(57)【要約】【課題】  成形性、焼結性および製造コストの点で優れたチタン粉およびその製造方法を提供する。【解決手段】  平均長さが１０ｍｍ以下であり、断面を囲む最小円の平均径が１ｍｍ以下である棒状をなし、樹枝状に分岐した粒子を含有する樹枝状チタン粉。また、チタン低級塩化物を溶解した溶融塩化マグネシウム中に固体の還元剤を投入し、チタン低級塩化物を還元すること。【選択図】        図３ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均長さが１０ｍｍ以下であり、断面を囲む最小円の平均径が１ｍｍ以下である棒状をなし、樹枝状に分岐した粒子を含有することを特徴とする樹枝状チタン粉。
【請求項２】
前記樹枝状チタン粉の断面が矩形または円形であることを特徴とする請求項１に記載の樹枝状チタン粉。
【請求項３】
前記樹枝状チタン粉中の酸素含有率が０．２０ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の樹枝状チタン粉。
【請求項４】
チタン低級塩化物を溶解した溶融塩化マグネシウム中に固体の還元剤を投入し、上記チタン低級塩化物を還元して得られたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の樹枝状チタン粉。
【請求項５】
前記固体の還元剤が、金属マグネシウム、金属カルシウムあるいは金属ナトリウムであることを特徴とする請求項４に記載の樹枝状チタン粉。
【請求項６】
チタン低級塩化物を溶解した溶融塩化マグネシウム中に固体の還元剤を投入し、上記チタン低級塩化物を還元することを特徴とする樹枝状チタン粉の製造方法。
【請求項７】
前記溶融塩化マグネシウム中のチタン低級塩化物濃度が、１０ｗｔ％〜６０ｗｔ％であることを特徴とする請求項６に記載の樹枝状チタン粉の製造方法。
【請求項８】
前記溶融塩化マグネシウムの温度を７５０℃〜９５０℃にすることを特徴とする請求項６または７に記載の樹枝状チタン粉の製造方法。
【請求項９】
前記固体の還元剤が、金属マグネシウム、金属カルシウムあるいは金属ナトリウムであることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の樹枝状チタン粉の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属チタンの製法に関するものであり、特に、金属の低級塩化物を出発原料として金属粉を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属チタンは、軽量であり、強度や耐食性や加工性に優れるなどの特徴を有しており、機械部品、エンジンパーツ、フィルター、スポーツ用具等に幅広く利用されている。これらのチタン製品は、チタン粉を成形・焼結することによって製造されるため、成形性、および焼結性の優れているチタン粉が好ましいとされている。
【０００３】
このようなチタン粉として、チタン材を水素化して脆化させ、次いで所定の大きさまで破砕・粉砕し、その後脱水素して得られるＨＤＨ粉（例えば、特許文献１参照）、チタン塊を溶融しアトマイズして得られるアトマイズ粉（例えば、特許文献２参照）、あるいはチタンブロックにプラズマを照射して溶融させ遠心力により飛散させて得られるＰＲＥＰ粉（例えば、特許文献３参照）等が開示されている。
【０００４】
アトマイズ粉あるいはＰＲＥＰ粉などの球状粉は流動性が優れている反面、成形性および焼結性が非常に劣るという問題があった。また、ＨＤＨ粉は、形状が比較的角張っているのでアトマイズ粉やＰＲＥＰ粉に比べると成形性・焼結性は改善されているものの、製造コストが高いという問題を有していた。
【０００５】
チタン製品に対する性能向上の要求は日々高まっており、このように現状生産されているチタン粉では成形性、焼結性および製造コストを満足するものはなく、これらの特性を兼備したチタン粉が望まれている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−０９６００３号公報
【特許文献２】特開平０８−１９９２０７号公報
【特許文献３】特開平０２−０８８７０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、成形性、焼結性および製造コストの点で優れたチタン粉およびチタン粉の製造方法の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、かかる実情に鑑みて鋭意検討を重ねてなされたものであり、本発明の樹枝状チタン粉は、平均長さが１０ｍｍ以下であり、断面を囲む最小円の平均径が１ｍｍ以下である棒状をなし、樹枝状に分岐した粒子を含有することを特徴としている。
【０００９】
本発明の樹枝状チタン粉は、チタン粉の粒子同士が相互に絡み合っているので、従来よりも小さい圧力で粒子を相互に固着させることができ、優れた成形性および焼結性を有している。
【００１０】
また、本発明の樹枝状チタン粉の製造方法は、チタン低級塩化物を溶解した溶融塩化マグネシウム中に固体の還元剤を投入し、チタン低級塩化物を還元することを特徴としている。
【００１１】
このような製造方法によれば、投入された固体の還元剤が溶融塩中に順次溶解しながらチタン低級塩化物を還元するので、生成するチタンはスポンジ質になり難く粒子が樹枝状に成長して本発明の樹枝状チタン粉を効率的に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の最良の実施形態について図面を用いて以下に説明する。本実施形態においては、まずは、本発明の樹枝状チタン粉の製造方法につき説明し、その後、得られたチタン粉の特徴について説明する。
【００１３】
図１は、本発明を実施するために用いるチタンの低級塩化物を塩化マグネシウムに溶解させるために用いる装置構成を表している。符号１は、反応容器であり、この反応容器１に固体の塩化マグネシウムを装入した後、反応容器１全体を塩化マグネシウムの融点以上に加熱して塩化マグネシウムを溶融させ、塩浴２を形成させる。
【００１４】
塩浴２の温度が安定したところで、チタン材３を保持した籠４を塩浴２に浸漬配置させ、その近傍に浸漬配置された四塩化チタン供給管５から四塩化チタンを籠４の底部に向けて供給する。供給された四塩化チタンは、すぐにガス化してチタン材３と反応し、主に二塩化チタン（低級塩化物）を生成する（Ｔｉ＋ＴｉＣｌ４→２ＴｉＣｌ２）。この際条件によっては三塩化チタンも同時に生成する場合がある。生成した低級塩化物は、塩浴２に対して溶解し、塩化マグネシウムおよび塩化チタンの混合塩浴を形成する。
【００１５】
上記工程において、塩浴２の温度は、塩浴が溶融状態に保持され、かつ蒸発ロスが抑制されていればよい。そのような温度範囲としては、塩浴２が塩化マグネシウムの場合には、融点が７１４℃であるので、好ましくは７５０〜９５０℃に、より好ましくは８００〜９００℃に維持しておくことがよい。
【００１６】
チタン材３としては、スポンジチタンやチタンスクラップなど、あらゆる形状のチタンを使用することができる。前述した低級塩化物の生成過程においてチタン材中の不純物酸素や窒化物は反応し難いため酸素あるいは窒素の濃度が高いスポンジチタンでも使用することができる。
【００１７】
チタン材３を収納する籠４としては任意の素材が使用可能であるが、高温の塩浴に対する耐食性を考慮し、炭素鋼あるいはステンレス鋼、より好ましくはニッケルで構成しておくことが好ましい。
【００１８】
塩化マグネシウム中でスポンジチタンと四塩化チタンを反応させるとチタンの低級塩化物が生成すると同時に塩化マグネシウム中に溶解する。８００〜９００℃付近の塩化マグネシウムに対するチタン低級塩化物は、８モル％〜３３モル％の範囲の溶解度を有する。よって、この範囲を超えない範囲で四塩化チタンを供給することが好ましい。しかしながら、高い純度が要求されない場合には、この範囲を超えて四塩化チタンを供給しても良い。塩化マグネシウムに溶解できないチタン低級塩化物は、塩浴２中に固体状態で析出するので塩浴２と共に還元容器に移送することでチタン源として利用することができる。
【００１９】
図２は、本発明のチタン粉を生成させるための装置構造を表している。図１の装置で製造されたチタン低級塩化物を溶解した塩浴１２を反応容器１１に装入した後、所定温度に加熱・保持し、温度の安定を待ってから、固体の還元性金属６を投入する。この還元性金属６は、塩浴１２中に溶解しながらチタンの低級塩化物を還元し、還元性金属の塩化物を生成するとともに金属チタンを生成する。この過程で生成するチタンは、樹枝状に成長する。
【００２０】
還元性金属６の投入を継続し、反応容器１１内で生成した樹枝状チタン粉は塩浴１２中を沈降して底部に沈積する。また、反応容器１１の内壁に析出するものもある。還元反応を終了した後、塩浴１２を反応容器１１から抜き出した後、室温まで冷却し、反応容器１１内に希酸を注水して、樹枝状チタンの粒子間に残留している塩化マグネシウムをリーチング（洗浄）する。注水操作を複数回繰り返して行うことにより、樹枝状チタン中に残留している塩化マグネシウムを除去し、更に乾燥して、本発明の樹枝状チタン粉を製造する。
【００２１】
上記還元工程において、固形の還元剤は、粒状のものを使用することが好ましく、これを間歇的に投入することが好ましい。固体の還元性金属の投入速度は、塩浴１２に投入した１個の還元剤が完全に消費されてから次の還元剤を投入することが好ましい。このような投入速度を選択することにより、効率的に樹枝状のチタン粉を得ることができる。
【００２２】
本発明に用いる固体の還元性金属の粒度は、小規模設備では１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲のものを用いることが好ましい。しかし、実機規模設備では、例えば、２００ｍｍｘ７００ｍｍｘ６０ｍｍ程度のインゴットを用いることが好ましい。
固体の還元性金属としては、金属マグネシウム、金属カルシウム、あるいは金属ナトリウムを用いることができる。
【００２３】
尚、前記した工程は全てアルゴンガスの不活性雰囲気下で行うことが好ましい。アルゴンガス雰囲気で反応を行うことにより、樹枝状チタン粉への水分や酸素による汚染を抑制することができる。
【００２４】
塩浴２中で生成したチタン粉を洗浄する際には、該樹枝状チタン粉を反応容器から取り出して小塊に粉砕した後、水または希酸でリーチングすることが好ましい。
【００２５】
図３に、上記のようにして製造した本発明の樹枝状チタン粉のＳＥＭ写真を示す。樹枝状チタン粉は相互に網目状に絡みあった様子を呈している。個々のチタンは樹枝状に分岐しており、その長さは１０ｍｍ以下である。また、その断面は矩形または円形を呈しており、断面を囲む最小円の直径は１ｍｍ以下の範囲にある。この樹枝状チタンは、その長さが揃っており均一であるという特徴を有している。さらに、本発明で得られる樹枝状チタン粉は、純度が高く酸素濃度は０．２０ｗｔ％以下の範囲にある。
【００２６】
また、従来から用いられているアトマイズ粉は球状であるため、成型後、焼結工程が必要となるが、本発明の樹枝状チタン粉では、個々の樹枝状チタン粒子が相互に固着しているものが多いので、このままの状態あるいは成型するだけで例えばフィルターとしてそのまま利用することができる。
【００２７】
なお、前記した水によるリーチングして乾燥した後、さらに減圧下で高温真空分離することにより不純物濃度の低い樹枝状チタン粉を製造することができる。この方法では生成チタン粉同士が相互に焼結するため、精密フィルターとして効果的に機能させることができる。
【００２８】
また、本発明のチタン粉が樹枝状である特徴を活かして、ＦＲＭ（繊維強化金属）、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、あるいは焼結部品の繊維強化を目的とした繊維強化用フィラー材としての機能を兼ね備えた原料として用いることもできる。
【実施例】
【００２９】
図１に示した装置を用いて溶融塩化マグネシウム中にチタンの低級塩化物を溶解させた後、図２の装置を用いて固形マグネシウムを加え、樹枝状チタン粉を得た。反応条件および得られた樹枝状チタンの物性は下記のとおりである。
１）反応条件
塩化マグネシウム中のチタン低級塩化物濃度：７ｗｔ％
固形Ｍｇの粒度：５〜１０ｍｍ
反応温度：９００℃
２）リーチング条件
リーチング液：５％ＨＣｌ−１％ＨＮＯ３
洗浄液：水＋アセトン
３）乾燥条件
温度：６５℃
圧力：大気圧
４）解砕
装置：ボールミル
５）樹枝状チタン粉の物性
比表面積：０．４ｇ／ｍ２
アスペクト比：６（平均値）、２〜１６（範囲）
【００３０】
得られたチタン粉を用いてラトラー試験による成形性を調べた。表１に示すように水素化脱水素法で得られた従来のチタン粉に比べて本発明のチタン粉は、低圧成形時の成形性および生産コストの点で、優れていることが確認された。ここで表１の数値は、比較例を基準にした相対値を表す。尚、成形性の数値が小さいほど成形体が壊れにくいことを意味している。
【００３１】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の樹枝状チタン粉によれば、優れた性能を有する繊維強化材、フィルター、および焼結部品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の樹枝状チタン粉の製造方法におけるチタン低級塩化物の溶解工程を示す模式図である。
【図２】本発明の樹枝状チタン粉の製造方法におけるチタンの還元工程を示す模式図である。
【図３】本発明の樹枝状チタン粉のＳＥＭ写真である。
【符号の説明】
【００３４】
１    反応容器
２    塩浴
３    チタン材
４    籠
５    四塩化チタン供給管
６    固体還元剤
１１  還元容器
１２  混合塩浴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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