Ti
6Al
4V 合金の高強度化へ向けて～粉末冶金法からのアプローチ～伊.

は じめに.

藤芳典

Ti
6Al
4V 合金の高強度化

チタンおよびチタン合金は比強度が大きく，高い耐食性や原料粉末には Ti 粉末と， Al 40V 合金粉末を用い，添加生体適合性など優れた特性を示すが，機械加工性や塑性加工粉末として Mo, Fe, Cr 粉末を用いた．使用した粉末の形態性に劣ることから，加工コストが高いという欠点がある．しを図に示す．合金要素となる粉末は，平均粒径が数 mm 程たがって 3 次元複雑形状の金属部品をニアネットシェイプ度の微細なものを選択した．微細な粉末は，酸素量が多く，で作製でき，後加工をほとんど必要としない金属粉末射出成

焼結 体の 延性 の低下 が懸 念さ れるが(3) ，緻 密化が 促進 さ形法( MIM )は，チタンおよびチタン合金の有効な加工法とれ(4)，高融点金属の Mo が焼結のみで十分に拡散し(1)(2)，低して期待されている． MIM プロセスの基本工程概略図を図

融点金属の溶融による流出孔の形成を軽減することがでに示す．金属粉末とバインダを混練し，射出成形機を用いき(5)，焼結のみで十分に合金化した良好な焼結体が得られる．て形状を付与後脱脂および焼結の工程を経て，金属部品を量図に Mo, Fe, Cr の添加量と焼結体の引張強さの関係を産する技術である．焼結体の形状は射出成形されたプラスチ示す． Mo 添加材は 1473 K × 28.8 ks, Fe, Cr 添加材は 1373ック並みの精度を有しており，用いる粉末の平均粒径が 20K × 28.8 ks の焼結を行った結果である．焼結体の引張強さmm 以下と微細なことから，溶製材と同等の機械的性質を有は JIS 60 種を十分に満足し， Fe, Cr を添加した焼結体ではする．

1000 MPa を超える高い引張強さを示す．引張強さは焼結体

粉末冶金法の特徴のひとつとして，原料粉末に種々の金属の酸素量に強く影響を受けるが(4)，焼結体の酸素量はそれぞあるいは合金粉末を添加することで，容易に合金組成を制御

れ 0.28 ～ 0.31 mass 程度(2)(5) であり，引張強さの上昇は各できることが挙げられる．本研究では， Ti 6Al 4V 合金に，針状の組織のラス幅を減少させる効果が認められたMo(1)(2) ，資源として豊富に存在する Fe, V や Mo よりも安価な Cr に着目し，混合粉末法を用いて作製した Ti6Al4V合金の高強度化を試みたので，その結果を紹介する．

図2

図1

MIM プロセスの基本工程概略図．

原料粉末の電子顕微鏡写真．( a ) Ti ( D50 ＝ 24.4mm), (b) Al40V 合金(D50＝7.77 mm), (c) Mo(D50＝1.59 mm), (d) Fe(D50＝4.31 mm), (e) Cr(D50＝2.97 mm)

静岡県工業技術研究所浜松工業技術支援センター材料科上席研究員(〒4312103 浜松市北区新都田 133)
Strengthening of Ti6Al4V by Metal Injection Molding; Yoshinori Itoh(Hamamatsu Technical Support Center Industrial ResearchInstitute of Shizuoka Prefecture, Hamamatsu)
Keywords: metal injection molding, titanium alloy, strengthening, mixed powder, powder metallurgy
2010年 5 月23日受理

トピックス

図3

焼結体の引張強さに及ぼす Mo, Fe, Cr 添加量の影響．

図5

焼結体のミクロ組織．(a)添加なし (b) 4massMo (c) 2 massFe (d) 4 massCrとして出荷されることから，一般的には熱処理等でのミクロ組織制御による機械的性質の改善は行われない．ちなみに，a ＋ b 型 チ タ ン 合 金 で あ る Ti 6Al 7Nb 合 金(5) ， Ti 6Al 2Sn 4Zr 6Mo 合金(6) ， Ti 4.5Al 3V 2Fe 2Mo 合金(7) ，ニア a 型 チ タ ン 合 金 で あ る Ti 6Al 2Sn 4Zr 2Mo 0.1Si 合金(2) においても MIM で作製すると上記 Ti 6Al 4V 合金とほぼ同様のミクロ組織を呈する．

.

今 後 の 展 開

今回，混合粉末にて合金組成を調整した種々のチタン合金を MIM を用いて作製できることを示した．使用できる粉末
図4

焼結体の伸びに及ぼす焼結温度の影響．

が制限されることや，ミクロ組織制御が困難である等のデメ
リットもあるが，十分な機械的性質が得られれば，新規な合金組成での試作が容易であり，量産に移行できるというメリ合金元素添加の影響と考えられる．
焼結体の伸びは，添加元素の含有量を増加すると焼結条件ットもあろう．今後は低コスト化に向け汎用元素を活用したチタン合金の開発(8)を進めていく予定である．

を最適化しても 10 を下回る傾向が見られる．図に添加元素を変化させた場合における焼結温度と伸びの関係を示文献す．この場合の焼結時間は 28.8 ks である．高密度化するために焼結温度を上昇させると， 10 以上の良好な延性を示す合金組成でも，伸びの減少傾向が見られる．この伸びの減少メカニズムについては現在検討中である．
いずれにしても， Ti 6Al 4V 合金に Fe あるいは Cr を添加することで，1000 MPa を超える高強度と，10を超える伸びを兼ね備えた高強度・延性を示すチタン合金焼結体を得ることができた．
焼結体のミクロ組織を図に示す．焼結体のミクロ組織は，添加元素によりラス幅に違いが見られるが，粗大な針状a 組織を呈する．これは，焼結が b 変態温度を超えて行われ，その後炉内で徐冷されるため，数 10 mm ～数100 mm に成長した旧 b 粒内より a 相の変態が生じた結果である．
MIM により作製された焼結体は基本的には焼結のまま製品

ま て り あ 第49巻 第10号(2010)Materia Japan( 1 ) 伊藤芳典，針幸達也，佐藤憲治，三浦秀士粉体および粉末
冶金，52(2005), 4348.
( 2 ) 伊藤芳典，植松俊明，佐藤憲治，三浦秀士，新家光雄粉体および粉末冶金，53(2006), 750754.
( 3 ) 伊藤芳典，植松俊明，佐藤憲治，三浦秀士粉体および粉末
冶金，56(2009), 259
263.
( 4 ) 伊藤芳典，植松俊明，佐藤憲治，三浦秀士粉体および粉末
冶金，55(2008), 666
670.
( 5 ) Y. Itoh, H. Miura, T. Uematsu, K. Sato, M. Niinomi and T.
Ozawa: Ti2007 Science and Technology, ed. by M. Niinomi,et al., The Japan Institute of Metals, Kyoto, Japan, vol. 2,(2007), 11851188.
( 6 ) 伊藤芳典，植松俊明，佐藤憲治，三浦秀士，新家光雄粉体および粉末冶金，55(2008), 720725.
( 7 ) 伊藤芳典，植松俊明，佐藤憲治静岡県工業技術研究所研究報告，1(2008), 99104.
( 8 ) 藤井秀樹，高橋一浩，森 健一，川上 哲，國枝知徳，大塚弘明まてりあ，48(2009), 547553.

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