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JP7690206B2 - Manufacturing method of titanium sintered material - Google Patents
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この発明は、粉末冶金法でチタン焼結材を得るチタン焼結材の製造方法に関するものである。 This invention relates to a method for producing titanium sintered material by powder metallurgy.

チタンは、鋼の約1/2の低比重を有する軽量素材であり、耐腐食性や強度に優れた特性を有することから、軽量化ニーズが強い航空機、鉄道車両、二輪車、自動車などの部品や、家電製品や建築用部材等に利用されている。また、優れた耐腐食性の観点から、医療用素材としても利用されている。 Titanium is a lightweight material with a specific gravity about half that of steel, and has excellent corrosion resistance and strength properties, so it is used in parts for aircraft, railway cars, motorcycles, automobiles, and other vehicles where there is a strong need for weight reduction, as well as in home appliances and building materials. In addition, because of its excellent corrosion resistance, titanium is also used as a medical material.

チタン素材は、例えば特開2017-88908号公報(特許文献1)に記載されているように、チタン粉末を出発原料とする粉末冶金法で製造されている。この特許文献1に開示されたチタン焼結材の製造方法は、下記の工程を備える。
a)チタン成分粉末と、チタン以外の金属の窒化物粒子とを混合する工程。
b)混合粉末に圧縮力を加えて成形し圧縮固化体を作製する工程。
c)圧縮成形によって得られた圧縮成形体を酸素を含まない真空雰囲気で加熱焼結する工程。
Titanium materials are manufactured by a powder metallurgy method using titanium powder as a starting material, as described in, for example, JP 2017-88908 A (Patent Document 1). The manufacturing method of titanium sintered material disclosed in this Patent Document 1 includes the following steps.
a) mixing a titanium component powder with nitride particles of a metal other than titanium;
b) A process of applying a compressive force to the mixed powder to form a compact.
c) A step of heating and sintering the compression molded body obtained by compression molding in an oxygen-free vacuum atmosphere.

出発原料としてのチタン粉末(純チタン粉末またはチタン合金粉末)は、鉄系材料やアルミニウム系材料と比較して高価である。 Titanium powder (pure titanium powder or titanium alloy powder) as a starting material is expensive compared to iron-based and aluminum-based materials.

特許第3459342号公報(特許文献2)には、チタンまたはチタン合金の水素脆性を利用して、チタンまたはチタン合金を水素化させたのち任意の粒度に粉砕して水素化チタン粉末とする方法、これを真空加熱により脱水素してチタン粉末に転化させる水素化脱水素化法が記載されている。 Patent Publication No. 3459342 (Patent Document 2) describes a method in which titanium or a titanium alloy is hydrogenated by utilizing the hydrogen embrittlement of the titanium or titanium alloy, and then pulverized to a desired particle size to produce hydrogenated titanium powder, and a hydrogenation/dehydrogenation method in which this is dehydrogenated by vacuum heating to convert it into titanium powder.

水素化処理したままの水素化チタン(TiH)化合物を含む高濃度水素含有チタン粉末(以後、これを「高水素チタン粉末」または「水素化チタン粉末」と記す)は、脱水素化処理されたチタン粉末に比べて市場価格は低い。粒度10μm以下の水素化微細チタン粉末は、比表面積が大きく、粉砕時の加工熱で空気中の酸素を多く取り込んでいるため、通常、粒度10μm以下の水素化チタン粉末は合金原料として利用されていない。 High-concentration hydrogen-containing titanium powder containing titanium hydride (TiH 2 ) compounds as hydrogenated (hereinafter referred to as "high-hydrogen titanium powder" or "hydride titanium powder") has a lower market price than dehydrogenated titanium powder. Hydrogenated fine titanium powder with a particle size of 10 μm or less has a large specific surface area and absorbs a large amount of oxygen from the air due to the processing heat during grinding, so hydrogenated titanium powder with a particle size of 10 μm or less is not usually used as an alloy raw material.

特開2020-63509号公報(特許文献3)は、通常廃棄されている粒度10μm以下の水素化チタン粉末を積極的に活用することにより、生産コストを削減しつつ、高強度で高靭性のチタン焼結素材を提供する方法を提案している。具体的には、特許文献3に開示されたチタン焼結材の製造方法は、以下の工程を備える。
d)微細な水素化チタン粉末と、より大きな粒度のチタン粉末とを混合する工程。
e)混合粉末を圧縮成形して圧縮固化体を得る工程。
f)圧縮固化体に脱水素化処理を施した後に真空下で焼結する工程。
Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2020-63509 (Patent Document 3) proposes a method for providing a high-strength and high-toughness titanium sintered material while reducing production costs by actively utilizing titanium hydride powder with a particle size of 10 μm or less, which is usually discarded. Specifically, the method for producing a titanium sintered material disclosed in Patent Document 3 includes the following steps.
d) Mixing the fine titanium hydride powder with larger particle size titanium powder.
e) A step of compressing and molding the mixed powder to obtain a compact.
f) A process of subjecting the compacted body to a dehydrogenation treatment and then sintering the compacted body under vacuum.

特許文献1や特許文献3等に記載されたチタン焼結材の製造方法は、出発原料の混合粉末をプレス機で加圧成形して圧縮固化体を作製し、その後、圧縮固化体を真空下で焼結している。上記の方法とは異なるチタン焼結材の製造方法として、チタン粉末又は混合粉末を熱間等方圧加圧法(HIP)や、冷間等方圧加圧法(CIP)で固め、その固化体を真空下で焼結する方法もある。 In the manufacturing method of titanium sintered material described in Patent Document 1, Patent Document 3, etc., a mixed powder of starting materials is pressurized in a press to produce a compressed solidified body, which is then sintered under vacuum. A different manufacturing method of titanium sintered material to the above method is to solidify titanium powder or mixed powder using hot isostatic pressing (HIP) or cold isostatic pressing (CIP), and then sinter the solidified body under vacuum.

Zhigang Zak Fangらの論文「Powder metallurgy of titanium-past, present and future」(INTERNATIONAL MATERIALS REVIEW, 2017)(非特許文献1)には、水素化チタン粉末を使用することの利点が記載されている。具体的には、プレス成形過程で脆い水素化チタン粉末が粉砕されて細かい粒子となり、それらがチタン粉末間の隙間を埋めることで成形体の密度を向上させることが記載されている。また、チタン粉末中の水素が高速拡散し、焼結性を高めることも記載されている。 The paper "Powder Metallurgy of Titanium-Past, Present and Future" (INTERNATIONAL MATERIALS REVIEW, 2017) by Zhigang Zak Fang et al. describes the advantages of using titanium hydride powder. Specifically, it describes how the brittle titanium hydride powder is crushed into fine particles during the press molding process, which fill the gaps between the titanium powder particles and improve the density of the compact. It also describes how the hydrogen in the titanium powder diffuses at high speed, improving sinterability.

非特許文献1に記載されたチタン焼結材の製造方法においても、水素化チタン粉末を含む混合粉末を熱間等方圧加圧法(HIP)や冷間等方圧加圧法(CIP)で圧縮固化体とし、この圧縮固化体を真空下で焼結するようにしている。 In the method of manufacturing titanium sintered material described in Non-Patent Document 1, a mixed powder containing titanium hydride powder is compressed and solidified by hot isostatic pressing (HIP) or cold isostatic pressing (CIP), and this compressed and solidified body is then sintered under vacuum.

特開2017-88908号公報JP 2017-88908 A 特許第3459342号公報Patent No. 3459342 特開2020-63509号公報JP 2020-63509 A

Zhigang Zak Fangらの論文「Powder metallurgy of titanium-past, present and future」(INTERNATIONAL MATERIALS REVIEW, 2017)Zhigang Zak Fang et al.'s paper "Powder metallurgy of titanium - past, present and future" (INTERNATIONAL MATERIALS REVIEW, 2017)

従来のチタン焼結材の製造方法で共通しているのは、原料粉末を圧縮して圧縮固化体を作製し、その圧縮固化体を真空雰囲気中で加熱焼結することである。原料粉末を圧縮するのは、粉末間に存在する空孔を減少させて粉末間の接触面積を高めて焼結性を向上させるためである。また、真空雰囲気中で焼結するのは焼結体中に酸素を取り込まないようにするためである。 A common feature of conventional manufacturing methods for sintered titanium material is that raw material powder is compressed to produce a compressed solid, which is then heated and sintered in a vacuum atmosphere. The raw material powder is compressed in order to reduce voids between the powder particles, increase the contact area between the powder particles, and improve sintering properties. Sintering in a vacuum atmosphere is also done to prevent oxygen from being introduced into the sintered body.

従来製法の課題は、チタン粉末又は原料粉末の圧縮固化体を作製するために、プレス機やHIP設備やCIP設備等が必要であり、設備費が増大することである。また、酸素の混入を抑制するためのバッチ式真空焼結設備が必要となり、生産性を低下させ、ひいては製造コストを上昇させる。 The problem with the conventional manufacturing method is that presses, HIP equipment, CIP equipment, etc. are required to produce a compressed solidified body of titanium powder or raw material powder, which increases equipment costs. In addition, batch-type vacuum sintering equipment is required to suppress the incorporation of oxygen, which reduces productivity and ultimately increases manufacturing costs.

本発明の目的は、製造コストを低減できるチタン焼結材の製造方法を提供することである。 The object of the present invention is to provide a method for producing titanium sintered material that can reduce production costs.

本発明に従ったチタン焼結材の製造方法は、下記の工程を備える。
a)粉末全体に対する水素含有量が0.2~2.0質量%となるように調製したチタン系出発原料粉末を用意する工程。
b)上記チタン系出発原料粉末を非密封タイプのモールドに充填する工程。
c)モールド内のチタン系出発原料粉末に圧力を加えないで加熱焼結してチタン焼結材を得る工程。
A method for producing a titanium sintered material according to the present invention comprises the following steps.
a) preparing a titanium-based starting raw material powder adjusted so that the hydrogen content relative to the total amount of the powder is 0.2 to 2.0 mass %;
b) A step of filling the titanium-based starting material powder into a non-sealed mold.
c) A process of heating and sintering the titanium-based starting raw material powder in the mold without applying pressure to obtain a titanium sintered material.

チタン系出発原料粉末は、1種類の粉末でも良いし、複数種類の粉末の混合粉末でも良い。また本明細書で使用する用語としての「チタン系」および「チタン」は、実質的に金属元素としてチタンのみからなる純チタン、およびチタンを金属元素の主成分として含むチタン合金の両者を包含する用語である。 The titanium-based starting raw material powder may be one type of powder or a mixture of multiple types of powder. Furthermore, the terms "titanium-based" and "titanium" used in this specification include both pure titanium, which is essentially composed of titanium as the metallic element, and titanium alloys that contain titanium as the main metallic element.

好ましい一つの実施形態では、チタン系出発原料粉末は、水素を意図的に含有させた高水素チタン粉末と、水素を不可避的に含有する低水素チタン粉末との混合粉末である。 In one preferred embodiment, the titanium-based starting material powder is a mixed powder of high-hydrogen titanium powder, which intentionally contains hydrogen, and low-hydrogen titanium powder, which unavoidably contains hydrogen.

上記の好ましい実施形態において、高水素チタン粉末は、水素化処理したままの水素化チタン(TiH)化合物を含む高濃度水素含有チタン粉末(水素化チタン粉末)であり、低水素チタン粉末は、水素化処理していないか、水素化処理後に脱水素化処理したチタン粉末である。水素化処理していない低水素チタン粉末の一例は、アトマイズ粉末である。 In the above preferred embodiment, the high-hydrogen titanium powder is a high-concentration hydrogen-containing titanium powder (hydrogenated titanium powder) containing a titanium hydride (TiH 2 ) compound that has been subjected to hydrogenation treatment, and the low-hydrogen titanium powder is a titanium powder that has not been subjected to hydrogenation treatment or that has been subjected to dehydrogenation treatment after hydrogenation treatment. An example of the low-hydrogen titanium powder that has not been subjected to hydrogenation treatment is an atomized powder.

水素化チタン粉末中の水素含有量は、一般的には2.0~4.0質量%であり、水素を不可避的に含有する低水素チタン粉末中の水素含有量は、一般的には0.01~0.08質量%である。この場合、好ましくは、混合粉末全体に対する高水素チタン粉末の量は、10~55質量%である。 The hydrogen content in titanium hydride powder is generally 2.0 to 4.0 mass%, and the hydrogen content in low-hydrogen titanium powder, which inevitably contains hydrogen, is generally 0.01 to 0.08 mass%. In this case, the amount of high-hydrogen titanium powder relative to the total mixed powder is preferably 10 to 55 mass%.

他の実施形態では、水素化チタン粉末中の水素含有量を0.8~1.5質量%になるように調製している。低水素チタン粉末中の水素含有量は0.01~0.08質量%である。この場合、好ましくは、混合粉末全体に対する高水素チタン粉末の量は、20質量%以上100質量%未満である。 In another embodiment, the hydrogen content in the titanium hydride powder is adjusted to 0.8 to 1.5 mass%. The hydrogen content in the low hydrogen titanium powder is 0.01 to 0.08 mass%. In this case, the amount of high hydrogen titanium powder relative to the total mixed powder is preferably 20 mass% or more and less than 100 mass%.

さらに他の実施形態では、チタン系出発原料粉末は、水素含有量を意図的に0.8~1.5質量%となるように調製した高水素チタン粉末のみからなる。 In yet another embodiment, the titanium-based starting raw material powder consists solely of high-hydrogen titanium powder that has been intentionally prepared to have a hydrogen content of 0.8 to 1.5 mass%.

本明細書中に記載したいくつかの実施形態では、チタン系出発原料粉末は、実質的に金属元素としてチタンのみを含む純チタンからなる。この場合、チタン系出発原料粉末が高水素チタン粉末と低水素チタン粉末との混合粉末であれば、高水素チタン粉末および低水素チタン粉末の両者が純チタンからなる。 In some embodiments described herein, the titanium-based starting material powder consists essentially of pure titanium containing only titanium as the metallic element. In this case, if the titanium-based starting material powder is a mixed powder of high-hydrogen titanium powder and low-hydrogen titanium powder, both the high-hydrogen titanium powder and the low-hydrogen titanium powder consist of pure titanium.

本明細書中に記載した他の実施形態では、高水素チタン粉末および低水素チタン粉末の少なくともいずれか一方が、チタンを主成分として含むチタン合金からなる。高水素チタン粉末および低水素チタン粉末の両者がチタン合金からなるものであってもよい。 In other embodiments described herein, at least one of the high hydrogen titanium powder and the low hydrogen titanium powder is made of a titanium alloy containing titanium as a main component. Both the high hydrogen titanium powder and the low hydrogen titanium powder may be made of a titanium alloy.

モールド内のチタン系出発原料粉末に圧力を加えないで行う加熱焼結は、出発原料粉末中に多く含まれるTiHから分解した水素の高速拡散を利用して行うものであるので、焼結前に圧縮固化体を作製しなくても、隣接する粉末粒子の界面での固相焼結が良好に進行し、焼結性が向上する。 The heat sintering, which is carried out without applying pressure to the titanium-based starting material powder in the mold, utilizes the high-speed diffusion of hydrogen decomposed from TiH2 contained in large amounts in the starting material powder. Therefore, even if a compressed solid is not prepared before sintering, solid-phase sintering at the interfaces between adjacent powder particles proceeds smoothly, improving sinterability.

モールド内のチタン系出発原料粉末の加熱焼結を真空雰囲気中で行なってもよいし、非真空雰囲気中で行なってもよい。出発原料粉末の内部から発生する水素ガスのシールド効果によりチタン材中への酸素の混入を抑制するので、非真空雰囲気中であっても良好な焼結を行うことができる。 The titanium-based starting powder material in the mold can be heated and sintered in a vacuum or non-vacuum atmosphere. The shielding effect of hydrogen gas generated from inside the starting powder material prevents oxygen from being mixed into the titanium material, so good sintering can be achieved even in a non-vacuum atmosphere.

前記モールド内のチタン系出発原料粉末の加熱焼結は、例えば以下のことを含む。
d)常温から出発原料粉末中の水素をチタンから解離させる中間温度帯まで昇温すること。
e)チタン系出発原料粉末を上記中間温度帯で保持して水素をチタンから解離させ、解離した水素の高速拡散性を利用して粉末間の焼結を促進させること。
f)チタン系出発原料粉末を、中間温度帯から、チタン系出発原料粉末の焼結を行う高温温度帯まで昇温すること。
g)チタン系出発原料粉末を高温温度帯で保持して焼結を完了させること。
h)高温温度帯から、焼結完了後の焼結体を常温まで冷却すること。
Heating and sintering the titanium-based starting material powder in the mold may, for example, include the following:
d) Raising the temperature from room temperature to an intermediate temperature range where hydrogen in the starting raw material powder is dissociated from titanium.
e) The titanium-based starting raw material powder is maintained in the above-mentioned intermediate temperature zone to dissociate hydrogen from the titanium, and sintering between the powder particles is promoted by utilizing the high-speed diffusivity of the dissociated hydrogen.
f) Raising the temperature of the titanium-based starting material powder from an intermediate temperature zone to a high temperature zone for sintering the titanium-based starting material powder.
g) maintaining the titanium-based starting material powder in a high temperature zone to complete sintering;
h) Cooling the sintered body after sintering is completed from the high temperature zone to room temperature.

上記の中間温度帯は、好ましくは550℃~850℃の範囲内にある。また、高温温度帯は、850~1400℃の範囲内にある。一つの実施形態では、中間温度帯は、低温側中間温度帯および高温側中間温度帯を有し、チタン系出発原料粉末は、低温側中間温度帯で保持された後に高温側中間温度帯にまで昇温され、高温側中間温度帯で保持された後に上記の高温温度帯にまで昇温される。 The intermediate temperature zone is preferably in the range of 550°C to 850°C. The high temperature zone is in the range of 850°C to 1400°C. In one embodiment, the intermediate temperature zone has a low-temperature side intermediate temperature zone and a high-temperature side intermediate temperature zone, and the titanium-based starting raw material powder is held in the low-temperature side intermediate temperature zone and then heated to the high-temperature side intermediate temperature zone, and is held in the high-temperature side intermediate temperature zone and then heated to the high-temperature side intermediate temperature zone.

チタン系出発原料粉末が高水素チタン粉末と低水素チタン粉末との混合粉末である場合、低水素チタン粉末は、典型的には、脱水素化チタン粉末またはアトマイズ粉末である。 When the titanium-based starting raw material powder is a mixed powder of high hydrogen titanium powder and low hydrogen titanium powder, the low hydrogen titanium powder is typically dehydrogenated titanium powder or atomized powder.

1つの実施形態では、高水素チタン粉末および低水素チタン粉末は、実質的に金属元素としてチタンのみを含む純チタンからなる。この実施形態の場合、上記の混合粉末にさらに微量の鉄(Fe)粉を添加してもよい。 In one embodiment, the high hydrogen titanium powder and the low hydrogen titanium powder are made of pure titanium that contains substantially only titanium as a metallic element. In this embodiment, a small amount of iron (Fe) powder may be further added to the above mixed powder.

他の実施形態では、高水素チタン粉末および低水素チタン粉末の少なくともいずれか一方は、チタンを主成分として含むチタン合金からなる。チタン合金として、例えば64チタン合金(Ti-6Al-4V)が適用される。 In another embodiment, at least one of the high hydrogen titanium powder and the low hydrogen titanium powder is made of a titanium alloy containing titanium as a main component. For example, titanium alloy 64 (Ti-6Al-4V) is used as the titanium alloy.

本発明によれば、粉末全体に対する水素含有量が0.2~2.0質量%となるように調製したチタン系出発原料粉末を非密封タイプのモールドに入れ、加圧することなく、モールド内で加熱焼結すれば、分解した水素の高速拡散を利用して粉末粒子間の固相焼結性を高めるので、従来のようなプレス機や、CIP設備や、HIP設備は不要となり、設備費を大幅に削減できる。 According to the present invention, titanium-based starting raw material powder, which has been prepared so that the hydrogen content of the entire powder is 0.2 to 2.0 mass%, is placed in a non-sealed mold and heated and sintered in the mold without pressure. This utilizes the high-speed diffusion of decomposed hydrogen to improve the solid-phase sintering between the powder particles, eliminating the need for conventional presses, CIP equipment, or HIP equipment, and allowing for significant reductions in equipment costs.

モールドに充填された焼結前の原料粉末と、焼結後の焼結材とを示す写真である。3 is a photograph showing raw material powder filled in a mold before sintering and the sintered material after sintering. 焼結後の焼結材の縦断面の上面部と、中央部と、底面部とを示す写真である。4 is a photograph showing the top, center, and bottom portions of a vertical cross section of a sintered material after sintering. 異なった昇温速度で焼結した2つの焼結材を示す写真である。Photographs showing two sintered materials sintered at different heating rates. 検証4に記載の条件で焼結した焼結材の写真である。13 is a photograph of a sintered material sintered under the conditions described in Verification 4. 非密封タイプのモールドの構造の例を示す図である。1A and 1B are diagrams showing examples of the structure of a non-sealing type mold. 焼結後の焼結材の組織を示す写真である。4 is a photograph showing the structure of a sintered material after sintering. 表3における試料No.105の混合粉末の走査型電子顕微鏡写真である。1 is a scanning electron microscope photograph of the mixed powder of Sample No. 105 in Table 3. 試料No.101(比較例)および試料No.104(実施例)の焼結体の光学顕微鏡による組織写真である。1 is an optical microscope photograph of the structure of sintered bodies of Sample No. 101 (Comparative Example) and Sample No. 104 (Example). 試料No.111の混合粉末の走査型電子顕微鏡写真である。1 is a scanning electron microscope photograph of the mixed powder of Sample No. 111. 試料No.16の焼結後の焼結体を示す写真である。1 is a photograph showing a sintered body of Sample No. 16 after sintering. TiHの分解によって発生した水素ガスのシールド効果を説明するための図である。FIG. 1 is a diagram for explaining the shielding effect of hydrogen gas generated by decomposition of TiH 2 .

本願発明者らは、チタン粉末中に水素が過剰に含まれている場合、水素の高速拡散性を利用して緻密な固相焼結体が得られるのではないかと考え、種々の実験を行った。データを示して後に詳細に説明するが、結論として、出発原料としてのチタン粉末中の水素含有量を適正な範囲に調整し、非密封タイプのモールドに粉末を入れて適正な条件で加熱焼結すれば、TiHの分解によって発生した水素がチタン粉末粒子間で高速に拡散し、それに伴ってチタン成分も粉末粒子間で拡散して固相焼結を促進することを見出した。その際に、モールド内のチタン系出発原料粉末に圧力を加えなくても緻密な焼結材が得られることも見出した。加熱処理中にチタン粉末の内部から発生する水素ガスのシールド効果によりチタン材中への酸素の混入も抑制するので、非真空雰囲気中での焼結が可能であることも見出した。その結果、従来のバッチ式真空焼結設備ではなく、連続式非真空焼結設備が利用できることから、焼結工程に係る費用を低減できるといった経済的利点がある。 The inventors of the present application conducted various experiments, thinking that when hydrogen is contained in excess in titanium powder, a dense solid-phase sintered body can be obtained by utilizing the high-speed diffusion of hydrogen. The data will be presented and explained in detail later, but in conclusion, they found that if the hydrogen content in the titanium powder as the starting material is adjusted to an appropriate range, the powder is placed in a non-sealed mold, and the powder is heated and sintered under appropriate conditions, the hydrogen generated by the decomposition of TiH2 diffuses rapidly between the titanium powder particles, and the titanium components also diffuse between the powder particles, promoting solid-phase sintering. They also found that a dense sintered material can be obtained without applying pressure to the titanium-based starting material powder in the mold. They also found that sintering in a non-vacuum atmosphere is possible because the shielding effect of the hydrogen gas generated from inside the titanium powder during the heat treatment suppresses the intrusion of oxygen into the titanium material. As a result, continuous non-vacuum sintering equipment can be used instead of the conventional batch-type vacuum sintering equipment, which has the economic advantage of reducing the cost of the sintering process.

水素の高速拡散を利用してチタン焼結材を得るための重要な要素として、以下の点を挙げることができる。 The following points are important factors for obtaining titanium sintered material using the rapid diffusion of hydrogen:

a)非密封タイプのモールドの使用 a) Use of non-sealed type molds

b)高水素チタン粉末の利用 b) Use of high hydrogen titanium powder

c)高水素チタン粉末と低水素チタン粉末との配合比 c) Mixing ratio of high hydrogen titanium powder to low hydrogen titanium powder

d)チタン粉末中からの急激な水素の放出を抑制するための緩やかな昇温速度 d) A slow heating rate to prevent the rapid release of hydrogen from the titanium powder.

e)TiHを十分に分解させるための中間温度での保持 e) Holding at intermediate temperature to fully decompose TiH2

f)十分な焼結を行うための高温温度での保持 f) Holding at high temperatures to ensure sufficient sintering.

[小型モールドを用いた粉末充填焼結法の検証基礎実験] [Basic verification experiment of powder packing sintering method using small mold]

[検証1:上部開放アルミナ製モールドの使用] [Verification 1: Use of an open-top alumina mold]

縦横寸法が120mm×120mmの上部開放アルミナ製モールドに水素化処理したままの高水素チタン粉末のみからなるチタン系出発原料粉末を充填し、加圧することなく真空雰囲気中で常温から1000℃まで昇温し、1000℃で24時間保持して焼結した後、炉内で冷却した。 A titanium-based starting raw material powder consisting only of hydrogen-treated high-hydrogen titanium powder was filled into an open-top alumina mold measuring 120 mm x 120 mm in length and width, and the temperature was raised from room temperature to 1000°C in a vacuum atmosphere without applying pressure. The material was sintered by holding it at 1000°C for 24 hours, and then cooled in a furnace.

市場で入手できる水素化処理したままの高水素チタン粉末中の水素含有量は、一般的には2.0~4.0質量%である。 The hydrogen content in commercially available high-hydrogen titanium powder that has been hydrogenated is generally 2.0 to 4.0 mass%.

比較のために、チタン系出発原料粉末を、水素化処理後に脱水素化処理した低水素チタン粉末のみからなるものも準備し、上記の高水素チタン粉末のみからなる出発原料粉末の加熱焼結条件と同じ条件で、低水素チタン粉末のみからなる出発原料粉末を焼結した。市場で入手できる低水素チタン粉末中の水素含有量は、一般的には0.01~0.08質量%である。 For comparison, a titanium-based starting material powder consisting only of low-hydrogen titanium powder that had been dehydrogenated after hydrogenation was also prepared, and the starting material powder consisting only of low-hydrogen titanium powder was sintered under the same heating and sintering conditions as those for the starting material powder consisting only of the high-hydrogen titanium powder. The hydrogen content in commercially available low-hydrogen titanium powder is generally 0.01 to 0.08% by mass.

その結果、高水素チタン粉末のみからなる出発原料粉末を充填したアルミナ製モールドは、破損していた。他方、低水素チタン粉末のみからなる出発原料粉末を充填したアルミナ製モールドは、破損していなかった。この理由は、高水素チタン粉末のみからなる出発原料粉末を使用した場合には、昇温過程および焼結過程で、焼結進行体が、TiHの分解および水素の放出により膨張してアルミナ製モールドを破壊したからと思われる。 As a result, the alumina mold filled with starting material powder consisting only of high hydrogen titanium powder was broken. On the other hand, the alumina mold filled with starting material powder consisting only of low hydrogen titanium powder was not broken. The reason for this is thought to be that when starting material powder consisting only of high hydrogen titanium powder was used, the sintering progress body expanded during the heating process and sintering process due to the decomposition of TiH2 and the release of hydrogen, destroying the alumina mold.

上記の検証から、焼結進行体の急激な体積膨張を避けるためにはチタン系出発原料粉末中の水素含有量を適正な範囲になるように調製することが望ましいこと、高水素チタン粉末中の水素含有量が2.0%以上である場合には、高水素チタン粉末の比率を100%とするのではなく、高水素チタン粉末と低水素チタン粉末とを混合した出発原料粉末とすることが望ましいこと、TiHの急激な分解および水素の急激な放出を抑制するために急激な温度上昇や加熱を避けることが望ましいこと、焼結進行体の体積膨張に耐え得る高強度なモールド(例えば、ステンレス製)の使用が望ましいことを見出した。 From the above verification, it has been found that in order to avoid a sudden volume expansion of the sintering progress body, it is desirable to adjust the hydrogen content in the titanium-based starting raw material powder to be within an appropriate range, that when the hydrogen content in the high-hydrogen titanium powder is 2.0% or more, it is desirable to use a starting raw material powder that is a mixture of high-hydrogen titanium powder and low-hydrogen titanium powder rather than using 100% high-hydrogen titanium powder, that it is desirable to avoid a sudden increase in temperature or heating in order to suppress the sudden decomposition of TiH2 and the sudden release of hydrogen, and that it is desirable to use a high-strength mold (e.g., made of stainless steel) that can withstand the volume expansion of the sintering progress body.

[検証2:水素の高速拡散による焼結促進] [Verification 2: Accelerated sintering due to rapid hydrogen diffusion]

出発原料として、純チタン粉末と水素化処理した水素化純チタン粉末とを準備し、混合粉末全体に対する水素化純チタン粉末の量が30質量%となるように調製した。純チタン粉末は水素化処理後に脱水素化処理した純チタン粉末であり、粉末中の水素含有量は0.01~0.08質量%の範囲内であった。水素化処理した水素化純チタン粉末中の水素含有量は、2.0~4.0質量%の範囲内であった。 Pure titanium powder and hydrogenated pure titanium powder were prepared as starting materials, and the amount of hydrogenated pure titanium powder was adjusted to 30 mass% of the total mixed powder. The pure titanium powder was pure titanium powder that had been dehydrogenated after hydrogenation treatment, and the hydrogen content in the powder was in the range of 0.01 to 0.08 mass%. The hydrogen content in the hydrogenated pure titanium powder was in the range of 2.0 to 4.0 mass%.

小型モールドとして、上部開放の金属製モールド(50mm×70mm×10mmH)を用意した。 A metal mold (50 mm x 70 mm x 10 mmH) with an open top was prepared as a small mold.

混合粉末を小型モールドに充填し、加圧することなく真空雰囲気中で常温から600℃の中間温度にまで昇温し、600℃で約1.5時間保持し、その後1000℃の高温温度まで昇温し、1000℃で約2時間保持した後に炉内で冷却した。中間温度の600℃で約1.5時間保持したのは、この温度域でTiHを十分に分解し、解離した水素の高速拡散性を有効に利用するためである。 The mixed powder was filled into a small mold, heated from room temperature to an intermediate temperature of 600°C in a vacuum atmosphere without pressurization, held at 600°C for about 1.5 hours, then heated to a high temperature of 1000°C, held at 1000°C for about 2 hours, and then cooled in a furnace. The intermediate temperature of 600°C was held for about 1.5 hours in order to fully decompose TiH2 in this temperature range and effectively utilize the high-speed diffusivity of the dissociated hydrogen.

原料粉末(混合粉末)中の水素含有量は1.105質量%、酸素含有量は0.457質量%、窒素含有量は0.109質量%であり、焼結後の焼結材の水素含有量は0.009質量%、酸素含有量は0.409質量%、窒素含有量は0.028質量%であった。 The hydrogen content in the raw powder (mixed powder) was 1.105% by mass, the oxygen content was 0.457% by mass, and the nitrogen content was 0.109% by mass. After sintering, the hydrogen content in the sintered material was 0.009% by mass, the oxygen content was 0.409% by mass, and the nitrogen content was 0.028% by mass.

図1は、モールドに充填された焼結前の原料粉末と、焼結後の焼結材とを示す写真である。焼結前の原料粉末全体に対する水素化純チタン粉末の量は30質量%であり、原料粉末全体における水素含有量は1.105質量%であった。 Figure 1 is a photograph showing the raw material powder before sintering filled in a mold and the sintered material after sintering. The amount of hydrogenated pure titanium powder relative to the total raw material powder before sintering was 30 mass%, and the hydrogen content in the total raw material powder was 1.105 mass%.

焼結後の焼結材とモールドの内側面との間には隙間が存在しており、原料粉末が焼結処理中に収縮して焼結材になったことが認められる。収縮率は14.3%であった。また、焼結材の1cm当たりの重量は3.85gであり、相対密度は86.5%であった。 There was a gap between the sintered material and the inner surface of the mold after sintering, and it was confirmed that the raw material powder had shrunk during the sintering process to become the sintered material. The shrinkage rate was 14.3%. The weight of the sintered material was 3.85 g per cm3 , and the relative density was 86.5%.

図2は、焼結後の焼結材の縦断面の上面部と、中央部と、底面部とを示す写真である。中央部では空孔が見られず、密度が高いことが認められる。これは、TiHの分解によって発生した水素が粉末粒子間で高速に拡散し、チタン粒子間の固相焼結を促進したからであると認めることができる。 Figure 2 is a photograph showing the top, center, and bottom of the longitudinal section of the sintered material after sintering. It can be seen that there are no voids in the center, and the density is high. This is because hydrogen generated by the decomposition of TiH2 diffuses between the powder particles at high speed, promoting solid-phase sintering between the titanium particles.

上面部および底面部では、空孔が多く見られるが、これは水素ガスが外部に抜けるときに形成されたものと認められる。焼結処理時の昇温速度が高すぎると、水素が原料粉末外に抜け出す量が多くなり、水素の高速拡散を利用した焼結に支障をきたすと思われる。 Many voids can be seen on the top and bottom surfaces, which are believed to have been formed when hydrogen gas escaped to the outside. If the heating rate during the sintering process is too high, a large amount of hydrogen will escape from the raw powder, which is thought to interfere with sintering, which utilizes the high-speed diffusion of hydrogen.

[検証3:昇温速度] [Verification 3: Heating rate]

図3は、異なった昇温速度で焼結した2つの焼結材を示す写真である。出発原料は、共に、低水素純チタン粉末と水素化処理したままの高水素純チタン粉末とを混合したものであり、混合粉末全体に対する高水素純チタン粉末の量を30質量%となるように調製した。混合粉末全体に対する水素含有量は0.8質量%であった。写真(a)は、加熱焼結処理時の昇温速度を50℃/minで作製したチタン焼結材であり、写真(b)は昇温速度を20℃/minで作製したチタン焼結材である。2つの写真を比較すれば明らかなように、昇温速度が高いほど亀裂が発生し易くなることが認められる。 Figure 3 is a photograph showing two sintered materials sintered at different heating rates. The starting materials were both mixtures of low-hydrogen pure titanium powder and high-hydrogen pure titanium powder that had been hydrogenated, and the amount of high-hydrogen pure titanium powder relative to the total mixed powder was adjusted to 30 mass%. The hydrogen content relative to the total mixed powder was 0.8 mass%. Photograph (a) shows a titanium sintered material produced at a heating rate of 50°C/min during the heat sintering process, and photograph (b) shows a titanium sintered material produced at a heating rate of 20°C/min. Comparing the two photographs, it is clear that the higher the heating rate, the more likely cracks are to occur.

[検証4:モールドを用いた粉末充填焼結法で得た焼結材の強度特性] [Verification 4: Strength characteristics of sintered materials obtained by powder packing sintering method using a mold]

低水素純チタン粉末と高水素純チタン粉末とを混合し、混合粉末全体に対する高水素純チタン粉末の量を40質量%に調製して出発原料とした。出発原料粉末をモールドに充填し、加圧することなく真空雰囲気中で常温から昇温速度10~20℃/minで600℃まで昇温し、600℃で1.5時間保持し、その後、昇温速度10~20℃/minで1000℃まで昇温し、1000℃で2時間保持して焼結させた後に、炉内冷却して焼結材を得た。出発原料粉末全体の水素含有量は1.13質量%であった。 The starting material was prepared by mixing low hydrogen pure titanium powder and high hydrogen pure titanium powder, with the amount of high hydrogen pure titanium powder being 40% by mass relative to the total mixed powder. The starting material powder was filled into a mold, and heated from room temperature to 600°C at a heating rate of 10-20°C/min in a vacuum atmosphere without pressure, and held at 600°C for 1.5 hours, then heated to 1000°C at a heating rate of 10-20°C/min, and held at 1000°C for 2 hours for sintering, after which it was cooled in a furnace to obtain a sintered material. The hydrogen content of the entire starting material powder was 1.13% by mass.

図4は、上記の条件で焼結した焼結材の写真である。写真からも明らかなように、焼結材は内部亀裂の発生の無いものであり、その相対密度は89.5%であった。 Figure 4 is a photograph of the sintered material sintered under the above conditions. As is clear from the photograph, the sintered material was free of internal cracks and had a relative density of 89.5%.

上記のようにして得られた焼結材に熱間塑性加工を施し、強度試験のための試作材を作製した。試作材とJIS4種の純チタンとの特性の比較を表1に示す。 The sintered material obtained as described above was subjected to hot plastic processing to produce prototype materials for strength testing. A comparison of the properties of the prototype materials and JIS Type 4 pure titanium is shown in Table 1.

表1からわかるように、引張耐力、引張強さ、破断伸びの各特性において、試作材はJIS4種の純チタンよりも優れていることが認められる。 As can be seen from Table 1, the prototype material is superior to JIS Class 4 pure titanium in terms of tensile yield strength, tensile strength, and breaking elongation.

[検証5:モールドの構造] [Verification 5: Mold structure]

出発原料粉末を充填するためのモールドとしては、非密封タイプのものであればよく、図5に模式的に示す構造のものを使用できることを確認した。 The mold for filling the starting raw material powder can be of any non-sealed type, and we confirmed that one with the structure shown diagrammatically in Figure 5 can be used.

図5において、(a)で示すものは上部開放型のモールドであり、(b)は上部開放のモールドに充填した原料粉末上に蓋を載せたものである。蓋と、モールドの内側壁面との間には隙間がある。(c)は上部開放のモールドの側壁上端面上に蓋を置いたものであり、蓋とモールドの側壁上端面との間には微小隙間が存在している。蓋を使用することのメリットは、モールド内の粉末が舞わないようすることである。 In Figure 5, (a) shows an open-top mold, and (b) shows an open-top mold with a lid placed on top of the raw material powder filled in it. There is a gap between the lid and the inner wall surface of the mold. (c) shows an open-top mold with a lid placed on the top end surface of the side wall, and there is a small gap between the lid and the top end surface of the side wall of the mold. The advantage of using a lid is that it prevents the powder inside the mold from flying around.

図5の(a)、(b)、(c)に示すモールドの構造は例示的なものであり、非密封タイプのモールドであれば、図5に示した構造以外のものも使用可能である。 The mold structures shown in Figures 5(a), (b), and (c) are illustrative, and structures other than those shown in Figure 5 can be used as long as they are non-sealed type molds.

[検証6:水素化チタン粉末の粒度の影響] [Verification 6: Effect of particle size of titanium hydride powder]

出発原料として、純チタン粉末と水素化純チタン粉末とを準備し、混合粉末全体に対する水素化純チタン粉末の量が50質量%となるように調製した。使用する水素化チタン粉末として、平均粒度が10μm未満のものと、平均粒度が10~45μm未満のものと、平均粒度が45~150μm未満のものとを準備した。 As starting materials, pure titanium powder and hydrogenated pure titanium powder were prepared, and the amount of hydrogenated pure titanium powder was adjusted to 50 mass% of the total mixed powder. The hydrogenated titanium powders used were prepared with an average particle size of less than 10 μm, an average particle size of 10 to less than 45 μm, and an average particle size of 45 to less than 150 μm.

出発原料混合粉末を上部開放のモールド(91mm×91mm)内に充填し、真空雰囲気中で加圧することなく、常温から600℃まで昇温し(昇温速度10~20℃/min),600℃で2時間保持し、その後、昇温速度10~20℃/minで1000℃まで昇温し、1000℃で24時間保持して焼結した後に、炉内で冷却した。 The starting raw material powder mixture was filled into an open-top mold (91 mm x 91 mm) and heated from room temperature to 600°C without pressure in a vacuum atmosphere (heating rate 10-20°C/min), held at 600°C for 2 hours, then heated to 1000°C at a heating rate of 10-20°C/min, held at 1000°C for 24 hours for sintering, and then cooled in a furnace.

図6は、焼結後の焼結材の組織写真を示すものであり、(a)は平均粒度が10μm未満の水素化チタン粉末を使用したもの、(b)は平均粒度が10~45μm未満の水素化チタン粉末を使用したもの、(c)は平均粒度が45~150μm未満の水素化チタン粉末を使用したものを示している。(a)の焼結材の密度は99.8%であり、空孔の存在はわずかである。(b)の焼結材の密度は96.2%であり、空孔が分散して現れているのが観察された。(c)の焼結材の密度は82.9%であり、分散する空孔の面積(体積)が大きくなっていることが観察された。 Figure 6 shows the structure of the sintered material after sintering, where (a) uses titanium hydride powder with an average particle size of less than 10 μm, (b) uses titanium hydride powder with an average particle size of 10 to less than 45 μm, and (c) uses titanium hydride powder with an average particle size of 45 to less than 150 μm. The density of the sintered material in (a) is 99.8%, with only a few voids present. The density of the sintered material in (b) is 96.2%, with dispersed voids observed. The density of the sintered material in (c) is 82.9%, with the area (volume) of the dispersed voids observed to be larger.

図6に示した結果から、水素化チタン粉末として微細粒度のものを使用すれば、焼結密度が向上することが認められた。 The results shown in Figure 6 indicate that the sintered density can be improved by using fine-grained titanium hydride powder.

[好ましい加熱・焼結条件] [Preferred heating and sintering conditions]

非密封タイプのモールドを用いたチタン粉末充填焼結法の好ましい特徴は以下の通りである。 The favorable features of the titanium powder packing sintering method using a non-sealed mold are as follows:

a)常温から中間温度帯まで昇温し、中間温度で一定時間保持すること。 a) Raise the temperature from room temperature to the intermediate temperature range and hold it at the intermediate temperature for a certain period of time.

中間温度帯で一定時間保持するのは、TiHを十分に分解させ、解離した水素の高速拡散を利用して焼結を促進するためである。TiHを分解させる中間温度帯は550℃~850℃であり、保持時間に制限は無いが例えば1時間~3時間程度である。 The reason for holding the intermediate temperature for a certain period of time is to fully decompose TiH2 and promote sintering by utilizing the high-speed diffusion of dissociated hydrogen. The intermediate temperature range for decomposing TiH2 is 550°C to 850°C, and although there is no limit to the holding time, it is, for example, about 1 hour to 3 hours.

b)中間温度帯から高温温度帯まで昇温し、高温温度帯で一定時間保持すること。 b) Raise the temperature from the intermediate temperature zone to the high temperature zone and hold it at the high temperature zone for a certain period of time.

高温温度帯で一定時間保持するのは、完全焼結を行うためである。適正な焼結温度は、合金組成によって異なる。チタンを主成分とするチタン焼結材であれば、完全焼結を行うための高温温度帯は、850℃~1400℃であり、保持時間に制限は無いが例えば2時間~24時間程度である。 The reason for holding the material in the high-temperature zone for a certain period of time is to ensure complete sintering. The appropriate sintering temperature varies depending on the alloy composition. For titanium sintered material, which is mainly composed of titanium, the high-temperature zone for complete sintering is 850°C to 1400°C, and although there is no limit to the holding time, it is, for example, around 2 to 24 hours.

c)常温から中間温度まで、および中間温度から高温温度までの昇温速度 c) Heating rate from room temperature to intermediate temperature and from intermediate temperature to high temperature

TiHの急激な分解や、解離した水素の外部への放出を抑制するために、昇温速度を10℃/min~30℃/minの範囲にするのが望ましい。 In order to suppress the rapid decomposition of TiH 2 and the release of dissociated hydrogen to the outside, it is desirable to set the temperature rise rate in the range of 10° C./min to 30° C./min.

d)加熱・焼結雰囲気 d) Heating and sintering atmosphere

チタン材中への酸素の取り込みを抑制する観点からすると、チタン焼結材を得るための加熱・焼結雰囲気を真空雰囲気にするのが望ましいが、非密封タイプのモールドを利用した粉末充填焼結法であれば、アルゴン雰囲気のような非真空雰囲気であっても、チタン材中への酸素の取り込みを抑制して焼結を行うことができる。その理由は、チタン材の内部から発生する水素ガスのシールド効果によりチタン材中への酸素の混入を抑制することができるからである。 From the perspective of preventing oxygen from being absorbed into the titanium material, it is desirable to use a vacuum atmosphere for the heating and sintering atmosphere to obtain titanium sintered material, but if the powder packing sintering method uses a non-sealed mold, it is possible to perform sintering while preventing oxygen from being absorbed into the titanium material, even in a non-vacuum atmosphere such as an argon atmosphere. This is because the shielding effect of hydrogen gas generated from inside the titanium material prevents oxygen from being mixed into the titanium material.

[高水素チタン粉末] [High hydrogen titanium powder]

高水素チタン粉末は、水素化処理したままの水素化チタン(TiH)化合物を含む高濃度水素含有チタン粉末(水素化チタン粉末)であり、水素を多く含む。市場で入手可能な水素化チタン粉末中の水素含有量は、一般的には2.0~4.0質量%の範囲内にあるが、意図的に水素含有量を調製することも可能である。本発明のモールド粉末充填焼結法では、より微細な水素化チタン粉末を使用すれば焼結材の密度の向上が見込まれるが、特に粒度の限定は必要ではない。 The high hydrogen titanium powder is a high hydrogen content titanium powder (titanium hydride powder) containing titanium hydride (TiH 2 ) compound as it is after hydrogenation treatment, and contains a large amount of hydrogen. The hydrogen content in commercially available titanium hydride powder is generally in the range of 2.0 to 4.0 mass%, but it is also possible to intentionally adjust the hydrogen content. In the mold powder filling sintering method of the present invention, the density of the sintered material is expected to improve if finer titanium hydride powder is used, but there is no need to limit the particle size.

「チタン粉末」という用語は、本明細書においては、純チタン粉末だけではなく、64チタン合金(Ti-6Al-4V)のようなチタンを主成分とするチタン合金粉末も含むものである。 The term "titanium powder" as used herein includes not only pure titanium powder, but also titanium alloy powders whose main component is titanium, such as titanium alloy 64 (Ti-6Al-4V).

[低水素チタン粉末] [Low hydrogen titanium powder]

低水素チタン粉末は、水素化処理後に脱水素化処理したチタン粉末や、アトマイズ法で得られたチタン粉末を含む。「チタン粉末」という用語は、本明細書においては、純チタン粉末だけでなく、チタンを主成分とするチタン合金粉末も含むものである。低水素チタン粉末中の水素含有量は不可避的に含まれる量であり、一般的には0.01~0.08質量%である。 Low-hydrogen titanium powder includes titanium powder that has been dehydrogenated after hydrogenation, and titanium powder obtained by atomization. In this specification, the term "titanium powder" includes not only pure titanium powder, but also titanium alloy powder containing titanium as the main component. The hydrogen content in low-hydrogen titanium powder is an unavoidable amount, and is generally 0.01 to 0.08 mass%.

[高水素チタン粉末と低水素チタン粉末との配合比を変えた試験] [Tests changing the mixing ratio of high hydrogen titanium powder and low hydrogen titanium powder]

[試験1] [Test 1]

下記の条件で、高水素チタン粉末(水素含有量:2.0~4.0質量%)と低水素チタン粉末(水素含有量:0.01~0.08質量%)との配合比を変えて、得られた焼結体の密度および圧延後の特性(引張強さ及び破断伸び)を測定した。 The density and post-rolling properties (tensile strength and elongation at break) of the sintered bodies obtained were measured by changing the compounding ratio of high-hydrogen titanium powder (hydrogen content: 2.0-4.0% by mass) and low-hydrogen titanium powder (hydrogen content: 0.01-0.08% by mass) under the following conditions.

出発原料粉末の重量:500g Weight of starting powder: 500g

使用した非密封タイプのモールドの内寸:101mm×101mm Inner dimensions of the non-sealed mold used: 101mm x 101mm

焼結雰囲気:真空 Sintering atmosphere: vacuum

昇温・焼結パターン: Heating and sintering pattern:

常温→600℃に昇温(1.5h保持)→800℃に昇温(1.5h保持)→1000℃に昇温(10h保持)→炉内冷却→50℃付近で炉からモールドを取り出す。 Room temperature → Heat to 600°C (hold for 1.5 hours) → Heat to 800°C (hold for 1.5 hours) → Heat to 1000°C (hold for 10 hours) → Cool inside the furnace → Remove the mold from the furnace at around 50°C.

使用した高水素チタン粉末:平均粒度10μm以下の水素化処理したままの水素化純チタン粉末 High hydrogen titanium powder used: hydrogenated pure titanium powder with average particle size of 10 μm or less, as hydrogenated.

使用した低水素チタン粉末:平均粒度10μmを超え45μm以下の脱水素化処理した純チタン粉末 Low hydrogen titanium powder used: Dehydrogenated pure titanium powder with an average particle size of more than 10 μm and less than 45 μm

密度の測定:JIS Z8807に記載の「液中ひょう量法」に相当するアルキメデス法による Density measurement: Archimedes method, which corresponds to the "weighing method in liquid" described in JIS Z8807.

相対密度(%)の算出:純Tiの比重を4.51g/cmとして算出 Calculation of relative density (%): Calculation was made assuming the specific gravity of pure Ti to be 4.51 g/ cm3

結果を下記の表2に示す。 The results are shown in Table 2 below.

混合粉末全体に対する水素化チタン粉末(高水素チタン粉末)の比率が20~50質量%の試料No.2~4を見ると、混合粉末中の水素含有量が0.666質量%~1.707質量%であり、焼結体の相対密度は94.3~96.2%であった。また、試料No.2~3の圧延後の引張強さは702~798MPaであり、破断伸びは30.0~30.3%であった。この相対密度および圧延後の特性は、実用上、有効なチタン焼結材として利用できる値である。実用上有効なチタン焼結材の相対密度としては、85%以上が望ましい。 Looking at samples No. 2 to 4, in which the ratio of titanium hydride powder (high hydrogen titanium powder) to the total mixed powder was 20 to 50 mass%, the hydrogen content in the mixed powder was 0.666 mass% to 1.707 mass%, and the relative density of the sintered body was 94.3 to 96.2%. Furthermore, the tensile strength after rolling of samples No. 2 to 3 was 702 to 798 MPa, and the breaking elongation was 30.0 to 30.3%. These relative densities and post-rolling properties are values that allow the material to be used as a practically effective titanium sintered material. A relative density of 85% or more is desirable for a practically effective titanium sintered material.

水素化チタン粉末を含まない試料No.1の出発原料粉末中の水素含有量は0.012質量%であり、焼結体の相対密度は88.1%であった。 The hydrogen content in the starting powder material of sample No. 1, which did not contain titanium hydride powder, was 0.012 mass%, and the relative density of the sintered body was 88.1%.

試料No.1~4から、出発原料粉末として水素化チタン粉末を含み、混合粉末中の水素含有量を0.6質量%以上にすれば、焼結体の密度が向上することが認められる。 From samples No. 1 to 4, it can be seen that the density of the sintered body is improved by including titanium hydride powder as the starting raw material powder and setting the hydrogen content in the mixed powder to 0.6 mass% or more.

試料No.5~6は、混合粉末中の水素化チタン粉末の量が60質量%以上であり、混合粉末中の水素含有量が2.0%を超えるものである。この試料No.5~6の焼結体は焼結処理時に割れたため、相対密度を測定しなかった。この結果から、焼結体の割れを防ぐためには、混合粉末中の水素含有量を2.0質量%以下にすることが望ましいと思われる。 In samples No. 5 and No. 6, the amount of titanium hydride powder in the mixed powder is 60 mass% or more, and the hydrogen content in the mixed powder exceeds 2.0%. The sintered bodies of samples No. 5 and No. 6 were cracked during the sintering process, so the relative density was not measured. From these results, it seems that in order to prevent cracking of the sintered body, it is desirable to keep the hydrogen content in the mixed powder at 2.0 mass% or less.

また、高水素チタン粉末中の水素含有量が2.0~4.0質量%であり、低水素チタン粉末中の水素含有量が不可避的に含まれる量(0.01~0.08質量%)である場合には、混合粉末全体に対する高水素チタン粉末の量を55質量%以下にすることが望ましいことが認められる。試験1では、混合粉末全体に対する高水素チタン粉末の量の下限値を20質量%とした(試料No.2)。試料No.2の焼結体の相対密度は94.3%であり、高水素チタン粉末を含まない試料No.1に比べてかなり高い。目標とする相対密度85%以上を満たすという観点から見ると、混合粉末全体に対する高水素チタン粉末の量は、10質量%以上が好ましいと思われる。 In addition, when the hydrogen content in the high-hydrogen titanium powder is 2.0-4.0 mass% and the hydrogen content in the low-hydrogen titanium powder is an unavoidable amount (0.01-0.08 mass%), it is found that it is desirable to set the amount of high-hydrogen titanium powder to 55 mass% or less of the total mixed powder. In Test 1, the lower limit of the amount of high-hydrogen titanium powder to the total mixed powder was set to 20 mass% (Sample No. 2). The relative density of the sintered body of Sample No. 2 was 94.3%, which is significantly higher than that of Sample No. 1, which does not contain high-hydrogen titanium powder. From the perspective of achieving the target relative density of 85% or more, it seems preferable that the amount of high-hydrogen titanium powder to the total mixed powder be 10 mass% or more.

[試験2] [Test 2]

水素化純チタン粉末(平均粒子径:48μm、水素含有量:2.0~4.0質量%))と、水素化・脱水素化純Ti粉末(平均粒子径:28μm)とを出発原料とし、両粉末を下記の表3に示す配合比率で混合した。 Hydrogenated pure titanium powder (average particle size: 48 μm, hydrogen content: 2.0-4.0% by mass) and hydrogenated/dehydrogenated pure Ti powder (average particle size: 28 μm) were used as starting materials, and the two powders were mixed in the ratio shown in Table 3 below.

各混合粉末100gを内寸幅50mm×長さ70mmの矩形状金型(非密封タイプのモールド)に充填した後、モールドを真空加熱炉に投入して次に示す昇温・加熱パターンのもとで加熱焼結を行った。 100 g of each mixed powder was filled into a rectangular mold (non-sealed type mold) with inner dimensions of 50 mm width x 70 mm length, and then the mold was placed in a vacuum heating furnace and heated and sintered according to the following heating and heating pattern.

昇温・焼結パターン: Heating and sintering pattern:

常温→650℃に昇温(1.5h保持)→800℃に昇温(1.5h保持)→1000℃に昇温(10h保持)→炉内冷却→50℃付近で炉からモールドを取り出す。 Room temperature → Heat to 650°C (hold for 1.5 hours) → Heat to 800°C (hold for 1.5 hours) → Heat to 1000°C (hold for 10 hours) → Cool inside the furnace → Remove the mold from the furnace at around 50°C.

表3における試料No.105の混合粉末について、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察した結果を図7に示す。各出発原料粉末(水素化チタン粉末および水素化・脱水素化純チタン粉末)は、機械粉砕法で作製するため、粉末粒子は角ばった形状を有している。図7において矢印で指し示す相対的に粗大な粉末が水素化チタン粉末である。粒子径の違いはあるものの、両粉末は比較的均一に混合されている。 Figure 7 shows the results of observing the mixed powder of sample No. 105 in Table 3 using a scanning electron microscope (SEM). Each starting raw material powder (titanium hydride powder and hydrogenated/dehydrogenated pure titanium powder) is produced by mechanical pulverization, so the powder particles have an angular shape. The relatively coarse powder indicated by the arrow in Figure 7 is titanium hydride powder. Although there is a difference in particle size, the two powders are mixed relatively uniformly.

昇温・焼結パターンを経て得られた矩形状チタン(Ti)焼結体の密度、相対密度、酸素量、窒素量、水素量の分析および外観観察を行った。密度はアルキメデス法を用いて測定し、また相対密度(%)は純Tiの比重を4.51g/cmとして算出した。その結果を表3中に記載した。 The rectangular titanium (Ti) sintered bodies obtained through the heating and sintering pattern were analyzed for density, relative density, oxygen content, nitrogen content, and hydrogen content, and their appearance was observed. The density was measured using the Archimedes method, and the relative density (%) was calculated based on the specific gravity of pure Ti being 4.51 g/ cm3 . The results are shown in Table 3.

混合粉末全体に対する水素化チタン粉末の比率が10~50質量%である試料No.102~105(本発明の実施例)では、相対密度が85%以上であり、焼結体の外観も良好であった。 In samples No. 102 to 105 (examples of the present invention) in which the ratio of titanium hydride powder to the total mixed powder was 10 to 50 mass%, the relative density was 85% or more, and the appearance of the sintered body was also good.

比較例となる試料No.101では、出発原料として水素化チタン粉末を含まないため、焼結現象の進行が不十分であり、相対密度の目標値(85%以上)を満足せず、また不均一な焼結現象によって試料の中央部付近に凹部の発生が確認された。 In sample No. 101, which serves as a comparative example, the starting material did not contain titanium hydride powder, so the sintering process did not proceed sufficiently, the target value for relative density (85% or more) was not met, and the occurrence of a recess near the center of the sample due to the non-uniform sintering process was confirmed.

比較例となる試料No.106では、混合粉末全体に対する水素化チタン粉末の比率が60質量%であり、昇温・焼結過程で多量の水素が発生するために、微細ながらも亀裂が焼結体の表面に発生した。 In sample No. 106, which is a comparative example, the ratio of titanium hydride powder to the total mixed powder was 60 mass%, and a large amount of hydrogen was generated during the heating and sintering process, causing fine cracks to appear on the surface of the sintered body.

なお、混合粉末中の水素化チタン粉末の配合比率の増加に伴い、つまり水素含有量の増加に伴い、焼結後のチタン材中に含まれる酸素量が低下する傾向がある。これは以下の作用による。すなわち、水素化チタン粉末が焼結過程で熱分解する際に解離・発生する水素原子が、試料に含まれる酸素と反応(水素の還元作用)する結果、焼結後の酸素含有量が低下する。 In addition, as the mixing ratio of titanium hydride powder in the mixed powder increases, i.e., as the hydrogen content increases, the amount of oxygen contained in the titanium material after sintering tends to decrease. This is due to the following effect. When titanium hydride powder is thermally decomposed during the sintering process, dissociated hydrogen atoms are generated, which react with the oxygen contained in the sample (hydrogen reduction action), resulting in a decrease in the oxygen content after sintering.

水素化チタン粉末の量が10~60%となるように調製した試料No.102~106の焼結後の残存水素量に注目すると、その値は0.01質量%以下であり、JIS規格(H≦0.013質量%)を満足している。 When we look at the amount of hydrogen remaining after sintering for samples No. 102 to 106, which were prepared so that the amount of titanium hydride powder was 10 to 60%, the value was 0.01 mass% or less, satisfying the JIS standard (H≦0.013 mass%).

試料No.101(比較例)および試料No.104(実施例)の焼結体を対象に、光学顕微鏡を用いて各試料の中央部付近の組織を観察した。その結果を図8に示す。図8(a)は試料No.101の結果であり、図8(b)は試料No.104の結果である。図8から、試料No.104(実施例)における空孔量は、試料No.101(比較例)に比べて小さく、密度が増大していることがわかる。 The structure near the center of the sintered bodies of sample No. 101 (comparative example) and sample No. 104 (example) was observed using an optical microscope. The results are shown in Figure 8. Figure 8(a) shows the results for sample No. 101, and Figure 8(b) shows the results for sample No. 104. Figure 8 shows that the amount of voids in sample No. 104 (example) is smaller than that of sample No. 101 (comparative example), and that the density is increased.

[試験3] [Test 3]

低水素チタン粉末としては、水素化脱水素化チタン粉末に限らず、例えばアトマイズ法で製造したチタン粉末でもよい。ガスアトマイズ製純チタン粉末を出発原料として用いた実験を行った。具体的には次の通りである。 The low-hydrogen titanium powder is not limited to hydrogenated/dehydrogenated titanium powder, but may be titanium powder produced by, for example, an atomization method. Experiments were conducted using gas-atomized pure titanium powder as the starting material. The details are as follows.

水素化チタン粉末(平均粒子径:48μm、水素含有量:2.0~4.0質量%)およびガスアトマイズ製純チタン粉末(平均粒子径:27μm、水素含有量:0.01~0.08質量%)を出発原料とし、両粉末を表4に示す配合比率で混合した。 Titanium hydride powder (average particle size: 48 μm, hydrogen content: 2.0-4.0% by mass) and gas-atomized pure titanium powder (average particle size: 27 μm, hydrogen content: 0.01-0.08% by mass) were used as starting materials, and the two powders were mixed in the ratio shown in Table 4.

各混合粉末100gを内寸の幅50mm×長さ70mmの非密封タイプの矩形状金型(モールド)に充填した後、モールドを真空加熱炉に投入して、以下に示す昇温・焼結パターン条件のもとで加熱焼結を行った。 100 g of each mixed powder was filled into a non-sealed rectangular mold with inner dimensions of 50 mm width x 70 mm length, and then the mold was placed in a vacuum heating furnace and heated and sintered under the heating and sintering pattern conditions shown below.

昇温・焼結パターン: Heating and sintering pattern:

常温→650℃に昇温(1.5h保持)→800℃に昇温(1.5h保持)→1000℃に昇温(10h保持)→炉内冷却→50℃付近で炉からモールドを取り出す。 Room temperature → Heat to 650°C (hold for 1.5 hours) → Heat to 800°C (hold for 1.5 hours) → Heat to 1000°C (hold for 10 hours) → Cool inside the furnace → Remove the mold from the furnace at around 50°C.

表4における試料No.111の混合粉末について、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察した結果を図9に示す。矢印で指し示す球形状の粉末は、ガスアトマイズ法で作製した純チタン粉末である。粒子径の違いはあるものの、両粉末は比較的均一に混合されている。 Figure 9 shows the results of observing the mixed powder of sample No. 111 in Table 4 using a scanning electron microscope (SEM). The spherical powder indicated by the arrow is pure titanium powder produced by gas atomization. Although there is a difference in particle size, the two powders are mixed relatively uniformly.

上記の昇温・焼結パターンを経て得られた矩形状チタン焼結体の密度、相対密度、酸素量、窒素量、水素量の分析および外観観察を行った。密度はアルキメデス法を用いて測定し、また相対密度(%)は、純Tiの比重を4.51g/cmとして算出した。その結果を表4に記載した。 The rectangular titanium sintered bodies obtained through the above heating and sintering patterns were subjected to analysis of density, relative density, oxygen content, nitrogen content, and hydrogen content, and to appearance observation. The density was measured using the Archimedes method, and the relative density (%) was calculated based on the specific gravity of pure Ti being 4.51 g/ cm3 . The results are shown in Table 4.

本発明の実施例となる試料No.108~111では、相対密度が85%以上であり、焼結体の外観も良好であった。一方、比較例となる試料No.107では、出発原料中に水素化チタン粉末を含まないために焼結現象の進行が不十分であり、相対密度の目標値(85%以上)を満足しなかった。出発原料中に水素化チタン粉末を60%含む試料No.112では、多量の水素が発生するために微細な亀裂が焼結体の表面に発生した。 In samples No. 108 to 111, which are examples of the present invention, the relative density was 85% or more, and the appearance of the sintered body was also good. On the other hand, in sample No. 107, which is a comparative example, the sintering phenomenon did not progress sufficiently because the starting materials did not contain titanium hydride powder, and the target value for relative density (85% or more) was not met. In sample No. 112, which contains 60% titanium hydride powder in the starting materials, a large amount of hydrogen was generated, causing fine cracks to appear on the surface of the sintered body.

なお、水素化チタン粉末の量を10%~60%の質量比となるように調製した試料No.108~112では、焼結体中に残存する水素量が0.009質量%以下であり、JIS規格(H≦0.013質量%)を満足している。 In addition, in samples No. 108 to 112, in which the amount of titanium hydride powder was adjusted to a mass ratio of 10% to 60%, the amount of hydrogen remaining in the sintered body was 0.009 mass% or less, satisfying the JIS standard (H≦0.013 mass%).

[試験4] [Test 4]

水素化チタン粉末中の水素含有量を0.8~1.5質量%の範囲内になるように調製した高水素チタン粉末と、粉末中の水素含有量が不可避的に含まれる量(0.01~0.08質量%)である低水素チタン粉末(純チタン粉末)とを出発原料として準備した。 The starting materials used were high-hydrogen titanium powder, which was prepared so that the hydrogen content in the titanium hydride powder was within the range of 0.8 to 1.5 mass%, and low-hydrogen titanium powder (pure titanium powder), in which the hydrogen content in the powder was unavoidably contained (0.01 to 0.08 mass%).

準備した水素化チタン粉末中および純チタン粉末中の水素、酸素および窒素含有量を下記の表5に示す。 The hydrogen, oxygen and nitrogen contents in the prepared titanium hydride powder and pure titanium powder are shown in Table 5 below.

水素化チタン粉末と純チタン粉末との配合比率を変えた出発原料粉末を非密封タイプのモールドに充填し、出発原料粉末を加圧することなく真空雰囲気下で下記の昇温・焼結パターンで焼結した。 The starting powder, which had different ratios of titanium hydride powder and pure titanium powder, was filled into a non-sealed mold, and the starting powder was sintered in a vacuum atmosphere without applying pressure, using the following heating and sintering pattern.

昇温・焼結パターン: Heating and sintering pattern:

常温→(20℃/min)→650℃×2h→(20℃/min)→1000℃×10h→炉冷 Room temperature → (20℃/min) → 650℃ x 2h → (20℃/min) → 1000℃ x 10h → Furnace cooling

焼結後の焼結体の密度、相対密度、酸素量、窒素量および水素量を測定し、さらに焼結体の外観観察を行った。その結果を下記の表6に示す。 After sintering, the density, relative density, oxygen content, nitrogen content, and hydrogen content of the sintered body were measured, and the appearance of the sintered body was also observed. The results are shown in Table 6 below.

準備した水素化チタン粉末中の水素含有量は、0.8~1.5質量%の範囲内の0.922質量%である。相対密度に注目すると、出発原料粉末中の水素含有量が0.20~1.0質量%の範囲内にある試料No.202~206の焼結体の相対密度は目標値である85%以上を満足する。試料No.206の出発原料粉末は、水素化チタン粉末のみであるが、出発原料粉末中の水素含有量が0.92質量%であるので、非密封タイプのモールドを用いた粉末充填焼結法を適用して相対密度85%以上の焼結体を得ることができた。 The hydrogen content in the prepared titanium hydride powder was 0.922 mass%, within the range of 0.8 to 1.5 mass%. Focusing on relative density, the relative density of the sintered bodies of samples No. 202 to 206, whose starting material powder had a hydrogen content in the range of 0.20 to 1.0 mass%, met the target value of 85% or more. The starting material powder for sample No. 206 was titanium hydride powder only, but because the hydrogen content in the starting material powder was 0.92 mass%, a sintered body with a relative density of 85% or more could be obtained by applying the powder packing sintering method using a non-sealed mold.

出発原料粉末中の水素化チタン粉末の量に注目すると、相対密度85%以上を満足するのは20~100質量%の試料No.202~206である。 When we look at the amount of titanium hydride powder in the starting raw material powder, samples No. 202 to 206, which have a relative density of 85% or more, are those with a content of 20 to 100% by mass.

[試験5] [Test 5]

水素化チタン粉末中の水素含有量を0.8~1.5質量%の範囲内になるように調製した高水素チタン粉末と、粉末中の水素含有量が不可避的に含まれる量(0.01~0.08質量%)である低水素チタン粉末(純チタン粉末)とを出発原料として準備した。 The starting materials used were high-hydrogen titanium powder, which was prepared so that the hydrogen content in the titanium hydride powder was within the range of 0.8 to 1.5 mass%, and low-hydrogen titanium powder (pure titanium powder), in which the hydrogen content in the powder was unavoidably contained (0.01 to 0.08 mass%).

準備した水素化チタン粉末中および純チタン粉末中の水素、酸素および窒素含有量を下記の表7に示す。 The hydrogen, oxygen and nitrogen contents in the prepared titanium hydride powder and pure titanium powder are shown in Table 7 below.

水素化チタン粉末と純チタン粉末との配合比率を変えた出発原料粉末を非密封タイプのモールドに充填し、出発原料粉末を加圧することなく真空雰囲気下で下記の昇温・焼結パターンで焼結した。 The starting powder, which had different ratios of titanium hydride powder and pure titanium powder, was filled into a non-sealed mold, and the starting powder was sintered in a vacuum atmosphere without applying pressure, using the following heating and sintering pattern.

昇温・焼結パターン: Heating and sintering pattern:

常温→(20℃/min)→650℃×2h→(20℃/min)→1000℃×10h→炉冷 Room temperature → (20℃/min) → 650℃ x 2h → (20℃/min) → 1000℃ x 10h → Furnace cooling

焼結後の焼結体の密度、相対密度、酸素量、窒素量および水素量を測定し、さらに焼結体の外観観察を行った。その結果を下記の表8に示す。 After sintering, the density, relative density, oxygen content, nitrogen content, and hydrogen content of the sintered body were measured, and the appearance of the sintered body was also observed. The results are shown in Table 8 below.

準備した水素化チタン粉末中の水素含有量は、0.8~1.5質量%の範囲内の1.211質量%である。相対密度に注目すると、出発原料粉末中の水素含有量が0.25~1.21質量%の範囲内にある試料No.302~306の焼結体の相対密度は目標値である85%以上を満足する。試料No.306の出発原料粉末は、水素化チタン粉末のみであるが、出発原料粉末中の水素含有量が1.21質量%であるので、非密封タイプのモールドを用いた粉末充填焼結法を適用して相対密度85%以上の焼結体を得ることができた。 The hydrogen content of the prepared titanium hydride powder was 1.211% by mass, within the range of 0.8 to 1.5% by mass. Focusing on relative density, the relative density of the sintered bodies of samples No. 302 to 306, whose starting raw material powder had a hydrogen content of 0.25 to 1.21% by mass, met the target value of 85% or more. The starting raw material powder of sample No. 306 was titanium hydride powder only, but because the hydrogen content of the starting raw material powder was 1.21% by mass, a sintered body with a relative density of 85% or more could be obtained by applying the powder packing sintering method using a non-sealed mold.

出発原料粉末中の水素化チタン粉末の量に注目すると、相対密度85%以上を満足するのは20~100質量%の試料No.302~306である。 When we look at the amount of titanium hydride powder in the starting raw material powder, samples No. 302 to 306, which have a relative density of 85% or more, are those with a content of 20 to 100% by mass.

[高水素チタン粉末の粒度を変えた実験] [Experiment with different particle sizes of high hydrogen titanium powder]

試験1と同じ加熱・焼結条件で、使用する高水素チタン粉末の粒度を変えて実験した。 The experiment was conducted under the same heating and sintering conditions as in Test 1, but with different particle sizes of the high-hydrogen titanium powder used.

下記の3種類の水素化純チタン粉末を使用して比較した。 The following three types of hydrogenated pure titanium powder were used for comparison:

a)平均粒度が10μm以下の水素化純チタン粉末(水素含有量:2.0~4.0質量%) a) Hydrogenated pure titanium powder with an average particle size of 10 μm or less (hydrogen content: 2.0 to 4.0% by mass)

b)平均粒度が10μmを超え、45μm以下の水素化純チタン粉末(水素含有量:2.0~4.0質量%) b) Hydrogenated pure titanium powder with an average particle size of more than 10 μm and less than 45 μm (hydrogen content: 2.0 to 4.0% by mass)

c)平均粒度が45μmを超え、150μm以下の水素化純チタン粉末(水素含有量:2.0~4.0質量%) c) Hydrogenated pure titanium powder with an average particle size of more than 45 μm and less than 150 μm (hydrogen content: 2.0 to 4.0% by mass)

混合粉末中の水素化純チタン粉末の量:40質量% Amount of hydrogenated pure titanium powder in the mixed powder: 40% by mass

結果を下記の表9に示す。 The results are shown in Table 9 below.

水素化チタン粉末の平均粒度が45μm以下の試料No.3および試料No.7の焼結体の相対密度は92.5~94.6%であった。試料No.3の圧延後の引張強度は798MPaであり、破断伸びは30.0%であった。試料No.3および試料No.7は、実用上、有効なチタン焼結材として利用できる。 The relative density of the sintered bodies of Sample No. 3 and Sample No. 7, in which the average particle size of the titanium hydride powder was 45 μm or less, was 92.5-94.6%. The tensile strength of Sample No. 3 after rolling was 798 MPa, and the breaking elongation was 30.0%. Sample No. 3 and Sample No. 7 can be used as practically effective titanium sintered materials.

水素化チタン粉末の平均粒度が45μmを超える試料No.8の焼結体の相対密度は90.4%であり、この値は、低水素チタン粉末のみからなる試料No.1の焼結体に比べて高い値である。ただ、微細な水素化チタン粉末を使用した試料No.3および試料No.7に比べて、圧延後の引張強さ及び破断伸びの特性が劣る。 The relative density of the sintered body of sample No. 8, in which the average particle size of the titanium hydride powder exceeds 45 μm, is 90.4%, which is higher than that of the sintered body of sample No. 1, which is made only of low-hydrogen titanium powder. However, the tensile strength and breaking elongation properties after rolling are inferior to those of sample No. 3 and sample No. 7, which use fine titanium hydride powder.

上記の結果から、圧延後の引張強さ及び破断伸びの特性をより重視するならば、使用する水素化チタン粉末としては、平均粒度が45μm以下のものを使用するのが望ましいと思われる。 Based on the above results, if greater importance is placed on the tensile strength and breaking elongation properties after rolling, it seems desirable to use titanium hydride powder with an average particle size of 45 μm or less.

[従来製法との比較] [Comparison with conventional manufacturing methods]

本発明のモールド粉末充填焼結法は、出発原料粉末に対して圧縮加工を施していないことが特徴である。比較のために、従来の製法の一つである冷間等方圧加圧法(CIP)で加圧して圧縮固化体を作成し、この圧縮固化体を焼結したものを作製した。焼結体のサイズおよび熱処理パターンは、試験1の本発明のモールド粉末充填焼結法と同じにした。 The mold powder filling sintering method of the present invention is characterized by the fact that no compression processing is performed on the starting raw material powder. For comparison, a compressed solidified body was produced by pressing using cold isostatic pressing (CIP), one of the conventional manufacturing methods, and then sintered. The size and heat treatment pattern of the sintered body were the same as those of the mold powder filling sintering method of the present invention in Test 1.

使用した粉末は、以下の通りである。 The powders used are as follows:

a)平均粒度が10μm以下の水素化純チタン粉末 a) Hydrogenated pure titanium powder with an average particle size of 10 μm or less

b)平均粒度が10μmを超え45μm以下の脱水素化処理した純チタン粉末 b) Dehydrogenated pure titanium powder with an average particle size of more than 10 μm and less than 45 μm

結果を、下記の表10に示す。 The results are shown in Table 10 below.

CIP成形後に焼結した試料No.9に注目すると、混合粉末全体中の水素化チタン粉末の量が40質量%であり、本発明法で作製した試料No.3に対応するものである。試料No.3と試料No.9とを比較すると、試料No.3の充填粉末の密度に比べて試料No.9のCIP成形体の密度がかなり高い。しかし、焼結体の相対密度を見ると、両者の間に有意差はない。本発明法において、充填粉末を加圧しなくとも焼結体の密度が高くなっているのは、TiHの分解によって解離した水素の高速拡散性を利用して焼結を促進しているからであることがわかる。 Focusing on sample No. 9 sintered after CIP molding, the amount of titanium hydride powder in the entire mixed powder is 40 mass%, which corresponds to sample No. 3 produced by the method of the present invention. Comparing sample No. 3 and sample No. 9, the density of the CIP molded body of sample No. 9 is considerably higher than the density of the packed powder of sample No. 3. However, looking at the relative density of the sintered body, there is no significant difference between the two . It can be seen that the density of the sintered body is high even without pressing the packed powder in the method of the present invention because sintering is promoted by utilizing the high-speed diffusion of hydrogen dissociated by the decomposition of TiH2.

試料No.10及び11は、混合粉末の配合比から見ると、本発明法で作製した試料No.5及び6に対応するものである。試料No.10及び11の焼結体は、試料No.5及び6と同様に、焼結時に割れが発生した。 In terms of the blending ratio of the mixed powder, samples No. 10 and 11 correspond to samples No. 5 and 6 produced by the method of the present invention. The sintered bodies of samples No. 10 and 11, like samples No. 5 and 6, cracked during sintering.

表10の結果から、圧縮固化体を作成しないモールド粉末充填焼結法は、CIP成形によって圧縮固化体を作製して焼結する従来製法と特性において同等の焼結材を作製できることが認められる。本発明によれば、プレス機やCIP設備やHIP設備を必要としないので、従来製法と比較して大幅な設備費の縮小を実現できる。 The results in Table 10 show that the mold powder filling sintering method, which does not create a compressed solidified body, can produce sintered materials with properties equivalent to those of the conventional method, which creates a compressed solidified body by CIP molding and then sinters it. The present invention does not require a press machine, CIP equipment, or HIP equipment, so it is possible to achieve a significant reduction in equipment costs compared to the conventional method.

[焼結処理時の雰囲気] [Atmosphere during sintering process]

試料No.3(40%水素化純チタン粉末+脱水素化純チタン粉末)は、真空雰囲気中で加熱・焼結を行ったものである。加熱・焼結の雰囲気をArガス雰囲気(非真空雰囲気)にして、試料No.3と同一配合比の混合粉末を加熱・焼結した。その結果を下記の表11に示す。 Sample No. 3 (40% hydrogenated pure titanium powder + dehydrogenated pure titanium powder) was heated and sintered in a vacuum atmosphere. The heating and sintering atmosphere was an Ar gas atmosphere (non-vacuum atmosphere), and a mixed powder with the same compounding ratio as Sample No. 3 was heated and sintered. The results are shown in Table 11 below.

真空雰囲気中で処理した試料No.3の焼結体では、焼結体組成中の水素量が0.005質量%であり、相対密度が94.6%である。圧延後の引張強さは798MPaであり、破断伸びは30.0%であった。 In the sintered body of sample No. 3 processed in a vacuum atmosphere, the amount of hydrogen in the sintered body composition was 0.005 mass %, and the relative density was 94.6%. The tensile strength after rolling was 798 MPa, and the breaking elongation was 30.0%.

Arガス雰囲気中で処理した試料No.12の焼結体の場合、Arガス雰囲気での焼結後に、50時間の脱水素処理を行った。最終的に得られた焼結体組成中の水素量が0.007質量%であり、相対密度が92.5%であった。圧延後の引張強さは724MPaであり、破断伸びは31.8%であった。この特性を見ると、Arガス雰囲気で加熱・焼結した試料No.12のチタン焼結材も実用上有効に利用できることが認められる。 In the case of the sintered body of sample No. 12, which was processed in an Ar gas atmosphere, a dehydrogenation treatment was performed for 50 hours after sintering in an Ar gas atmosphere. The amount of hydrogen in the composition of the final sintered body was 0.007 mass%, and the relative density was 92.5%. The tensile strength after rolling was 724 MPa, and the breaking elongation was 31.8%. In view of these characteristics, it is recognized that the titanium sintered material of sample No. 12, which was heated and sintered in an Ar gas atmosphere, can also be effectively used in practical applications.

Arガスのような非真空雰囲気中で加熱・焼結しても良好な焼結体密度が得られるのは、図11に示すように、TiH2の分解によって発生した水素ガスのシールド効果により、チタン材中への酸素の混入が抑制されるからと思われる。 The reason why good sintered density can be obtained even when heated and sintered in a non-vacuum atmosphere such as Ar gas is thought to be because, as shown in Figure 11, the hydrogen gas generated by the decomposition of TiH2 acts as a shield, suppressing the intrusion of oxygen into the titanium material.

[モールドの蓋の有無] [With or without mold lid]

本発明のモールド粉末充填焼結法で使用する非密封タイプのモールドは、上部開放のまま(蓋なし)でもよいし、上部に蓋を有するものでもよい。蓋の有無によって、加熱・焼結後の焼結材の特性に大きな相違がみられるかどうかを確認した。 The non-sealed type mold used in the mold powder filling sintering method of the present invention may be left open at the top (without a lid) or may have a lid on the top. We confirmed whether there was a significant difference in the properties of the sintered material after heating and sintering depending on whether or not there was a lid.

出発原料として水素化純チタン粉末と脱水素化純チタン粉末の2種類の粉末を用意した。一方の混合粉末においては、混合粉末全体に対する水素化純チタン粉末の量を20質量%となるように調製し、他方の混合粉末においては、混合粉末全体に対する水素化純チタン粉末の量を50質量%となるように調製した。 Two types of powders were prepared as starting materials: hydrogenated pure titanium powder and dehydrogenated pure titanium powder. In one mixed powder, the amount of hydrogenated pure titanium powder relative to the total mixed powder was adjusted to 20 mass%, and in the other mixed powder, the amount of hydrogenated pure titanium powder relative to the total mixed powder was adjusted to 50 mass%.

2種類の混合粉末に対して、それぞれ、蓋なしモールドおよび蓋ありモールドで加熱焼結した。加熱・焼結条件は、試料No.1~6と同じである。 The two types of mixed powders were heated and sintered in a mold with and without a lid. The heating and sintering conditions were the same as for samples No. 1 to 6.

その結果を下記の表12に示す。 The results are shown in Table 12 below.

水素化純チタン粉末の比率が20質量%である試料No.13および試料No.14に注目すると、蓋ありモールドで焼結した試料No.13の焼結体相対密度が91.7%であり、蓋なしモールドで焼結した試料No.14の焼結体相対密度が90.7である。この密度の差はわずか1%であり、両者の間に有意差は認められない。 Focusing on samples No. 13 and No. 14, which have a ratio of hydrogenated pure titanium powder of 20% by mass, the relative density of the sintered body of sample No. 13, sintered in a mold with a lid, is 91.7%, while the relative density of the sintered body of sample No. 14, sintered in a mold without a lid, is 90.7. The difference in density is only 1%, and no significant difference is observed between the two.

同様に、水素化純チタン粉末の比率が50質量%である試料No.15および試料No.16に注目すると、蓋ありモールドで焼結した試料No.15の焼結体相対密度が95.6%であり、蓋なしモールドで焼結した試料No.16の焼結体相対密度が92.0%である。この差は3.6%でありやや大きいが、92.0%の相対密度であれば実用上十分に高いものである。 Similarly, looking at samples No. 15 and No. 16, which have a 50% by mass ratio of hydrogenated pure titanium powder, the relative density of the sintered body of sample No. 15, sintered in a mold with a lid, is 95.6%, while the relative density of the sintered body of sample No. 16, sintered in a mold without a lid, is 92.0%. This difference is 3.6%, which is somewhat large, but a relative density of 92.0% is sufficiently high for practical purposes.

図10は、試料No.16の焼結後の焼結体を示す写真である。この写真から明らかなように、焼結体と蓋なしモールドの内側面との間には隙間ができており、出発原料としての混合粉末は、水素の高速拡散性を利用した固相焼結により体積が収縮したことが認められる。 Figure 10 is a photograph showing the sintered body of sample No. 16 after sintering. As is clear from this photograph, there is a gap between the sintered body and the inner surface of the lidless mold, and it is recognized that the mixed powder used as the starting material has contracted in volume due to solid-phase sintering that utilizes the high-speed diffusivity of hydrogen.

[出発原料としてチタン合金粉末を含む試料] [Sample containing titanium alloy powder as starting material]

本発明の非密封タイプモールドを利用したモールド粉末充填焼結法は、チタン合金粉末を出発原料として含む試料に対しても、良好な焼結体が得られることを確認する試験(試験6および試験7)を行った。 Tests (Tests 6 and 7) were conducted to confirm that the mold powder filling sintering method using the non-sealed mold of the present invention can produce good sintered bodies even for samples that contain titanium alloy powder as a starting material.

[試験6] [Test 6]

用意した出発原料は、水素化純チタン粉末および64チタン(Ti-6Al-4V)合金粉末の2種類である。この2種類の混合粉末に対して、配合比率を変えて非密封タイプのモールドを使用して加熱焼結した。加熱・焼結条件は、試料No.1~6と同じである。その結果を、下記の表13に示す。 The starting materials used were two types: hydrogenated pure titanium powder and 64 titanium (Ti-6Al-4V) alloy powder. The mixture of these two types of powder was heated and sintered using a non-sealed mold with different compounding ratios. The heating and sintering conditions were the same as for samples No. 1 to 6. The results are shown in Table 13 below.

表13において、充填粉末および焼結体の相対密度は、純チタンの比重を4.51g/cm、チタン合金の比重を4.43g/cmとして、混合比率による計算値を基準として算出した。表13および後述する表14中に、基準とした比重を記載した。 In Table 13, the relative densities of the filling powder and the sintered body were calculated based on the specific gravity of pure titanium being 4.51 g/ cm3 and the specific gravity of the titanium alloy being 4.43 g/ cm3 , and the calculated values based on the mixing ratio were used as the standard. The standard specific gravities are shown in Table 13 and Table 14 described later.

混合粉末全体に対する水素化純チタン粉末の量が20質量%である試料No.17の焼結体の相対密度は、90.0%である。既述した試料No.2は、水素化純チタン粉末と純チタン粉末とを混合し、混合粉末全体に対する水素化純チタン粉末の量が20質量%であり、焼結体の相対密度は94.3%であった。 The relative density of the sintered body of sample No. 17, in which the amount of hydrogenated pure titanium powder relative to the total mixed powder was 20 mass%, was 90.0%. As already mentioned, sample No. 2 was a mixture of hydrogenated pure titanium powder and pure titanium powder, in which the amount of hydrogenated pure titanium powder relative to the total mixed powder was 20 mass%, and the relative density of the sintered body was 94.3%.

水素化純チタン粉末と64チタン合金粉末との混合粉末全体に対する水素化純チタン粉末の量が40質量%である試料No.18の焼結体の相対密度は、91.3%である。既述した試料No.3は、水素化純チタン粉末と純チタン粉末との混合粉末全体に対する水素化純チタン粉末の量が40質量%であり、焼結体の相対密度は94.6%であった。 The relative density of the sintered body of sample No. 18, in which the amount of hydrogenated pure titanium powder relative to the entire mixed powder of hydrogenated pure titanium powder and 64 titanium alloy powder was 40 mass%, was 91.3%. The previously described sample No. 3, in which the amount of hydrogenated pure titanium powder relative to the entire mixed powder of hydrogenated pure titanium powder and pure titanium powder was 40 mass%, had a relative density of 94.6%.

水素化純チタン粉末と64チタン合金粉末との混合粉末全体に対する水素化純チタン粉末の量が60質量%である試料No.19については、既述の試料No.5(水素化純チタン粉末と純チタン粉末との混合粉末であり、水素化純チタン粉末の量が60質量%)と同様に、焼結処理時に試料の割れが生じたので相対密度を測定しなかった。 For sample No. 19, in which the amount of hydrogenated pure titanium powder is 60% by mass relative to the total mixed powder of hydrogenated pure titanium powder and 64 titanium alloy powder, the relative density was not measured because the sample cracked during the sintering process, similar to the previously described sample No. 5 (a mixed powder of hydrogenated pure titanium powder and pure titanium powder, in which the amount of hydrogenated pure titanium powder is 60% by mass).

試料No.17~19の試験結果から、本発明の非密封タイプのモールドを使用したモールド粉末充填焼結法が水素化純チタン粉末とチタン合金粉末とを出発原料とするものにも等しく適用可能であり、水素化純チタン粉末の比率が60%未満程度あれば相対密度が高い焼結体が得られることを確認できた。 The test results for samples No. 17 to 19 confirmed that the mold powder packing sintering method using the non-sealed mold of the present invention is equally applicable to those using hydrogenated pure titanium powder and titanium alloy powder as starting materials, and that a sintered body with a high relative density can be obtained if the ratio of hydrogenated pure titanium powder is less than about 60%.

[試験7] [Test 7]

用意した出発原料は、水素化チタン合金(Ti-6Al-4V)粉末および脱水素化純チタン粉末の2種類である。この2種類の混合粉末に対して、配合比率を変えて非密封タイプのモールドを使用して加熱焼結した。加熱・焼結条件は、試料No.1~6と同じである。その結果を、下記の表14に示す。 The starting materials used were two types: hydrogenated titanium alloy (Ti-6Al-4V) powder and dehydrogenated pure titanium powder. The mixture of these two types of powder was heated and sintered in a non-sealed mold with different compounding ratios. The heating and sintering conditions were the same as for samples No. 1 to 6. The results are shown in Table 14 below.

水素化チタン合金粉末と純チタン粉末との混合粉末全体に対して水素化チタン合金粉末の量が20質量%である試料No.20の焼結体の相対密度は、92.7%である。既述した試料No.2は、水素化純チタン粉末と純チタン粉末との混合粉末全体に対する水素化純チタン粉末の量が20質量%であり、焼結体の相対密度は94.3%であった。 The relative density of the sintered body of sample No. 20, in which the amount of hydrogenated titanium alloy powder is 20% by mass relative to the entire mixed powder of hydrogenated titanium alloy powder and pure titanium powder, is 92.7%. The amount of hydrogenated pure titanium powder in the previously mentioned sample No. 2, in which the amount of hydrogenated pure titanium powder is 20% by mass relative to the entire mixed powder of hydrogenated pure titanium powder and pure titanium powder, is 94.3%.

水素化チタン合金粉末と純チタン粉末との混合粉末全体に対する水素化チタン合金粉末の量が40質量%である試料No.21の焼結体の相対密度は、90.2%である。既述した試料No.3は、水素化純チタン粉末と純チタン粉末との混合粉末全体に対する水素化純チタン粉末の量が40質量%であり、焼結体の相対密度は94.6%であった。 The relative density of the sintered body of sample No. 21, in which the amount of hydrogenated titanium alloy powder relative to the total mixed powder of hydrogenated titanium alloy powder and pure titanium powder is 40 mass%, is 90.2%. The amount of hydrogenated pure titanium powder relative to the total mixed powder of hydrogenated pure titanium powder and pure titanium powder of sample No. 3, as mentioned above, is 40 mass%, and the relative density of the sintered body is 94.6%.

試料No.20~21の試験結果から、本発明の非密封タイプのモールドを使用したモールド粉末充填焼結法が水素化チタン合金粉末と純チタン粉末とを出発原料とするものにも等しく適用可能であることを確認できた。 The test results for samples No. 20 and 21 confirmed that the mold powder packing sintering method using the non-sealed mold of the present invention is equally applicable to those using hydrogenated titanium alloy powder and pure titanium powder as starting materials.

試験6および試験7から、本発明の非密封タイプモールドを利用したモールド粉末充填焼結法は、チタン合金粉末を出発原料として含む試料に対しても、良好な焼結体を得られることが確認できた。 Tests 6 and 7 confirmed that the mold powder filling sintering method using the non-sealed mold of the present invention can produce good sintered bodies even for samples that contain titanium alloy powder as a starting material.

以上、図面を参照して本発明の実施形態を記載したが、本発明はここに記載した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明と同一または均等な範囲内において種々の変更が可能である。 Although the embodiment of the present invention has been described above with reference to the drawings, the present invention is not limited to the embodiment described here, and various modifications are possible within the same or equivalent scope of the invention described in the claims.

本発明は、チタン焼結材の製造法として有利に利用され得る。
The present invention can be advantageously used as a method for producing a titanium sintered material.

Claims (8)

水素化処理したままの水素化チタン化合物を含み、水素含有量が2.0~4.0質量%である高水素チタン粉末を用意する工程と、
水素化処理していないか、水素化処理後に脱水素化処理したものであり、水素含有量が0.01~0.08質量%である低水素チタン粉末を用意する工程と、
前記高水素チタン粉末と前記低水素チタン粉末とを混合し、混合粉末全体に対する水素含有量が0.2~2.0質量%となるように調製したチタン系出発原料粉末を用意する工程と、
前記チタン系出発原料粉末を非密封タイプのモールドに充填する工程と、
前記モールド内のチタン系出発原料粉末に圧力を加えないで加熱焼結してチタン焼結材を得る工程とを備え
前記モールド内の前記チタン系出発原料粉末の加熱焼結は、
常温から、前記チタン系出発原料粉末中の水素をチタンから解離させる中間温度帯まで昇温することと、
前記チタン系出発原料粉末を前記中間温度帯で保持して水素をチタンから解離させ、解離した水素の高速拡散性を利用して粉末粒子間の焼結を促進させることと、
前記チタン系出発原料粉末を、前記中間温度帯から、前記チタン系出発原料粉末の焼結を行う高温温度帯まで昇温することと、
前記チタン系出発原料粉末を前記高温温度帯で保持して焼結を完了させることと、
前記高温温度帯から、焼結完了後の焼結体を常温まで冷却することとを含む、チタン焼結材の製造方法。
preparing a high-hydrogen titanium powder containing a hydrogenated titanium compound as-treated and having a hydrogen content of 2.0 to 4.0 mass %;
preparing low-hydrogen titanium powder that has not been hydrogenated or has been hydrogenated and then dehydrogenated, and has a hydrogen content of 0.01 to 0.08 mass %;
a step of preparing a titanium-based starting raw material powder by mixing the high hydrogen titanium powder and the low hydrogen titanium powder so that the hydrogen content of the entire mixed powder is 0.2 to 2.0 mass %;
Filling the titanium-based starting material powder into a non-sealed mold;
and a step of heating and sintering the titanium-based starting material powder in the mold without applying pressure to obtain a titanium sintered material .
The heat sintering of the titanium-based starting material powder in the mold is performed by:
raising the temperature from room temperature to an intermediate temperature zone at which hydrogen in the titanium-based starting material powder is dissociated from titanium;
maintaining the titanium-based starting raw material powder in the intermediate temperature zone to dissociate hydrogen from titanium, and promoting sintering between powder particles by utilizing the high-speed diffusivity of the dissociated hydrogen;
raising the temperature of the titanium-based starting material powder from the intermediate temperature zone to a high temperature zone for sintering the titanium-based starting material powder;
maintaining the titanium-based starting material powder in the high temperature zone to complete sintering;
and cooling the sintered body after sintering from the high temperature zone to room temperature .
前記混合粉末全体に対する前記高水素チタン粉末の量は、10~55質量%である、請求項1に記載のチタン焼結材の製造方法。 2. The method for producing a titanium sintered material according to claim 1 , wherein the amount of the high hydrogen titanium powder relative to the total amount of the mixed powder is 10 to 55 mass %. 前記高水素チタン粉末中の水素含有量は0.8~1.5質量%であり、
前記混合粉末全体に対する前記高水素チタン粉末の量は、20質量%以上100質量%未満%である、請求項1に記載のチタン焼結材の製造方法。
The hydrogen content in the high-hydrogen titanium powder is 0.8 to 1.5 mass %,
2. The method for producing a titanium sintered material according to claim 1 , wherein the amount of the high hydrogen titanium powder relative to the total amount of the mixed powder is 20 mass % or more but less than 100 mass %.
前記チタン系出発原料粉末は、実質的に金属元素としてチタンのみを含む純チタンからなる、請求項1に記載のチタン焼結材の製造方法。 The method for producing a titanium sintered material according to claim 1, wherein the titanium-based starting raw material powder is made of pure titanium that contains essentially only titanium as a metallic element. 前記高水素チタン粉末および前記低水素チタン粉末の少なくともいずれか一方は、チタンを主成分として含むチタン合金からなる、請求項1に記載のチタン焼結材の製造方法。 2. The method for producing a titanium sintered material according to claim 1 , wherein at least one of the high hydrogen titanium powder and the low hydrogen titanium powder is made of a titanium alloy containing titanium as a main component. 前記中間温度帯は550℃~850℃の範囲内にあり、
前記高温温度帯は850℃~1400℃の範囲内にある、請求項1に記載のチタン焼結材の製造方法。
The intermediate temperature zone is in the range of 550°C to 850°C,
The method for producing a titanium sintered material according to claim 1 , wherein the high temperature zone is within a range of 850°C to 1400°C.
前記中間温度帯は、低温側中間温度帯および高温側中間温度帯を有し、
前記チタン系出発原料粉末は、前記低温側中間温度帯で保持された後に前記高温側中間温度帯にまで昇温され、前記高温側中間温度帯で保持された後に前記高温温度帯にまで昇温される、請求項1に記載のチタン焼結材の製造方法。
The intermediate temperature zone has a low-temperature side intermediate temperature zone and a high-temperature side intermediate temperature zone,
2. The method for producing a titanium sintered material according to claim 1, wherein the titanium-based starting raw material powder is heated to the high-temperature side intermediate temperature zone after being held in the low-temperature side intermediate temperature zone, and heated to the high-temperature side intermediate temperature zone after being held in the high-temperature side intermediate temperature zone.
前記モールド内のチタン系出発原料粉末の加熱焼結を非真空雰囲気中で行う、請求項1に記載のチタン系焼結材の製造方法。 2. The method for producing a titanium-based sintered material according to claim 1 , wherein the titanium-based starting material powder in the mold is heated and sintered in a non-vacuum atmosphere.
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