JPH02270931A - セラミックス粒子強化チタン複合材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明はマトリックスであるチタン又はチタン合金に、
強化材として炭化けい素（Ｓ　ｉ　Ｃ）　、窒化チタン
（Ｔ　ｉ　Ｎ）及び炭化タングステン（ＷＣ）等のセラ
ミックス粒子が添加されたセラミックス粒子強化チタン
複合材料に関する。

［従来の技術］ セラミックス粒子強化チタン複合材料は、理論上、高い
機械的強度を得ることができると共に、耐熱性及び耐蝕
性が優れていることから、宇宙航空分野及び自動車分野
等において、種々の構造材として実用化されつつある。

従来、セラミックス粒子強化チタン複合材料はチタン又
はチタン合金の粉末にセラミックス粒子を混合して得た
粉末をモールド成形した後、真空又は非酸化性雰囲気で
焼結させることにより製造されている。この場合に、こ
の複合材料の強度はセラミックス粒子とチタン又はチタ
ン合金マトリックスとの界面における両者の接着性の良
否に密接に関係している。従って、セラミックス粒子と
チタン又はチタン合金との相互間の濡れ性を改善するこ
とが両者の界面接着性を向上させ、複合材料の強度を理
論上の強度に近づけるための有効な手段である。このた
め、従来は、焼結温度を極めて高く設定することにより
、セラミックス粒子とチタン又はチタン合金との間の界
面接着性を向上させている。

また、熱間ブレス又は熱間静水圧プレスにより焼結させ
て複合材料を製造する場合は、熱間成形温度及び加圧力
を極めて高くすることにより、セラミックス粒子とチタ
ン又はチタン合金との間の界面における接着性を向上さ
せている。

上述の如く、従来、セラミックス粒子とチタン又はチタ
ン合金との複合材料においては、焼結温度又は熱間成形
温度及び加圧力を極めて高くすることにより、セラミッ
クス粒子とチタン又はチタン合金との間の十分な濡れ性
を確保している。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、焼結温度又は熱間成形温度及び加圧力を
高くするためには大規模な製造設備が必要であると共に
、作業時間も長期化する。従って、複合材料の製造コス
トは極めて高いものとなり、これがセラミックス粒子強
化チタン複合材料の実用化を阻害する要因となっている
。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、
成形加工時の作業時間が短く、大規模な製造設備を必要
とせずに製造することができて低コストであり、セラミ
ックス粒子とチタン又はチタン合金との間に良好な濡れ
性が得られて高強度且つ高延性であるセラミックス粒子
強化チタン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］ 本発明に係るセラミックス粒子強化チタン複合材料は、
Ｆｅ１Ｎｉ及びＳｉからなる群から選択された少なくと
も１種の元素を総量で０．１乃至２２重量％含有し、残
部がチタン又はチタン合金とセラミックス粒子との混合
物からなることを特徴とする。

［作用］ 本願発明者はセラミックスとチタン又はチタン合金との
間の界面接着性を向上させるべく、種々実験研究を重ね
た結果、セラミックス粒子とチタン又はチタン合金粉末
とを混合する際に、Ｆｅ１Ｎ１又はＳｔのいずれか１種
以上の元素を所定量添加することにより、この目的を達
成することができることに想到した。

セラミックス粒子とチタン又はチタン合金との複合材料
中に添加された前記元素は、成形時の加熱によりチタン
又はチタン合金と反応し、これによりその界面に液相が
生じる。この液相はセラミックス粒子とチタン又はチタ
ン合金との混合粉末中に浸潤して両者の界面における濡
れ性を向上させる作用を有している。このため、この混
合粉末を焼結させる際の温度及び加圧力を従来に比して
低くしても、セラミックス粒子とチタン又はチタン合金
との間には十分な界面接着性を得ることができる。従っ
て、この複合材料は大規模な製造設備を使用することな
く、短時間で製造することができると共に、強度及び延
性が優れている。

この場合に、セラミックス粒子とチタン又はチタン合金
との混合物中に添加されたＦｅｚＮｉ又はＳｔのいずれ
か１種以上の元素の含有量は総量で０１１重量％以上で
あることが必要である。この添加元素の含有量が０．１
重量％未溝の場合は、上述の添加元素による界面接着性
の向上効果が得られない。一方、上記添加元素の含有量
が２２重量％を超えると、添加元素とマトリックス中の
チタンとの間の金属間化合物が必要量以上に析出する。

この金属間化合物は極めて高い硬度を有しており、複合
材料の強度を向上させる効果がある。しかし、過剰に析
出すると複合材料が脆性化し、複合材料としての所望の
機械的特性が得られなくなる。そうすると、熱処理及び
二次加工の際に支障が生じる。このため複合材料中のＦ
ｅｖＮｉ又はＳｉのいずれか１種以上の元素の含を量は
総量で０．１乃至２２重量％とする。

［実施例］ 次に、本発明の実施例についてその比較例と比較して説
明する。

先ず、平均粒径が５μｍの炭化けい素（ＳｉＣ）粉末と
、平均粒径が２５μｍであり、純度が８９．７重量％以
上のチタン粉末とを１＝５の重量比で混合した。この混
合粉体に下記第１表に示す配合量のカーボニル鉄粉を添
加して均一に混合し、原料とした。

第　　１　　表 次に、この原料をモールド成形して圧粉体を得た。この
ときの成形圧は２ｔ／ｃＪである。次いで、この圧粉体
を１Ｏ−５Ｔｏｒｒの真空雰囲気下で１２００℃に加熱
して真空焼結を行い、セラミックス粒子強化チタン複合
材料を得た。その後、この複合材料から所定の大きさの
引張試験片を切出した。この引張試験片をインストロン
型引張試験機（最大能力１０ｔ）により引張試験し、引
張強さ及び伸びを測定した。この結果を第１表に併せて
示す。

この第１表から明らかなように、従来のようにＦｅ１Ｎ
　１又はＳｉを含有しないセラミックス粒子強化チタン
複合材料（比較例１）に比して、実施例１乃至４はいず
れも引張強さが４８　ｋｇ　／　ＩＩＪ以上と高く、伸
びも２．１％以上と大きい。特に、Ｆｅの含有量が０．
１乃至２０重量％の実施例１乃至３の場合は引張強さが
６９ｋｇ／−以上、伸びが３．９％以上と従来に比して
極めて優れた特性を有している。

一方、Ｆｅを２５重量％と過剰に含有した比較例２は比
較例１に比して伸びが低下している。

次に、本発明の他の実施例について説明する。

先ず、平均粒径が２μｍの窒化チタン（ＴｉＮ）粉末と
、平均粒径が２５μｍであり、純度が９９．７重量％以
上のチタン粉末とを１＝４の重量比で配合し、下記第２
表に示す割合でＮｉ粉末を添加した後、均一に混合して
原料とした。

第２表 次に、この原料を１□−３Ｔｏｒｒの真空雰囲気中にて
温度カ月１００℃、加圧力が３００ｋｇ／ｃＪの条件で
真空熱間プレス加工を行って、セラミックス粒子強化チ
タン複合材料を得た。その後、前述の実施例と同様に、
この複合材料から引張試験片を切出し、この試験片の引
張強さ及び伸びを測定した。この結果を第２表に併せて
示す。

比較例３はＦｅ５Ｎｉ又はＳｒを含有しない従来のセラ
ミックス粒子強化チタン複合材料である。

この比較例３に比して実施例５乃至８は引張強度及び伸
びが向上しており、Ｎｉによる界面接着性の向上効果が
認められる。しかし、Ｎ　１含有量が２５重量％と多い
比較例４は比較例３に比して引張強さが低下している。

次に、本発明の更に他の実施例について説明する。

先ず、平均粒径が５μｍの炭化タングステン（Ｗｅ）粉
末と、平均粒径が３０μｍのチタン合金（Ｔｉ−６ＡＪ
−４Ｖ）粉末とを１：５の重量比で混合した。この混合
粉末に下記第３表に示す添加量のＳｉ粉末を均一に混合
して原料とした。

第３表 次に、この原料を鉄容器に充填した。そして、この鉄容
器内を真空引きした後、これを封止した。

その後、温度が１ｉｏｏ℃、アルゴンガス圧がＩｔ／ｃ
Ｊの条件で熱間静水圧プレス加工を行ってセラミックス
粒子強化チタン複合材料を得た。そして、この複合材料
から所定の大きさの引張試験片を切り出した。この引張
試験片に対して、前述の実施例と同様に引張試験を行い
、引張強さ及び伸びを測定した。この結果を第３表に併
せて示す。

この第３表から明らかなように％　Ｆ　ｅ　Ｎ　Ｎ　を
又はＳＩを含有しない従来のセラミックスで強化された
チタン合金である比較例５に比して、実施例９乃至１２
はいずれも引張強さが４７ｋｇ／−以上と高く、伸びも
　１．２％以上と著しく向上している。

一方、Ｓｔを２５重量％と過剰に含有した比較例６は比
較例５に比して伸びが劣化した。

なお、本発明において使用可能なセラミックスは上述の
Ｓ　１Ｃ１Ｔ　ｔ　Ｎ及びＷＣに限定されるものではな
く、Ａｒ１０３　＋　ＺｒＯ２＋　ＭｇＯ。

ＳｉＯ２及びＴ　ｉ　Ｏ２等の酸化物系セラミックス、
Ｔ　Ｉ　Ｃ＋　Ｂ　４　Ｃ＊　Ｚ　ｒ　Ｃ及びＣｒｚＣ
等の炭化物系セラミックス、Ｓ　ｉａ　Ｎ４　、ＡｆＮ
及びＺｒＮ等の窒化物系セラミックス、ＺｒＢ２及びＴ
ｉＢＱ等の硼化物系セラミックス並びにサイアロン、等
種々のものを使用することができる。また、これらのセ
ラミックスを２種類以上混合して使用することもできる
。

［発明の効果コ 以上説明したように本発明に係るセラミックス粒子強化
チタン複合材料は、チタン又はチタン合金及びセラミッ
クス粒子に、Ｆｅ％Ｎ１及びＳｔのいずれか１８１以上
の元素を総量で０．１乃至２２重量％添加して混合しで
あるから、加熱により前記元素がチタン又はチタン合金
と反応して生成する液相がセラミックス粒子とチタン又
はチタン合金との界面における濡れ性を向上させるので
、両者の界面接着性が極めて高い。従って、本発明に係
る複合材料は引張強さ及び伸び等の機悼的特性が極めて
優れており、例えば、コネクティングロッド、ロッカー
アーム、ピストン及びシリンダ等のエンジン構成部品の
材料として有益である。また、焼結温度及び加圧力を高
くする必要がないので、作業性が改善され、製造コスト
が低い。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｆｅ、Ｎｉ及びＳｉからなる群から選択された少
   なくとも１種の元素を総量で０．１乃至２２重量％含有
   し、残部がチタン又はチタン合金とセラミックス粒子と
   の混合物からなることを特徴とするセラミックス粒子強
   化チタン複合材料。
2. （２）前記Ｆｅ、Ｎｉ及びＳｉからなる群から選択され
   た少なくとも１種の元素は総量で２０重量％以下である
   ことを特徴とする請求項１に記載のセラミックス粒子強
   化チタン複合材料。