JP2992669B2 - Method for producing alumina-dispersed aluminum-titanium intermetallic compound composite containing specific impurities and titanium dioxide containing impurities - Google Patents

Method for producing alumina-dispersed aluminum-titanium intermetallic compound composite containing specific impurities and titanium dioxide containing impurities

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JP2992669B2
JP2992669B2 JP5270048A JP27004893A JP2992669B2 JP 2992669 B2 JP2992669 B2 JP 2992669B2 JP 5270048 A JP5270048 A JP 5270048A JP 27004893 A JP27004893 A JP 27004893A JP 2992669 B2 JP2992669 B2 JP 2992669B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、アルミニウムあるいは
アルミニウム合金と二酸化チタンとの酸化還元反応を利
用しした粒子強化型の高硬度複合材料を得るために、不
純物含有二酸化チタンとアルミニウム(合金)との未反
応複合材料を前駆体として、マトリックスの固相域温度
での熱処理により強化粒子(α−アルミナとアルミニウ
ム−チタン金属間化合物)を反応生成させ、その組織調
整を含む硬化反応(反応生成物の量比)を制御するよう
にした特定の不純物を含有するアルミナ分散アルミニウ
ム−チタン金属間化合物複合材料の製造方法、及び出発
原料として用いられる不純物含有二酸化チタンに関す
る。
The present invention relates to aluminum or aluminum.
Utilizes redox reaction between aluminum alloy and titanium dioxide
In order to obtain the used particle-reinforced high-hardness composite material,
Unreacted titanium dioxide with pure substance and aluminum (alloy)
Using the composite material as a precursor, the solid phase temperature of the matrix
Particles (α-alumina and aluminum)
Reaction product of the metal-titanium intermetallic compound)
Control the curing reaction (reaction product quantity ratio)
Alumina-dispersed aluminum containing specific impurities
Method for producing titanium-titanium intermetallic compound composite material and starting method
Regarding titanium dioxide containing impurities used as raw material
You.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、複合材料には、分散強化材料、
粒子強化材料及び繊維強化材料がありそれぞれの特徴を
有するが、アルミニウム合金をマトリックスとする複合
材料の目的は、アルミニウム合金の強度特性(機械的強
度,高温強度,硬さ,弾性率)を向上させて軽量高硬度
の耐熱耐摩耗材料を得ることにあった。
2. Description of the Related Art In general, composite materials include dispersion strengthening materials,
There are particle reinforced materials and fiber reinforced materials, each of which has its own characteristics. The purpose of composite materials using aluminum alloy as a matrix is to improve the strength characteristics (mechanical strength, high temperature strength, hardness, elastic modulus) of aluminum alloys. And to obtain a light-weight, high-hardness heat-resistant and wear-resistant material.

【0003】近年、こうした複合材料の開発では、でき
るだけ高い硬度を有する強化材料を混在させ、わずかの
量で高い強度の複合材料を得ることができるように、非
常に高強度・高硬度なセラミックス繊維やセラミックス
粒子、各種ウイスカーなどを強化材とした複合材料がい
くつか提案されてきているが、いまなお未開拓の分野を
多く残している。
[0003] In recent years, in the development of such a composite material, a very high strength and high hardness ceramic fiber has been developed so that a high strength composite material can be obtained in a small amount by mixing a reinforcing material having the highest possible hardness. Although several composite materials using reinforcing materials such as ceramics, ceramic particles, and various whiskers have been proposed, there are still many unexplored fields.

【0004】とりわけ金属間化合物複合材料において、
ひとつに遷移金属のアルミナイドとしてチタンのアルミ
ナイドをとりあげ、優れて硬い実用材料およびその強化
法(硬化法)についての要請・期待を満たそうとする試
みがあった。
[0004] Particularly in intermetallic compound composite materials,
One is to take titanium aluminide as the transition metal aluminide and try to satisfy the demands and expectations for an excellent and hard practical material and its strengthening method (hardening method).

【0005】例えば、本出願人(又は発明者)の提案に
よるアルミニウムあるいはアルミニウム合金と二酸化チ
タン(ルチル)を複合・組織調整(熱処理)して反応硬
化させて得た硬質材料がある。(特願平3−86084
号参照)
[0005] For example, there is a hard material obtained by subjecting aluminum or an aluminum alloy and titanium dioxide (rutile) to composite / structural adjustment (heat treatment) and reaction-hardening the same as proposed by the present applicant (or the inventor). (Japanese Patent Application No. 3-86084
No.)

【0006】これまでに、アルミニウム合金を強化ある
いは硬化させる方法として溶体化につづく時効硬化処理
がよく知られているが、この方法による一般工業用アル
ミニウム合金(実用合金)では、そのビッカース硬さは
180〜200程度でこれを超えられないという問題が
あり、最近では強化材料とアルミニウム合金を反応させ
て硬質な複合材料を得ようとする種々の開発も多く行わ
れている。
Up to now, an age hardening treatment following solution treatment has been well known as a method of strengthening or hardening an aluminum alloy. However, the Vickers hardness of general industrial aluminum alloys (practical alloys) by this method is as follows. There is a problem that this cannot be exceeded in the range of about 180 to 200, and recently various developments for obtaining a hard composite material by reacting a reinforcing material with an aluminum alloy have been carried out.

【0007】しかし、ここではアルミニウム合金の液相
温度域でその反応を起こさせる場合がほとんどであり、
強化材料としての二酸化チタンとマトリックスとしての
アルミニウム合金を組合せた試みは少なく、さらに不純
物を含有する二酸化チタンとアルミニウムあるいはアル
ミニウム合金との複合材料を固相域温度で熱処理して硬
化させる試みは皆無である。
However, in most cases, the reaction occurs in the liquidus temperature range of the aluminum alloy.
There have been few attempts to combine titanium dioxide as a reinforcing material with an aluminum alloy as a matrix, and there have been no attempts to heat treat and harden a composite material of titanium dioxide containing impurities and aluminum or an aluminum alloy at a solidus temperature. is there.

【0008】というのも、本発明の構成において後述す
るように、特定元素を不純物として含有する二酸化チタ
ンとアルミニウム合金を、まず両者が反応しないような
温度条件で複合体を製造しておき、その後にアルミニウ
ム合金の固相域温度範囲の熱処理で反応させ、硬化反応
の進行を制御して硬さ調整したり、さらには不純物を含
有した二酸化チタンの体積率が31%以上になると複合
材料全体をアルミナ分散アルミニウム−チタン金属間化
合物に変化させてしまうことが可能で、このような材料
設計がなされた(又は可能な)アルミニウム合金複合材
料はこれまでにみられないからである。
This is because, as will be described later in the structure of the present invention, a composite is first produced under a temperature condition that does not cause a reaction between titanium dioxide and an aluminum alloy containing a specific element as an impurity. The alloy material is reacted by heat treatment in the solid phase temperature range of the aluminum alloy to control the progress of the hardening reaction to adjust the hardness. Further, when the volume fraction of titanium dioxide containing impurities becomes 31% or more, the entire composite material is This is because it can be changed to an alumina-dispersed aluminum-titanium intermetallic compound, and no aluminum alloy composite material having such a material design (or possible) has been found so far.

【0009】本発明者等は、二酸化チタンとアルミニウ
ム合金の複合複合材料に関する研究に関連した反応解析
で、特定の不純物元素を含まない二酸化チタン(ルチ
ル)とアルミニウムの複合材料はその固相域温度でほと
んど反応が起こらないのに対し、特定の不純物元素のナ
トリウムおよびカリウムを添加した二酸化チタン(ルチ
ル)とアルミニウムの複合材料では、アルミニウムの融
点以下の温度で反応を生じ、二酸化チタンとアルミニウ
ムの反応生成物であるα−アルミナとアルミニウム−チ
タン金属間化合物の生成を認めた。〔土取,他:日本金
属学会講演概要(1993,第112回)p.319〕
The present inventors have conducted a reaction analysis relating to a study on a composite composite material of titanium dioxide and an aluminum alloy, and found that a composite material of titanium dioxide (rutile) and aluminum containing no specific impurity element has a solidus temperature. In the composite material of titanium dioxide (rutile) and aluminum to which specific impurity elements sodium and potassium are added, a reaction occurs at a temperature lower than the melting point of aluminum, whereas the reaction of titanium dioxide and aluminum does not occur. The formation of the product α-alumina and the aluminum-titanium intermetallic compound was observed. [Totori, et al .: Abstracts of the Japan Institute of Metals (1993, 112th) p. 319]

【0010】さらにその後、二酸化チタン(ルチル)に
添加する多種類の不純物元素について実験・研究を重ね
た結果、多くの元素のなかで上記ナトリウム、カリウム
の他にアルミニウムの融点以下の温度で反応を生じ、二
酸化チタンとアルミニウムの反応生成物であるα−アル
ミナとアルミニウム−チタン金属間化合物の生成を認め
られる不純物元素をほぼ特定することができた。
After that, experiments and studies were repeated on various types of impurity elements added to titanium dioxide (rutile). As a result, among many elements, the reaction was carried out at a temperature lower than the melting point of aluminum in addition to the above sodium and potassium. It was possible to substantially identify impurity elements which were generated and in which α-alumina, which is a reaction product of titanium dioxide and aluminum, and formation of an aluminum-titanium intermetallic compound were recognized.

【0011】これらの特定元素は、二酸化チタンにおけ
るチタンイオン(Ti2+)よりもイオン半径が大きい
元素群であり、このことから、チタンイオン(T
2+)よりもイオン半径が大きい元素はすべて添加元
素(不純物)として効果的であると期待される。
[0011] These specific elements are a group of elements having a larger ionic radius than the titanium ion (Ti 2+ ) in titanium dioxide.
All elements having an ionic radius larger than i 2+ ) are expected to be effective as additional elements (impurities).

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような知
見や実験事実に基づいてなされたものであって、上述し
た硬さを中心とする問題点を解消した粒子強化型の高硬
度複合材料を得るために、不純物含有二酸化チタンとア
ルミニウムあるいはアルミニウム合金の複合化の過程
で、まず未反応複合材料を作製し、これを前駆体として
マトリックスの固相域温度で熱処理して硬化反応の進行
を制御(反応生成物の量比を調整)することにより、ア
ルミニウム合金の硬化材料からアルミナ分散アルミニウ
ム−チタン金属間化合物複合材料まで広範囲に材料設計
可能な特定の不純物を含有するアルミナ分散アルミニウ
ム−チタン金属間化合物複合材料の製造方法、及び出発
原料として用いられる不純物含有二酸化チタンを提供す
ることを目的とするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made based on such findings and experimental facts, and is a particle-reinforced high-hardness composite material which has solved the above-mentioned problems centered on hardness. In the process of compounding titanium dioxide containing impurities and aluminum or aluminum alloy, first, an unreacted composite material is prepared, and the unreacted composite material is used as a precursor at a temperature in the solid phase range of the matrix to advance the curing reaction. By controlling (adjusting the amount ratio of reaction products) , alumina-dispersed aluminum containing specific impurities that can be material-designed in a wide range from aluminum alloy hardened materials to alumina-dispersed aluminum-titanium intermetallic compound composite materials
Method for producing titanium-titanium intermetallic compound composite material and starting method
It is an object of the present invention to provide an impurity-containing titanium dioxide used as a raw material .

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、特定の不純物を含有するアルミナ分散アル
ミニウム−チタン金属間化合物複合材料の製造方法であ
って、ルチル結晶系の二酸化チタンに、その酸化物中で
チタンイオン(Ti2+)より大きいイオン半径を有し、か
つ、二酸化チタンに対する重量比がその酸化物換算で
0.01%以上となるように組成調整される一又は複数
の特定元素であって少なくともIA族のナトリウム、ル
ビジウム、セシウム、及びIIA族のカルシウム、ストロ
ンチウム、バリウムの金属元素群から選択されたもの
不純物として含有させ、該不純物含有二酸化チタンとア
ルミニウムあるいはアルミニウム合金とを複合して未反
応複合材料を作製し、これを前駆体としてマトリックス
の固相域温度で熱処理してα−アルミナとアルミニウム
−チタン金属間化合物を反応生成させるとともに、その
組織調整を含む硬化反応を制御することを特徴とするも
のである。
Means for Solving the Problems The present invention to achieve the above object, alumina dispersed aluminum containing specific impurities - A method of manufacturing a titanium intermetallic compound composite material, the titanium dioxide of the rutile crystal system One or more components whose ionic radius is larger than titanium ion (Ti 2+ ) in the oxide and whose weight ratio to titanium dioxide is 0.01% or more in terms of the oxide. A specific element of at least Group IA,
Vidium, Cesium, and Group IIA Calcium, Stra
An element selected from the group consisting of metal elements such as nium and barium is contained as an impurity, and the titanium dioxide containing the impurity is combined with aluminum or an aluminum alloy to form an unreacted composite material. It is characterized in that it is heat-treated at a local temperature to react and produce α-alumina and an aluminum-titanium intermetallic compound, and to control the curing reaction including the structure adjustment.

【0014】ここで、アルミニウムあるいはアルミニウ
ム合金に対する上記不純物含有二酸化チタンの容積比が
3%以上70%以下である。
Here, aluminum or aluminum
Volume ratio of the impurity-containing titanium dioxide to
3% or more and 70% or less.

【0015】また、アルミニウムあるいはアルミニウム
合金と二酸化チタンとの酸化還元反応を利用する前駆体
として特定の不純物を含有するアルミニウム−二酸化チ
タン未反応複合材料を作製し、これをマトリックスの固
相域温度で熱処理してα−アルミナとアルミニウム−チ
タン金属間化合物を反応生成させるとともに、その組織
調整を含む硬化反応を制御することにより得ることがで
きる特定の不純物を含有するアルミナ分散アルミニウム
−チタン金属間化合物複合材料の出発原料として用いら
れる不純物含有二酸化チタンであって、以下の性状を有
することを特徴とするものである。 (a)二酸化チタンがルチル結晶系を有する。 (b)不純物が、未反応複合化後の固相反応に寄与する
一又は複数の特定元素であり、酸化物中でチタンイオン
(Ti2+)より大きいイオン半径を有し、かつ、二酸化チ
タンに対する重量比がその酸化物換算で0.01%以上
となるように組成調整される。(c)上記不純物としての一又は複数の特定元素が、少
なくともIA族のナトリウム、ルビジウム、セシウム、
及びIIA族のカルシウム、ストロンチウム、バリウムの
金属元素群から選択されるものである。
Further, aluminum or aluminum
Precursor utilizing redox reaction between alloy and titanium dioxide
Aluminum-dioxide containing certain impurities as
A non-reacted composite material is prepared and this is
Α-alumina and aluminum
Reaction and intercalation of the intermetallic compound
Can be obtained by controlling the curing reaction, including adjustment.
Alumina-dispersed aluminum containing specific impurities
-An impurity-containing titanium dioxide used as a starting material of a titanium intermetallic compound composite material , having the following properties. (A) The titanium dioxide has a rutile crystal system. (B) the impurity is one or more specific elements that contribute to the solid-phase reaction after unreacted complexation, has an ionic radius larger than titanium ion (Ti 2+ ) in the oxide, and The composition is adjusted so that the weight ratio with respect to the oxide is 0.01% or more in terms of oxide. (C) one or more specific elements as impurities are small;
At least sodium, rubidium, cesium,
Of group IIA calcium, strontium and barium
It is selected from the group of metal elements.

【0016】[0016]

【実施例】本発明の実施例について図面(組織写真を含
む。)を参照して以下説明する。(以下、実施例の記載
中では物質名を化学式で表示する。)
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings (including a photograph of a structure). (Hereinafter, the substance names are indicated by chemical formulas in the description of the examples.)

【0017】TiO(ルチル)の粉末に、それぞれ
K,Na,Ca,Ba,Sr,Cs,Rbから選択した
一又は複数の酸化物、ここではNaOをTiO(ル
チル)に対し、重量比で0.3%の微量を添加し、遊星
運動式ボールミルでよく混合する。ついでこれを冷間で
加圧成形し、この成形体を電気炉で800〜1000℃
に加熱して、添加した不純物元素をTiOの結晶粒内
に拡散進入させる処理を施す。同時に、成形体は仮焼結
状態となって成形体の強度がでるようになる。
[0017] powder TiO 2 (rutile), for each K, Na, Ca, Ba, Sr, Cs, one or more oxides selected from Rb, wherein TiO 2 and Na 2 O is (rutile), Add a small amount of 0.3% by weight and mix well with a planetary ball mill. Then, it is cold-pressed and molded in an electric furnace at 800 to 1000 ° C.
Is applied to diffuse the impurity element into the TiO 2 crystal grains. At the same time, the compact is in a pre-sintered state, and the strength of the compact is increased.

【0018】次にこれを複合材料のプリフォーム〔Ti
(ルチル)の体積率が約40%〕として金型ととも
に250℃以下で加熱し、700℃以下に調整した所定
量のAlの溶湯を注入し、直ちに加圧して複合化をおこ
なう。この複合化条件で複合処理した材料は、ほとんど
反応することなく複合化して図1の組織写真にみられる
とおり均質な顕微鏡組織を呈する。
Next, this was used as a preform of composite material [Ti
The volume ratio of O 2 (rutile) is about 40%], the mixture is heated together with the mold at 250 ° C. or lower, a predetermined amount of molten aluminum adjusted to 700 ° C. or lower is injected, and immediately pressurized to form a composite. The material subjected to the composite treatment under the composite conditions is composited with almost no reaction and exhibits a homogeneous microscopic structure as shown in the structure photograph of FIG.

【0019】つづいて600℃で5時間熱処理を施し反
応硬化させる。この顕微鏡組織写真を図2に示す。この
材料及び熱処理条件では、反応によってマトリックスは
最初のAlからAl/Ti金属間化合物(2)に変化
し、α−Al(1)が均一に分散した組織を得る
ことができる。このように一万倍という高倍率にもかか
わらず均質な組織を示している。ただし、この組織の大
きさは使用するTiOの大きさにも依存する。
Subsequently, a heat treatment is performed at 600 ° C. for 5 hours to cure by reaction. FIG. 2 shows a photograph of the microstructure. Under this material and heat treatment conditions, the matrix changes from the initial Al to the Al / Ti intermetallic compound (2) by the reaction, and a structure in which α-Al 2 O 3 (1) is uniformly dispersed can be obtained. As described above, a homogeneous tissue is shown in spite of a high magnification of 10,000 times. However, the size of this structure also depends on the size of TiO 2 used.

【0020】次に、図1(写真)にみられる未反応な複
合材料について、二酸化チタンに含有させる不純物元素
を変更した各々の場合の示差熱分析(DTA)の結果を
図3〜図10に示す。
Next, with respect to the unreacted composite material shown in FIG. 1 (photograph), the results of differential thermal analysis (DTA) in each case where the impurity element contained in titanium dioxide was changed are shown in FIGS. Show.

【0021】ここで、各DTA曲線が示す複合材料は、
図3が不純物をほとんど含まないTiO(ルチル)−
Al複合材料、図4がNaをその酸化物(NaO)と
して0.3%含むTiO(ルチル)−Al複合材料、
図5がKをその酸化物(KO)として0.3%含むT
iO(ルチル)−Al複合材料、図6がCaをその酸
化物(CaO)として0.3%含むTiO(ルチル)
−Al複合材料、図7がRbをその酸化物(RbO)
として0.3%含むTiO(ルチル)−Al複合材
料、図8がSrをその酸化物(SrO)として0.3%
含むTiO(ルチル)−Al複合材料、図9がCsを
その酸化物(CsO)として0.3%含むTiO
(ルチル)−Al複合材料及び図10がBaをその酸
化物(BaO)として0.3%含むTiO(ルチル)
−Al複合材料である。
Here, the composite material indicated by each DTA curve is as follows:
FIG. 3 shows TiO 2 (rutile)-containing almost no impurities.
Al composite material, FIG. 4 shows a TiO 2 (rutile) -Al composite material containing 0.3% of Na as its oxide (Na 2 O),
FIG. 5 shows T containing 0.3% of K as its oxide (K 2 O).
iO 2 (rutile) -Al composite material, the oxide 6 is Ca (CaO) as 0.3% containing TiO 2 (rutile)
-Al composite material, FIG. 7 shows Rb as its oxide (Rb 2 O)
8 (TiO 2 (rutile) -Al composite material containing 0.3% as Sr, 0.3% of Sr as its oxide (SrO)
FIG. 9 shows TiO 2 (rutile) -Al composite material containing 0.3% of Cs as its oxide (Cs 2 O)
2 (rutile) -Al composite material and FIG. 10 shows TiO 2 (rutile) containing 0.3% of Ba as its oxide (BaO).
-Al composite material.

【0022】上記した各図のピーク付近(ΔTが急変す
る低温側)に注目すると、図3は不純物を添加していな
いTiO(ルチル)の場合であり、これによるとAl
の融点より高い温度で発熱反応を示すが、各不純物を添
加したTiO(ルチル)場合(図4〜図10)では、
Alの融点より低い温度でも発熱反応があらわれるよう
になることがみてとれる。
Focusing on the vicinity of the peak in each of the above figures (low temperature side where ΔT changes rapidly), FIG. 3 shows the case of TiO 2 (rutile) to which impurities are not added.
Exothermic reaction at a temperature higher than the melting point of TiO 2 (rutile) to which each impurity is added (FIGS. 4 to 10).
It can be seen that an exothermic reaction occurs even at a temperature lower than the melting point of Al.

【0023】また、特定の不純物元素のうちNaを添加
したTiO(ルチル)−Al複合材料が熱処理によっ
て反応し、硬化してゆく例を図11に示す。ここでは、
Naをその酸化物(NaO)比で0.2重量%含有す
るTiO(ルチル)粉末とAlとの複合材料〔TiO
(ルチル)の体積率がAlに対し約40%〕を500
〜600℃の温度範囲で熱処理した場合の時間に対する
硬化の度合い〔ビッカース硬さ:Hv(500)〕を示
している。さらに、この材料を600℃で処理前、40
0秒、1時間及び42時間熱処理したときの複合材料の
X線回折による分析結果を図12に示す。
FIG. 11 shows an example in which a TiO 2 (rutile) -Al composite material to which Na among specific impurity elements is added reacts and cures by heat treatment. here,
Composite material of TiO 2 (rutile) powder containing 0.2% by weight of Na in terms of its oxide (Na 2 O) ratio and Al [TiO 2
2 (rutile) is about 40% based on Al]
The graph shows the degree of curing [Vickers hardness: Hv (500)] with respect to time when heat treatment is performed in a temperature range of up to 600 ° C. In addition, the material was treated at 600 ° C. before
FIG. 12 shows the results of X-ray diffraction analysis of the composite material after the heat treatment for 0 second, 1 hour, and 42 hours.

【0024】この材料ではAl融点前の600℃付近か
ら緩やかな発熱反応が認められ(図4)、例えばこの温
度(600℃)に熱処理するとビッカース硬さは処理前
(複合時)のHv≒220から1時間熱処理後のHv≒
450、24時間熱処理後のHv≒720、42時間熱
処理後のHv≒750へ熱処理時間とともに増大する
(図11)。そして、この間反応生成物であるα−Al
とAl/Ti金属間化合物(主にAlTi)が
明瞭にあらわれ徐々にその量を増してゆき、最終的にそ
れらが反応生成物にすべて変わってしまう。すなわち、
図12に示すとおり熱処理前はAlとTiOの回折ピ
ークしかみられないが、熱処理時間が長くなるにしたが
いα−AlとAlTiの回折ピークが高くなっ
ているのが認められる。
In this material, a mild exothermic reaction is observed from around 600 ° C. before the melting point of Al (FIG. 4). For example, when heat treatment is performed at this temperature (600 ° C.), the Vickers hardness becomes Hv ≒ 220 before the treatment (when combined). Hv ≒ after heat treatment for 1 hour
Hv ≒ 720 after heat treatment at 450 and 24 hours and Hv ≒ 750 after heat treatment at 42 hours increase with heat treatment time (FIG. 11). The reaction product α-Al
2 O 3 and the Al / Ti intermetallic compound (mainly Al 3 Ti) appear clearly and gradually increase in their amounts, and eventually they all turn into reaction products. That is,
As shown in FIG. 12, before the heat treatment, only diffraction peaks of Al and TiO 2 are observed, but as the heat treatment time increases, the diffraction peaks of α-Al 2 O 3 and Al 3 Ti increase. .

【0025】このときの反応生成物は高純度TiO
(ルチル)−Al複合材料の融点付近であらわれる反
応生成物と同じであり、ゆえに上記不純物の反応に及ぼ
す効果は、反応開始温度を固相域温度、すなわち低温側
にシフトさせるものであるといえる。
The reaction product at this time is high-purity TiO.
2 (rutile) -Al composite material is the same as the reaction product that appears near the melting point, and therefore the effect of the impurities on the reaction is to shift the reaction initiation temperature to the solid phase temperature, that is, to the low temperature side. I can say.

【0026】また、Naをその酸化物(NaO)比で
0.2重量%含有するTiO(ルチル)粉末とAl鋳
造用合金のAC4C(JIS規格)との複合材料〔Ti
(ルチル)の体積率がAC4C材に対し約40%〕
は、複合時点の硬さがビッカース硬さでHv≒240な
のに対し、これを540℃で1時間熱処理するとHv≒
400になり、さらに540℃で30時間熱処理すると
Hv≒600程度に硬化する。
Further, the oxide Na (Na 2 O) ratio of a composite material of TiO 2 containing 0.2 wt% (rutile) powder and Al casting alloy AC4C (JIS standard) [Ti
O 2 to about 40% volume fraction of (rutile) Whereas AC4C material]
Is that the hardness at the time of compounding is Hv ス 240 in Vickers hardness, but when this is heat-treated at 540 ° C. for 1 hour, Hv ≒
400 and further heat-treated at 540 ° C. for 30 hours to be cured to about Hv ≒ 600.

【0027】この場合、AC4CがSi[6.5〜7.
5%]とMg[0.25〜0.45%]を含んでいるの
で、これらとTiとの化合物を生成し、上述の図11の
場合と比べ熱処理時間に対する硬さの変化は多少異なっ
てくる。
In this case, AC4C is Si [6.5-7.
5%] and Mg [0.25 to 0.45%], a compound of these and Ti is generated, and the change in hardness with respect to the heat treatment time is slightly different from that in the case of FIG. 11 described above. come.

【0028】なお、Al合金がSi,Mg,Cu等の合
金元素を含む場合は、反応生成物としてα−Al
とAl/Ti金属間化合物に加えてこれら合金元素とT
iを含む化合物が多元的に生成する場合がある。
When the Al alloy contains alloy elements such as Si, Mg and Cu, α-Al 2 O 3 is used as a reaction product.
Alloying elements and T / Al / Ti intermetallic compounds
Compounds containing i may be generated in plural.

【0029】このように、本発明は純Alにとどまらず
Al合金についてもTiO(ルチル)との間で所望の
複合材料が得られ、材料設計の範囲は広い。すなわち、
TiO(ルチル)の体積率と熱処理条件により反応の
進行度(反応生成物量)を制御し、材料設計上アルミニ
ウム合金の硬化材料からアルミナ分散アルミニウム−チ
タン金属間化合物複合材料までを包摂する複合材料とい
えるものである。
As described above, in the present invention, a desired composite material can be obtained not only from pure Al but also from TiO 2 (rutile) for Al alloy, and the range of material design is wide. That is,
A composite material that controls the progress of the reaction (reaction product amount) by the volume ratio of TiO 2 (rutile) and the heat treatment conditions, and covers from aluminum alloy hardened material to alumina dispersed aluminum-titanium intermetallic compound composite material in material design. It can be said that.

【0030】[0030]

【発明の効果】本発明は以上の構成よりなるものであ
り、不純物含有二酸化チタン(ルチル)を調製してアル
ミニウム(合金)と複合することにより、未反応複合材
料が作製でき、これを前駆体としてマトリックス(アル
ミニウム合金)の固相域温度で熱処理することができ
る。すなわち、固相反応によりα−アルミナとアルミニ
ウム−チタン金属間化合物を反応生成させ、その組織調
整を含む硬化反応(反応生成物の量比)を制御できるの
で、材料設計が容易であり、かつ、軽量高硬度の耐熱耐
摩耗材料が得られる。しかも、硬化前の未反応複合材料
に対して機械加工が施せるという利点がある。
According to the present invention, there is provided the present invention comprising the steps of preparing impurity-containing titanium dioxide (rutile),
Unreacted composite material by compounding with minium (alloy)
Can be prepared, and this is used as a precursor to a matrix (Al
Minium alloy)
You. That is, α-alumina and aluminum
Reaction between the metal-titanium intermetallic compound and its texture
Can control the curing reaction (volume ratio of reaction products)
Easy material design, light weight, high hardness, heat resistance
Wear material is obtained. Moreover, unreacted composite material before curing
Has the advantage that it can be machined.

【0031】このように硬化反応を制御することによ
り、この種の材料について、未反応複合材料を含みアル
ミニウム合金の硬化材料からアルミナ分散アルミニウム
−チタン金属間化合物複合材料までを包摂する種々の硬
質な複合材料を提供できるので、産業上極めて高い価値
を有するものである。
By controlling the curing reaction in this way,
For this type of material, various hardening materials, from unhardened composite materials, including unreacted composite materials, to alumina-dispersed aluminum-titanium intermetallic compound composite materials are included.
Since it can provide a high quality composite material , it has extremely high industrial value.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例におけるNaをその酸化物
(NaO)として0.3%含むTiO(ルチル)−
Al複合材料組織の電子顕微鏡写真である。
FIG. 1 shows TiO 2 (rutile)-containing 0.3% of Na as its oxide (Na 2 O) in one embodiment of the present invention.
It is an electron micrograph of an Al composite material structure.

【図2】同材料を熱処理して硬化させたものの電子顕微
鏡写真である。
FIG. 2 is an electron micrograph of the same material cured by heat treatment.

【図3】不純物をほとんど含まないTiO(ルチル)
−Al複合材料のDTA曲線を示す説明図である。
FIG. 3 TiO 2 (rutile) containing almost no impurities
It is explanatory drawing which shows the DTA curve of -Al composite material.

【図4】Naをその酸化物(NaO)として0.3%
含むTiO(ルチル)−Al複合材料のDTA曲線を
示す説明図である。
FIG. 4: 0.3% of Na as its oxide (Na 2 O)
It is an explanatory view showing a DTA curve of TiO 2 (rutile) -Al composite material comprising.

【図5】Kをその酸化物(KO)として0.3%含む
TiO(ルチル)−Al複合材料のDTA曲線を示す
説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a DTA curve of a TiO 2 (rutile) -Al composite material containing 0.3% of K as its oxide (K 2 O).

【図6】Caをその酸化物(CaO)として0.3%含
むTiO(ルチル)−Al複合材料のDTA曲線を示
す説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a DTA curve of a TiO 2 (rutile) -Al composite material containing 0.3% of Ca as its oxide (CaO).

【図7】Rbをその酸化物(RbO)として0.3%
含むTiO(ルチル)−Al複合材料のDTA曲線を
示す説明図である。
FIG. 7: 0.3% of Rb as its oxide (Rb 2 O)
It is an explanatory view showing a DTA curve of TiO 2 (rutile) -Al composite material comprising.

【図8】Srをその酸化物(SrO)として0.3%含
むTiO(ルチル)−Al複合材料のDTA曲線を示
す説明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a DTA curve of a TiO 2 (rutile) -Al composite material containing 0.3% of Sr as its oxide (SrO).

【図9】Csをその酸化物(CsO)として0.3%
含むTiO(ルチル)−Al複合材料のDTA曲線を
示す説明図である。
FIG. 9 shows Cs as an oxide (Cs 2 O) of 0.3%
It is an explanatory view showing a DTA curve of TiO 2 (rutile) -Al composite material comprising.

【図10】Baをその酸化物(BaO)として0.3%
含むTiO(ルチル)−Al複合材料のDTA曲線を
示す説明図である。
FIG. 10: 0.3% of Ba as its oxide (BaO)
It is an explanatory view showing a DTA curve of TiO 2 (rutile) -Al composite material comprising.

【図11】Naをその酸化物(NaO)として0.2
%含むTiO(ルチル)−Al複合材料を熱処理した
ときの熱処理時間に対する硬化曲線を示す説明図であ
る。
FIG. 11 is a graph showing Na as an oxide (Na 2 O) of 0.2
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a curing curve with respect to a heat treatment time when a TiO 2 (rutile) -Al composite material containing 0.1% is heat-treated.

【図12】同材料を600℃で熱処理したときの各熱処
理時間での複合材料のX線回折による分析結果を示す説
明図である。
FIG. 12 is an explanatory diagram showing an analysis result by X-ray diffraction of a composite material at each heat treatment time when the material is heat-treated at 600 ° C.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 α−Al(粒子) 2 Al/Ti金属間化合物(マトリックス)1 α-Al 2 O 3 (particles) 2 Al / Ti intermetallic compound (matrix)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 アルミニウムあるいはアルミニウム合金
と二酸化チタンとの酸化還元反応を利用した粒子強化型
の高硬度複合材料を得るために、ルチル結晶系の 二酸化チタンに、その酸化物中でチタン
イオン(Ti2+)より大きいイオン半径を有し、かつ、二
酸化チタンに対する重量比がその酸化物換算で0.01
%以上となるように組成調整される一又は複数の特定元
であって少なくともIA族のナトリウム、ルビジウ
ム、セシウム、及びIIA族のカルシウム、ストロンチウ
ム、バリウムの金属元素群から選択されたものを不純物
として含有させ、該不純物含有二酸化チタンとアルミニ
ウムあるいはアルミニウム合金とを複合して未反応複合
材料を作製し、これを前駆体としてマトリックスの固相
域温度で熱処理してα−アルミナとアルミニウム−チタ
ン金属間化合物を反応生成させるとともに、その組織調
整を含む硬化反応を制御することを特徴とする特定の不
純物を含有するアルミナ分散アルミニウム−チタン金属
間化合物複合材料の製造方法。
1. In order to obtain a particle-reinforced high-hardness composite material utilizing an oxidation-reduction reaction between aluminum or an aluminum alloy and titanium dioxide, a rutile crystal titanium dioxide and a titanium ion (Ti) 2+ ) having a larger ionic radius and having a weight ratio to titanium dioxide of 0.01
% Or more of one or more specific elements whose composition is adjusted to be at least
, Cesium, and calcium of group IIA, strontium
An unreacted composite material is prepared by mixing an impurity selected from the group consisting of metal elements barium and barium as an impurity, and combining the titanium dioxide containing the impurity with aluminum or an aluminum alloy. Alumina-dispersed aluminum-titanium metal containing specific impurities, characterized in that it is heat-treated at a local temperature to form a reaction between α-alumina and an aluminum-titanium intermetallic compound, and controls a hardening reaction including adjustment of its structure. A method for producing a compound composite material.
【請求項2】 アルミニウムあるいはアルミニウム合金
に対する上記不純物含有二酸化チタンの容積比が3%以
上70%以下である請求項1記載の特定の不純物を含有
するアルミナ分散アルミニウム−チタン金属間化合物複
合材料の製造方法。
2. The production of an alumina-dispersed aluminum-titanium intermetallic compound composite material containing a specific impurity according to claim 1, wherein the volume ratio of said impurity-containing titanium dioxide to aluminum or aluminum alloy is 3% or more and 70% or less. Method.
【請求項3】 アルミニウムあるいはアルミニウム合金
と二酸化チタンとの酸化還元反応を利用する前駆体とし
て特定の不純物を含有するアルミニウム−二酸化チタン
未反応複合材料を作製し、これをマトリックスの固相域
温度で熱処理してα−アルミナとアルミニウム−チタン
金属間化合物を反応生成させるとともに、その組織調整
を含む硬化反応を制御することにより得ることができる
特定の不純物を含有するアルミナ分散アルミニウム−チ
タン金属間化合物複合材料の出発原料であって、 以下の性状を有することを特徴とする不純物含有二酸化
チタン。 (a)二酸化チタンがルチル結晶系を有する。 (b)不純物が、未反応複合化後の固相反応に寄与する
一又は複数の特定元素であり、酸化物中でチタンイオン
(Ti2+)より大きいイオン半径を有し、かつ、二酸化チ
タンに対する重量比がその酸化物換算で0.01%以上
となるように組成調整される。(c)上記不純物としての一又は複数の特定元素が、少
なくともIA族のナトリウム、ルビジウム、セシウム、
及びIIA族のカルシウム、ストロンチウム、バリウムの
金属元素群から選択されるものである。
3. An aluminum-titanium dioxide unreacted composite material containing a specific impurity is prepared as a precursor utilizing a redox reaction between aluminum or an aluminum alloy and titanium dioxide, and the composite material is heated at the solidus temperature of the matrix. Alumina-dispersed aluminum-titanium intermetallic compound composite containing specific impurities that can be obtained by heat-treating to produce α-alumina and aluminum-titanium intermetallic compound and controlling the hardening reaction including its structure adjustment An impurity-containing titanium dioxide, which is a starting material of a material and has the following properties. (A) The titanium dioxide has a rutile crystal system. (B) the impurity is one or more specific elements that contribute to the solid-phase reaction after unreacted complexation, has an ionic radius larger than titanium ion (Ti 2+ ) in the oxide, and The composition is adjusted so that the weight ratio with respect to the oxide is 0.01% or more in terms of oxide. (C) one or more specific elements as impurities are small;
At least sodium, rubidium, cesium,
Of group IIA calcium, strontium and barium
It is selected from the group of metal elements.
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