概要
チタン金属粉 は、様々な製造用途に使用される微粒状のチタン金属です。強度対重量比、耐食性、生体適合性に優れ、航空宇宙部品、医療用インプラント、スポーツ用品、自動車部品などに適しています。
チタン粉末は、溶融チタンの微粒化、チタン化合物の電解、チタン鉱石の直接還元など、さまざまな方法で製造することができる。粉末の特性と性能は、製造技術と後処理に依存します。チタン粉末の品質と使いやすさを定義する重要な特性には、粒度分布、形態、粉末流動性、見かけ密度、不純物レベルが含まれます。
種類 チタン金属粉
| タイプ | 製造方法 | 粒子径 | 形態学 | 見かけ密度 | 流動性 | アプリケーション |
|---|---|---|---|---|---|---|
| アトマイズド | 溶融チタンのガスまたはプラズマアトマイズ | 10 - 250 μm | 球状、粒状 | 2.2 - 3.8 g/cc | グッド | 積層造形、MIM |
| ヒドリド脱水素(HDH) | チタンスクラップの水素化および脱水素化 | <250 μm | 不規則、スポンジ状 | 1 - 2.5 g/cc | 貧しい | 金属射出成形 |
| 回転電極プロセス | チタン化合物の電解 | 5 - 150 μm | 樹状突起 | 2 - 3 g/cc | フェア | 積層造形 |
| アルミ熱還元 | アルミニウムによる化学還元 | 50 - 500 μm | 不規則、多孔質 | 1.5 - 3 g/cc | フェア | 耐火金属化 |
アトマイズチタン粉末 は、良好な流動性と充填特性を持つ球状形態である。要求の厳しい積層造形や金属射出成形の用途に適している。
ヒドリド脱水素パウダー はアトマイズ粉末に比べて密度が低く、流動性が悪い。安価なため、主に金属射出成形に使用される。
回転電極プロセスパウダー は、高い焼結密度を提供するユニークな樹枝状粒子を有する。電子ビーム溶解のような付加製造法で使用される。
チタン金属粉末の組成
チタン金属粉末はASTM規格に基づき、酸素と鉄の含有量に基づいて4つのグレードに大別されます：
| グレード | 酸素（wt%） | 鉄（wt%） | その他の要素 |
|---|---|---|---|
| グレード1 | 0.18 | 0.20 | N, C, H |
| グレード2 | 0.25 | 0.30 | N, C, H |
| グレード3 | 0.35 | 0.30 | N, C, H |
| グレード4 | 0.40 | 0.50 | N, C, H |
チタン粉末に含まれる主な合金元素は以下の通り：
- アルミニウム (Al) - 強度と熱処理性を向上させる。
- バナジウム (V) - 強度と延性を高める。
- 錫 (Sn) - 耐クリープ性を向上させる。
- ジルコニウム（Zr） - 砥粒を精製する
窒素、炭素、水素、鉄などの微量元素も機械的特性に大きな影響を与える。最適な性能を得るためには、化学組成を厳密に管理する必要がある。
チタン金属粉末の特性
| プロパティ | 価値 | 意義 |
|---|---|---|
| 密度 | 4.5 g/cm3 | 鋼やニッケル合金より低い |
| 融点 | 1660°C | 高温でも強度を維持 |
| 強さ | 900 - 1200 MPa | アルミニウムより強い |
| 弾性率 | 100 - 120 GPa | 鋼鉄より低い弾性率 |
| 伸び | 15 – 25% | 良好な延性 |
| 耐食性 | 素晴らしい | 保護酸化膜によるもの |
| 生体適合性 | 素晴らしい | 医療用インプラントに最適 |
| 熱伝導率 | 7 - 16 W/m.K | アルミニウムやスチールより低い |
完成したチタン部品の特性は、部品の製造方法だけでなく、粉末の特性にも依存します。気孔率、表面仕上げ、熱処理等が大きく影響します。
チタン金属の主な利点には、高い比強度、耐食性、疲労寿命、生体適合性などがある。制限事項としては、高温での高い反応性があり、粉末の取り扱いと加工に不活性雰囲気が必要となります。また、チタン合金は熱伝導率が低いため、機械加工中に局所的な加熱を引き起こすため、他の金属に比べて機械加工が難しい場合があります。
の応用 チタン金属粉
| 申し込み | 例 | 必要なパウダー特性 |
|---|---|---|
| 積層造形 | 航空宇宙部品、整形外科用インプラント | 球状形態、100μm以下の制御された粒度分布、高純度 |
| 金属射出成形 | 歯科インプラント、ファスナー | バインダー混合に適した25μm以下の不規則な粉末 |
| 耐火金属化 | 金属基板上のチタンコーティング | 5 μmから500 μmまでの幅広い粉体サイズ |
| 粉末冶金 | コンロッド、ドライブシャフト | 酸素と窒素の含有量を厳しく管理、良好な圧縮性と焼結性 |
| 溶射コーティング | 船舶用保護塗料 | 粒度分布が最適化されたプラズマ溶射用特殊粉末 |
| 花火技術 | 照明弾、爆発物 | 金属燃料配合に適した150μm以上の粗いパウダー |
アディティブ・マニュファクチャリングでは、良好な解像度と機械的特性を得るために100ミクロン以下の微粉末が好まれる。プレスや焼結の用途では、球状の形態が最適な密度を提供しますが、金属射出成形の原料には不規則な粒子が好まれます。
チタン金属粉末の仕様
異なるチタン粉末グレードのASTM規格
| スタンダード | 説明 | 対象学年 |
|---|---|---|
| ASTM B849 | MIM用プレアロイチタン粉末の規格 | グレード1～4 |
| ASTM B981 | 溶射皮膜用チタン合金規格 | グレード1と2 |
| ASTM B983 | MIM用水素化チタン粉末の規格 | グレード1～4 |
その他のチタンパウダー仕様
| パラメータ | 代表値 | 試験方法 |
|---|---|---|
| 粒度分布 | 10 μm～150 μm | レーザー回折、ふるい分析 |
| 見かけ密度 | 1～4 g/cc | ホール流量計、スコット容積計 |
| タップ密度 | 真の固体密度70～80% | ASTM B527 |
| 粉末形態 | 球状、粒状、スポンジ状、樹枝状 | SEM、光学顕微鏡 |
| 流量 | 25～35秒/50g | ホール流量計 |
| 強熱減量 | 0.1～2 wt% | ASTM E1019 |
| 残留水素 | 100～500 ppm | LECO不活性ガス融解 |
サプライヤー チタン金属粉
| サプライヤー | 製造方法 | パウダーグレード | 粒子径 |
|---|---|---|---|
| エーピーアンドシー | プラズマ霧化 | グレード1、2、5 | 10～45 μm |
| TLSテクニーク | ガス噴霧 | グレード23 | 45～150 μm |
| アメテック | 回転電極 | グレード2 | 5～63 μm |
| ピュリス | ヒドリド脱水素 | グレード2 | 最大150μm |
チタン金属粉末の参考価格：
| グレード | 価格（$/kg） |
|---|---|
| グレード1 | 50から150 |
| グレード2 | 40から100 |
| グレード5 | 250から500 |
100kgを超える大量注文の場合、バルク割引が適用される場合があります。実際の価格は、数量、品質要件、リードタイムなどによって異なります。
チタン粉末製造法の比較
| パラメータ | ガス噴霧 | プラズマ霧化 | HDHプロセス | 回転電極 |
|---|---|---|---|---|
| 形態学 | 粒状、球状 | 球形度が高い | スポンジ、不規則 | 樹状突起 |
| 酸素ピックアップ | 中程度 | 低い | 高い | 低い |
| スループット | 中程度 | 低い | 高い | 中程度 |
| コスト | 中程度 | 高い | 低い | 中程度 |
| 代表的なアプリケーション | AM、MIM | AM、航空宇宙 | MIM | 午前 |
品質と経済性のバランスが最も優れている製造方法は1つではない。ほとんどのメーカーは一つの技術に特化し、様々な用途をターゲットとした異なるグレードを提供している。要求の厳しい用途では粉体の品質と再現性が重要であるのに対し、大量生産品ではコストがより大きな原動力となる。
よくあるご質問
Q: チタン粉末のグレード1、2、3、4の違いは何ですか？
A: 等級は、許容される酸素と鉄の含有量によって異なる。グレード1は酸素濃度が最も低く、グレード4は不純物濃度が高くなります。グレードが低いほど優れた機械的特性が得られ、グレードが高いほどコストを抑えることができます。
Q:積層造形に必要なチタン粉末の粒径は？
A: ほとんどのAMプロセスにおいて、最適な粒子径の範囲は10～45ミクロンです。100コピーミクロン以下の微細な粉末は、良好な解像度と機械的特性を可能にします。しかし、10μm以下の非常に微細な粒子は、レイヤリングの際に均一に広げるのが難しい場合があります。また、凝集の問題も起こりやすい。
Q: チタンパウダーは危険ですか？
A: チタン粉末は特定の条件下で発火し、爆発の危険を引き起こす可能性があります。微細なチタン粉末、特に水素化物粉末は非常に可燃性が高い。チタン粉末の取り扱いには、アルゴンまたは窒素を使用した不活性ガス環境が必要です。保管容器は適切な接地が必要である。作業者は、チタン粉末を取り扱う際、粉塵の吸入および皮膚接触に対する予防措置を講じなければならない。
Q: チタン粉末はどのように製造されますか?
A：主な製造方法は4つある：
- ガスアトマイズ：溶融チタンの流れは液滴に分解され、固化して粉末になる。
- プラズマアトマイズ：プラズマの極めて高い熱により、チタンを急速に溶融・凝固させる。
- HDHプロセス：チタンスクラップを水素吸蔵・脱離サイクルで処理。
- 回転電極：チタン棒の陽極溶解は電解反応により粉末を形成する。
それぞれの工程は、様々な用途に適した異なる特性を持つ粉末を生み出す。
Q: チタンパウダーの価格はいくらですか？
A: チタンパウダーはグレード、品質、注文量等によって1kgあたり$40から$500になります。球状のグレード1と2のパウダーは、少量であれば$100/kg前後と手頃な価格です。航空宇宙分野で使用される特殊合金は、$500/kgになることもある。ハイドライドデハイドライドとより高いグレードの4粉末は、業界のバイヤーにとって$50/kgに近い安価なオプションです。
