JP7724144B2 - Method for manufacturing a green compact and a sintered compact - Google Patents
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Description
この発明は、チタン、アルミニウム及び他の金属元素を含む圧粉体の製造方法及び、焼結体の製造方法に関するものである。 This invention relates to a method for producing a green compact containing titanium, aluminum, and other metal elements, and a method for producing a sintered compact.
チタン合金は、耐疲労性、耐食性、軽量かつ高い比強度といった所定の優れた特性の故に、種々の部品に用いることが検討されている。
しかるに、チタン合金製の製品を製造するには一般に、電子ビーム溶解や真空アーク溶解等による溶解、鋳造、場合によってはさらに鍛造や圧延、熱処理及び機械加工、溶接等の多数の工程を行う必要があり、それに伴って製造コストが嵩む。このような高コストに起因して、チタン合金の適用範囲が十分に広がっているとは言い難い。
Titanium alloys have been considered for use in various components due to certain excellent properties such as fatigue resistance, corrosion resistance, light weight and high specific strength.
However, the production of titanium alloy products generally requires a number of processes, such as melting by electron beam melting or vacuum arc melting, casting, and in some cases further forging, rolling, heat treatment, machining, welding, etc., which increases the manufacturing cost. Due to such high costs, it is difficult to say that the range of applications of titanium alloys has been sufficiently expanded.
かかる状況の下、近年は、いわゆるニアネットシェイプとして、チタン及び合金元素を含む原料粉末を樹脂製のモールド内に充填して、当該原料粉末を充填したモールドに対して冷間等方圧加圧を施し、所定の形状の圧粉体を得る粉末冶金法が注目されている。粉末冶金法では、冷間等方圧加圧の後、必要に応じて焼結及び/又は熱間等方圧加圧を施して焼結体とし、密度を高めることが行われる場合がある。 In light of this, powder metallurgy has recently attracted attention as a so-called near-net-shape method. This involves filling a resin mold with raw material powder containing titanium and alloying elements, and then cold isostatically pressing the mold filled with the raw material powder to obtain a green compact of a desired shape. In powder metallurgy, after cold isostatic pressing, sintering and/or hot isostatic pressing may be performed as needed to form a sintered body and increase density.
この種の技術としては、たとえば特許文献1に記載されたものがある。特許文献1には、「凹部を有する金属製の圧粉体を製造する方法であって、樹脂製のモールドの、前記凹部に対応する箇所に、該凹部に対応する形状を有する樹脂製の芯材を位置させた状態で、前記モールド内に充填した原料粉末に対して冷間等方圧加圧を行う工程を含む、圧粉体の製造方法」が開示されている。 One example of this type of technology is described in Patent Document 1, which discloses "a method for producing a metal powder compact having a recess, the method including a step of cold isostatically pressing raw material powder filled into a resin mold in a state in which a resin core material having a shape corresponding to the recess is positioned in a location of the resin mold that corresponds to the recess."
ところで、チタン合金には、たとえば、アルミニウム及び、バナジウムないし鉄等の他の金属元素を含むTi-Al系合金がある。その一例としては、他の金属元素をバナジウムとしたTi-6Al-4V合金が挙げられる。Ti-Al系の圧粉体もしくは焼結体を製造する場合、チタン粉末と、アルミニウム及び他の金属元素を含有する母合金粉末とを含む原料粉末を用いることが考えられる。 Titanium alloys include Ti-Al alloys containing aluminum and other metal elements such as vanadium or iron. One example is a Ti-6Al-4V alloy, in which the other metal element is vanadium. When producing a Ti-Al compact or sintered compact, it is possible to use a raw material powder containing titanium powder and a master alloy powder containing aluminum and other metal elements.
ここで、上記の母合金粉末として、質量基準で他の金属元素よりもアルミニウムを多く含有するものは比較的高価であり、市場で安定的に入手することが困難である。それ故に、Ti-Al系の圧粉体もしくは焼結体の製造では、他の金属元素の含有量がアルミニウムの含有量以上である母合金粉末を使用することが、コストの低減及び、安定した製造の実現の観点から好ましい。この場合、製造しようとする圧粉体もしくは焼結体の組成に応じて、原料粉末に、上述したチタン粉末及び当該母合金粉末の他、さらにアルミニウム粉末を含ませることがある。 The above-mentioned master alloy powders that contain more aluminum than other metal elements by mass are relatively expensive and difficult to obtain consistently on the market. Therefore, when producing Ti-Al-based green compacts or sintered compacts, it is preferable to use a master alloy powder in which the content of other metal elements is equal to or greater than the aluminum content, from the perspective of reducing costs and achieving stable production. In this case, depending on the composition of the green compact or sintered compact to be produced, the raw material powder may further contain aluminum powder in addition to the titanium powder and the master alloy powder described above.
このとき、一般的なアルミニウム粉末を使用すると、原料粉末をモールド内に充填した際に、モールド内にて原料粉末中で偏りが生じることがわかった。その結果、圧粉体や焼結体の組成ないし成分にばらつきが発生し、均質性が損なわれるという問題がある。 It was discovered that when using ordinary aluminum powder, uneven distribution of the raw powder occurs within the mold when the raw powder is filled into the mold. This results in variations in the composition and components of the green compact and sintered compact, resulting in a loss of homogeneity.
この発明の目的は、Ti-Al系の圧粉体もしくは焼結体の成分のばらつきを抑制することができる圧粉体の製造方法及び、焼結体の製造方法を提供することにある。 The object of this invention is to provide a method for manufacturing a green compact and a method for manufacturing a sintered compact that can suppress variation in the composition of Ti-Al green compacts or sintered compacts.
発明者は鋭意検討の結果、少なくとも母合金粉末を粉砕粉末とし、さらにアスペクト比の平均値が1.38以上かつ3.00以下であるアルミニウム粉末を用いることにより、モールド内での原料粉末中の粒子の偏りを抑制できることを見出した。 After extensive research, the inventors discovered that by using pulverized powder for at least the master alloy powder and by using aluminum powder with an average aspect ratio of 1.38 or more and 3.00 or less, it is possible to suppress the uneven distribution of particles in the raw material powder within the mold.
これまでの一般的なアルミニウム粉末は、アトマイズ法等により作製されて球形状であることが多い。そのようなアルミニウム粉末を、チタン粉末及び、粉砕粉末ではない母合金粉末と混合させて原料粉末とすれば、球形状で、しかもチタン粉末や母合金粉末に比して比重が小さいアルミニウム粉末が、原料粉末中で流動しやすく偏りを生じさせる。 Conventional aluminum powder has often been produced by methods such as atomization and is spherical in shape. If such aluminum powder is mixed with titanium powder and master alloy powder that is not a crushed powder to produce a raw powder, the aluminum powder, which is spherical and has a lower specific gravity than the titanium powder and master alloy powder, will tend to flow easily within the raw powder, causing uneven distribution.
これに対し、少なくとも母合金粉末を粉砕粉末とするとともに、アスペクト比が上記の範囲内であるアルミニウム粉末を用いると、原料粉末中でのアルミニウム粉末の流動が抑えられ、原料粉末中の偏りが発生しにくくなると考えられる。その結果として、均一な組成のTi-Al系の圧粉体もしくは焼結体を得ることが可能になる。 In contrast, if at least the master alloy powder is pulverized and aluminum powder with an aspect ratio within the above range is used, it is believed that the flow of the aluminum powder within the raw material powder is suppressed, making it less likely for bias to occur within the raw material powder. As a result, it is possible to obtain a Ti-Al-based green compact or sintered compact with a uniform composition.
この発明の圧粉体の製造方法は、チタン、アルミニウム及び他の金属元素を含む圧粉体の製造方法であって、チタン粉末、アルミニウム粉末、並びに、アルミニウム及び前記他の金属元素を含有する母合金粉末を含む原料粉末を準備する工程と、前記原料粉末を樹脂製のモールド内に充填する工程と、前記原料粉末が充填された前記モールドに対して冷間等方圧加圧を施す工程とを含み、前記母合金粉末中の前記他の金属元素の含有量が質量基準でアルミニウムの含有量以上であり、前記母合金粉末が粉砕粉末であり、前記アルミニウム粉末のアスペクト比の平均値が1.38以上かつ3.00以下であるというものである。 The method for producing a powder compact of this invention is a method for producing a powder compact containing titanium, aluminum, and other metal elements, and includes the steps of preparing raw material powder containing titanium powder, aluminum powder, and a master alloy powder containing aluminum and the other metal elements; filling the raw material powder into a resin mold; and cold isostatically pressing the mold filled with the raw material powder, wherein the content of the other metal elements in the master alloy powder is equal to or greater than the content of aluminum by mass, the master alloy powder is a pulverized powder, and the average aspect ratio of the aluminum powder is 1.38 or more and 3.00 or less.
チタン粉末は粉砕粉末であることが好ましい。 The titanium powder is preferably a crushed powder.
前記原料粉末は、下記(1)~(4)からなる群から選択される少なくとも一つの条件を満たすことが好ましい。
(1)前記チタン粉末の平均粒径D50が、20μm以上かつ80μm以下である。
(2)前記母合金粉末の平均粒径D50が、10μm以上かつ80μm以下である。
(3)前記アルミニウム粉末の質量基準の90%以上の粒度が、20μm以上かつ90μm以下の範囲内である。
(4)前記アルミニウム粉末の平均円形度が0.60以上かつ0.75以下である。
The raw material powder preferably satisfies at least one condition selected from the group consisting of the following (1) to (4):
(1) The average particle size D50 of the titanium powder is 20 μm or more and 80 μm or less.
(2) The average particle size D50 of the master alloy powder is 10 μm or more and 80 μm or less.
(3) The particle size of 90% or more of the aluminum powder by mass is in the range of 20 μm or more and 90 μm or less.
(4) The aluminum powder has an average circularity of 0.60 or more and 0.75 or less.
前記アルミニウム粉末は、箔の裁断又は、粉体のプレス成形により作製されたものであることが好ましい。 It is preferable that the aluminum powder is produced by cutting foil or pressing powder.
前記モールドとしては、ショアD硬さが30以上かつ120以下である熱可塑性樹脂からなるモールドを用いることができる。 The mold can be made of a thermoplastic resin with a Shore D hardness of 30 or more and 120 or less.
前記モールドとしては、三次元造形装置を用いて作製されたモールドを用いることができる。 The mold can be one made using a three-dimensional modeling device.
この発明の焼結体の製造方法は、上記のいずれかの圧粉体の製造方法により製造された圧粉体を加熱して焼結させる工程を含むものである。 The method for manufacturing a sintered body of the present invention includes the step of heating and sintering a powder compact manufactured by any of the above-described methods for manufacturing a powder compact.
この発明によれば、Ti-Al系の圧粉体もしくは焼結体の成分のばらつきを抑制することができる。 This invention makes it possible to suppress variation in the composition of Ti-Al-based compacts or sintered bodies.
以下に、この発明の実施の形態について詳細に説明する。
この発明の一の実施形態に係る圧粉体の製造方法は、チタン、アルミニウム及び他の金属元素を含む圧粉体、いわゆるTi-Al系の圧粉体を製造するものである。この方法には、チタン粉末、アルミニウム粉末、並びに、アルミニウム及び他の金属元素を含有する母合金粉末を含む原料粉末を準備する工程と、原料粉末を樹脂製のモールド内に充填する工程と、原料粉末が充填されたモールドに対して冷間等方圧加圧を施す工程とが含まれる。また、一の実施形態の焼結体の製造方法は、圧粉体の製造方法により製造された圧粉体に対し、焼結及び/又は熱間等方圧加圧等により、加熱により焼結を行う工程を含む。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
A method for producing a powder compact according to one embodiment of the present invention produces a powder compact containing titanium, aluminum, and other metal elements, i.e., a so-called Ti-Al-based powder compact. This method includes the steps of preparing a raw material powder containing titanium powder, aluminum powder, and a master alloy powder containing aluminum and other metal elements, filling a resin mold with the raw material powder, and cold isostatic pressing the mold filled with the raw material powder. A method for producing a sintered body according to one embodiment also includes the step of sintering the powder compact produced by the method for producing a powder compact by heating, such as by sintering and/or hot isostatic pressing.
原料粉末は、チタン粉末、アルミニウム粉末及び母合金粉末を混合させて得られるものである。母合金粉末は、質量基準で他の金属元素の含有量がアルミニウムの含有量以上であるものとする。このような母合金粉末は、比較的安価であり、安定して入手することができる。但し、当該母合金粉末は、他の金属元素の含有量がアルミニウムの含有量以上であるから、たとえば、Ti-6Al-4V合金のような、アルミニウムの含有量が他の金属元素の含有量よりも多いTi-Al系の圧粉体や焼結体を製造しようとするとき等には、目的とする組成に調整するため、この実施形態のように、チタン粉末及び母合金粉末に加えてアルミニウム粉末を添加することを要する場合がある。 The raw material powder is obtained by mixing titanium powder, aluminum powder, and master alloy powder. The master alloy powder has a mass content of other metal elements equal to or greater than the aluminum content. Such master alloy powder is relatively inexpensive and readily available. However, because the mass content of other metal elements in this master alloy powder is equal to or greater than the aluminum content, when attempting to manufacture a Ti-Al-based compact or sintered body in which the aluminum content is higher than the other metal elements, such as a Ti-6Al-4V alloy, it may be necessary to add aluminum powder in addition to the titanium powder and master alloy powder, as in this embodiment, to adjust the composition to the desired level.
ここで、アルミニウム粉末は、比重がチタン粉末に比して小さく、また一般に母合金粉末よりも小さい。特にそのようなアルミニウム粉末は、チタン粉末及び母合金粉末とともに原料粉末に含ませてモールド内に充填すると、モールド内にて原料粉末中で流動して偏在する傾向がある。モールド内の原料粉末中におけるアルミニウム粉末の偏在は、その後の冷間等方圧加圧で得られる圧粉体や、焼結及び/又は熱間等方圧加圧等の後に得られる焼結体での組成のばらつきを招く。 Aluminum powder has a lower specific gravity than titanium powder and is generally lower than master alloy powder. In particular, when such aluminum powder is mixed with raw material powder together with titanium powder and master alloy powder and then filled into a mold, it tends to flow and become unevenly distributed within the raw material powder within the mold. Uneven distribution of aluminum powder within the raw material powder within the mold leads to variations in composition in the green compact obtained by subsequent cold isostatic pressing, and in the sintered body obtained after sintering and/or hot isostatic pressing, etc.
これに対し、この実施形態では、少なくとも母合金粉末を粉砕粉末とし、アルミニウム粉末のアスペクト比の平均値を1.38以上かつ3.00以下とする。アスペクト比がある程度大きいアルミニウム粉末と、粉砕粉末である母合金粉末との併用により、モールド内へ原料粉末を充填し、その後にタッピングなどを行っても、アルミニウム粉末の偏在が良好に抑制される。その結果として、金属元素の均質性に優れたTi-Al系の圧粉体や焼結体を得ることができる。 In contrast, in this embodiment, at least the master alloy powder is pulverized, and the average aspect ratio of the aluminum powder is 1.38 or more and 3.00 or less. By using aluminum powder with a relatively large aspect ratio in combination with pulverized master alloy powder, uneven distribution of the aluminum powder is effectively suppressed even when the raw powder is filled into a mold and then tapped. As a result, it is possible to obtain Ti-Al-based green compacts and sintered compacts with excellent homogeneity of the metal elements.
(原料粉末)
原料粉末は、チタン粉末と、アルミニウム粉末と、アルミニウム及び他の金属元素を含有する母合金粉末とを混合させて得られる。原料粉末にはさらに、他の母合金粉末や合金元素粉末等を含ませることもある。
(Raw material powder)
The raw material powder is obtained by mixing titanium powder, aluminum powder, and master alloy powder containing aluminum and other metal elements. The raw material powder may further contain other master alloy powders, alloy element powders, etc.
このような原料粉末を用いることにより、たとえば、Ti-5Al-1Fe、Ti-5Al-2Fe、Ti-6Al-4V、Ti-3Al-2.5V等からなるチタン合金製の圧粉体や焼結体を製造することができる。なおここで、合金元素の各元素記号の前に付した数字は、含有量(質量%)を示している。例えば、「Ti-6Al-4V」は、6質量%のAlと4質量%のVとを含有するチタン合金のことを意味する。 Using such raw material powders, it is possible to produce titanium alloy green compacts and sintered bodies made of titanium alloys such as Ti-5Al-1Fe, Ti-5Al-2Fe, Ti-6Al-4V, and Ti-3Al-2.5V. The numbers before the element symbols for the alloying elements indicate the content (mass %). For example, "Ti-6Al-4V" refers to a titanium alloy containing 6 mass % Al and 4 mass % V.
チタン粉末は、不可避的に不純物は含みうるものの、主としてチタンを含有するものであり、チタンの含有量が99質量%以上であることが好ましい。チタン粉末の具体例としては、スポンジチタン等を水素化して粉砕した後に脱水素して得られる水素化脱水素チタン粉末(いわゆるHDH粉末)や、上記の粉砕後に脱水素を行わなかった水素化チタン粉末等が挙げられる。チタン粉末には、水素が5質量%以下で含まれる場合がある。チタン粉末に水素が含まれる場合、圧粉体を焼結させる前に脱水素処理することができ、また、一度の熱処理で脱水素と焼結を同時に行うこともできる。また、焼結させるために加熱する工程で、当該水素は除去され得る。 Although titanium powder may inevitably contain impurities, it primarily contains titanium, and it is preferable that the titanium content be 99% by mass or more. Specific examples of titanium powder include hydrogenated/dehydrogenated titanium powder (so-called HDH powder), which is obtained by hydrogenating sponge titanium, pulverizing it, and then dehydrogenating it, as well as hydrogenated titanium powder that is not dehydrogenated after pulverization. Titanium powder may contain hydrogen at 5% by mass or less. If the titanium powder contains hydrogen, it can be dehydrogenated before sintering the green compact, or dehydrogenation and sintering can be performed simultaneously in a single heat treatment. The hydrogen can also be removed during the heating process for sintering.
母合金粉末は、アルミニウム及び他の金属元素を含有するものである。ここで、他の金属元素は、たとえば、バナジウム及び鉄からなる群から選択される少なくとも一種とすることがある。母合金粉末は、典型的には、アルミニウム及びバナジウムを含有するもの、又は、アルミニウム及び鉄を含有するものであるが、それらに限らない。 The master alloy powder contains aluminum and other metal elements. Here, the other metal elements may be, for example, at least one selected from the group consisting of vanadium and iron. The master alloy powder typically contains aluminum and vanadium, or aluminum and iron, but is not limited to these.
母合金粉末は、他の金属元素の含有量が質量基準でアルミニウムの含有量以上であるものとする。アルミニウムの含有量が他の金属元素の含有量よりも多い母合金粉末は、入手もしくは作製が困難であること等により、安定的に準備することが難しい場合がある。母合金粉末は、たとえば、アルミニウム含有量が15質量%以上かつ50質量%以下、好ましくは40質量%以上かつ50質量%以下であり、他の金属元素の含有量が50質量%以上かつ85質量%以下、好ましくは50質量%以上かつ60質量%以下である場合がある。 The master alloy powder has a mass content of other metal elements equal to or greater than the mass content of aluminum. Master alloy powders with a higher aluminum content than the mass of other metal elements can be difficult to obtain or produce, and can be difficult to prepare consistently. For example, the master alloy powder may have an aluminum content of 15% by mass or more and 50% by mass or less, preferably 40% by mass or more and 50% by mass or less, and a mass content of other metal elements of 50% by mass or more and 85% by mass or less, preferably 50% by mass or more and 60% by mass or less.
上述したチタン粉末及び母合金粉末のうち、少なくとも母合金粉末は、粉砕粉末とする。粉砕粉末は、各粒子が多面体状であることが多い。母合金粉末を粉砕粉末とすれば、後述するようにアルミニウム粉末のアスペクト比を比較的大きくしたことと相俟って、モールド内における原料粉末中の各粉末の偏在が良好に抑制される。チタン粉末は、粉砕以外の方法で作製された球状の粒子からなるものであってもよいが、好ましくは、チタン粉末も粉砕粉末とする。粉砕粉末とは、塊等を粉砕することにより作製された粉末である。たとえばチタン粉末については、先述したHDHチタン粉末や水素化チタン粉末は粉砕粉末に該当する。粉砕粉末としての母合金粉末は、鋳塊を粉砕して作製されることがある。 Of the titanium powder and master alloy powder described above, at least the master alloy powder is a pulverized powder. The particles of pulverized powder are often polyhedral. Using pulverized master alloy powder, coupled with the relatively large aspect ratio of the aluminum powder described below, effectively suppresses uneven distribution of each powder within the raw powder within the mold. The titanium powder may be composed of spherical particles produced by a method other than pulverization, but it is preferable that the titanium powder also be a pulverized powder. A pulverized powder is a powder produced by pulverizing a lump or the like. For example, the aforementioned HDH titanium powder and titanium hydride powder are examples of pulverized titanium powder. The pulverized master alloy powder is sometimes produced by pulverizing an ingot.
アルミニウム粉末は、主にアルミニウムからなり、アルミニウム含有量が99質量%以上であることが好適である。アルミニウム粉末は、不純物が含まれる場合があるが、不純物の含有量は1質量%よりも少ないことが好ましい。 The aluminum powder is primarily composed of aluminum, and preferably has an aluminum content of 99% by mass or more. The aluminum powder may contain impurities, but the impurity content is preferably less than 1% by mass.
アルミニウム粉末は、アスペクト比の平均値(「平均アスペクト比」ともいう。)が1.38以上かつ3.00以下であるものとする。アルミニウム粉末の平均アスペクト比が1.38よりも小さい場合、原料粉末をモールド内に充填したときに各粉末の偏りが十分に抑制されないことが懸念される。一方、アルミニウム粉末の平均アスペクト比が3.00を超える場合は、合金成分粉末の偏在抑制効果が十分に発揮されないおそれがある。そのような観点から、アルミニウム粉末の平均アスペクト比は、好ましくは1.40以上かつ2.00以下、より好ましくは1.42以上かつ1.50以下である。かかるアルミニウム粉末は、たとえば各粒子が鱗片状等の片状をなすことが多い。 The aluminum powder has an average aspect ratio (also referred to as the "average aspect ratio") of 1.38 or more and 3.00 or less. If the average aspect ratio of the aluminum powder is less than 1.38, there is a concern that uneven distribution of the powder particles may not be sufficiently suppressed when the raw material powder is filled into a mold. On the other hand, if the average aspect ratio of the aluminum powder exceeds 3.00, there is a risk that the effect of suppressing uneven distribution of the alloy component powder may not be fully exerted. From this perspective, the average aspect ratio of the aluminum powder is preferably 1.40 or more and 2.00 or less, and more preferably 1.42 or more and 1.50 or less. In such aluminum powder, each particle often has a flake shape, such as a scale shape.
アルミニウム粉末の平均アスペクト比は、次のようにして求める。まず、粒子形状画像解析装置PITA-04(株式会社セイシン企業製)を用いて、分散媒のイソプロピルアルコール(IPA)中に分散させたアルミニウム粉末の粒子の投影像についての画像を取得する。なお、このときのポンプ速度は2000Hzとすることができる。そして、当該画像上にて、その投影像の輪郭線上における二点間の最大長さを長径Lとし、その長径に垂直な方向の最小長さを短径dとして測定する。アルミニウム粉末の粒子のアスペクト比は、上記の長径Lを短径dで除して、L/dとして算出する。アルミニウム粉末の約1万個の粒子について上記のアスペクト比(L/d)を算出し、それらの平均値を平均アスペクト比とする。 The average aspect ratio of aluminum powder is determined as follows. First, a particle shape image analyzer PITA-04 (manufactured by Seishin Enterprise Co., Ltd.) is used to obtain a projected image of aluminum powder particles dispersed in isopropyl alcohol (IPA) as a dispersant. The pump speed can be set to 2000 Hz. The maximum length between two points on the outline of the projected image is then measured as the major axis L, and the minimum length perpendicular to the major axis is measured as the minor axis d. The aspect ratio of aluminum powder particles is calculated as L/d by dividing the major axis L by the minor axis d. The aspect ratio (L/d) is calculated for approximately 10,000 aluminum powder particles, and the average value is taken as the average aspect ratio.
アルミニウム粉末の平均円形度は、たとえば0.60以上かつ0.75以下となる場合がある。円形度は、電子顕微鏡を使用して測定される粒子の投影像の周囲長に対する、その投影像の面積と等しい面積の円の周囲長の比である。平均円形度は、粒子の投影像の周囲長P及び投影面積Aから、4πA/P2で算出される。平均円形度は、セル内にキャリア液とともに粒子を流し、CCDカメラで多量の粒子の画像を撮り込み、約10000個の個々の粒子画像から、各粒子について上記の円形度(4πA/P2)を算出し、各粒子の円形度の平均値として求める。 The average circularity of aluminum powder may be, for example, 0.60 or more and 0.75 or less. Circularity is the ratio of the perimeter of a circle with an area equal to the area of a projected image of a particle measured using an electron microscope to the perimeter of the projected image. The average circularity is calculated from the perimeter P and projected area A of the projected image of the particle by 4πA/ P2 . The average circularity is determined by flowing particles together with a carrier liquid into a cell, capturing a large number of particle images with a CCD camera, and calculating the above circularity (4πA/ P2 ) for each particle from approximately 10,000 individual particle images, and then determining the average circularity of each particle.
上述したようなアルミニウム粉末としては、市販品を購入して使用することができる。アルミニウム粉末を作製するには、たとえば、厚みが比較的薄いアルミニウム製の箔を微細に裁断すること、又は、アトマイズ法等で作製されたアルミニウム製の粉体にプレス加工を施して扁平にすること等により行うことができる。なお、単にガスアトマイズ法や水アトマイズ法等のアトマイズ法で作製されたアルミニウム粉末は、実質的に球状になり、平均アスペクト比が上記の範囲外になりやすい傾向がある。但し、アルミニウム粉末は、平均アスペクト比が所定の範囲内であれば、その作製方法に限定されるものではない。 The aluminum powder described above can be purchased commercially and used. Aluminum powder can be produced, for example, by finely cutting a relatively thin aluminum foil, or by flattening aluminum powder produced by an atomization method or the like through pressing. Aluminum powder produced simply by an atomization method such as gas atomization or water atomization tends to be substantially spherical, with an average aspect ratio outside the above-mentioned range. However, the aluminum powder is not limited to a specific production method, as long as the average aspect ratio falls within the specified range.
チタン粉末の平均粒径D50は、20μm以上かつ80μm以下であることが好ましい。チタン粉末の平均粒径D50は、20μm以上であれば酸素含有量の上昇を低減でき、また80μm以下であれば充填密度の低下を抑制できることが見込まれる。
また、母合金粉末の平均粒径D50は、10μm以上かつ80μm以下であることが好ましい。母合金粉末の平均粒径D50を10μm以上とすると、酸素含有量の上昇を低減できて、かつ、極端な粒径差に起因する偏在の発生を抑制できる可能性があり、また80μm以下とすれば、粗大粒子の拡散不足による局所的な成分濃化を防止できることが考えられる。
また、アルミニウム粉末は、質量基準の90%以上の粒度が、20μm以上かつ90μm以下であることが好適である。アルミニウム粉末の粒度が20μm以上である場合は、合金成分の偏在抑制効果を発現し、90μm以下である場合は、粗大粒子の拡散不足による局所的な成分濃化を抑制できると考えられる。
The average particle size D50 of the titanium powder is preferably 20 μm or more and 80 μm or less. If the average particle size D50 of the titanium powder is 20 μm or more, it is expected that an increase in the oxygen content can be reduced, and if it is 80 μm or less, it is expected that a decrease in packing density can be suppressed.
The average particle size D50 of the master alloy powder is preferably 10 μm or more and 80 μm or less. If the average particle size D50 of the master alloy powder is 10 μm or more, it is possible to reduce an increase in the oxygen content and to suppress the occurrence of uneven distribution due to extreme particle size differences, while if it is 80 μm or less, it is thought that local concentration of components due to insufficient diffusion of coarse particles can be prevented.
It is also preferable that the particle size of 90% or more of the aluminum powder by mass is 20 μm or more and 90 μm or less. When the particle size of the aluminum powder is 20 μm or more, it is thought that the effect of suppressing uneven distribution of alloying components can be exerted, and when it is 90 μm or less, it is thought that local concentration of components due to insufficient diffusion of coarse particles can be suppressed.
なお、平均粒径D50は、レーザー回折散乱法によって得られた粒度分布(体積基準)の粒子径D50(メジアン径)を意味する。また、粒度は、JIS Z8801-1:2006に規定される「金属製網ふるい」の目開きの大きさである。20μm以上かつ90μm以下の範囲内の粒度とは、20μmの目開きの篩で篩上になり、90μmの目開きの篩で篩下になるものを意味する。質量基準で90%以上が目開き20μmの篩上かつ目開き90μmの篩下となれば、「20μm以上かつ90μm以下の範囲内の粒度」であると判断する。 Note that the average particle size D50 refers to the particle size D50 (median diameter) of the particle size distribution (volume basis) obtained by laser diffraction scattering. Furthermore, particle size refers to the size of the openings of a "metal mesh sieve" as specified in JIS Z8801-1:2006. A particle size in the range of 20 μm or more and 90 μm or less means that the particles pass through a sieve with 20 μm openings and are undersized on a sieve with 90 μm openings. If 90% or more of the particles pass through a sieve with 20 μm openings and are undersized on a sieve with 90 μm openings, by mass, the particle size is considered to be "in the range of 20 μm or more and 90 μm or less."
(モールド)
上述した原料粉末を充填するモールドは、最終的に製造しようとする圧粉体もしくは焼結体の外形に対応する形状の内部空間が設けられたものである。貫通孔等の凹部を有する圧粉体もしくは焼結体を製造する場合、モールド内への原料粉末の充填前もしくは充填後に、モールド内に、当該凹部に対応する形状の芯材ないし中子を配置することがある。モールドや芯材の形状は、圧粉体もしくは焼結体の形状に応じて適宜変更され得る。
(mold)
The mold into which the raw material powder is filled has an internal space having a shape corresponding to the outer shape of the green compact or sintered body to be finally produced. When producing a green compact or sintered body having a recess such as a through-hole, a core or a core having a shape corresponding to the recess may be placed in the mold before or after filling the mold with the raw material powder. The shapes of the mold and core can be changed as appropriate depending on the shape of the green compact or sintered body.
原料粉末は、そのようなモールドの開口部から当該モールド内に、タッピング等により充填することができる。原料粉末の充填後は、モールドの開口部を塞いで、後述の冷間等方圧加圧が行われる。 The raw material powder can be filled into the mold through the opening by tapping, etc. After the raw material powder is filled, the mold opening is closed and cold isostatic pressing, as described below, is performed.
この実施形態では、少なくとも母合金粉末を粉砕粉末とし、かつ、アルミニウム粉末のアスペクト比の平均値を1.38以上かつ3.00以下とすることにより、モールド内に原料粉末を充填した際に、モールド内での原料粉末中の各粉末の偏りが良好に抑制される。 In this embodiment, at least the master alloy powder is pulverized, and the average aspect ratio of the aluminum powder is 1.38 or more and 3.00 or less. This effectively prevents the powder particles from becoming unevenly distributed within the mold when the raw material powder is filled into the mold.
ここでは、樹脂製のモールドを用いる。より具体的には、モールドは、熱可塑性樹脂製であることが好ましく、特にアクリル樹脂、エラストマーを含有するアクリル樹脂、ポリ乳酸(PLA)樹脂等で形成されたものとすることが好適である。 Here, a resin mold is used. More specifically, the mold is preferably made of a thermoplastic resin, and particularly preferably made of acrylic resin, acrylic resin containing elastomer, polylactic acid (PLA) resin, or the like.
モールドは、所要の強度を確保して原料粉末の充填時にもその形状を維持するため、ショアD硬さが30以上かつ120以下である熱可塑性樹脂からなることが好ましく、ショアD硬さが30以上かつ85以下である熱可塑性樹脂としてもよい。ショアD硬さは、JIS K7215-1986に準拠する試験方法によって測定することができる。また同様の観点から、樹脂製のモールドの厚みは、0.5mm以上かつ2.0mm以下であるものとすることが好ましい。 To ensure the required strength and maintain its shape when filled with raw material powder, the mold is preferably made of a thermoplastic resin with a Shore D hardness of 30 or more and 120 or less, or alternatively, a thermoplastic resin with a Shore D hardness of 30 or more and 85 or less. Shore D hardness can be measured using a test method conforming to JIS K7215-1986. From the same perspective, the thickness of the resin mold is preferably 0.5 mm or more and 2.0 mm or less.
樹脂製のモールドは種々の方法により作製することが可能であるが、三次元造形装置(いわゆる3Dプリンタ)を用いて作製されたものであることが好ましい。これにより、様々な形状のモールドを容易に作製することができる。三次元造形装置の造形方式は特に問わず、たとえば光造形方式、インクジェット方式、インクジェット粉末積層方式、粉末焼結積層造形方式、熱溶解積層方式又は粉末固着方式等のいずれであってもよい。 Resin molds can be made using a variety of methods, but are preferably made using a three-dimensional modeling device (a so-called 3D printer). This makes it easy to create molds of various shapes. There are no particular restrictions on the modeling method used for the three-dimensional modeling device, and it can be any of the following: optical modeling, inkjet modeling, inkjet powder layering, powder sintering layering, fused deposition modeling, or powder bonding.
(冷間等方圧加圧)
原料粉末をモールド内に充填した後、そのモールドに対して冷間等方圧加圧(CIP)を施す。より詳細には、原料粉末を充填したモールドを、冷間等方圧加圧装置の内部に配置し、そこで、モールドの外側からモールドを等方圧で加圧することにより、モールド内の原料粉末を圧縮させることができる。冷間等方圧加圧により、モールドの成形空間の原料粉末は加圧されて締め固められ、圧粉体になる。
(cold isostatic pressing)
After the raw material powder is filled into the mold, the mold is subjected to cold isostatic pressing (CIP). More specifically, the mold filled with the raw material powder is placed inside a cold isostatic pressing device, where the raw material powder inside the mold is compressed by isostatically pressing the mold from the outside. By cold isostatic pressing, the raw material powder in the molding space of the mold is compressed and compacted into a green compact.
冷間等方圧加圧でモールドに作用させる加圧力は、たとえば300MPa以上とし、好ましくは400MPa以上、より好ましくは450MPa以上である。加圧力を300MPa以上にすれば、原料粉末が十分に圧縮され、所期したとおりの形状精度の圧粉体が得られやすくなる。なお加圧力は、たとえば600MPa以下、典型的には500MPa以下とすることがある。また、そのような加圧力での保持時間は、たとえば0.5分~30分とする場合がある。 The pressure applied to the mold during cold isostatic pressing is, for example, 300 MPa or more, preferably 400 MPa or more, and more preferably 450 MPa or more. A pressure of 300 MPa or more sufficiently compresses the raw material powder, making it easier to obtain a green compact with the desired shape precision. The pressure may be, for example, 600 MPa or less, typically 500 MPa or less. The holding time at such a pressure may be, for example, 0.5 to 30 minutes.
なお、冷間等方圧加圧では、モールドは、その周囲の流体により等方圧(静水圧)で加圧される。そのため、冷間等方圧加圧によると、種々の形状のモールドを用いることができる。またここでは、樹脂製のモールドが、上記の流体による等方圧の作用に際して適切に変形するので、多様な形状の圧粉体を製造することができる。 In cold isostatic pressing, the mold is isotropically (hydrostatically) pressed by the surrounding fluid. Therefore, cold isostatic pressing allows the use of molds of various shapes. Furthermore, since the resin mold deforms appropriately when subjected to the isotropic pressure of the fluid, green compacts of a variety of shapes can be produced.
(加熱焼結)
焼結体を製造する場合、冷間等方圧加圧の後に圧粉体を加熱し、圧粉体を構成する粒子を焼結させる工程が含まれる。それにより、焼結体を製造することができる。
(heat sintering)
When producing a sintered body, a step of heating the green compact after cold isostatic pressing to sinter the particles that make up the green compact is included, thereby producing a sintered body.
この工程では、圧粉体を無加圧で、たとえば1200℃以上かつ1300℃以下の温度にて1時間以上かつ12時間以下にわたって加熱することができる。また、圧粉体に対して熱間等方圧加圧(HIP)を施し、たとえば、800℃以上かつ1000℃以下の温度にて、圧粉体に、アルゴンガス等の圧力媒体により100MPa以上かつ200MPa以下程度の等方圧を30分以上かつ150分以下にわたって作用させることもできる。 In this process, the green compact can be heated without pressure at a temperature of, for example, 1200°C or higher and 1300°C or lower for 1 hour or longer and 12 hours or shorter. Alternatively, the green compact can be subjected to hot isostatic pressing (HIP), in which an isostatic pressure of approximately 100 MPa or higher and 200 MPa or lower is applied to the green compact using a pressure medium such as argon gas at a temperature of, for example, 800°C or higher and 1000°C or lower for 30 minutes or longer and 150 minutes or shorter.
無加圧の加熱又は熱間等方圧加圧のいずれを行う場合でも、圧粉体は比較的高温に晒されることにより焼結が進行する。熱間等方圧加圧を行う場合、材料の変形抵抗が小さくなる温度域において、ガス圧を印加することにより、材料に残存するポアが潰れ、高密度化する。無加圧の加熱及び熱間等方圧加圧の両方を行うこともある。無加圧の加熱及び熱間等方圧加圧の両方を行う場合は、その順序は特に問わないが、たとえば無加圧の加熱の後に熱間等方圧加圧を行うことができる。 Whether pressureless heating or hot isostatic pressing is used, sintering of the green compact progresses by exposing it to a relatively high temperature. When hot isostatic pressing is used, gas pressure is applied in a temperature range where the material's resistance to deformation is low, thereby crushing any remaining pores in the material and increasing its density. Both pressureless heating and hot isostatic pressing may also be used. When both pressureless heating and hot isostatic pressing are used, the order is not particularly important, but for example, hot isostatic pressing can be performed after pressureless heating.
次に、この発明の圧粉体の製造方法及び焼結体の製造方法を試験的に実施し、その効果を確認したので、以下に説明する。但し、ここでの説明は単なる例示を目的としたものであり、これに限定されることを意図するものではない。 Next, the methods for manufacturing a green compact and a sintered compact according to the present invention were experimentally implemented, and their effects were confirmed. These are described below. However, the descriptions here are merely illustrative and are not intended to be limiting.
表1及び2に示すチタン粉末、アルミニウム粉末、並びに、アルミニウム及びバナジウムを含む母合金粉末を含む原料粉末を樹脂製のモールドに充填して、そのモールドに対して冷間等方圧加圧を施し、圧粉体を製造した。その後、圧粉体をモールドから取り出し、真空下にて無加圧で加熱した後、更に熱間等方圧加圧を行い、焼結体を製造した。 The raw material powders, including titanium powder, aluminum powder, and master alloy powder containing aluminum and vanadium, shown in Tables 1 and 2, were filled into a resin mold, and the mold was subjected to cold isostatic pressing to produce a green compact. The green compact was then removed from the mold, heated under vacuum without pressure, and then subjected to further hot isostatic pressing to produce a sintered body.
実施例1~12では、表2に示すように、表1のアルミニウム粉末のうち、平均アスペクト比が1.45であるもの(このアルミニウム粉末の形状を鱗片状と表現することがある。)を使用し、また、表1の母合金粉末のうち、粉砕粉末を使用した。比較例1~36では、平均アスペクト比が1.09であるアルミニウム粉末を使用し、及び/又は、母合金粉末としてアトマイズ粉末を使用した。つまり、比較例1~36では、アルミニウム粉末及び母合金粉末のうちの少なくとも一方を、アトマイズ粉末とした。なお、鱗片状であるアルミニウム粉末は、質量基準で90%以上のものが20μm以上かつ90μm以下の範囲内であった。 In Examples 1 to 12, as shown in Table 2, aluminum powder from Table 1 with an average aspect ratio of 1.45 (the shape of this aluminum powder is sometimes described as flaky) was used, and pulverized powder was used from the master alloy powder from Table 1. In Comparative Examples 1 to 36, aluminum powder with an average aspect ratio of 1.09 was used, and/or atomized powder was used as the master alloy powder. In other words, in Comparative Examples 1 to 36, at least one of the aluminum powder and the master alloy powder was atomized powder. Note that 90% or more of the flaky aluminum powder was in the range of 20 μm or more and 90 μm or less by mass.
なお、上記のモールドは、厚みが1.0mm、内寸がφ20mm×120mmであって、PLA(ポリ乳酸)製、ショアD硬さが30以上かつ85以下のものとした。冷間等方圧加圧(静水圧加圧)では、490MPaの加圧力を1分にわたって作用させた。冷間等方圧加圧後にモールド内に得られる圧粉体の、原料粉末を充填した開口部側の端面をTоpとし、底部側の端面をBottomとする。その後の加熱焼結では、圧粉体を無加圧で1200℃の温度に加熱し、その温度を480分にわたって保持した。その後、更に900℃、178MPaで120分間の熱間等方圧加圧を行った。これにより、およそφ15mm×100mmの丸棒状の焼結体が得られた。 The mold described above was 1.0 mm thick, had internal dimensions of φ20 mm x 120 mm, was made of PLA (polylactic acid), and had a Shore D hardness of 30 or more and 85 or less. Cold isostatic pressing (hydrostatic pressing) was performed with a pressure of 490 MPa for 1 minute. The end face of the green compact obtained in the mold after cold isostatic pressing, facing the opening filled with the raw material powder, is referred to as the "Top," and the end face facing the bottom is referred to as the "Bottom." During subsequent heat sintering, the green compact was heated to 1200°C without pressure and held at that temperature for 480 minutes. This was followed by hot isostatic pressing at 900°C and 178 MPa for 120 minutes. This resulted in a sintered rod-shaped compact measuring approximately φ15 mm x 100 mm.
なお、いずれの実施例1~12及び比較例1~36でも、冷間等方圧加圧後の圧粉体の相対密度が88%以上になり、無加圧での加熱後の相対密度は95%以上であった。更に熱間等方圧加圧後に得られた焼結体の相対密度は100%となった。相対密度は、焼結体の密度の実測値を理論密度で除して、これを百分率で表したものである。焼結体の密度の実測値を得るに当って、焼結体の体積はアルキメデス法により求めた。理論密度は、Ti-6Al-4Vについては4.43g/cm3、Ti-3Al-2.5Vについては4.48g/cm3とした。 In all of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 36, the relative density of the green compact after cold isostatic pressing was 88% or more, and the relative density after heating without pressure was 95% or more. Furthermore, the relative density of the sintered body obtained after hot isostatic pressing was 100%. The relative density is calculated by dividing the measured density of the sintered body by the theoretical density and expressing this as a percentage. To obtain the measured density of the sintered body, the volume of the sintered body was determined by Archimedes' method. The theoretical density was 4.43 g/ cm3 for Ti-6Al-4V and 4.48 g/ cm3 for Ti-3Al-2.5V.
上記の焼結体の成分の均質性を確認するため、丸棒状の焼結体のTopから約10mmの位置であるT位置、Bottomから約10mmの位置であるB位置、及び、T位置とB位置との間の中央であるM位置の3点から、およそφ15×10mmの試料をそれぞれ切り出した。その後、それらの各試料について、丸棒状の焼結体の長手方向に直交する断面に対して樹脂埋め及び研磨を施し、蛍光X線分析(XRF)を行ってアルミニウム含有量及びバナジウム含有量を調べた。この分析では、X線照射領域は、およそφ10mmとした。そして、アルミニウム含有量及びバナジウム含有量のそれぞれについて、T位置、M位置及びB位置の3点における分析値間の最大差異及び最小差異を算出し、最大差異を最小差異で除した値を均質性指数(最大差異/最小差異)とした。その結果を表2に示す。均質性指数は値が小さいほど、均質であるといえる。なお、均質性指数は1.10以下を合格とし、1.04以下を優れると評価した。 To confirm the homogeneity of the sintered body's components, samples measuring approximately 15 mm in diameter and 10 mm in length were cut from three locations on the rod-shaped sintered body: position T, approximately 10 mm from the top; position B, approximately 10 mm from the bottom; and position M, the center between positions T and B. Each sample was then embedded in resin and polished in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the rod-shaped sintered body. X-ray fluorescence analysis (XRF) was then performed to examine the aluminum and vanadium contents. For this analysis, the X-ray irradiation area was approximately 10 mm in diameter. The maximum and minimum differences between the analytical values for aluminum and vanadium contents at positions T, M, and B were calculated, and the maximum difference divided by the minimum difference was used as the homogeneity index (maximum difference/minimum difference). The results are shown in Table 2. The smaller the homogeneity index, the more homogeneous the sample. A homogeneity index of 1.10 or less was considered acceptable, and 1.04 or less was considered excellent.
表2の結果より、実施例1~12はいずれも、焼結体の均質性指数が十分に小さいことがわかる。これは、原料粉末の母合金粉末が粉砕粉末であり、かつ、アルミニウム粉末の平均アスペクト比がある程度大きかったことで、モールド充填時の原料粉末中での偏りが抑制されたことによるものと考えられる。 The results in Table 2 show that the homogeneity index of the sintered bodies in all Examples 1 to 12 was sufficiently small. This is thought to be because the master alloy powder used as the raw material powder was a pulverized powder, and the average aspect ratio of the aluminum powder was relatively large, which prevented uneven distribution within the raw material powder when it was filled into the mold.
一方、比較例1~36では、母合金粉末が粉砕粉末ではなかったこと、及び/又は、アルミニウム粉末の平均アスペクト比が小さかったことにより、アルミニウム含有量及びバナジウム含有量のうちの少なくとも一方の均質性指数が大きくなった。 On the other hand, in Comparative Examples 1 to 36, the master alloy powder was not a pulverized powder, and/or the average aspect ratio of the aluminum powder was small, resulting in a high homogeneity index for at least one of the aluminum content and vanadium content.
以上より、この発明によれば、Ti-Al系の圧粉体もしくは焼結体の成分のばらつきを抑制できることがわかった。 From the above, it has been found that this invention can suppress variation in the composition of Ti-Al-based compacts or sintered bodies.
Claims (7)
チタン粉末、アルミニウム粉末、並びに、アルミニウム及び前記他の金属元素を含有する母合金粉末を含む原料粉末を準備する工程と、
前記原料粉末を樹脂製のモールド内に充填する工程と、
前記原料粉末が充填された前記モールドに対して冷間等方圧加圧を施す工程と
を含み、
前記母合金粉末中の前記他の金属元素の含有量が質量基準でアルミニウムの含有量以上であり、前記母合金粉末が粉砕粉末であり、前記アルミニウム粉末のアスペクト比の平均値が1.38以上かつ3.00以下である、圧粉体の製造方法。 A method for producing a powder compact containing titanium, aluminum, and other metal elements, comprising:
preparing raw material powders including titanium powder, aluminum powder, and master alloy powder containing aluminum and the other metal elements;
a step of filling the raw material powder into a resin mold;
and applying cold isostatic pressing to the mold filled with the raw material powder,
a content of the other metal element in the master alloy powder that is equal to or greater than the content of aluminum by mass, the master alloy powder being a pulverized powder, and the aluminum powder having an average aspect ratio of 1.38 or more and 3.00 or less.
(1)前記チタン粉末の平均粒径D50が、20μm以上かつ80μm以下である。
(2)前記母合金粉末の平均粒径D50が、10μm以上かつ80μm以下である。
(3)前記アルミニウム粉末の質量基準の90%以上の粒度が、20μm以上かつ90μm以下の範囲内である。
(4)前記アルミニウム粉末の平均円形度が0.60以上かつ0.75以下である。 3. The method for producing a powder compact according to claim 1, wherein the raw material powder satisfies at least one condition selected from the group consisting of the following (1) to (4):
(1) The average particle size D50 of the titanium powder is 20 μm or more and 80 μm or less.
(2) The average particle size D50 of the master alloy powder is 10 μm or more and 80 μm or less.
(3) The particle size of 90% or more of the aluminum powder by mass is in the range of 20 μm or more and 90 μm or less.
(4) The aluminum powder has an average circularity of 0.60 or more and 0.75 or less.
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