技術 チタン又はチタン合金圧粉体の製造方法

0001

本発明は、チタン又はチタン合金圧粉体の製造方法に関する。

0002

チタン及びチタン合金は優れた機械的特性を有するが、加工が難しく、複雑形状製品は従来切削により製造されてきた。しかしながら、切削で製造する場合は歩留まりが悪く、製品単価が非常に高くなるという問題がある。

0003

上記問題を解決する手法の一つとして、素粉末混合法を用いてチタン及びチタン合金圧粉体の製造を行う方法が知られている。素粉末混合法は、純チタン粉末と合金元素添加用粉末を所定の割合で混合し、これをモールドに充填後、室温で圧粉成形し、その後焼結処理や冷間等方圧プレス（ＣＩＰ）処理等を行う処理方法である。

0004

例えば、特開平７−９０３１３号公報には、熱可塑性樹脂を使用してブロー成形法により粉末成形用型を作製し、その粉末成形用型にチタン粉末を充填し、静水圧成形プレスで成形することで、チタン粉体の成形体を製造する方法が記載されている。特開２０１０−１８８７１１号公報には、熱可塑製樹脂製のプリフォームから底付き筒状容器を延伸ブロー成形する底付き筒状容器の製造方法が記載されている。

0005

特開平７−９０３１３号公報
特開２０１０−１８８７１１号公報

0006

しかしながら、特許文献１及び２に例示されるような熱可塑製樹脂をブロー成形して成形体を形成する方法では、割れなく高密度の成形体が得られるが、厚さの精度が出にくい。そのため、ブロー成形により製造された成形体を用いて製造されたチタン又はチタン合金圧粉体は、外形寸法にずれが生じやすくなる。外形寸法の精度を高めるためには、金属金型などを利用する方法もあるが、高価になる上、複雑形状が製造しにくくなる。

0007

上記課題を鑑み、本発明は、外形寸法の精度が高く、複雑形状を有するチタン又はチタン合金圧粉体をより経済的に製造することが可能なチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法を提供する。

0008

本発明者は鋭意検討を重ねたところ、所定の特性を有する熱可塑製樹脂を用いて、所定の厚さ範囲及び厚さ精度を有するＣＩＰ成形用モールドを用いることが有用であるとの知見を得た。

0009

以上の知見を基礎として完成した本発明は一側面において、冷間等方圧プレスを用いて相対密度８０％以上のチタン又はチタン合金圧粉体を得るチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法であって、厚さが０．５〜１．５ｍｍ、且つモールドの長手方向の任意の１０点の厚みを測定した場合の（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）で表されるモールド厚さ誤差範囲指数αが０〜０．０５であり、圧縮弾性率が８００ＭＰａ〜２１００ＭＰａ、ショアＤ硬さが７８〜８５の熱可塑製樹脂からなり、粉末供給口と粉末充填用の空洞とを有するＣＩＰ成形用モールドを用いることを特徴とするチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法が提供される。

0010

本発明に係るチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法は一実施態様において、ＣＩＰ成形用モールドが、大径部と、大径部に連続し、大径部よりも水平断面の断面積が小さい小径部とを少なくとも備え、且つ水平断面における大径部の最大径に対する小径部の最小径の比率Ｄ（小径部最小径／大径部最大径）が、０．５以上０．８未満である。

0011

本発明に係るチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法は別の一実施態様において、ＣＩＰ成形用モールドは、大径部の外側面に対して小径部の外側面が傾斜し、大径部の外側面の端部から大径部の外側面の延在方向に延びる直線と小径部の外側面とのなす角θが１０度以上６０度未満である。

0012

本発明に係るチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法は更に別の一実施態様において、ＣＩＰ成形用モールドを、３Ｄプリンタ装置を用いて作製することを含む。

0013

本発明に係るチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法は更に別の一実施態様において、ＣＩＰ成形用モールドを、材料押出法を利用した３Ｄプリンタ装置を用いて作製することを含む。

0014

本発明に係るチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法は更に別の一実施態様において、ＣＩＰ成形用モールドを、材料噴射法を利用した３Ｄプリンタ装置を用いて作製することを含む。

0015

本発明に係るチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法は更に別の一実施態様において、平均粒径３０μｍ以上１００μｍ未満の純チタン粉末を８０〜１００質量％、ＣＩＰ成形用モールドの空洞内に充填することを含む。

0016

本発明に係るチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法は更に別の一実施態様において、平均粒径３０μｍ以上１００μｍ未満の純チタン粉末と、平均粒径５μｍ以上５０μｍ未満の合金元素粉末又は母合金粉末とを１〜２０質量％、ＣＩＰ成形用モールドの空洞内に充填することを含む。

0017

本発明によれば、外形寸法の精度が高く、複雑形状を有するチタン又はチタン合金圧粉体をより経済的に製造することが可能なチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法が提供できる。

0018

本発明の実施の形態に係るＣＩＰ成形用モールドの一例と該一例であるＣＩＰ成形用モールドの厚さの測定位置（任意の１０点）を示す断面図である。
本発明の実施の形態に係るＣＩＰ成形用モールドの大径部と小径部の傾斜角度θを説明する説明図であり、図２（ａ）は小径部が平面状の斜面を有し、図２（ｂ）は小径部が曲面状の斜面を有する場合の例である。

0019

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。以下に示す実施の形態はこの発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものではない。

0020

本発明の実施の形態に係るチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法は、冷間等方圧プレス（ＣＩＰ）を用いて相対密度８０％以上のチタン又はチタン合金圧粉体を得るチタン又はチタン合金圧粉体の製造方法であり、例えば図１に例示されるような、粉末供給口２と粉末充填用の空洞３とを有するＣＩＰ成形用モールド１を利用することができる。

0021

外形寸法の精度が高く、複雑形状を有するチタン又はチタン合金圧粉体を製造するためには、ＣＩＰ処理の製造工程との関係において、ＣＩＰ成形用モールド１の材料、圧縮弾性率、及びショアＤ硬さを適正な範囲に調整するとともに、ＣＩＰ成形用モールド１の厚さと厚さの精度を高くすることが必要である。

0022

具体的には、本実施形態に係るＣＩＰ成形用モールド１としては、厚さが０．５〜１．５ｍｍであることを要する。厚さが０．５ｍｍ未満の場合、充填粉末の重量でＣＩＰ成形用モールド１が変形し、寸法精度が低下する場合がある。一方、厚さを１．５ｍｍより大きくすると、ＣＩＰ除荷時のＣＩＰ成形用モールド１のスプリングバック力が圧粉体強度よりも大きくなり、圧粉体の破断が発生する場合がある。

0023

厚さの寸法精度については、モールドの長手方向の任意の１０点の厚みを測定した場合の（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）で表されるモールド厚さ誤差範囲指数αが０〜０．０５であることが好ましい。厚さの寸法精度の評価に際し、厚さの測定点が局所に偏ると、ＣＩＰ成形用モールド１の全体としての厚さのバラツキを適切に評価できない場合がある。よって、本実施形態においては、「任意の１０点の厚み」の測定点として、ＣＩＰ成形用モールド１の最長面を１０等分した場所を意味する。例えば、図１に示すように、ＣＩＰ成形用モールド１の最大長に沿った長手方向が水平面と垂直な方向に向くようにＣＩＰ成形用モールド１を水平面上に静置させ、水平面に垂直な方向にＣＩＰ成形用モールド１を１０等分したそれぞれの位置（１〜１０）における厚みを測定することができる。

0024

即ち、「モールド厚さ誤差範囲指数α」は、図１に示すように、ＣＩＰ成形用モールド１の長手方向に沿ってＣＩＰ成形用モールド１を１０等分した場合のそれぞれの高さの任意の位置の測定点の厚さをそれぞれ測定し、その最大値と最小値を用いて評価した誤差範囲指数を指す。厚さの測定は、例えば、各測定点に対してデジタルノギス等を用いることにより行うことができる。

0025

モールド厚さ誤差範囲指数αが０．０５よりも大きくなると、ＣＩＰ成形用モールド１を用いて製造されるチタン又はチタン合金圧粉体の外形寸法の精度が悪くなる上に、スプリングバック力の制御が困難になり、破断発生の原因となる。モールド厚さ誤差範囲指数αは、０．０３以下とすることが好ましく、より好ましくは０．０１以下、更には０．００５以下とすることが好ましい。

0026

ＣＩＰ成形用モールド１の狙い厚さ、即ち製造時のＣＩＰ成形用モールド１の厚さデータが既知の場合は、モールド厚さ誤差範囲指数βによって、ＣＩＰ成形用モールド１の寸法精度を評価することもできる。モールド厚さ誤差範囲指数βは、モールド厚さ誤差範囲指数αの測定と同様に、ＣＩＰ成形用モールド１の長手方向に沿って１０等分した場合のそれぞれの高さの任意の位置の測定点の厚さをそれぞれ測定した場合の「（最大値−最小値）／狙い厚さ」を指す。狙い厚さとしては、例えば、ＣＩＰ成形用モールド１の成形時の三次元ＣＡＤ元データの厚さを用いることができる。

0027

モールド厚さ誤差範囲指数βが０．５よりも大きくなると、ＣＩＰ成形用モールド１を用いて製造されるチタン又はチタン合金圧粉体の外形寸法の精度が悪くなる上に、スプリングバック力の制御が困難になり、破断発生の原因となる。モールド厚さ誤差範囲指数βが０．５以下の誤差はＣＩＰ成形用モールド１の物性に影響しない。モールド厚さ誤差範囲指数βは０．３以下が好ましく、より好ましくは０．１以下、更に好ましくは０．０６以下である。

0028

或いは、ＣＩＰ成形用モールド１の長手方向に沿ってＣＩＰ成形用モールド１を１０等分した場合のそれぞれの高さの任意の１０点の（厚さ/狙い厚さ×１００−１００）の絶対値の平均値をモールド厚さ誤差範囲指数γとして評価することもできる。モールド厚さ誤差範囲指数γは１．５未満が好ましく、より好ましくは１．０以下、更に好ましくは０．５以下である。

0029

ＣＩＰ成形用モールド１に使用する材料としては、熱可塑製樹脂が好ましく、例えば、アクリル樹脂、ポリ乳酸（ＰＬＡ）樹脂等が好適に利用できる。熱可塑製樹脂材料の圧縮弾性率は、８００ＭＰａ〜２１００ＭＰａとすることが好ましい。圧縮弾性率を８００ＭＰａ未満とすると、ＣＩＰ除荷時のＣＩＰ成形用モールド１のスプリングバックが大きくなり、圧粉体破断に繋がる場合がある。また、圧縮弾性率が低すぎるとＣＩＰ成形用モールド１の剛性が足りず、充填粉末の自重でＣＩＰ成形用モールド１が変形し、ＣＩＰ成形品の寸法精度が著しく低下する場合がある。

0030

一方、圧縮弾性率を２１００ＭＰａよりも大きくすると、ＣＩＰ成形用モールド１の剛性が高くなり、ＣＩＰ処理加圧時に内部粉末に荷重が十分伝わらず、相対密度８０％以上のチタン又はチタン合金圧粉体を得ることができない。ＣＩＰ成形用モールド１に使用する熱可塑製樹脂の圧縮弾性率はより好ましくは１０００ＭＰａ〜１９００ＭＰａ、更に好ましくは１５００ＭＰａ〜１９００ＭＰａである。圧縮弾性率は、ＪＩＳ Ｋ７１８１（２０１１）に準拠する試験方法によって測定することができる。

0031

ＣＩＰ成形用モールド１に使用する熱可塑製樹脂のショアＤ硬さは７８〜８５、より好ましくは８０〜８３とすることが好ましい。ショアＤ硬さが７８未満の場合は充填粉末の重量でＣＩＰ成形用モールド１が変形し、寸法精度が低下する。ショアＤ硬さを８５より大きくすると、ＣＩＰ成形用モールド１の剛性が高くなり、ＣＩＰ処理加圧時に内部粉末に荷重が十分伝わらず、相対密度８０％以上のチタン又はチタン合金圧粉体を得ることができない。ショアＤ硬さは、ＪＩＳ Ｋ７２１５（１９８６）に準拠する試験方法によって測定することができる。

0032

図１に示すように、ＣＩＰ成形用モールド１は、大径部１１と、大径部１１に連続し、大径部１１よりも水平断面の断面積が小さい小径部１２と、小径部１２よりも水平断面の断面積が大きく、小径部１２に連続する大径部１３と、大径部１３に連続し、頂部に粉末供給口２を有する頂部１４とを含む。

0033

小径部１２は、底部から頂部に向かって水平方向の断面積が徐々に小さくなり、小径部１２の中間部分から大径部１３に向けて水平方向の断面積が徐々に大きくなるようなくびれを有する形状とすることができる。

0034

大径部１１、１３は、水平断面が多角形状を有していてもよいし、水平断面が円又は楕円状であってもよく、利用用途に応じて適宜変更することができ、具体的形状は特に限定されない。水平断面における大径部１１、１３の最大径Ｄ11に対する小径部１２の最小径Ｄ12の比率Ｄ（小径部最小径Ｄ12／大径部最大径Ｄ11）が、０．５以上０．８未満である。大径部１１、１３と小径部１２の形状は、水平断面同士が略相似形であることが好ましいが、互いに異なる形状を有していてもよい。

0035

図２（ａ）の拡大図に示すように、ＣＩＰ成形用モールド１は、大径部１１の外側面１１１に対して小径部１２の外側面１２１が傾斜している。大径部１１の外側面１１１の端部１１２から大径部１１の外側面１１１の延在方向に延びる直線Ｘと小径部１２の外側面１２１とのなす角θ（図２（ａ）の例では直線Ｘから半時計回りに測定した場合の小径部１２の外側面１２１とのなす角θ）が１０度以上６０度未満である。なお、小径部１２の外側面１２１が曲面を有する場合は、図２（ｂ）に示すように、小径部１２の水平断面において最小径Ｄ12となる位置と大径部１１の端部１１２とを通る直線Ｙと直線Ｘとのなす角θ（即ち、直線Ｘを基点として直線Ｘから反時計回りに測定した場合の直線Ｙとのなす角）が、１０度以上６０度未満である。

0036

図１及び図２（ａ）、図２（ｂ）に示すような複雑形状を有するＣＩＰ成形用モールド１は、３Ｄプリンタ装置を用いて作製することができる。これにより、従来のようにブロー成形してモールドを形成する場合に比べて、厚さを均一にすることができ、寸法精度を向上させることができる。また、モールドの製造に際し、金型等を作製する必要がないため、より経済的に複雑形状を有するＣＩＰ成形用モールド１を、寸法精度が高くなるように製造することができる。

0037

３Ｄプリンタ装置としては汎用の装置を用いることができるが、材料押出法を利用した３Ｄプリンタ装置、或いは材料噴射法を利用した３Ｄプリンタ装置を用いて作製することが好ましい。

0038

本実施形態に係るＣＩＰ成形用モールド１内の空洞３に、純チタン粉末又は純チタン粉末と合金元素粉末又は母合金粉末とを充填し、ＣＩＰ処理を実施することにより、本実施形態に係るチタン又はチタン合金圧粉体が得られる。ここで、合金元素粉末とは例えばＡｌ粉末やＶ粉末等単一元素の粉末であって、母合金粉末とは複数の元素を含む粉末である。

0039

充填材としては、例えば平均粒径３０μｍ以上１００μｍ未満の純チタン粉末を８０〜１００質量％、ＣＩＰ成形用モールドの空洞内に充填することにより、相対密度８０％以上のチタン又はチタン合金圧粉体が得られる。或いは、平均粒径３０μｍ以上１００μｍ未満の純チタン粉末と、平均粒径５μｍ以上５０μｍ未満の合金元素粉末又は母合金粉末とを１〜２０質量％、ＣＩＰ成形用モールド１の空洞内３に充填し、ＣＩＰ処理を実施することにより、相対密度８０％以上のチタン又はチタン合金圧粉体が得られる。なお、平均粒径は、レーザー回折散乱法によって得られた粒度分布（体積基準）の粒子径Ｄ５０（メジアン径）の値を指す。粉体の充填、ＣＩＰ処理は一般的に良く知られる条件を用いて実施することができる。本実施形態において「純チタン」とはＪＩＳ２種に規定の組成を満たす工業用純チタンを意味する。チタン合金圧粉体に用いられる主な合金系としては、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−６Ｖ−２Ｓｎ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ、Ｔｉ−１０Ｖ−２Ｆｅ−３Ａｌ等が挙げられる。

0040

本発明の実施の形態に係るチタン又はチタン合金圧粉体によれば、３Ｄプリンタを用いて、所定の熱可塑製樹脂を利用して、厚さ及び厚さ精度が制御されたＣＩＰ成形用モールド１を得て、これを利用してＣＩＰ処理を実施することにより、外形寸法の精度が高く、複雑形状を有するチタン又はチタン合金圧粉体をより経済的に製造することができる。

0041

以下に本発明の実施例および比較例について説明するが、本発明は以下の実施例に制限されないことは勿論である。

0042

厚さを０．５〜１．７５ｍｍの間で調整したＣＩＰ成形用モールドの３Ｄデータに基づいて、樹脂を３種類（ＰＬＡ樹脂、アクリル樹脂、シリコン樹脂）を用いて、３ＤプリンタによりＣＩＰ成形用モールドを作製した。ＰＬＡ樹脂を用いたＣＩＰ成形用モールドについては、久宝金属製作所製の３Ｄプリンタ装置クホリアを用いて材料押出法により作製した。アクリル樹脂を用いたＣＩＰ成形用モールドについては、３ＤＳｙｓｔｅｍｓ製３Ｄプリンタ装置ＰｒｏＪｅｔ３６００ＭＡＸを用いて材料噴射法により作製した。シリコン樹脂材料については、キーエンス製３Ｄプリンタ装置ＡＧＩＬＩＳＴＡ−３２００を用いて材料噴射法により作製した。ＣＩＰ成形用モールドの大径部と小径部の比率Ｄは０．６、大外径と小外径とのなす角θを２７度と設定して、図１に示す形状のＣＩＰ成形用モールドを作製した。

0043

作製されたＣＩＰ成形用モールド内の空洞に、トーホーテック製純チタン粉末ＴＣ−１５０（粒度幅４５−１５０μｍ、平均粒径９０μｍ）を充填し、ＣＩＰ処理を行った。ＣＩＰ処理は、日機装製冷間静水圧成形装置ＣＬ４−２２−６０を用いた。

0044

作製されたＣＩＰ成形用モールド内の空洞に純チタン粉末を充填し、タッピングし、ビニールテープで封じたものを真空パックし、真空パックした純チタン粉末充填品を、冷間静水圧成形装置にセットし、加圧した。約３００ＭＰａに到達したところで１分保持後、除圧し、チタン粉末充填品を冷間静水圧成形装置から取り出した。得られた成形体を大気圧、１３０℃で１５分間加熱し、軟化したＣＩＰ成形用モールドをカッター、ニッパー等を使用して除去して、圧粉体を得た。

0045

各材料及び各装置を用いて作製したＣＩＰ成形用モールドに対し、モールド厚さ誤差範囲指数α、β、γ、圧縮弾性率、ショアＤ硬さと、圧粉体密度（相対密度）を測定した。狙い厚さは３Ｄデータ作成時の厚さを用いた。ＣＩＰ成形用モールド１を長手方向に１０等分し（本実施例では１２ｍｍ間隔）、１０点の厚さをチックネスゲージで測定した。圧縮弾性率はＪＩＳ Ｋ７１８１（２０１１）に準拠して実施した測定結果より算出した。ショアＤ硬さはＪＩＳ Ｋ７２１５（１９８６）に準拠して測定した。圧粉体密度は、アルキメデス法で求めた密度／理論密度４．５１／ｃｍ3×１００から算出した。更に、得られた圧粉体の破断の有無を観察した。結果を表１に示す。

0046

0047

厚さ０．５〜１．５ｍｍの範囲外である厚さ１．７５ｍｍのＣＩＰ成形用モールドを作製した比較例１、２では、モールドを作製することはできたが、チタン又はチタン合金の圧粉体に破断が生じ、所望の圧粉体を作製することができなかった。圧縮弾性率及びショアＤ硬さが本発明の範囲外であるシリコン樹脂を用いた比較例３及び４では、ＣＩＰ成形用モールドを作製することもできなかった。比較例５では、モールドを作製することはできたが、強度不足により、ＣＩＰ処理時に粉末充填後の形状を維持することができなかった。一方、実施例１〜４では、いずれも相対密度８０％以上で破断のない圧粉体を作製することができた。

0048

１…ＣＩＰ成形用モールド
２…粉末供給口
３…空洞
１１…大径部
１２…小径部
１３…大径部
１４…頂部
１１１,１２１…外側面
１１２…端部