JPH0617524B2

JPH0617524B2 - マグネシウム―チタン系焼結合金およびその製造方法

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Publication number: JPH0617524B2
Application number: JP63282182A
Authority: JP
Inventors: 勝廣西山
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-11-08
Filing date: 1988-11-08
Publication date: 1994-03-09
Anticipated expiration: 2009-03-09
Also published as: US5024813A; JPH02129329A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、マグネシウム−チタン系焼結合金（以下、Ｍ
ｇ−Ｔｉ系焼結合金という）およびその製造方法に関す
る。

〔従来の技術〕一般に、Ｍｇを基質とするＭｇ系合金は、Ｍｇに対し溶
解度の大きいＡｌ、Ｚｎ等を合金元素とし、これらを溶
解法によって製造していた。その合金としてはＭｇ−Ａ
ｌ−Ｚｎ系合金が挙げられる。このようなＭｇ系合金
は、比強度や振動吸収能（減衰能）に優れているが、耐
食性に乏しいものであった。

そのため、高強度で耐食物性に優れたＭｇ系合金を得る
ために、近年においては各種のＭｇ系合金の開発が行な
われている。

一般に、Ｍｇに対して溶解度の小さい合金元素を比較的
多量に含むＭｇ系合金は溶解法により製造することは困
難であるとされている。

比較的最近、この困難性を一部分ではあるが克服するこ
とにより、Ｍｇ−Ｚｒ−Ｚｎ系合金およびＭｇ−Ｚｒ−
希土類元素系合金がそれぞれ開発された。これは、Ｍｇ
−Ｚｒ系合金が包晶反応系に属する合金系であることを
利用して製造できるようにしたものである。

しかしながら、Ｚｒを多量に含むＭｇ−Ｚｒ系合金は、
やはり溶解法によっては製造することが実際上なかなか
困難であった。

そこで、Ｚｒ等に代わる合金元素で、容易にＭｇ系合金
を製造することができ、しかも諸性質の優れたＭｇ系合
金の開発が更に望まれていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

このような要請を満足させる合金元素としてＴｉは考え
られていた。

すなわち、ＴｉはＺｒと周期律上では同族に属するため
Ｍｇ−Ｔｉ系合金を製造する試みが行なわれて来た。

しかしながら、ＴｉはＭｇに対する溶解度が小さい元素
であり、ハンセン(Hansen)が示した状態図集によるＭｇ
−Ｔｉ系合金の状態図には、Ｍｇに対し僅か０．１２５
重量％Ｔｉ濃度までの合金が示されているが、Ｍｇに対
するＴｉの溶解度は極めて小さいものであるため実際の
合金としての状態図ではなく、予想線が示されているの
みであり、したがって未だ明確な状態図は明らかではな
い。しかも、同状態図によると、Ｍｇに対するＴｉの溶
解度はＭｇの溶解温度（６５０℃）直上の６５１℃で
０．００２５重量％（０．００１３原子％）、８５０℃
で０．０１５重量％（０．００７８原子％）と極めて小
さいことが示されている。

従って、今日においては、高濃度のＴｉを含むＭｇ−Ｔ
ｉ系合金は製造することは不可能とされており、実際高
濃度のＴｉを含むＭｇ−Ｔｉ系合金は製造されていな
い。

しかし、Ｍｇ−Ｔｉ系合金はＭｇ−Ｚｎ系合金と同様な
効果をもたらす合金、すなわち高強度、高減衰能等を有
するものと考えられているため、Ｍｇ−Ｔｉ系合金およ
びその製造方法の開発が是非とも必要であり、かつ望ま
れている。

本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、強
度、耐食性、耐摩耗性および減衰能に優れており、軽量
で、成形容易性、加工容易性を有し、しかも製造が容易
なＭｇ−Ｔｉ系焼結合金およびその製造方法を提供する
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

請求項第１項によれば、本発明のＭｇ−Ｔｉ系焼結合金
は、Ｍｇに対してＴｉが０．０４〜９９．９６重量％か
らなることを特徴とする。

請求項第２項によれば、本発明のＭｇ−Ｔｉ系焼結合金
の製造方法は、Ｍｇ粉末に対してＴｉ粉末および水素化
チタン粉末（以下、ＴｉとＨとのモル比が１：２以外の
水素化チタンも含めた総称としてＴｉＨ_２粉末という）
の少なくとも一方を焼結体のＴｉ組成が０．０４〜９
９．９６重量％となるようにして調合して均一組成に混
合し、この混合物を所定形状に成形し、その後Ｍｇの固
相温度から液相温度までの範囲で焼結することを特徴と
する。

請求項第５項によれば、本発明のＭｇ−Ｔｉ系合金の製
造方法は、Ｍｇ粉末に対してＴｉ粉末およびＴｉＨ_２粉
末の少なくとも一方を最終生成物のＴｉ組成が０．０４
〜９９．９６重量％となるように調合して混合し、この
混合物を搬送路に沿って加熱および加圧しながら搬送し
てＭｇを溶融させ、この溶融Ｍｇ内に混入させた前記Ｔ
ｉ粉末およびＴｉＨ_２粉末の少なくとも一方が混合して
いる溶融混合物を成形型内に圧入し、その後冷却させる
ことを特徴とする。

〔作用〕

請求項第１項に示す本発明のＭｇ−Ｔｉ系焼結合金は、
Ｍｇに対するＴｉの濃度が０．０４〜９９．９６重量％
であり、従来のＭｇ−Ｔｉ系合金より極めて高濃度のも
のとなる。

そのため、本発明のＭｇ−Ｔｉ系焼結合金は、抗折強
度、引張強度等の強度、耐食性、耐摩耗性、減衰能に優
れており、軽量で、成形性、加工性に富んだものであ
る。

請求項第２項に示すように、Ｍｇ粉末に対してＴｉ粉末
およびＴｉＨ_２粉末の少なくとも一方をを焼結体のＴｉ
組成が０．０４〜９９．９６重量％となるようにして調
合して均一組成に混合し、この混合物を所定形状に成形
し、その後Ｍｇの固相温度から液相温度までの範囲で焼
結することにより、極めて優れた諸性質を有するＭｇ−
Ｔｉ系焼結合金を通常行なわれている焼結法により容易
に製造することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を説明する。

先ず、焼結方法によるＭｇ−Ｔｉ系焼結合金の製造方法
を説明する。

先ず、Ｍｇ粉末、Ｔｉ粉末およびまたはＴｉＨ_２粉末を
用意する。

この場合、Ｍｇ粉末は、８０メッシュを通過する程度の
大きさ、Ｔｉ粉末およびＴｉＨ_２粉末は２００メッシュ
を通過する程度の大きさを用いるとよい。

その後、Ｍｇ粉末に対して焼結後の焼結体のＴｉ組成が
０．０４〜９９．９６重量％となるようにＴｉ粉末およ
びＴｉＨ_２粉末の少なくとも一方を調合する。

そして、調合したＭｇ粉末とＴｉ粉末およびＴｉＨ_２粉
末とを空気中または不活性ガス雰囲気中における乾式ま
たはトルエン等の溶剤を用いた湿式により均一組成に混
合する。この混合は、乳針またはボールミル等の混合装
置を用いて行なうとよい。

その後、混合物を所定形状に成形する。この成形は、
０．１〜５ton ／cm²の圧力で加圧した圧縮成形方法に
よると、所望の形状に良好に成形される。

その後、この成形物を焼結する。

焼結温度は、Ｍｇの融点（６５０℃）より低い固相焼結
または高い液相焼結を行なう温度とすることができる。
本発明においては、望ましい温度範囲としては約２５０
〜８００℃である。

焼結炉中の状態は、窒素ガス、アルゴンガス、６ふっ化
硫黄ガス等の不活性雰囲気若しくは真空とする。

焼結圧力は、０〜６００kg／cm²の広範囲とすることが
できる。すなわち、真空引きしている真空中から、減圧
ガス中、大気圧中、加圧ガス中等の無加圧状態から加圧
状態とすることができる。

加熱保持時間は約１０〜６０分とする。

冷却方法は、徐冷、急冷でもよい。また、所定の真空中
において、その真空度におけるＭｇの融点（例えば３８
０℃：１０^-3torr）未満の温度（例えば、当該融点から
約１００〜３００℃降下した温度までの範囲）まで急冷
し、その後当該温度で所定時間保持し、その後再び急冷
するようにして冷却してもよい。

次に、このようにして焼結方法により製せられたＭｇ−
Ｔｉ系焼結合金の性質を、前記各製造条件との関連も含
めて説明する。

Ｍｇ粉末に混合するものは、Ｔｉ粉末およびＴｉＨ_２粉
末のいずれでも、Ｍｇ−（０．０４〜９９．９６重量
％）Ｔｉ系焼結合金が得られる。

その性質は、抗折強度、引張強度等の機械的強度が高い
ものであり、塩水中に浸漬して強制的に錆を発生させる
ようにしても全く発錆することのない優れた耐食性を有
し、高い耐摩耗性および減衰能を有するものであった。
また、軽量である。更に、被削性がよく加工性に優れた
ものである。また、焼結体を熱間もしくは冷間鍛造する
ことにより、合金内の微小孔を機械的に潰して除去し、
より強度的に優れた歯車等の加工物を得ることもでき
た。

更に、詳細に検討すると、Ｔｉ粉末を用いた場合に比較
して、ＴｉＨ_２粉末を用いた方が、高強度の焼結体が得
られた。

これは次の理由によるものである。焼結中に焼結温度に
よりＴｉＨ_２が分解し、分離した水素がＭｇ同志の焼結
を促進するからである。この場合、冷却中にＭｇＨ_２が
生成する可能性があるが、このＭｇＨ_２は冷却中に生
成、分解を繰返し、最終的には、水素は焼結体外に水
（Ｈ_２Ｏ）の形で排除される。

更に、このＭｇＨ_２は特殊な冷却方法において、例えば
１０^-3torrの真空中でＭｇの融点３８０℃より低い約１
００〜３５０℃まで急冷した後に、同温度に所定時間
（１０〜３０分）保持すると、ＭｇとＨ_２ガスに分解さ
れ、Ｈ_２ガスが取り去られ、完全に排除されることが判
った。しかし、ＭｇＨ_２の排除はこのような真空にする
ような冷却方法を取らなくても、通常の冷却過程中で十
分に行なわれている。また、この特殊な冷却方法と、焼
結温度を低くした焼結とを組合わせることにより、焼結
用金型を過度の温度上昇にさらさせないで、その消耗を
防ぐこともできる。

次に、基質となるＭｇの粉末の粒径との関係において
は、−８０／＋１００（メッシュ：以下同じ）、−１０
０／＋１５０、−１５０／＋２００、−２００／＋２５
０、−２５０／＋３２５、−３２５、−１００、−２０
０の８種について検討したところ、焼結密度はＭｇ粉末
の粒径にほとんど依存しないことが判った。抗折強度
は、Ｍｇ粉末の粒径が小さい方が約１割程度強くなっ
た。特に、−２００メッシュのものは−１００メッシュ
のものより２割程度抗折強度が高くなった。

次に、Ｍｇに対するＴｉの濃度の変化による、Ｍｇ−Ｔ
ｉ系焼結合金の性質を説明する。

常圧焼結法によれば、焼結法の密度はＴｉの濃度の増加
に伴って相対密度が低下し、逆に抗折強度は増加する傾
向を示した。これは従来の焼結合金全般に全く認められ
なかった効果である。

ホットプレス焼結方法においては、Ｔｉの濃度が変化し
ても、相対密度は全て１００％であり、抗折強度は増加
する傾向を示した。

次に、焼結炉中の状態と焼結体との関係を説明する。

窒素ガス、アルゴンガス、６ふっ化硫黄ガス等等の不活
性雰囲気中で焼結した場合と、真空中で焼結した場合に
は、真空中の方が多孔質の焼結体が得られた。この多孔
質を利用して、含油や固体潤滑剤等を含浸させることよ
り、軸受合金として利用できる。

焼結圧力による影響は、前述の真空中、常圧力法、ホッ
トプレス法等において説明しているので省略する。

次に、焼結時間による影響を説明する。

焼結時間を６〜１２０分の範囲で実験したところ、焼結
密度、抗折強度ともあまり変化しなかった。従って、焼
結時間は６〜１０分程度で十分である。

次に、具体的な実施例を説明する。

第１実施例本実施例のＭｇ−Ｔｉ系焼結合金は、２００メッシュを
通過するＭｇ粉末に３２５メッシュを通過するＴｉ粉末
またはＴｉＨ_２粉末を添加し、焼結後のＭｇ−Ｔｉ系焼
結合金のＭｇに対するＴｉの成分が重量％で０．１％、
１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、１
０％、２０％、２２％、３０％、４０％、５０％、６０
％、７０％、８０％、９０％および９５％になるような
２０組成の試料に作成した。焼結法はまず所定重量％に
なるように混合した混合粉を金型を用い圧力３ton ／cm
²で圧縮成形した後、アルゴン雰囲気中、焼結圧力が常
圧（大気圧）、焼結時間が１０分間で、焼結温度を６１
０℃、６４５℃、および６４８℃の固相焼結温度並びに
６５７℃、６６０℃および７００℃の液相焼結温度でそ
れぞれ焼結した。

得られた焼結体の抗折強度をそれぞれ第１図に、相対密
度をそれぞれ第２図に示した。第１図および第２図にお
いて、実線はＴｉＨ_２粉末を添加した焼結体を示し、破
線はＴｉ粉末を添加した焼結体を示している。

第１図および第２図から判るように、Ｔｉの濃度が約２
０％まではその濃度の増加に伴って抗折強度は増大し、
相対密度は低下している。Ｔｉの濃度が２０％以上の場
合は、液相焼結体は濃度の増大に伴って抗折強度が増大
し、固相焼結体は濃度の増大に伴って抗折強度が徐々に
減少している。従って、高い抗折強度を得るにはＴｉ濃
度が２０％以上になった場合には液相焼結方法を採用す
るとよい。しかし、固相焼結体も軸受合金等に要求され
る６kg／mm²以上の抗折強度を有するものであり、十分
実用に耐えるものである。また、Ｔｉ粉末の添加よりＴ
ｉＨ_２粉末を添加した方が高強度の焼結体が得られた。

また、第３図にＴｉＨ_２粉末を添加し、焼結温度を６４
８℃とした固相焼結によるＭｇ−Ｔｉ系焼結合金のロッ
クウェル硬度とＴｉ濃度との関係を示す。

また、第４図（ａ）から（ｆ）により、Ｔｉ濃度の影響
を示すために、Ｍｇ単体およびＭｇ−Ｔｉ系焼結合金の
表面の１５０倍の顕微鏡写真を示す。同図（ａ）はＭｇ
単体を６４８℃で固相焼結したものである。同図（ｂ）
から（ｆ）はそれぞれＴｉＨ_２粉末を添加したものであ
り、同図（ｂ）から（ｅ）は６４８℃で固相焼結し、同
図（ｆ）は７００℃で液相焼結したものであり、更に、
同図（ｂ）から（ｆ）へ順にＭｇ−Ｔｉ系焼結合金に対
するＴｉ濃度（重量％）を１０％、２０％、５０％、８
０％、９０％としたものである。また、同図（ａ）
（ｂ）において、白色部がＭｇ相であり、黒色部は微小
孔部である。同図（ｃ）から（ｆ）において、白色部が
Ｔｉ相であり、黒色部がＭｇ相である。

また、第５図（ａ）（ｂ）（ｃ）により、焼結温度の影
響を示すために、Ｍｇ−７重量％Ｔｉ系焼結合金の表面
の１５０倍の顕微鏡写真を示す。これらは共にＴｉＨ_２
粉末を添加したものであり、同図（ａ）は６４５℃で固
相焼結し、同図（ｂ）は６５７℃で液相焼結し、同図
（ｃ）は６６０℃で液相焼結したものである。

また、５０重量％以上のＴｉを含む液相焼結による焼結
体には、形崩れが全く見られなかった。

第２実施例本実施例のＭｇ−Ｔｉ系焼結合金は、２００メッシュを
通過するＭｇ粉末に３２５メッシュを通過するＴｉＨ_２
粉末を、焼結後のＭｇ−Ｔｉ系焼結合金のＭｇに対する
Ｔｉの成分が重量％で１０％、２０％および５０％とな
る３組成の試料を作成した。焼結法はホットプレスによ
るものであり、前記試料を混合した混合粉を金型を用
い、アルゴン雰囲気中、３０kg／mm²および６４８℃で
１０分間固相焼結を行なった。

得られた焼結体の抗折強度は、Ｔｉ濃度が１０重量％の
とき３０kg／mm²であり、２０重量％のとき３５kg／mm²
であり、５０重量％のとき４３kg／mm²であり、常圧焼
結法による同Ｔｉ濃度の焼結体の抗折強度の２５kg／mm
²よりも大きいことが判った。また、相対密度は１００
％であった。

従来の合金との比較前記各実施例のＭｇ−Ｔｉ系焼結合金の強度および耐食
性等を、従来のＭｇ系合金およびＡｌ系合金と比較する
と次のようになる。

(1)強度の比較Ｍｇ系合金は、本実施例の濃度割合のものは製造されて
いないため比較できない。

Ａｌ系焼結合金は量大抗折濃度で１５kg／mm²、Ａｌ−
（６〜３０重量％）Ｓｉ系焼結合金は２０〜６kg／mm²
の抗折強度である。

しかし、前記各実施例によれば、抗折強度は６kg／mm²
以上であり、例えば軸受合金に必要とされる６kg／mm²
の抗折強度は十分に備えており、しかもＴｉ濃度が約３
％以上で焼結温度がＭｇの融点の近傍以上になれば、従
来の各種合金より抗折強度の大きい焼結体が得られる。

(2)耐食性の比較従来のＭｇ系合金は、耐食性が悪い。これは、合金の被
膜となるＭｇＯが多孔質のためである。

これに対し、本発明のＭｇ−Ｔｉ系焼結合金は、第６図
に示すＸ線回折分析によれば、その被膜は（Ｍｇ_ｘＴｉ
_ｙＯ_1-x-y）から成る緻密な酸化膜と同定されるので、
耐食性が優れているのである。

(3)減衰能の比較本実施例の各種のＭｇ−Ｔｉ系焼結合金は、従来の合金
に比べて十分大きな減衰能を有していた。

なお、本実施例のＭｇ−Ｔｉ系焼結合金の減衰能は、Ｔ
ｉの濃度の増加とともに、若干低下する傾向にあった。

(4)耐摩耗性（硬度）の比較従来のＡｌ−Ｓｉ系合金で、ベーンポンプの羽根等に用
いられている耐摩耗性部材のうち、最良とされるＡｌ−
２０重量％Ｓｉ−２重量％Ｃｕ−１重量％Ｍｇ−２重量
％Ｎｉのロックウェル硬度は６３〜８０（ＨｒＨ）であ
る。

本実施例のＭｇ−Ｔｉ系焼結合金は第３図に示すよう
に、ロックウェル硬度が約６７（ＨｒＨ）以上であり、
極めて耐摩耗性に優れたものである。

なお、本発明は前記各実施例に限定されるものではな
く、必要に応じて変更することができる。

〔発明の効果〕

このように本発明によれば、従来の溶解法では得ること
の出来なかったＴｉを０．０４〜９９．９６重量％と多
量に含むＭｇ−Ｔｉ系焼結合金を固相および液相下で無
加圧焼結または加圧焼結などの従来製法技術を用いて簡
単に得ることができる。また、通常の成型法を用いて自
由な形状に成形することができ、さらに強度、減衰能、
耐食性、耐摩耗性および被削性も、溶解法による従来合
金よりも優れたＭｇ−Ｔｉ系焼結合金が得られる。ま
た、本発明のＭｇ−Ｔｉ系焼結合金は、溶解法による従
来合金より強度、耐食性および高減衰能に優れるととも
に従来合金と同様な軽量性があるために防錆を要求され
るカバー、フレーム、防振フレーム、自動車部品等の構
造用Ｍｇ系焼結合金およびベーンポンプの羽根、各種バ
ルブ等の機械要素部材用Ｍｇ系焼結合金として使用でき
ると共に、多孔性を利用して含油や固体潤滑材を含浸さ
せて軸受としたり、被削容易性を利用して精密加工品を
製する素材として利用することができる。また、製造法
は従来合金より簡単で、しかも従来の溶融法で製造可能
な組成のＭｇ−Ａｌ−Ｚｎ系、Ｍｇ−Ｚｒ−Ｚｎまたは
Ｍｇ−Ｚｒ−希土類元素系などのＭｇ系合金粉末を作成
して、これらを基質としたＭｇ−Ｔｉ系焼結合金も製造
することが容易なため応用範囲が従来合金より広くな
り、さらにＭｇ−Ｔｉ系焼結合金を母相とした繊維強化
複合耐摩耗材料など強度、耐熱、耐酸化抵抗、耐食性お
よび耐摩耗性に優れた材料の製造も可能となり産業上の
効果が極めて大である。

なお、前記本発明の製造方法を利用して、Ｍｇに対する
溶解度がＴｉのように低い合金元素をも、本発明のよう
に高濃度に添加したＭｇ系焼結合金を製造することがで
きる。このような合金元素としては、Ｚｒ、Ｂｅ、Ｓ
ｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇｅ、
Ｓｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｈｆ、
Ｗ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｕ等
があり、これらの単体粉末または水素化物粉末を用いる
とよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の焼結法によるＭｇ−Ｔｉ系焼結合金の
Ｔｉ濃度と抗折強度との関係を示す線図、第２図は第１
図の焼結体のＴｉ濃度と相対密度との関係を示す線図、
第３図は第１図の焼結体のＴｉ濃度とロックウェル硬度
との関係を示す線図、第４図（ａ）から（ｆ）はＴｉ濃
度の影響を示す第１図の焼結体の表面の金属組織の１５
０倍の顕微鏡写真、第５図（ａ）,（ｂ）,（ｃ）は焼結
温度の影響を示す第１図の焼結体の表面の金属組織の第
４図同様の写真、第６図はＭｇ−２０重量％Ｔｉ系焼結
合金のｘ線回折分析図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チタンが０．０４〜９９．９６重量％、マ
グネシウムが０．０４〜９９．９６重量％からなるマグ
ネシウム−チタン系焼結合金。
【請求項２】マグネシウム粉末に対してチタン粉末およ
び水素化チタン粉末の少なくとも一方を焼結体のチタン
組成が０．０４〜９９．９６重量％となるようにして調
合して均一な混合物を作製し、この混合物を所定形状に
成形し、その後マグネシウムの固相温度から液相温度ま
での範囲で焼結することを特徴とするマグネシウム−チ
タン系焼結合金の製造方法。
【請求項３】調合された粉末の混合は乾式または溶剤を
加えた湿式のいずれかで行ない、混合物の成形は０．１
〜５ton ／cm²の圧力で圧縮成形し、焼結は３００〜８
００℃の範囲で０〜６００kg／cm²の不活性雰囲気中ま
たは真空中で行なうことを特徴とする請求項第２項記載
のマグネシウム−チタン系焼結合金の製造方法。
【請求項４】焼結は、所定時間の加熱の後に、徐冷、急
冷または所定の真空度中においてその真空度におけるマ
グネシウムの融点未満の温度まで急冷し、その後当該温
度で所定時間保持し、その後急冷する冷却手段のいずれ
かにより行なわれることを特徴とする請求項第２項また
は第３項記載のマグネシウム−チタン系焼結合金の製造
方法。