JPH0254733A

JPH0254733A - Ｔｉ焼結材料の製造方法

Info

Publication number: JPH0254733A
Application number: JP63206703A
Authority: JP
Inventors: Junichi Ota; 純一太田; Sadamasa Kiyota; 禎公清田; Hiroshi Otsubo; 宏大坪
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1988-08-20
Filing date: 1988-08-20
Publication date: 1990-02-23

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明は粉末冶金法によって製造されるＴｉ焼結材料の
製造方法に関する。

〈従来の技術〉近年、粉末冶金法による焼結部品の製造方法は著しい伸
びを示し、材質も従来からある鉄系から非鉄金属まで広
範囲に渡っている。

Ｔｉは鉄鋼材料に比べて比重が小さく、しかも強度も鉄
鋼に十分匹敵するため航空機材料として多種の部品に用
いられる。　　また、人体の組織との馴染みがよいこと
、害をもたらさないことなどから、医療用器具としても
使用されている。

しかし、溶製材の部品加工の歩留りが低いことから、高
コスト、低生産性であった。　そこで、複雑な形状の部
品を大量生産できる射出成形法を用いることによって、
低コストで高生産性を達成できるが、Ｔｉは非常に活性
な金属であるため、通常の焼結法においては高密度で低
不純物の材料を得ることが難しいという問題点があった
。

一方、高密度焼結合金の製造方法として、熱間静水圧成
形法や加圧焼結法などが提案されている。

例えば、特開昭６３−５００８７４号で示されるように
７０〜２１１　ｋｇ／ｃ＋ｎ’の圧力範囲内で加圧する
ことによって高密度を達成しようとするものがある。

〈発明が解決しようとする課題〉しかし、上記の方法は原料として、低Ｃ２低ＯのＴｉ粉
末を用いなけねばならず、原料粉末が高純度で、高価な
ものとなり、粉末冶金法の経済性を損ねるものである。

さらに、射出成形法を用いる場合には、原料粉のほかに
結合剤を用いる必要があり、この結合剤を後工程で完全
に除去することは難しいため、得られた高Ｃ１高０の成
形体を焼結する必要があり、不純物の除去は不可能であ
る。

また、熱間静水圧法は、装置が複雑なため作業時間が増
し、かつ高価な装置であることから、経済的に不利であ
るという問題を有していた。

本発明は、上記問題を解決し、特別な装置を必要とせず
、通常の真空炉を用いることによって、高密度で、低不
純物のＴｉ焼結材料を製造する方法を提供することを目
的としている。

く課題を解決するための手段〉上記目的を達成するために本発明によれば、原料として
、平均粒径３０μｍ以下のＴｉ粉末を用い、該粉末に結
合剤を添加、混合して射出成形した後、該成形体中の結
合剤を非酸化ｌ雰囲気中で加熱して除去し、続いて１０
５０〜１２００℃の温度、Ｉ　Ｘ　１０−３Ｔｏｒｒ以
下の圧力で焼結し、さらに１２００〜１４００℃の温度
で焼結することを特徴とするＴｉ焼結材料の製造方法が
提供される。

また、成形体中の結合剤を加熱して除去すると共に焼結
に際し、予め成形体中のＣ１０モル比を０．５〜３．０
に調整するのが好ましい。

以下に本発明をざらに詳細に説明する。

本発明では、原料粉末として平均粒径３゜μｍ以下の粉
末を用いるが、その理由は下記のとおりである。

粉末の粒径が小さくなる程、焼結性が向上し、密度は増
加する。　平均粒径が３０μｍを超えると高密度が得ら
れないばかりか、成形時の流動性が低下し、成形体の充
填具合が不均一となり、変形や寸法精度が劣るという欠
点をもつようになる。　　したがって、上限を３０μｍ
とした。

本発明は、上記微粉を用いるため、射出成形に際し、金
属粉末だけでは所望の流動性が得られず、成形不可能と
なる。

そこで、これらの欠陥が生じないように結合剤を添加、
混合して成形する。　結合剤は、ポリエチレン、ボップ
ロピレン、ポリスチレンなどの熱可塑性樹脂、パラフィ
ン、マイクロワックス、カルナバなどのワックス、ある
いは両方混合して用いても成形可能である。　もちろん
本発明はこれらの結合剤に限定されるものではない。

結合剤の量は成形法によって異なる。　成形機は従来の
金型ブレス機のほかに押出成形機や粉末圧延機、射出成
形機などが使用される。

結合剤は通常の金型プレスでは０．５〜３．　０重量％
はどであるが、複雑形状の製品を成形できる射出成形法
では１０重量％程の結合剤を要する。

成形後、結合剤を除去するために非酸化性雰囲気中で一
定速度で昇温、保持する。　この時の昇温速度を速くし
過ぎると製品に割れや膨れが生じるため、５〜ｂ結合剤を除去した後、高密度化を達成するために焼結す
る。　結合剤は完全に除去されずに残っているが、この
残留結合剤の炭素とＴｉ粉の表面に存在する酸化被膜の
酸素の反応を促進させることによって、最終焼結体の不
純物であるＣ１０量を極力減少させる。　その際、結合
剤の除去程度を加減するか、あるいは除去後、焼結前の
加熱温度、雰囲気中の酸素ポテンシャルの調節によりＣ
１０モル比を最適値に調節することによってＣ１０量の
低減化を図る。

その後、１０５０〜１２００℃、１× １０−３Ｔｏｒｒ以下の真空中で焼結する。　続いて１
２００〜１４００℃で焼結することによって焼結密度比
が９２％以上の高密度焼結体を得ることができる。

本発明に係るＴｉ粉末は非常に活性な金属であり、酸素
との親和力が高いので、通常の焼結工程で用いられてい
る水素７囲気では還元が難しい。

そこで本発明では、真空焼結によって含有Ｃの作用によ
り容易に還元を促進させる手法をとった。

焼結作用は粒子同士の接触点から始まり、原子の固体拡
散によって進行するが、粉末表面が酸化物で覆われてい
る場合は原子の拡散が遮られて緻密化が進まず、焼結体
の高密度が達成されない。　つまり、高密度を得るため
には粉末表面の酸化物を還元する必要がある。

そのために減圧下で焼結する。　　ｔ×１０−３Ｔｏｒ
ｒを超えると、酸化物の還元反応が進みにくいため上限
をＩ　Ｘ　１０　””Ｔｏｒｒとした。

前述のように酸化物の還元反応を含有Ｃにより容易に促
進させることができるが、その際、焼結前の成形体中の
Ｃ１０モル比を適当に調整することが必要である。　な
ぜならば、焼結体中のＣ，Ｏの低減は、Ｃ＋　　　ｏ　　　→　ＣＯＣ＋２０　　”Ｃｏ２の反応が進行することによって達成されるからである。

Ｃ１０モル比が不適当であると、ＣあるいはＯを過剰に
残した焼結体となり、Ｃ１０モル比の下限が０．５未満
の場合、焼結体中のＯは０．５重量％を超え、焼結密度
の上昇が見られない。　一方、Ｃ１０モル比が３．０を
超えた場合、焼結体のＣ量が０．１重量％を超えるため
硬く、脆くなる。　そこで、焼結前の成形体中の０７０
モル比を０．５〜３．０の範囲に規定した。

第１段目の真空焼結の温度範囲を１０５０〜１２００℃
としたのは、１０５０℃より低い温度では酸化物の還元
が十分なされないため、酸化物が残留し、その後の焼結
を阻害する。　また、Ｃも多量に残るため炭化物形成の
恐れもあり、下限を１０５０℃とした。

一方、１２００℃を上限としたのは、これを超えると気
孔の閉塞化が急激に進み、Ｃ０１Ｃｏ２ガスが焼結体内
部に残留し、最終焼結体の不純物量が増すことになるか
らである。　つまり、脱ガスが終了する前に、気孔を閉
塞化させないＪ：うに第１段目の焼結温度の上限を１２
００℃に規定した。

続いて、１２００〜１４００℃まで加熱、保持すること
によって高密度化を達成する。

１２００℃未満の温度では、Ｔｉの拡散速度も遅く高密
度が得られず、その結果、気孔が多く残ることから機械
的特性、化学的安定性が劣る。　よって、下限を１２０
０℃とした。

１４００℃を超えた場合は、固相焼結による気孔の収縮
は終了しているため、顕著な密度上昇の効果が得られな
い。　さらに、真空炉内の耐火物、発熱体の消耗が激し
くなるため、経済性が損われる。　よって、上限を１４
００℃に規定した。

１２００〜１４００℃までの焼結は、不純物の混入を防
止するため高純度の不活性ガスの雰囲気下、または真空
の条件下で行なうことが好ましい。

本発明のＴｉ焼結材料の製造方法は、以上のような条件
で成形体のＣ１０の調節と比較的低い温度での減圧焼結
と、その後の比較的高温での高密度化焼結を組み合わせ
た２段焼結法であって、これによって、通常の真空炉で
、高密度、低不純物の焼結体を製造することができる。

〈実施例〉以下に本発明を実施例に基づき具体的に説明する。

（実施例１〜３、比較例１〜３）原料粉末として、第１表に示す平均粒径のＴｉ粉末を用
意し、これに結合剤として熱可塑性樹脂とワックスを添
加、混合し、加圧ニーダを用いて混練した。

これを顆粒状に粉砕し、成形原料とした。

射出成形機を用いて、厚さ２ｍｍの板状に成形し、窒素
雰囲気中で昇温速度１０℃／ｈで６００℃まで加熱し、
その後、成形体中のＣ１０モル比が０．５〜１．０にな
るように温度調節および雰囲気中の酸素ポテンシャルの
調節を行なった。

これを真空中（＜　１０−３Ｔｏｒｒ）　、第１表に示
す温度で１時間以上保持し、続いて、１３００℃まで昇
温し、３時間保持した。

冷却後、アルキメデス法による密度および真密度から密
度比を求め、また焼結体のＣ，Ｏ量を分析した。

その結果を第１表に示す。

実施例１．２は、原料粉末の平均粒径を１０μｍ、１段
目の焼結温度を１０８０℃および１１５０℃としたため
に、高密度で低不純物量の焼結体が得られた。

実施例３は、２５μｍと実施例１．２に比較して、大き
くなったために、密度は９５％で、ざらに低Ｃ１低Ｏの
焼結体が得られた。

比較例１は、１段目の焼結温度が１０００℃と低く、十
分な脱炭、脱酸が進まないうちに高温焼結に移行したた
めに、最終焼結体のＣ，Ｏ量が高くなったと考えられる
。

比較例２は、１段目の焼結温度が１２５０℃と高いため
気孔の閉塞化が進み、ＣｏＸＣＯ２ガスが残留し、最終
焼結体のＣ１０量が高くなったと考えられる。

比較例３は、１段目の焼結温度が１１５０℃で脱Ｃ１脱
０は進んでいるが、原料粉の平均粒径が３５μｍと粗粒
粉であるため、高密度焼結体が得られなかった。

（実施例４，５、比較例４．５）実施例１〜３と同様の方法で成形体を製造し、脱結合剤
処理を施した。　その後、成形体中のＣ１０モル比が０
．２〜４．０になるように調整した。

その後、実施例１〜３と同様の方法で焼結し、密度およ
び焼結体のＣ量、０量を分析した。

その結果を第２表に示す。

実施例４．５は、Ｃ１０モル比が本発明範囲であるため
、高密度、低不純物量の焼結体が得られた。

比較例４は、Ｃ１０モル比が小さ過ぎるために、つまり
Ｏｆｆが多過ぎるために酸化物が残留し、密度上昇を阻
害したと考えられる。

比較例５は、Ｃ１０モル比が大き過ぎるために、つまり
残留Ｃ量が多く、還元反応によっても未反応のＣが最終
焼結体に多量に残ったと考えられる。

第１表第　　２表〈発明の効果〉本発明は、以上説明したように構成されているので、原
料として平均粒径３０μｍ以下の粉末を用いて、通常の
真空炉で焼結前の成形体のＣ１０調節および減圧下での
低温焼結および高温焼結を併用することによって、高密
度で低Ｃ１低ＯのＴｉ焼結材料を製造することができ、
これにより低コストで生産性に優れたＴｉ焼結部品を製
造することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）原料として、平均粒径３０μｍ以下のＴｉ粉末を
用い、該粉末に結合剤を添加、混合して射出成形した後
、該成形体中の結合剤を非酸化性雰囲気中で加熱して除
去し、続いて１０５０〜１２００℃の温度、１×１０＾
−＾３Ｔｏｒｒ以下の圧力で焼結し、さらに１２００〜
１４００℃の温度で焼結することを特徴とするＴｉ焼結
材料の製造方法。
（２）成形体中の結合剤を加熱して除去すると共に焼結
に際し、予め成形体中のＣ／Ｏモル比を０．５〜３．０
に調整する請求項１記載のＴｉ焼結材料の製造方法。