ₃微粉末３９０ｇと、前記実施例１と同様の純チタン
粉末３１０ｇを、アトライタ中にて１０分間攪拌混合し
て擦りあわせ処理した。次いで、前記実施例１と同様に
して、成形・焼結を行い、ＴｉＡｌ系金属間化合物焼結
体を得た。

【００４５】得られた焼結体の断面の金属組織を示す光
学顕微鏡写真（倍率：１００倍）を、図２に示す。図２
より明らかなように、残留空孔ａは前記実施例１よりも
減少しており、緻密化がさらに促進されていることが分
かる（相対密度：９９％）。また、結晶粒径は前記実施
例１と同様に極めて微細であり（平均粒径：５０μ
ｍ）、γ相＋α₂相からなる層状組織ｂを呈している。（実施例３）前記実施例１と同様にして作製したＴｉＡ
ｌ₃微粉末３９０ｇと、−３５０メッシュの純チタン粉
末（スポンジファイン；Ｔｉ：９９．６％、Ｏ：０．２
％、Ｃｌ：０．１％）３１０ｇとを実施例２と同様にし
て攪拌混合処理し、次いで、前記実施例１と同様にし
て、成形・焼結を行い、ＴｉＡｌ系金属間化合物焼結体
を得た。

【００４６】得られた焼結体の断面の金属組織を示す光
学顕微鏡写真（倍率：１００倍）を、図３に示す。図３
より明らかなように、塩素量の高い低純度チタン粉末を
使用しているにもかかわらず、前記実施例２の図２に示
した高純度チタン粉末を使用した場合と同様に、残留空
孔ａは極めて僅かであり（相対密度：９９％）、また、
結晶粒径も前記実施例１および実施例２と同様に極めて
微細であることが分かる。（実施例４）前記実施例１と同様にして作製したＴｉＡ
ｌ₃微粉末３９０ｇと、−３５０メッシュの純チタン粉
末（水素化・脱水素チタン粉末；Ｔｉ：９９．６％、
Ｏ：０．３％、Ｃｌ：０．０１％）３１０ｇとＣｒＢ₂
粉末（平均粒径：３μｍ）５０ｇとを、実施例２と同様
にして攪拌混合処理・成形・焼結を行い、ＴｉＡｌ系金
属間化合物基複合焼結体を得た。

【００４７】得られた焼結体の断面の金属組織を示す走
査型電子顕微鏡写真（倍率：１０００倍）を、図４に示
す。図４より明らかなように、前記実施例２および実施
例３と同様に、残留空孔ａは極めて僅かであり、相対密
度は９９％に達している。また、微細なＴｉＢ₂粒子ｃ
が均一に分散していることが分かる。さらに、このＴｉ
Ｂ₂粒子のピン止め効果により、マトリックスｂを構成
するＴｉＡｌ＋Ｔｉ₃Ａｌの結晶粒径は、前記実施例
２、実施例３の場合よりもさらに微細である（２０μ
ｍ）。（実施例５）前記実施例１と同様のＴｉＡｌ₃粉末２０
０ｇを実施例１と同様な方法により処理し、その後前記
実施例２と同様の純チタン粉末５００ｇとともに前記実
施例１と同様な方法により攪拌混合した。

【００４８】次いで、前記施例１と同様にして攪拌混合
処理・成形・焼結を行い、ＴｉＡｌ系金属間化合物基複
合焼結体を得た。得られた焼結体の組成は、Ｔｉ−２８
at％Ａｌで、相対密度は９９．５％であった。（比較例１）−３５０メッシュの純Ａｌ粉末２３５ｇと
−３５０メッシュの純チタン粉末（水素化・脱水素チタ
ン粉末；Ｔｉ：９９．６％、Ｏ：０．３％、Ｃｌ：０．
０１％）４６５ｇとをボールミルにて６０分間処理し、
混合粉末を作製した。次いで、得られた混合粉末を用
い、前記実施例１と同様な方法で成形・焼結を行い、Ｔ
ｉＡｌ系の金属間化合物の比較用焼結体を得た。

【００４９】得られた比較用焼結体の組成は、Ｔｉ−４
８at％Ａｌであった。また、該焼結体の断面の金属組織
を示す光学顕微鏡写真（倍率：１００倍）を、図５に示
す。図５より明らかなように、該比較用焼結体は著しく
多孔質であり、相対密度は８０％以下であった。（比較例２）スポンジチタン（Ｔｉ：９９．６％、Ｏ：
０．１％、Ｃｌ：０．１％）６５８ｇと純Ａｌ粉末３４
２ｇとを原料とし、カルシア坩堝中にて高周波アルゴン
溶解後、金型に鋳造し、ＴｉＡｌ系の金属間化合物の比
較用鋳造材を得た。

【００５０】得られた比較用鋳造材の組成は、Ｔｉ−４
８at％Ａｌであった。また、該焼結体の断面の金属組織
を示す光学顕微鏡写真（倍率：１００倍）を、図６に示
す。図６より明らかなように、該比較用鋳造材は図２に
示した実施例２の組織と比べ著しく粗大化していること
が分かる。（焼結体の特性評価試験）上記実施例１〜実施例５、お
よび比較例１〜比較例２により得られた各焼結体の密
度、結晶平均粒径、圧縮耐力（室温）、圧壊歪（室
温）、７００℃耐力の諸特性を測定した。その結果を、
表１に示す。

【００５１】

【表１】

【００５２】表１より明らかにより、本実施例の各焼結
体は、比較例のものに比べて、平均粒径、圧縮耐力、圧
壊歪、および７００℃耐力密度等の特性に優れているこ
とが分かる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１において得られたＴｉＡｌ系
金属間化合物焼結体の断面の金属組織を示す光学顕微鏡
写真図（倍率：１００倍）である。

【図２】本発明の実施例２において得られたＴｉＡｌ系
金属間化合物焼結体の断面の金属組織を示す光学顕微鏡
写真図（倍率：１００倍）である。

【図３】本発明の実施例３において得られたＴｉＡｌ系
金属間化合物焼結体の断面の金属組織を示す光学顕微鏡
写真図（倍率：１００倍）である。

【図４】本発明の実施例４において得られたＴｉＡｌ系
金属間化合物基複合焼結体の断面の金属組織を示す走査
型電子顕微鏡写真図（倍率：１０００倍）である。

【図５】比較例１において得られたＴｉＡｌ系金属間化
合物の比較用焼結体の断面の金属組織を示す光学顕微鏡
写真図（倍率：１００倍）である。

【図６】比較例２において得られたＴｉ−Ａｌ系金属間
化合物の比較用鋳造材の断面の金属組織を示す光学顕微
鏡写真図（倍率：１００倍）である。

【符号の説明】

ａ・・・残留空孔ｂ・・・γ相＋α₂相からなる層状組織ｃ・・・ＴｉＢ₂粒子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チタン粉末とＴｉＡｌ₃粉末とからなる
原料粉末を混合して混合粉末とする混合工程と、該混合
粉末を所定形状に成形して成形体とする成形工程と、該
成形体を無加圧で加熱してＴｉＡｌ系または／およびＴ
ｉ₃Ａｌ系を主成分とする金属間化合物を合成焼結して
焼結体とする焼結工程と、からなることを特徴とするＴ
ｉ−Ａｌ系金属間化合物焼結体の製造方法。
【請求項２】前記成形工程前に、該混合粉末を加圧す
ると共に擦りあわせることを特徴とする請求項１記載の
Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物焼結体の製造方法。
【請求項３】チタン粉末と、ＴｉＡｌ₃粉末と、 IＶ
ａ属，Ｖａ属，ＶIa属，ＶIIa 属，ＶIII 属元素の硼化
物粉末のうち少なくとも１種以上とを混合して混合粉末
とする混合工程と、該混合粉末を所定形状に成形して成
形体とする成形工程と、該成形体を無加圧で加熱し、焼
結して焼結体とする焼結工程とからなり、ＴｉＡｌ系ま
たは／およびＴｉ₃Ａｌ系を主成分とする金属間化合物
マトリックス中に微細なＴｉＢ₂粒子を分散させたこと
を特徴とするＴｉ−Ａｌ系金属間化合物基複合焼結体の
製造方法。
【請求項４】前記成形工程前に、該混合粉末を加圧す
ると共に擦りあわせることを特徴とする請求項３記載の
Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物基複合焼結体の製造方法。