京都市産業技術研究所

Ti＋TiH2焼結体の脱水素熱処理による高強度 Ti 系材料の作製プロセス
金属系チーム要丸岡智樹

旨
本研究は、歩留まりよく最終形状に近い形で部品が製造できる粉末冶金技術による高強度な Ti 焼結体の作製プロセスの最適化を目指したものである。Ti 焼結体の高強度化手法として、水素を利用した結晶粒微細化プロセスに注目し、Ti ＋ TiH2焼結体の配合水素量と脱水素熱処理後の結晶粒径への影響などの基礎的な検討を行った。
その結果、配合水素量5,000ppmのTi＋TiH2焼結体は、真空雰囲気、700℃、60min保持する脱水素熱処理を施すことで、純 Ti（pure-Ti）よりも結晶粒径が小さくなり、ビッカース硬さと引張強度が向上し、Ti＋TiH2焼結体への脱水素熱処理が高強度な Ti 焼結体を作製できる結晶粒微細化プロセスとして有効であることが確認できた。

および大阪チタニウムテクノロジー製 TiH2粉末（平均１．緒言Ti（チタン）は軽量、高強度かつ耐食性に優れるといっ

粒径：45µm）を用いた。
混合粉末は水素量が1,000ppm、3,000ppm、5,000ppm、た特徴を持ち、産業分野、医療分野、日用品まで幅広く利用されている。しかし、Ti 製品の一般的製造プロセス10,000ppm および20,000ppm となるように原材料を配合である熔解法や鋳造法は、切削加工を伴うため材料の大し、めのう乳鉢にて15min 撹拌した。以後、配合した水半は切削屑となる。そのため、歩留まりよく最終形状に素量を試料名とした。

近い形で部品が製造できる粉末冶金法が注目されている。

次 に 内 径 40mm φ の カ ー ボ ン 製 焼 結 型 に 混 合 粉 末

ところが、粉末冶金法では、焼結体特有の空隙や金属を 20g 充填し、上下を 40mm φのカーボン製パンチで材料の代表的な加工加熱処理による高強度化法が利用で挟み込み、放電プラズマ焼結装置（シンターランド製

きないため、従来の溶製材より強度が低いことが課題でLABOX-650F、以下 SPS）に装填した。焼結は、焼結温度800℃、昇温速度50℃ /min、焼結圧力45MPa、保持時間15min および真空雰囲気にて行った。以後、水素を含む焼結体を Ti＋TiH2焼結体と称す。

ある。また、メカニカルアロイングや熱間押し出し技術などの高強度化プロセスが検討されているが高価で特殊な装置が必要である。
一般的な金属材料の高強度化法は、結晶粒微細化であ

脱水素熱処理は高真空高温雰囲気熱処理炉（神港精機り、先行研究１）では Ti-6Al-4V に水素を吸蔵させ、熱処製 SV-D178）を用いて、真空雰囲気、700℃、60min 保理を施し、水素を放出することで結晶粒微細化を達成し持する条件で行った。

た例や水素を利用した Nd-Fe-B 磁石の結晶粒微細化の例がある。筆者は、Ti＋TiH2焼結体

試料の評価は、酸素窒素水素分析装置（堀場製作所

への熱処理によ製 EMGA930）による水素量測定、電子線マイクロアる含有水素量制御を検討しており、その検討において、ナライザー（日本電子製 JX-8230、以下 EPMA）によるTi＋TiH2焼結体に適切な水素除去熱処理を施すことによって、結晶粒微細化に伴う Ti 焼結体の高強度化の可断面組織観察、マイクロビッカース硬さ試験機（ミツト能性を見出している。

（島津製作所、AG-250kNI M1）による引張試験を行っ

２）

ヨ製 MH-200D）による硬さ試験および精密万能試験機

そこで、本研究では純チタン溶製材と同等以上の機械た。断面組織観察の前処理は、試料を切断した後、樹脂的特性を達成することを目標として、水素を利用した結包埋を行い、#600の SiC 研磨紙で湿式研磨、９ µm およ

晶粒微細化プロセスの最適化のため、Ti＋TiH2焼結体

び３ µm のダイヤモンドペーストによる中間仕上げ、コの配合水素量と脱水素熱処理後の結晶粒径への影響などロイダルシリカによる鏡面研磨を行った。その後、フッの基礎的な検討を行った。

化水素２ ml、硝酸６ ml、蒸留水100ml に調製したエッチング液による組織現出を行った。

２．実験方法原材料として高純度化学製 Ti 粉末（平均粒径：45µm）

－23－

研究報告

№12（２０２２）

３．結果および考察チタン水素化物として析出することが確認できた。ま

3.1 脱水素熱処理前後の水素分析

た、Ti＋TiH2焼結体では空隙もわずかに存在しており、図１に脱水素熱処理前後の水素分析結果を示す。焼結

配合水素量の増加に伴い空隙が増加している傾向が見ら

後の水素量は配合水素量よりも減少しており、配合水素れた。これは焼結中の水素の放出が焼結の収縮を抑制し量の約70% 程度の水素が残っていることがわかった。こたためであると考えられる。配合水素量10,000ppm まで

れは真空雰囲気中での焼結であるため、焼結中の加熱には、微細なチタン水素化物であったが、20,000ppm では

より TiH2中の水素が分解され、水素の一部が試料外に粗大なチタン水素化物が析出していたことがわかった。

放出されたためであると考えられる。次に、脱水素熱処
理後の水素量はすべて40ppm 以下であり、焼結後に存在していた水素は、ほぼすべて放出されたことがわかった。

Ỉ⣲ศᯒ⤖ᯝ, ppm

10,0001,000100101㓄 ྜỈ ⣲ 㔞↝⤖ᚋࡢỈ⣲㔞⬺Ỉ⣲⇕ฎ⌮ᚋࡢỈ⣲㔞
図１

図２ Ti＋TiH2焼結体の断面組織観察写真

脱水素熱処理前後の水素分析結果

3.2.2 脱水素熱処理後の断面組織観察と結晶粒径3.2 断面組織観察3.2.1 焼結後の断面組織観察

図３に脱水素熱処理後の断面組織観察を示す。図２のTi＋TiH2焼結体の断面組織観察で確認されたチタン水

図２に焼結後の断面組織観察写真を示す。Ti＋TiH2

素化物は脱水素熱処理により消失していた。これは、図焼結体では析出物が観察された（図２、矢印）。配合水１の結果に示す通り、脱水素熱処理による水素の放出と素量が増えるにしたがって、析出物は増加することがわ対応している。

２）によると、この析出物はチタン水

次に、図４に脱水素熱処理後の平均結晶粒径を示す。

素化物であると考えられる。状態図３）から考察すると、焼結中の800℃の焼結温度域では、水素はチタン中に固Pure-Ti は脱水素熱処理を行うことで、平均結晶粒径が約11µm から約13µm とわずかに大きくなっていた。こ溶し、300℃以下になるとチタン水素化物が析出すると

れは脱水素熱処理による結晶粒の粗大化が生じたためで予測した。本実験において、チタン水素化物は焼結中にあることが考えられる。Ti＋TiH2焼結体の脱水素熱処

チタンと水素に分解され、水素の一部は試料外に放出さ理後の平均結晶粒径は、ほとんどの試料において Pure-れ、大部分の水素はチタンに固溶し、冷却過程においてTi よりも小さくなる傾向が見られた。

かった。過去の検討－24－

京都市産業技術研究所
多く存在するため、熱処理中の結晶粒の粗大化が抑制され、Pure-Ti よりも平均結晶粒径が小さくなったと思われる。また、水素量が5,000ppm および10,000ppm の焼結後の組織は、比較的微細なチタン水素化物が多く存在するため、脱水素熱処理後の平均結晶粒径が小さくなったと思われる。一方、配合水素量が20,000ppm は粗大なチタン水素化物が存在するため、脱水素熱処理後の平均結晶粒径はやや大きくなったと考えられる。

3.3 ビッカース硬さ試験および引張試験
図５にビッカース硬さ試験結果を示す。脱水素熱処理後のビッカース硬さは配合水素量5,000ppm の場合が最も高く、Pure-Ti よりも高いことがわかった。一般的には平均結晶粒径と機械的性質には密接な関係があり、結晶粒が小さいほど機械的性質は向上するとされている。
本実験においても、配合水素量が5,000ppm の場合、平均結晶粒径が最も小さいため、ビッカース硬さが最も高くなったと思われる。配合水素量が10,000ppm および20,000ppm では結晶粒径が Pure-Ti よりも小さいにも関わらず硬さが低いのは、焼結由来の空隙による影響であ図３ると考えられる。空隙の減少に関する検討は今後の課題

脱水素熱処理後の断面組織観察25014࣐࢖ࢡࣟࣅࢵ࣮࢝ࢫ◳ࡉ, HV0.5⬺Ỉ⣲⇕ฎ⌮ᚋࡢᖹᆒ⤖ᬗ⢏ᚄ, �mとしたい。
16121086420240230220210200190180170160150

図４

脱水素熱処理後の平均結晶粒径
図５

脱水素熱処理後のビッカース硬さ試験

これは、チタン水素化物の存在有無が熱処理中の結晶粒粗大化を抑制したためであると考えられる。配合水素

図６に脱水素熱処理後の引張試験（pure-Ti、配合水量が1,000ppm、3,000ppm の場合はチタン水素化物の存素量5,000ppm）の結果を示す。配合水素量5,000ppm の在が少ないために、速やかに水素が放出され、その後熱引張強さは750MPa 程度であり、Pure-Ti よりも高い結処理中に結晶粒の粗大化が生じたものと考えられる。配果が得られた。この引張強さは溶製材の JIS3種相当の強合水素量が5,000ppm 以上であると、チタン水素化物が度であった。

－25－

研究報告

№12（２０２２）

本 研 究より、Ti 粉末と TiH2 粉末を混 合し、焼 結した試験および引張試験を行った結果、配合水素量がTi ＋TiH2 焼結体への脱水素熱処理を施すことにより、5,000ppm の試料は Pure-Ti よりもビッカース硬さ結晶粒が微細化し、硬さと引張強度が向上することがわが高く、引張強さも高かった。

かった。今後は、焼結条件、脱水素熱処理条件および焼結体中の軽元素による影響などについて検討し、硬さの追記低下に寄与していると考えている焼結時の空隙の減少に

本研究で使用した試料自動研磨装置（エコメット250-

関する検討を進め高強度チタン焼結体の開発を目指してオートメット250）及びグロー放電発光分光分析装（GD-Plofiler2）、電子線マイクロアナライザー（JXA-8230）、いく。

雰囲気加熱炉（SV-D178）は、それぞれ平成22年度、平800

成23年度、平成31年度に（公財）JKA 機械振興補助事業

750により設置された装置であり、追記して敬意を表します。

ᘬᙇᙉࡉ, N/mm2

700

参考文献

650．
１）中東潤他：日本金属学会誌，70，2，204（2006）

600２）丸岡智樹他：京都市産業技術研究所研究報告，No.6，p.12（2016）．

550３）Thaddeus B.Massalski :Binary alloy Phase diagrams

500

CD-ROM (1993).

450
400

Pure-Ti

図６5,000ppm

脱水素熱処理後の引張試験

４．まとめ

Ti＋TiH2焼結体の配合水素量と脱水素熱処理後の結晶粒径への影響などの基礎的な検討を行い、純チタン溶製材と同等以上の機械的特性を達成することを目的として、水素を利用した結晶粒微細化プロセスの最適化の検討を行った。得られた結果を以下に示す。
１）Ti＋TiH2焼結体に真空雰囲気、700 ℃、60min 保持する条件で脱水素熱処理を行った結果、焼結体中の水素はほぼ放出された。
２）焼結後の Ti＋TiH2焼結体にはチタン水素化物が析出していた。脱水素熱処理後ではチタン水素化物は消失していた。
３）配合水素量と焼結後の金属組織が脱水素熱処理後の金属組織に影響を与えることがわかった。また、配合水素量が5,000ppm 以上であると結晶粒径は小さくなることがわかった。
４）脱水素熱処理後の各試料について、ビッカース硬さ－26－