JP3194927B2 - 摺動用金属基複合材料 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、金属基複合材料に係わり、更に詳細には所
定の酸化チタン及びチタン酸カリウム繊維を強化材と
し、アルミニウム軽合金をマトリックス金属とする金属
基複合材料に関するものである。

［従来の技術］ 近年、エアコンディショナーにおける室温制御の方法
としてコンプレッサーの回転数制御による方法が主流に
なっているが、ロータリー圧縮機の高速化の要求が増加
している中で、ロータリー圧縮機の主要摺動部品である
ベーン材として高強度の軽量材が求められている。

このような状況の中で最近、ロータリー圧縮機の摺動
部材として必要な耐摩耗性、強度、寸法安定性等の機械
的性質に優れた炭化ケイ素ウイスカーで強化したアルミ
ニウム軽合金を大型のロータリー圧縮機のベーンに採用
した報告例がある。しかしながら、炭化ケイ素ウイスカ
ーは高価格である為に炭化ケイ素ウイスカーで強化した
アルミニウム軽合金の価格も必然的に高価格となり、今
後使用機種を増やすためには材料の低価格化が課題であ
るとされている。

低価格で強度、寸法安定性等の機械的性質に優れた繊
維強化アルミニウム軽合金としてはチタン酸カリウム繊
維強化アルミニウム軽合金が知られている。しかし、こ
の軽合金はロータリー圧縮機の摺動部材として必要な機
械的性質の一つである耐摩耗性については良好な性質を
有してはいない。

強化材としてチタン酸カリウム繊維を使用しマトリッ
クスの耐摩耗性を向上させる方法として、炭化ケイ素、
窒化ケイ素やアルミナのようなモース硬度の高い繊維あ
るいは粒子とチタン酸カリウム繊維とを混合使用する方
法が特開昭63−190127号及び特開昭63−190128号に開示
されている。しかし、上記の方法は、チタン酸カリウム
繊維と上記の繊維あるいは粒子とを均一に混合すること
が難しいという欠点を有していた。その結果として、軽
合金と無機物との複合化時に大きさや形状が異なる異種
の繊維あるいは繊維と粒子との混合割合の不均一性が助
長され、一定の物性を有する複合材料を再現性よく製造
することが困難であった。

［発明が解決しようとする課題］ このように、例えばロータリー圧縮機の摺動部材とし
て使用する際に必要な耐摩耗性、強度、寸法安定性等の
機械的性質に優れた従来の金属基複合材料は高価であっ
たり、あるいは製造技術に問題があったりして工業材料
として好ましいものではなく、新規な複合材料の開発が
望まれていた。

本発明は従来の複合材料の欠点を有しない、安価でか
つ容易に製造できかつ耐摩耗性、強度、寸法安定性等の
機械的性質に優れた金属基複合材料を提供することを目
的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明者らは上記の課題を解決する為鋭意研究を行っ
た結果、強化材として所定の酸化チタン及びチタン酸カ
リウム繊維を使用することが効果的であることを見出
し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は所定の酸化チタン、チタン酸カリ
ウム繊維及びアルミニウム軽合金を含む耐摩耗性、強度
及び寸法安定性等の機械的性質に優れた金属基複合材料
を提供するものである。

以下、本発明を詳細に説明する。本発明に使用できる
チタン酸カリウム繊維としては、従来のチタン酸カリウ
ム繊維及び結晶構造中から溶出可能な遊離カリウムの量
が15ppm以下である六チタン酸カリウム繊維（K₂Ti
₆O₁₃）があり、好ましくは結晶構造中から溶出可能な遊
離カリウムの量が15ppm以下、特に好ましくは5ppm以下
である六チタン酸カリウムウイスカーが有効に使用され
る。結晶構造中から溶出可能な遊離カリウムの量が15pp
m以下好ましくは5ppm以下である六チタン酸カリウムウ
イスカーとは、六チタン酸カリウム結晶内部に存在する
層状構造チタン酸カリウムの存在量を極端に少なくした
チタン酸カリウム繊維であり、そのため軽合金との複合
化時の反応性が少なく、良好な補強効果を有する。この
ようなチタン酸カリウム繊維は、代表的には以下の方法
で製造される。

即ち、一般式K₂O・nTiO₂（但しｎ＝２〜４）で示され
る割合で配合されたチタン原料化合物とカリウム原料化
合物との混合物を900〜1200℃で焼成して塊状のチタン
酸カリウム繊維を生成せしめ、次いで該塊状生成物を水
又は温水中に浸漬してチタン酸カリウム繊維を単一繊維
に分離した後、該スラリーに酸を添加してpHを9.3〜9.7
に調整することにより、チタン酸カリウム繊維の組成が
TiO₂/K₂O（モル比）で5.95〜6.00の組成になるように組
成変換処理し、更に900〜1150℃で１時間以上加熱後、
酸洗浄すれば良い。

このチタン酸カリウム繊維の製造に際し、チタン原料
化合物としては、含水酸化チタン、二酸化チタン及びル
チル鉱等を挙げることができ、カリウム原料化合物とし
ては焼成時にK₂Oを生じる化合物、例えばK₂O,KOH,K₂CO₃
及びKNO₃等を挙げることができる。

ちなみに、チタン酸カリウム繊維中の遊離カリウム量
の測定は以下の方法により行うことができる。

すなわち、チタン酸カリウム繊維の所定量を水中に分
散した後、煮沸することによって溶出したカリウムを、
高周波誘導結合プラズマ発光分析法、炎光分光分析法、
原子吸光分光分析法等により測定すれば良い。また、チ
タン酸カリウムの結晶構造から遊離したカリウムは、煮
沸後の水溶液中において水酸化カリウムとして存在する
為、溶液のpHを測定し、算出することも可能である。

また、チタン酸カリウム繊維の形状は、平均繊維長が
５μｍ以上で、かつ平均アスペクト比（平均繊維長／平
均繊維径）が10以上であることが好ましい。

本発明に使用される酸化チタンとしては、ルチル型酸
化チタン、アナターゼ型酸化チタン及びこれらを還元し
て得られる底次酸化チタン、例えばTi₂O₃,TiO等があ
る。

酸化チタンの形状及び大きさは特に限定されないが、
溶湯鋳造法により複合化を行う場合には繊維状の酸化チ
タンを使用する方がチタン酸カリウム繊維と酸化チタン
とが均一に混合した予成形体（プリフォーム）を作製し
易く実用的である。

繊維状酸化チタンとしては、層状構造チタン酸アルカ
リ繊維の結晶構造中のアルカリイオンをイオン交換反応
により抽出した後、400℃以上に加熱する方法で製造さ
れるアナターゼ型酸化チタン繊維やルチル型酸化チタン
繊維及びこれらの混合相繊維が特に有効に使用される。
即ち、前記の方法で作製される酸化チタン繊維は、チタ
ン酸カリウム繊維とほぼ同一の形状及び大きさを有して
いる為に、チタン酸カリウム繊維と均一な混合物を作製
することが容易であり、また複合化時に不均一になるこ
ともない。

又、酸化チタン粒子を用いた場合でも、その表面の性
質がチタン酸カリウム繊維の表面と比較的似かよってい
るため、炭化ケイ素やアルミナのような全く異なる表面
の性質を有する強化材を使用する場合に比べて、はるか
に容易に均一な混合を達成することができるという長所
を有する。

さらに、驚くべきことに、酸化チタンはアルミニウム
軽合金と成形工程中に反応し、新たな化合物を作ること
が見い出された。酸化チタンはそのままの形で複合材中
に残存し、その本来の硬度をもって耐摩耗性の改善に寄
与するのではなく、アルミニウム軽合金と、硬度の高い
新たな物質を形成し、その物質が耐摩耗性の改善に寄与
していたのである。

すなわち、本発明にかかる複合材においてチタン酸カ
リウム繊維は繊維形状の補強材としてアルミニウム軽合
金の強度及び寸法安定性の改良材として働き、酸化チタ
ンはアルミニウム軽合金との複合化時にアルミニウム軽
合金と反応して硬度の高い物質を形成することによりア
ルミニウム軽合金に耐摩耗性を付与する働きをしている
のである。

尚、本発明において使用されるアルミニウム軽合金と
は、例えばAl−Mg系、Al−Mn系、Al−Si系、Al−Mg−Si
系、Al−Cu系、Al−Cu−Si系、又はAl−Cu−Mg−Ni系等
をいい、通常用いられるアルミニウム軽合金は本発明に
おいて、何ら問題なく使用される。

又、本発明にかかる複合材料は、上記強化材とアルミ
ニウム軽合金とを加熱下に成形することにより得られ
る。

本発明の複合材料の組成については、マトリックス軽
合金の体積率は94〜50Vol％が好ましく、より好ましく
は88〜60Vol％であり、酸化チタンの体積率は１〜15Vol
％が好ましく、より好ましくは２〜10Vol％であり、チ
タン酸カリウム繊維の体積率は５〜35Vol％が好まし
く、より好ましくは10〜30Vol％の範囲である。該酸化
チタンの体積率が1Vol％未満では耐摩耗性の改良効果が
不充分であり、15Vol％を越える場合には複合材料が硬
く成り過ぎ、チタン酸カリウム繊維強化軽合金の特徴で
ある加工性が損なわれる為好ましくない。またチタン酸
カリウム繊維の体積率が5Vol％未満では強度及び寸法安
定性の改善効果が悪く、35Vol％を越える場合には該チ
タン酸カリウム繊維の体積率の増大に伴う複合材料の強
度向上度合いが小さく、コストの点から好ましくない。

上記のようにして得られた本発明に係る金属基複合材
料は強度及び耐摩耗性に優れており、ロータリー圧縮機
のベーン材だけではなく、ピストン耐摩環、ピストンリ
ング、軸受等のような摺動部材の製造に好適である。

以下に実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。
以下の実施例は単に例示の為に記すものであり、発明の
範囲がこれらによって制限されるものではない。

［実 施 例］ 実施例 １ アナターゼ型酸化チタン1400gと炭酸カリウム800gと
を乾式混合した後、アルミナ製ルツボに入れ、電気炉中
で昇温速度250℃／時、保持温度950℃、保持時間２時間
の条件で焼成した後、150℃／時の速度で降温した。生
成物を焼成物Ｉとする。

焼成物Ｉをステンレス製容器中10の温水に投入して
５時間浸漬した後、600rpmで撹拌を開始し、水温を60℃
に調整した。5N−硫酸を滴下してpHを1.0に調整した。
濾過後、500℃で１時間焼成した。

この繊維をＸ線回折により同定したところ、アナター
ゼ型酸化チタンの単一相であった。又、走査型電子顕微
鏡により繊維を観察したところ、平均繊維長は40μｍ
で、平均繊維径は0.6μｍであった。

前記焼成物Ｉをステンレス製容器中10の温水に投入
して５時間浸漬した後、600rpmで撹拌を開始し、水温を
60℃に調整した。5N−塩酸を滴下してpHを9.5に調整し
た。この後撹拌を更に続けると四チタン酸カリウムの層
間からカリウムイオンが溶出する為、pHが高くなるが、
塩酸滴下後、30分間撹拌を続けた場合のpHの上昇が0.1
以下になるまで、30分間隔で塩酸を滴下してpHを9.5に
調整した。

濾過後、1000℃で２時間焼成した。該焼成物を10の
温水中に分散した後、１−Ｎ塩酸を滴下して、pHを４に
調整した、濾過、乾燥してチタン酸カリウム繊維を得
た。

この繊維をＸ線回折により同定したところ、トンネル
構造・六チタン酸カリウムの単一相であった。又、走査
型電子顕微鏡により繊維を観察したところ、平均繊維長
は40μｍで、平均繊維径は0.6μｍであった。次いでこ
のチタン酸カリウム繊維を石川式らいかい機で粉砕した
後、所定量採取して水中に分散後、10分間煮沸し、水溶
液中のカリウムイオン量を日本ジャーレルアッシュ製IC
AP−505型高周波誘導結合プラズマ発光分光分析装置に
より分析し、また水溶液中の塩素イオン量を日立製作所
製分光光度計100−0101により分析した。これにより塩
化カリウムとして含まれるカリウム分を除去してチタン
酸カリウムの結晶構造から溶出した遊離カリウムを算出
したところ、3.1ppmであった。

上記のようにして得られたアナターゼ型酸化チタン繊
維20Vol％及びチタン酸カリウム繊維80Vol％からなる混
合物を水中に分散した後、繊維重量に対し５重量％のコ
ロイド状シリカを添加混合後に濾過、加圧後、80℃で乾
燥して、繊維含有率30Vol％のプリフォームを作製し
た。

次に該プリフォームを約600℃に予熱後、あらかじめ2
50℃に加熱してある金型に設置した後、約740℃のJIS規
格AC8A材の溶湯を注ぎ、直ちに1000kg/cm²の圧力を加え
たまま急速に冷却凝固して、AC8A、アナターゼ型酸化チ
タン繊維及びチタン酸カリウム繊維からなる複合素材を
製造した。

なお、複合素材の繊維含有率はプリフォームと略同等
であり、以下の実施例、比較例についても同様である。

比較例 １ 実施例１と同じチタン酸カリウム繊維を水中に分散
後、繊維重量に対し５重量％のコロイド状シリカを添加
混合後に濾過、加圧した後、80℃で乾燥して、繊維含有
率30Vol％のプリフォームを作製した。この後実施例１
と同様な条件でAC8A/チタン酸カリウム繊維複合素材を
製造した。

実施例１及び比較例１で得られた複合素材JIS T6熱
処理を施した後、プリフォームの幅方向に切断砥石で角
柱状片を切り出し、両端にネジ部を持つJIS ４号相当
の試験片を作製して、室温における引張強度及び弾性率
を測定した。又熱膨張率はTMA測定装置により測定し
た。

耐摩耗性試験は前記各複合素材から直径50mm、厚さ4m
mの円盤状の試験片を作製し、第１図に示す試験装置の
回転盤３の上にセットした後、該試験片の上部に相手材
２を置き、150kg/cm²の重荷Ｆを加えながら試験片１を
回転速度380rpmで３時間回転させ、各試験片の摩耗量を
測定した。この時の相手材２としては第２図に示すよう
な形状のものを使用し、その材料としてはSCr420鋼とク
ロム鋼の２種類を用いた。尚、第２図中の切欠きは相手
材２の動きを固定する為の物である。試験結果を第１図
に示す。この表には比較の為、AC8A単独の場合の物性値
も示した（比較例２）。

前記摩耗量欄の記号は以下の通りである。

Ds:相手材摩耗量（材質にSCr420鋼を使用） Dc:相手材摩耗量（材質に硬質クロム鋼を使用） Cs:複合材摩耗量（相手材がSCr420鋼の時） Cc:複合材摩耗量（相手材が硬質クロム鋼の時） 第１表に明らかなように、AC8A、アナターゼ型酸化チ
タン繊維及びチタン酸カリウム繊維からなる複合材料は
従来のAC8A/チタン酸カリウム繊維複合材料と略同等の
引張強度、弾性率及び熱膨張率を有しており、又相手材
摩耗量は双方の複合材料間で特に差はないが、複合材摩
耗量については本発明のAC8A、アナターゼ型酸化チタン
繊維及びチタン酸カリウム繊維からなる複合材料の方が
著しく小さい。アナターゼ型酸化チタンのモース硬度は
5.5〜６とされているが、このような比較的柔らかい材
料を少量充填することにより著しく耐摩耗性が改善され
ることは驚くべきことであり、酸化チタンとアルミニウ
ム軽合金成分との反応生成物が耐摩耗性改善に関係して
いると判断されるが、この物質の同定は現在のところな
されていない。

実施例 ２ アナターゼ型酸化チタン1400gと炭酸カリウム780gと
を乾式混合した後、アルミナ製ルツボに入れ、電気炉中
で昇温速度250℃／時、保持温度900℃、保持時間２時間
の条件で焼成下後、150℃／時の速度で降温した。

焼成物をステンレス製容器中10の温水に投入して４
時間浸漬した後、400rpmで撹拌を開始し、水温を60℃に
調整した。4N−塩酸を滴下してpHを1.0に調整した。濾
過後、800℃で１時間焼成した。

この繊維をＸ線回折により同定したところ、ルチル型
酸化チタンの単一相であった。又、走査型電子顕微鏡に
より繊維を観察したところ、平均繊維長は15μｍで、平
均繊維径は0.4μｍであった。

上記ルチル型酸化チタン繊維15Vol％及びチタン酸カ
リウム繊維（チタン工業製:HT−200）85Vol％からなる
混合物を水中に分散後、繊維重量に対し、４重量％のコ
ロイド状シリカを添加混合後に濾過、加圧した後、80℃
で乾燥して、繊維含有率25Vol％のプリォームを作製し
た。次に該プリフォームを約600℃に余熱後、あらかじ
め250℃に加熱してある金型に設置した後、750℃のJIS
規格AC7B材の溶湯を注ぎ、直ちに1000kg/cm²の圧力を加
えたまま急速に冷却凝固して、AC7B、ルチル型酸化チタ
ン及びチタン酸カリウム繊維からなる複合素材を製造し
た。

比較例 ３ チタン酸カリウム繊維（チタン工業製:HT−200）を水
中分散後、繊維重量に対し４重量％のコロイド状シリカ
を添加混合後に濾過、加圧した後、80℃で乾燥して、繊
維含有率25Vol％のプリフォームを作製した。この後実
施例２と同様な条件でAC7B/チタン酸カリウム繊維複合
素材を製造した。

実施例２及び比較例３で得られた複合素材JIS T4熱
処理を施した後、実施例１と同様な方法により強度、熱
膨張率及び耐摩耗性の測定を行った。結果を第２表に示
す。尚、この表には比較の為、AC7B単独の場合も示した
（比較例４）。

前記摩耗量欄の記号は以下の通りである。

Ds:相手材摩耗量（材質にSCr420鋼を使用） Dc:相手材摩耗量（材質に硬質クロム鋼を使用） Cs:複合材摩耗量（相手材がSCr420鋼の時） Cc:複合材摩耗量（相手材が硬質クロム鋼の時） 第２表に明らかなように、AC7B、ルチル型酸化チタン
繊維及びチタン酸カリウム繊維からなる複合材料は従来
のAC7B/チタン酸カリウム繊維複合材料と略同等の引張
強度、弾性率及び熱膨張率を有しており、又相手材摩耗
量は双方の複合材料間で特に差はないが、複合材摩耗量
については本発明のAC7B、ルチル型酸化チタン繊維及び
チタン酸カリウム繊維からなる複合材料の方が著しく小
さく、従来のAC7B/チタン酸カリウム繊維複合材料の摩
耗量の1/1000以下の値である。

実施例 ３ TiO₂29.1％,SO₃1％を含む含水酸化チタンスラリー200
0gを撹拌しながら、炭酸ナトリウム粉末310gを添加し
た。このスラリーを入口温度240〜250℃、出口温度90〜
100℃の条件で噴霧乾燥した。次に、この乾燥物をアル
ミナ製ルツボに入れて、電気炉中で昇温速度200℃／
時、焼成温度950℃、保持時間３時間の条件で焼成した
後、200℃／時の速度で降温した。

焼成物をステンレス製容器中の８の温水中に投入
後、ホモミキサーで30分間撹拌下後、4N−硫酸を滴下し
てpHを1.2に調整した。濾過洗浄後、850℃で１時間焼成
した。

この繊維をＸ線回折により同定したところ、ルチル型
酸化チタンの単一相であった。又、走査型電子顕微鏡に
より観察したところ、平均長さ４μｍ、平均径0.7μｍ
の針状結晶であった。

上記ルチル型針状酸化チタン20Vol％及び実施例１に
用いたチタン酸カリウム繊維80Vol％とからなる混合物
を水中に分散後、繊維重量に対し６重量％のコロイド状
シリカを添加混合後に濾過、加圧した後、80℃で乾燥し
て、繊維含有率25Vol％のプリフォームを作製した。次
に該プリフォームを約600℃に余熱後、あらかじめ250℃
に加熱してある金型に設置した後、720℃のJIS規格AC1A
材の溶湯を注ぎ、直ちに1000kg/cm²の圧力を加えたまま
急速に冷却凝固して、AC1A、ルチル型酸化チタン及びチ
タン酸カリウム繊維からなる複合素材を製造した。

比較例 ５ 実施例１に用いたチタン酸カリウム繊維を水中に分散
後、繊維重量に対し６重量％のコロイド状シリカを添加
混合後に濾過、加圧した後、80℃で乾燥して、繊維含有
率25Vol％のプリフォームを作製した。この後実施例３
と同様な条件でAC1A/チタン酸カリウム繊維複合素材を
製造した。

実施例３及び比較例５で得られた複合素材にT6熱処理
を施した後、実施例１と同様な方法により強度、熱膨張
率及び耐摩耗性の測定を行った。結果を第３表に示す。
尚、この表には比較の為、AC1A単独の場合も示した（比
較例６）。

前記摩耗量欄の記号は以下の通りである。

Ds:相手材摩耗量（材質にSCr420鋼を使用） Dc:相手材摩耗量（材質に硬質クロム鋼を使用） Cs:複合材摩耗量（相手材がSCr420鋼の時） Cc:複合材摩耗量（相手材が硬質クロム鋼の時） 第３表に明らかなように、AC1A、ルチル型酸化チタン
繊維及びチタン酸カリウム繊維からなる複合材料は従来
のAC1A/チタン酸カリウム繊維複合材料と略同等の引張
強度、弾性率及び熱膨張率を有しており、又相手材摩耗
量は双方の複合材料間で特に差はないが、複合材摩耗量
については本発明のAC1A、ルチル型酸化チタン繊維及び
チタン酸カリウム繊維からなる複合材料の方が著しく小
さい。

参考例 １ アルミニウム軽合金と酸化チタンとを複合する時に生
成する反応物を同定する目的で、アナターゼ型酸化チタ
ンの粉末（チタン工業製:KA−10）をプレス機で加圧成
形した後、実施例１と同様な条件でAC8A/アナターゼ型
酸化チタン複合素材を作製し、その複合素材をＸ線粉末
回折装置で調べた。AC8A及びAC8A/アナターゼ型酸化チ
タン複合素材のＸ線粉末回折図を第１図に示す。この図
に明らかなように、AC8A/アナターゼ型酸化チタン複合
素材のＸ線粉末回折図には、AC8Aの構成成分及びアナタ
ーゼ型酸化チタンの回折線以外の新たな回折線が認めら
れる。

また、該複合素材のモース硬度を調べたところ、８〜
９の値を示した。

アナターゼ型酸化チタンのモース硬度は5.5〜６とさ
れているので、AC8Aとアナターゼ型酸化チタンとの複合
化時に生成した反応生成物のモース硬度が高い為に、複
合素材のモース硬度が高くなったと判断される。

［発明の効果］ 本発明の金属基複合材料は耐摩耗性、強度、寸法安定
性等の機械的性質に優れており、ピストン耐摩環、ピス
トンリング、軸受、ロータリー圧縮機用ベーン及びロー
ラー等のような摺動部材用途で有効性を発揮する。

また、本発明の摺動用金属基複合材料においては酸化
チタンとして、層状構造チタン酸アルカリ繊維を経由し
て得られる酸化チタンを用いているため、成形工程中に
アルミニウム合金と反応して硬度の高い新たな物質を形
成することにより、低価格であるが耐摩耗性が不十分で
あったチタン酸カリウム繊維強化アルミニウム軽合金に
おいて耐摩耗性を著しく向上させることできる。更に、
上記の層状構造チタン酸アルカリ繊維を経由して得られ
る酸化チタンは、チタン酸カリウム繊維とほぼ同一の形
状及び大きさを有している為、チタン酸カリウム繊維と
均一な混合物を作製することが容易であり、また複合化
時の不均一性を防止することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図はAC8A及びAC8A/アナターゼ型酸化チタン複合素
材のＸ線粉末回折強度測定結果を示す図であり、第２図
は耐摩耗試験方法を示す要部説明図、第３図は相手材を
示す斜視図である。 １……試験片、２……相手材 ３……回転盤

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 49/14 C22C 47/08 - 47/12

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】繊維状の酸化チタン及びチタン酸カリウム
   繊維を含む混合物をアルミニウム軽合金の溶湯と混合し
   これを加圧急冷して得られる摺動用金属基複合材料であ
   って、該複合材料中に前記酸化チタンと前記アルミニウ
   ム軽合金との反応物が形成されたことを特徴とする上記
   摺動用金属基複合材料。