JPH04103735A

JPH04103735A - 繊維強化金属複合材料

Info

Publication number: JPH04103735A
Application number: JP21957990A
Authority: JP
Inventors: Haruo Okuda; 奥田　晴夫; Hideo Futamata; 秀雄二又; Tatsuya Hamazaki; 濱崎　達也
Original assignee: Ishihara Sangyo Kaisha Ltd
Current assignee: Ishihara Sangyo Kaisha Ltd
Priority date: 1990-08-21
Filing date: 1990-08-21
Publication date: 1992-04-06

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〕本発明は、マトリックス金属をウィスカーや繊維などで
強化した金属複合材料に関し、さらに詳細には、強化材
として針状酸化チタンを用いた金属複合材料に関する。

〔従来の技術〕

繊維強化金属複合材料は、従来の金属材料や繊維強化プ
ラスチックと比較して、強度や弾性率が高く、耐熱性が
良いなどの特徴を有しているため、より過酷な使用条件
や環境への適応か可能な複合材料として開発が進められ
つつある。

この繊維強化金属複合材料を得る方法としては、まずウ
ィスカーや繊維などの強化材でプリフォームを作成し、
その中に溶融したマトリックス金属を高圧下で含浸させ
て得る高圧鋳造法や強化材とマトリックス金属粉末を溶
媒中に分散、混合し、次いで溶媒を除去した後焼結させ
て得る粉末冶金法などかある。これらの方法に使用する
強化材としては、たとえば、炭化ケイ素、窒化ケイ素、
グラファイト、アルミナ繊維、シリカ−アルミナ繊維、
ホウ素系繊維、炭素系繊維などが挙げられる。

しかしながら、これらの強化材を使用した金属複合材料
は、強度や弾性率の向上が図れるものの、強化材自身が
高価であるため安価な金属複合材料が得られにくいとい
う問題かある。また、特に炭化ケイ素を用いた場合には
、炭化ケイ素のモース硬度か９以上と硬いため得られる
金属複合材料の切削性が悪く加工が難しいという問題も
ある。そのため、前記の強化材に代えてチタン酸カリウ
ムウィスカーなどの安価な材料か検討されている。

たとえば、特開平１−１１６０３９号にはチタン酸カリ
ウムウィスカーや特開平１−６８４３５号にはチタン酸
カリウムから誘導されたチタニア繊維を強化材として用
いることが開示されている。

〔発明か解決しようとする課題〕

安価な強化材として期待されているチタン酸カリウムウ
ィスカーは、マトリックス金属との複合化の際に、カリ
ウム成分か溶出し、マトリックス金属を劣化させ、金属
複合材料の強度を低下させるという問題かある。この問
題を改善するために、チタン酸カリウム中のカリウム成
分を抽出除去したチタニア繊維を強化材として用いるこ
とか提案されている。しかしながら、このようなカリウ
ム成分を抽出除去する方法では、カリウム成分を完全に
除去することか困難であったり、得られるチタニア繊維
か元の繊維形状を保持てきなかったり、多孔性になった
りするために繊維自身の強度か著しく劣ることから、前
記の方法によるチタニア繊維を強化材として用いた金属
複合材料では所望の強度か得られ難い。

〔課題を解決するだめの手段〕

本発明者らは、上記の問題を解決するために種々の強化
材について検討を行った結果、チタン源、アルカリ金属
化合物およびリン化合物を混合し、焼成して得た針状酸
化チタンか、マトリックス金属と該針状酸化チタンとの
界面反応か起こりにくい特徴を有すること、しかも、こ
の針状酸化チタンを強化材として用いた繊維強化金属複
合材料は、安価であり、耐熱性か良く、曲げ強度や引張
強度などの機械的強度か大きいなどの知見を得て、本発
明を完成した。

すなわち本発明は、次のとおりである。

（１）チタン源、アルカリ金属化合物およびリン化合物
を混合し、次いで焼成して得られる針状酸化チタンとマ
トリックス金属よりなる繊維強化金属複合材料。

（２）針状酸化チタンの少なくとも７０重量％のものの
長軸径か１μｍ以上、軸比か３以上である請求項（１）
の繊維強化金属複合材料。

（３）針状酸化チタンの少なくとも７０重量％のものの
長軸径が１〜５６μｍ、軸比が３〜５０である請求項（
１）の繊維強化金属複合材料。

（４）針状酸化チタンの結晶形か実質的にルチル形であ
る請求項（１）の繊維強化金属複合材料である。

本発明において使用する針状酸化チタンは、チタン源、
アルカリ金属化合物およびリン化合物を混合し、次いで
焼成して得られるもので、その結晶形は、金属複合材料
を得る工程で結晶転移による酸化チタン粒子の強度の劣
化か起こらない実質的にルチル形であることか望ましい
。針状酸化チタンとは、針状形状のほか棒状、繊維状、
柱状などの形状の酸化チタンを包含し、その粒子形状は
、少な（とも７０重量％の長軸径が１μｍ以上、望まし
くは１〜５０μｍのものであり、粒子の軸比（長軸径／
短軸径）は３以上、望ましくは３〜５０のものである。

この長軸径が１μｍより小さいか、または、軸比が３よ
り小さいと、得られる金属複合材料は所望の強度か得ら
れにくくなるため好ましくない。

前記の特定の針状酸化チタンを得るには、たとえばＴｉ
Ｏ７のようなチタン源と塩化ナトリウムのようなアルカ
リ金属化合物およびオキシリン化合物のようなリン化合
物とを混合し、次に７００〜１０００°Ｃで焼成する方
法、ＴｉＯ□源、亜鉛化合物、アルカリ金属化合物およ
びリン化合物を混合し７００〜１Ｏ００°Ｃで焼成する
方法なとがある。

チタン源としては、たとえば、二酸化チタン顔料、水酸
化チタン、二酸化チタンゾル、ルチルサンド、合成ルチ
ルなどが挙げられ、特にそのチタン品位は、ＴｉＯ□と
して８０重量％以上のものが好ましい。アルカリ金属化
合物としては、たとえば、ナトリウム、カリウムなどの
アルカリ金属の塩化物、炭酸塩、水酸化物などが挙げら
れ、特に反応性の点から塩化すｌ・リウムを使用するの
か好ましい。リン化合物は、たとえは、オルトリン酸、
亜リン酸、ピロリン酸、ヘキサメタリン酸、その他の縮
合リン酸およびこれらのナトリウム、カリウム、アンモ
ニウムなとの塩類が挙げられ、特にオルトリン酸ナトリ
ウムやピロリン酸ナトリウムを使用するのか好ましい。

チタン源に対するアルカリ金属化合物およびリン化合物
の混合割合は、チタン源のＴｉＯ２重量換算量、アルカ
リ金属化合物のアルカリ金属元素の重量換算量（Ｍ）、
リン化合物のＰ重量換算量で表して、ＴｉＯ□：Ｍ：Ｐ＝１：０．０３〜７：０．００５〜１
、望ましくは、ＴｌＯ２：　Ｍ　：　Ｐ　＝　１　：　０．１〜４　：
　０．０２〜０．６である。この混合物を７００〜１０
００°Ｃの温度で焼成して針状酸化チタンを得る。また
必要に応じて、該混合物に針状酸化チタン微粉末を核晶
として存在させて焼成することもできる。

このようにして得られる針状酸化チタンは、普通、水浸
出などの手段で可溶性塩類を除去して用いるのが好まし
い。さらに、分級処理などを施して適当な大きさの針状
粒子を選択することもてきる。

次に、このようにして得た針状酸化チタンを７トリツク
ス金属と複合化させて繊維強化金属複合材料を得る。

本発明で用いられるマトリックス金属は、たとえば、ア
ルミニウム、マグネシウムなどの低融点を有する金属お
よびそれらの合金、チタン、鉄なとの高融点を存する金
属およびそれらの合金などが挙げられ、金属複合材料の
目的、用途などに応じてマトリックス金属を選択できる
。

複合化は、通常の高圧鋳造法や粉末冶金法などで行なう
ことかできる。高圧鋳造法では、まず針状酸化チタンを
用いてプリフォームを作成し、２００〜４００°Ｃに予
熱した金型内にセットする。次に溶融したマトリックス
金属を金型内に注ぎ、加圧下にプリフォーム中に溶湯を
含浸させ、引き続き一定時間圧力を保持してマトリック
ス金属を凝結させて繊維強化金属複合材料とする。また
、粉末冶金法ては、溶媒中に針状酸化チタンとマトリッ
クス金属粉末を分散、混合し、次に、溶媒を除去すると
同時に圧力成形し、続いてこの成形体を焼結させて繊維
強化金属複合材料とする。この粉末冶金法では、針状酸
化チタンとマトリックス金属粉末を均一に分散させる際
に、特に超音波分散機を用いることか好ましい。

針状酸化チタンの含有率は、金属複合材料中の体積含有
率として５〜５０％、特に望ましくは１５〜３０％であ
る。含有率が５％より少ないと強化材としての効果が認
められず、得られる金属複合材料は所望の強度か得られ
にくい。また、含有率か５０％より多いと得られる金属
複合材料はもろいものになってしまう。

〔実施例〕

次に具体的な実施例により、本発明を説明する。

実施例１ＴｌＯ２として２００ｇ／　ｆ！の濃度の四塩化チタン
水溶液を３０°Ｃに保持しながら水酸化ナトリウム水溶
液で中和して析出させたコロイド状非晶質水酸化チタン
を７０°Ｃて５時間熟成してルチル形の微小チタニアゾ
ルを得た。このゾルを乾燥し、粉砕して得た酸化チタン
粉末４０重量部と塩化ナトリウム４０重量部およびメタ
リン酸ナトリウム１０重量部を十分に混合し、８５０°
Ｃて５時間焼成してルチル形針状二酸化チタンを得た。

次いでこの針状二酸化チタンを水中に添加し、濾過、洗
浄して可溶性塩類を除去した。その後液体サイクロンで
分級して長軸径が３〜６μｍのものを回収した。このも
のの７０重量％の粒子径は、長軸径か４．０μｍ、短軸
径が０．２μｍ、軸比が２０であった。

次に、金属複合材料中の体積含有率で２０％となるよう
な量の針状二酸化チタンを板状のプリフォームとしてか
ら７００°Ｃに予熱し、２５０°Ｃに加熱した鋳型に移
した後、７５０℃のアルミニウム溶湯を注入し、Ｉｔ／
ｃｎｆの加圧下に鍛造して本発明の繊維強化金属複合材
料を得た。

この繊維強化金属複合材料の引張強度は、室温では３２
ｋｇ／ｍｍ２．３００°Ｃては２１ｋｇ／ｒｎＭ２であ
った。

なお、前記針状二酸化チタンに代えて市販のチタン酸カ
リウムウィスカーを用い、実施例１と同し方法で金属複
合材料を得た。このものの引張強度は、室温では２８ｋ
ｇ／ｍｍ２．３００°Ｃては１８ｋｇ／ｍｍ２てあった
。

実施例２実施例１て得た針状二酸化チタンとアルミニウム粉末を
アルコール溶媒中に添加し、超音波分散機で均一に分散
させた後、乾燥して針状二酸化チタンとアルミニウムの
混合粉末を得た。針状二酸化チタンの混合量は金属複合
材料中の体積含有率として２０％である。次いでこの混
合粉末をアルミニウム管に詰め、２００ｋｇ／ｃｆｆｌ
の圧力で加圧成形し、５５０°Ｃで熱間押出によって加
圧焼結し、本発明の繊維強化金属複合材料を得た。

この繊維強化金属複合材料の引張強度は、室温では３０
ｋｇ／ｍｍ２．３００°Ｃでは１８ｋｇ／ａｍ２であっ
た。

なお、針状二酸化チタンに代えて市販のチタン酸カリウ
ムウィスカーを用い、実施例２と同じ方法で金属複合材
料を得た。このものの引張強度は、室温では２８ｋｇ／
ｍｍ”　、３００℃では１５ｋｇ／ｍｍ２であった。

〔発明の効果〕

本発明によって得られた繊維強化金属複合材料は、安価
であるうえに曲げ強度や引張強度か大きく、かつ、強度
の劣化が少なくなるなど汎用性に優れたちのである。

さらに、圧延、押出、鍛造なとの２次化工性にもすぐれ
ているために工業的に甚だ有用な繊維強化金属複合材料
である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）チタン源、アルカリ金属化合物およびリン化合物
を混合し、次いで焼成して得られる針状酸化チタンとマ
トリックス金属よりなる繊維強化金属複合材料。
（２）針状酸化チタンの少なくとも７０重量％のものの
長軸径が１μｍ以上、軸比が３以上である請求項（１）
の繊維強化金属複合材料。
（３）針状酸化チタンの少なくとも７０重量％のものの
長軸径が１〜５０μｍ、軸比が３〜５０である請求項（
１）の繊維強化金属複合材料。
（４）針状酸化チタンの結晶形が実質的にルチル形であ
る請求項（１）の繊維強化金属複合材料。