JPH055142A - チタン基複合材料およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 強度、延性、剛性、耐摩耗性、耐熱性に優
れた安価なチタン基複合材料およびその製造方法を提供
する。 【構成】 α型、α＋β型、あるいはβ型のチタン合金
からなるマトリックスと、該マトリックス中に分散した
体積比で５〜５０％のＴｉＢ固溶体とからなることを特
徴とするチタン基複合材料およびその製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、チタン合金マトリック
ス中に硬質粒子を分散させたチタン基複合材料およびそ
の製造方法に関し、より詳しくは、剛性、高温強度、耐
摩耗性等の特性に優れ、耐熱部品、耐摩耗部品等の各種
部品として好適なチタン基複合材料およびその製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】チタン合金は、超強力鋼や高力アルミ合
金等より高い比強度、比靱性を有するため、航空機やレ
ーシングカー等の強度部品等に利用されている。

【０００３】最近では、さらに該チタン合金の耐熱性、
剛性、耐摩耗性等の特性を改善するため、該チタン合金
中に硬質粒子を分散させた複合材が開発されている。こ
の分散粒子としては、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＳｉＣ、ＴｉＢ
₂ 等の粒子が使用されている。

【０００４】このＴｉ基複合材料として、例えば、チタ
ン粉末と強化用母合金粉末とＴｉＣ粉末とを出発原料と
し、混合・成形・焼成・ＨＩＰ処理によって製造される
ＴｉＣ粒子が分散したチタン基複合材料、および粉末合
金積層材の製造方法『Titanium Carbide/Titanium Allo
y Composite and Process for Powder Metal Claddin
g』（米国特許第 4,731,115号）が提案されている。こ
のようにして得られた合金組成物は、高いヤング率と優
れた耐摩耗性を示すとしている。

【０００５】また、上記米国特許第 4,731,115号と同様
にＴｉＣ粒子を分散させたチタン基複合材料であるが、
マトリックス合金をβチタン相とすることを特徴とした
「高耐摩耗チタン合金材」（特開平2-129330号公報）が
提案されている。該チタン合金材は、マトリックスをβ
相とすることにより、通常のα＋β型チタン合金をマト
リックスとしたものに比べ耐摩耗性が著しく向上すると
している。

【０００６】また、上記米国特許第 4,731,115号と同様
の粉末冶金法を活用してチタン合金中にＴｉＢ₂ 粒子を
分散させたチタン基複合材料、および粉末合金積層材の
製造方法『Titanium Diboride/Titanium Alloy Metal M
atrix Microcomposite and Process for Powder Metal
Cladding』（米国特許第 4,968,348号）が提案されてい
る。このようにして得られた合金組成物は、強度、剛
性、耐摩耗性に優れているとしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記米
国特許第 4,731,115号に開示されている合金組成物は、
高剛性、耐摩耗性を有するものとしているが、ＨＩＰ処
理を前提にしているなどにより、製造コストが高いとい
う問題点を有している。また、この合金組成物は、(1)
ＴｉＣ粒子は、チタンマトリックスＦＲＭの複合繊維と
して注目されているＳｉＣと比較すれば、マトリックス
と反応しにくい性質を有しているが、チタン合金マトリ
ックスは相当量の炭素を固溶するため（特にα相の場合
顕著）、延性が大きく低下してしまう、(2) ＴｉＣ粒子
とチタン合金マトリックスの界面は非整合であること
と、炭素がマトリックスに固溶しやすいことから、オス
トワルト成長による粒子の粗大化が起こりやすい、とい
う問題を有している。さらに、この合金組成物は、複合
粒子／マトリックス間の反応や粒子の成長を抑制するた
めに低温で固化させる（低温・高圧ＨＩＰなど）ことが
必要であり、さもなくば延性の低下を受け入れて、剛性
のみの特長を活かすなど使用範囲が限定されるという問
題を有している。このように、ＴｉＣ粒子はＳｉＣなど
と比較すれば、チタン合金に対する相性は遥かに優れて
いるが、必ずしも最適とは言い難い。

【０００８】また、前記特開平2-129330号で提案された
ＴｉＣ粒子分散型複合材料は、マトリックスをβチタン
合金とすることで、耐摩耗性と延性とを両立させること
に成功し、この分野において注目されている。しかしな
がら、この複合材料も製造コストが著しく高いという問
題を有している。また、(1) βチタン合金は、α＋βチ
タン合金よりもヤング率が大幅に低いため、たとえ強化
粒子を多量に分散させても、通常のα＋β合金なみの剛
性しか得られない、(2) βチタン合金は、本質的にクリ
ープ特性に劣るため、たとえ強化粒子を分散させても耐
熱部品としての適用は著しく制限される、などの問題を
有していた。

【０００９】また、前記米国特許第 4,968,348号で開示
されたＴｉＢ₂ 粒子分散型複合材料では、ＴｉＢ₂ が高
温においてチタン合金と熱力学的に平衡できないため、
この複合材を製造するためには、反応が起こりにくい低
温で、しかも高圧下で焼結させることが前提となる。こ
のため、製造コストが著しく高くなってしまうという問
題点を有している。

【００１０】そこで、本発明者らは、上述の如き従来技
術の問題点を解決すべく鋭意研究し、各種の系統的実験
を重ねた結果、本発明を成すに至ったものである。

【００１１】（発明の目的）本発明の目的は、強度、延
性、剛性、耐摩耗性、耐熱性に優れた安価なチタン基複
合材料およびその製造方法を提供するにある。

【００１２】本発明者らは、上述の従来技術の問題に対
して、以下のことに着眼した。すなわち、チタン合金と
本質的に反応しにくい成分からなる強化粒子を選定し、
これを微細かつ多量にチタン合金マトリックス中に分散
させる方法を採ることが、マトリックスの靭性や延性を
低下させずに、強度、耐摩耗性、剛性、耐熱性を向上さ
せた複合材料を得るために不可欠であることに着眼し
た。

【００１３】そこで、まずチタン基複合材料の強化相を
選定するに当たって、強化相に求められる基本要因を、
以下の点に絞って詳細に検討した。 (1) 強度、剛性、耐摩耗性、耐熱性などの機械的性質に
優れていること。 (2) チタン合金マトリックス／強化相界面の結合強度が
高いこと。 (3) 複合材料製造温度においてマトリックスのチタン合
金と熱力学的に平衡できること。 (4) チタン合金マトリックスに固溶して、マトリックス
を変質、劣化させないこと。

【００１４】従来技術では、上記基本要因の中で主に
(1) と(2) にのみ注目して強化相が選ばれ、(3),(4) に
ついてはあまり考慮されておらず、これらに問題に対し
ては、反応の起こりにくい低温で成形する、あるいは強
化相の表面をコーティングして反応を抑える、などで対
処しようとする考え方が一般的であった。しかし、素粉
末混合焼結法によってチタン基複合材料を得ようとする
場合は、製造温度が極めて高いために、上記(3),(4)の
性質も選定の際の不可欠な要素となる。

【００１５】以上のような観点から、チタン合金の強化
相として、前記の米国特許第 4,731,115号や特開平2-12
9330号に用いられたＴｉＣを考えると、上記性質の(4)
に抵触していることが分かる。すなわち、ＴｉＣ粒子と
マトリックスとが反応して炭素がマトリックス中に拡散
固溶し、マトリックスの延性を低下させてしまうことか
ら、強化相としてＴｉＣが不適であることが分かる。ま
た、前記米国特許第 4,968,348号に用いられたＴｉＢ₂
を考えると、上記性質の(3) に抵触していることが分か
る。すなわち、ＴｉＢ₂ はチタン合金と熱力学的に平衡
できない。

【００１６】ＴｉＣやＴｉＢ₂ よりもチタン合金マトリ
ックスの複合材料に適した強化相としては、イットリウ
ムや希土類金属の酸化物が考えられる。これらの粒子を
分散させた合金は、急冷凝固粉末合金として最近注目さ
れ、次世代の軽量耐熱材料として有望視されている。し
かし、粉末の製造にコストがかかり過ぎること、大量に
粒子を分散させることが難しいこと、固化技術が困難な
こと、など製造上問題となる点が多い。

【００１７】そこで、前記(1) 〜(4) の基本要因を満足
する強化相として、ＴｉＢが好適であることを見いだし
た。すなわち、ＴｉＢは、αならびにβチタン合金マト
リックスと広い温度範囲で熱力学的に平衡し、しかも硼
素はα、βいずれのマトリックスにもほとんど固溶しな
い。また、ＴｉＢ／チタンマトリックス界面は整合性の
高い低指数面で構成されるため、界面強度が高いものと
予想される。さらに、硼素はチタン合金の焼結を促進さ
せるという特筆すべき効果があることを見いだした。こ
のことから、無加圧焼結のみの安価な工程で高密度なチ
タン基複合材料が得られる可能性の高いことに着目し、
本発明を成すに至った。

【００１８】

【課題を解決するための手段】

【００１９】（第１発明）第１発明のチタン基複合材料
は、α型、α＋β型あるいはβ型チタン合金からなるマ
トリックスと、該マトリックス中に分散した体積比で５
〜５０％のＴｉＢ固溶体とからなることを特徴とする。

【００２０】（第２発明）第２発明のチタン基複合材料
の製造方法は、チタン粉末と，少なくとも２種以上の金
属元素を含む強化用物質粉末と，硼素を含む物質粉末と
を混合・成形すると共に、該成形体を無加圧で焼成する
ことにより、チタン合金からなるマトリックス中に体積
比で５〜５０％のＴｉＢ固溶体が分散したチタン基複合
材料を得ることを特徴とするチタン基複合材料の製造方
法。

【００２１】

【作用】第１発明のチタン基複合材料および第２発明の
チタン基複合材料の製造方法が優れた効果を発揮するメ
カニズムについては、未だ必ずしも明らかではないが、
次のように考えられる。

【００２２】（第１発明の作用）本第１発明のチタン基
複合材料は、α型、α＋β型あるいはβ型チタン合金か
らなるマトリックスと、該マトリックス中に分散したＴ
ｉＢ固溶体の強化相とからなる。この基質チタン合金成
分中に分散したＴｉＢ固溶体は、チタン合金とは反応せ
ず、また高温で使用してもチタン合金への固溶がほとん
どなく、かつ変態も起こさないため特性が安定してい
る。その理由は、該ＴｉＢ固溶体はβチタンマトリック
スと極めて整合性の高い界面を構成しており、しかも前
記のように、硼素はチタン合金中にはほとんど固溶しな
いことから、高温で加熱した場合のオストワルト成長に
起因する粒成長速度が著しく小さいためと考えられる。
この性質は、該複合材料を製造する際にも極めて有効に
作用する。すなわち、本発明による複合材料は、製造時
にたとえ高温で長時間焼結を行っても（α型、α＋β
型、β型チタン合金いずれであっても、焼結は通常該合
金のβ転移温度以上、すなわちβ単相領域にて行われ
る）、強化相とマトリックスとが全く反応せず、しかも
強化粒子の粗大化が起こりにくいことを意味しており、
これは複合材料の製造上極めて好都合な性質である。

【００２３】また、ＴｉＢ粒子のチタン合金マトリック
ス中における分散量が、体積比で５〜５０％の範囲であ
る。該分散量が５％未満では、粒子分散強化の効果が小
さく、５０％を越えると粒子が粗大化し、合金材料の靭
性が低下する恐れがある。

【００２４】以上のことから、本第１発明のチタン合金
は、延性および靱性が低下しにくく、室温から高温まで
の強度、剛性、耐熱性、耐摩耗性等の特性が向上したチ
タン基複合材料となっているものと考えられる。

【００２５】（第２発明の作用）本第２発明のチタン基
複合材料の製造方法は、チタン粉末と、少なくとも２種
以上の金属元素を含む強化用物質粉末と、硼素を含む物
質粉末とを混合・成形すると共に、該成形体を無加圧で
焼成してなる。

【００２６】このように、チタン粉末と、少なくとも２
種以上の金属元素を含む強化用物質粉末と、硼素を含む
物質粉末とを混合・成形すると共に、得られた成形体を
無加圧で焼成すると、前記強化用物質粉末と硼素物質粉
末中に含まれる硼素以外の元素とは、チタン粉末中に拡
散・固溶し、硼素はチタンと反応してＴｉＢ粒子を形成
する。このような冶金反応と平行してチタン粉末の焼結
が進行し、最終的には、強化成分が均一固溶したチタン
合金マトリックス中にＴｉＢ粒子が均一に分散した緻密
な複合材料となる。

【００２７】このとき、硼素が僅かでも含まれるとチタ
ンの焼結が著しく促進され、また強化相であるＴｉＢ粒
子は、チタン粉末と硼素含有物質粉末との反応によっ
て、マトリックス中に生成される。これらの特徴は、以
下に述べるように、複合材料の製造コスト低減のため
に、極めて有効に作用する。

【００２８】通常、この種の複合材料は、マトリックス
合金に強化相そのものを添加・複合して製造される。こ
のため、強化相の量が或る程度以上に多くなると、必然
的にマトリックス合金の焼結性が著しく阻害されてしま
う。従って、緻密な複合材料を得るためには、何らかの
塑性変形処理（例えば、熱間押出し、熱間鍛造、等）や
加圧処理（例えば、ＨＩＰ処理、ホットプレス、等）等
を必要とし、これら後処理のため製造コストを大幅に引
き上げる要因となっていた。

【００２９】これに対して、本発明によるチタン基複合
材料の製造方法では、強化相そのものを添加するのでは
なく、硼素源として添加された粉末とチタン粉末とを反
応させることにより、初めて強化相としてマトリックス
中に形成させること、ならびに、理由は明らかではない
が、硼素がチタンの焼結を著しく促進する効果があるこ
との相乗効果により、単に無加圧で焼成するのみによっ
て、多量の強化相を分散させた場合でも、ほぼ真密度の
緻密な複合材料を得ることができる。これより、極めて
安価にチタン基複合材料の製造が可能となる。

【００３０】以上のように、本第２発明のチタン基複合
材料の製造方法により、極めて安価で、かつ延性および
靱性が低下しにくく、しかも得られるチタン基複合材料
はチタン合金からなるマトリックス中に体積比で５〜５
０％のＴｉＢ固溶体が分散したものであるため、室温か
ら高温までの強度、剛性、耐摩耗性等の特性が向上した
チタン基複合材料が得られるものと考えられる。

【００３１】

【発明の効果】

【００３２】（第１発明の効果）本第１発明によるＴｉ
Ｂ分散型チタン合金マトリックス複合材料は、従来のチ
タン基複合材料に比べ、強度、延性、耐摩耗性、剛性、
耐熱性に優れた複合材料である。

【００３３】（第２発明の効果）本第２発明のチタン基
複合材料の製造方法により、各種チタン基マトリックス
中に微細なＴｉＢ粒子が分散した、強度、延性、剛性、
耐摩耗性、耐熱性に優れたチタン基複合材料を得ること
ができる。また、従来この種の複合材料の製造方法に比
べて、安価で高性能な複合材料を得ることができる。

【００３４】

【実施例】以下に、第１発明および第２発明をさらに具
体的にした具体例（発明）について説明する。

【００３５】まず、本第１発明の具体例（第１具体例）
のチタン基複合材料について、以下に説明する。

【００３６】本第１具体例のチタン基複合材料は、α
型、α＋β型あるいはβ型チタン合金からなるマトリッ
クスと，該マトリックス中に分散した体積比で５〜５０
％のＴｉＢ固溶体とからなる複合材料であって、基質合
金成分であるチタン合金としては、純チタン、あるいは
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−１０Ｖ−２Ｆｅ−３Ａｌ、
Ｔｉ６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ、Ｔｉ−６Ａｌ−
２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ、Ｔｉ−６Ａｌ−６Ｖ−２Ｓｎ
合金等、実用チタン合金であればどのようなものでもよ
い。

【００３７】ＴｉＢ固溶体は、硬質粒子として基質合金
成分中に分散してなるものである。ＴｉＢ固溶体は、Ｔ
ｉＣ、ＴｉＮ、ＳｉＣ等とは異なり、チタン固溶体
（α、βいずれの場合でも）中にはほとんど固溶せず、
従ってチタン合金中に硼素が５０ppm 程度でも含まれる
と安定なＴｉＢ固溶体として存在する。しかも、ＴｉＢ
固溶体は、室温から１６００℃以上の高温までの広い温
度範囲においてチタン固溶体と熱力学的に平衡関係にあ
り、また、ＴｉＢ固溶体とチタン固溶体との界面は極め
て整合性の高い安定な低指数面で構成され界面強度も高
い。従って、ＴｉＢ固溶体はチタン合金に対する複合強
化相として好ましい性質を有している。

【００３８】該ＴｉＢ固溶体は、平均粒径が２０μｍ以
下で、かつ微細な粒状、枝状、針状等の形態で基質チタ
ン合金中に存在させることが好適である。これらの形態
とすることにより、複合材料の靭性を向上させることが
できる。

【００３９】従って、平均粒径２０μｍ以下のＴｉＢ固
溶体粒子が，体積比で５〜５０％チタン合金マトリック
ス中に均一に分散したチタン基複合材料とすることによ
り、強度、延性、剛性、耐摩耗性、耐熱性により優れた
チタン基複合材料とすることができる。

【００４０】次に、本第２発明のチタン基複合材料の製
造方法の具体例（第２具体例）について説明する。

【００４１】本第２具体例のチタン基複合材料の製造方
法は、チタン粉末と，少なくとも２種以上の金属元素を
含む強化用物質粉末と，硼素を含む物質粉末とを混合・
成形すると共に、該成形体を無加圧で焼成することによ
り、チタン合金からなるマトリックス中に体積比で５〜
５０％のＴｉＢ固溶体が分散したチタン基複合材料を得
ることを特徴とする。

【００４２】第２発明のチタン基複合材料の製造方法
は、基本的にチタン粉末と強化用粉末とを混合、成形す
ると共に該成形体を無加圧で焼成することにより該複合
材料を製造するに際し、強化用成分の添加形態を特定す
ることによって、マトリックスおよび強化相の組織を制
御する方法である。

【００４３】本発明のチタン基複合材料を製造する方法
としては、溶解・鋳造法、あるいは粉末冶金法等、どの
様な方法でもよい。なお、前記溶解・鋳造法の場合、硬
質粒子の均一分散が難しく、また硬質粒子が粗大化しや
すいことがあるので、粉末冶金法を用いることが好まし
い。この粉末冶金法では、微細なＴｉＢ粒子を多量かつ
均一にチタン合金中に分散することができる。

【００４４】前記粉末冶金法の中でも合金粉末法では、
合金粉末を作製する際に硼素を添加しておけば、ＨＩＰ
成形後に微細なＴｉＢ固溶体粒子が均一に分散したチタ
ン基複合材料が得られる。ただし、チタン合金に対して
硼素を５mass％以上添加すると、合金材料の融点が２０
００℃以上となってしまうので、合金材料の粉末の製造
が困難になるおそれがある。従って、合金粉末法では、
ＴｉＢ固溶体粒子の分散量に限界があり、また、製造コ
ストも著しく高くなる。

【００４５】一方、粉末冶金法の中でも、チタン粉末と
強化用母合金粉末とを混合し、成形、焼成する素粉末混
合法を用いれば、硼素の添加量は、理論的には最大１８
％（ＴｉＢとしてほぼ１００％）まで可能であり、ま
た、合金粉末法よりもはるかに低コストでチタン基複合
材料を製造できるので好適である。

【００４６】ここで、チタン粉末は、一般に純チタン粉
末と呼ばれるものであり、どのような種類のものであっ
てもよい。例えば、（ａ）ナトリウム還元法スポンジチ
タンの副産物であるスポンジファイン、（ｂ）マグネシ
ウム還元法スポンジチタンを水素化→粉砕→脱水素して
製造される水素化・脱水素チタン粉末、（ｃ）マグネシ
ウム還元法スポンジチタンを、一旦溶解して不純物を除
去した後、水素化→粉砕→脱水素して製造される極低塩
素チタン粉末の３種類が代表的なものである。

【００４７】次に、本第２発明のチタン基複合材料の製
造方法の他の具体例（第３具体例）について説明する。

【００４８】本第３具体例のチタン基複合材料の製造方
法は、チタン粉末と，少なくとも２種以上の金属元素か
らなる固溶体強化用母合金粉末と，硼素粉末とを混合・
成形すると共に、該成形体を無加圧で焼成することによ
り、チタン合金からなるマトリックス中に体積比で５〜
５０％のＴｉＢ固溶体が分散したチタン基複合材料を得
ることを特徴とする。

【００４９】固溶体強化用母合金粉末は、チタン合金マ
トリックスを強化するために添加するものであるが、プ
ラズマ溶解あるいはアーク溶解等によって作製されたイ
ンゴットを機械的に粉砕することにより安価に製造でき
るものが好ましい。したがって、容易に粉砕しうる組成
のものがよい。具体的には、Ａｌ−Ｖ，Ａｌ−Ｖ−Ｆ
ｅ，Ａｌ−Ｓｎ−Ｚｒ−Ｍｏ，Ａｌ−Ｖ−Ｓｎ，Ａｌ−
Ｆｅ等からなる基本組成合金などが適している。また、
硼素粉末は、非晶質粉末の形態や硼素クリスタルを機械
的に粉砕して得られた粉末の形態で添加するなどの方法
がある。

【００５０】前記チタン粉末、強化用母合金粉末、硼素
粉末を所定割合で混合し、成形し、該成形体を無加圧で
焼成することにより、チタンの焼結が進行すると共に、
固溶体強化用成分はチタン中に拡散・合金化し、硼素は
チタンと結合して微細なＴｉＢ固溶体となってマトリッ
クス中に分散し、チタン合金からなるマトリックス中に
体積比で５〜５０％のＴｉＢ固溶体が分散したチタン基
複合材料を得ることができる。

【００５１】さらに、添加した硼素は、チタン粉末の焼
結を促進する効果があるので、安価な無加圧焼結のまま
でも、高密度の複合材料を得ることができる。

【００５２】次に、本第２発明のチタン基複合材料の製
造方法の他の具体例（第４具体例）について説明する。

【００５３】本第４具体例のチタン基複合材料の製造方
法は、チタン粉末と，少なくとも２種以上の金属元素と
硼素とからなる強化用母合金粉末とを混合・成形すると
共に、該成形体を無加圧で焼成することにより、チタン
合金からなるマトリックス中に体積比で５〜５０％のＴ
ｉＢ固溶体が分散したチタン基複合材料を得ることを特
徴とする。

【００５４】強化用母合金粉末は、チタン合金マトリッ
クスを固溶体強化すると共に、ＴｉＢ粒子を形成させる
ための硼素源として添加するものである。したがって、
チタンに対する固溶体強化元素、例えば、Ａｌ，Ｖ，Ｓ
ｎ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ｆe 等と硼素とを含有し、かつ溶解→
機械的粉砕が容易な組成のものが好ましい。

【００５５】前記チタン粉末と強化用母合金粉末とを所
定割合で混合し、成形、焼成することにより、チタンの
焼結が進行すると共に、固溶体強化用成分はチタン中に
拡散・合金化し、硼素はチタンと結合して微細なＴｉＢ
固溶体となってマトリックス中に分散し、チタン合金か
らなるマトリックス中に体積比で５〜５０％のＴｉＢ固
溶体が分散したチタン基複合材料を得ることができる。

【００５６】さらに、この方法によれば、硼素含有粉末
がチタンと反応する際に、硼素以外の成分のチタンへの
固溶反応と、ＴｉＢ粒子の生成反応とが同時に進行す
る。このため、前記第３具体例のような、硼素粉末とチ
タン粉末の直接反応に比べて反応が緩やかであり、か
つ、カーケンドール効果にともなうボイドも発生しにく
い等の理由により、より緻密化が進行し易いという特徴
を有している。

【００５７】次に、本第２発明のチタン基複合材料の製
造方法の他の具体例（第５具体例）について説明する。

【００５８】本第５具体例のチタン基複合材料の製造方
法は、チタン粉末と，少なくとも２種以上の金属元素か
らなる固溶体強化用母合金粉末と， IＶａ，Ｖａ，ＶI
a，ＶIII 属元素の硼化物粉末１種以上とを混合・成形
すると共に、該成形体を無加圧で焼成することにより、
チタン合金からなるマトリックス中に体積比で５〜５０
％のＴｉＢ固溶体が分散したチタン基複合材料を得るこ
とを特徴とする。

【００５９】一般に安価な素粉末混合法焼結チタン合金
に使用可能な強化用母合金粉末は、Ｔｉ−６Ａｌ−４
Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ、Ｔｉ−６
Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ、Ｔｉ−５Ａｌ−２.5Ｓ
ｎ、Ｔｉ−６Ａｌ−６Ｖ−２Ｓｎ等によって代表される
α型あるいはα＋β型チタン合金用のみである。その理
由は、母合金粉末を製造する際に以下のような問題を生
じるためである。すなわち、代表的なβ型チタン合金
は、いずれもＡｌの含有量が低く、また遷移金属元素を
多く含んでいることなどの理由から、母合金の延性が高
く、安価な粉砕法で微粉末化することが困難である。た
だし、一部の合金系では二種類以上の母合金を併用する
ことにより粉砕が可能な場合もないことはない。例え
ば、Ｔｉ−１０Ｖ−２Ｆｅ−３Ａｌ合金ではＦｅ−Ｖ系
母合金とＡｌ−Ｖ系母合金とを用いることにより、安価
な粉砕法で添加用の粉末を製造することができる。しか
し、これはごく一部のnearβ型チタン合金系に限られる
ことであって、通常のβ型チタン合金系では粉砕法以外
の高価な方法で母合金を製造しなければならなかった。

【００６０】これに対し、本具体例のように前記ＩＶ
ａ、Ｖａ、ＶＩａ、ＶIII 属元素の硼化物粉末の形で硼
素を添加することにより、硼素と同時にβ安定化作用を
有する元素をも添加することが可能になる。これより、
本質的に組織制御が多彩なβマトリックスのチタン基複
合材料の製造を可能にすることができる。

【００６１】すなわち、ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ、ＶIII
属元素の硼化物粉末の形で硼素を添加しても、同様に硼
素は焼結過程でチタンと反応して微細なＴｉＢ粒子を形
成すると共に、ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ、ＶIII 属元素は
チタンマトリックス中に固溶する。ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩ
ａ、ＶIII 属元素のうちチタンを除く大部分はチタン合
金に対してβ安定化作用を有する成分であり、この方法
によりマトリックス合金の組織を制御することも同時に
可能となるなどの特有の利点を奏することができる。

【００６２】本具体例で用いられる固溶体強化用母合金
粉末は、第３具体例と同様のものを用いることができ
る。また、ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ、ＶIII 属元素の硼化
物粉末は、どのようなものでも利用可能であり、一般に
微粉末の形で市販されているものが入手が容易である。

【００６３】上記のチタン粉末と強化用母合金粉末と上
記の硼化物粉末とを所定割合で混合し、成形、焼成する
ことにより、チタンの焼結が進行すると共に、固溶体強
化用粉末の各成分はチタン中に拡散・合金化し、また、
硼化物中の硼素はチタンと結合して微細なＴｉＢ固溶体
となってマトリックス中に分散すると共に、硼化物中の
ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ、ＶIII 属元素はチタン中に拡散
・合金化する。その理由は、上記各硼化物はＴｉＢを除
いてチタン合金とは熱力学的に平衡できず、しかも、こ
れら硼化物の標準生成自由エネルギーの絶対値が、チタ
ン硼化物のそれよりも一般に小さいからである。

【００６４】一方、これらＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ、ＶII
I 属元素の多くは、チタンに合金化するとβ相を安定化
させる作用を有する。このことは、母合金の粉砕が困難
なため制限されていたβ合金をも該チタン基複合材料の
マトリックスとして利用し得ることを意味している。

【００６５】本発明のチタン基複合材料の高強度化は、
マトリックス合金の強化とＴｉＢ粒子複合化による強化
の相乗効果によるものである。一般に強度レベルが高く
なるほど、残留空孔の機械的性質におよぼす影響が顕著
に現れるようになる。したがって、残留空孔の量を極力
減少させ、また、その大きさもできるだけ小さくするこ
とが必要となる。残留空孔の量は成形体密度と焼結性に
依存し、また、残留空孔の大きさは、原料粉末の粒径、
粉末の充填性、焼結性などが関係している。チタン粉末
の粒径が大きすぎると、残留空孔は粗大化しやすく、ま
た、強化用粉末の粒径が大き過ぎると、焼結性が低下す
るため十分な焼結体密度が得られない。したがって、チ
タン粉末の最大粒径は１５０μm以下、強化用粉末の平
均粒径は１０μm以下が、それぞれ好ましい。

【００６６】以上、第３具体例〜第５具体例により、極
めて安価に、延性および靱性が低下しにくく、しかも室
温から高温までの強度、剛性、耐摩耗性等の特性が向上
したチタン基複合材料を得ることができる。

【００６７】次に、本第２発明のチタン基複合材料の製
造方法の他の具体例（第６具体例）について説明する。

【００６８】本第６具体例のチタン基複合材料の製造方
法は、チタン粉末と強化用粉末とからなる原料粉末を準
備する工程（原料粉末準備工程）と、前記原料粉末のう
ちチタン粉末を加圧すると共にこすり合わせ，原料粉末
の充填密度を所定値とするための工程（粉末加工工程）
と、前記原料粉末を混合する工程（原料粉末混合工程）
と、前記混合粉末を成形する工程（成形工程）と、前記
成形体を無加圧で焼成する工程（焼結工程）と、からな
るチタン基複合材料の製造方法である。

【００６９】第６具体例のチタン基複合材料の製造方法
は、前記粉末加工工程に特徴を有する製造方法である。
本加工工程において、チタン粉末にある程度の加圧を行
うと共にチタン粉末をこすり合わせ、チタン粉末の充填
率（充填密度）を所定値とする。この工程により、チタ
ン粉末に加工を行うと共にこすり合わせることにより変
形を与えると、チタン粉末個々の粒子の突起部が潰され
て表面が平滑化する。これにより、粉末の流動性が向上
して原料粉末の粒子間における空隙が微細化し、充填密
度が向上する。この粉末を成形、焼結すると残留空孔は
著しく微細化する。そのため、粉末の流動性が向上し、
所望の充填密度とすることができる。

【００７０】一般に塩素含有量の高いチタン粉末を使用
した焼結チタン合金には、焼結後、たとえＨＩＰ処理を
施しても粗大な空孔が残留することが知られている。こ
のため、塩素含有量を下げることが、焼結チタン合金の
機械的性質向上のための必須条件と考えられてきた。し
かし、高塩素チタン粉末を使用した場合に粗大な空孔が
形成されるのは、塩素そのものではなく、ＮａＣｌ，Ｍ
ｇＣｌ₂ 等の粗大な介在物粒子が存在するためである。
したがって、安価な高塩素チタン粉末であっても、本具
体例のように上記の加工処理を施すことにより、粗大介
在物が破砕・微粉化された状態でチタン粉末と均一に混
合される。これより、高塩素チタン粉末使用材では避け
られないと考えられてきた粗大残留空孔は、除去するこ
とができる。

【００７１】また、粉末の充填密度は、粉末の粒度分布
と粒子形状とによって左右される。すなわち、粗大粒子
の空隙を満たすのに最適な粒度を有する中小粒子が適量
存在するような粒度分布が望ましいが、たとえ粒度分布
が最適であっても、粉末の流動性が悪いと粉末の充填率
は向上しない。スポンジファインの場合、粉末の形状は
ポーラスかつ不定形であって流動性が著しく悪いため、
充填密度は１．５ｇ／cm³ 程度である。また、水素化・
脱水素チタン粉末の場合は、粉砕粉末のため角張った形
状をしており、スポンジファインと比べると若干優れて
はいるが、通常のアトマイズ粉末などと比較すると流動
性は著しく劣っており、せいぜい２．０ｇ／cm³ 程度で
ある。このような状態のままで原料粉末を成形しても、
粒子間の摩擦力のため粒子はほとんど移動できず、その
まま変形を受けるので、成形体中には粗大空孔が形成さ
れやすい。さらに、この成形体を焼成した場合、焼結体
中にも粗大空孔は受け継がれ、破壊の起点となりやす
い。成形圧力を上げて密度を向上させても、焼結体中の
残留空孔を微細化させることは困難である。これらの粉
末の流動性を向上させるためには、本加工工程により粉
末の形状を変化させ、上記所定値の充填密度を有するよ
うにする必要がある。

【００７２】本加工工程において、現在市販されている
チタン粉末に対して１５％以上、より望ましくは、チタ
ン粉末としてスポンジファインを用いる場合は３０％以
上、水素化・脱水素チタン粉末または極低塩素チタン粉
末を用いる場合は２０％以上、それぞれ充填密度を向上
させるように、チタン粉末に変形を与えることが好適で
ある。

【００７３】この充填密度は、２．０ｇ／cm³ 〜３．０
ｇ／cm³ であることが好適である。充填密度がこの数値
範囲内の場合、適度な流動度およびタップ密度を有する
ものとすることができる。該充填密度が２．０ｇ／cm³
未満の場合は、粗大空孔を完全には消失させることがで
きないため、チタン基複合材料の強度や延性を十分に向
上させることができず、また、３．０ｇ／cm³ を越える
場合には粉末の成形性が著しく低下するため共に好まし
くない。

【００７４】なお、チタン粉末としてスポンジファイン
を用いる場合は、粉末の充填密度が２．０ｇ／cm³ 〜
２．５ｇ／cm³ となるように、また、水素化・脱水素チ
タン粉末または極低塩素チタン粉末を用いる場合は、粉
末の充填密度が２．３ｇ／cm³ 〜３．０ｇ／cm³ となる
ように、それぞれ加工を加えることが好ましい。これに
より、破壊の起点となりうる粗大空孔を消失させること
ができ、最大でも１０μｍ程度の独立空孔とすることが
できる。これより、機械的性質、特に、強度と延性とが
大幅に向上する。

【００７５】なお、前記加工処理は、チタン粉末のみに
与えた方が粉末の汚染を避けることができるので好まし
いが、場合によってはチタン粉末と強化用粉末とを混合
した混合物に行っても、強度、延性、剛性、耐摩耗性、
耐熱性に優れた、極めて安価なチタン基複合材料を得る
ことができる。

【００７６】前記加工を与える方法としては次のような
方法がある。すなわち、この工程は粉末表面の突起部を
平滑にする、あるいはスポンジファインのような凝集粉
末を壊砕する程度の軽度な加工であり、例えば、鋼球を
含むボールミルやアトライター中に原料粉末を投入し
て、ごく短時間（１〜２０min.）撹拌する方法などによ
り行う。このような処理により、チタン粉末はこすり会
うと共に、その突起部が加圧され平坦化する。なお、繰
り返し述べるように、チタン粉末粒子を粉砕微細化させ
たり、著しい加工硬化を生じさせるような強加工を与え
ることは、圧縮性が低下し、また、酸素量も増加するた
め避けなければならない。

【００７７】前記のように、チタン粉末を加圧すると共
にこすり合わせる加工を施し、原料粉末の充填密度を所
定値とすることにより、残留空孔を孤立微細化すること
が可能となり、その結果、強度、延性、耐摩耗性、剛
性、耐熱性の優れたチタン基複合材料が得られるものと
考えられる。

【００７８】従って、本第６具体例のチタン基複合材料
の製造方法により、不純物を多く含む安価なチタン粉末
を原料として用いても、コストアップを招くＨＩＰ処理
や熱間加工処理を一切行わずに、焼結のみで、極めて高
価な溶製法で得られたチタン基複合材料をも上回る強
度、延性、剛性、耐摩耗性、耐熱性に優れたチタン基複
合材料を得ることができる。このため、焼結材料本来の
コストメリットが十分発揮でき、コスト最優先の自動車
用部品等の量産品にもチタン基複合材料を適用すること
が可能になる。

【００７９】本第６具体例のチタン基複合材料の製造方
法は、前記第２発明、第２具体例〜第５具体例のチタン
基複合材料の製造方法と組合せることが好適であり、そ
れぞれの特徴的構成の特有の効果に加えて、第６具体例
の加工工程の特有の効果をされに相乗的に奏することが
できるので、より望ましい。

【００８０】第２具体例〜第６具体例の原料粉末混合工
程における前記原料粉末の混合は、ボールミル、Ｖ型混
合機等の装置を用いる等、どのような混合方法でもよ
い。

【００８１】第２具体例〜第６具体例の成形工程におい
て、前記加工を施した原料粉末を成形する方法として
は、金型プレス成形、ＣＩＰ（冷間静水圧プレス）成形
などの方法がある。

【００８２】第２具体例〜第６具体例の焼結工程におい
て、前記成形体を焼成する。焼成温度および焼成時間
は、焼結体の緻密化、合金組成の均質化、ＴｉＢ粒子の
分散状態、焼成炉の耐久性、経済性等を考慮すると、１
２００〜１４００℃、４〜５０時間の範囲が望ましい。
また、焼成雰囲気としては、チタン合金は雰囲気ガス
（酸素、窒素、水素、その他還元性のガス）と反応しや
すいため、１０^-3torr以下の高真空中、あるいはアルゴ
ン、ヘリウム等の高純度不活性ガス中とするのがよい。

【００８３】以下に、本発明の実施例を説明する。

【００８４】第１実施例 −１００メッシュのチタン粉末（Ｔｉ：９９.6％、Ｏ：
0.１％、Ｃｌ：0.１％）６７０ｇと、平均粒径７μｍの
Ａｌ−４０％Ｖ粉末７０ｇと、平均粒径２μｍの硼素粉
末８.3ｇとを、アトライタ中にて１０分間混合した。次
いで、この混合粉末をＣＩＰにて圧力４ton ／cm² で成
形し、得られた成形体を１０^-5torrの真空中、１３００
℃で１６時間焼成した。これによりＴｉとＡｌとＶとの
チタン合金中に平均粒径５μｍの板状ＴｉＢが５．９vo
l ％分散したチタン合金材料が得られた（試料番号：
１）。

【００８５】第２実施例 原料として、第１実施例と同様な純チタン粉末６６７ｇ
と、Ａｌ−４０％Ｖ粉末６６ｇと、硼素粉末１６．５ｇ
とを使用し、第１実施例と同様な条件で混合、成形、焼
成を行った。これにより、ＴｉとＡｌとＶとのチタン合
金中に平均粒径１０μｍの板状ＴｉＢが１1.６８vol ％
分散したチタン基複合材料が得られた（試料番号：
２）。得られたチタン基複合材料の金属組織を示すＳＥ
Ｍ（走査型電子顕微鏡）写真（倍率：１０００倍）を、
図１に示す。図１より明らかのごとく、本実施例により
得られたチタン基複合材料は、微細なＴｉＢ粒子が均一
に分散し、残留空孔が殆どない緻密な組織であることが
分かる。

【００８６】第３実施例 原料として、第１実施例と同様な純チタン粉末６６０ｇ
と、Ａｌ−４０％Ｖ粉末６０ｇと、硼素粉末２８．５ｇ
とを使用し、第１実施例と同様な条件で混合、成形、焼
成を行った。これにより、ＴｉとＡｌとＶとのチタン合
金中に平均粒径１０μｍの板状ＴｉＢが２０．２２vol
％分散したチタン基複合材料が得られた（試料番号：
３）。

【００８７】第４実施例 原料として、第１実施例と同様な純チタン粉末５９９ｇ
と、Ａｌ−４０％Ｖ粉末６０ｇと、平均粒径１μｍのＴ
ｉＢ₂ 粉末９１．８ｇとを使用し、第１実施例と同様な
条件で混合、成形、焼成を行った。これにより、Ｔｉと
ＡｌとＶとのチタン合金中に平均粒径１０μｍの板状Ｔ
ｉＢが２１．０３vol ％分散したチタン基複合材料が得
られた（試料番号：４）。

【００８８】第５実施例 原料として、第１実施例と同様な純チタン粉末６６９ｇ
と平均粒径７μｍのＡｌ−３８％Ｖ−９．８Ｂ粉末７７
ｇとを使用し、第１実施例と同様な条件で混合、成形、
焼成を行った。これにより、ＴｉとＡｌとＶとのチタン
合金中に平均粒径５μｍの板状ＴｉＢが５．２vol ％分
散したチタン基複合材料が得られた（試料番号：５）。

【００８９】第６実施例 原料として、第１実施例と同様な純チタン粉末６２０ｇ
と、平均粒径７μｍのＡｌ−４０％Ｖ粉末６３ｇと、平
均粒径２μｍのＣｒＢ粉末３３ｇとを使用し、第１実施
例と同様な条件で混合、成形、焼成を行った。これによ
り、ＴｉとＡｌとＶとＣｒとのチタン合金中に平均粒径
１０μｍの板状ＴｉＢが１０．２vol％分散したチタン
基複合材料が得られた（試料番号：６）。

【００９０】第１比較例 原料として、第１実施例と同様な純チタン粉末６３０ｇ
と、Ａｌ−４０％Ｖ粉末７０ｇとを使用し、第１実施例
と同様な条件で混合、成形、焼成を行った。これによ
り、ＴｉとＡｌとＶとのチタン合金のみからなり、硬質
粒子が分散していない比較用チタン基複合材料が得られ
た（試料番号：Ｃ１）。

【００９１】第２比較例 原料として、第１実施例と同様な純チタン粉末６３０ｇ
と、Ａｌ−４０％Ｖ粉末７０ｇと、平均粒径２０μｍの
ＴｉＣ粉末７０ｇとを使用し、第１実施例と同様な条件
で混合、成形、焼成を行った。これにより、ＴｉとＡｌ
とＶとのチタン合金中に平均粒径４０μｍの粒状ＴｉＣ
が９．４５vol ％分散した比較用チタン基複合材料が得
られた（試料番号：Ｃ２）。

【００９２】第３比較例 原料として、第１実施例と同様な純チタン粉末６３０ｇ
と、Ａｌ−４０％Ｖ粉末７０ｇと、平均粒径１μｍのＴ
ｉＣ粉末７０ｇとを使用し、第１実施例と同様な条件で
混合、成形、焼成を行った。これにより、 ＴｉとＡｌと
Ｖとのチタン合金中に平均粒径１０μｍの粒状ＴｉＣが
８．８４vol ％分散した比較用チタン基複合材料が得ら
れた（試料番号：Ｃ３）。

【００９３】性能評価試験 上記第１実施例〜第６実施例および第１比較例〜第３比
較例のチタン基複合材料について、ピンオンディスク摩
耗試験機にて摩耗特性（相手材Ｓ４５Ｃ焼ならし材、無
潤滑、試験荷重２kg／cm² 、摺動速度０．５ｍ／ｓ）
を、また、ヤング率と引張特性を常温および６００℃
で、それぞれ測定した。その結果を、表１および表２に
示す。

【００９４】

【表１】

【００９５】

【表２】

【００９６】表１および表２より明らかなように、本実
施例のチタン基複合材料は、比較例のものに比べて耐摩
耗性、ヤング率、引張特性がいずれも優れていることが
分かる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第２実施例において得られたチタン基
複合材料の断面の金属組織を示すＳＥＭ写真図（倍率：
１０００倍）である。

【符号の説明】

１ ・・・ ＴｉＢ ２ ・・・ チタン合金マトリックス

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 α型、α＋β型、あるいはβ型のチタン
   合金からなるマトリックスと、該マトリックス中に分散
   した体積比で５〜５０％のＴｉＢ固溶体とからなること
   を特徴とするチタン基複合材料。 【請求項２】 チタン粉末と、少なくとも２種以上の金
   属元素を含む強化用物質粉末と、硼素を含む物質粉末と
   を混合・成形すると共に、該成形体を無加圧で焼成する
   ことにより、チタン合金からなるマトリックス中に体積
   比で５〜５０％のＴｉＢ固溶体が分散したチタン基複合
   材料を得ることを特徴とするチタン基複合材料の製造方
   法。 【請求項３】 前記成形前に、粉末を加圧すると共に擦
   り合わせ、原料粉末の充填密度を所定値とすることを特
   徴とする請求項２記載のチタン基複合材料の製造方法。