JP4694439B2 - 多孔質金属の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は多孔質金属の製造方法に関する。

多孔質金属は、その表面および内部に、小さいものでは数十ｎｍ、大きいものでは数ｍｍの穴（気孔）が形成され、その体積に占める気孔の割合（気孔率）が大きくなるにつれて体積あたりの質量は低下し、例えば、気孔率が３０％の体積あたりの質量は、気孔がないバルク金属の質量の７０％となる。

この多孔質金属の中の気孔は外部から衝撃が加わることにより押し潰され、その際に衝撃エネルギーを吸収する。そのため、この多孔質金属は軽量な衝撃吸収材として、自動車のバンパー等への適用が期待される。

また、その気孔率を高めると、多孔質金属中に個々に独立していた気孔が接触し、それらが連結する。気孔が互いに連結すれば、その多孔質金属の一方から他方に流体を流動させることができる。この連結した気孔の内壁に触媒を担持させると、この気孔の中を流体が流動する間に触媒反応が生じ、いわゆる触媒フィルタとして機能させることができる。

その他にも、防音防振材、断熱材への適用や、多孔質金属表面の凹凸による投錨効果を利用した材料間の密着性向上も期待されている。

このような広い利用が望まれる多孔質金属を作るべく、金属内に気孔を生じさせるには、例えば、多孔質金属の原料となる金属粉末と、高温で分解消失するバインダ樹脂とを混ぜて混合体とし、それを型枠に充填して焼結する製造方法がある。

この製造方法は、焼結時に金属粉末同士の接触部が溶融して結合し、この金属粉末間に充填されたバインダ樹脂が分解消失してその部分が気孔となる。つまり、初めに混合したバインダ樹脂の比率がそのまま気孔率となるので、金属粉末とバインダ樹脂の混合比率で気孔率を調整できる。また、この金属粉末とバインダ樹脂とを焼結前に均一に混合すれば、その全体が一様な気孔率の多孔質金属とし得る。

しかし、この製造方法は、混合したバインダ樹脂が焼結中に完全に分解消失せずに多孔質金属内に残留し、この多孔質金属の特性が劣化することが懸念される。また、金属粉末とバインダ樹脂との混合体は、熱処理炉の中で焼結されるため、その圧縮成形体の最大サイズは熱処理炉のサイズで制限され、熱処理炉のサイズを超える多孔質金属は製造できない。このため、この多孔質金属を防音パネル等に用いる場合、大型の多孔質金属が必要なので、この多孔質金属を接合して大型化する必要がある。

一般的に、２つの部材を接合して大型化するには、その部材の面同士を密接して接着剤や溶接等で接合する。しかし、多孔質金属の表面には多数の気孔が露出しているので、気孔露出面同士を対向しても、実際に両者が密接している面積は非常に小さく、十分な接合強度を得ることが難しい。また、多孔質金属同士を溶接すると、その熱により溶接界面近傍で溶融が生じ、その部分で気孔が消失するため、消失した気孔の体積に相当する多孔質金属の体積が減少し、溶接部分における寸法精度が劣化する恐れがある。

このように、一般的には接合が困難な多孔質金属同士、または多孔質金属と非多孔質金属とを接合するために、両者の接合面が密着するように圧力を負荷し、その接合面にこの多孔質金属と同種の金属を供給し、レーザ溶接により接合する技術が提案されている（特許文献１ 段落番号００１９〜００２８参照）。
この技術は、例えば、多孔質ステンレスと非多孔質のバルクステンレスとを接合する場合、これらの接合面に５〜２０ｋＰａの圧力を負荷し、この接合面に高マンガン系のオーステナイト鋼を供給して、良好な接合強度を得るようにしている。
特開２００１−２７６５８２号公報

その他に、一つの部材中に多孔質部分と非多孔質部分を作り分ける技術も提案されている（特許文献２ 図１参照）。
この技術は、アルミニウム合金を片方の電極としてアーク放電を発生させ、そのアーク放電中に水素を予め含有したアルミニウム合金粉末を供給して、アルミニウム合金表面に堆積させ、そのアルミニウム合金中の水素をアーク放電中でガス化し、そのガスがアーク放電で溶融したアルミニウム合金中に取り込まれて、気孔を形成し、アーク放電を行った場所のみ、部分的に多孔質アルミニウム層が形成される。
特開２００４−１１４０５４号公報

特許文献１に示す技術は、その接合工程で２つの部材の接合面に圧力を負荷する際に、各部材の一部を治具等で挟んで両者を固定する。しかし、その部材が小さかったり、挟む箇所の形状が複雑であったりすると、その部材同士をしっかりと挟むことができなかったり、挟む際の圧力によってその部材が変形・破損したりする恐れがある。このため、そのような恐れが問題となる場合は、この技術を適用できない。

特許文献２に示す技術は、アーク放電中に、予め水素を含有したアルミニウム合金粉末を供給するため、そのアルミニウム合金粉末のコストが高くつく上、所定量のアルミニウム合金粉末をアーク放電中に安定して供給するのが煩わしく、また、均一な多孔質材料を得るために、溶接の向きも制限される。

また、多孔質部分が供給した粉末の体積分だけ盛り上がり、多孔質化した部分と非多孔質化部分との間の段差が非常に大きい。さらに、このように製造されたアルミニウム多孔質体は、多孔質体と非多孔質体の複合体ではあるが、多孔質体の形成位置や多孔質または非多孔質部分の深さ等の制御が非常に困難であり、多孔質化の後、機械加工する必要がある。

この発明は、このような現状に鑑み、簡便に多孔質化を図ると共に、所定位置において所定深さまで多孔質化することができ、多孔質化した部材同士の接合が簡単にできるようにすることを課題とする。

上記の課題を解決するため、この発明は、金属粉末を所定形状の成形体に成形し、その成形体の所定位置にアーク放電、レーザ照射、プラズマ照射の少なくとも一つの加熱処理を行い、その成形体の所定位置において所定深さまで溶融することとしたのである。

上記成形体の成形方法の一つとして、金属粉末を圧縮、または焼結する工程を経て所定形状の成形体とする方法が適用できる。

上記圧縮工程は、例えば圧縮成形であり、上記金属粉末を型枠に充填し、この金属粉末を加圧して押し固めて成形体、またはビレットとする。この成形体、またはビレットの中に残存する気孔の量は、押し固める際の圧力の大きさを変えることで調節でき、気孔率を低下させる場合は加圧力を増大させる。この圧縮成形において、必ずしも加熱する必要はないが、加熱することにより金属粉末中の気孔が型枠の外に抜けやすくなるので、より短時間で成形を完了できる。なお、圧縮工程として、金属粉末を所定の温度に加熱した後に、この粉末を押出装置のコンテナに充填し、これを加圧して、所定形状および寸法の成形体に押出成形してもよい。

また、上記焼結工程は、例えば焼結成形であり、この金属粉末を型枠に充填して、この金属の融点に至らない程度の高温まで昇温し、一般的には数時間加熱して成形体、またはビレットとする。この加熱の際、この金属粉末への加圧の有無は、所望の気孔率によって適宜選択され、圧縮成形と同様、気孔率を低下させる場合は加圧力を増大させる。

この焼結は、圧縮成形と異なり、隣接する金属粉末の接触部分が一部溶融し、それを室温に冷却すると固化し、隣接する金属粉末が連結して一体化する。そのため、金属粉末を単に押し固めた圧縮成形の場合と比較して、その成形体の機械強度は増しており、その成形体が衝撃等で破損する恐れが少ない。

上記圧縮成形または焼結成形で得られたビレットを所定の温度に加熱した後に、このビレットを押出装置のコンテナに充填し、所定形状と寸法の成形体に押出成形する。このようにして得られた成形体は強度が高く、また、その形状と寸法は押出成形の際に用いる金型を交換することで自在に変えることができる。

このようにして得られた成形体の中には微細な気孔が高密度に残存し、続く加熱処理によってこの成形体の所定位置において所定深さまで溶融し、その溶融時に、この微細な気孔が表面エネルギーを低下するために凝集して、巨視的な気孔となって、効率よく多孔質化がなされる。

この発明によると、多孔質化する部分に新たに金属粉末を供給することなく、上記成形体の所定位置において所定深さまで直接アーク放電等で加熱処理を行ない、その部分のみを多孔質化するので、加熱処理を行った多孔質部分と、加熱処理を行わなかった非多孔質化部分との間の段差が小さい。また、非多孔質部分には微細な気孔が高密度に残存しているが、その気孔によって成形体の表面はほとんど荒れない（粗面とならない）。

上記加熱処理を上記成形体の周縁部以外に施すと、周縁部は非多孔質部が残存し、平坦な表面状態が維持される。この成形体を複数枚並べて、その周縁部の端面で突き合わせると、それらを溶接、または機械的手法により接合することができる。この接合が溶接による場合、接合箇所が溶接時に溶融して多孔質化するため、接合後の成形体全体を多孔質化することができる。

この発明の実施形態としては、金属粉末を圧縮、または焼結工程を経て所定形状の成形体に成形し、その成形体に加熱処理を施してその所定位置において所定深さまで溶融し、溶融部内の微細な気孔を凝集させて巨視的な気孔とする構成を採用する。

加熱手段としては、アーク放電、レーザ照射、プラズマ照射から選択するのが好ましい。これらの方法は、発生した熱を所望の位置に集中して照射できるので、電圧、電流等を調整すれば、容易に成形体の溶融部の溶融範囲、深さ及び凝固速度を制御できる点で優れている。これらの方法と同等に、簡便に成形体の溶融部の溶融範囲、深さ及び凝固速度が制御できるのであれば、その加熱方法はこれらに限定されない。

上記金属粉末として、マグネシウム、アルミニウム、チタンを採用できる。これらの金属は比強度が高いので軽量化と高強度を両立できる。また、それらに各種の金属を添加した合金も同様に軽量化と高強度を両立できる。その際、添加する各元素は、添加による機械強度等の諸特性の向上を考慮して適宜に選択する。

そのマグネシウム合金は、例えば、機械強度向上のためにアルミニウム、亜鉛を、耐食性向上のためにマンガンを、耐熱性向上のためにイットリウム、カルシウム、ストロンチウム、銀、珪素、希土類元素を、結晶粒の微細化のためにジルコニウムを、酸化防止のためにベリリウム、カルシウムを各々添加したものとする。これらの各元素は前記諸特性の向上のために複数組み合わせて添加することもできる。

アルミニウム合金は、例えば、機械強度向上のために銅、マンガン、珪素、マグネシウム、亜鉛、ニッケルを添加したものとする。これらの各元素も複数組み合わせて添加することもできる。

チタン合金は、例えば、耐食性向上のためにパラジウムを、耐熱性向上のためにアルミニウム、錫を、延性向上のためにバナジウムを、冷間加工性と機械強度の向上のためにバナジウム、クロム、錫、アルミニウムを各々添加したものとする。これらの各元素も同様に前記諸特性の向上のために複数組み合わせて添加することもできる。

上記圧縮成形で金属粉末をビレットとする場合、型枠から取り出した際にこのビレットが破損しないように、金属粉末への負荷圧力は１００ＭＰａ以上であることが望ましい。

また、上記焼結成形で金属粉末をビレットとする場合、その焼結条件は、合金の種類により異なり、マグネシウム合金は４００〜５００℃、アルミニウム合金は５００〜６５０℃、チタン合金は９００〜１３００℃の各温度範囲で、各々０．１〜１時間熱処理される。この処理で隣接する金属粉末の接触部分が一部溶融し、それを室温に冷却すると溶融部分が固化し、隣接する金属粉末が連結して一体化する。そのため、成形体の強度が向上し、焼結処理後の加熱処理においてこの焼結体が破損する恐れが少ない。この焼結を加圧下で行うと、大気圧下で行った場合と比べて、その気孔率をより低下することができる。

上記ビレットを押出成形して成形体とするには、このビレットを３００℃以上に加熱して押出装置のコンテナに充填し、このビレットに１００ｋｇ／ｃｍ^２以上の圧力を負荷して、このコンテナからビレットを押し出す。

上記ビレットが押出成形時に破損するのを防止するため、圧縮成形または焼結成形でビレットを作製するのが好ましいが、上記押出装置のコンテナに金属粉末を直接、連続的に供給して、その金属粉末に加圧・加熱処理を施し、この押出装置内で直接ビレットを形成して、これを押出成形することもできる。

この成形体にアーク放電等の加熱処理を行うと、成形体の所定位置において所定深さまで溶融し、この溶融領域中に残存していた上記気孔が凝集する。この気孔は金属粉末と同等の大きさ以下で非常に微細であるが、この微細な気孔が多数凝集すると、最大で直径が数百μｍ程度の巨視的な気孔となり、この巨視的な気孔が表面の溶融層に取り込まれて固化し、多孔質層が形成される。

上記金属粉末の表面に水酸化物被膜を形成すると、この金属粉末からなる成形体は水酸化物が全域に均一に分散されたものとなり、その成形体にアーク放電等の加熱処理を行うことにより、成形体の中に均一に分散した水酸化物が、この加熱に伴い分解して水素ガスとなり、この水素ガスは表面の溶融層に取り込まれて気孔を形成する。

このため、この溶融層には、この水素ガスに起因する気孔と、上記隙間が凝集した気孔とが同時に取り込まれるので、アーク放電等の加熱処理の条件が同一であれば、金属粉末の表面に水酸化物被膜を形成した場合、しなかった場合と比較して気孔率が高くなる。

上記気孔のサイズおよび気孔率は、例えば、加熱時の入熱量を大きくすると、成形体の表面からより深い領域まで溶融し、その溶融領域中の上記隙間が気孔に取り込まれるので、気孔のサイズは増大し、気孔率も高くなる。また、冷却時の冷却速度が小さいと、成形体の表面層が溶融している間に、その溶融した領域から気孔が大気中に放出され、溶融した表面層の中の気孔率が低くなる。

特にサイズの大きな気孔は溶融した領域からの浮上速度が大きいので、小さい気孔が溶融した領域に主に残存し、気孔の平均サイズは低下する。このような加熱条件およびその後の冷却条件を考慮して気孔のサイズおよび気孔率は調節する。

上記水酸化物被膜は、１０〜４０℃の大気中で１日〜２週間、または、１００〜１２０℃の水蒸気中で１〜５分間処理することで形成される。この温度以上の高温で処理すると、表面に酸化物被膜が形成され、この酸化物被膜は上記加熱処理で分解せずガスを発生しないので、多孔質層の形成に寄与しない。また、これ以下の温度で処理しても水酸化物被膜が形成され難く、その形成効率が低い。そのため、水酸化物被膜の形成は、この温度領域で行う必要がある。

この発明によると、加熱処理が施された多孔質金属の表面は大きな段差が形成されず、平坦性が維持されているが、その多孔質金属の用途によっては、その多孔質部分に意図的に段差を設けたい場合も生じることが想定される。その場合、多孔質化のための加熱処理の途中で、そのアーク放電等の中に、ワイヤー状や棒状のフィラーを連続的に供給すれば、そのフィラーが溶融してその多孔質部の表面に段差を形成できる。また、２つの部材間に隙間がある場合の溶接や部分的に部材を肉厚にして機械強度を確保するための肉盛溶接も同時にできる。

従来例のように水素を予め含有したアルミニウム合金粉末等の多孔質化用物質を供給することなく、直接成形体の表面を加熱処理した。

図１にこの発明の一実施例における多孔質金属Ａの断面写真を示し、また図２に、この多孔質金属Ａの断面の光学顕微鏡写真を示す。この成形体は、粒径が５ｍｍ以下のマグネシウム合金（ＡＺ３１Ｄ：Ｍｇ−３ｗｔ％Ａｌ−１ｗｔ％Ｚｎ）粉末を型枠に充填し、温度が３００℃、圧力が４００ＭＰａの処理条件で圧縮成形してビレットとした後、そのビレットを４００℃で押出成形したもので、その成形体の表面に半導体レーザ(出力４ｋＷ)を４ｍ／分の走査速度でこの成形体の表面を走査して照射した。

上記マグネシウム合金の溶融温度は約６００℃であり、このレーザ照射において、上記成形体の表面から数ｍｍの深さまで６００℃以上に加熱され、その領域が溶融する。この溶融した領域に存在する気孔が凝集して巨視的な気孔となり、多孔質化される。凝集した気孔のサイズは０．１〜０．５ｍｍ程度であり、これらが表面に露出するので、この成形体の表面が粗化される。表面が粗化されると、この成形体の表面に樹脂層等を形成する際に投錨効果が発現するので、この成形体と樹脂層等との間の密着性が向上する。

上記レーザ照射の条件を調節して、さらに深い領域まで多孔質層とし、多孔質体中の気孔の総数を増やすことができる。この気孔は外部から衝撃が加わった際にそれらが潰れ、その衝撃のエネルギーを効率的に吸収するので、この多孔質体を衝撃吸収材として用いることができる。

この発明の一実施例における断面写真 この発明の一実施例における光学顕微鏡の断面写真

符号の説明

Ａ 多孔質金属
１ 気孔
２ 金属母相部

Claims (2)

1. 金属粉末の表面に水酸化物被膜を形成し、この金属粉末を圧縮成形、または焼結成形によりビレットとし、このビレットを押出成形して所定形状の成形体とし、前記成形体の表面の所定の位置をアーク放電、レーザ照射、プラズマ照射の少なくとも一つの加熱手段で集中して加熱し、所定深さまで溶融し、その溶融層内の微細な気孔を凝集させて巨視的な気孔とし、前記所定位置が、前記巨視的な気孔が前記溶融層に取り込まれて固化し得る冷却速度以上の速度で冷却されるようにした多孔質金属の製造方法。
2. 請求項１記載の製造方法によって製造される多孔質金属の周縁部のみを非多孔質領域とし、前記多孔質金属同士をその周縁部端面で突き合わせ、その周縁部端面を溶接して連結するとともに、前記周縁部の接合箇所を多孔質化した多孔質金属の製造方法。