(57)【要約】【課題】  金属粉末射出成形法において、低コストの水素化チタン粉末を原料粉末として、水素化脱水素チタン粉末あるいはガスアトマイズチタン粉末と併用あるいは代わりに用い、低コストで高い強度及び延性を併せ持つチタン合金焼結体を製造できる方法を提供すること。【解決手段】  金属粉末射出成形法によるチタン合金焼結体の製造方法において、水素化脱水素チタン粉末あるいはガスアトマイズチタン粉末に対する水素化チタン粉末の混合比率が１０重量％〜１００重量％の混合粉末と、別の種類の金属粉末及び有機バインダーとの混練物を射出成形し、脱脂し、焼結する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末射出成形法によるチタン合金焼結体の製造方法において、水素化脱水素チタン粉末あるいはガスアトマイズチタン粉末に対する水素化チタン粉末の混合比率が１０重量％〜１００重量％の混合粉末と、別の種類の金属粉末及び有機バインダーとの混練物を射出成形し、脱脂し、焼結することを特徴とするチタン合金焼結体の製造方法。
【請求項２】
混合粉末の混合比率が、水素化脱水素チタン粉末あるいはガスアトマイズチタン粉末に対して水素化チタン粉末が１０重量％〜６０重量％で、別の種類の金属粉末が、６０Ａｌ−４０Ｖ合金粉末で、混合粉末：６０Ａｌ−４０Ｖ合金粉末の混合比率が重量比で９：１であることを特徴とする請求項１記載のチタン合金焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属粉末射出成形法により製造するチタン合金焼結体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属粉末射出成形法は、金属粉末と有機バインダーの混練物であるコンパウンドを金型内に射出して製品形状の成形体を作製した後、この成形体から有機バインダー成分を脱脂除去し、さらに高温で焼結することにより、三次元形状に自由度の大きな金属部品を作製する技術である。現在、金属粉末射出成形法はステンレス鋼、磁性材料や工具鋼などの各種金属材料において精密部品の製造に利用されている。
【０００３】
チタン及びチタン合金は、金属原料価格が高く、また切削などの機械加工が難しいことから、機械加工なしで切りくずロスがなく、しかも、原料歩留まりの良い製品が得られる金属粉末射出成形法は注目されている。
【０００４】
これまで、チタンの粉末射出成形法の原料チタン粉末には、水素化脱水素処理法により製造した粉末（水素化脱水素チタン粉末という）あるいはガスアトマイズ法により製造した粉末（ガスアトマイズチタン粉末という）を単一もしくは混合して原料粉末として用い、チタン合金の場合はこれに別の種類の合金化金属粉末を混合して用いてきた。
【０００５】
ガスアトマイズチタン粉末をチタン原料粉末とし、これに６０Ａｌ−４０Ｖ合金粉末を所定量加えて混合粉末として、金属粉末射出成形によりＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金焼結体を製造する技術が文献「粉体および粉末冶金」第４６巻第１０号（１９９９年１０月発行）の第１０５３〜１０５７頁「ＭＩＭプロセス条件がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金焼結体の組織と機械的性質に及ぼす影響」に詳しく述べられている。
【０００６】
しかし、これらのチタン原料粉末は価格が非常に高く、これが製品コストを押し上げ、金属粉末射出成形法によるチタン及びチタン合金部品の普及をはばんでいた。
【０００７】
ところで、両者の他にチタン原料粉末として水素化チタン粉末があげられる。この粉末は両者（水素化脱水素チタン粉末、ガスアトマイズチタン粉末）に比べ低価格であるためその利用が期待される。水素化チタン粉末はチタン原子１個に対し、水素原子２個を粉末中に含有しており、これを焼結する場合、焼結昇温過程において含有している多量の水素をガスとして放出するため、成形体の変形や焼結体密度の低下などの欠陥を生じやすい。
【０００８】
これまでに金属粉末射出成形法において、水素化チタン粉末を水素化脱水素チタン粉末あるいはガスアトマイズチタン粉末などのチタン粉末に対し混合比率３５〜９５重量％の範囲で混合し、これを原料粉末として高密度チタン焼結体を製造する方法が特許文献１の「高密度チタン焼結体の製造方法」で開示されている。
【０００９】
しかし、この特許文献１では純チタン焼結体に限っており、チタン合金焼結体を製造することについては記載されていない。
【００１０】
また特許文献１では、作製する焼結体について相対密度９５％以上の密度を得る条件を記述しているが、焼結体の強度及び延性の特性については全く記述していない。チタン及びチタン合金焼結体の機械部品への適用を考えた場合、高い強度及び延性特性が重要となるが、この特許文献１記載の方法では、充分な密度は得られても高い強度及び延性特性は必ずしも得られない。
【００１１】
ところで、チタンは焼結過程において酸素や炭素などの侵入型不純物元素を吸収し、これにより脆化するため、圧粉成形法及び金属粉末射出成形法に限らずチタン及びチタン合金焼結体は充分な延性が得にくい欠点がある。そのためチタン及びチタン合金の金属射出成形法では、各プロセスにおいて特に酸素、炭素の侵入を防ぎ、極力焼結体中の酸素及び炭素量を低く抑えることが重要となる。
【００１２】
チタンは純チタンで使用されるばかりでなく、用途に応じてチタン合金として使用されることが多く、その製造方法の開発は極めて重要である。
【００１３】
したがって、水素化チタン粉末を利用してチタン合金焼結体を製造するためには、水素化脱水素チタン粉末あるいはガスアトマイズチタン粉末と水素化チタン粉末に、さらに別の種類の合金化金属粉末を添加して、チタン合金原料混合粉末とする必要がある。
【００１４】
この点、水素化脱水素チタン粉末あるいはガスアトマイズチタン粉末と水素化チタン粉末に、さらに別の種類の合金化金属粉末を加え、チタン合金焼結体を製造する方法について、特許文献２の「高密度焼結チタン合金の製造方法」が提案されている。
【００１５】
しかし、この製造法は、金属粉末射出成形ではなく、混合粉末を圧粉成形する方法であり、圧粉成形後、成形体を６００℃以上８００℃未満の温度域に１０〜３０時間の長時間保持して脱水素した後、さらに所定の焼結温度に上げて焼結することを特徴としている。この時、脱水素保持時間を短くすると気化した水素ガスが成形体内部に留まり、焼結による成形体空隙の収縮が阻害され高密度焼結体が得られない。しかも、この製造法では、金属粉末射出成形ほどの複雑形状品を機械加工なしで直接作ることは出来ず、また脱水素に長時間が必要となりコスト面から不利である。
【００１６】
斯様に、チタン合金焼結体では、添加する合金化粉末の種類、添加方法、焼結条件、そして成形法等により焼結体の特性が大幅に変化する。
本発明者は、水素化チタン粉末の種類、粒度、含有酸素量の違い、混合比率、混合方法、合金化金属粉末の種類、脱脂条件、脱水素条件、焼結温度、時間、雰囲気、焼結セッター等を詳細に検討し、金属粉末射出成形法による良好な特性を有するチタン合金焼結体の製造方法を見いだした。
【特許文献１】特開２０００−１７３０１号公報
【特許文献２】特開平７−２７８６０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
解決しようとする課題は、従来の金属粉末射出成形で製造するチタン合金焼結体は原料粉末である水素化脱水素チタン粉末あるいはガスアトマイズチタン粉末の価格が高いため、これが製品コストを押し上げていた問題点を解決することにある。
そして本発明は、金属粉末射出成形法において、低コストの水素化チタン粉末を原料粉末として、水素化脱水素チタン粉末あるいはガスアトマイズチタン粉末と併用あるいは代わりに用い、低コストで高い強度及び延性を併せ持つチタン合金焼結体を製造できる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は前記した課題を達成するため、以下の構成にしたことを特徴とする。
１．金属粉末射出成形法によるチタン合金焼結体の製造方法において、水素化脱水素チタン粉末あるいはガスアトマイズチタン粉末に対する水素化チタン粉末の混合比率が１０重量％〜１００重量％の混合粉末と、別の種類の金属粉末及び有機バインダーとの混練物を射出成形し、脱脂し、焼結することを特徴とする。
２．前記１において、混合粉末の混合比率が、水素化脱水素チタン粉末あるいはガスアトマイズチタン粉末に対して水素化チタン粉末が１０重量％〜６０重量％で、別の種類の金属粉末が、６０Ａｌ−４０Ｖ合金粉末で、混合粉末：６０Ａｌ−４０Ｖ合金粉末の混合比率が重量比で９：１であることを特徴とする。
【００１９】
従来のチタン合金の金属粉末射出成形では、価格の高い水素化脱水素チタン粉末あるいはガスアトマイズチタン粉末を原料チタン粉末として用いてきたが、本発明では低価格の水素化チタン粉末を水素化脱水素チタン粉末あるいはガスアトマイズチタン粉末と併用あるいは代わりに用い、最適な製造工程を開発することにより、高い強度及び延性を併せ持つ焼結体を得ることで、コストと延性の二つの課題を解決する。
水素化脱水素粉末あるいはガスアトマイズチタン粉末に混合する水素化チタン粉末の混合比率は１０〜１００重量％で、両者の混合粉末にさらに別の種類の金属粉末たとえば６０Ａｌ−４０Ｖ合金粉末、その他の合金化添加粉末を所定量加え、Ｖ型混合機あるいはボールミルなどで混合する。
水素化チタン粉末の混合比率が１０重量％未満では低コスト化のメリットが小さいので除外した。この混合比率は１０〜６０重量％が望ましく、高い強度及び延性を併せ持つ焼結体は混合比率１０〜６０重量％で得られる。また、６０重量％以上では、高い密度及び強度は得られるが充分な延性は得られないため、用途を選択する必要がある。
混合粉末と、別の種類の金属粉末たとえば６０Ａｌ−４０Ｖ合金粉末との混合比率は、重量比で９：１で、この混合比率の粉末を焼結すると、強度と延性のバランスがよい構造用チタン合金であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金となる。
【００２０】
この混合粉末などにポリプロピレンやワックスなどからなる有機バインダーを体積比で３０〜５０重量％加え、加圧式ニーダーなどで混練してコンパウンドと呼ばれる混練物を作る。この混練物を射出成形して成形体をつくる。
成形体から有機バインダー成分を溶媒抽出脱脂あるいは電気炉等による加熱脱脂などの方法にて除去した後、電気炉にて加熱して残りの有機バインダー成分及びチタン中の水素を気化除去し、真空中でさらに昇温して所定の焼結温度に所定時間保持し、焼結する。電気炉での有機バインダー成分の脱脂及びチタン中の水素の気化除去にさいしては成形体のふくれ、変形や焼結体密度の低下をさけるため徐々に昇温する。しかし、脱脂及び脱水素は連続的に行われ、気化した水素は脱脂で生じた粉体粒子間の空隙を通してスムーズに外部へ抜けるため、脱水素のために長時間保持する必要はない。焼結に際しては、焼結体への酸素、炭素等の侵入型元素の吸収を押さえるため、炉内真空度を高め、焼結箱、敷板等の焼結用具の材質を適切に選択する必要がある。この方法により高い強度と延性を併せ持つチタン合金焼結体を得ることが出来る。
【発明の効果】
【００２１】
Ａ．請求項１により、金属粉末射出成形法において、チタン合金の原料粉末としてのガスアトマイズ粉末あるいは水素化脱水素チタン粉末の代わりにあるいは併用して水素化チタン粉末を用い、射出成形することによって、低コストで、高い強度と延性を兼ね備えるチタン合金焼結体が製造出来る。
Ｂ．請求項２により、さらに、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金焼結体が製造出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に本発明の金属粉末射出成形法によるチタン合金焼結体の製造方法における実施の１形態として、請求項２に記載するＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金焼結体の製造例を説明する。
チタン原料粉末として、粒径４５μｍ以下のガスアトマイズチタン粉末に対する粒径４５μｍ以下の水素化チタン粉末の重量比率を２５、５０、７５、１００重量％とし、これに同じく粒径４５μｍ以下のアルミニウム-バナジウム粉末（Ａｌ：Ｖの重量比３：２）を混合比率が重量比で９：１に加え、ボールミルにより混合した。
この混合粉末にポリプロピレン、アクリル樹脂、パラフィンワックスなどからなる有機バインダーを体積比で３５〜４５％加え、加圧式ニーダーにより混練してコンパウンドを作製した。
【００２３】
このコンパウンドを粉砕し、粒径２〜８ｍｍに調整し、これを金型内で射出成形し、図１に示すような平ダンベル形状の引張試験用成形体を作製した。この成形体について、ヘキサン蒸気により７０℃で６時間加熱し、ポリプロピレン以外の有機バインダー成分をほぼ抽出脱脂した。
その後、成形体をジルコニア板に載せ、ジルコニア箱あるいはモリブデン製箱に入れて電気炉に装入し、数百Ｐａの減圧アルゴン気流中で１６時間かけて４３０℃までゆっくりと昇温させ、残りのバインダー成分のポリプロピレン及びチタン中の水素を気化させて除去した後、さらに１０−２Ｐａ以下の高真空雰囲気下で１０００〜１３５０℃の焼結温度まで昇温し、１〜８時間保持し、焼結した。焼結後、そのまま室温まで炉中冷却した。
【００２４】
上記の方法により作製したＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金焼結体１の内、焼結温度１１００℃、焼結保持時間８時間の試料Ｎｏ．１〜８について、相対密度、引張強度、伸び、焼結体中の酸素量の数値を図２に示す。
試料Ｎｏ．１〜８のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金焼結体１の相対密度は全て９６％以上の高密度を示した。しかし、水素化チタン粉末含有率が高くなると酸素量は増大し、伸びは低下する。また焼結箱材種がジルコニアの場合、モリブデンの焼結箱に比べ焼結体中の酸素量は増大する。
【００２５】
その結果、焼結箱材種がチタン製の場合、水素化チタン粉末含有率２５％のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金焼結体１（試料Ｎｏ．１）は、相対密度９７．０％、引張強度９１０ＭＰａ、伸び１４％、酸素量３１０６ＰＰＭを示した。
水素化チタン粉末含有率５０％のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金焼結体１（試料Ｎｏ．３）は、相対密度９７．５％、引張強度９５５ＭＰａ、伸び１２％、酸素量３６８２ＰＰＭを示した。
また、水素化チタン粉末含有率７５％のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金焼結体１（試料Ｎｏ．５）は、相対密度９７．５％、引張強度９５７ＭＰａ、伸び１．９％、酸素量４３８０ＰＰＭを示した。
さらに、水素化チタン粉末１００％、のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金焼結体１（試料Ｎｏ．７）は、相対密度９７．４％、引張強度９４３ＭＰａ、伸び０．９％、酸素量４９９２ＰＰＭを示した。
【００２６】
このように、水素化チタン粉末含有率２５％及び５０％のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金焼結体１は、９７％以上の高密度を示し、引張強度は９００ＭＰａ以上の高強度、伸びは１０％以上の良好な延性を示している。これらの値は、溶製材で定められているＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金のＪＩＳ規格値を満足している。しかし、水素化チタン粉末含有率が７５％、１００％とさらに増加すると伸びは低下し、ＪＩＳ規格値以下となった。これらの結果から水素化チタン粉末含有率を６０％とするのが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の金属粉末射出成形法により作製したＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金焼結体を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図２】本発明のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金焼結体の特性を示す表。
【符号の説明】
【００２８】
１  Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金焼結体
【図１】
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【図２】
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