固溶有氮的鈦粉末材料、鈦材以及固溶有氮的鈦粉末材料的制備方法技術(shù)

固溶有氮的鈦粉末材料的制造方法以將由鈦粉末粒子構(gòu)成的鈦粉末材料在含氮的氣氛下加熱并使氮原子固溶于鈦粉末粒子的基質(zhì)中為特征。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)涉及一種鈦粉末材料以及鈦材，特別涉及一種固溶了氮的高強度鈦粉末材料、鈦材以及其制備方法。
技術(shù)介紹
鈦是有著鋼的大約1/2的低比重的輕量原材，具有耐腐蝕性和高強度優(yōu)異的特征，因此，被利用于對輕量化有較高需求的飛機、鐵路車輛、二輪車輛、汽車等的部件、家電產(chǎn)品或建筑用構(gòu)件。另外，從優(yōu)秀的耐腐蝕性的觀點出發(fā)，也作為醫(yī)療用原材使用。但是，與鋼鐵材料或鋁合金相比，由于鈦的材料成本較高，因此，其使用對象受到了限制。特別是鈦合金雖然具有超出1000MPa的較高的抗拉強度，但其存在沒有充分的延展性(斷裂伸長率)、以及缺少在常溫或低溫范圍內(nèi)的塑性加工性的問題。另一方面，純鈦在常溫下具有超出25％的較高的斷裂伸長率，并且在低溫范圍內(nèi)具有優(yōu)異的塑性加工性，但其存在抗拉強度為較低的400～600MPa左右的問題。由于對鈦的高強度和高延展性的兼顧、以及材料成本的降低的要求十分強烈，因此進行了各種研究。特別是從低成本化的觀點出發(fā)，作為現(xiàn)有技術(shù)，多數(shù)研究了基于氧、氮這樣比較廉價的元素而不是釩、鈧、鈮等高價的元素進行的高強度化。例如，在日本金屬學(xué)會會刊第72卷第12號(2008)949-954頁(非專利文獻(xiàn)1)記載了以《氮對鈦的拉伸變形行為及變形組織發(fā)展的影響》為題、利用氮作為鈦合金的合金元素的技術(shù)。具體來說，記載了以下內(nèi)容，即，稱量海綿鈦以及鈦粉末，使其成為規(guī)定的組成，通過電弧溶解制備具有各種氮濃度的Ti-N合金。在這種情況下，當(dāng)?shù)泳鶆虻毓倘苡赥i的基質(zhì)中，則能夠?qū)崿F(xiàn)高強度和高延展性的兼顧。作為其他方法，還有向Ti熔融金屬添加TiN粒子、在其凝固時使氮原子向Ti的基質(zhì)中固溶的技術(shù)。在這種情況下，當(dāng)?shù)泳鶆虻毓倘苡赥i的基質(zhì)中，則能夠?qū)崿F(xiàn)高強度和高延展性的兼顧。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)非專利文獻(xiàn)非專利文獻(xiàn)1：日本金屬學(xué)會會刊第72卷第12號(2008)949-954頁
技術(shù)實現(xiàn)思路
專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題在現(xiàn)有的溶解制法(特別是向Ti熔融金屬添加TiN粒子的方法)中，由于氮原子的擴散顯著，氮原子在熔融金屬的上部稠化，其結(jié)果，氮難以在大型鑄塊(ingot)中的均勻分散，延展性顯著降低。本專利技術(shù)的目的在于提供一種能夠使氮原子均勻地擴散且固溶在Ti粉末粒子的基質(zhì)中的固溶有氮的鈦粉末材料的制備方法。本專利技術(shù)的其他目的在于提供一種通過使氮原子均勻地擴散且固溶于Ti粉末粒子的基質(zhì)中、而兼具高強度和高延展性的鈦粉末材料以及鈦材。解決技術(shù)問題的手段根據(jù)本專利技術(shù)的固溶有氮的鈦粉末材料的制備方法，其特征在于，在含氮的氣氛中加熱由鈦粉末粒子構(gòu)成的鈦粉末材料并使氮原子固溶于所述鈦粉末粒子的基質(zhì)中。使所述氮原子固溶于鈦粉末粒子的基質(zhì)中的加熱溫度優(yōu)選為400℃以上且800℃以下。在通過上述方法制備的固溶有氮的鈦粉末材料中，優(yōu)選各鈦粉末粒子的含氮量在質(zhì)量基準(zhǔn)下為0.1％～0.65％。另外，為了便于參考，在日本工業(yè)規(guī)格(JIS)中規(guī)定的4種純鈦的含氮量如下。JISH46001種：0.03質(zhì)量％以下JISH46002種：0.03質(zhì)量％以下JISH46003種：0.05質(zhì)量％以下JISH46004種：0.05質(zhì)量％以下鈦材是通過使上述固溶有氮的鈦粉末材料形成規(guī)定的形狀的原材。在一實施形態(tài)中，鈦材為純Ti粉末擠出材，相對于擠出材整體的含氮量在質(zhì)量基準(zhǔn)下為0.1％～0.65％，斷裂伸長率為10％以上。作為使固溶有氮的鈦粉末材料固化并形成鈦材的方法，例如有壓粉成形·燒結(jié)、熱擠出加工、熱軋加工、噴鍍、金屬注塑成型、粉末層疊造型等。通過下述的內(nèi)容說明上述特征的作用效果和技術(shù)性意義。附圖說明圖1是示意地表示本專利技術(shù)的特征的圖；圖2是表示通過差熱熱重分析裝置的測定數(shù)據(jù)的圖；圖3是表示進行了氮固溶化熱處理時的Ti衍射峰的變化的圖；圖4是表示通過結(jié)晶取向解析(SEM-EBSD)的測定結(jié)果的圖；圖5是表示應(yīng)力和應(yīng)變之間關(guān)系的圖；圖6是表示熱處理的時間、氮量以及氧量之間關(guān)系的圖；圖7是表示含氮量和顯微維氏硬度Hv之間關(guān)系的圖；圖8是表示氧氣流量比率、氮量以及氧量之間關(guān)系的圖。具體實施方式圖1是示意地表示本專利技術(shù)的特征的圖。首先，利用圖1說明本專利技術(shù)的概要，之后再說明詳細(xì)的數(shù)據(jù)等。[準(zhǔn)備鈦粉末材料]準(zhǔn)備由大量的鈦粉末粒子構(gòu)成的鈦粉末材料。在這里，“鈦粉末粒子”可以是純鈦粉末粒子或鈦合金粉末粒子的任意一者。[固溶化熱處理]通過在含氮的氣氛中加熱并保持由鈦粉末粒子構(gòu)成的鈦粉末材料，使氮原子均勻地向各鈦粉末粒子的基質(zhì)中擴散并固溶，得到作為最終目標(biāo)的固溶有氮的鈦粉末材料。加熱條件例如為下述。加熱氣氛：100vol.％N2氣體氣體流量：5L/min.加熱溫度：400～600℃保持時間：1～2hr.通過上述固溶化熱處理，氮原子均勻地擴散并固溶至各鈦粉末粒子的基質(zhì)中。在上述加熱過程中，由于不會發(fā)生鈦粉末之間的燒結(jié)現(xiàn)象，因此，也可以使用管狀式加熱爐(非旋轉(zhuǎn)式)或旋轉(zhuǎn)式回轉(zhuǎn)窯爐的任意一者。按照上述那樣得到的固溶有氮的鈦粉末材料的固化，可以利用例如壓粉成形·燒結(jié)、熱擠出加工、熱軋加工、噴鍍、金屬注塑成型、粉末層疊造型等。[通過差熱熱重分析裝置(TG-DTA)驗證]向爐內(nèi)投入純Ti原料粉末，以150mL/min.的流量流入氮氣，在該狀態(tài)下使溫度從常溫上升至800℃(1073K)，這時，能夠確認(rèn)重量從400℃(673K)附近開始增加，之后，伴隨著溫度的上升，重量顯著增加。其結(jié)果如圖2所示。在圖2中，TG(Thermogravimetry)表示重量變化，DTA(DifferentialThermalAnalysis)表示發(fā)熱·吸熱行為。[含氮量及含氧量的測定]在以5L/min.的流量向管狀加熱爐內(nèi)流入氮氣的狀態(tài)下，測定了在400℃(673K)、500℃(773K)、600℃(873K)的各溫度下加熱1小時純Ti粉末后的含氮量及含氧量。其結(jié)果如表1所示。[表1]樣本(Specimens)含氮量(質(zhì)量％)含氧量(質(zhì)量％)原料純Ti粉末0.0180.270673Kfor1hr0.0410.276773Kfor1hr0.1290.275873Kfor1hr0.2920.290從表1能夠明確得知，含氮量隨著加熱溫度的增加而增大。但是，由于含氧量基本不發(fā)生變化，因此，加熱過程中的Ti粉末的氧化被抑制。表1的結(jié)果與差熱熱重分析裝置(TG-DTA)的結(jié)果非常一致，為了使氮原子固溶于Ti粉末的基質(zhì)中，使加熱溫度為400℃(673K)以上較為理想。但是，當(dāng)加熱溫度超過800℃時，Ti粉末之間部分地?zé)Y(jié)，因此，800℃以下的加熱溫度較為理想。[通過衍射峰進行驗證]圖3是表示進行了氮固溶化熱處理時的Ti衍射峰的變化的圖。具體來說，進行了在管狀加熱爐內(nèi)以5L/min.的流量流入氮氣的狀態(tài)下、以600℃(873K)的溫度加熱純Ti粉末1小時、以及加熱2小時后的Ti粉末的XRD(X射線衍射)分析。通過圖3可以明確得知，當(dāng)對純鈦原料粉末進行氮固溶化熱處理時，Ti的衍射峰向低角度側(cè)移動。這些峰值的移動表示了氮原子固溶于Ti的基底材料(基質(zhì))中。測定上述樣本的含氧量及含氮量，其結(jié)果如表2所示。[表2]氮量(質(zhì)量％)氧量(質(zhì)量％)原料粉末0.0180.260加熱1hr的粉末0.2900.263加熱2本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種固溶有氮的鈦粉末材料的制備方法，其特征在于，在含氮的氣氛中加熱由鈦粉末粒子構(gòu)成的鈦粉末材料并使氮原子固溶于所述鈦粉末粒子的基質(zhì)中。

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2014.01.24 JP 2014-0113621.一種固溶有氮的鈦粉末材料的制備方法，其特征在于，在含氮的氣氛中加熱由鈦粉末粒子構(gòu)成的鈦粉末材料并使氮原子固溶于所述鈦粉末粒子的基質(zhì)中。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固溶有氮的鈦粉末材料的制備方法，其中，用于使所述氮原子固溶于鈦粉末粒子的基質(zhì)中的加熱溫度為400℃以上且800℃以...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：近藤勝義，
申請(專利權(quán))人：近藤勝義，株式會社海萊客思，
類型：發(fā)明
國別省市：日本;JP