概要
チタンパウダー は、高強度、低密度、耐腐食性、生体適合性というユニークな組み合わせで評価される万能金属材料です。粉末としてのチタンは、金属射出成形（MIM）、積層造形（AM）、熱間静水圧プレス（HIP）、粉末冶金（PM）プレスや焼結のような高度な製造技術を容易にし、複雑なチタンコンポーネントを作成します。
チタン粉末の主な用途には、航空宇宙部品、医療用インプラント、自動車部品、スポーツ用品、化学加工、消費者向け製品などが含まれます。本ガイドは、製造方法、合金組成、特徴、特性、仕様、用途、世界的なサプライヤーを含むチタンパウダーの包括的な概要を提供します。エンジニア、製品設計者、技術プログラム管理者がチタン粉末を選択し使用する際の手助けとなることを目的としています。
チタンパウダーの製造
チタンパウダーは主に以下の方法で製造される：
チタンパウダーの製造方法
- ガス噴霧 - 高圧不活性ガスで溶融チタンを球状粉末に分解
- プラズマ霧化 - チタン電極アークが超微粒子球状パウダーを生成
- ハイドライド／デハイドライド - 水素化チタン粉末（TiO2）を脱水して微粉末にする
- 機械加工 - ボールミルによるチタンチップの不規則な粒子への分解
- プラズマ球状化 - 不規則な粉末をプラズマで溶かして球状にする
ガスアトマイゼーションとメカニカルミリングが最も一般的で、それぞれ球状と角状の粉末形状を作り出す。さらに、スクリーニング、コンディショニング、ブレンドにより、用途に応じた粒度分布が形成される。
構成 チタンパウダー
市販の純チタン粉末は入手可能ですが、工業用途の粉末のほとんどは少量の合金元素を含んでいます：
一般的なチタン粉末の組成
| 合金 | 一次合金元素 | 主な特徴 |
|---|---|---|
| CPチタン | 99.5%+ Ti | 優れた耐食性 |
| Ti-6Al-4V | 6% Al, 4% V | 高強度、熱処理可能 |
| Ti-6Al-7Nb | 6% Al, 7% Nb | 高強度、生体適合性 |
| Ti-555 | 5% Al, 5% Mo, 5% V | 熱処理可能、機械加工可能 |
| Ti-1023 | 10% V、2% Fe、3% Al | 高強度、優れた延性 |
アルミニウム、バナジウム、ニオブは、強度と加工性を向上させるための一般的な添加物である。微量のホウ素、炭素、鉄、酸素も含まれる。
合金は、優れた耐食性を維持しながら、微細構造、硬度、機械加工性、その他の特性を調整する。
チタン粉末の特徴
チタンパウダーの主な特徴は以下の通りである：
チタンパウダーの特徴
| 特徴 | 代表値 | 意義 |
|---|---|---|
| 粒子径 | 10～150ミクロン | 焼結挙動、表面仕上げ |
| 粒子形状 | 球状、角状、樹枝状 | パウダーフローと充填密度 |
| 見かけ密度 | 1.5 - 4.0 g/cc | プレスとハンドリングの動作 |
| タップ密度 | 2.5 - 4.5 g/cc | 圧縮性の指標 |
| ホール流量 | 25～35秒/50g | 粉体の流動性 |
| 点火時の損失 | 0.1 - 0.5 wt% | 酸素と水分含有量 |
| パイロフォリシティ | なし | 引火性および取り扱い上の注意 |
粒度分布と粉末形状は、粉末の流動性、成形性、焼結反応、プレス部品や焼結部品の密度に大きく影響します。見掛け密度は粉末の圧縮性を示す。
チタン粉末の特性
チタン粉末の主な特性は以下の通り：
チタン粉末の特性
| プロパティ | ピュア・チタン | Ti-6Al-4V | Ti-6Al-7Nb |
|---|---|---|---|
| 密度 | 4.5 g/cc | 4.43 g/cc | 4.52 g/cc |
| 引張強度 | 240 MPa | 930 MPa | 900 MPa |
| 降伏強度 | 170 MPa | 860 MPa | 825 MPa |
| 伸び | 24% | 10% | 15% |
| 弾性係数 | 102 GPa | 114 GPa | 105 GPa |
| 硬度 | 80 HB | 334 HB | 321 HB |
| 熱容量 | 522 J/kg-K | 526 J/kg-K | 527 J/kg-K |
| 熱伝導率 | 7.2 W/m-K | 7.2 W/m-K | 6.7 W/m-K |
アルミニウム、バナジウム、ニオブとの合金化は、強度と硬度を著しく向上させる。具体的な特性は、最終的な微細構造に大きく依存する。
応用例 チタンパウダー
チタン粉末の主な用途は以下の通り：
チタンパウダーの用途
| 産業 | 用途 | 主な理由 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | 構造部品、タービンブレード、ファスナー | 高い強度対重量比 |
| メディカル | 整形外科用インプラント、歯科用インプラント、手術器具 | 生体適合性、耐食性 |
| 自動車 | コネクティングロッド、バルブ、スプリング、ファスナー | 軽量化、パフォーマンス |
| ケミカル | タンク、パイプ、バルブ、ポンプ | 耐食性 |
| スポーツ用品 | ゴルフクラブ、自転車、ヘルメット | 強度、機械的特性の調整 |
| 石油化学 | ダウンホールツール、坑口部品 | 強度、耐食性 |
チタンのユニークな特性は、過酷な環境下で機械的完全性を維持しながら、航空宇宙部品の重量を減らすのに魅力的です。
優れた生体適合性と耐食性は、整形外科や歯科のインプラントでの使用を促進します。チタンの特性を調整する能力は、特殊な性能特性を持つスポーツ用品を容易にします。
チタンパウダーの仕様
チタン粉末の組成と品質は、様々な標準仕様によって定義されています：
チタン粉末規格
| スタンダード | スコープ | 粒子径 | 純度 | 化学 |
|---|---|---|---|---|
| ASTM B348 | グレード1-4の非合金Ti粉末 | -635メッシュ | 99.5%、99.9%、99.95% Ti | O、C、N、H制限 |
| ASTM B801 | Ti-6Al-4V合金粉末 | -635メッシュ | Ti、Al、Vの組成範囲 | 間質限界 |
| ISO 23301 | 積層造形チタン粉末 | 10～45ミクロン | 99.5%+ Ti | O、N、C、H、Fe制限 |
| AMS 4992 | 航空宇宙グレードTi-6Al-4V粉末 | -150メッシュ | Ti、Al、Vの組成範囲 | 間質限界 |
これらは、合金添加物の許容レベル、酸素/窒素/炭素などの不純物、粒度分布、およびさまざまな用途に関連するその他の試験方法を定義している。
チタン粉末のグローバルサプライヤー
多くの大手企業がチタンパウダーを製造しており、小規模の地域メーカーもある：
チタンパウダー製造業者
| サプライヤー | 生産方法 | 材料 | 能力 |
|---|---|---|---|
| ATIメタルズ | ガス噴霧 | Ti-6Al-4V、Ti-1023、純Ti | 広い合金範囲、大量 |
| プラクセア・サーフェス・テクノロジー | ガス噴霧 | Ti-6Al-4V、CP Ti | 小ロット、短納期 |
| カーペンター添加剤 | ガスアトマイズ、水素化物-脱水化物 | Ti-6Al-4V、Ti-6Al-7Nb、純Ti | カスタム合金、小ロット |
| エーピーアンドシー | プラズマ霧化 | CPチタン、チタン合金 | 超微粒子10-45ミクロンパウダー |
| テクナ | プラズマ球状化 | Ti-6Al-4V、CP Ti | チップを球状の粉末にする |
| バオジ・ハンズ・チタニウム | ハイドライド | CPチタン、チタン-6Al-4V | 低コスト中国メーカー |
多くは標準合金組成と特注合金組成の両方を供給している。スクラップや切粉を粉末にする受託加工を行うところもある。
選択 チタンパウダー
チタンパウダーを選択する際の主な考慮事項は以下の通りです：
- 合金組成 - 強度、延性、硬度などの望ましい特性のバランス
- 純度レベル - 機械的特性と微細構造に影響
- 粒子径と形状 - パウダーフロー、密度、表面仕上げに影響
- 見掛け密度とタップ密度 - 圧縮性と焼結反応を示す
- 化学的適合性 - 酸や塩水のような使用条件
- サンプリング手順 - 粉体ロットの代表試験
- 品質認証 - ISO9001、AS9100など
- 技術的専門知識 粉体メーカーより
サンプル製作やプロトタイプは、新しい合金やパウダーを特定の用途に適合させるのに役立ちます。信頼できるサプライヤーと緊密に協力し、最適な結果を得るために十分に特性評価されたチタン粉末を入手します。
よくあるご質問
プラズマアトマイズチタン粉末の利点は何ですか？
プラズマアトマイゼーションは、通常10～45ミクロンの非常に球状の流動粒子を生成します。これにより、優れた焼結密度と表面仕上げが可能になります。
チタン粉末が発火する原因は何ですか？
チタンパウダーは空気中で自然発火します。これは10ミクロン以下の非常に小さな粒子径が表面積と反応性を大幅に増加させることが原因です。発火性の粉体には不活性ガスを使用してください。
粒子形状はチタン粉末の特性にどのような影響を与えますか？
球状パウダーは流動性に優れ、密度と機械的特性が均一で高い。不規則なパウダーは、グリーン強度や圧縮性に優れますが、収縮の予測は困難です。
チタン粉末の再利用を向上させる後処理とは？
スクリーニング、粉砕、熱処理により、規格外の粉末を再利用することができる。プラズマ球状化処理により、チップや粗い粒子を球状粉末原料に変換します。
チタン部品の積層造形にはどのような規格が適用されますか？
ASTM F3001-14は、AM用チタン合金粉末の特性評価と品質管理を扱っている。ASTM F2924-14は、AM用チタンの機械的特性を評価するための標準試験方法を規定しています。
チタンとスチールの複合構造を3Dプリントできますか？
そう、金属3Dプリントプロセスの中には、バイメタル部品を作るために材料を正確に切り替えることで、1つの部品内でチタン合金とステンレス合金の間を移行するものもある。
結論
チタンパウダーは、そのユニークな特性により、エンジニアに高性能コンポーネントを製造するための大きな柔軟性を提供します。粉末の特性を注意深く選択し、経験豊富なサプライヤーと緊密に協力することで、多くの重要な用途において最適な結果を得ることができます。継続的な進歩は、チタン粉末冶金プロセスの能力、品質、費用対効果を拡大し続けています。
