JPH0441629A - ルチル結晶質チタニアウイスカ強化ａ１系複合材料の製造方法 - 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］ 本発明は、複合材料の製造方法に係り、更に詳細にはル
チル結晶質チタニアウィスカを強化材としＡｌ又はＡｌ
合金をマトリックスとする複合材料の製造方法に係る。

［従来の技術］ 例えば本願用願人と他の−の出願人との共同出願にかか
る特願平１−１１５７６２号明細書に記載されている如
く、ルチル結晶質チタニアウィスカを強化材としアルミ
ニウム合金をマトリックスとする複合材料は既に提案さ
れており、また上記特許出願の明細書には、かかる複合
材料の製造方法として、非晶質の水和チタニアウィスカ
を焼成することにより水和チタニアウィスカをルチル結
晶化し、結晶質チタニアウィスカをはくした後無機バイ
ンダを用いて結晶質チタニアウィスカの成形体を形成し
、該成形体中にマトリックス金属の溶湯を加圧含浸させ
る方法が記載されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかし上述の特許出願の明細書に記載された複合材料の
製造方法に於ては、結晶化されたチタニアウィスカをほ
ぐす過程に於てウィスカが折損することによりその平均
繊維長が低下し、そのため必ずしも十分に複合材料の強
度を向上させることができない。また結晶化されたチタ
ニアウィスカをほぐすことなく無機バインダを用いて成
形体を形成すると、結晶化の際に生じたウィスカの凝集
部が複合材料の破壊の起点となり易いため、この場合に
も複合材料の強度、特に疲労強度の如き動的強度を十分
に向上させることができない。

また上述の如き不具合を解消すべく、例えば本願出願人
と同一の出願人の出願にかかる特願平１−１８５２４号
明細書に記載された方法を応用して、無機バインダにて
結合された非晶質の水和チタニアウィスカよりなる成形
体を形成し、成形体を焼成することにより水和チタニア
ウィスカをルチル結晶化させ、しかる後成形体中にマト
リックス金属の溶湯を加圧含浸させることが考えられる
。

しかし本願発明者が行った実験的研究の結果によれば、
無機バインダの量か比較的多い場合には、残存する無機
バインダの量も多くなるため複合材料の強度を十分に向
上させることがとできず、逆に無機バインダの量が比較
的少ない場合には、非晶質の水和チタニアウィスカを結
晶化させる際に成形体が収縮し、正確に所望の形状及び
寸法の複合材料を製造することができないことが判明し
た。

成形体の収縮のメカニズムは明確には判っていないが、
非晶質の水和チタニアウィスカと無機バインダとが共存
する状態にてこれらが高温に加熱され結晶化が行われる
と、ウィスカと無機バインダとの間に何らかの相互作用
が生じ、これに起因して成形体の収縮が生じるものと推
測される。

本発明は、ルチル結晶質チタニアウィスカ強化Ａｌ系複
合材料を製造する従来の方法に於ける上述の如き問題に
鑑み、成形体の収縮を伴うことなく高強度のルチル結晶
質チタニアウィスカ強化Ａｌ系複合材料を製造すること
のできる方法を提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 上述の如き目的は、本発明によれば、ルチル結晶質チタ
ニアウィスカを強化材としＡｌ又はＡｌ合金をマトリッ
クスとする複合材料の製造方法にして、有機バインダに
て結合された非晶質の水和チタニアウィスカよりなる成
形体を形成し、前記成形体を焼成することにより前記水
和チタニアウィスカをルチル結晶化させると共に前記有
機バインダを消失させ、前記成形体に無機バインダを含
浸させ、前記成形体を加熱して前記無機バインダを硬化
させた後前記成形体中にマトリックス金属の溶湯を加圧
含浸させる製造方法によって達成される。

［発明の作用］ 本発明によれば、有機バインダにて結合された非晶質の
水和チタニアウィスカよりなる成形体が形成され、成形
体を焼成することより水和チタニアウィスカがルチル結
晶化されると共に有機バインダが消失せしめられる。従
って無機バインダが共存しない状態にて非晶質の水和チ
タニアウィスカが結晶化され、また有機バインダにより
成形体の形状が維持されるので、成形体の収縮を伴なう
ことなく非晶質の水和チタニアウィスカが結晶化される
。

また本発明によれば、チタニアウィスカが結晶化された
後の成形体に無機バインダが含浸され、成形体が加熱さ
れることにより無機バインダが硬化された後成形体中に
マトリックス金属の溶湯が加圧含浸せしめられる。従っ
て本発明に於ける無機バインダの量は成形体中にマトリ
ックス金属の溶湯を加圧含浸させる際に於ける成形体の
強度を確保するに足る量であればよく、そのため複合材
料中に残存する無機バインダの量も少ないので、複合材
料中に多量の無機バインダか残存することに起因する複
合材料の強度低下が確実に回避される。

従って本発明によれば、ルチル結晶質チタニアウィスカ
強化Ａｌ系複合材料を成形体の収縮を伴なうことなく製
造することかでき、また複合材料の強度を十分に向上さ
せることができる。

［課題を解決するための手段の詳細な特徴コ本発明の方
法に於てチタニアウィスカを結晶化させるための成形体
の加熱温度及び時間は、非晶質の水和チタニアウィスカ
をルチル結晶化し得る限り任意の温度及び時間であって
よいが、成形体の収縮を確実に回避するためには、温度
は９８０〜１０８０℃であり、時間は１〜５時間である
ことが好ましい。

また本発明の方法に於ては、無機バインダの量はチタニ
アウィスカを結晶化させる際の成形体の強度を確保し得
る量であればよいが、複合材料中に残存する無機バイン
ダの量を抑えて複合材料の強度を十分に向上させるべく
、ルチル結晶’Ｒチタニアウィスカの重量に対し１〜４
％であることが好ましい。

また本発明の方法に於て無機バインダを硬化させるため
の成形体の加熱温度及び時間は、無機バインダを硬化さ
せることができる限り、好ましくは成形体中にマトリッ
クス金属の溶湯を加圧含浸させる際の成形体の強度を確
保し得る程度にまで無機バインダを硬化させることがで
きる限り、例えば２００〜１０８０℃、０．５〜５時間
の如く任意の温度及び時間であってよいが、無機バイン
ダを十分に硬化させると共に成形体を予熱してマトリッ
クス金属の溶湯を成形体中に良好に浸透させ得るよう、
温度及び時間はそれぞれ６００〜１０８０℃、０，５〜
３時間であることか好ましい。

また非晶質の水和チタニアウィスカの体積率が小さい場
合には結晶化に際し成形体の収縮が生じ易く、逆に非晶
質の水和チタニアウィスカの体積率が大きい場合には複
合材料中に残存する無機バインダの絶対量が多くなり易
い。従って有機バインダを用いて形成される成形体中の
非晶質の水和チタニアウィスカの体積率は２０〜５０％
ですることが好ましい。

また本発明の方法に於て使用される有機バインダは、個
々の非晶質の水和チタニアウィスカを互いに結合させる
バインダとしての機能を有し且チタニアウィスカを結晶
化させるに際し分解や燃焼等により成形体中より消失す
るものである限り任意の有機物よりなるバインダであっ
てよく、かかる条件を満すものとして、例えばポリビニ
ルアルコール、ポリアクリル酸エステル、カルボキシル
メチルセルロース等があり、これらを適用するに際して
はこれらのアルコール溶液や水溶液が使用される。

尚有機バインダはチタニアウィスカの結晶化に際し消失
するので、その量はチタニアウィスカを結晶化させる際
に成形体の形状を維持し得る程度であってよく、例えば
非晶質の水和チタニアウィスカに対し１〜２０％であっ
てよい。

更に本発明の方法に於て使用される無機バインダはマト
リックス金属の溶湯が成形体中に浸透する際にも分解等
を生じない安定な無機物質よりなるバインダであればよ
く、例えばシリカ、アルミナ、ジルコニア、酸化クロム
、酸化セリウム、酸化鉄、酸化チタン、酸化スズ、酸化
アンチモン、及びこれらの混合物等であってよい。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

実施例１ まず第１図に示されている如く、非晶質の水和チタニア
ウィスカ１０（東邦チタニウム株式会社製「トフィカＴ
」、平均繊維径１μｍ、平均繊維長５０μ■、カリウム
含有量１．４νｔ％）をポリビニルアルコール（半井化
学株式会社製）の１０％水溶液１２中に投入し、ウィス
カが十分解繊されるまで混合液をプロペラ１４により撹
拌し、しかる後その混合液に対し圧縮成形を行うことに
より、第２図に示されている如く、ポリビニルアルコー
ルにて互いに結合された非晶質の水和チタニアウィスカ
１０よりなり、乾燥後の寸法が１０１００Ｘ３８Ｘ１６
である成形体］６を８個形成した。

次いて第３図に示されている如く、成形体１６をヒータ
１８により大気中にて９６０〜］１００”Ｃ（２０℃ご
と）に３時間加熱する焼成処理を行ない、これにより水
和チタニアウィスカをルチル結晶質のチタニアウィスカ
に変化させると共にポリビニルアルコールを消失させた
。この段階に於て各成形体の収縮を調査したところ、成
形体の加熱温度が９８０〜１０８０℃の場合には成形体
の収縮は全く生じておらず、加熱温度が９６０℃及び１
１００℃の場合には成形体に収縮か生じていたが、その
収縮度合は極く僅かであった。またこの時点に於けるチ
タニアウィスカの体積率は約３０％であり、チタニアウ
ィスカの平均繊維径及び平均繊維長はそれぞれ約１μｍ
、約４０μ厘であった。

次いで第４図に示されている如く、各成形体１６′をコ
ロイダルシリカ（日産化学株式会社製「スノーテックス
ＳＪ）の水溶液２０中に浸漬して水溶液より取出した後
、第５図に示されている如く、各成形体１６′をヒータ
１８により大気中にて９００℃に２時間加熱し、これに
よりシリカバインダを固化させた。かくして得られた各
成形体１６”に於けるウィスカに対するシリカバインダ
の重量比は約３％であり、この段階に於ても成形体の収
縮は認られなかった。

次いで第６図に示されている如く、内のり寸法が３８Ｘ
１６關であり、長さが１２０　ｍｍであり、一端にて開
口し、他端に錘り２２が一体に設けられたステンレス鋼
（ＪＩＳ規格５ＵＳ３０４）製のケース２４内に上述の
如く形成された各成形体１６″を充填した。

次いで成形体をケースごと６００℃に約２０分間予熱し
た後、第７図に示されている如く成形体をケースごと高
圧鋳造装置２６の鋳型２８内に配置し、該鋳型内に７３
０℃の純Ａｌの溶湯３０を注湯し、該溶湯を鋳型に嵌合
するプランジャ３２により約１１０００）ｃ／ｃ−の圧
力にて加圧し、その加圧状態を溶湯が完全に凝固するま
で保持した。

溶湯が完全に凝固した後、ノックアウトピン３４により
鋳型２８より凝固体を取出し、該凝固体に対し機械加工
を施してルチル結晶質チタニアウィスカにて複合強化さ
れた純Ａｌよりなる複合材料を切出し、各複合材料を切
断してその断面を調査したところ、何れの複合材料に於
ても元の成形体の収縮は生じていなかった。また各複合
材料の断面を光学顕微鏡にて観察したところ、何れの複
合材料に於ても体積率約３０％にてルチル結晶質チタニ
アウィスカが均一に分散されていることが認められた。

比較例１ 上述の実施例１に於て使用された非晶質の水和チタニア
ウィスカと同一のチタニアウィスカを１０００℃に２時
間加熱することによりルチル結晶化し、解繊した後のウ
ィスカの形態を調査したところ、ルチル結晶質チタニア
ウィスカの平均繊維径及び平均繊維長はそれぞれ約１μ
ｍ、２０μｍであり、ウィスカの平均繊維長が著しく低
下していることが二ｅめられた。

比較例２ 上述の実施例１に於て使用された非晶質の水和チタニア
ウィスカと同一のチタニアウィスカをシリカゾル（日産
化学株式会社製「スノーテックスＳＪ）の水溶液中に投
入し、ウィスカが十分解繊されるまでプロペラにより撹
拌し混合した後、圧縮成形により１００　Ｘ　３８　Ｘ
　１６　ｍｍの寸法を有する成形体を５個形成した。こ
れらの成形体の乾燥後に於けるウィスカの体積率は約３
０％であり、シリカバインダの量はウィスカの重量に対
し約３％であった。次いで各成形体を大気中にて１００
０〜１２００℃（５０℃ごと）に３時間加熱することに
よりルチル結晶化させたところ、全ての成形体に於て許
容し難いほどの収縮が生じていることが認められた。

実施例２ ルチル結晶質チタニアウィスカの体積率が２５％に設定
され、無機バインダとしてアルミナバインダが使用され
、バインダの濃度、即ち結晶質のチタニアウィスカの重
量に対するアルミナの量が０〜１０％（１％ごと）に設
定された点を除き上述の実施例１の場合と同一の要領及
び条件にて１１個の成形体を形成した。次いて各成形体
を大気中にて８００℃に３時間加熱することによりアル
ミナを十分硬化させたところ、バンイダの濃度が０％で
ある成形体に於ては収縮が生したが、それ以外の成形体
に於ては収縮は全く生じていなかった。

次いでマトリックス金属の溶湯として湯温７５０℃のＡ
ｌ−４ｖｔ％Ｃｕ　−１ｖｔ％Ｓｉが使用された点を除
き、上述の実施例１の場合と同一の要領及び条件にて複
合材料を形成した。次いで各複合材料に対しＴ６処理を
施した後、各複合材料より曲げ試験片を切出し、各試験
片について曲げ試験を行った。その結果を第８図に示す
。

第８図より、アルミナバインダの濃度が１０％程度であ
っても十分な強度を有する複合材料を得ることができる
が、アルミナバインダの濃度は１〜４％であることが特
に好ましいことが判る。

尚マトリックス金属として純Ａｌが使用された場合にも
同様の結果が得られた。また無機バインダとしてシリカ
、ジルコニア、酸化クロム、酸化セリウム、酸化鉄、酸
化チタン、酸化スズ、酸化アンチモンが使用された場合
にも同様の結果が得られた。

実施例３ 上述の実施例１の場合と同一の要領にてルチル結晶質チ
タニアウィスカの体積率が３０％でありシリカバインダ
の濃度が３％である成形体を９個形成した。次いでこれ
らの成形体を大気中にて５２０〜１１６０℃（８０℃ご
と）に２時間加熱することによりシリカを十分硬化させ
た。その結果加熱温度が５２０℃、１１６０℃である成
形体に於ては若干の収縮が生じていたが、加熱温度が６
００〜１０８０℃である成形体に於ては収縮は全く生じ
ていなかった。

次いで収縮が全く生じなかった成形体の代表例として、
加熱温度が１０５０℃である成形体か使用され、マトリ
ックス金属の溶湯として湯温７５０℃のＡｌ−５ｖｔ％
Ｃｕ　−２Ｗ　ｔ％Ｍｇの溶湯が使用された点を除き、
上述の実施例１の場合と同一の要領及び条件にて複合材
料を製造した。次いでその複合材料に対しＴ６処理を施
した後、複合材料より曲げ試験片を形成し、その試験片
について曲げ試験を行ったところ、この複合材料は８６
ｋｇｆ／＋ｏｍ”と良好な強度を有していることが認め
られた。

実施例４ 上述の実施例１の場合と同一の要領にて、結晶質チタニ
アウィスカの体積率が１０〜５０％（５％ごと）であり
シリカバインダの濃度が４％である９個の成形体を形成
した。次いで各成形体を大気中にて８５０℃に２時間加
熱することによりシリカを十分硬化させた。その結果チ
タニアウィスカの体積率が１０％及び１５％である成形
体に於ては若干の収縮が生じていたが、チタニアウィス
カの体積率が２０〜５０％である成形体に於ては収縮は
全く生していなかった。

次いてチタニアウィスカの体積率が２０〜５０％である
成形体が使用され、マトリックス金属の溶湯として湯温
７５０℃の純Ａｌの溶湯が使用された点を除き、上述の
実施例１の場合と同一の要領及び条件にて複合材料を製
造し、各複合材料について曲げ試験を行ったところ、何
れの複合材料も３０〜４５　　ｋｇｆ／ｍｍ’と良好な
強度を有していることが認められた。

実施例５ 非晶質の水和チタニアウィスカとして、平均繊維径０．
３μ口、平均繊維長１０μｍの水和チタニアウィスカ（
久保田鉄工株式会社製、カリウム含をＪｉｔｌ、９ｖ、
ｔ％）が使用され、結晶化の温度及び時間かそれぞれ１
０００℃、２時間に設定された点を除き、上述の実施例
１の場合と同一の要領及び条件にて複合材料を製造した
。

その結果この複合材料に於ても元の成形体の収縮は全く
生じていないことが確認された。

尚上述の各実施例に於ける有機バインダとしてポリアク
リル酸エステルやカルボキシルメチルセルロースが使用
された場合にも、それぞれ対応する実施例の場合と同様
の結果が得られた。

以上に於ては本発明を幾つかの実施例について詳細に説
明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能で
あることは当業者にとって明らかであろう。

［発明の効果］ 以上の説明より明らかである如く、本発明によれば、無
機バインダか共存しない状態にて非晶質の水和チタニア
ウィスカか結晶化され、また結晶化に際し有機バインダ
により成形体の形状が維持されるので、成形体の収縮を
伴なうことなく非晶質の水和チタニアウィスカをルチル
結晶化することができる。

また本発明によれば、チタニアウィスカが結晶化された
後の成形体は無機バインダにより強度が確保され、その
状態にて成形体中にマトリックス金属の溶湯が加圧含浸
せしめられるので、無機バインダの量は複合化の際に於
ける成形体の強度を確保するに足る量であればよく、こ
れにより複合材料中に残存する無機バインダの量を低減
して、複合材料の強度を向上させることができる。

また本発明によれば、非晶質の水和チタニアウィスカを
結晶化する前にウィスカを解繊することが可能であり、
従って折損し易い結晶化後のウィスカに対し解繊が行わ
れる場合に比してウィスカの繊維長の低下が小さいので
、このことによっても複合材料の強度を向上させること
ができる。

従って本発明によれば、成形体の収縮を伴なうことなく
所望の形状及び寸法にてルチル結晶質チタニアウィスカ
強化Ａｌ系複合材料を製造することができ、これにより
複合材料に対する機械加工量を低減し生産性を向上する
ことができ、また十分な強度を有ししかも均質な複合材
料を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第７図は本発明による複合材料の製造方法の
一つの実施例に於ける一連の製造工程を示す工程図、第
８図はアルミナバインダの濃度と複合材料の曲げ強さと
の間の関係を示すグラフである。 １０・・・非晶質の水和チタニアウィスカ、１０゛・・
・ルチル結晶質チタニアウィスカ、１２・・・コロイダ
ルシリカ水溶液、１４・・・プロペラ、１６．１６１６
′・・・成形体、１８・・・ヒータ、２０・・・コロイ
ダルシリカ水溶液、２２・・・錘り１２４・・・ケース
。 ２６・・・高圧鋳造装置、２８・・・鋳型、３０・・・
純Ａｌの溶湯、３２・・・プランジャ、３４・・・ノッ
クアウトビン 特　許　出　願　人　　トヨタ自動車株式会社代　　　
　　理　　　　　人　　　弁理士　　明　　石　　昌　
　毅第１図 第４図 第 図 第 図 第 図 アルミナバインダの濃度（％）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ルチル結晶質チタニアウイスカを強化材としＡｌ又はＡ
   ｌ合金をマトリックスとする複合材料の製造方法にして
   、有機バインダにて結合された非晶質の水和チタニアウ
   イスカよりなる成形体を形成し、前記成形体を焼成する
   ことにより前記水和チタニアウイスカをルチル結晶化さ
   せると共に前記有機バインダを消失させ、前記成形体に
   無機バインダを含浸させ、前記成形体を加熱して前記無
   機バインダを硬化させた後前記成形体中にマトリックス
   金属の溶湯を加圧含浸させる製造方法。