本發(fā)明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(qiáng)度鈦粉末材料、鈦材以及其制備方法。
背景技術(shù)：
：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(qiáng)度優(yōu)異的特征，因此，被利用于對(duì)輕量化有較高需求的飛機(jī)、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(diǎn)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(duì)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(qiáng)度，但其存在沒(méi)有充分的延展性(斷裂伸長(zhǎng)率)、以及缺少在常溫或低溫范圍內(nèi)的塑性加工性的問(wèn)題。另一方面，純鈦在常溫下具有超出25％的較高的斷裂伸長(zhǎng)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(qiáng)度為較低的400～600MPa左右的問(wèn)題。由于對(duì)鈦的高強(qiáng)度和高延展性的兼顧、以及材料成本的降低的要求十分強(qiáng)烈，因此進(jìn)行了各種研究。特別是從低成本化的觀點(diǎn)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(jià)的元素而不是釩、鈧、鈮等高價(jià)的元素進(jìn)行的高強(qiáng)度化。例如，在日本金屬學(xué)會(huì)會(huì)刊第72卷第12號(hào)(2008)949-954頁(yè)(非專利文獻(xiàn)1)記載了以《氮對(duì)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(qiáng)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(shí)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(qiáng)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(huì)會(huì)刊第72卷第12號(hào)(2008)949-954頁(yè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)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(kuò)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。本發(fā)明的目的在于提供一種能夠使氮原子均勻地?cái)U(kuò)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。本發(fā)明的其他目的在于提供一種通過(guò)使氮原子均勻地?cái)U(kuò)散且固溶于Ti粉末粒子的基質(zhì)中、而兼具高強(qiáng)度和高延展性的鈦粉末材料以及鈦材。解決技術(shù)問(wèn)題的手段根據(jù)本發(fā)明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(guò)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(guò)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(shí)施形態(tài)中，鈦材為純Ti粉末擠出材，相對(duì)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(zhǎng)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(guò)下述的內(nèi)容說(shuō)明上述特征的作用效果和技術(shù)性意義。附圖說(shuō)明圖1是示意地表示本發(fā)明的特征的圖；圖2是表示通過(guò)差熱熱重分析裝置的測(cè)定數(shù)據(jù)的圖；圖3是表示進(jìn)行了氮固溶化熱處理時(shí)的Ti衍射峰的變化的圖；圖4是表示通過(guò)結(jié)晶取向解析(SEM-EBSD)的測(cè)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(shí)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(shí)施方式圖1是示意地表示本發(fā)明的特征的圖。首先，利用圖1說(shuō)明本發(fā)明的概要，之后再說(shuō)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(guò)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(kuò)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(shí)間：1～2hr.通過(guò)上述固溶化熱處理，氮原子均勻地?cái)U(kuò)散并固溶至各鈦粉末粒子的基質(zhì)中。在上述加熱過(guò)程中，由于不會(huì)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(guò)差熱熱重分析裝置(TG-DTA)驗(yàn)證]向爐內(nèi)投入純Ti原料粉末，以150mL/min.的流量流入氮?dú)猓谠摖顟B(tài)下使溫度從常溫上升至800℃(1073K)，這時(shí)，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(cè)定]在以5L/min.的流量向管狀加熱爐內(nèi)流入氮?dú)獾臓顟B(tài)下，測(cè)定了在400℃(673K)、500℃(773K)、600℃(873K)的各溫度下加熱1小時(shí)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(guò)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(guò)800℃時(shí)，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(guò)衍射峰進(jìn)行驗(yàn)證]圖3是表示進(jìn)行了氮固溶化熱處理時(shí)的Ti衍射峰的變化的圖。具體來(lái)說(shuō)，進(jìn)行了在管狀加熱爐內(nèi)以5L/min.的流量流入氮?dú)獾臓顟B(tài)下、以600℃(873K)的溫度加熱純Ti粉末1小時(shí)、以及加熱2小時(shí)后的Ti粉末的XRD(X射線衍射)分析。通過(guò)圖3可以明確得知，當(dāng)對(duì)純鈦原料粉末進(jìn)行氮固溶化熱處理時(shí)，Ti的衍射峰向低角度側(cè)移動(dòng)。這些峰值的移動(dòng)表示了氮原子固溶于Ti的基底材料(基質(zhì))中。測(cè)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2hr的粉末0.4790.262通過(guò)表2的結(jié)果可以明確得知，氧量基本不變，氮量隨著加熱時(shí)間的增加而增大。[通過(guò)結(jié)晶取向解析(SEM-EBSD)進(jìn)行驗(yàn)證]通過(guò)放電等離子燒結(jié)使各Ti粉末成形固化，實(shí)施熱擠出加工制備直徑φ7mm的擠出材。在進(jìn)行放電等離子燒結(jié)時(shí)，在真空氣氛中加熱800℃×30分鐘，在該過(guò)程中施加30MPa的壓力。在進(jìn)行熱擠出加工時(shí)，在氬氣氣氛中加熱上述燒結(jié)體1000℃×5分鐘，并立刻以擠出比37的條件進(jìn)行擠出加工，制備直徑φ7mm的擠出材。通過(guò)結(jié)晶取向解析(SEM-EBSD)測(cè)定晶粒直徑的結(jié)果，在含氮量增加的同時(shí)晶粒減少，換言之，能夠確認(rèn)進(jìn)行了晶粒的細(xì)微化。其結(jié)果如表4所示。這是由于固溶后的氮原子的一部分向Ti的晶界擴(kuò)散·稠化，通過(guò)溶質(zhì)拖曳(solutedrag)的效果而抑制晶粒的粗大化。[強(qiáng)度測(cè)定]對(duì)使用了進(jìn)行1小時(shí)的氮固溶化熱處理且含氮量為0.290質(zhì)量％的“加熱1hr的Ti粉末”、進(jìn)行2小時(shí)的氮固溶化熱處理且含氮量為0.479質(zhì)量％的“加熱2hr的Ti粉末”以及未進(jìn)行氮固溶化熱處理的“原料Ti粉末”(含氮量為0.018質(zhì)量％)的擠出材進(jìn)行強(qiáng)度的測(cè)定。其結(jié)果如圖5和表3所示。[表3]樣本(Specimen)0.2％YS，oy/MPaUTS，o/MPa伸長(zhǎng)率Elongation，ε(％)硬度HardnessHv原料Ti粉末479±8.1653±6.628±1.7264±26.3加熱1hr的Ti粉末903±17.41008±6.128±1.5479±34.2加熱2hr的Ti粉末1045±13.61146±7.111±2.3539±45.5通過(guò)圖5和表3可以明確得知，進(jìn)行了氮固溶化熱處理的Ti粉末中確認(rèn)到通過(guò)氮原子的固溶的強(qiáng)度增加。另外，雖然其伸長(zhǎng)率減少，但仍超過(guò)了10％，確認(rèn)到作為Ti原材具有高的延展性。另一方面，在使用了進(jìn)行3小時(shí)的氮固溶化熱處理的“加熱3hr的Ti粉末”(含氮量：0.668質(zhì)量％、含氧量：0.265質(zhì)量％)的擠出材中，抗拉強(qiáng)度(UTS)增加至1264MPa、0.2％屈服強(qiáng)度(YS)增加至1204MPa，但伸長(zhǎng)率明顯降低至1.2％。因此，含氮量的優(yōu)選上限為0.65質(zhì)量％。另外，從提高強(qiáng)度的觀點(diǎn)出發(fā)，含氮量的優(yōu)選下限值為0.1質(zhì)量％。[熱處理時(shí)間與含氮量及含氧量之間的關(guān)系]以純Ti粉末(平均粒徑：28μm、純度＞95％)為起始原料，在流入氮?dú)?氣體流量：3L/min.)的狀態(tài)下向管狀爐內(nèi)投入Ti原料粉末，在600℃下進(jìn)行10分鐘～180分鐘的氮固溶化熱處理。測(cè)定包含于所得到的各Ti粉末中的含氮量及含氧量與熱處理時(shí)間之間的關(guān)系，其結(jié)果如圖6和表4所示。[表4]熱處理時(shí)間(分鐘)0103060120180氮量(質(zhì)量％)0.0230.2250.3500.5180.7420.896氧量(質(zhì)量％)0.2170.2520.2460.2250.2240.229通過(guò)圖6和表4可以明確得知，含氮量相對(duì)于熱處理時(shí)間基本線性地 增加，能夠確認(rèn)通過(guò)熱處理時(shí)間控制包含于Ti粉末的含氮量。另一方面，確認(rèn)了含氧量不增加而基本維持穩(wěn)定，在熱處理過(guò)程中不發(fā)生氧化。由此，通過(guò)本制備方法，能夠制備包含目標(biāo)的氮量的Ti粉末。[含氮量和顯微維氏硬度Hv之間的關(guān)系]使用放電等離子燒結(jié)(SPS)裝置，對(duì)表4所記載的含氮的Ti粉末進(jìn)行加熱及加壓，制備燒結(jié)體(直徑40mm、厚度10mm)。放電等離子燒結(jié)的條件如下所述。溫度：1000℃加壓力：30PMa燒結(jié)時(shí)間：30分鐘真空度：6Pa測(cè)定了該燒結(jié)體的顯微維氏硬度(負(fù)荷50g)。其結(jié)果如圖7及表5所示。[表5]通過(guò)圖7及表5可以明確得知，Ti粉末中的含氮量的增加的同時(shí)，維氏硬度大致線性地增加，氮原子固溶于Ti粉末，由此，燒結(jié)體的硬度明顯增加。[氧氣流量比率與氮量及氧量之間的關(guān)系]以純Ti粉末(平均粒徑：28μm、純度＞95％)為起始原料，在改變氮?dú)夂脱鯕獾幕旌媳炔⑹蛊淞魅牍軤顮t內(nèi)的狀態(tài)下，投入Ti原料粉末，在600℃進(jìn)行60分鐘的加熱處理。測(cè)定了包含于所得的各Ti粉末的氮量、 氧量。其結(jié)果如圖8及表6所示。[表6]氮?dú)饬髁?lit/min)32.942.852.762.72.552.42.25氧氣流量(lit/min)00.060.150.240.30.450.60.75氧氣流量比率(％)025810152025氮量(質(zhì)量％)0.5180.5120.5190.5220.5140.4910.4650.433氧量(質(zhì)量％)0.2250.2320.2360.2420.2460.2780.2920.319通過(guò)圖8和表6可以明確得知，在氧氣的比率為10vol.％以下的條件下，氧量沒(méi)有明顯增加，僅氮原子向Ti粉末的基質(zhì)中固溶。另一方面，當(dāng)氧氣的比率超過(guò)15vol.％時(shí)，氧量增加，能夠向Ti粉末的基質(zhì)中固溶氮和氧兩種原子。由此，根據(jù)本制備方法，能夠通過(guò)調(diào)整熱處理氣氛中的氮?dú)饬亢脱鯕饬康幕旌媳嚷剩苽洳粌H固溶氮原子，也固溶氧原子的Ti粉末。產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明能夠有利地被用于制備氮在基質(zhì)中均勻地?cái)U(kuò)散并固溶、維持適當(dāng)?shù)难诱剐缘母邚?qiáng)度固溶有氮的鈦粉末材料以及鈦材。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3