〈一般研究課題〉 遠心力混合粉末法による環境浄化型光触媒傾斜機能
材料の創製
助 成 研 究 者

名古屋工業大学

佐藤尚

遠心力混合粉末法による環境浄化型光触媒傾斜機能材料の創製
佐藤 尚（名古屋工業大学）

Fabrication of photocatalytic functionally graded materials forenvironmental cleanup by centrifugal mixed-powder method
Hisashi Sato
(Nagoya Institute of Technology)

Abstract：
It is well known that TiO2 with anatase-type crystal structure has photocatalytic property. In
this study, Al-TiO2 functionally graded materials (FGMs) have been fabricated by centrifugal
mixed-powder method using vacuum centrifugal casting machine. In these Al-TiO2 FGMs, anatasetype TiO2 particles are embedded into Al matrix and these particles are gradually distributed
around the outer part of the FGMs ring. Because of this, it can be expected that these FGMs rings
have photocatalytic property on its surface, and that its property would be kept for long time using.
Therefore, the centrifugal mixed-powder method is useful for the fabrication of photocatalytic
FGMs.
1．はじめに近年，公衆で用いられる多くの工業用部材には抗菌機能が付与されている場合がある。この抗菌作用は，金属中への銀の添加や部材表面へのニ酸化チタン（TiO 2）の分散によって発現させる場合が多い[1-5]。その中でも，最近ではTiO 2 による光触媒作用を用いた抗菌技術が注目されている。
光触媒とは，光を吸収してエネルギーの高い状態となり，そのエネルギーを反応物質に与えて化学反応を生じさせることである[3]。このような光触媒作用を有する物質には，TiO 2 の他に酸化亜鉛などが存在する。それらの物質の中でもTiO 2 は人体に無害かつ安価であるため，近年最も多く利－ 107 －

れてきた [1-3, 5]．これは，光触媒作用を(a)(b)
用されている光触媒物質である。また，発現するために紫外線と大気中の水分
それらの技術を駆使して開発された製品が必要であるためである．しかしながら，の市場規模は，年々拡大しており，数年
表面コーティングによって TiO2 粒子を後に数兆円規模になると予測されている。
部材表面に固定した場合，この TiO2 を有環境省が発表した2020年の環境ビジネス
する表面コーティング層は，長期間の使市場規模は58兆円であり，その中でも光用に伴って部材表面から剥離してしま
物質A物質A
触媒ビジネス市場は3兆9000億円と報告
う問題がある[3]．これは，TiO
コーテ
2
物質B
物質B
れてきた [1-3, 5]．これは，光触媒作用をされている。それゆえ，光触媒ビジネス(a)(b)
ィング層と部材との間に明確な界面が
図1 （a）
コーティング材および（b）
傾斜機能材料の模式図
発現するために紫外線と大気中の水分
図 1 (a)コーティング材および(b)傾斜機能材料の模式図．
は，燃料電池自動車（2兆 2000億円）や都存在するためである．そのため，TiO2 のが必要であるためである．しかしながら，
市緑化ビジネス（1兆6000億円）を凌ぐ環境ビジネスとして期待されている。
光触媒技術に存在する大きな課題の一つはTiO2 の固定化となっている [3]．
表面コーティングによってTiO2 粒子をこれまで，TiO2 による光触媒作用は，建築用部材などの表面にTiO2 をコーティングすることでこのようなコーティング層の界面剥離を解決する手段の一つとして傾斜機能材料(FGMs)という材料概部材表面に固定した場合，
この TiO2 を有利用されていた [1-3, 5]。これは，光触媒作用を発現させるために紫外線と大気中の水分が必要で念が提案されている [6]．この FGMs は，物質 A から物質 B へ組成や機械的性質などを，位置の変化にする表面コーティング層は，長期間の使あるためである。しかしながら，表面コーティングによってTiO2 粒子を部材表面に固定した場合，伴って連続的に変化させる材料概念である．図 1 (a)および(b)は，それぞれコーティング材料と傾斜機能用に伴って部材表面から剥離してしま
物質A
物質A
このTiO 2 を有する表面コーティング層は，長期間の使用に伴って部材表面から剥離してしまう問
材料を模式的に描いた図である．図
A および物質 B との間に明確なう問題がある[3]．これは，TiO2 コーテ 1 (a)に示すコーティング材料は物質
物質B
物質B
題がある
[3]。これは，TiO
2 コーティング層と部材との間に明確な界面が存在するためである。そ
界面が存在するが，
図 1(b)のFGMs ではコーティング材料のような明確な界面が存在しない．そのため，
ィング層と部材との間に明確な界面が
図 1 (a)コーティング材および(b)傾斜機能材料の模式図．
のため，TiO
2 の光触媒技術に存在する大きな課題の一つはTiO2 の固定化であるといわれている [3]。
FGMs では界面剥離が生じにくい．このような
FGMs の製造技術の一つとして遠心鋳造を利用した遠心存在するためである．そのため，TiO
2の
このようなコーティング層の界面剥離を解決する手段の一つとして傾斜機能材料（FGMs）という力法が提案されている [6]．遠心力法とは，硬質粒子を有する金属溶湯を遠心力が印加された金型に流し光触媒技術に存在する大きな課題の一つはTiO2 の固定化となっている [3]．
材料概念が提案されている[6]。このFGMsは，物質Aから物質Bへ組成や機械的性質などを，位置込み，その硬質粒子と金属溶湯の密度差に起因した遠心力の差を利用することで，硬質粒子を遠心力方
このようなコーティング層の界面剥離を解決する手段の一つとして傾斜機能材料(FGMs)という材料概の変化に伴って連続的に変化させる材料概念である。図1（a）および（b）は，それぞれコーティング
向に沿って傾斜分散させる技術である．
遠心力法における金属溶湯中の硬質粒子移動速度は，
念が提案されている[6]．この FGMs は，物質このとき，
A から物質B へ組成や機械的性質などを，位置の変化に材料と傾斜機能材料を模式的に描いた図である。図1（a）に示すコーティング材料は物質Aおよび硬質粒子を球状と仮定した場合，次の式に示すストークスの定理で表すことができる[6, 7]．
伴って連続的に変化させる材料概念である．図1 (a)および(b)は，それぞれコーティング材料と傾斜機能

物質Bとの間に明確な界面が存在するが，図1（b）のFGMsではコーティング材料のような明確な界材料を模式的に描いた図である．図 1 (a)に示すコーティング材料は物質
A および物質 B との間に明確な,(1)面が存在しない。そのため，FGMsでは界面剥離が生じにくい。このようなFGMsの製造技術の一界面が存在するが，図 1(b)の FGMs ではコーティング材料のような明確な界面が存在しない．そのため，つとして遠心鋳造を利用した遠心力法が提案されている[6]。遠心力法とは，硬質粒子を有する金G は重力倍数，
dx/dt は硬質粒子の移動速度，m および
p はそれぞれ溶湯および硬質粒子の密度，
FGMs ここで，では界面剥離が生じにくい．このような
FGMsの製造技術の一つとして遠心鋳造を利用した遠心属溶湯を遠心力が印加された金型に流し込み，その硬質粒子と金属溶湯の密度差に起因した遠心力
g は重力加速度，
は溶湯の見かけの粘度，Dp は硬質粒子の直径である．式(1)より，遠心力法における硬力法が提案されている[6]．遠心力法とは，硬質粒子を有する金属溶湯を遠心力が印加された金型に流しの差を利用することで，硬質粒子を遠心力方向に沿って傾斜分散させる技術である。このとき，遠質粒子の移動速度は，硬質粒子と溶湯の密度差のみでなく，硬質粒子の直径にも大きく依存している．
込み，その硬質粒子と金属溶湯の密度差に起因した遠心力の差を利用することで，硬質粒子を遠心力方

たとえば，硬質粒子と溶湯の密度差が大きくても，硬質粒子の寸法が小さい場合，硬質粒子の傾斜分散
心力法における金属溶湯中の硬質粒子移動速度は，硬質粒子を球状と仮定した場合，次の式に示す
向に沿って傾斜分散させる技術である．
このとき，遠心力法における金属溶湯中の硬質粒子移動速度は，は困難である．そのため，光触媒作用を有する
ストークスの定理で表すことができる[6, 7]。 TiO2 粒子は，一般的に平均粒子直径が約
硬質粒子を球状と仮定した場合，次の式に示すストークスの定理で表すことができる[6, 7]． 200nm 程度であるため，遠心力法による傾斜分散が困難であるといえる．
．
,
(1)
（1）
 そこで，著者らは，母材との濡れ性が悪く微細な硬質粒子を傾斜分散させる技術として遠心力混合粉末法を提案している[7]．遠心力混合粉末法による微粒子の傾斜分散方法は次の通りである．まず，微粒
ここで，dx/dtは硬質粒子の移動速度，ρmおよびρpはそれぞれ溶湯および硬質粒子の密度，Gはm およびp はそれぞれ溶湯および硬質粒子の密度，
G は重力倍数，
ここで，dx/dt は硬質粒子の移動速度，子である硬質粒子と母材金属粉末からなる混合粉末を遠心力の印加が可能な金型に投入する(図2 (a))．そ重力倍数，gは重力加速度，ηは溶湯の見かけの粘度，D（1）より，遠pは硬質粒子の直径である。式g は重力加速度，
は溶湯の見かけの粘度，D は硬質粒子の直径である．式(1)より，遠心力法における硬pの後，混合粉末を有する金型に遠心力を印加し，溶解炉にて溶解した母材金属溶湯を金型内部に流し込
心力法における硬質粒子の移動速度は，硬質粒子と溶湯の密度差のみでなく，硬質粒子の直径にも質粒子の移動速度は，硬質粒子と溶湯の密度差のみでなく，硬質粒子の直径にも大きく依存している．
む(図 2 (b))．この時，母材溶湯は混合粉末中に含浸すると同時に混合粉末中の母材粉末を溶解する．その大きく依存している。たとえば，硬質粒子と溶湯の密度差が大きくても，硬質粒子の寸法が小さい
たとえば，硬質粒子と溶湯の密度差が大きくても，硬質粒子の寸法が小さい場合，硬質粒子の傾斜分散
結果，溶湯が凝固した後，微細な硬質粒子は母材中に埋め込まれるように分散する(図2 (c))．それゆえ，場合，硬質粒子の傾斜分散は困難である。そのため，光触媒作用を有するTiO
2 粒子は，一般的には困難である．そのため，光触媒作用を有する
TiO2 粒子は，一般的に平均粒子直径が約 200nm
程度であ
この遠心力混合粉末法を用いれば，金属母材中への微細なTiO
粒子の傾斜分散が可能である．
2
平均粒子直径が200nm程度であるため，遠心力法による傾斜分散が困難であるといえる。これまで，るため，遠心力法による傾斜分散が困難であるといえる．
そこで，著者らは，母材との濡れ性が悪く微細な硬質粒子を傾斜分散させる技術として遠心力混
そこで，著者らは，母材との濡れ性が悪く微細な硬質粒子を傾斜分散させる技術として遠心力混合粉合粉末法を提案している[7]。遠心力混合粉末法による微粒子の傾斜分散方法は次の通りである。
末法を提案している[7]．遠心力混合粉末法による微粒子の傾斜分散方法は次の通りである．まず，微粒子である硬質粒子と母材金属粉末からなる混合粉末を遠心力の印加が可能な金型に投入する(図2 (a))．そまず，微粒子である硬質粒子と母材金属粉末からなる混合粉末を遠心力の印加が可能な金型に投入の後，混合粉末を有する金型に遠心力を印加し，溶解炉にて溶解した母材金属溶湯を金型内部に流し込む(図 2 (b))．この時，母材溶湯は混合粉末中に含浸すると同時に混合粉末中の母材粉末を溶解する．その－ 108 －

結果，溶湯が凝固した後，微細な硬質粒子は母材中に埋め込まれるように分散する(図 2 (c))．それゆえ，
この遠心力混合粉末法を用いれば，金属母材中への微細な TiO2 粒子の傾斜分散が可能である．これまで，

(b)

(a)

(c)
母材溶湯

混合粉末

図２ 遠心力混合粉末法のプロセスを示す模式図

母材
微粒子
する
（図2
（a）
）
。その後，混合粉末を有する金型に遠心力を印加し，溶解炉にて溶解した母材金属
溶湯を金型内部に流し込む
（図2
（b）
）
。この時，母材溶湯は混合粉末中に含浸すると同時に混合粉
湯道

金型
金型
末中の母材粉末を溶解する。その結果，溶湯が凝固した後，微細な硬質粒子は母材中に埋め込まれるように分散する（図2（c））
。それゆえ，この遠心力混合粉末法を用いれば，金属母材中への微細図
2 遠心力混合粉末法のプロセスを示す模式図．
なTiO2 粒子の傾斜分散が可能である。これまで，著者らは遠心力混合粉末法にてAl-TiO2 FGMsを
著者らは遠心力混合粉末法にて Al-TiO2 FGMs を作製した[7]．しかし，大気中で高温にて鋳造を行ったた
作製した[7]。しかし，大気中で高温にて鋳造を行ったため，TiO
2 粒子の結晶構造は，光触媒作用
め，TiO2 粒子の結晶構造が光触媒作用の強いアナターゼ型から光触媒作用の低いルチル型への相変態がの強いアナターゼ型から光触媒作用の低いルチル型に変化してしまっていた[7]。そのため，真空生じてしまっている[7]．そのため，真空中で適切な鋳造温度にて鋳造を行えば，光触媒性能を有するア
中で適切な鋳造温度にて鋳造を行えば，光触媒性能を有するアナターゼ型TiO2 粒子が分散したAlナターゼ型 TiO2 粒子が分散した Al-TiO2 FGMs の製造を期待することができる．
TiO2 FGMsの製造を期待することができる。
 本研究では，真空遠心鋳造装置を用いた遠心力混合粉末法にて，円筒形状鋳造材の外周面にアナター
本研究では，真空遠心鋳造装置を用いた遠心力混合粉末法にて，円筒形状鋳造材の外周面にアナゼ型 TiO2 粒子が分散した Al-TiO2 FGMs の開発を行った．本研究で開発する Al-TiO2 FGMs は，コーティ
ターゼ型TiO2 粒子が分散したAl-TiO2 FGMsの開発を行った。本研究で開発するAl-TiO2 FGMsは，ング材料のような明確な界面を持たないため，従来材に比べて耐久性に優れることを期待できる．そこ
コーティング材料のような明確な界面を持たないため，従来材に比べて耐久性に優れることを期待で，本研究では，遠心力混合粉末法にて Al-TiO2 FGMs を作製し，その微細組織および機械的性質を評価できる。そこで，本研究では，遠心力混合粉末法にてAl-TiO2 FGMsを作製し，その微細組織およした．
び機械的性質を評価した。

2. 実験方法
2．実験方法2. 1 Al-TiO2FGMs の作製
2. 1 Al-TiO2 FGMsの作製 純 Al 粉末（平均粒径：106～180m）および純Al粉末（平均粒径：106～180µm）およびア
アナターゼ型 TiO2 粉末（平均一次粒径：347nm）
ナターゼ型TiO2 粉末（平均一次粒径：347nm）ををプラスチック容器に投入し，それを振ること
プラスチック容器に投入し，それを振ることにによって Al と TiO2 の混合粉末を作製した．こ
よってAlとTiO2 の混合粉末を作製した。このとのとき，作製した混合粉末は，Al-5vol.%TiO2 おき，作製した混合粉末は，Al-5vol.%TiO 2 およ
よび Al-10vol.%TiO2 の 2 種類である．その後，
びAl-10vol.%TiO 2 の2種類である。その後，作作製した混合粉末を図 3 に示す真空遠心鋳造装製した混合粉末を図3に示す真空遠心鋳造装置
置の金型に投入し，遠心力を印加した．このとの金型に投入し，遠心力を印加した。このとき，金型に投入した混合粉末量は，鋳造にて作

図３ 真空遠心鋳造装置の模式図

図 3 真空遠心鋳造装置の模式図．
き，金型に投入した混合粉末量は，鋳造にて作製される円筒形状試料の外周面から厚さ 1mm
製される円筒形状試料の外周面から厚さ1mmの領域にTiO
2 粒子が分散するように調整されている。
の領域に TiO 粒子が分散するように調整されている．この混合粉末を金型に投入後，金型加熱炉，湯口
2

この混合粉末を金型に投入後，炉および溶解炉を加熱し，純 Al金型加熱炉，湯口炉および溶解炉を加熱し，純Alインゴットを溶解
インゴットを溶解炉にて溶解した．純 Al インゴットが溶解した後，金炉にて溶解した。純Alインゴットが溶解した後，金型の回転数を既定の回転数まで上昇し，純Al
型の回転数を既定の回転数まで上昇し，純 Al 溶湯を回転中の金型内部に流し込んだ．表１に混合粉末の溶湯を回転中の金型内部に流し込んだ。表１に混合粉末の混合条件および鋳造条件を示す。さら
混合条件および鋳造条件を示す．さらに，本研究では，比較材として純 Al の遠心鋳造材も作製した．以降，Al-5vol.%TiO2 混合粉末および Al-10vol.%TiO2 混合粉末を用いて作製した FGMs を，それぞれ－ 109 －

に，本研究では，比較材として純Alの遠心鋳造材も作製した。以降，Al-5vol.%TiO2 混合粉末およびAl-10vol.%TiO
2 混合粉末を用いて作製したFGMsを，それぞれAl-5vol.%TiO
2 FGMsおよびAlAl-5vol.%TiO
2 FGMs および Al-10vol.%TiO2 FGMs と呼ぶ．

Al-5vol.%TiO22 FGMsと呼ぶ。
FGMs および Al-10vol.%TiO2 FGMs と呼ぶ．
10vol.%TiO
表 1 Al-TiO2 FGMs および純 Al 鋳造材における鋳造条件．
表１ Al-TiO
2 FGMsおよび純Al鋳造材における鋳造条件
表 1 Al-TiO
および純 Al 鋳造材における鋳造条件．
2 FGMs
混合粉末
Al インゴット
Al インゴット
遠心力
金型加熱温度混合粉末
Al インゴット
Al インゴット
溶解量
溶解温度
Al
TiO
2
金型加熱温度
遠心力
試料名
溶解温度
溶解量
Al
TiO
2
Al-5vol.%TiO2
31.83 g2.41 g
263 g

試料名

Al-5vol.%TiO
31.83 g 30.15
2.41
2
Al-10vol.%TiO
g g 4.84 g 263 g 263 g
2
Al-10vol.%TiO
4.84
gg
純2 Al 30.15 g 33.51
33.51 g
純 Al-

1119 G

263 g 263 g 1119 G

800℃
800℃

650℃
650℃

263 g

2. 2 Al-TiO
2 FGMs の組織評価
2. 2 Al-TiO
2 FGMsの組織評価
2. 2 Al-TiO前項の組織評価 Al-TiO2 FGMs の組織を観察す
2 FGMs2. 1 にて作製した
前項2. 1にて作製したAl-TiO
2 FGMsの組織を観察する
前項 2.
1 にて作製した Al-TiO2 FGMs
るため試験片を切り出し，図4 の組織を観察すに示すように円筒形状ため試験片を切り出し，図4に示すように円筒形状試料に

外周部表面
断面組織観察組織観察
外周部表面
断面組織観察組織観察るため試験片を切り出し，図4 に示すように円筒形状
試料における外周部表面および外周部近傍断面を組織おける外周部表面および外周部近傍断面を組織観察に供
試料における外周部表面および外周部近傍断面を組織観察に供した．また，組織観察は走査型電子顕微鏡した。また，組織観察は走査型電子顕微鏡（SEM）を用い観察に供した．また，組織観察は走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて行った．同時に，観察面における TiO2て行った。同時に，観察面におけるTiO 2 粒子分布を調査
Al-TiO
2 FGMsにおける組織観察箇所（SEM）
を用いて行った．同時に，観察面における TiO2 X 線分
粒子分布を調査するために，エネルギー分散型
図図４4 Al-TiO
2 FGMs における組織観察箇所．
するために，エネルギー分散型X線分析装置
（EDX）
にて組
粒子分布を調査するために，エネルギー分散型
図 4 Al-TiO2 FGMs における組織観察箇所．
析装置(EDX)にて組成分析も行った． X 線分
成分析も行った。
析装置(EDX)にて組成分析も行った．
TiO2 の結晶構造には，ルチル型，アナターゼ型およびブルカイト型が存在する．その中でも，光触媒
TiO 2 の結晶構造には，ルチル型，アナターゼ型およびブルカイト型が存在する。その中でも，TiO2 の結晶構造には，ルチル型，アナターゼ型およびブルカイト型が存在する．その中でも，光触媒作用が最も効果的に生じる結晶構造はアナターゼ型である．そのため，本研究で作製する Al-TiO2 FGMs
光触媒作用が最も効果的に生じる結晶構造はアナターゼ型である。そのため，本研究で作製する作用が最も効果的に生じる結晶構造はアナターゼ型である．そのため，本研究で作製する
Al-TiO2 FGMsには，アナターゼ型の TiO2 粒子を分散させなければならない．しかしながら，アナターゼ型
TiO2 は準安
Al-TiO2 FGMsには，アナターゼ型のTiO2 粒子を分散させなければならない。しかしながら，アナには，アナターゼ型のTiO2 粒子を分散させなければならない．しかしながら，アナターゼ型 TiO2 は準安定であるため，鋳造時の熱にてルチル型への相変態が生じる可能性がある．そこで，本研究では，X
線
ターゼ型TiO 2 は準安定であるため，鋳造時の熱にてルチル型への相変態が生じる可能性がある。
定であるため，鋳造時の熱にてルチル型への相変態が生じる可能性がある．そこで，本研究では，X
線回折法(XRD)にて Al-TiO2 FGMs に分散した TiO2 の結晶構造を調査した．
そこで，本研究では，X線回折法（XRD）
にてAl-TiO2 FGMsに分散したTiO2 の結晶構造を調査した。
回折法(XRD)にて Al-TiO2 FGMs に分散した TiO2 の結晶構造を調査した．
2. 3 Al-TiO2 FGMs の機械的性質の評価
2. 3 Al-TiO2 FGMsの機械的性質の評価
2. 3 Al-TiO遠心力混合粉末法にて作製した円筒形状試料における2 FGMs の機械的性質の評価
Al 母相の硬さ分布をマイクロビッカース硬さ試
遠心力混合粉末法にて作製した円筒形状試料におけるAl母相の硬さ分布をマイクロビッカース
遠心力混合粉末法にて作製した円筒形状試料におけるAl 母相の硬さ分布をマイクロビッカース硬さ試
験機にて測定した．この硬さ試験における荷重および保持時間は，それぞれ 0.49N および 15s とした．ま硬さ試験機にて測定した。この硬さ試験における荷重および保持時間は，それぞれ0.49Nおよび
験機にて測定した．
この硬さ試験における荷重および保持時間は，それぞれ 0.49N および 15s とした．また，この硬さ試験により，試料内周部から外周部に向けて遠心力方向に沿って硬さ分布を測定した．
15sとした。また，この硬さ試験により，試料内周部から外周部に向けた硬さ分布を評価した。
た，この硬さ試験により，試料内周部から外周部に向けて遠心力方向に沿って硬さ分布を測定した．
さらに，本研究では，作製した円筒形状 Al-TiO2 FGMs の外周面における耐摩耗性を評価するため，ブ
さらに，本研究では，作製した円筒形状Al-TiO
2 FGMsの外周面における耐摩耗性を評価するた
さらに，本研究では，作製した円筒形状
Al-TiO2 FGMsの外周面における耐摩耗性を評価するため，ブロックオンディスク式摩擦摩耗試験機にて摩擦摩耗試験を行った．この摩擦摩耗試験で用いた相手材はめ，ブロックオンディスク式摩擦摩耗試験機にて摩擦摩耗試験を行った。この摩擦摩耗試験で用いロックオンディスク式摩擦摩耗試験機にて摩擦摩耗試験を行った．この摩擦摩耗試験で用いた相手材はS45C である．また，摩擦摩耗試験は，すべり距離 500m，すべり速度 0.5m/s および初期応力 0.49MPa～
た相手材はS45Cである。また，摩擦摩耗試験は，すべり距離500m，すべり速度0.5m/sおよび初S45C である．また，摩擦摩耗試験は，すべり距離
500m，すべり速度 0.5m/s および初期応力 0.49MPa～
0.98MPa にて行った．
期応力0.49MPa～0.98MPaにて行った。
0.98MPa にて行った．
3. 結果および考察
3．結果および考察
3. 結果および考察
3. 1 Al-TiO2 FGMs の微細組織
3.
Al-TiO
3. 11Al-TiOの微細組織
2 FGMs
図52 FGMsの微細組織
は，Al-TiO
FGMs および比較材である純 Al 遠心鋳造材の外観写真である．本研究で作製した
2

図5は，Al-TiO
FGMsおよび比較材である純Al鋳造材の外観写真である。本研究で作製したAl図
5 は，Al-TiO22 FGMs
および比較材である純 Al 遠心鋳造材の外観写真である．本研究で作製した

TiO2 FGMsの外周面は白色を有しており，TiO 2 粒子が鋳造材の外周部にて分散していることが分－ 110 －

(a)(a)

離型剤 TiO2

G

50m

10mm
(b)

(b)

TiO2

G

離型剤

10mm

50m
(c)

(c)

G
離型剤

10mm
図５ Al-TiO2 FGMsの外観写真:（a）Al-5vol.%TiO2

図 5 Al-TiOの外観写真:(a) Al-5vol.%TiO2
2 FGMs
FGMs,（b）
Al-10vol.%TiO
2 FGMs,（c）純Al
FGMs, (b) Al-10vol.%TiO2 FGMs, (c) 純 Al．

50m
図６ Al-TiO2 FGMsにおける外周部の微細組織

図 6 Al-TiO
2 FGMs における外周部の微細組織(反（反射電子像）:（a）Al-5vol.%TiO2 FGMs,（b）（c）
射電子像):(a)Al-10vol.%TiO
Al-5vol.%TiO2 2FGMs,
FGMs,(b)純Al

Al-10vol.%TiO2 FGMs, (c) 純 Al．
かった。また，Al-10vol.%TiO 2 FGMsには一部分に未溶解であった混合粉末が残留していたが，
Al-TiO2 FGMs の外周面は白色を有しており，TiO2 粒子が鋳造材の外周部にて分散していることが分かっ
す べ て の 試 料 に お い て 鋳 造 が 良 好 に 行 わ れ て い た。 図 6（a），（b）お よ び（c）は， そ れ ぞ れAlた．また，Al-10vol.%TiO2 FGMs には一部分に未溶解であった混合粉末が残留していたが，すべての試料
5vol.%TiO 2 FGMs，Al-10vol.%TiO 2 FGMsおよび純Al鋳造材の外周面の微細組織を示す反射電子
において鋳造が良好に行われていた．図 6 (a)，(b)および(c)は，それぞれ Al-5vol.%TiO2 FGMs，
組成像である。この写真からもAl-TiO2 FGMsには，外周部にTiO2 粒子が分散していることが明ら
Al-10vol.%TiO2 FGMs および純 Al 鋳造材のリング外周面の微細組織を示す反射電子組成像である．このかである。Al-TiO2 FGMsおよび純Al鋳造材における外周部近傍の断面組織を図7に示す。これら
写真からも Al-TiO2 FGMs には，外周部に TiO2 粒子が分散していることが明らかである．Al-TiO2 FGMsの組織写真から，Al-TiO2 FGMsにおけるTiO2 粒子は不均一に分散しており，かつ円を描くように
および純 Al 鋳造材におけるリング外周部近傍の断面組織を図 7 に示す．これらの組織写真から，Al-TiO2
分布していた。さらに，これらの鋳造材には多くの空孔が存在している。そこで，このTiO 2 粒子
FGMs における TiO2 粒子は不均一に分散しており，かつ円を描くように分布していた．さらに，これらの不均一分布の要因を調査するために，混合粉末の組織観察を行った。図8は，Al-10vol.%TiO2 混の鋳造材には多くの空孔が存在している．そこで，この TiO2 粒子の不均一分布の要因を調査するために，合粉末の反射電子組成像である。TiO 2 粒子は，Al粉末を覆うように表面に凝着していた。そのた混合粉末の組織観察を行った．図 8 は，Al-10vol.%TiO2 混合粉末の反射電子組成像である．TiO2 粒子は，め，図7にて観察されたTiO2 粒子の分布状態は，混合粉末製造時に生じたTiO2 粒子のAl粉末表面へ
Al 粉末を覆うように表面に凝着していた．そのため，図 7 にて観察された TiO2 粒子の分布状態は，混合の凝着に起因している。また，図5にて観察された未溶融部の領域は，Al粉末がTiO 2 粒子に覆われ粉末製造時に生じた TiO2 粒子の Al 粉末表面への凝着に起因している．また，図 5 にて観察された未溶融ていたため，そのAl粉末がAl溶湯の熱で溶融できなかったために生じたと考えられる。それゆえ，部の領域は，Al 粉末が TiO2 粒子に覆われていたため，その Al 粉末が Al 溶湯の熱で溶融できなかったた
遠心力混合粉末法によってTiO2 粒子をAl母相中により強固に固定するためには，TiO2 粒子がAl粉めに生じたと考えられる．それゆえ，遠心力混合粉末法によって TiO2 粒子を Al 母相中により強固に固定
末を囲むように凝着することを防ぐ必要がある。
するためには，TiO2 粒子が Al 粉末を囲むように凝着することを防ぐ必要がある．
図9は，Al-TiO2 FGMsのAl母相および純Al鋳造材の硬さ分布である。横軸は，遠心鋳造材の最内周部からの距離を鋳造材の厚さにて規格化した値であり，0.0が内周部および1.0が外周部を示している。純Al鋳造材の硬さは，鋳造材の厚さ方向に対して比較的均一であった。一方，Al-TiO 2
FGMsの硬さ分布は，投入したTiO 2 粒子の体積分率に関わらず外周部の方が内周部に比べて低い。

－ 111 －

(a)G

純Al粉末表面

TiO2

TiO2

50m

50m

(b)

G

Al-TiO
2 混合粉末の微細組織。純Al粉末表
図図８
8 Al-TiO
Al 粉末表2 混合粉末の微細組織．純
面を覆うようにTiO2 粒子が存在している

TiO2

面を覆うように TiO2 粒子が存在している．
30

50m
(c)

ビッカース硬さ

G

25

20

純Al
Al-5vol.%TiO2 FGMs
Al-10vol.%TiO2 FGMs

50m
2 FGMsにおける外周面近傍の断面図 7 図７
Al-TiOAl-TiO
2 FGMs における外周面近傍の断面微

15
0.00
内周部

微細組織
（反射電子像）:（a）Al-5vol.%TiO2
FGMs,（b）Al-10vol.%TiO
純Al
細組織(反射電子像):(a) Al-5vol.%TiO
FGMs,
(b)
2 FGMs,2 （c）

Al-10vol.%TiO2 FGMs, (c) 純 Al．

0.25
0.50
0.75
規格化した位置1.00
外周部

図９ Al-TiO2 FGMsおよび純Al鋳造材における

図 9 Al-TiO
硬さ分布。0.0は最内周部および1.0は最外
2 FGMs および純 Al 鋳造材における周部を示す

硬さ分布．0.0 は最内周部および 1.0 は最外周部を示す．
また，この外周部に向けた硬さの低下は，Al-10vol.%TiO
2 FGMsの方がAl-5vol.%TiO 2 FGMsに比べて大きかった。Al-TiO
図 9 は，Al-TiO2 FGMs の2AlFGMsおよび純Al鋳造材における摩擦摩耗試験の結果を図10に示す。図母相および純 Al 鋳造材の硬さ分布である．横軸は，遠心鋳造材の最内周10は，Al-TiO
2 FGMsおよび純Al鋳造材への摩擦摩耗試験における質量損失と試験における初期応部からの距離を鋳造材の厚さにて規格化した値であり，0.0 が内周部および 1.0 が外周部を示している．

力との関係を示したグラフである。このとき，質量損失の低下は耐摩耗性が向上することを意味す
純
Al 鋳造材の硬さは，鋳造材の厚さ方向に対して比較的均一であった．一方，Al-TiO2 FGMs の硬さ分布る。このグラフから，耐摩耗性はTiO
2 粒子の体積分率が低下するにつれて向上した。この傾向は，は，投入した TiO 粒子の体積分率に関わらず外周部の方が内周部に比べて低い．また，この外周部に向2

図9に示す硬さ分布と一致している。また，これはAl-TiO
2 FGMsの外周部が内周部に比べて機械けた硬さの低下は，Al-10vol.TiO
2 FGMs の方が Al-5vol.%TiO2 FGMs に比べて大きかった．Al-TiO2 FGMs
的性質に劣ることも意味する。従来，サブミクロンの硬質粒子を金属母相中に分散させると，オロおよび純Al 鋳造材における摩擦摩耗試験の結果を図 10 に示す．図 10 は，Al-TiO2 FGMs および純 Al 鋳
ワン機構により材料強度が向上することが知られている。しかしながら，本研究にて作製したAl造材への摩擦摩耗試験における質量損失と試験における初期応力との関係を示したグラフである．このTiO2 FGMsの硬さや耐摩耗性は，TiO 2 粒子が多く分布する外周部で低下していた。これは，前述
とき，質量損失の低下は耐摩耗性が向上することを意味する．このグラフから，耐摩耗性は
TiO2 粒子のしたAl粉末周囲へのTiO 2 粒子の凝着による空孔の発生に起因すると考えられる。そこで，本研究
体積分率が低下するにつれて向上した．この傾向は，図9 に示す硬さ分布と一致している．また，これでは，これを検証するため，アルキメデス法にて円筒形状Al-TiO
2 FGMsの密度分布を測定した。
はAl-TiO2 FGMs の外周部が内周部に比べて機械的性質に劣ることを意味する．従来，サブミクロンの硬図11は，縦軸に密度および横軸に投入したTiO 2 体積分率をプロットしたグラフである。また，こ質粒子を金属母相中に分散させると，オロワン機構により材料強度が向上することが報告されている．
のグラフにおいて，実線は測定値であり，かつ破線は各物質の密度（Al:
2.7 Mg/m3 , TiO（アナター
しかしながら，本研究にて作製した
Al-TiO2 FGMs の硬さや耐摩耗性は，TiO
22 粒子が多く分布する外周部
ゼ）: 3.90 Mg/m3）から計算した理論値を表している。図11に示すように，作製したAl-TiO2 FGMsの密度は，TiO2 粒子の体積分率が増加するにつれて低下した。これは，TiO 2 粒子の体積分率が増加するにつれて，鋳造欠陥が増加するためである。また，この鋳造欠陥は，TiO2 粒子がAl粉末表－ 112 －

面に凝着しているために生じたものであろう。それゆえ，Al-TiO 2 FGMsにおける外周面の高強度化を達成するためには，混合粉末中のTiO2 粒子がAl粉末の表面に凝着せずに均一分散するための方法を見出すことが必要である。
図12（a）および（b）は，それぞれAl-5vol.%TiO2 FGMsおよびAl-10vol.%TiO2 FGMsの外周面におで低下していた．これは，前述した Al 粉末周囲への TiO2 粒子の凝着に起因すると考えられる．そこで，けるX線回折ピークである。Al-5vol.%TiO2 FGMsおよびAl-10vol.%TiO2 FGMsともに光触媒作用
本研究では，これを検証するため，アルキメデス法にて円筒形状 Al-TiO2 FGMs の密度分布を測定した．
が高いアナターゼ型TiO2 および純Alのピークが存在していた。また，このX線回折結果において光図 11 は，縦軸に密度および横軸に投入した TiO2 体積分率をプロットしたグラフである．また，このグラ触媒作用が低いルチル型TiO2 のピークは存在していない。そのため，鋳造中にアナターゼ型TiO
2
フにおいて，実線は測定値であり，かつ破線は各物質の密度(Al: 2.7 Mg/m3, TiO2(アナターゼ): 3.90 Mg/m3)
からルチル型TiO 2 への相変態は生じていない。よって，本鋳造条件にて作製したAl-TiO 2 FGMsから計算した理論値を表している．図 11 に示すように，作製した Al-TiO2 FGMs の密度は，TiO2 粒子のは，外周面に光触媒機能を有するAl基傾斜機能材料であることがいえる。
体積分率が増加するにつれて低下した．これは，TiO2 粒子の体積分率が増加するにつれて，鋳造欠陥が本研究では，真空中での遠心力混合粉末法によって外周面にアナターゼ型TiO2 粒子を有するAl増加するためである．また，この鋳造欠陥は，TiO2 粒子が Al 粉末表面に凝着しているために生じたもの
TiO
2 FGMsの製造が可能であることを明らかにした。このようなAl基傾斜機能材料は，耐久性がであろう．それゆえ，Al-TiO
FGMs における外周面の高強度化を達成するためには，混合粉末中の TiO
22高い抗菌手すりやセルフクリーニング機能を有する高層建築物用のアンテナや避雷針などへの適用
粒子が Al 粉末の表面に凝着せずに均一分散するための方法を見出すことが必要である．
を期待することができる。このような光触媒機能を構造物に最大限に付与するためには，鋳造材外図 12(a)および(b)は，それぞれ Al-5vol.%TiO FGMs および Al-10vol.%TiO FGMs の外周面における X
2

2

3.0

2.80

Al-10vol.%TiO2 FGMs

2.5

2.75

2.0

密度 (Mg / m3)

摩擦摩耗試験による質量損失 (mg)

周面に可能な限り多くのTiO
2 粒子を分散させる必要がある。しかしながら，現時点において，
線回折ピークである．Al-5vol.%TiO
2 FGMs および Al-10vol.%TiO2 FGMs ともに光触媒作用が高いアナタ

Al-5vol.%TiO2 FGMs

1.5

0.5
0.4

実測値(アルキメデス)
2.65

純Al

1.0

理論値
2.70

2.60

0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
摩擦摩耗試験における初期応力 (MPa)

図10 Al-TiO2 FGMsおよび純Al鋳造材における

図 10 Al-TiO
2 FGMs および純 Al 鋳造材における耐摩耗性を示すグラフ。質量損失が小さいほど耐摩耗性に優れる
耐摩耗性を示すグラフ．質量損失が小さいほど

0

5.0

10.0

混合粉末中のTiO2体積分率 (vol.%)

図11 アルキメデス法にて測定したAl-TiO2

図 11 アルキメデス法にて測定した
Al-TiO2
FGMsおよび純Al鋳造材の密度
FGMs および純 Al 鋳造材の密度．

耐摩耗性に優れる．

図12

Al-TiO2 FGMsの外周面におけるX線回折ピーク:（a）Al-5vol.%TiO2 FGMs,（b）Al-10vol.%TiO2 FGMs

図12 Al-TiO2 FGMsの外周面におけるX線回折ピーク: (a) Al-5vol.%TiO2 FGMs, (b) Al-10vol.%TiO2 FGMs．
－ 113 －

TiO 2 粒子体積分率の増加に伴い，外周面の耐摩耗性や硬さが低下している。そのため，材料強度を低下させずにAl-TiO2 FGMsの光触媒性能を向上させるためには，混合粉末中におけるTiO2 粒子の分散状態を改善することで，混合粉末中のAl粉末がより溶融しやすくすることが重要である。
以上より，遠心力混合粉末法は，光触媒機能を有するAl基傾斜機能材料の作製に有効であり，混合粉末中のTiO2 粒子分散方法を変えることで，光触媒機能と高強度が両立したAl-TiO2 FGMsの製造が可能であることが分かった。
4．まとめ
本研究では，遠心力混合粉末法にて光触媒作用が強いアナターゼ型TiO 2 粒子が外周面に分散した円筒形状のAl-TiO2 FGMsを作製した。本研究で得られた主な結果は，次の通りである。
（１）
Al-5vol.%TiO 2 混合粉末およびAl-10vol.%TiO 2 混合粉末を作製した。この2種類の混合粉末を用いて，それぞれの混合粉末に対するAl-TiO 2 FGMsを遠心力混合粉末法にて作製した。
その結果，外周面近傍にTiO2 粒子が分散した円筒形状のAl-TiO2 FGMsを製造することに成功した。
（２）光触媒作用が強いTiO2 の結晶構造はアナターゼ型である。しかし，アナターゼ型TiO2 は準安定であるため，鋳造時の温度にてルチル型TiO2 に相変態してしまう可能性があった。そこで，Al溶湯温度を800℃にて遠心鋳造を行った結果，外周面にアナターゼ型TiO 2 粒子が分散した鋳造材を得ることに成功した。ゆえに本研究で開発したAl-TiO2 FGMsは光触媒作用を期待できるものである。
（３）
Al-TiO2 FGMsの外周面における微細組織を観察した結果，TiO2 粒子がAl粉末の周囲に沿って存在している様子が観察された。そこで，混合粉末中におけるTiO 2 粒子の分散状態を調べた結果，TiO2 粒子はAl粉末の表面に凝着していることが明らかとなった。
（４）
作製したAl-TiO2 FGMsに対し，円筒形状鋳造材の内周部から外周部へ向けた硬さ分布を評価した。その結果，TiO2 粒子が分散している外周面の硬さは，内周面の硬さに比べて低い。
また，その外周面の硬さは投入したTiO 2 粒子体積分率が高くなるにつれて低下した。さらに，鋳造材の耐摩耗性も同様の傾向であった。これは，TiO 2 粒子がAl粉末の表面に凝集することで生じた鋳造欠陥に起因している。よって，TiO 2 粒子の凝着を防ぐことで，より強度に優れたAl-TiO2 FGMsの製造が可能となることが分かった。
謝辞
本研究の実験を遂行するにあたり，名古屋工業大学

渡辺義見教授および前田純弥君に多大なご協力を頂いたことを記し，御礼を申し上げます。
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