特許 7177302 チタン系圧粉体の製造方法及び、チタン系焼結体の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-14

(45)【発行日】2022-11-22

(54)【発明の名称】チタン系圧粉体の製造方法及び、チタン系焼結体の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B22F 3/02 20060101AFI20221115BHJP

   B22F 3/15 20060101ALI20221115BHJP

   B22F 3/04 20060101ALI20221115BHJP

   C22C 1/04 20060101ALI20221115BHJP

   B33Y 80/00 20150101ALI20221115BHJP

   B29C 64/00 20170101ALI20221115BHJP

   C22C 14/00 20060101ALN20221115BHJP

   C22C 21/00 20060101ALN20221115BHJP

   B22F 1/00 20220101ALN20221115BHJP

【ＦＩ】

B22F3/02 T

B22F3/15 Z

B22F3/04 A

C22C1/04 E

B33Y80/00

B29C64/00

C22C14/00 Z

C22C21/00 Z

B22F1/00 R

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2022524725

(86)(22)【出願日】2022-01-05

(86)【国際出願番号】 JP2022000148

【審査請求日】2022-04-26

(31)【優先権主張番号】P 2021040624

(32)【優先日】2021-03-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】390007227

【氏名又は名称】東邦チタニウム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000523

【氏名又は名称】アクシス国際弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】早川 昌志

【審査官】藤長 千香子

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０２０／００１６６６１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平０７－０９０３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０５４３０３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／０５４３０６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－１０８５９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１７５２０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－３３０１０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－０６３３９９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２２Ｆ ５／１０

Ｃ２２Ｃ １４／００

Ｂ３３Ｙ １０／００

Ｂ２９Ｃ ６４／１０

Ｂ２２Ｆ ３／０２

Ｂ２２Ｆ ３／０４

Ｂ２２Ｆ ３／１０

Ｂ２２Ｆ ３／１５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

凹部を有するチタン系圧粉体を製造する方法であって、
前記チタン系圧粉体の前記凹部が、当該凹部の中心軸の少なくとも一部を含む断面の一つ以上にて、当該凹部の中心軸方向の少なくとも一部で幅が変化する形状、並びに／あるいは、当該凹部の中心軸の湾曲部分及び／又は屈曲部分を含む形状を有し、
樹脂製のモールドにおける前記凹部に対応する芯材配置スペース内に、硬化樹脂または粘土である芯材構成材料を流動させて充填し、前記凹部に対応する形状の芯材を配置する工程と、
前記モールドの成形空間に原料粉末を充填する工程と、
前記芯材配置スペース内に前記芯材が配置された状態で、前記成形空間に前記原料粉末を充填した前記モールドに対して３００ＭＰａ以上の静水圧加圧にて冷間等方圧加圧を行う工程とを含む、チタン系圧粉体の製造方法。

【請求項2】

前記チタン系圧粉体の前記凹部の内面が段差部を含み、
前記芯材配置スペースが段差を含む、請求項１に記載のチタン系圧粉体の製造方法。

【請求項3】

前記チタン系圧粉体の前記凹部が、前記断面の少なくとも一つにて、相対的に幅の広い広幅部と、前記広幅部に対して相対的に前記幅の狭い狭幅部とを含み、
前記芯材配置スペースが、前記凹部の前記広幅部を形成する広幅箇所と、前記凹部の前記狭幅部を形成する狭幅箇所とを有する、請求項１又は２に記載のチタン系圧粉体の製造方法。

【請求項4】

前記芯材構成材料として前記硬化樹脂を使用し、
前記芯材構成材料を前記芯材配置スペース内に充填したとき、芯材構成材料の少なくとも、芯材構成材料の注入に用いられた芯材配置スペースの開口に存在する表層部分を硬化させる、請求項１～３のいずれか一項に記載のチタン系圧粉体の製造方法。

【請求項5】

前記モールドとして、ショアＤ硬さが３０～１２０の範囲内である熱可塑性樹脂からなるモールドを用いる、請求項１～４のいずれか一項に記載のチタン系圧粉体の製造方法。

【請求項6】

前記モールドとして、三次元造形装置を用いて作製されたモールドを用いる、請求項１～５のいずれか一項に記載のチタン系圧粉体の製造方法。

【請求項7】

前記モールドとして、アクリル樹脂、エラストマーを含有するアクリル樹脂または、ポリ乳酸樹脂で形成されたモールドを用いる、請求項１～６のいずれか一項に記載のチタン系圧粉体の製造方法。

【請求項8】

前記冷間等方圧加圧で前記モールドに対して４００ＭＰａ以上の加圧力を作用させる、請求項１～７のいずれか一項に記載のチタン系圧粉体の製造方法。

【請求項9】

前記芯材構成材料として、湿気硬化型、乾燥硬化型又は光硬化型の硬化樹脂を用いる、請求項１～８のいずれか一項に記載のチタン系圧粉体の製造方法。

【請求項10】

前記冷間等方圧加圧を行う工程の後、前記芯材の流動性により、前記凹部内から前記芯材を排出させる、請求項１～９のいずれか一項に記載のチタン系圧粉体の製造方法。

【請求項11】

チタン系焼結体を製造する方法であって、
請求項１～１０のいずれか一項に記載のチタン系圧粉体の製造方法により製造されたチタン系圧粉体に対し、焼結及び／又は熱間等方圧加圧を行う工程を含む、チタン系焼結体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、チタン系圧粉体の製造方法及び、チタン系焼結体の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

たとえばチタンやチタン合金は、耐疲労性、耐食性、軽量かつ高い比強度といった所定の優れた特性の故に、種々の部品に用いることが検討されている。
しかるに、チタン又はチタン合金からなる部品を製造するには一般に、電子ビーム溶解や真空アーク溶解等による溶解、鋳造、場合によってはさらに熱間圧延、熱処理及び機械加工、溶接等の多数の工程を行う必要があり、それに伴って製造コストが嵩む。このような高コストに起因して、チタンやチタン合金の適用範囲が十分に広がっているとは言い難い。

【0003】

かかる状況の下、近年は、いわゆるニアネットシェイプとして、チタンを含む原料粉末を樹脂製のモールド内に充填して、当該原料粉末に対して冷間等方圧加圧を施し、所定の形状のチタン系圧粉体を得る粉末冶金法が注目されている。粉末冶金法では、冷間等方圧加圧の後、必要に応じて焼結及び／又は熱間等方圧加圧を施し、密度を高めることが行われる場合がある。

【0004】

これに関する技術として、特許文献１には、「原料粉末を充填したゴム型を金型内で一軸方向に加圧することにより該原料粉末の圧密成形体を成形する圧密成形体の製造方法において、前記加圧方向と略直角方向にある前記圧密成形体の外表面の一部が前記ゴム型に配設された高剛性型部材により形成されることを特徴とする圧密成形体の製造方法」が記載されている。

【0005】

また、特許文献２には、「素粉末混合法によって焼結チタン合金を製造する方法において、チタン粉末の代わりに、チタン粉末及び（Ｔｉ－Ｈ）合金粉末及び水素化チタン粉末を水素：チタンが質量比で０．００２以上で０．０３０未満となるように配合した粉末を原料粉末として使用することを特徴とする焼結チタン合金の製造方法」が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００１－１３１６０５号公報

【文献】特開平６－３３１６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、貫通孔又は非貫通の窪み等の凹部を有するチタン系圧粉体を、上述した粉末冶金法により製造するには、その凹部に対応する樹脂製のモールドの箇所に中子等の芯材を配置し、モールド内に充填した原料粉末に対して冷間等方圧加圧を行うことがある。そのような中子等の芯材として、特許文献１では、スチール製の円筒状部材である高剛性中子を用いている（段落００３５参照）。

【0008】

ここで、凹部が深さ方向の途中で幅が変化する形状や、凹部に湾曲部分ないし屈曲部分が存在する形状等の複雑な形状を有するチタン系圧粉体を製造する場合、使用する中子が高剛性中子では、原料粉末を充填する前のモールドの所定の箇所への前記中子の配置が困難になる場合がある。分割可能な構造の高剛性中子とすれば、ある程度の複雑な形状の凹部に対応することができるが、分割された中子は加圧成形中の位置ずれが生じうるので、凹部を所要の高い精度で形成できないことがある。また、チタン系粉末に冷間等方圧加圧を施す際は比較的大きな圧力をかける必要があり、分割された高剛性中子が位置ずれを起こしやすい。それ故に、チタン系圧粉体の凹部を形成する芯材としての高剛性中子は、凹部の形状の制約を受けて種々のチタン系圧粉体の製造に用いることができず、汎用性に乏しいといえる。

【0009】

特許文献２は、チタン系圧粉体の凹部等の具体的な形状や、モールドに配置する芯材について何ら着目されていない。

【0010】

この発明の目的は、比較的簡易な手法にて、ある程度複雑な形状の凹部を有するチタン系圧粉体を製造することができるチタン系圧粉体の製造方法及び、チタン系焼結体の製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

発明者は、樹脂製のモールドにおけるチタン系圧粉体の凹部に対応する芯材配置スペースに芯材を配置するに当り、芯材配置スペースに流し込むことができる芯材構成材料を用いることを案出した。このような流動性のある芯材構成材料であれば、芯材配置スペース内に十分に行き渡らせることができる。例えば、芯材配置スペースの開口部から芯材構成材料を注入し、芯材配置スペースの深部から開口部側に徐々に芯材構成材料が充填されるようにすれば、芯材配置スペース内で芯材構成材料が十分に行き渡って芯材（中子）となる。なお必要に応じて、冷間等方圧加圧前に開口部を閉じることにより、仮に冷間等方圧加圧時にも芯材構成材料が流動性を有する場合であっても、当該芯材構成材料を芯材として機能させることができる。この場合、冷間等方圧加圧時に芯材は樹脂製のモールド内の原料粉末の締固めに伴い適切に変形し得る。すなわち、分割した高剛性中子では各中子の接触部位のみ極端に移動しやすいため中子のずれが生じるが、流動性のある芯材構成材料ではこういった不具合を回避できる。これにより、チタン系圧粉体に複雑な形状の凹部を形成することが可能となる。

【0012】

この発明のチタン系圧粉体の製造方法は、凹部を有するチタン系圧粉体を製造する方法であって、前記チタン系圧粉体の前記凹部が、当該凹部の中心軸の少なくとも一部を含む断面の一つ以上にて、当該凹部の中心軸方向の少なくとも一部で幅が変化する形状、並びに／あるいは、当該凹部の中心軸の湾曲部分及び／又は屈曲部分を含む形状を有し、樹脂製のモールドにおける前記凹部に対応する芯材配置スペース内に、芯材構成材料を流動させて充填し、前記凹部に対応する形状の芯材を配置する工程と、前記モールドの成形空間に原料粉末を充填する工程と、前記芯材配置スペース内に前記芯材が配置された状態で、前記成形空間に前記原料粉末を充填した前記モールドに対して３００ＭＰａ以上の静水圧加圧にて冷間等方圧加圧を行う工程とを含むものである。

【0013】

上述したチタン系圧粉体の製造方法では、前記チタン系圧粉体の前記凹部の内面が段差部を含み、前記芯材配置スペースが段差を含むことがある。
また、上述したチタン系圧粉体の製造方法では、前記チタン系圧粉体の前記凹部が、前記断面の少なくとも一つにて、相対的に幅の広い広幅部と、前記広幅部に対して相対的に前記幅の狭い狭幅部とを含み、前記芯材配置スペースが、前記凹部の前記広幅部を形成する広幅箇所と、前記凹部の前記狭幅部を形成する狭幅箇所とを有することがある。

【0014】

この発明のチタン系圧粉体の製造方法では、前記芯材構成材料として、硬化樹脂または粘土を用いることが好ましい。
前記芯材構成材料として硬化樹脂を使用した場合、前記芯材構成材料を前記芯材配置スペース内に充填したとき、芯材構成材料の少なくとも、芯材構成材料の注入に用いられた芯材配置スペースの一端側の開口又は他端側の開口に存在する表層部分を硬化させることが好ましい。

【0015】

前記モールドとしては、ショアＤ硬さが３０～１２０の範囲内である熱可塑性樹脂からなるモールドを用いることが好ましい。
また、前記モールドとしては、三次元造形装置を用いて作製されたモールドを用いることが好ましい。
前記冷間等方圧加圧では、前記モールドに対して４００ＭＰａ以上の加圧力を作用させることが好ましい。

【0016】

この発明のチタン系焼結体の製造方法は、上記のいずれかのチタン系圧粉体の製造方法により製造されたチタン系圧粉体に対し、焼結及び／又は熱間等方圧加圧を行う工程を含むものである。

【発明の効果】

【0017】

この発明のチタン系圧粉体の製造方法によれば、比較的簡易な手法にて、ある程度複雑な形状の凹部を有するチタン系圧粉体を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】この発明の一の実施形態に係るチタン系圧粉体の製造方法に用いることができる樹脂製のモールドの一例を示す斜視図である。

【図2】図１のモールドの芯材配置スペースに芯材構成材料を流し込む状態を示す、モールドの中心軸に沿う断面図である。

【図3】図１のモールドを、図２の芯材構成材料により形成された芯材とともに示す断面図である。

【図4】図３のモールド及び芯材を用いて製造されるチタン系圧粉体を示す、凹部の中心軸に沿う断面図である。

【図5】図３のモールド及び芯材を用いて冷間等方圧加圧を行う状態を模式的に示す断面図である。

【図6】図５の冷間等方圧加圧により得られたチタン系圧粉体を、芯材及びモールドの一部を取り除く前の状態で示す断面図である。

【図7】樹脂製のモールドの他の例を示す断面図である。

【図8】樹脂製のモールドの他の例を示す断面図である。

【図9】樹脂製のモールドの他の例を示す断面図である。

【図10】樹脂製のモールドの他の例を示す断面図である。

【図11】樹脂製のモールドの他の例を示す断面図である。

【図12】樹脂製のモールドの他の例を示す断面図である。

【図13】樹脂製のモールドの他の例を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下に図面を参照しながら、この発明の実施の形態について詳細に説明する。
この発明の一の実施形態に係るチタン系圧粉体の製造方法は、たとえば、図１～３に示すような樹脂製のモールド１及び、芯材１１を用いて、モールド１の成形空間２に原料粉末を充填して冷間等方圧加圧を行う工程を含み、たとえば図４に示すようなチタン系圧粉体１０１を製造するというものである。ここでいう「チタン系」には、純チタンからなるチタン製だけでなくチタン合金製も含まれるものとする。

【0020】

図４に示すチタン系圧粉体１０１は、全体としてほぼ円筒状の形状を有するとともに、外表面（図４では上方側及び下方側の各端面）に開口部１０２ａ、１０２ｂを有する凹部１０２が形成されている。

【0021】

チタン系圧粉体１０１に形成する凹部１０２は、この例では、当該凹部１０２の中心軸Ｃｃの少なくとも一部を含む断面にて、図４の上下方向と一致する当該凹部１０２の中心軸Ｃｃに沿う方向（「中心軸方向」ともいう。）の少なくとも一部で、その中心軸Ｃｃに直交する幅が変化する形状を有する。より詳細には、この凹部１０２は、図４の下方側である一端面の開口部１０２ａ側では幅Ｗａを有するが、上方側である他端面の開口部１０２ｂ側に向かう途中で内面の段差部１０２ｃを介して幅が減少し、他端面側の開口部１０２ｂでは幅Ｗｂになる。つまり、凹部１０２はこの断面にて、一端面の開口部１０２ａと段差部１０２ｃとの間の、幅Ｗａで相対的に幅が広い広幅部１０２ｄと、他端面の開口部１０２ｂと段差部１０２ｃとの間の、幅Ｗｂを有して広幅部１０２ｄに比して相対的に幅が狭い狭幅部１０２ｅとを含むものである。但し、後述するように、凹部の形状はこれに限らず、チタン系圧粉体の用途等に応じて適宜変更され得る。

【0022】

このような複雑な形状の凹部１０２を有するチタン系圧粉体１０１を製造するため、冷間等方圧加圧で用いるモールド１は、当該チタン系圧粉体１０１の形状に対応する形状の成形空間２を有する。このモールド１は、チタン系圧粉体１０１の外周面に整合する内周面を有する円筒状の外筒壁部３と、外側で外筒壁部３との間に成形空間２が区画されるとともに内側に芯材配置スペース５ａを区画する内筒壁部５と、外筒壁部３の一端部（図２では下端部）に設けられ、その一端部側で外筒壁部３と内筒壁部５とを連結する円環状の環状壁部４とを備えるものである。

【0023】

モールド１の内筒壁部５の内側には、先述したチタン系圧粉体１０１の凹部１０２の形状に対応する芯材配置スペース５ａが区画されている。芯材配置スペース５ａは、この例では、図示の断面にて、芯材配置スペース５ａの中心軸Ｃｍに直交する幅が段差を介して変化する形状であり、中心軸Ｃｍの方向で外筒壁部３の一端部側に位置して凹部１０２の広幅部１０２ｄを形成する広幅箇所と、広幅箇所に隣接して他端部側（図２では上端部）に位置し、凹部１０２の狭幅部１０２ｅを形成する狭幅箇所とを有する。なお、芯材配置スペース５ａの中心軸Ｃｍや、先述した凹部１０２の中心軸Ｃｃは、内筒壁部５の内側の芯材配置スペース５ａ又は、チタン系圧粉体１０１の内部の凹部１０２の延びる方向に沿っており、当該中心軸Ｃｍ又はＣｃに直交する断面で、芯材配置スペース５ａ又は凹部１０２の中心ないし図心を通るものとする。

【0024】

かかる芯材配置スペース５ａでは、高剛性中子は、配置が困難であることや、チタン系圧粉体１０１の凹部１０２を高精度に形成できないこと等の理由より適切に使用できない場合がある。例えば、ステンレス鋼等の融点が相当に高くかつ高剛性の材質の中子は、冷間等方圧加圧の際に変形しにくいため位置ずれを起こすおそれがある。中子が位置ずれを起こすとチタン系圧粉体の凹部は所望の形状に成形できない。

【0025】

これに対し、この実施形態では、図２に示すように、たとえば、流動性を有する芯材構成材料が入っている注入器具１１１等からモールド１の芯材配置スペース５ａ内に、芯材構成材料を流動させて充填する。このとき、内筒壁部５の芯材配置スペース５ａの一端側の開口又は他端側の開口のいずれか一方（図２では下方側である一端側の開口）を、板状等の密閉部材６ａで予め密閉しておき、他方の開口（図２では上方側である他端側の開口）から芯材構成材料を流し込むことができる。またたとえば、芯材構成材料が後述の硬化樹脂または粘土のいずれであっても、当該芯材構成材料を芯材配置スペース５ａ内に押し込んだりすること等により充填することが可能である。このように芯材構成材料を流動させて充填することにより、図３に示すように、モールド１の芯材配置スペース５ａ内に、凹部１０２の形状に対応する芯材１１を配置することができる。

【0026】

モールド１の芯材配置スペース５ａ内への芯材１１の配置前又は配置後、モールド１の成形空間２に原料粉末を充填し、モールド１の外筒壁部３の他端部を円盤状部材６ｂで密閉する。芯材配置スペース５ａ内に芯材１１を配置する工程と、モールド１の成形空間２に原料粉末を充填する工程を行う順序の先後は問わず、いずれの工程を先に行ってもよい。そして、芯材配置スペース５ａ内に芯材１１が配置された状態で、図示しない冷間等方圧加圧装置の内部にて、図５に示すように、モールド１の外側からモールド１を加圧し、原料粉末を圧縮させる冷間等方圧加圧（ＣＩＰ）を行う。なおここでは、密閉部材６ａ及び円盤状部材６ｂはモールド１の一部を構成するものとする。

【0027】

冷間等方圧加圧でモールド１に作用させる加圧力は、３００ＭＰａ以上とし、好ましくは４００ＭＰａ以上である。加圧力を３００ＭＰａ未満にすると、原料粉末が十分に圧縮されず、チタン系圧粉体の凹部内の形状精度が不十分となる。なお加圧力は、たとえば６００ＭＰａ以下、典型的には５００ＭＰａ以下とすることがある。また、そのような加圧力での保持時間は、たとえば０．５分～３０分とする場合がある。冷間等方圧加圧により、モールド１の成形空間２の原料粉末は加圧されて締め固められ、チタン系圧粉体１０１になる。
なお、冷間等方圧加圧では、モールド１は、その周囲の流体により等方圧（静水圧）で加圧される。そのため、冷間等方圧加圧によると、種々の形状のモールド１を用いてチタン系圧粉体１０１を製造することができる。またここでは、芯材配置スペース５ａ内に充填されて芯材１１を構成する芯材構成材料は、上記の流体による等方圧の作用に際し、原料粉末及びモールド１に追従して変形できるので、芯材配置スペース５ａを様々な任意の形状にすることができる。その結果、多様な形状の凹部１０２を有するチタン系圧粉体１０１を製造することができる。

【0028】

冷間等方圧加圧で加圧した後は、冷間等方圧加圧装置からチタン系圧粉体１０１をモールド１及び芯材１１とともに取り出す。その後、チタン系圧粉体１０１の周囲の外筒壁部３、環状壁部４、密閉部材６ａ及び円盤状部材６ｂを除去し、図６に示すように、チタン系圧粉体１０１の凹部１０２内の芯材１１及び内筒壁部５を取り出す。外筒壁部３等を除去する前に芯材１１を取り出してもよい。これにより、チタン系圧粉体１０１を製造することができる。

【0029】

チタン系焼結体を製造する場合、冷間等方圧加圧の後に、チタン系圧粉体１０１に対し、焼結及び／又は熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）を行う工程が含まれる。焼結では、チタン系圧粉体１０１の材質に応じて、たとえば１２００℃～１３００℃の温度にて１時間～３時間にわたって、チタン系圧粉体１０１を加熱することができる。熱間等方圧加圧では、たとえば、８００℃～１０００℃の温度にて、チタン系圧粉体１０１に対し、アルゴンガス等の圧力媒体により１００ＭＰａ～２００ＭＰａ程度の等方圧を３０分～９０分にわたって作用させることができる。これにより、チタン系焼結体を製造することができる。なお、熱間等方圧加圧では一般に、高温で処理することから焼結が進行する。それ故に、ここでは、チタン系圧粉体１０１に対して熱間等方圧加圧のみを行って得られたものについても、チタン系焼結体という。焼結及び熱間等方圧加圧の両方を行う場合は、その順序は特に問わないが、たとえば焼結の後に熱間等方圧加圧を行うことができる。

【0030】

上述したような製造方法で用いる芯材構成材料は、少なくとも芯材配置スペース５ａ内への充填時に流動性を有する材料とする。仮に芯材構成材料が芯材配置スペース５ａ内への充填時のみならず、冷間等方圧加圧後も流動性を有するような材料である場合、芯材１１は、チタン系圧粉体１０１の凹部１０２内から流出させることにより容易に取り出すことができる。

【0031】

より具体的には、芯材構成材料は、油性コーキング材等の非硬化樹脂とすることも可能であるが、湿気硬化型、乾燥硬化型、混合反応硬化型又は光硬化型等の硬化樹脂や粘土とすることが好ましい。このような硬化樹脂や粘土を使用することにより、芯材配置スペース５ａ内への充填時は流動性を示しつつ、その後に硬化して冷間等方圧加圧時は、芯材１１に求められる所要の特性が発揮されやすくなる。空気中の水分等と反応して硬化する湿気硬化樹脂としては、たとえば、シリコーン系、変成シリコーン系、ポリウレタン系、ポリサルファイド系等を挙げることができる。乾燥硬化樹脂は、溶剤や水が揮発して乾燥することにより硬化するものであり、たとえば、アクリル系、ブチルゴム系等がある。混合反応硬化樹脂は、主剤と硬化剤との混合による化学反応で硬化するものであり、たとえば、変成シリコーン系、ポリウレタン系、ポリサルファイド系、シリコーン系、ポリイソブチレン等が挙げられる。光硬化樹脂は、紫外線等の特定の波長の光が照射されることにより硬化するものであり、ラジカル重合型のアクリレート系光硬化樹脂、カチオン重合型のエポキシ系光硬化樹脂等がある。なかでもシリコーン系の湿気硬化樹脂（シリコーン樹脂、シリコーンシーラント等）は、湿気にさらされる部位が容易かつ迅速に硬化するので芯材構成材料として特に好ましく、また価格面からも好適である。粘土とは、土、砂、油脂、パルプ等を含み所定の粘着性を有する人工もしくは自然の土又は粒子の集合体であり、たとえば油粘土や紙粘土等を使用可能である。
芯材構成材料は単独で使用してもよいし、複数を同時に使用してもよい。また、一つのモールドに複数の芯材配置スペースが存在する場合、各芯材配置スペースに使用される芯材構成材料は同一でもよいし、互いに異なっていてもよい。

【0032】

芯材構成材料を上述したような硬化樹脂とした場合、芯材配置スペース５ａ内に充填したときに、芯材構成材料の少なくとも、芯材構成材料の注入に用いられた芯材配置スペース５ａの一端側の開口又は他端側の開口に存在する表層部分を硬化させることが好適である。湿気硬化型や乾燥硬化型の硬化樹脂はこのような表層部分硬化に対応でき好適である。芯材配置スペース５ａ内の芯材構成材料の少なくとも表層部分を硬化させることにより、その一端側の開口又は他端側の開口を円盤状部材６ｂ等で密閉するまでの間の、芯材配置スペース５ａ内からの芯材構成材料の漏出を抑制することができる。なお、円盤状部材６ｂを用いなくとも開口を適切に閉じることができる場合もある。また、芯材構成材料の表層部分だけを硬化させた場合は、冷間等方圧加圧後、当該表層部分を剥がすことにより、凹部１０２内から芯材１１の流動性を利用して排出させることができるので、芯材１１の取出しが容易になる。芯材配置スペース５ａ内に充填した後の芯材構成材料の表層部分の硬化は、その芯材構成材料を構成する硬化樹脂の種類に応じた適切な態様にて行うことができる。なお、シリコーン系や変成シリコーン系の湿気硬化樹脂には、芯材配置スペース５ａ内へ充填したときから、空気との接触により１時間～２時間程度で表層部分が硬化するものがある。芯材構成材料の表層部分は、一端側の開口又は他端側の開口から、中心軸Ｃｍの方向に沿って芯材配置スペース５ａの内部に３ｍｍの距離の深さまでの部分とすることができる。
芯材構成材料を上述したような粘土とした場合、芯材配置スペース５ａへの充填時には適切な流動性を示し、充填後には適切な粘性を示して凹部１０２内に粘土が残留する。このため、粘土を充填した芯材配置スペース５ａの開口を閉じるための特段の手段をしなくてもよい場合がある他、ビニールテープ等で開口を覆うというような簡便な処置を施すだけで冷間等方圧加圧に供することができる。

【0033】

芯材１１が配置される樹脂製のモールド１は、好ましくは熱可塑性樹脂製とし、特にアクリル樹脂、エラストマーを含有するアクリル樹脂、ポリ乳酸（ＰＬＡ）樹脂等で形成されたものとすることが好適である。樹脂製のモールド１は、所要の強度を確保して原料粉末の充填時にもその形状を維持するため、ショアＤ硬さが３０～１２０の範囲内である熱可塑性樹脂からなることが好ましく、３０～８５の範囲内である熱可塑性樹脂としてもよい。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。また同様の観点から、樹脂製のモールド１の厚みは、０．５ｍｍ～２．０ｍｍであるものとすることが好ましい。

【0034】

樹脂製のモールド１は種々の方法により作製することが可能であるが、三次元造形装置（いわゆる３Ｄプリンタ）を用いて作製されたものであることが好ましい。これにより、様々な形状のモールド１を容易に作製することができる。三次元造形装置の造形方式は特に問わず、たとえば光造形方式、インクジェット方式、インクジェット粉末積層方式、粉末焼結積層造形方式、熱溶解積層方式又は粉末固着方式等のいずれであってもよい。

【0035】

図１～３に示すモールド１の他、たとえば、図７～１３に例示するモールド２１、３１、４１、５１、６１、７１、８１とすることもできる。

【0036】

図７、８のモールド２１、３１により製造されるチタン系圧粉体の凹部は、チタン系圧粉体の外表面上での凹部の開口部を含む平面に直交する断面にて、凹部の中心軸方向の少なくとも一部で幅が変化する形状を有するものであり、図１～３のモールド１によるチタン系圧粉体の１０１の凹部１０２とは、その幅の変化の態様が異なるものになる。

【0037】

図７のモールド２１では、内筒壁部２５の内側に区画される芯材配置スペース２５ａが、外筒壁部２３の一端部側及び他端部側のそれぞれに位置して開口する広幅箇所と、該広幅箇所に対して相対的に幅が狭く、それらの広幅箇所の間に設けられた狭幅箇所とを有する。広幅箇所のそれぞれと狭幅箇所とは段差を介して連通されている。これにより、図７のモールド２１により成形されるチタン系圧粉体は、一端面側及び他端面側の各開口部でそれぞれ開口する広幅部と、各広幅部との間にて内面の段差部で幅が狭くなり、それらの広幅部間に延びる狭幅部とを含むものとなる。

【0038】

図８のモールド３１では、内筒壁部３５はその内側に、中心軸Ｃｍの方向のほぼ中央域に設けられた広幅箇所と、中心軸Ｃｍの方向で、その広幅箇所を隔てて外筒壁部３３の一端部側及び他端部側の両側に位置してそれぞれ開口する狭幅箇所とを有する芯材配置スペース３５ａが区画されている。このモールド３１によるチタン系圧粉体の凹部は、一端面側及び他端面側の各開口部につながる狭幅部と、それらの狭幅部間の中心軸方向の中央域あたりで内面の段差部を介して幅が増大する広幅部とを含むものになる。

【0039】

図９のモールド４１で成形されるチタン系圧粉体も、凹部が中心軸方向の少なくとも一部で幅が変化する形状を有するものであるが、この凹部は、一端面側の開口部から他端面側の開口部に向かうに従って幅が漸減するテーパ状になる。この凹部も、一端面側の開口部側の相対的に幅が広い広幅部と、他端面側の開口部の相対的に幅が狭い狭幅部とを含むものであるといえる。これに応じてモールド４１の内筒壁部４５は、外筒壁部４３の一端部側から他端部側にかけて幅が次第に減少する芯材配置スペース４５ａを有する。

【0040】

図１０に示すモールド５１は、一定の幅を有する芯材配置スペース５５ａの中心軸Ｃｍが一端部側と他端部側との間にて、三か所で幅方向（図１０の左右方向）の外側に突き出る向きに交互に曲がって蛇行している。これにより成形されるチタン系圧粉体の凹部は、凹部の中心軸の湾曲部分を含む形状になる。
図１１のモールド６１では、芯材配置スペース６５ａが一定の幅にて、一端部から他端部に至る途中の二箇所で直角に折れ曲がるクランク状のような中心軸Ｃｍを有する。このモールド６１で成形可能なチタン系圧粉体の凹部は、中心軸の二箇所の屈曲部分を含むものになる。
なお、図１０や図１１の湾曲部分や屈曲部分の個数や、曲率ないし角度その他の態様は、適宜変更することが可能である。

【0041】

上述したところでは、一端面側の開口部から他端面側の開口部まで延びる貫通孔状の凹部を有するチタン系圧粉体を製造するモールドについて説明したが、図１２のモールド７１は、それらとは異なり、非貫通の窪み状の凹部を有するチタン系圧粉体を製造するものである。このモールド７１は、芯材配置スペース７５ａが図示の断面にて、外筒壁部７３の一端部側で環状壁部７４から窪むものであって、外筒壁部７３の一端部側の幅が広い広幅箇所と、最深部の幅方向中央を隔てた両端側の狭幅箇所とを有するものである。モールド７１によるチタン系圧粉体の凹部は、最深部で幅が変化するものになり、一端面側の開口部に連通する広幅部と、最深部の幅方向両端側の狭幅部とを含む。このチタン系圧粉体は、凹部が最深部の手前で中心軸の屈曲部分を含むものであるともいえる。

【0042】

図１３に示すモールド８１は、芯材配置スペース８５ａが、外筒壁部８３の一端部側から他端部側まで貫通するとともに、その途中に幅方向に延びて外筒壁部８３に開口するものである。この芯材配置スペース８５ａでは、幅方向に延びる箇所を、中心軸Ｃｍに直交する方向の幅が広い広幅箇所とみなすことができる他、中心軸Ｃｍが直角に折れ曲がる屈曲箇所ということもできる。モールド８１で成形されるチタン系圧粉体の凹部は、一端面側の開口部及び他端面側の開口部のそれぞれにつながる狭幅部と、それらの狭幅部の間で段差を介して幅方向に延びて外周面に開口する広幅部とを有するものとなる。また、当該凹部は、狭幅部から広幅部に移行する部分に、中心軸の屈曲部分を含む形状になる。

【0043】

上述したように、チタン系圧粉体に設ける凹部は、貫通孔状又は、底を有する非貫通の窪み状等とすることができる。また、チタン系圧粉体の凹部の個数は一個とする場合に限らず、複数個とすることもできる。

【0044】

なおチタン系圧粉体は、例えば中心軸に沿って切断すると特定の断面が得られ、また例えば、チタン系圧粉体を中心軸周りに回転させた所定の位置で中心軸に沿って切断すると、上記の特定の断面とは異なる断面が得られる。このようにチタン系圧粉体は、切断する位置に応じた多数の断面が存在する。そして、それらの断面は互いに異なる断面形状になることがある。この場合、多数の断面のうちの少なくとも一つにて、上述した例のように、凹部の中心軸方向の少なくとも一部で幅が変化する形状、並びに／あるいは、当該凹部の中心軸の湾曲部分及び／又は屈曲部分を含む形状を有するものであれば、この発明に含まれる。そのような凹部は複雑な形状であり、当該凹部を有するチタン系圧粉体を製造するには、この発明の実施形態のように、モールドの芯材配置スペース内に芯材構成材料を流動させて充填することが有効である。

【0045】

以上に述べた方法でチタン系圧粉体もしくはチタン系焼結体を製造する場合、原料粉末として、純チタン粉末、合金元素粉末、母合金粉末等の様々な粉末を、必要に応じて組み合わせて用いることができる。ここでいう純チタン粉末は主としてチタンを含む粉末、合金元素粉末はチタン合金等の合金元素を単独で含む粉末、母合金粉末は複数の元素を含む粉末をそれぞれ意味する。純チタン粉末は、チタンの他、５質量％以下の水素を含む場合がある。原料粉末は、たとえば、純チタン粉末のみとすることができる他、純チタン粉末に、鉄、アルミニウム、バナジウム、ジルコニウム、錫、モリブデン、銅及びニッケルからなる群から選択される一種の合金元素粉末及び／又は、それらの二種以上の元素を含む母合金粉末を混合させたものとしてもよい。あるいは、チタンと合金元素を含む粉末を原料粉末とすることも可能である。なお、純チタンとは、金属元素としてのチタン含有量が９９質量％以上であることが好ましい。原料粉末における金属の質量比はチタン：合金元素＝１００：０～７５：２５とすることができ、チタン：合金元素＝９０：１０とすることができる。

【0046】

原料粉末の平均粒径は、１０μｍ～１５０μｍとすることが好ましい。このように比較的微細な粒子を使用することにより、冷間等方圧加圧後のチタン系圧粉体、さらには焼結又は熱間等方圧加圧後のチタン系焼結体の圧縮密度を向上させることができる。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）を意味する。
原料粉末には、粉砕粉末やアトマイズ粉末等の公知の粉末を使用可能である。

【0047】

このような原料粉末を用いることにより、たとえば、純チタンからなるチタン製、又は、Ｔｉ－５Ａｌ－１Ｆｅ、Ｔｉ－５Ａｌ－２Ｆｅ、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ、Ｔｉ－６Ａｌ－６Ｖ－２Ｓｎ、Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｓｎ－４Ｚｒ－２Ｍｏ、Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｓｎ－４Ｚｒ－６Ｍｏもしくは、Ｔｉ－１０Ｖ－２Ｆｅ－３Ａｌ等からなるチタン合金製のチタン系圧粉体、チタン系焼結体が製造され得る。また、Ｔｉ－３Ａｌ－２．５Ｖ等からなるチタン合金製のチタン系圧粉体、チタン系焼結体が製造され得る。なお、上記において、各合金金属の前に付されている数字は、含有量（質量％）を指す。例えば、「Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ」とは、合金金属としては、６質量％のＡｌと４質量％のＶとを含有するチタン合金を指す。

【実施例】

【0048】

次に、この発明のチタン系圧粉体を試験的に製造したので以下に説明する。但し、ここでの説明は単なる例示を目的とするものであり、これに限定されることを意図するものではない。

【0049】

＜試験例１＞
（製造方法）
３Ｄプリンタを用いて、外輪郭が円柱状で図１１に示す形状を有するモールドを造形した。モールドを構成する樹脂材料は、ポリ乳酸（ＰＬＡ）とし、ショアＤ硬さが８３であった。モールドの厚みは１ｍｍとした。モールドに設けた芯材配置スペースは、図１１に示すように、同図の断面で、モールドの一端部から他端部に至る途中の二箇所で折れ曲がるクランク状とした。この芯材配置スペースは、一辺の長さが１５ｍｍの正方形状の開口部を有し、その中心軸に直交する断面形状が、一端部から他端部までのいずれの位置においても矩形状であった。モールドの円筒状の外筒壁部の外径は６２ｍｍとした。

【0050】

このモールドを用いて、芯材配置スペースに芯材を配置し、成形空間に原料粉末を充填した後に成形空間を密閉し、静水圧加圧にて冷間等方圧加圧（ＣＩＰ）を行った。なお原料粉末には、トーホーテック株式会社製のＨＤＨ純チタン粉末ＴＣ－１５０（Ｄ５０＝６６μｍ）を用いた。実施例１～６及び比較例１～６の条件を表１に示す。

【0051】

【表1】

【0052】

実施例１～６及び比較例１～３では、モールドの一端部（図１１の下端部）側の端面にＰＬＡ製シートを貼り付けて、芯材配置スペースの一端部側の開口を塞いだ状態で、他端部（図１１の上端部）側の開口から芯材配置スペース内に、所定の芯材構成材料を流動させて充填し、芯材を構成した。芯材として、実施例１及び２ならびに比較例１では湿気硬化型樹脂であるシリコーンシーラント（セメダイン株式会社製、セメダイン８０００シリコーンシーラント）を使用し、実施例３及び４ならびに比較例２では粘土（関東器材工業株式会社製、エアコンパテ）を使用し、実施例５及び６ならびに比較例３では混合反応硬化型のシリコーン樹脂（信越化学工業株式会社製ＫＥ－１２）を使用した。
比較例４～６では、芯材としてのＳＵＳ製の中子及び、分割モールドを用いた。より詳細には、モールドを図１１に示す断面に沿って分割した分割モールドとし、分割モールドの一方の半部における芯材配置スペースに中子を配置した後、その一方の半部に他方の半部を合わせて他方の半部の芯材配置スペースに上記の中子を嵌め込み、半部どうしを接着した。なお、比較例４～６では中子は三分割されたＳＵＳ製の角柱材を組み合わせて使用したため、前記接着後モールドの開口部を、ＰＬＡ製シートを貼り付けて閉じた。

【0053】

冷間等方圧加圧による加圧時間は、いずれの実施例１～６及び比較例１～６でも１分とした。

【0054】

（評価）
モールドの芯材配置スペースへの芯材の配置の容易さについて、所定の芯材構成材料を用いた実施例１～６及び比較例１～３では容易であったが、ＳＵＳ製の中子を用いた比較例４～６では、モールドを分割しなければ中子を配置できなかった。よって、比較例４～６は、実施例１～６及び比較例１～３に対し中子の配置のしやすさが大きく劣る結果となった。すなわち、中子の配置のしやすさの評価では、比較例４～６は不合格、実施例１～６及び比較例１～３は合格であった。

【0055】

実施例１～６及び比較例１～６のそれぞれにより得られた各チタン系圧粉体の外観（凹部内面を含まない外表面の様子）を観察した。その結果を表１に示す。ここで、「◎」は、ひびも割れも無かったことを意味する。「〇」は、当該外表面の端部に欠けがあったが、外表面の主要な部分に目立った割れがなかったことを意味する。「×」は、ひびまたは割れがあったことを意味する。表１から解かるように、比較例４のチタン系圧粉体を除き、概ね良好な外観であった。

【0056】

実施例１～６及び比較例１～６のそれぞれについて、ＣＩＰ後のチタン系圧粉体からの芯材の取出し性を評価した。その結果を表１に示す。
なお、芯材を使用せずに圧粉体を成形する通常のプロセスでは、ＣＩＰ後のサンプルを約１００℃で加熱してモールドを軟化・除去して圧粉体を得る。一方、実施例１～６及び比較例１～６では、芯材を使用したことから、その芯材の材質によって、モールドを除去するとともに該芯材を取り出す工程が必要となり、その取出しに要する負荷が実施例及び比較例のそれぞれで異なっていた。
表１中、「◎」は、モールドの除去と同時に芯材を取り出せたことを意味する。このような芯材取出しの容易さは、チタン系圧粉体の成形後も芯材が流動性を有することに起因する。「〇」は、ある程度の芯材を取り出してから、モールドを剥がすという二段階の工程を経て圧粉体が得られたことを意味する。ある程度の芯材を取り出さないとモールドを剥がせない理由は、配置時には流動性を有していた芯材が完全に硬化したことによるものであった。「×」は、圧粉体の形状を維持しつつ芯材を取り出すことが不可能であったことを意味する。なお、実施例５及び６ならびに比較例３では、芯材内部が完全に硬化していたため、取出し性が「〇」となった。

【0057】

凹部の成形性を評価するため、各チタン系圧粉体を、図１１に示す断面が現れるように中心軸に沿って切断し、凹部の折れ曲がり箇所を形作る角部が、所期したとおりの直角に形成されているかどうかを確認した。表１中、「〇」は、角部が直角であったことを意味し、「×」は、角部に欠けがあるか又は面取りされた形状になっていたことを意味する。表１に示すように、実施例１～６のチタン系圧粉体はいずれも、角部が良好であった。一方、比較例１～６のチタン系圧粉体は、角部に欠けがあり又は面取りがなされていた。比較例４～６は、チタン系圧粉体を解体しなければ芯材を分離できなかったので、チタン系圧粉体の製造において所望する凹部の形成に失敗した例であるとも言える。

【0058】

＜試験例２＞
原料粉末として、上記のＨＤＨ純チタン粉末と、６０Ａｌ－４０Ｖの母合金粉末（Ｄ５０＝５５μｍ、粉砕粉末）とを９：１の質量比で混合させた混合粉末を用いて、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ製のチタン系圧粉体を製造した。他の製造条件は、実施例２と同様とした。このチタン系圧粉体について、試験例１と同様にして外観、芯材取出し性及び、凹部の成形性を評価した結果、実施例２と同様に、外観は「◎」、芯材取出し性は「◎」、凹部の成形性は「〇」であった。

【0059】

また、原料粉末として、上記のＨＤＨ純チタン粉末と、アルミニウム製のアトマイズ粉末（Ｄ５０＝３０μｍ）と、鉄製の球状粉末（Ｄ５０＝３０μｍ）とを９４：５：１の質量比で混合させた混合粉末を用いて、Ｔｉ－５Ａｌ－１Ｆｅ製のチタン系圧粉体を製造した。他の製造条件は、実施例２と同様とした。このチタン系圧粉体について、試験例１と同様にして外観、芯材取出し性及び、凹部の成形性を評価した結果、実施例２と同様に、外観は「◎」、芯材取出し性は「◎」、凹部の成形性は「〇」であった。

【符号の説明】

【0060】

１、２１、３１、４１、５１、６１、７１、８１ モールド
２、２２、３２、４２、５２、６２、７２、８２ 成形空間
３、２３、３３、４３、５３、６３、７３、８３ 外筒壁部
４、２４、３４、４４、５４、６４、７４、８４ 環状壁部
５、２５、３５、４５、５５、６５、７５、８５ 内筒壁部
５ａ、２５ａ、３５ａ、４５ａ、５５ａ、６５ａ、７５ａ、８５ａ 芯材配置スペース
６ａ 密閉部材
６ｂ 円盤状部材
１１ 芯材
１０１ チタン系圧粉体
１０２ 凹部
１０２ａ、１０２ｂ 開口部
１０２ｃ 段差部
１０２ｄ 広幅部
１０２ｅ 狭幅部
１１１ 注入器具
Ｃｍ 芯材配置スペースの中心軸
Ｃｃ 凹部の中心軸
Ｗａ、Ｗｂ 幅

【要約】

この発明のチタン系圧粉体の製造方法は、凹部１０２を有するチタン系圧粉体１０１を製造する方法であって、前記チタン系圧粉体１０１の前記凹部１０２が、当該凹部１０２の中心軸Ｃｃの少なくとも一部を含む断面の一つ以上にて、当該凹部１０２の中心軸方向の少なくとも一部で幅が変化する形状、並びに／あるいは、当該凹部１０２の中心軸Ｃｃの湾曲部分及び／又は屈曲部分を含む形状を有し、樹脂製のモールド１における前記凹部１０２に対応する芯材配置スペース５ａ内に、芯材構成材料を流動させて充填し、前記凹部１０２に対応する形状の芯材１１を配置する工程と、前記モールド１の成形空間２に原料粉末を充填する工程と、前記芯材配置スペース５ａ内に前記芯材１１が配置された状態で、前記成形空間２に前記原料粉末を充填した前記モールド１に対して３００ＭＰａ以上の静水圧加圧にて冷間等方圧加圧を行う工程とを含むものである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】