(57)【要約】    【課題】薄型で大面積の、しかも高強度を備えるチタン焼結フィルタおよびその製造方法を提供する。    【解決手段】厚さが０．５ｍｍ以下、面積が２００ｃｍ2以上で、引張強度が１５０ＭＰａ以上であるチタン焼結フィルタで、チタンガスアトマイズ粉末を焼結して多孔質板材とし、この多孔質板材を圧延することにより製造できる。この方法により、原料粉末の粒径が２０μｍ程度でも、焼結フィルタの平均細孔径を１μｍ以下とすることが可能である。また、前記多孔質板材を圧延した後に、６００〜１３５０℃で熱処理することにより、焼結フィルタの引張強度をさらに高めることができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さが０．５ｍｍ以下、面積が２００ｃｍ2以上で、引張強度が１５０ＭＰａ以上であることを特徴とするチタン焼結フィルタ。
【請求項２】
引張強度が２００ＭＰａ以上である請求項１に記載のチタン焼結フィルタ。
【請求項３】
平均細孔径が１μｍ以下である請求項１または２に記載のチタン焼結フィルタ。
【請求項４】
チタンガスアトマイズ粉末を焼結して多孔質板材とし、この多孔質板材を圧延することを特徴とするチタン焼結フィルタの製造方法。
【請求項５】
チタンガスアトマイズ粉末を焼結して多孔質板材とし、この多孔質板材を圧延した後に、６００〜１３５０℃で熱処理することを特徴とするチタン焼結フィルタの製造方法。
【請求項６】
請求項４または５に記載の方法で製造されたことを特徴とするチタン焼結フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタン粉末を焼結して得られるチタン焼結フィルタに関し、特に、薄型で大面積の、しかも高強度を備えるチタン焼結フィルタとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学工業、薬品工業等、各種の工業分野で、ステンレス鋼等の金属粉末を焼結して得られる焼結フィルタが、液体中の固形分の除去に用いられている。チタン粉末の焼結フィルタもその一つで、耐食性に極めて優れるという特徴を有している。
【０００３】
チタン焼結フィルタは、一般に、水素化脱水素チタン粉末（以下、「チタンＨＤＨ粉末」と記す）を、金型を用いてプレス成形した後、脱型し、焼結する方法により製造されている。これは、チタンＨＤＨ粉末が不定形の粒子で構成されており、プレス成形性が比較的良好だからである。
【０００４】
しかし、チタンＨＤＨ粉末や、これと同様に粒子が不定形で成形性が比較的良好なスポンジチタンの粉末を使用したチタン焼結フィルタは、非常に硬くて脆く、薄型で大面積のものを製造することは困難である。また、円筒形状のチタン焼結フィルタが要求されることがあるが、平板状のチタン焼結フィルタに曲げ加工を施して円筒形状にすることはできず、例えば、冷間静水圧プレスによる成形等、製造コストの高い方法によらざるを得ない。
【０００５】
そのため、特許文献１では、球状ガスアトマイズチタン粉末を焼結して形成された板厚が５００μｍ以下の多孔質のチタン粉末焼結体、およびこのチタン粉末焼結体を曲げ加工して形成された円筒状フィルタが提案されている。球状ガスアトマイズチタン粉末は、表面が滑らかな球形をしており、流動性に非常に優れている。そのため、加圧なしで均一かつ十分な充填密度が得られ、これを焼結することにより、プレス成形なしで機械的強度の高い多孔質体が得られ、多孔質体の板厚が比較的薄い場合（板厚５００μｍ以下）には、優れた曲げ特性が得られる、としている。
【０００６】
また、特許文献２には、同じく金属ガスアトマイズ粉末を用いた焼結フィルタの製造方法が記載されている。ここに記載される方法は、焼結する前の予備成形する方法に関するもので、焼結フィルタの製造方法の詳細は不明であるが、ステンレス、Ｃｕ、Ｔｉ等のアトマイズ粉末を金型に挿入して加圧成形した後、成形体を脱型し、焼結する方法が採用されている。
【０００７】
ところで、近年、原子力発電や宇宙開発分野で使用する冷却水などを処理するためのフィルタ（水処理フィルタ）として、細孔径が極小さい、例えば、「１μｍ以下」のフィルタが要求されている。
【０００８】
また、細孔径の極小さいフィルタで大量の冷却水を処理するため、特に大面積のフィルタが必要になる。実際には、フィルタを挟んで給水と排水が互い違いに行われるようにフィルタを多数配列した積層型のフィルタが採用されているが、１枚のフィルタが小さいと積層数が多くなるため、大面積のフィルタが要求されるのである。具体的には、長方形のフィルタであれば短径が１０ｃｍ以上、円形のフィルタであれば半径が１０ｃｍ以上であり、さらに、短径、半径がそれぞれ２０ｃｍ以上、または３０ｃｍ以上のものが要求される場合もある。長方形のフィルタであれば、「１０ｃｍ×２０ｃｍ」、面積では、「２００ｃｍ2」のものが一つの目安である。
【０００９】
細孔径の極小さいフィルタでは圧損が大きいが、フィルタが厚いと圧損はさらに大きくなるので、フィルタは薄型であるほど望ましい。加えて、大きな水圧をかけて水処理量を増大させ処理効率を高めるためには、機械的強度が大きいことも要求される。具体的には、例えば、厚さは「０．５ｍｍ以下」、機械的強度は「引張強度１５０ＭＰａ以上」である。
【００１０】
このような要請に応え得るチタン焼結フィルタは、従来の技術では得られず、後に詳述するが、前掲の特許文献１または特許文献２に記載される方法によっても製造することはできない。
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−３１７２０７号公報
【００１２】
【特許文献２】特開２０００−２５６７０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、薄型で大面積の、しかも高強度を備える、具体的には、厚さが「０．５ｍｍ以下」、面積が「２００ｃｍ2以上」で、「引張強度が１５０ＭＰａ以上」のチタン焼結フィルタおよびその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、前記の課題を解決するため、まず、原料粉末としてチタンＨＤＨ粉末またはチタンガスアトマイズ粉末を用い、前掲の特許文献２に記載の方法でチタン焼結フィルタの製造を試みた。その結果、いずれの原料粉末を使用しても、割れが発生し、製造できなかった。
【００１５】
一方、特許文献１に記載の方法を適用した場合は、割れが発生することがなく、平均粒径が５μｍ程度のチタンガスアトマイズ粉末を用いると、厚さが０．５ｍｍ、面積が２００ｃｍ2以上で、平均細孔径１μｍ以下の条件を満たす焼結体が得られた。しかし、引張強度は目標である１５０ＭＰａ未満で、不十分であった。また、平均粒径が２０μｍ以上のチタンガスアトマイズ粉末を用いると、平均細孔径は１μｍ以下とはならなかった。
【００１６】
そこで、本発明者らは、さらに検討を重ねた結果、製造コストが安価な平均粒径が２０μｍ程度のチタンガスアトマイズ粉末を使用した場合でも、特許文献１に記載される方法を適用して多孔質焼結体とし、これをローラ圧延によって圧下率５０％で圧延することにより、機械的強度（引張強度）も含め、前記すべての条件を満たすチタン焼結フィルタが得られることを知見した。さらに、前記圧延後に熱処理を施すことによって、焼結フィルタの機械的強度をより一層高め得ることがわかった。
【００１７】
本発明はこのような知見に基づいてなされたもので、その要旨は、下記（１）のチタン焼結フィルタ、下記（２）、（３）のチタン焼結フィルタの製造方法、およびこの方法で製造された下記（４）のチタン焼結フィルタにある。
【００１８】
（１）厚さが０．５ｍｍ以下、面積が２００ｃｍ2以上で、引張強度が１５０ＭＰａ以上であるチタン焼結フィルタ。
【００１９】
前記（１）のチタン焼結フィルタの引張強度が２００ＭＰａ以上であれば、フィルタの使用時により大きな液圧をかけて処理液量を増大させ、処理効率を高めることができる。
【００２０】
また、これらのチタン焼結フィルタにおいて、平均細孔径が１μｍ以下であれば、例えば、原子力発電や宇宙開発分野で使用する冷却水などの水処理フィルタとしても好適に用いることができる。
【００２１】
（２）チタンガスアトマイズ粉末を焼結して多孔質板材とし、この多孔質板材を圧延するチタン焼結フィルタの製造方法。
【００２２】
（３）チタンガスアトマイズ粉末を焼結して多孔質板材とし、この多孔質板材を圧延した後に、６００〜１３５０℃で熱処理するチタン焼結フィルタの製造方法。
【００２３】
（４）前記（２）または（３）の方法で製造されたものであるチタン焼結フィルタ。
【００２４】
ここで、前記「引張強度」とは、特定の形状の試験片を用い、引張速度を規定して測定される強度であり、「平均細孔径」とは、水銀圧入法により測定される細孔径である。これらの測定方法については実施例で説明する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のチタン焼結フィルタは薄型で、大面積を有し、しかも高強度を備えており、大量の被処理液を、大きな液圧をかけて効率よく処理することが可能である。特に、平均細孔径が１μｍ以下のものは、原子力発電や宇宙開発分野で使用する冷却水などの処理に好適である。
【００２６】
本発明の方法によれば、このチタン焼結フィルタを、市販のチタンガスアトマイズ球状粉体を原料粉末として、容易に、かつ、コストの大幅な増大を伴わず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】
【００２７】
以下に、前記（１）の本発明のチタン焼結フィルタ、（２）、（３）の本発明のチタン焼結フィルタの製造方法（以下、単に「本発明の方法」ともいう）について詳細に説明する。
【００２８】
前記（１）のチタン焼結フィルタは、『厚さが０．５ｍｍ以下、面積が２００ｃｍ2以上で、引張強度が１５０ＭＰａ以上』の焼結フィルタである。
【００２９】
焼結フィルタの厚さを０．５ｍｍ以下とするのは、フィルタが厚いと圧損が大きくなるからである。また、前記のようにフィルタを多数配列した積層型のフィルタが採用される場合があるが、フィルタが薄い方が設備をコンパクトに構成できる。したがって、フィルタは薄型であるほど望ましい。しかし、機械的強度や、製造上からの制約もあるので、厚さは０．１ｍｍ以上が望ましい。
【００３０】
焼結フィルタの面積を２００ｃｍ2以上とするのは、大面積のフィルタの方が大量の冷却水を処理できるからで、前記積層型のフィルタを用いる場合であっても、フィルタの積層数を少なくすることができる。フィルタの面積の下限を２００ｃｍ2としたのは、積層型のフィルタを含めて長方形のフィルタの一般的な断面形状を「１０ｃｍ×２０ｃｍ」とした場合の面積（２００ｃｍ2）を一応の基準としたもので、機械的強度や厚さ、製造条件等を勘案し、用途面またはフィルタの使用形態面からの要請に応じて、円形、正方形その他種々の断面形状、ならびに断面積とすることができる。
【００３１】
焼結フィルタの引張強度を１５０ＭＰａ以上と規定するのは、仮にフィルタの厚さを０．５ｍｍ、面積を２００ｃｍ2とし、さらに、処理時に大きな液（水）圧を負荷することを考慮した場合に、引張強度が１５０ＭＰａであれば、支障なく安定して使用に耐え得ると判断されるからである。
【００３２】
本発明のチタン焼結フィルタは、このように、厚さ、面積、および引張強度を規定した焼結フィルタで、薄く、大きく、強いという従来からの、いわゆる“フィルタ”に対する要請に応えるものである。特に、このチタン焼結フィルタは、薄型で大面積であることに加え、引張強度が高いという特徴を有しているので、フィルタ使用時に、例えば水処理であれば、大きな水圧をかけて処理効率を高めることができるという利点がある。
【００３３】
この（１）のチタン焼結フィルタにおいて、焼結フィルタの引張強度が２００ＭＰａ以上であれば、フィルタの使用時により大きな液圧（水圧）をかけて処理液（水）量を増大させ得るので、処理効率の向上効果はより顕著である。
【００３４】
また、（１）のチタン焼結フィルタにおいて、平均細孔径が１μｍ以下という、極小さいものであれば、液体中の微細な固形分の除去も可能となる。
【００３５】
この平均細孔径が１μｍ以下のフィルタでは圧損が大きいが、本発明のフィルタは薄型なので圧損の増大はある程度抑えられ、また、引張強度が１５０ＭＰａ以上、または２００ＭＰａ以上と高いので、フィルタの使用時に大きな液圧（水圧）をかけて処理効率を高めることが可能である。
【００３６】
この平均細孔径を１μｍ以下とした焼結フィルタは、原子力発電等の分野で使用する冷却水などの処理に好適に用いることができる。
【００３７】
前記（２）のチタン焼結フィルタの製造方法は、『チタンガスアトマイズ粉末を焼結して多孔質板材とし、この多孔質板材を圧延するチタン焼結フィルタの製造方法』である。
【００３８】
この本発明の方法においては、まず、「チタンガスアトマイズ粉末」を原料粉末として使用する。
【００３９】
これは、前述したように、チタンＨＤＨ粉末やスポンジチタンの粉末を使用したチタン焼結フィルタは、非常に硬くて脆く、実際にチタンＨＤＨ粉末を用いて焼結フィルタの製造を試みたところ、次に示すように、大面積でかつ薄型のものの製造には採用できないことが判明したからである。
【００４０】
すなわち、本発明者らは、原料粉末としてチタンＨＤＨ粉末を用いて前掲の特許文献２に記載の方法で、「１０ｃｍ×２０ｃｍ＝２００ｃｍ2」、「厚さ０．５ｍｍ以下」のチタン焼結フィルタの製造を試みた。具体的には、平均粒径５μｍ程度のチタンＨＤＨ粉末を型に入れてプレス成形した後に焼結する方法である。しかし、大面積である上に、薄すぎるため、焼結体に割れが発生し製造することはできなかった。なお、この特許文献２に記載の方法による限り、原料粉末として、チタンガスアトマイズ粉末を用いても、結果は同様である。
【００４１】
また、チタンＨＤＨ粉末を用いて、特許文献１に記載の方法で、同様にチタン焼結フィルタの製造を試みたが、引張強度が不十分で、気孔率や細孔径の面内分布が不均一になるため採用できないことを確認した。
【００４２】
本発明の方法では、前記チタンガスアトマイズ粉末を、「焼結して多孔質板材」とする。
【００４３】
この「焼結する」工程に特に限定はない。例えば、焼結温度については、特許文献１に記載される８５０〜１２００℃の範囲内で選択するのが望ましく、これにより、機械的強度の高い多孔質板材が得られる。チタンガスアトマイズ粉末は、ノズルから流出するチタンの溶湯に高圧ガスを作用させて製造される粉末で、溶融状態の飛沫が飛散中に凝固したものであるから、表面が滑らかな球形をしており、流動性に優れ、プレス成形なしで焼結することができる。
【００４４】
原料粉末として用いるチタンガスアトマイズ粉末の粒径についても特に限定はない。しかし、後に詳述するように、原料粉末の平均粒径が２０μｍ未満では、その製造コストが高く、２５０μｍを超えると、焼結して得られる多孔質板材の気孔分布が不均一になるので、原料粉末の平均粒径は２０〜２５０μｍの範囲内とするのが望ましい。
【００４５】
続いて、前記焼結して得られた多孔質板材を「圧延する」ことにより、チタン焼結フィルタとする。
【００４６】
これは、本発明者らが見いだした新たな知見で、後述する実施例に示すように、「圧延する」ことにより、焼結して得られた多孔質板材の引張強度を高めると同時に、得られる焼結フィルタの細孔径を小さくすることができる。
【００４７】
圧延は、通常の圧延ロールを用いるローラ圧延により行うのがよい。
【００４８】
圧下率は、２０〜６０％とするのが望ましい。多孔質板材を圧延することによって細孔径が小さくなるが、圧下率が小さすぎると細孔径の減少程度が少なく、圧下率が大きく、６０％を超えると、空隙率が小さくなりすぎてフィルタとしての機能が低下するおそれがある。使用する原料粉末の粒径と目標とする細孔径に応じて、圧下率２０〜６０％の範囲で適宜選択するのがよい。
【００４９】
このように、チタンガスアトマイズ粉末を焼結して得られた多孔質板材を圧延することによって、前記（１）のチタン焼結フィルタを製造することができる。
【００５０】
すなわち、この本発明の方法によれば、面積２００ｃｍ2以上（短径１０ｃｍ以上）、例えば、短径１０ｃｍ程度のものだけではなく、短径または直径が２０ｃｍ以上、さらには、３０ｃｍ以上の大面積の長方形または円形で、薄型（厚さ０．５ｍｍ以下）、高強度（引張強度１５０ＭＰａ以上）、かつ細孔径が小さいフィルタの製造が可能である。また、この方法によれば、厚さ０．２ｍｍの超薄型大面積フィルタも製造可能である。
【００５１】
本発明の方法においては、前述したように、原料粉末の粒径について特に限定はないので、安価な、市販の、平均粒径が２０μｍ程度、またはそれよりも粒径の大きいチタンガスアトマイズ粉末を使用して、細孔径の小さいチタン焼結フィルタを得ることが可能である。
【００５２】
粒径の小さい、例えば、平均粒径が５μｍ程度のチタンガスアトマイズ粉末は、ガスアトマイズされた粉末から分級して得られ、歩留まりが極端に低いため、製造コストが極めて高い。製造時のガス圧を極端に大きくすれば歩留まりを多少は大きくできるが、限界があり、また設備費が大きくなる。したがって、安価な、市販のチタンガスアトマイズ粉末を使用できることによるコスト面での利点は極めて大きい。
【００５３】
前記（３）のチタン焼結フィルタの製造方法は、『チタンガスアトマイズ粉末を焼結して多孔質板材とし、この多孔質板材を圧延した後に、６００〜１３５０℃で熱処理するチタン焼結フィルタの製造方法』である。
【００５４】
すなわち、前記（２）の方法で得られた焼結フィルタに、６００〜１３５０℃で熱処理を施すのである。（２）の方法による圧延ままの焼結フィルタの引張強度は、通常、１６０ＭＰａ程度であるが、これを熱処理することによって、引張強度は２００ＭＰａまたはそれ以上に上昇する。
【００５５】
熱処理温度が６００℃未満ではチタンガスアトマイズ粉末が十分焼結されず、１３５０℃を超えると焼結が進みすぎて空隙が潰れ、フィルタとしての機能が損なわれる可能性がある。したがって、熱処理温度は、６００〜１３５０℃とする。
【００５６】
熱処理時間は、０．１時間未満では焼結が不十分になりやすい。熱処理温度に応じ、焼結が十分進行するように、適宜調整するのがよい。ただし、１０時間を超える焼結は、生産性の悪化が大きすぎるので避けるべきである。
【００５７】
前記（４）のチタン焼結フィルタは、（２）または（３）の方法で製造されたチタン焼結フィルタで、前述したように、大面積で、薄型である上に、高強度、かつ細孔径が小さい焼結フィルタである。
【実施例】
【００５８】
本発明のチタン焼結フィルタの製造方法により、薄型で、大面積の、高強度焼結フィルタを作製し、引張強度および平均細孔径を調査した。用いた原料粉末は、チタンガスアトマイズ粉末である。なお、比較のために、本発明の方法で実施する「圧延」、または「圧延→熱処理」を行わない方法により作製した焼結フィルタについても同様の調査を行った。
【００５９】
表１に、用いた原料粉末の平均粒径、作製した焼結フィルタの製法、厚さ、大きさ、面積および空隙率を示す。
【００６０】
さらに、表１には、平均細孔径および引張強度の調査結果も併せ示した。
【００６１】
【表１】
2005324153.tif 000002
【００６２】
表１の「焼結フィルタ」の「製法」の欄の「焼結１」は、前掲の特許文献１に記載される方法に準じて、平底のアルミナ容器を水平に保持し、その中に原料粉末を無加圧で充填し、前記アルミナ容器を水平状態のまま、無加圧で、１０００℃×１時間の条件で行う焼結を表す。
【００６３】
同じく「圧延１」は、前記「焼結１」で得られた多孔質板材を圧下率５０％で圧下する圧延であり、同じく「熱処理１」は、前記「圧延１」により得られた焼結フィルタを、８００℃×１時間の条件で加熱する熱処理を表す。
【００６４】
「平均細孔径」は、（株）島津製作所製「マイクロメリティクス  オートポア９２００型（水銀圧入法）」測定装置を使用し、作製した焼結フィルタの５箇所から採取した試験片について細孔径を測定した結果の平均値である。
【００６５】
また、「引張強度」は、（株）島津製作所製「ＡＧＤ１０Ｔ」試験機（ロードセル５ＫＮ使用）を使用し、作製した焼結フィルタの３箇所から切り出した図１に示す形状の試験片について、引張速度を２ｍｍ／ｍｉｎとして測定した結果の平均値である。なお、試験片の切り出しは、全周にわたりウォータージェットで切断することにより行った。剪断切り出しに伴って生じる応力集中が測定値に及ぼす影響を避けるためである。
【００６６】
表１において、試験Ｎｏ．１と２は、焼結して得られた多孔質板材を圧延する、前記（２）の方法に該当する実施例であるが、いずれも、厚さが０．２ｍｍ、面積が２００ｃｍ2で、引張強度が１５０ＭＰａ以上（１６０ＭＰａ）の本発明のチタン焼結フィルタが得られた。平均細孔径は、粒径が８０μｍの原料粉末を用いた試験Ｎｏ．１では、３μｍ、粒径が２５μｍの原料粉末を用いた試験Ｎｏ．２では、１μｍであった。
【００６７】
試験Ｎｏ．３、４および７〜９は、焼結して得られた多孔質板材を圧延した後に熱処理する、前記（３）の方法に該当する実施例で、いずれにおいても、本発明の規定を満たす薄型、大面積のチタン焼結フィルタが得られた。引張強度は２００ＭＰａに上昇した。このうちの試験Ｎｏ．７は、フィルタの厚さが０．５ｍｍの場合、試験Ｎｏ．８は、フィルタの大きさが５０×３０ｃｍ（面積１５００ｃｍ2）の大面積、試験Ｎｏ．９は、フィルタの形状が円形で、かつ大面積の場合である。
【００６８】
試験Ｎｏ．１と３の比較、試験Ｎｏ．２と４の比較から、圧延した後に行う熱処理の効果が明らかである。
【００６９】
試験Ｎｏ．５と６は、本発明の方法で実施する「圧延」、または「圧延→熱処理」を行わなかった比較例で、薄型で大面積の焼結フィルタは得られたが、引張強度が１５０ＭＰａ未満（１００ＭＰａ）であった。なお、平均粒径が３μｍの原料粉末を用いた場合（比較例６）、平均細孔径が１μｍの焼結フィルタが得られているが、原料粉末の製造コストは極めて高価である。
【００７０】
試験Ｎｏ．２と試験Ｎｏ．５とを比較することにより、同じ粒径の原料粉末を用いても、平均細孔径が、試験Ｎｏ．２（実施例）では１μｍになるのに対し、試験Ｎｏ．５（比較例）では９μｍと大きいままであることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明のチタン焼結フィルタは、大面積を有し、しかも高強度を備えているので、化学工業をはじめとする各種の工業分野で好適に使用することができる。薄型なので積層型のフィルタとしても使用でき、大量の被処理液を、大きな液圧をかけて効率よく処理することが可能である。特に、平均細孔径が１μｍ以下のものは、原子力発電や宇宙開発分野で使用する冷却水などの処理に好適である。
【００７２】
このチタン焼結フィルタは、本発明の方法により、容易に、かつ、コストの大幅な増大を伴わずに製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】チタン焼結フィルタの引張強度の測定に用いた試験片の形状を示す図である。
【図１】
2005324153.tif 000003