JP4035602B2

JP4035602B2 - ポーラス金属及びその製造方法

Info

Publication number: JP4035602B2
Application number: JP2002206384A
Authority: JP
Inventors: 馬渕　　守; 千野　　靖正; 岩崎　　源; 小畠　　雅明; 英行中西
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-07-16
Filing date: 2002-07-16
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2022-07-16
Also published as: JP2004043937A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多量の空隙を含む低密度なポーラス金属及びその製造方法に関するものであり、更に詳しくは、例えば、空隙のサイズ１ｍｍ以下及び空隙率６０％以上のポーラス金属薄板等を製造することを可能とするポーラス金属の製造方法及びその製品に関するものである。本発明のポーラス金属は、低密度、優れた吸音性、高エネルギー吸収特性等を有することから、建設用材料、自動車用材料などとして有用である。
【０００２】
【従来の技術】
ポーラス金属とは、緻密体内部に積極的に微細な空隙を導入した金属材料のことである。ポーラス金属は、空隙率（＝｛１−（当該ポーラス金属の見かけの密度／当該金属緻密材の密度）｝×１００％）が６０％以上になると、低密度、優れた吸音性、高エネルギー吸収特性等を示すことから、建設用材料、自動車用材料などに利用されている。また、ポーラス金属は、超軽量であるとともに金属特有のリサイクル性に優れていることから、リサイクル性に優れた軽量材料として、その需要の増加が見込まれている材料である。
【０００３】
これまでのポーラス金属の製造方法としては、例えば、ポーラス鋳型に溶融金属を流し込み、凝固後、鋳型を崩壊させ、ポーラス金属を製造する精密鋳造法（例えば：Ｙ．Ｙａｍａｄａｅｔａｌ．、Ｊ．ｏｆＭａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｌｅｔｔ．、１８（１９９９）、Ｐ．１４７７．）、ポーラス樹脂等の上に金属をメッキし、ポーラス金属を製造するメッキ法（例えば：Ｍ．Ｏｔｓｕｋａｅｔａｌ．Ｐｒｏｃ．３ｒｄ．ＪａｐａｎＩｎｔ．ＳＡＭＰＥＳｙｍｐ，Ｄｅｃ．７−１０，１９９３、Ｐ．８８７）、溶湯金属に発泡剤を入れ、気体を発生させた状態のまま凝固することにより、ポーラス金属を製造する溶湯発泡法（例えば：Ｔ．Ｍｉｙｏｓｈｉｅｔａｌ．、Ａｄｖ．Ｅｎｇ．Ｍａｔｅｒ．、２（２０００）、Ｐ．１７９．）がある。
【０００４】
また、固体のまま発泡剤から気体を放出させポーラス金属を製造する固体発泡法（例えば：特開２００１−３４２５０３）、微量の高圧の気体を含んだ金属を高温に加熱し、気体を膨脹させることにより、ポーラス金属を製造する気体膨脹法（例えば：Ｄ．Ｔ．Ｑｕｅｈｅｉｌｌａｌｔｅｔａｌ．、Ｍｅｔａｌｌ．Ｍａｔｅｒ．Ｔｒａｎｓ．Ａ，３１Ａ（２０００）、Ｐ．２６１．）がある。また、金属粉末とバインダー粉末を圧縮・焼結することにより製造する粉末冶金法（例えば：Ｃ．Ｅ．Ｗｅｎｅｔａｌ．，Ｓｃｒｉｐｔａ．Ｍａｔｅｒ．４５（２００１），Ｐ．１１４７．）、金属短繊維を堆積させ、焼結させる金属短繊維焼結法（例えば：鈴木清ら、工業材料、３０（１９８０）、Ｎｏ．１０，Ｐ．１０４．）、金属の切削屑を堆積させ、焼結させる金属切削屑焼結法等（例えば：特願２００１−２９３３０１）がある。
【０００５】
しかしながら、精密鋳造法、メッキ法、溶湯発泡法、金属切削屑焼結法の場合、６０％の高空隙率のポーラス金属を製造できるものの、空隙の平均直径は１ｍｍ以上であり、１ｍｍ以下の微小な空隙を有するポーラス金属を製造することは困難であるという問題がある。一方、固体発泡法、気体膨脹法の場合は、１ｍｍ以下の微小な空隙を含んだポーラス金属を製造することはできるが、空隙率は６０％以下であり、６０％以上の高空隙率のポーラス金属を製造することは困難であるという問題がある。粉末冶金法、金属短繊維法の場合は、空隙の直径を１ｍｍ以下にしつつ、空隙率を６０％以上にすることが可能である。しかしながら、粉末・金属短繊維の利用は、多種少量生産される製品に対しては有効であるが、自動車衝撃吸収材等の少種大量生産が要求される製品に対しては、高コストにつながるため、適用が困難であるという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、上記従来技術の諸問題を解決することが可能な新しいポーラス金属の製造技術を開発することを目標として鋭意研究を重ねた結果、金属粉末焼結体固体内に閉じこめた高圧不活性ガスを固液二相状態で膨張させることにより所期の目的を達成し得ることを見出し、更に研究を重ねて、本発明を完成するに至った。
本発明は、従来技術では作製方法が制限されていた、空隙のサイズ１ｍｍ以下及び空隙率６０％以上の特性を有するポーラス金属及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、１ｍｍ以下の微細空隙を有し、空隙率６０％以上であり、板厚が数ｍｍのポーラス薄板を製造することを可能とするポーラス金属成形体の製造方法及びその成形体を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）塑性加工が可能な金属製容器内に１種類以上の成分を含む金属粉末を１気圧以上の気体とともに密閉し、これを高温で加圧して塑性加工することにより金属粉末を焼結するとともに気体を縮小し、次いで、その高圧気体を含んだ焼結体を固液二相状態まで加熱し、固液二相状態で気体の体積を膨脹させて空隙を発生させることを特徴とするポーラス金属の製造方法。
（２）金属粉末が、アルミニウム、鉄、チタン、銅、マグネシウム、錫、亜鉛、ニッケル、コバルト、タングステン、又はモリブデンのいずれかの合金であることを特徴とする前記（１）に記載のポーラス金属の製造方法。
（３）金属粉末を封入する金属容器が、アルミニウム、鉄、チタン、銅、マグネシウム、錫、亜鉛、ニッケル、コバルト、タングステン、又はモリブデンのいずれかの合金であることを特徴とする前記（１）に記載のポーラス金属の製造方法。
（４）金属製容器内に密閉する気体が、窒素、アルゴン、又はヘリウムのいずれかであることを特徴とする前記（１）に記載のポーラス金属の製造方法。
（５）金属製容器を熱間押出し、プレス、鍛造、静水圧加圧、引き抜き、又は圧延のいずれかで高温加圧することを特徴とする前記（１）に記載のポーラス金属の製造方法。
（６）高圧気体を含んだ焼結体を金型に挿入し、固液二相状態まで加熱することにより成形体とすることを特徴とする前記（１）に記載のポーラス金属の製造方法。
（７）高圧気体を含んだ焼結体を圧延した後、固液二相状態まで加熱することにより成形体とすることを特徴とする前記（１）に記載のポーラス金属の製造方法。
（８）空孔の平均直径が５０μｍから５００μｍであり、空隙率が少なくとも６０％であるポーラス金属を製造することを特徴とする前記（１）から（７）のいずれかに記載のポーラス金属の製造方法。
（９）１ｍｍ以下の空隙を有し、空隙率が少なくとも６０％であるポーラス金属成形体を製造する、前記（１）から（７）のいずれかに記載のポーラス金属の製造方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は、金属粉末焼結体固体内に閉じこめた高圧不活性ガスを固液二相状態（固体と液体が混在した状態）で膨脹させることにより、１ｍｍ以下の空隙を有し、空隙率が６０％以上であるポーラス金属を作製することを特徴とするものである。本発明では、空隙のサイズ１ｍｍ以下及び空隙率６０％以上のポーラス金属を製造するために、固液二相状態で固体金属中の不活性ガスを膨脹させること、具体的には、不活性ガスと金属粉末を加圧下で焼結して固体金属内に高圧不活性ガスを導入し、高圧の気体を導入した固体金属を固液二相状態で膨張させること、によりポーラス金属を製造する。
【０００９】
本発明は、固液二相状態が存在し得る各種金属に適用される。これらの金属としては、例えば、アルミニウム、鉄、チタン、銅、マグネシウム、錫、亜鉛、ニッケル、コバルト、タングステン、モリブデンを主成分とする合金が例示されるが、これらに制限されるものではない。本発明のプロセスは、固液共存相を有する合金であれば、いずれの合金においてもポーラス金属を作製することが可能である。
【００１０】
以下、アルミニウム合金を一例として本発明を説明する。本発明の方法では、まず、純アルミニウム製容器にアルミニウム合金粉末を入れた後、１気圧以上の高圧ガスを容器に満たし、封入する。封入後、アルミニウム（合金）製容器を熱間押出しすることにより粉末を焼結する。この際、ガスは、押出しの圧力により縮小し、高圧ガスとしてバルク内に閉じこめられる。押出し後、固液二相状態にするために加熱保持すると、縮小していた気体が膨脹し、多量の空隙を含むポーラス合金丸棒が製造される。以上のプロセスを図１に模式的に示す。このプロセスでは、液相の箇所で優先的に気体が膨脹するが、周囲の固体により気体の膨脹が抑制されるため、空隙の大きさを１ｍｍ以下にすることが可能となる。
【００１１】
また、本発明の他の方法では、アルミニウム（合金）製容器にアルミニウム合金粉末を入れた後、１気圧以上の高圧ガスを容器に満たし、封入する。封入後、熱間プレス（又は鍛造、静水圧加圧）し、粉末を焼結する。この焼結材を金型に挿入した後、固液二相状態になるまで加熱すると、金型内部で焼結材が膨脹し、複雑な形状を有するポーラス合金成形品が製造される。以上のプロセスを図２に模式的に示す。
【００１２】
また、本発明の他の方法では、アルミニウム（合金）製容器にアルミニウム合金粉末を入れた後、１気圧以上の高圧ガスを容器に満たし、封入する。封入後、熱間プレス（又は鍛造、静水圧加圧）し、粉末を焼結する。この焼結材を板状に切断後、圧延により薄板を作製する。薄板を固液二相状態になるまで加熱すると、薄板が膨脹し、ポーラス合金板材が製造される。以上のプロセスを図３に模式的に示す。
【００１３】
また、本発明の他の方法では、アルミニウム（合金）製容器にアルミニウム合金粉末を入れた後、１気圧以上の高圧ガスを容器に満たし、封入する。封入後、アルミニウム製容器を熱間引き抜きすることにより粉末を焼結する。この際、ガスは、引き抜きの圧力により縮小し、高圧ガスとしてバルク内に閉じこめられる。引き抜き後、固液二相状態にするために加熱保持すると、縮小していた気体が膨脹し、多量の空隙を含むポーラス合金細線が製造される。以上のプロセスを図４に模式的に示す。
【００１４】
本発明において、上記のポーラス金属の作製プロセスで利用する、金属粉末を注入する金属容器の種類としては、適度な延性を有し、一連の塑性加工（圧延、押出し、引き抜き、鍛造、プレス、静水圧加圧）において破断しないものが望ましい。理想的には、金属粉末と同じ材質の缶を利用することが望ましいが、金属粉末に近い延性・強度を有する材料により代替することも可能である。
【００１５】
上記のポーラス金属の作製プロセスで利用する高圧ガスの種類としては、金属粉末と反応を起こさない不活性ガスが望ましく、例えば、アルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガスを主成分としたガスが例示されるが、これらに制限されるものではない。
【００１６】
上記プロセスでは、液相の量が少なすぎると気体の膨脹が遅く、空隙のサイズは１ｍｍ以下になるものの、空隙率は６０％以下になる。一方、液相の量が多すぎると固体による膨脹抑制の効果が低減し、空隙率は６０％以上になるものの空隙の大きさは１ｍｍ以上になる。空隙のサイズ１ｍｍ以下及び空隙率６０％以上のポーラス材料を製造するためは、高圧気体を含んだ焼結体を固液二相状態まで加熱し、固液二相状態で気体の体積を膨張させ空隙を発生させる際の液相量が適度であることが要求される。例えば、アルミニウム合金（７０７５合金）を例にとると、固相線温度（４７９℃）よりも約１００℃から１６０℃上の温度で金属容器内部のガスを膨張させることが望ましい。これらの加熱保持温度は、使用する金属の種類、使用目的に応じて設定することができる。
【００１７】
本発明のプロセスにより作製された各種ポーラス金属を利用すると、数ｍｍ程度の小さな成形体に多数の空隙を付与することが可能となり、多種多様な用途にポーラス金属を利用することが可能となる。例えば、厚みが数ｍｍ程度の薄板をポーラス金属により作製するためには、１ｍｍ以下の空隙を板内部に多数生成させることが必要である。本発明によるポーラス金属製の薄板は、超軽量性、易加工性、易リサイクル性を同時に実現できる材料であり、樹脂材料等の代替として、軽量化が求められている自動車等の部品へ利用することが可能である。本発明のプロセスは、ポーラス金属製の薄板を作製するための基礎的技術として有用である。
【００１８】
【作用】
本発明は、金属粉末焼結体固体内に閉じこめた高圧不活性ガスを固液二相状態（固体と液体が混在した状態）で膨脹させることにより、１ｍｍ以下の空隙を有し、空隙率が６０％以上であるポーラス金属を作製することを特徴とするものである。本発明では、高圧気体を含んだ焼結体を金型に挿入し、固液二相状態まで加熱することにより、任意の形態の成形品を作製することができる。また、上記焼結体を圧延した後、固液二相状態まで加熱することにより、薄板を作製することができる。本発明のポーラス金属の製造方法を利用することにより、数ｍｍ程度の微細な部材に多数の空隙を付与することが可能となり、特に、板厚が数ｍｍのポーラス薄板を製造することが可能であり、低コストで簡便な方法、かつ金属製衝撃吸収材、超軽量性薄板及び易リサイクル性薄板、等を製造するための基礎技術として有用である。
【００１９】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例により何ら限定されるものではない。
実施例１
本実施例では、一例として、アルミニウム合金（７０７５合金）を利用して、ポーラス金属を作製した。
（１）ポーラス金属の製造
図５に記載の純アルミニウム製容器に市販７０７５アルミニウム合金粉末（Ａｌ−５．５ｍａｓｓ％−２．５ｍａｓｓ％Ｍｇ−１．５ｍａｓｓ％Ｃｕ合金アルミニウム粉末）を容器容積の２／３まで充填した後、１０気圧のアルゴンガスを容器に満たし、封入した。なお、本実施例にて使用したアルミニウム合金粉末の粒径は５０μｍ以下であった。封入後、温度４００℃、押し出し比８の条件でアルミニウム製容器を熱間で押出し、直径１４ｍｍの丸棒を作製した。この押出し棒を６３０℃に７２時間加熱保持し、ポーラスアルミニウム合金を製造した。なお、示差熱分析の結果、本７０７５アルミニウム合金の固相線温度は４７９℃であった。
【００２０】
（２）結果
図６に、加熱保持前のポーラスアルミニウム合金の内部組織（ａ）と加熱保持後のポーラスアルミニウム合金の内部組織（ｂ）をそれぞれ示す。加熱保持前の押出し棒の空隙率は５％であった。一方、加熱保持後の押出し棒の空隙率は７４％まで向上した。次に、作製したポーラスアルミニウム合金の気泡サイズを画像解析により測定した結果を図７に示す。空隙サイズが５０〜４００μｍに集中していることが分かる。すなわち、図６、図７の結果より、本発明により１ｍｍ以下の空隙を有し、空隙率が６０％以上のポーラス金属が作製可能であることが分かる。
【００２１】
実施例２
図５に記載の純アルミニウム製容器に市販７０７５アルミニウム合金粉末（Ａｌ−５．５ｍａｓｓ％−２．５ｍａｓｓ％Ｍｇ−１．５ｍａｓｓ％Ｃｕ合金アルミニウム粉末）を容器容積の２／３まで充填した後、１０気圧のアルゴンガスを容器に満たし、封入した。封入後、温度４００℃、押し出し比６の条件でアルミニウム製容器を熱間押出し、直径６ｍｍの丸棒を作製した。なお、本実施例にて使用したアルミニウム合金粉末の粒径は５０μｍ以下であった。この押出し棒を４６０℃及び６３０℃に７２時間加熱保持し、ポーラスアルミニウム合金を製造した。なお、示差熱分析の結果、本７０７５アルミニウム合金の固相線温度は４７９℃であった。図８に４６０℃で加熱保持後のポーラスアルミニウム合金の内部組織（ａ）と６３０℃で加熱保持後のポーラスアルミニウム合金の内部組織（ｂ）をそれぞれ示す。密度測定の結果、空隙率はそれぞれ９％及び７４％であった。図８の結果より、本発明によりポーラス金属を作製する上において、適度の液相量が必要であることが確認できる。
【００２２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、ポーラス金属及びその製造方法に係るものであり、本発明によれば、１）空隙のサイズ１ｍｍ以下及び空隙率６０％以上のポーラス金属を製造することができる、２）得られたポーラス金属は、軽量であるとともに、エネルギー吸収性や振動吸収性に優れ、更に、金属特有の優れたリサイクル性をも有している、３）本発明は、従来の製法（精密鋳造法、メッキ法、溶湯発泡法等）では困難であった１ｍｍ以下の微細空隙を有するポーラス金属を、比較的容易な手法により作製することを可能とする、４）板厚が数ｍｍのポーラス薄板の製造を可能とする、５）そのため、本発明は、その工業的意義と産業上の利用可能性は非常に大きなものがある、という格別の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るポーラス金属丸棒を製造するためのプロセスを示す。
【図２】本発明に係る複雑形状ポーラス金属成形品を製造するためのプロセスを示す。
【図３】本発明に係るポーラス金属薄板を製造するためのプロセスを示す。
【図４】本発明に係わるポーラス金属細線を製造するためのプロセスを示す。
【図５】本発明に利用した純アルミニウム製金属容器とその内部に封入したアルミニウム合金粉末及び不活性ガスについての説明図である。
【図６】加熱保持前の押出し材の内部組織（ａ）と、６３０℃で７２時間加熱保持後の押出し材の内部組織（ｂ）を示す。
【図７】本発明の方法によって作製されたポーラスアルミニウム合金の単位面積当たりの空隙サイズ分布を示す。
【図８】４６０℃で２４時間加熱保持後の押出し材の内部組織（ａ）と、６３０℃で７２時間加熱保持後の押出し材の内部組織（ｂ）を示す。

Claims

塑性加工が可能な金属製容器内に１種類以上の成分を含む金属粉末を１気圧以上の気体とともに密閉し、これを高温で加圧して塑性加工することにより金属粉末を焼結するとともに気体を縮小し、次いで、その高圧気体を含んだ焼結体を固液二相状態まで加熱し、固液二相状態で気体の体積を膨脹させて空隙を発生させることを特徴とするポーラス金属の製造方法。
金属粉末が、アルミニウム、鉄、チタン、銅、マグネシウム、錫、亜鉛、ニッケル、コバルト、タングステン、又はモリブデンのいずれかの合金であることを特徴とする請求項１に記載のポーラス金属の製造方法。
金属粉末を封入する金属容器が、アルミニウム、鉄、チタン、銅、マグネシウム、錫、亜鉛、ニッケル、コバルト、タングステン、又はモリブデンのいずれかの合金であることを特徴とする請求項１に記載のポーラス金属の製造方法。
金属製容器内に密閉する気体が、窒素、アルゴン、又はヘリウムのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のポーラス金属の製造方法。
金属製容器を熱間押出し、プレス、鍛造、静水圧加圧、引き抜き、又は圧延のいずれかで高温加圧することを特徴とする請求項１に記載のポーラス金属の製造方法。
高圧気体を含んだ焼結体を金型に挿入し、固液二相状態まで加熱することにより成形体とすることを特徴とする請求項１に記載のポーラス金属の製造方法。
高圧気体を含んだ焼結体を圧延した後、固液二相状態まで加熱することにより成形体とすることを特徴とする請求項１に記載のポーラス金属の製造方法。
空孔の平均直径が５０μｍから５００μｍであり、空隙率が少なくとも６０％であるポーラス金属を製造することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のポーラス金属の製造方法。
１ｍｍ以下の空隙を有し、空隙率が少なくとも６０％であるポーラス金属成形体を製造する、請求項１から７のいずれかに記載のポーラス金属の製造方法。