固溶有氮的钛粉末材料、钛材以及固溶有氮的钛粉末材料的制备方法技术

固溶有氮的钛粉末材料的制造方法以将由钛粉末粒子构成的钛粉末材料在含氮的气氛下加热并使氮原子固溶于钛粉末粒子的基质中为特征。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种钛粉末材料以及钛材，特别涉及一种固溶了氮的高强度钛粉末材料、钛材以及其制备方法。
技术介绍
钛是有着钢的大约1/2的低比重的轻量原材，具有耐腐蚀性和高强度优异的特征，因此，被利用于对轻量化有较高需求的飞机、铁路车辆、二轮车辆、汽车等的部件、家电产品或建筑用构件。另外，从优秀的耐腐蚀性的观点出发，也作为医疗用原材使用。但是，与钢铁材料或铝合金相比，由于钛的材料成本较高，因此，其使用对象受到了限制。特别是钛合金虽然具有超出1000MPa的较高的抗拉强度，但其存在没有充分的延展性(断裂伸长率)、以及缺少在常温或低温范围内的塑性加工性的问题。另一方面，纯钛在常温下具有超出25％的较高的断裂伸长率，并且在低温范围内具有优异的塑性加工性，但其存在抗拉强度为较低的400～600MPa左右的问题。由于对钛的高强度和高延展性的兼顾、以及材料成本的降低的要求十分强烈，因此进行了各种研究。特别是从低成本化的观点出发，作为现有技术，多数研究了基于氧、氮这样比较廉价的元素而不是钒、钪、铌等高价的元素进行的高强度化。例如，在日本金属学会会刊第72卷第12号(2008)949-954页(非专利文献1)记载了以《氮对钛的拉伸变形行为及变形组织发展的影响》为题、利用氮作为钛合金的合金元素的技术。具体来说，记载了以下内容，即，称量海绵钛以及钛粉末，使其成为规定的组成，通过电弧溶解制备具有各种氮浓度的Ti-N合金。在这种情况下，当氮原子均匀地固溶于Ti的基质中，则能够实现高强度和高延展性的兼顾。作为其他方法，还有向Ti熔融金属添加TiN粒子、在其凝固时使氮原子向Ti的基质中固溶的技术。在这种情况下，当氮原子均匀地固溶于Ti的基质中，则能够实现高强度和高延展性的兼顾。现有技术文献非专利文献非专利文献1：日本金属学会会刊第72卷第12号(2008)949-954页
技术实现思路
专利技术要解决的技术问题在现有的溶解制法(特别是向Ti熔融金属添加TiN粒子的方法)中，由于氮原子的扩散显著，氮原子在熔融金属的上部稠化，其结果，氮难以在大型铸块(ingot)中的均匀分散，延展性显著降低。本专利技术的目的在于提供一种能够使氮原子均匀地扩散且固溶在Ti粉末粒子的基质中的固溶有氮的钛粉末材料的制备方法。本专利技术的其他目的在于提供一种通过使氮原子均匀地扩散且固溶于Ti粉末粒子的基质中、而兼具高强度和高延展性的钛粉末材料以及钛材。解决技术问题的手段根据本专利技术的固溶有氮的钛粉末材料的制备方法，其特征在于，在含氮的气氛中加热由钛粉末粒子构成的钛粉末材料并使氮原子固溶于所述钛粉末粒子的基质中。使所述氮原子固溶于钛粉末粒子的基质中的加热温度优选为400℃以上且800℃以下。在通过上述方法制备的固溶有氮的钛粉末材料中，优选各钛粉末粒子的含氮量在质量基准下为0.1％～0.65％。另外，为了便于参考，在日本工业规格(JIS)中规定的4种纯钛的含氮量如下。JISH46001种：0.03质量％以下JISH46002种：0.03质量％以下JISH46003种：0.05质量％以下JISH46004种：0.05质量％以下钛材是通过使上述固溶有氮的钛粉末材料形成规定的形状的原材。在一实施形态中，钛材为纯Ti粉末挤出材，相对于挤出材整体的含氮量在质量基准下为0.1％～0.65％，断裂伸长率为10％以上。作为使固溶有氮的钛粉末材料固化并形成钛材的方法，例如有压粉成形·烧结、热挤出加工、热轧加工、喷镀、金属注塑成型、粉末层叠造型等。通过下述的内容说明上述特征的作用效果和技术性意义。附图说明图1是示意地表示本专利技术的特征的图；图2是表示通过差热热重分析装置的测定数据的图；图3是表示进行了氮固溶化热处理时的Ti衍射峰的变化的图；图4是表示通过结晶取向解析(SEM-EBSD)的测定结果的图；图5是表示应力和应变之间关系的图；图6是表示热处理的时间、氮量以及氧量之间关系的图；图7是表示含氮量和显微维氏硬度Hv之间关系的图；图8是表示氧气流量比率、氮量以及氧量之间关系的图。具体实施方式图1是示意地表示本专利技术的特征的图。首先，利用图1说明本专利技术的概要，之后再说明详细的数据等。[准备钛粉末材料]准备由大量的钛粉末粒子构成的钛粉末材料。在这里，“钛粉末粒子”可以是纯钛粉末粒子或钛合金粉末粒子的任意一者。[固溶化热处理]通过在含氮的气氛中加热并保持由钛粉末粒子构成的钛粉末材料，使氮原子均匀地向各钛粉末粒子的基质中扩散并固溶，得到作为最终目标的固溶有氮的钛粉末材料。加热条件例如为下述。加热气氛：100vol.％N2气体气体流量：5L/min.加热温度：400～600℃保持时间：1～2hr.通过上述固溶化热处理，氮原子均匀地扩散并固溶至各钛粉末粒子的基质中。在上述加热过程中，由于不会发生钛粉末之间的烧结现象，因此，也可以使用管状式加热炉(非旋转式)或旋转式回转窑炉的任意一者。按照上述那样得到的固溶有氮的钛粉末材料的固化，可以利用例如压粉成形·烧结、热挤出加工、热轧加工、喷镀、金属注塑成型、粉末层叠造型等。[通过差热热重分析装置(TG-DTA)验证]向炉内投入纯Ti原料粉末，以150mL/min.的流量流入氮气，在该状态下使温度从常温上升至800℃(1073K)，这时，能够确认重量从400℃(673K)附近开始增加，之后，伴随着温度的上升，重量显著增加。其结果如图2所示。在图2中，TG(Thermogravimetry)表示重量变化，DTA(DifferentialThermalAnalysis)表示发热·吸热行为。[含氮量及含氧量的测定]在以5L/min.的流量向管状加热炉内流入氮气的状态下，测定了在400℃(673K)、500℃(773K)、600℃(873K)的各温度下加热1小时纯Ti粉末后的含氮量及含氧量。其结果如表1所示。[表1]样本(Specimens)含氮量(质量％)含氧量(质量％)原料纯Ti粉末0.0180.270673Kfor1hr0.0410.276773Kfor1hr0.1290.275873Kfor1hr0.2920.290从表1能够明确得知，含氮量随着加热温度的增加而增大。但是，由于含氧量基本不发生变化，因此，加热过程中的Ti粉末的氧化被抑制。表1的结果与差热热重分析装置(TG-DTA)的结果非常一致，为了使氮原子固溶于Ti粉末的基质中，使加热温度为400℃(673K)以上较为理想。但是，当加热温度超过800℃时，Ti粉末之间部分地烧结，因此，800℃以下的加热温度较为理想。[通过衍射峰进行验证]图3是表示进行了氮固溶化热处理时的Ti衍射峰的变化的图。具体来说，进行了在管状加热炉内以5L/min.的流量流入氮气的状态下、以600℃(873K)的温度加热纯Ti粉末1小时、以及加热2小时后的Ti粉末的XRD(X射线衍射)分析。通过图3可以明确得知，当对纯钛原料粉末进行氮固溶化热处理时，Ti的衍射峰向低角度侧移动。这些峰值的移动表示了氮原子固溶于Ti的基底材料(基质)中。测定上述样本的含氧量及含氮量，其结果如表2所示。[表2]氮量(质量％)氧量(质量％)原料粉末0.0180.260加热1hr的粉末0.2900.263加热2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固溶有氮的钛粉末材料的制备方法，其特征在于，在含氮的气氛中加热由钛粉末粒子构成的钛粉末材料并使氮原子固溶于所述钛粉末粒子的基质中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.24 JP 2014-0113621.一种固溶有氮的钛粉末材料的制备方法，其特征在于，在含氮的气氛中加热由钛粉末粒子构成的钛粉末材料并使氮原子固溶于所述钛粉末粒子的基质中。2.根据权利要求1所述的固溶有氮的钛粉末材料的制备方法，其中，用于使所述氮原子固溶于钛粉末粒子的基质中的加热温度为400℃以上且800℃以...

【专利技术属性】
技术研发人员：近藤胜义，
申请(专利权)人：近藤胜义，株式会社海莱客思，
类型：发明
国别省市：日本;JP