JP3986489B2 - 発泡／多孔質金属製造用発泡剤 - Google Patents

Description

本発明は発泡／多孔質金属の製造に用いる発泡剤に関する。

溶融金属若しくは粉末金属に発泡剤を添加し、これらを加熱するなどして発泡剤をガス化し、金属中に無数の孔を形成することで発泡金属若しくは多孔質金属を得る技術は知られている。狭義には発泡金属は無数の孔にガスを封じ込め、多孔質金属はガスを放出する点で差があるが、無数の孔を有する点では同一であるから、発泡／多孔質金属と一括して呼ぶことにする。

従来、発泡可能な金属体の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１。）。
特許第２８９８４３７号明細書（第５頁）

特許文献１には、同公報の段落番号［００２２］第５行に「水素化チタン０．２重量％」や、同第１９行に「炭酸水素ナトリウム」のごとく発泡剤の具体例が記載されている。

酸素との結びつきが強いアルミニウムを発泡させるには、還元力の強い水素を含む水素化チタンや炭酸水素ナトリウムの使用が一般的である。

しかし、水素化チタンや炭酸水素ナトリウムは高価であり、発泡／多孔質金属の製造コストを押上げるという課題がある。
また、発生する水素ガスは爆発しやすい気体であり、取扱いに十分な注意を払わなければならず、作業者の負担は大きくなる。

本発明は、廉価で水素爆発の危険が無い発泡剤を提供することを課題とする。

本発明者らは、水素を含まぬ発泡剤で且つ廉価な発泡剤である炭酸ナトリウムが使用できれば、上記課題が解決できるため、炭酸ナトリウムの再評価を試みた。

先ず、溶融アルミニウムに炭酸ナトリウム粉末を混ぜて発泡性金属を製造した。この発泡性金属をカットし、顕微鏡で観察したところ、孔が大きく且つ単位体積当りの孔の数が期待したより少なかった。これは、予想していたとおりである。

大きな孔は、生成した泡が溶融金属中で合体したものであるが、炭酸ナトリウムは溶融アルミニウムと濡れ性が著しく悪く、均一に分散しない。そのために一箇所で多量に分解気泡が発生したために、気泡同士が衝突成長したものと考えられる。

新たな発泡剤として溶融アルミニウムと濡れ性がよい物質を使用すれば均一に分散し、気泡の合体を抑制することができると考えるに至った。
そこで、より濡れ性の良い材料を模索し、その過程で、入手容易で且つ極めて安価な材料であるＳｉＯ_２に着目した。

材料の振れ性を評価するために接触角を調べた。
図１は接触角の説明図である。
（ａ）において、溶融金属１０に鉛直に且つ上から静かに試験片１１を沈め、液面に生じる窪みの縁と鉛直線とのなす角を調べる。この角度θを接触角と定義する。

（ｂ）では濡れ性の良い試験片１１を溶融金属１０に沈めた。濡れ性が良いと接触角θは減少する。すなわち、濡れ性が悪いと（ａ）のごとく接触角θが大きくなる。
このように、接触角θを調べることで濡れ性を評価することができる。

図２は材料別の接触角／濡れ性を表すグラフである。
先ず、試験片１１(図１参照)は、ＣａＣＯ_３やＳｉＯ_２のピースとし、溶融金属１０は溶融アルミニウムとして、接触角を調べた。ＣａＣＯ_３は接触角が大きく、ＳｉＯ_２は接触角が小さいことが分かった。このことから、ＳｉＯ_２はＣａＣＯ_３より十分に濡れ性が良いことが確認できた。

そこで、ＣａＣＯ_３の粉末をＳｉＯ_２でコーティングすれば、発泡の初期段階では濡れ性の良いＳｉＯ_２が機能して、泡の移動を防止し、泡同士の衝突、合体を防止できるのではないかと考え、発泡金属を製造したところ、良い結果を得た。詳細は後述する。

そこで、請求項１は、発泡／多孔質金属を製造するときに用いる発泡剤において、この発泡剤は、ＣａＣＯ _３ 又はＭｇＣＯ _３ からなる発泡性粉末と、この粉末の表面を覆うＳｉＯ_２コーティング層とからなることを特徴とする。

請求項１の発泡剤は、ＣａＣＯ _３ 又はＭｇＣＯ _３ からなる発泡性粉末と、この粉末の表面を覆うＳｉＯ_２コーティング層とからなることを特徴とする。

ＳｉＯ_２は濡れ性が良好であるため、この層をＣａＣＯ _３ 又はＭｇＣＯ _３ からなる発泡性粉末に施すことで得た発泡剤は、溶融金属柱に良く分散し、均一に孔が分散した良質な発泡／多孔性金属を得ることができる。

発泡剤は、ＣａＣＯ _３ 又はＭｇＣＯ _３ からなる発泡性粉末にＳｉＯ_２をコーティングしただけのものであるから、廉価であり、且つＨ基を含まぬＣａＣＯ _３ 又はＭｇＣＯ _３ からなる発泡性粉末を用いたので、水素爆発の危険も無い。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
まず、本発明に係る発泡剤製造方法である共沈法を説明する。
図３（ａ）〜（ｅ）は本発明に係る発泡剤の共沈法工程図である。
（ａ）において、容器１０に入れたＮａ_２ＳｉＯ_３水溶液１１を加熱手段１２で約４０℃まで加熱する。

（ｂ）において、Ｎａ_２ＳｉＯ_３水溶液１１に強酸（例えば塩酸）を混ぜ且つ発泡性粉末１３を入れる。この発泡性粉末１３は、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）や炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ _３）などの炭酸塩が適当である。爆発の危険が無い炭酸ガス（二酸化炭素ガス）を発生するからである。

なお、前記炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ_３）は、入手が容易で、安定性に富む塩基性炭酸マグネシウム（４ＭｇＣＯ_３・Ｍｇ（ＯＨ_２）・５Ｈ_２Ｏ））を脱水処理等を施すことにより生成することができる。

（ｃ）において、攪拌手段１４にてＮａ_２ＳｉＯ_３水溶液１１と塩酸（ＨＣｌ）と発泡性粉末１３とを十分に攪拌する。この攪拌により次に示す反応が起こる。

（液）は液体（水溶液）を示し、（固）は固体（粉末又は膜）を示す。
Ｎａ_２ＳｉＯ_３水溶液に強酸である塩酸（ＨＣｌ）を加え、溶液を弱酸性にしたとき起こるコロイドけい酸の生成反応を利用してＳｉＯ_２（固）を生成させる。このＳｉＯ_２（固）がＣａＣＯ_３の粉末表面を覆う。

なお、ＳｉＯ_２は、シリカゲル（ＳｉＯ_２・ｎＨ_２Ｏ）の形態になる可能性が高い。
従って、ＳｉＯ_２コーティング層を構成するＳｉＯ_２に、シリカゲルを含める。

（ｄ）において、濾紙等の濾材１５にて混合液を濾過する。このときに吸引することで濾過作業を促す。
（ｅ）において、乾燥させることにより、所望の発泡剤２０を得る。

図４は本発明に係る発泡剤の模型図であり、発泡剤２０は、ＣａＣＯ_３粉末又はＭｇＣＯ_３粉末からなる発泡性粉末１３と、この発泡性粉末１３の表面を覆うＳｉＯ_２コーティング層２１とからなる。

以上の述べた構造の発泡剤２０を用いた発泡／多孔質金属の製造方法を次に説明する。
図５（ａ）〜（ｅ）は本発明の発泡剤を用いた発泡／多孔質金属の製造工程図である。
（ａ）において、ルツボ３１に７％珪素を含むＳｉ系アルミニウム合金３２を入れ、ヒータ３３で約７００℃に加熱して、金属を溶解する。なお、真空溶解するときには真空炉内でこの処理及び以降の処理を実施するが、ここでは真空炉は省略する。

（ｂ）において、攪拌手段３４で溶湯３５を撹拌しつつ、溶湯３５にＣａやＭｇの粘度調整剤３６を投入して粘度を調整する。
（ｃ）において、溶湯３５にさらに発泡剤２０を適量投入する。

（ｄ）は発泡剤２０がガス化したために溶湯３５が増量したことを示す。このままで、冷却を開始する。
（ｅ）において、適当な温度でルツボから外し、さらに冷却すれば、発泡／多孔質金属３７を得る。

図３に述べた共沈法の他、次に説明する蒸発法でも本発明の発泡剤を製造する
ことができる。
図６（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る発泡剤の蒸発法工程図である。
（ａ）において、容器１０に入れたＮａ_２ＳｉＯ_３水溶液１１へ強酸及び発泡性粉末１３を入れる。
（ｂ）において、加熱手段１２で加熱しつつ、Ｎａ_２ＳｉＯ_３水溶液１１と強酸と発泡性粉末１３とを撹拌する。この攪拌により次の反応が起こる。

反応の詳細は、先に説明したので省略する。
（ｃ）において、容器１０を加熱手段１２で引続き加熱することで水分を蒸発させ、結果として発泡剤２０を得る。この発泡剤２０の断面構造は図４で説明した通りである。

尚、発泡／多孔質金属はアルミニウム合金を原則とするが、金属（含む合金）であれば種類は問わず、例えばマグネシウム合金、鉄系合金、ステンレス鋼などが挙げられる。

また、強酸として塩酸を用いたが、硫酸、硝酸であっても良く、強酸の種類は問わない。

本発明に係る実験例を次に説明する。なお、本発明はこの実験例に限定されるものではない。
Ａ：発泡剤を製造する条件
製造方法： 共沈法
Ｎａ_２ＳｉＯ_３（液）： ２．０ 質量％
ＣａＣＯ_３（固）／Ｎａ_２ＳｉＯ_３（液）＝０．２１ ｇ／ｇ
ｐＨ： ６．８７
乾燥温度： １００ ℃

Ｂ：発泡金属を製造する条件
溶融すべき金属： ７％珪素を含むＳｉ系アルミニウム合金
溶解設備： 真空溶解炉
熔解温度： ７００℃
粘度調整剤： Ｃａ、Ｍｇ

図７は発泡／多孔質金属密度を示すグラフである。
実施例（ＳｉＯ_２コーティング層＋ＣａＣＯ_３）の密度は、約１．０ｇ／ｃｍ^３であった。
これに対してＣａＣＯ_３のみを発泡剤として比較例１の密度は、約１．８ｇ／ｃｍ^３であった。
また、従来採用されてきたＴｉＨ_２を発泡剤として比較例２の密度は、約１．０ｇ／ｃｍ^３であった。

縦軸の左に白抜き矢印で示したとおりに、密度が小さいほど発泡性が大きくなる。
実施例は、比較例１より十分に密度が小さく、発泡性が大きい。
また、実施例は、比較例２と同程度の密度の発泡性金属を得ることができる。

本発明は、車体フレームの中空部に充填する充填材に好適である。

接触角の説明図である。 材料別の接触角／濡れ性を表すグラフである。 本発明に係る発泡剤の共沈法工程図である。 本発明に係る発泡剤の模型図である。 本発明の発泡剤を用いた発泡／多孔質金属の製造工程図である。 本発明に係る発泡剤の蒸発法工程図である。 発泡／多孔質金属密度を示すグラフである。

符号の説明

１３…発泡性粉末、２０…発泡剤、２１…ＳｉＯ_２コーティング層、３７…発泡／多孔質金属。

Claims (1)

1. 発泡／多孔質金属を製造するときに用いる発泡剤において、この発泡剤は、ＣａＣＯ _３ 又はＭｇＣＯ _３ からなる発泡性粉末と、この粉末の表面を覆うＳｉＯ_２コーティング層とからなることを特徴とする発泡／多孔質金属製造用発泡剤。

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