JP3035648B2 - 繊維強化金属材料及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、繊維強化金属材料
及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、航空宇宙産業を始めとする多くの
産業分野における技術的発展に伴い、従来の金属材料に
比較してより高温に耐え、より高強度、高弾性率、高硬
度の新素材が要求されつつある。

【０００３】金属材料の中でも、アルミニウム又はアル
ミニウム合金は、比重が軽く、易加工性であるため、航
空機、自動車、建材を始め、化学機械においても多用さ
れている材料である。これらにつき、更に機械的強度を
向上させる目的で炭化珪素、窒化珪素、炭素、酸化アル
ミニウム、チタン酸カリウム及びホウ酸アルミニウム等
の繊維を配合して繊維強化金属材料とすることが提案さ
れている。

【０００４】しかしながら、炭化珪素、窒化珪素、炭
素、酸化アルミニウム等の各繊維は、いずれも非常に高
価であるためその用途範囲は限られている。また、炭化
珪素ウィスカ、窒化珪素ウィスカ及び酸化アルミニウム
繊維は、熱膨張率がアルミニウムに比べて極めて小さい
ために、急熱急冷の熱サイクルによる熱歪が起こり、材
料が劣化しやすいという欠点を有している。

【０００５】またチタン酸カリウムウィスカ及びホウ酸
アルミニウムウィスカ等は、ウィスカ径が０．１〜１μ
ｍと極めて小さく、それ故溶浸法等の含浸による複合化
の際、含浸に対する抵抗が大きいために割れや変形を生
じやすくなり、繊維強化金属材料の製造に当たっての制
約が大きいという欠点を有している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、機械
的強度及び耐熱性に優れた繊維強化金属材料を安価且つ
安定的に提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、化学式
Ａ_VＢａ_WＭ¹ _XＭ² _YＴｉ_8-ZＯ₁₆（式中、Ａはアルカリ
金属より選ばれる少なくとも一種を、Ｍ¹はＭｇ、Ｃ
ｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｕ及びＭｎより選ばれる少なくとも
一種を、Ｍ²はＡｌ、Ｓｃ、Ｃｒ、Ｆｅ及びＧａより選
ばれる少なくとも一種を、それぞれ示す。Ｖ、Ｗ、Ｘ、
Ｙ及びＺは、０．５≦２Ｘ＋Ｙ≦２．５、２Ｘ＋Ｙ＝Ｖ
＋２Ｗ、Ｚ＝Ｘ＋Ｙを満足する実数である。但し、Ｗ及
びＸが共に０であり、ＡがＫであり且つＭ²がＡｌであ
る場合を除く。）で示される組成を有し且つウィスカ内
部に０〜７０体積％の気孔を有するチタン酸塩繊維をア
ルミニウムもしくはアルミニウム合金に複合してなる繊
維強化金属材料が提供される。

【０００８】また本発明によれば、チタン酸塩繊維及び
粉末アルミニウムもしくは粉末アルミニウム合金を、チ
タン酸塩繊維が全量の５〜４０体積％となる割合で混合
し、成型した後、加熱焼結することを特徴とする前記繊
維強化金属材料の製造方法が提供される。

【０００９】更にまた本発明によれば、チタン酸塩繊維
を主成分とするプリフォームを成型し、このプリフォー
ムに金型内でアルミニウム又はアルミニウム合金の溶湯
を加圧下に含浸することを特徴とする前記繊維強化金属
材料の製造方法が提供される。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明において、マトリックスと
して用いる金属材料としては、アルミニウムもしくはア
ルミニウム合金を用いる。粉末冶金法にて本発明繊維強
化金属材料を製造する場合、原料として用いるアルミニ
ウムもしくはアルミニウム合金としては、好ましくは粒
径が１００μｍ以下、更に好ましくは５０μｍ以下の粉
末状物を用いるがよく、中でも表面の酸化程度が少ない
ものが焼結性の点で適しているため望ましい。また、ア
ルミニウム合金としてはＡＤＣ１２合金が好ましく用い
られる。

【００１１】本発明で用いられるチタン酸塩繊維は、化
学式 Ａ_VＢａ_WＭ¹ _XＭ² _YＴｉ_8-ZＯ₁₆（式中、Ａはアル
カリ金属より選ばれる少なくとも一種を、Ｍ¹はＭｇ、
Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｕ及びＭｎより選ばれる少なくと
も一種を、Ｍ²はＡｌ、Ｓｃ、Ｃｒ、Ｆｅ及びＧａより
選ばれる少なくとも一種を、それぞれ示す。Ｖ、Ｗ、
Ｘ、Ｙ及びＺは、０．５≦２Ｘ＋Ｙ≦２．５、２Ｘ＋Ｙ
＝Ｖ＋２Ｗ、Ｚ＝Ｘ＋Ｙを満足する実数である。但し、
Ｗ及びＸが共に０であり、ＡがＫであり且つＭ²がＡｌ
である場合を除く。）で示される組成を有し且つウィス
カ内部に０〜７０体積％の気孔を有するチタン酸塩繊維
である。

【００１２】本発明で用いるチタン酸塩繊維は、例えば
以下に示す方法に従い製造される。

【００１３】チタン酸塩繊維は、カリウム供給成分及び
チタン供給成分となるチタン酸カリウム繊維を、金属Ｍ
¹及びＭ²供給成分（以下、金属Ｍ¹及びＭ²供給成分をま
とめて「金属Ｍ」という）や金属Ａ及びＢａ供給成分
（以下、金属Ａ及びＢａ供給成分をまとめて「金属Ａ」
という）の化合物で被覆し、これを特定の溶融剤の存在
下にて加熱し、更に冷却することにより製造される。こ
の方法によれば、各成分が最近接に存在した状態となる
ため、効率よく反応を進行させることができる。

【００１４】この方法において、カリウム供給成分及び
チタン供給成分となるチタン酸カリウム繊維の組成とし
ては特に限定はなく従来公知のものが広く使用される
が、例えば一般式ａＫ₂Ｏ・ＴｉＯ₂・ｍＨ₂Ｏ（式中
ａ、ｍはそれぞれ０＜ａ≦１、０≦ｍ≦１０の数を示
す）で示されるチタン酸カリウム繊維を好適に使用でき
る。斯かるチタン酸カリウム繊維の形状としては、繊維
径０．０１〜５μｍ、繊維長３〜３００μｍ、好ましく
は繊維径０．１〜３μｍ、繊維長５〜２００μｍのウィ
スカ状のものを用いられる。繊維径又は繊維長が小さす
ぎると、凝集性が大きくなり、生成するチタン酸塩繊維
が単離の困難な凝集物となる傾向が生じ好ましくない。
また繊維径又は繊維長が大きすぎると、表面活性が低下
するため金属Ｍ供給成分又は金属Ａ供給成分の均一な被
覆が困難となり、その結果、目的物中に未反応の金属Ｍ
及び金属Ａの酸化物やチタン酸カリウム等が混入する虞
れを生じるため好ましくない。

【００１５】金属Ｍ化合物又は金属Ｍ化合物及び金属Ａ
化合物で表面が被覆されているチタン酸カリウム繊維
は、例えば、（イ）金属Ｍ又は金属ＭとＢａの硫酸塩、
ハロゲン化物、硝酸塩、水酸化物及びアルコラート類か
らなる群から選ばれた少なくとも一種とチタン酸カリウ
ムとを反応させる方法、（ロ）金属Ｍ又は金属ＭとＢａ
の硫酸塩、ハロゲン化物、硝酸塩、水酸化物及びアルコ
ラート類からなる群より選ばれた少なくとも一種とアル
カリ金属の水酸化物、アルカリ金属の炭酸塩、アルカリ
金属と金属Ｍの複合酸化物塩、アンモニウムの炭酸塩、
アンモニウムの水酸化物及び炭酸ガスからなる群より選
ばれた少なくとも一種とを反応させてチタン酸カリウム
繊維表面に沈着させる方法等により製造され得る。

【００１６】ここで金属Ｍ及びＢａの硫酸塩としては、
硫酸バリウム、硫酸アルミニウム、硫酸マグネシウム、
硫酸コバルト、硫酸ニッケル、硫酸亜鉛、硫酸スカンジ
ウム、硫酸銅、硫酸マンガン、硫酸クロム、硫酸ガリウ
ム及び硫酸鉄等が挙げられる。金属Ｍ及びＢａのハロゲ
ン化物としては、塩化バリウム、塩化アルミニウム、塩
化マグネシウム、塩化コバルト、塩化ニッケル、塩化亜
鉛、塩化スカンジウム、塩化銅、塩化マンガン、塩化ク
ロム、塩化ガリウム及び塩化鉄等が挙げられる。金属Ｍ
及びＢａの硝酸塩としては、硝酸バリウム、硝酸アルミ
ニウム、硝酸マグネシウム、硝酸コバルト、硝酸ニッケ
ル、硝酸亜鉛、硝酸スカンジウム、硝酸銅、硝酸マンガ
ン、硝酸クロム、硝酸ガリウム及び硝酸鉄等が挙げられ
る。金属Ｍ及びＢａの水酸化物としては、水酸化バリウ
ム、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化
コバルト、水酸化ニッケル、水酸化亜鉛、水酸化スカン
ジウム、水酸化銅、水酸化マンガン、水酸化クロム、水
酸化ガリウム及び水酸化鉄等が挙げられる。金属Ｍ及び
Ｂａのアルコラート類としては、アルミニウムアルコラ
ート等が挙げられる。

【００１７】またアルカリ金属の水酸化物としては、例
えば水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウ
ム、水酸化ルビジウム及び水酸化セシウム等が挙げられ
る。アルカリ金属の炭酸塩としては、炭酸リチウム、炭
酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ルビジウム及び炭酸
セシウム等が挙げられる。アルカリ金属と金属Ｍの複合
酸化物としては、例えばアルミン酸ナトリウム及びアル
ミン酸カリウム等が挙げられる。アンモニウムの炭酸塩
としては、炭酸アンモニウム及び重炭酸アンモニウムが
挙げられる。

【００１８】チタン酸カリウム繊維の表面を金属Ｍ化合
物又は金属Ｍ化合物及び金属Ａ化合物で被覆するに際し
ては、水中にチタン酸カリウム繊維を分散させて反応さ
せる方法を採用するのが好ましい。その際、用いる金属
Ｍ化合物の量〔金属Ｍ化合物及び金属Ａ化合物（Ｂａ化
合物及びアルカリ金属化合物）を用いる場合にはこれら
化合物の合計量〕としてはチタン酸カリウム繊維中のチ
タンに対するモル比として同様に、１：２〜１：２０の
割合となるようにするのが好ましい。この被覆反応は通
常５〜８０℃、好ましくは１０〜５０℃にて１〜５時間
程度で進行させることができる。このようにして生成す
る金属Ｍ化合物又は金属Ｍ化合物と金属Ａ化合物で被覆
されたチタン酸カリウム繊維は必要に応じて水等で洗浄
した後、乾燥して次の工程に供することができる。

【００１９】上記方法で使用される溶融剤としては、ア
ルカリ金属の塩化物、アルカリ金属の硫酸塩及びアルカ
リ金属の臭化物より選ばれた少なくとも一種が挙げられ
る。

【００２０】アルカリ金属の塩化物としては、塩化カリ
ウム、塩化ナトリウム等が挙げられる。アルカリ金属の
硫酸塩としては、硫酸カリウム、硫酸ナトリウムが挙げ
られる。アルカリ金属の臭化物としては、臭化カリウ
ム、臭化ナトリウム等が挙げられる。これらは一種又は
二種以上を混合して用いられる。これらの溶融剤は予め
ジェットミル等の粉砕機により粒度を細かくして用いて
もよい。また溶融剤はチタン酸カリウム繊維表面に被覆
を行う工程において水中に溶解させておいてもよい。溶
融剤は、金属Ｍ化合物もしくは金属Ｍ化合物と金属Ａ化
合物で被覆されたチタン酸カリウム繊維の合計量の５０
〜９０重量％となるように添加することが好ましい。

【００２１】金属Ｍ化合物もしくは金属Ｍ化合物と金属
Ａ化合物で被覆されたチタン酸カリウム繊維は、前記溶
融剤の存在下、９００〜１３００℃の温度範囲で、通常
１０分〜１０時間程度反応させることにより、チタン酸
塩繊維となる。この際、加熱温度が９００℃を下回る
と、原料物質が未反応なまま残ってしまい、チタン酸塩
繊維の単一相を得ることが難しくなるため好ましくな
い。また反応温度が長時間に亙って１３００℃を上回る
と、繊維間の溶着やアスペクト比の低下もしくは結晶の
粗大化及び多結晶化が起こり易くなるため好ましくな
い。

【００２２】また、結晶内に気孔を有するチタン酸塩繊
維を生成させる場合、所定の温度にて反応、育成した
後、１０℃／分以上の冷却速度にて８００℃付近まで炉
冷又は水冷等による急冷をすればよい。この際、反応温
度（冷却開始温度）及び冷却速度を適宜調整することに
より、結晶内の気孔の占める体積率を制御できる。結晶
内に気孔を有する繊維は、低比重の補強材として、ある
いは触媒担体等として有用性が大きい。他方、結晶内に
気孔を含まないチタン酸塩繊維を得るためには、所定の
温度にて反応、育成した後、１０℃／分以下の冷却速度
にて８００℃付近まで徐冷すればよい。

【００２３】本発明の繊維強化金属材料は、例えば次に
示す第一の方法、第二の方法等により製造される。

【００２４】第一の方法によれば、本発明の繊維強化金
属材料は、アルミニウム粉末及び／又はアルミニウム合
金粉末（以下これらを「アルミニウム系金属粉末」とい
う）とチタン酸塩繊維との混合粉末を成型した後、高温
下に、好ましくは不活性雰囲気もしくは還元雰囲気中で
加圧下又は非加圧下に焼結することにより製造できる。

【００２５】アルミニウム系金属粉末とチタン酸塩繊維
との混合割合としては、特に限定されないが、通常、混
合物全量中で後者が通常５〜４０体積％、好ましくは１
０〜３５体積％となるように混合するのがよい。アルミ
ニウム系金属粉末とチタン酸塩繊維との混合割合を上記
範囲にすることにより、優れた補強効果が発現される。
尚、気孔を有するチタン酸塩繊維の場合、該繊維をアル
ミニウム系金属粉末と混合する際における混合割合の体
積％には繊維内部の気孔の体積が含まれている。

【００２６】アルミニウム系金属粉末とチタン酸塩繊維
との混合に当たっては、湿式混合法及び乾式混合法のい
ずれの方法を採用してもよいが、両者を均一に混合する
ために及びアルミニウム系金属粉末の酸化を防止するた
めに、溶媒を用いた湿式混合法によるか、不活性ガスも
しくは非酸化性ガス雰囲気内での乾式混合法によるのが
好適である。湿式混合法において使用される溶媒として
は、チタン酸塩繊維及びアルミニウム系金属粉末に対す
る親和性の点で極性溶媒を用いるのが望ましい。具体的
にはエチルアルコール、メチルアルコール、イソプロピ
ルアルコール、アセトン、メチルエチルケトン等が好ま
しい。アルミニウム系金属粉末及びチタン酸塩繊維を所
定量添加し、機械的に、好ましくは超音波を照射する
か、ボールミル等を用いて、より均一に分散させる。そ
の際、溶媒に対する固形分の割合は、３〜３０体積％に
調整するのがよい。このように調整されたスラリーから
溶媒を除去して乾燥した混合物を得る方法としては、素
早く吸引濾過して得られたものを乾燥させるか、分散状
態を保ちながら蒸発乾固させるかの方法を採用するのが
望ましい。

【００２７】混合粉末の成型は、加圧下に行ってもよい
し、非加圧下に行ってもよい。加圧下に成型を行う場合
には、金型を用いた通常の方法に従って実施すればよ
い。成型圧力は０．３〜１０トン／ｃｍ²程度とするの
が望ましい。

【００２８】このようにして得られた原料成型物は、ホ
ットプレス法、ＨＩＰ焼結法、非加圧加熱等の焼結手段
により焼結され得る。焼結の際には、金属が酸化されな
いよう窒素、アルゴン等の不活性雰囲気、もしくは水素
等の還元性雰囲気とするのがよい。焼結温度は、焼結法
の種類や焼結処理されるアルミニウム系金属粉末の種類
等により異なり一概には言えないが、通常５００〜８０
０℃、好ましくは５８０〜６３０℃とするのがよい。ま
た焼結時間は一般に５分〜３時間とするのがよい。

【００２９】第二の方法によれば、本発明の繊維強化金
属材料は、チタン酸塩繊維を主成分とするプリフォーム
を成型し、このプリフォームに金型内でアルミニウム及
び／又はアルミニウム合金の溶湯を加圧含浸することに
より製造できる（プリフォーム法）。

【００３０】この方法で用いられるアルミニウム系合金
としては、流動性の良い鋳造用アルミニウム合金を用い
るのがよい。その具体例としては、ＡＤＣ１２合金を例
示できる。プリフォーム成型は、チタン酸塩繊維に少量
の界面活性剤、例えば陰イオン活性剤（具体的には高級
脂肪酸アルカリ塩、アルキル硫酸塩、アルキルスルホン
酸塩、アルキルアリールスルホン酸塩及びスルホコハク
酸エステル塩等）、陽イオン活性剤（具体的には高級ア
ミンハロゲン酸塩、ハロゲン化アルキルピリジニウム及
び第四級アンモニウム塩等）、非イオン活性剤（具体的
にはポリエチレングリコールアルキルエーテル、ポリエ
チレングリコール脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エ
ステル及び脂肪酸モノグリセリド等）、両性表面活性剤
（具体的にはアミノ酸等）等を加え、撹拌下に水分散さ
せ、これを型の中で脱水成型することにより行える。望
ましくは常温領域での成型体強度を上げるために、０．
０５〜２．０重量％の溶液状のポリビニルアルコールを
加え、また高温領域での成型体強度を上げるためにコロ
イダルシリカやアルミナゾル等の無機バインダー０．０
５〜５．０重量％を添加し、上記繊維をよく分散させた
後、これを型の中で脱水成型することにより行うのがよ
い。脱水成型された成型体は更に水分の蒸発可能な温度
にて残留した水分を除去することにより高圧凝固鋳造法
のためのプリフォームを作製できる。またコロイダルシ
リカやアルミナゾルを加えた場合、通常３００〜１００
０℃、好ましくは５００〜８００℃に加熱処理すること
により、より成型体強度を備えたプリフォームを作製で
きる。高圧鋳造（加圧含浸）時の条件は通常、圧力５０
〜２０００ｋｇ／ｃｍ²（好ましくは１００〜１２００
ｋｇ／ｃｍ²）、溶湯温度５００〜９００℃（好ましく
は６００〜８５０℃）、金型温度１００〜６００℃（好
ましくは１５０〜５５０℃）及びプリフォームの予備加
熱温度は溶湯温度と同程度とすることが望ましい。

【００３１】斯くして本発明の繊維強化金属材料が製造
される。

【００３２】本発明の繊維強化金属材料は、特定のチタ
ン酸塩繊維の添加により機械的強度が著しく向上する。
本発明によれば、このようにアルミニウム又はアルミニ
ウム合金と比較的安価なチタン酸塩繊維との複合化によ
り機械的強度に優れる繊維強化金属材料を安価且つ安定
的に提供できる。

【００３３】

【実施例】以下、参考例、実施例及び比較例を揚げて本
発明を一層明らかにする。

【００３４】参考例１ ６チタン酸カリウム繊維（大塚化学株式会社製 商品名
ＴＩＳＭＯ−Ｎ、平均繊維長２０μｍ、平均繊維径０．
３μｍ）１００ｇを水２リットルに分散した後、塩化マ
グネシウム６水和物３０．４ｇを添加し、水酸化カリウ
ム１６．８ｇを水に溶解して１００ｍｌとした溶液を撹
拌下において徐々に滴下し、反応させた。この間、反応
温度は３０〜４０℃に保持し、３時間反応を続行した。
反応終了後の溶液ｐＨは１０．８であった。次いで反応
物を濾過、水洗し、８０℃で乾燥して反応生成物１０９
ｇを得た。このものは電子顕微鏡によるエネルギー分散
型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）による分析及び元素分析の結
果、６チタン酸カリウム繊維が酸化マグネシウム換算に
て５．５％、強熱減量２．０％を含むマグネシウム塩基
性塩により被覆されたものであった。

【００３５】このものに溶融剤として硫酸カリウム（Ｋ
₂ＳＯ₄）を重量比で１：４の割合で加え、乳鉢で十分に
粉砕混合した後、加圧成型し１１５０℃で３時間焼成し
た。焼成後、８００℃まで１℃／分の速度にて冷却し、
その後、炉冷により室温まで冷却して焼成物を得た。焼
成物を水中にて煮沸し、濾別、水洗、乾燥して黄淡色粉
末を得た。このものはＸ線分析及び元素分析の結果、Ｋ
_2.0Ｍｇ_1.0Ｔｉ_7.0Ｏ₁₆であり、平均繊維径３μｍ、平
均繊維長６０μｍのチタン酸塩繊維であった。

【００３６】参考例２ 参考例１の焼成後の冷却を、炉から取り出し、冷水中に
て急冷した以外は同条件により行い、黄淡色粉末を得
た。このものはＸ線回折及び元素分析等の結果からＫ
_2.0Ｍｇ_1.0Ｔｉ_7.0Ｏ₁₆であり、平均繊維径３μｍ、平
均繊維長６０μｍで全体積に対し結晶中約５０体積％の
気孔を有するチタン酸塩繊維であった。

【００３７】参考例３ ４チタン酸カリウム１水塩繊維（大塚化学株式会社製
商品名ＴＩＳＭＯ−Ｌ、平均繊維長２０μｍ、平均繊維
径０．３μｍ）１００ｇを水２リットルに分散した後、
塩化クロム６水和物５７．０ｇを水に溶解して３００ｍ
ｌとした溶液を撹拌しながら徐々に加え、反応混合溶液
とした。この間、反応温度を１０〜２０℃に保持して３
時間反応させた。反応終了後、更に反応混合液に炭酸ガ
スを１００ｍｌ／分の流量で吹き込みながら水酸化バリ
ウム８水和物３３．７ｇを溶解して３００ｍｌとした溶
液を撹拌しながら徐々に加えた。この間、反応温度を１
０〜２０℃に保持して２時間反応を続行した。反応終了
後、反応物を濾過、水洗して８０℃で乾燥すると反応乾
燥物１４３ｇが得られた。このものは分析の結果、４チ
タン酸カリウム１水塩繊維が酸化クロム換算にて１１．
４％、酸化バリウム換算にて１１．３％、強熱減量７．
４％を含むクロム塩基性塩及びバリウムの炭酸塩により
被覆されたものであった。

【００３８】このものに溶剤として硫酸カリウム（Ｋ₂
ＳＯ₄）と塩化カリウム（ＫＣｌ）を重量比にて１：４
の割合で加え、乳鉢で十分に粉砕混合した後、加圧成型
し１２００℃で２時間焼成した。焼成後、８００℃まで
１℃／分の速度にて冷却し、その後、炉冷により室温ま
で冷却して焼成物を得た。焼成物を水中にて煮沸し、濾
別、水洗、乾燥し黄淡色粉末を得た。このものはＸ線分
析及び元素分析の結果、Ｂａ_0.68Ｋ_0.15Ｃｒ_1.5Ｔｉ_6.5
Ｏ₁₆であり、平均繊維径３μｍ、平均繊維長５０μｍの
チタン酸塩繊維であった。

【００３９】参考例 ４ アナターゼ型二酸化チタン粉末（平均粒子径０．７μ
ｍ）及び炭酸カリウム粉末（平均粒子径３μｍ）を４：
１（モル比）の割合で混合し、これに溶融剤としてＫ₂
ＭｏＯ₄を１：８（モル比）で加え混合した。混合物を
白金ルツボ内に入れ、１１００℃で４時間焼成した後、
４℃／時間の速度にて９００℃まで徐冷し、その後室温
まで冷却し焼成物を得た。このものを水中にて解繊し、
更に濾別、洗浄して不純物及び溶融剤を除去した後、乾
燥し白色粉末を得た。このものを粉末Ｘ線分析にて同定
したところ、全てＫ₂Ｔｉ₄Ｏ₉相であることを確認し
た。また平均繊維径０．４μｍ、平均繊維長さ２０μｍ
であった。該繊維を１Ｎ酢酸溶液１００ｍｌに対して５
ｇの割合にて添加し、約３時間撹拌しながらＫ₂Ｏの成
分の抽出を行った後、濾別、洗浄及び乾燥し水和チタニ
ア繊維を得た。得られた繊維形状物をＸ線回折にて同定
したところ、全てＨ₂Ｔｉ₄Ｏ₉相であることを確認し
た。また平均繊維径は０．４μｍ、平均繊維長さは１８
μｍであった。

【００４０】上記と同様に作成したＨ₂Ｔｉ₄Ｏ₉繊維１
００ｇを水２リットルに分散した後、重炭酸アンモニウ
ム５６．２ｇを添加し、塩化バリウム２水和物４３．４
ｇ及び塩化ニッケル６水和物４０．１ｇを水に溶解し３
００ｍｌとした溶液を撹拌下において徐々に滴下し、反
応させた。この間の反応温度を３０〜４０℃に保持して
３時間反応を続行した。反応終了後、反応物を濾過、水
洗し、８０℃で乾燥すると乾燥物１６０．４ｇ得られ
た。このものは分析の結果、６チタン酸カリウムが酸化
ニッケル換算にて８．３％、酸化バリウム換算にて１
６．８％、強熱減量１２．４％を含む炭酸バリウムの塩
基性塩及びニッケルの塩基性塩により被覆されたもので
あった。

【００４１】このものにフラックス原料として硫酸カリ
ウム（Ｋ₂ＳＯ₄）を重量比で１：４にて加え、乳鉢で充
分に粉砕混合した後、加圧成形し１２００℃で３時間焼
成した。焼成後８００℃まで１℃／分の速度にて冷却
し、その後炉冷により室温まで冷却し、焼成物を得た。
焼成物を水中にて煮沸し、水洗、濾別、乾燥して明緑色
粉末を得た。このものはＸ線回折及び元素分析の結果、
Ｂａ_0.8Ｋ_0.4Ｎｉ_1.0Ｔｉ_7.0Ｏ₁₆、平均繊維径３μｍ、
平均繊維長さ８０μｍのチタン酸塩繊維であった。

【００４２】参考例５ 参考例４の冷却を、炉内から取り出し、冷水中にて急冷
した以外は同条件により行い、明緑色粉末を得た。この
ものはＸ線回折及び元素分析からＢａ_0.8Ｋ_0.4Ｎｉ_1.0
Ｔｉ_7.0Ｏ₁₆、平均繊維径３μｍ、平均繊維長さ８０μ
ｍで全体積に対し結晶中約３０体積％の気孔を有するチ
タン酸塩繊維であった。

【００４３】実施例１ ２００ｍｌのビーカーに１００ｍｌのエチルアルコール
を入れ、これに参考例１又は参考例２で得られたチタン
酸塩繊維（Ｋ_2.0Ｍｇ_1.0Ｔｉ_7.0Ｏ₁₆）３．７ｇ及び粒
子径２０μｍ以下の純アルミニウム１０．８ｇ（繊維体
積含有率２０体積％）を入れ５分間超音波を照射し、素
早く吸引濾過した後、固形分を乾燥粉砕して加圧成型用
試料粉末とした。次にこの試料を直径３０ｍｍの金型に
入れ、内部を真空に引きながら全力５トンの力でプレス
して高さ約３ｍｍの成型体を作製した。この成型体をア
ルミナ製ボードに入れ、６３０℃で２０分間保持した
後、約１時間かけて室温まで冷却した。このようにして
得られた焼結複合体を旋盤及びエメリーカッターにて切
断加工して、曲げ試験片を作製した。

【００４４】上記で得られた曲げ試験片につき、ＪＩＳ
Ｚ ２２０４に従い曲げ強度を測定したところ、参考
例１の繊維を用いた場合２６ｋｇ／ｍｍ²であり、参考
例２の繊維を用いた場合２５ｋｇ／ｍｍ²であった。

【００４５】比較例１ 実施例１において、チタン酸アルミン酸カリウム繊維を
添加しない以外は同様に作製した複合材料の曲げ試験を
行った結果、１３ｋｇｆ／ｍｍ²であった。

【００４６】実施例２ 内容量２０００ｍｌの磁性ボールミルに１０００ｍｌの
エチルアルコール及び直径約５ｍｍのアルミナ製ボール
を入れ、これに参考例３で得られたチタン酸塩繊維及び
純アルミニウムをそれぞれ６３．４ｇ及び１０７．９ｇ
（繊維体積含有率３０体積％）入れ、１２時間撹拌した
後、素早く吸引濾過し固形分を乾燥、粉砕して試料粉末
を得た。該試料の１８ｇを内部に離型剤窒化ホウ素の塗
布された直径３０ｍｍのホットプレス用炭素製型内に入
れ、内部を真空に引きながら焼結温度６５０℃、加圧力
１０００ｋｇｆ／ｃｍ²にて１時間保持し、更に約１時
間かけて室温まで冷却した。得られた焼結体につき実施
例１と同様に曲げ試験片を作製し曲げ強度を測定した結
果、曲げ強度は２９ｋｇ／ｍｍ²であった。

【００４７】比較例２ 実施例２において、チタン酸アルミン酸カリウム繊維を
添加しない以外は同様に作製した焼結材料の曲げ試験を
行った結果、１６ｋｇｆ／ｍｍ²であった。

【００４８】実施例３ ３００ｍｌビーカーに参考例４又は参考例５にて作製し
たチタン酸塩繊維５０ｇを取り、これに０．２％のポリ
ビニルアルコール及び０．１％の界面活性剤（トライト
ン Ｘ−１００、Ｒｏｈｎ ＆ Ｈａａｓ Ｃｏ．製）
を含有する水溶液１５０ｍｌを加え、超音波照射を約５
分行って分散させた。これに１０％濃度に希釈したコロ
イドシリカ溶液（商品名スノーテックス、日産化学工業
株式会社製）２３ｍｌを加えた。再度超音波照射した
後、ロータリー式エバポレーターで水分の大半を除去し
た。これを内径５３ｍｍφの円筒型金型に入れ、約５０
ｋｇｆ／ｃｍ²で加圧しながら脱水し離型した後、約８
０℃にて１２時間、６００℃にて３時間加熱処理するこ
とにより２種のプリフォームを得た。この時のプリフォ
ーム内の繊維含有率はいずれも２０体積％であった。

【００４９】得られた２種のプリフォームを電気炉内で
７００℃に加熱した後、予め５００℃に加熱した金型内
に設置した。この上から予め７００℃に加熱溶融した鋳
造用のアルミニウム合金ＡＤＣ１２を注ぎ込み、直ちに
加圧鋳造した。この時、含浸時の圧力は約２０ｋｇ／ｃ
ｍ²であり、最終圧力は１０００ｋｇｆ／ｃｍ²であっ
た。鋳造後、冷却固化まで約３分間加圧鋳造したのち離
型し、２種のチタン酸塩繊維強化アルミニウム合金を得
た。用いたプリフォームの重量と、鋳造後の複合体の形
状から算出した繊維含有率は２０体積％であり、所望の
複合体を製作したことを確認した。

【００５０】次に円柱状の複合体の直径方向に小型のダ
ンベルを切り出し、引張試験をＪＩＳ Ｚ ２２４１に
従い行った。その結果、引張強度は３９ｋｇｆ／ｍｍ²
であった。

【００５１】尚、この複合体は通常の金属用切削工具で
容易に切り出せ、加工コストの点で良好な特性を有して
いることが判明した。

【００５２】比較例３ 実施例３においてプリフォームを用いることなくＡＤＣ
１２合金を同じ条件で加圧鋳造した。こうして得た合金
試料について実施例３と同じ引張試験を行った結果、引
張強度２４ｋｇｆ／ｍｍ²を得た。

【００５３】比較例４ 実施例３においてチタン酸塩繊維をチタン酸カリウムウ
イスカ（化学式Ｋ₂Ｏ・６ＴｉＯ₂ 平均ウイスカ径０．
３μｍ、平均ウイスカ長さ１５μｍ）４６ｇに変更した
以外は同様に作製することにより、プリフォームを得
た。この時のプリフォーム内の繊維含有率は２０体積％
であった。このプリフォームを用い、実施例３と同様に
アルミニウム合金との複合化を行い、チタン酸カリウム
ウイスカ強化アルミニウム合金を得た。この時、含浸時
の圧力は約６０ｋｇ／ｃｍ²であり、最終圧力は１００
０ｋｇｆ／ｃｍ²でありチタン酸塩繊維の際の含浸時の
３倍の圧力を示した。複合体形状は複合化前に比べ中央
部分に若干の凹みを生じ、用いたプリフォームの重量
と、鋳造後の複合体の形状から算出した繊維含有率は２
８体積％であり、所望の複合体形状より圧縮変形してい
ることを確認した。以下、実施例３と同様に引張試験を
行った結果、引張強度２７ｋｇｆ／ｍｍ²であり、チタ
ン酸塩繊維強化時に比べ不完全な補強性であった。

【００５４】参考例６ アナターゼ型二酸化チタン粉末（平均粒子径０．７μ
ｍ）５５．９ｇに塩化カリウム（ＫＣｌ）１４．９ｇ及
び硫酸カリウム（Ｋ₂ＳＯ₄）２２４．４ｇを加え、更に
Ｍ¹供給成分又はＭ²供給成分としてそれぞれ塩化コバル
ト六水和物（ＣｏＣｌ₂・６Ｈ₂Ｏ）、塩化亜鉛（ＺｎＣ
ｌ₂）、塩化第二銅二水和物（ＣｕＣｌ₂・２Ｈ₂Ｏ）、
塩化マンガン四水和物（ＭｎＣｌ₂・４Ｈ₂Ｏ）、塩化ア
ルミニウム六水和物（ＡｌＣｌ₃・６Ｈ₂Ｏ）、三塩化ス
カンジウム六水和物（ＳｃＣｌ₃・６Ｈ₂Ｏ）、塩化第二
鉄六水和物（ＦｅＣｌ₃・６Ｈ₂Ｏ）、塩化ガリウム（Ｇ
ａＣｌ₃）もしくは塩化アルミニウム六水和物（ＡｌＣ
ｌ₃・６Ｈ₂Ｏ）及び塩化マグネシウム六水和物（ＭｇＣ
ｌ₂・６Ｈ₂Ｏ）の混合物を適宜加え、乳鉢にて十分粉砕
混合し原料粉末とした。

【００５５】上記各原料粉末を加圧成形した後、１２０
０℃にて３時間焼成を行った。焼成後、８００℃まで１
℃／分の速度にて冷却し、その後、炉冷により室温まで
冷却し、それぞれ焼成物を得た。焼成物を水中にて煮沸
し、濾別、水洗、乾燥して、それぞれ粉末を得た。得ら
れた粉末についてＸ線分析及び元素分析の結果、及び平
均繊維径、平均繊維長を分析した結果を表１に示す。

【００５６】尚、本参考例にて得られた粉末は全て結晶
中に空隙を含まないものであった。

【００５７】

【表１】

【００５８】実施例４ 実施例３においてチタン酸塩繊維として参考例４にて合
成したものを用いる以外は同様にして、プリフォーム及
びチタン酸塩強化アルミウム合金を得た。この際の初期
含浸圧力は１５〜２５ｋｇｆ／ｃｍ²程度であり、最終
圧力は１０００ｋｇｆ／ｃｍ²であった。得られた合金
試料について実施例３と同様に引張試験を行った。結果
を表２に示す。

【００５９】

【表２】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 47/00 - 49/14 C22C 21/00 - 21/18

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 化学式 Ａ_VＢａ_WＭ¹ _XＭ² _YＴｉ_8-ZＯ₁₆
   （式中、Ａはアルカリ金属より選ばれる少なくとも一種
   を、Ｍ¹はＭｇ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｕ及びＭｎより
   選ばれる少なくとも一種を、Ｍ²はＡｌ、Ｓｃ、Ｃｒ、
   Ｆｅ及びＧａより選ばれる少なくとも一種を、それぞれ
   示す。Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙ及びＺは、０．５≦２Ｘ＋Ｙ≦
   ２．５、２Ｘ＋Ｙ＝Ｖ＋２Ｗ、Ｚ＝Ｘ＋Ｙを満足する実
   数である。但し、Ｗ及びＸが共に０であり、ＡがＫであ
   り且つＭ²がＡｌである場合を除く。）で示される組成
   を有し且つウィスカ内部に０〜７０体積％の気孔を有す
   るチタン酸塩繊維をアルミニウムもしくはアルミニウム
   合金に複合してなる繊維強化金属材料。
2. 【請求項２】 チタン酸塩繊維及び粉末アルミニウムも
   しくは粉末アルミニウム合金を、チタン酸塩繊維が全量
   の５〜４０体積％となる割合で混合し、成型した後、加
   熱焼結することを特徴とする請求項１記載の繊維強化金
   属材料の製造方法。
3. 【請求項３】 チタン酸塩繊維を主成分とするプリフォ
   ームを成型し、このプリフォームに金型内でアルミニウ
   ム又はアルミニウム合金の溶湯を加圧下に含浸すること
   を特徴とする請求項１記載の繊維強化金属材料の製造方
   法。