JP7848802B2 - Method for manufacturing a porous metal and a porous metal - Google Patents
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Description
本開示は、金属多孔体の製造方法及び金属多孔体に関する。本出願は、2021年7月5日に出願した日本特許出願である特願2021-111516号に基づく優先権、および、2021年11月24日に出願した日本特許出願である特願2021-190099号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。This disclosure relates to a method for manufacturing a porous metal and to a porous metal. This application claims priority under Japanese Patent Application No. 2021-111516, filed on 5 July 2021, and under Japanese Patent Application No. 2021-190099, filed on 24 November 2021. All contents contained in said Japanese Patent Application are incorporated herein by reference.
従来から金属多孔体は、気孔率が高く、もって表面積が大きいことから、電池用電極、触媒担持体、金属複合材、フィルターなどの様々な用途に利用されている。Traditionally, porous metal materials have been used in a variety of applications, such as battery electrodes, catalyst supports, metal composites, and filters, due to their high porosity and thus large surface area.
本開示の一態様に係る金属多孔体の製造方法は、
金属材料から構成されている金属多孔体の製造方法であって、
支持粉末を含む成形体及び上記金属材料を準備する工程と、
上記成形体の少なくとも一部が上記金属材料に接した状態で、上記金属材料の融点以上上記支持粉末の融点以下の加熱温度で、5分間以上維持し、上記金属材料が上記成形体中に溶浸した複合成形体を生成する工程と、
上記複合成形体の少なくとも一部を第一の溶媒に接触させて、上記複合成形体から少なくとも一部の上記支持粉末を除去し、上記金属多孔体を得る工程と、を含み、
上記金属材料は、アルミニウムを含有する第一の金属成分を含み、
上記成形体の相対密度は、50%以上99.9%以下である。
A method for manufacturing a porous metal according to one aspect of this disclosure is:
A method for manufacturing a porous metal body composed of a metal material,
A step of preparing a molded body containing support powder and the above-mentioned metal material,
A step of producing a composite molded body in which at least a portion of the molded body is in contact with the metal material, and the heating temperature is maintained for 5 minutes or more at a temperature above the melting point of the metal material and below the melting point of the support powder, thereby dissolving the metal material into the molded body.
The process includes bringing at least a portion of the composite molded body into contact with a first solvent to remove at least a portion of the support powder from the composite molded body and obtain the porous metal body.
The above metal material contains a first metal component containing aluminum,
The relative density of the above molded product is between 50% and 99.9%.
本開示の一態様に係る金属多孔体は、
アルミニウムを含有する金属本体から構成されている金属多孔体であって、
気孔率が50%以上であり、
圧縮強度が0.5MPa以上である。
A porous metal according to one aspect of this disclosure is:
A porous metal body composed of a metal body containing aluminum,
Porosity is 50% or more,
The compressive strength is 0.5 MPa or higher.
本開示の他の態様に係る金属多孔体は、上記金属多孔体の製造方法によって製造された金属多孔体である。A porous metal according to another aspect of this disclosure is a porous metal manufactured by the above-described method for manufacturing a porous metal.
[本開示が解決しようとする課題]
このような金属多孔体の製造方法としては、たとえば特開2013-237882号公報(特許文献1)において、アルミニウム粉末と、粒径がアルミニウム粉末の10倍以上の支持粉末とを、アルミニウム粉末:支持粉末=3:7~1:19の体積比で混合する混合工程と、混合した混合粉末を圧延する圧延工程と、混合粉末の圧延体を前記アルミニウム粉末の融点より高い温度で熱処理する熱処理工程と、熱処理した圧延体から前記支持粉末を除去して空隙を形成する支持粉末除去工程と、を含むことを特徴とする多孔質アルミニウムの製造方法が開示されている。
[Issues this disclosure aims to address]
As a method for manufacturing such a porous metal body, for example, Japanese Patent Application Publication No. 2013-237882 (Patent Document 1) discloses a method for manufacturing porous aluminum, which includes a mixing step of mixing aluminum powder and support powder having a particle size 10 times or more that of the aluminum powder in a volume ratio of aluminum powder:support powder = 3:7 to 1:19; a rolling step of rolling the mixed powder; a heat treatment step of heat treating the rolled body of the mixed powder at a temperature higher than the melting point of the aluminum powder; and a support powder removal step of removing the support powder from the heat-treated rolled body to form voids.
このように多孔質アルミニウム等の金属多孔体は様々なものが知られているが、これを構造部材、又は電池用電極の集電体として用いる場合、金属多孔体の強度又は脆性を調整する等、更なる改善の余地がある。As described above, various porous metal materials such as porous aluminum are known, but when using them as structural members or current collectors for battery electrodes, there is room for further improvement, such as adjusting the strength or brittleness of the porous metal material.
本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであり、優れた脆性及び優れた圧縮強度を有する金属多孔体の製造方法、及び上記金属多孔体を提供することを目的とする。This disclosure is made in view of the above circumstances and aims to provide a method for manufacturing a porous metal having excellent brittleness and excellent compressive strength, and the porous metal itself.
[本開示の効果]
上記によれば、優れた脆性及び優れた圧縮強度を有する金属多孔体の製造方法、及び上記金属多孔体を提供することができる。
[Effects of this disclosure]
According to the above, a method for manufacturing a porous metal having excellent brittleness and excellent compressive strength, and the porous metal described above can be provided.
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
[1]本開示の一態様に係る金属多孔体の製造方法は、
金属材料から構成されている金属多孔体の製造方法であって、
支持粉末を含む成形体及び上記金属材料を準備する工程と、
上記成形体の少なくとも一部が上記金属材料に接した状態で、上記金属材料の融点以上上記支持粉末の融点以下の加熱温度で、5分間以上維持し、上記金属材料が上記成形体中に溶浸した複合成形体を生成する工程と、
上記複合成形体の少なくとも一部を第一の溶媒に接触させて、上記複合成形体から少なくとも一部の上記支持粉末を除去し、上記金属多孔体を得る工程と、を含み、
上記金属材料は、アルミニウムを含有する第一の金属成分を含み、
上記成形体の相対密度は、50%以上99.9%以下である。このような特徴を有する金属多孔体の製造方法は、優れた脆性及び優れた圧縮強度を有する金属多孔体を製造することができる。
[Description of Embodiments in this Disclosure]
First, the embodiments of this disclosure will be listed and described.
[1] A method for manufacturing a porous metal according to one aspect of the present disclosure is:
A method for manufacturing a porous metal body composed of a metal material,
A step of preparing a molded body containing support powder and the above-mentioned metal material,
A step of producing a composite molded body in which at least a portion of the molded body is in contact with the metal material, and the heating temperature is maintained for 5 minutes or more at a temperature above the melting point of the metal material and below the melting point of the support powder, thereby dissolving the metal material into the molded body.
The process includes bringing at least a portion of the composite molded body into contact with a first solvent to remove at least a portion of the support powder from the composite molded body and obtain the porous metal body.
The above metal material contains a first metal component containing aluminum,
The relative density of the above molded article is between 50% and 99.9%. A method for manufacturing a porous metal having these characteristics can produce a porous metal having excellent brittleness and excellent compressive strength.
[2]上記第一の金属成分は、純アルミニウム又はアルミニウム合金であることが好ましい。このような特徴を有する金属多孔体の製造方法は、優れた脆性及び優れた圧縮強度に加えて、優れた耐食性を有する金属多孔体を製造することができる。[2] The first metal component is preferably pure aluminum or an aluminum alloy. A method for manufacturing a porous metal having these characteristics can produce a porous metal having excellent corrosion resistance in addition to excellent brittleness and excellent compressive strength.
[3]上記アルミニウム合金は、ケイ素、マグネシウム、鉄、銅、マンガン、クロム、亜鉛、ジルコニウム及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含むことが好ましい。このような特徴を有する金属多孔体の製造方法は、耐熱性に優れる金属多孔体を製造することができる。[3] The above aluminum alloy preferably contains at least one element selected from the group consisting of silicon, magnesium, iron, copper, manganese, chromium, zinc, zirconium, and boron. A method for producing a porous metal having such characteristics can produce a porous metal with excellent heat resistance.
[4]上記金属材料は、第二の金属成分を更に含み、
上記第二の金属成分は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、クロム及びベリリウムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含むことが好ましい。このような特徴を有する金属多孔体の製造方法は、上記金属材料と上記支持粉末とのぬれ性が向上し、更に優れた脆性及び更に優れた圧縮強度を有する金属多孔体を製造することができる。
[4] The above metal material further contains a second metal component,
The second metal component described above preferably contains at least one element selected from the group consisting of titanium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, chromium, and beryllium. A method for producing a porous metal having these characteristics improves the wettability between the metal material and the support powder, and allows for the production of a porous metal having even better brittleness and even better compressive strength.
[5]上記第二の金属成分は、純チタンであることが好ましい。このような特徴を有する金属多孔体の製造方法は、上記金属材料と上記支持粉末とのぬれ性が向上し、更に優れた脆性及び更に優れた圧縮強度を有する金属多孔体を製造することができる。[5] The second metal component is preferably pure titanium. A method for producing a porous metal having these characteristics improves the wettability between the metal material and the support powder, and allows for the production of a porous metal having even better brittleness and even better compressive strength.
[6]上記支持粉末は、イオン性化合物であることが好ましい。このような特徴を有する金属多孔体の製造方法は、支持粉末が第一の溶媒に溶けやすいため、製造効率が向上する。[6] The support powder is preferably an ionic compound. A method for producing a porous metal body having these characteristics improves production efficiency because the support powder is easily soluble in the first solvent.
[7]上記イオン性化合物は、塩化ナトリウム、塩化カリウム、及び硫酸マグネシウムからなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましい。このような特徴を有する金属多孔体の製造方法は、支持粉末が第一の溶媒に溶けやすいため、製造効率が向上する。[7] The above ionic compound preferably contains at least one selected from the group consisting of sodium chloride, potassium chloride, and magnesium sulfate. A method for producing a porous metal having these characteristics improves production efficiency because the support powder is easily soluble in the first solvent.
[8]上記成形体は、第三の金属成分を更に含み、
上記第三の金属成分は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、クロム及びベリリウムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含むことが好ましい。このような特徴を有する金属多孔体の製造方法は、上記金属材料と上記支持粉末とのぬれ性が向上し、更に優れた脆性及び更に優れた圧縮強度を有する金属多孔体を製造することができる。
[8] The molded body further contains a third metal component,
The third metal component described above preferably contains at least one element selected from the group consisting of titanium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, chromium, and beryllium. A method for producing a porous metal having these characteristics improves the wettability between the metal material and the support powder, and allows for the production of a porous metal having even better brittleness and even better compressive strength.
[9]上記第三の金属成分は、純チタン、水素化チタン又は窒化チタンであることが好ましい。このような特徴を有する金属多孔体の製造方法は、上記金属材料と上記支持粉末とのぬれ性が向上し、更に優れた脆性及び更に優れた圧縮強度を有する金属多孔体を製造することができる。[9] The third metal component is preferably pure titanium, titanium hydride, or titanium nitride. A method for producing a porous metal having these characteristics improves the wettability between the metal material and the support powder, and allows for the production of a porous metal having even better brittleness and even better compressive strength.
[10]本開示の一態様に係る金属多孔体は、上記金属多孔体の製造方法によって製造された金属多孔体である。このような特徴を有する金属多孔体は、優れた脆性及び優れた圧縮強度を有する。[10] A porous metal according to one aspect of the present disclosure is a porous metal manufactured by the above-described method for manufacturing a porous metal. A porous metal having such characteristics has excellent brittleness and excellent compressive strength.
[11]本開示の他の態様に係る金属多孔体は、
アルミニウムを含有する金属本体から構成されている金属多孔体であって、
気孔率が50%以上であり、
圧縮強度が0.5MPa以上である。
このような特徴を有する金属多孔体は、優れた脆性及び優れた圧縮強度を有する。
[11] A porous metal according to another aspect of the present disclosure is
A porous metal body composed of a metal body containing aluminum,
Porosity is 50% or more,
The compressive strength is 0.5 MPa or higher.
Porous metal materials possessing these characteristics exhibit excellent brittleness and superior compressive strength.
[本願発明の実施形態の詳細]
以下、本開示の一実施形態(以下、「本実施形態」とも記す。)について説明する。ただし、本実施形態はこれに限定されるものではない。本明細書において「A~Z」という形式の表記は、範囲の上限下限(すなわちA以上Z以下)を意味する。Aにおいて単位の記載がなく、Zにおいてのみ単位が記載されている場合、Aの単位とZの単位とは同じである。
[Details of the Embodiment of the Present Invention]
Hereinafter, one embodiment of the present disclosure (hereinafter also referred to as "this embodiment") will be described. However, this embodiment is not limited thereto. In this specification, the notation in the form of "A to Z" means the upper and lower limits of a range (i.e., A or greater and Z or less). If no unit is specified for A, but a unit is specified only for Z, the unit for A and the unit for Z are the same.
≪金属多孔体の製造方法≫
本実施形態に係る金属多孔体の製造方法は、金属材料から構成されている金属多孔体の製造方法であって、
支持粉末を含む成形体及び上記金属材料を準備する工程と、
上記成形体の少なくとも一部が上記金属材料に接した状態で、上記金属材料の融点以上上記支持粉末の融点以下の加熱温度で、5分間以上維持し、上記金属材料が上記成形体中に溶浸した複合成形体を生成する工程と、
上記複合成形体の少なくとも一部を第一の溶媒に接触させて、上記複合成形体から少なくとも一部の上記支持粉末を除去し、上記金属多孔体を得る工程と、を含み、
上記金属材料は、アルミニウムを含有する第一の金属成分を含み、
上記成形体の相対密度は、50%以上99.9%以下である。上記金属多孔体の構造、組成については後述する。
≪Method for manufacturing porous metal materials≫
The method for manufacturing a porous metal according to this embodiment is a method for manufacturing a porous metal composed of a metal material,
A step of preparing a molded body containing support powder and the above-mentioned metal material,
A step of producing a composite molded body in which at least a portion of the molded body is in contact with the metal material, and the heating temperature is maintained for 5 minutes or more at a temperature above the melting point of the metal material and below the melting point of the support powder, thereby dissolving the metal material into the molded body.
The process includes bringing at least a portion of the composite molded body into contact with a first solvent to remove at least a portion of the support powder from the composite molded body and obtain the porous metal body.
The above metal material contains a first metal component containing aluminum,
The relative density of the above molded body is between 50% and 99.9%. The structure and composition of the above porous metal will be described later.
<支持粉末を含む成形体及び金属材料を準備する工程>
本工程では、支持粉末を含む成形体及び金属材料を準備する。
<Process for preparing a molded body containing support powder and metal material>
In this process, a molded body containing support powder and a metal material are prepared.
(金属材料)
本実施形態において「金属材料」とは、上記金属多孔体を構成する金属又は合金の提供源となる単体金属、合金又は金属含有化合物(例えば、水素化物、窒化物等)を意味する。上記金属材料は、アルミニウムを含有する第一の金属成分を含む。
(metallic material)
In this embodiment, "metallic material" means a single metal, alloy, or metal-containing compound (e.g., hydride, nitride, etc.) that serves as the source of the metal or alloy constituting the porous metal body. The metallic material includes a first metallic component containing aluminum.
上記第一の金属成分は、上記金属材料の主相(主成分)を構成する。本実施形態の一側面において、上記金属材料は、アルミニウムを含有する主相を含むと把握することもできる。ここで、「第一の金属成分」とは、単体金属及び合金を含む概念である。上記金属材料の形状は、特に制限されず、例えば、四角柱状及び円柱状等の金属塊の状態であってもよいし、粉末状であってもよいし、金属片の状態であってもよい。また、上記金属材料は、溶融状態(液状)であってもよい。酸化皮膜の生成を抑制する観点から、上記金属材料の形状は、金属塊の状態であることが好ましい。The first metallic component described above constitutes the main phase (main component) of the metallic material. In one aspect of this embodiment, the metallic material can also be understood as containing an aluminum-containing main phase. Here, "first metallic component" is a concept that includes elemental metals and alloys. The shape of the metallic material is not particularly limited and may be, for example, in the form of a metal lump such as a rectangular prism or a cylindrical shape, or it may be in the form of a powder or metal chips. The metallic material may also be in a molten state (liquid). From the viewpoint of suppressing the formation of an oxide film, the shape of the metallic material is preferably in the form of a metal lump.
上記第一の金属成分の含有割合は、上記金属材料を基準として、50質量%以上100質量%以下であることが好ましく、55質量%以上99.8質量%以下であることがより好ましく、55質量%以上99質量%以下であることが更に好ましい。The content ratio of the above-mentioned first metal component is preferably 50% by mass or more and 100% by mass or less, more preferably 55% by mass or more and 99.8% by mass or less, and even more preferably 55% by mass or more and 99% by mass or less, based on the above-mentioned metal material.
上記第一の金属成分は、純アルミニウム又はアルミニウム合金であることが好ましい。ここで、「純アルミニウム」とは、アルミニウム元素のみからなる金属、並びに、アルミニウム元素及び不可避不純物から構成される金属を意味する。上記不可避不純物としては、例えば、鉄、シリコン等が挙げられる。上記不可避不純物の含有割合は、純アルミアニウム全体を基準として、例えば、0.01質量%以上0.5質量%以下であってもよい。The first metal component mentioned above is preferably pure aluminum or an aluminum alloy. Here, "pure aluminum" means a metal consisting only of aluminum, and a metal consisting of aluminum and unavoidable impurities. Examples of unavoidable impurities include iron and silicon. The content of the unavoidable impurities may be, for example, 0.01% by mass or more and 0.5% by mass or less, based on the total amount of pure aluminum.
本実施形態において、「アルミニウム合金」とは、アルミニウム元素を主成分とする合金を意味する。上記アルミニウム合金は、国際合金記号における、1000系合金であってもよいし、6000系合金であってもよい。In this embodiment, "aluminum alloy" means an alloy whose main component is the element aluminum. The above aluminum alloy may be a 1000 series alloy or a 6000 series alloy in the International Alloy Symbols.
上記アルミニウム元素の含有割合は、上記アルミニウム合金を基準として、35質量%以上99.9質量%以下であることが好ましく、40質量%以上99質量%以下であることがより好ましい。The content of the above-mentioned aluminum element is preferably 35% by mass or more and 99.9% by mass or less, and more preferably 40% by mass or more and 99% by mass or less, based on the above-mentioned aluminum alloy.
本実施形態の一側面において、上記アルミニウム合金は、ケイ素、マグネシウム、鉄、銅、マンガン、クロム、亜鉛、ジルコニウム及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含むことが好ましい。In one aspect of this embodiment, the aluminum alloy preferably contains at least one element selected from the group consisting of silicon, magnesium, iron, copper, manganese, chromium, zinc, zirconium, and boron.
上記ケイ素元素の含有割合は、上記アルミニウム合金を基準として、0質量%以上20質量%以下であることが好ましく、0質量%を超えて15質量%以下であることがより好ましく、0.3質量%以上12質量%以下であることが更に好ましい。The silicon content is preferably 0% by mass or more and 20% by mass or less, more preferably greater than 0% by mass and 15% by mass or less, and even more preferably 0.3% by mass or more and 12% by mass or less, based on the above aluminum alloy.
上記マグネシウム元素の含有割合は、上記アルミニウム合金を基準として、0質量%以上5.0質量%以下であることが好ましく、0質量%を超えて3.0質量%以下であることがより好ましく、0.5質量%以上2.2質量%以下であることが更に好ましい。The magnesium content is preferably 0% by mass or more and 5.0% by mass or less, more preferably greater than 0% by mass and 3.0% by mass or less, and even more preferably 0.5% by mass or more and 2.2% by mass or less, based on the aluminum alloy.
上記鉄元素の含有割合は、上記アルミニウム合金を基準として、0質量%以上3.0質量%以下であることが好ましく、0質量%を超えて2.0質量%以下であることがより好ましく、0.2質量%以上0.7質量%以下であることが更に好ましい。The iron content is preferably 0% by mass or more and 3.0% by mass or less, more preferably greater than 0% by mass and 2.0% by mass or less, and even more preferably 0.2% by mass or more and 0.7% by mass or less, based on the above aluminum alloy.
上記銅元素の含有割合は、上記アルミニウム合金を基準として、0質量%以上6.0質量%以下であることが好ましく、0質量%を超えて5.0質量%以下であることがより好ましく、0.06質量%以上3.6質量%以下であることが更に好ましい。The copper content is preferably 0% by mass or more and 6.0% by mass or less, more preferably greater than 0% by mass and 5.0% by mass or less, and even more preferably 0.06% by mass or more and 3.6% by mass or less, based on the aluminum alloy.
上記マンガン元素の含有割合は、上記アルミニウム合金を基準として、0質量%以上4.0質量%以下であることが好ましく、0質量%を超えて2.0質量%以下であることがより好ましく、0.01質量%以上0.7質量%以下であることが更に好ましい。The manganese content is preferably 0% by mass or more and 4.0% by mass or less, more preferably greater than 0% by mass and 2.0% by mass or less, and even more preferably 0.01% by mass or more and 0.7% by mass or less, based on the above aluminum alloy.
上記クロム元素の含有割合は、上記アルミニウム合金を基準として、0質量%以上2.0質量%以下であることが好ましく、0質量%を超えて1.0質量%以下であることがより好ましく、0.01質量%以上0.2質量%以下であることが更に好ましい。The chromium content is preferably 0% by mass or more and 2.0% by mass or less, more preferably greater than 0% by mass and 1.0% by mass or less, and even more preferably 0.01% by mass or more and 0.2% by mass or less, based on the aluminum alloy.
上記亜鉛元素の含有割合は、上記アルミニウム合金を基準として、0質量%以上10.0質量%以下であることが好ましく、0質量%を超えて7.5質量%以下であることがより好ましく、0.06質量%以上5.2質量%以下であることが更に好ましい。The zinc content is preferably 0% by mass or more and 10.0% by mass or less, more preferably greater than 0% by mass and 7.5% by mass or less, and even more preferably 0.06% by mass or more and 5.2% by mass or less, based on the aluminum alloy.
上記ジルコニウム元素の含有割合は、上記アルミニウム合金を基準として、0質量%以上1.0質量%以下であることが好ましく、0質量%を超えて0.5質量%以下であることがより好ましく、0.04質量%以上0.12質量%以下であることが更に好ましい。The zirconium content is preferably 0% by mass or more and 1.0% by mass or less, more preferably greater than 0% by mass and 0.5% by mass or less, and even more preferably 0.04% by mass or more and 0.12% by mass or less, based on the aluminum alloy.
上記ホウ素元素の含有割合は、上記アルミニウム合金を基準として、0質量%以上0.5質量%以下であることが好ましく、0質量%を超えて0.1質量%以下であることがより好ましく、0質量%を超えて0.04質量%以下であることが更に好ましい。The content of the above boron element is preferably 0% by mass or more and 0.5% by mass or less, more preferably greater than 0% by mass and 0.1% by mass or less, and even more preferably greater than 0% by mass and 0.04% by mass or less, based on the above aluminum alloy.
上記金属材料は、第二の金属成分を更に含み、
上記第二の金属成分は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、クロム及びベリリウムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含むことが好ましい。ここで、「第二の金属成分」とは、単体金属、合金及び金属含有化合物(例えば、水素化物、窒化物等)を含む概念である。上記第二の金属成分は、純チタンであることがより好ましい。「純チタン」とは、チタン元素のみからなる金属、並びに、チタン元素及び不可避不純物から構成される金属を意味する。上記不可避不純物としては、例えば、鉄等が挙げられる。上記不可避不純物の含有割合は、純チタン全体を基準として、例えば、0.01質量%以上1.0質量%以下であってもよい。
The above metal material further contains a second metal component,
The second metallic component described above preferably contains at least one element selected from the group consisting of titanium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, chromium, and beryllium. Here, "second metallic component" is a concept that includes elemental metals, alloys, and metal-containing compounds (e.g., hydrides, nitrides, etc.). The second metallic component is more preferably pure titanium. "Pure titanium" means a metal consisting only of titanium, as well as a metal composed of titanium and unavoidable impurities. Examples of unavoidable impurities include iron. The content of the unavoidable impurities may be, for example, 0.01% by mass or more and 1.0% by mass or less, based on the total amount of pure titanium.
上記第二の金属成分は、上記金属材料の副相(副成分)を構成する。本実施形態の一側面において、上記金属材料は、副相を含むと把握することもできる。上記副相が上記金属材料に含まれることで、本実施形態に係る製造方法は、上記金属材料と上記支持粉末とのぬれ性が向上し、更に優れた脆性及び更に優れた圧縮強度を有する金属多孔体を製造することができる。The second metal component described above constitutes a secondary phase (sub-component) of the metal material. In one aspect of this embodiment, the metal material can also be understood as including the secondary phase. The inclusion of the secondary phase in the metal material improves the wettability between the metal material and the support powder in the manufacturing method according to this embodiment, enabling the production of a porous metal body with superior brittleness and superior compressive strength.
上記第二の金属成分の含有割合は、上記金属材料を基準として、0質量%を超えて65質量%以下であることが好ましく、0質量%を超えて50質量%以下であることがより好ましい。本実施形態の一側面において、上記第二の金属成分の含有割合は、上記金属材料を基準として、0質量%を超えて0.2質量%以下であってもよいし、0.2質量%以上50質量%以下であってもよい。上記第二の金属成分が複数の金属元素を含む場合、各金属元素の含有割合の合計が、上記第二の金属成分の含有割合となる。The content of the second metal component described above is preferably greater than 0% by mass and 65% by mass or less, and more preferably greater than 0% by mass and 50% by mass or less, based on the metal material described above. In one aspect of this embodiment, the content of the second metal component described above may be greater than 0% by mass and 0.2% by mass or less, or 0.2% by mass or more and 50% by mass or less, based on the metal material described above. If the second metal component described above contains multiple metal elements, the sum of the content percentages of each metal element becomes the content percentage of the second metal component described above.
(支持粉末を含む成形体)
本実施形態において「支持粉末」とは、上記金属多孔体の製造過程において、上記金属多孔体の構造を支持するために用いる粉末を意味する。上記支持粉末の融点は、上記金属材料の融点以上であることが好ましい。また、上記支持粉末は、イオン性化合物であることが好ましい。
(Molded body containing support powder)
In this embodiment, "support powder" refers to powder used to support the structure of the porous metal during the manufacturing process of the porous metal. The melting point of the support powder is preferably equal to or greater than the melting point of the metal material. Furthermore, the support powder is preferably an ionic compound.
上記イオン性化合物は、塩化ナトリウム、塩化カリウム、及び硫酸マグネシウムからなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましい。The above ionic compound preferably contains at least one selected from the group consisting of sodium chloride, potassium chloride, and magnesium sulfate.
上記支持粉末の平均粒径は、1μm以上5000μm以下であることが好ましく、5μm以上4000μm以下であることがより好ましい。本実施形態の一側面において、上記支持粉末の平均粒径は、5μm以上700μm以下であってもよいし、700μm以上4000μm以下であってもよい。上記支持粉末の平均粒径が1μm以上であると、液体又は気体の透過性に優れる金属多孔体を製造することが可能になる。上記支持粉末の平均粒径が5000μm以下であると、触媒を担持する能力に優れる金属多孔体を製造することが可能になる。上記支持粉末の平均粒径は、例えば、Malvern Instruments社製のモフォロギG3(商品名)で測定できる。The average particle size of the above-mentioned support powder is preferably 1 μm or more and 5000 μm or less, and more preferably 5 μm or more and 4000 μm or less. In one aspect of this embodiment, the average particle size of the above-mentioned support powder may be 5 μm or more and 700 μm or less, or 700 μm or more and 4000 μm or less. If the average particle size of the above-mentioned support powder is 1 μm or more, it becomes possible to manufacture a porous metal body with excellent permeability to liquids or gases. If the average particle size of the above-mentioned support powder is 5000 μm or less, it becomes possible to manufacture a porous metal body with excellent ability to support catalysts. The average particle size of the above-mentioned support powder can be measured, for example, with a Morphologi G3 (trade name) manufactured by Malvern Instruments.
本実施形態において、支持粉末を含む成形体の形状は、特に制限されず任意の形状とすることができる。上記成形体の形状としては、例えば、立方体状、三角柱状、四角柱状、多角柱状、円柱状、球状、シート状、円板状等が挙げられる。In this embodiment, the shape of the molded body containing the support powder is not particularly limited and can be any shape. Examples of the molded body shapes include cubes, triangular prisms, quadrangular prisms, polygonal prisms, cylinders, spheres, sheets, discs, and the like.
本実施形態における上記成形体は、例えば以下の方法により製造することができる。まず、調整した支持粉末をプレス金型で圧縮成形する。このときの圧縮条件は50MPa以上である。その後、所望の形状で成形体を作製する。The molded article in this embodiment can be manufactured, for example, by the following method. First, the prepared support powder is compressed and molded using a press die. The compression conditions at this time are 50 MPa or higher. After that, the molded article is produced in the desired shape.
上記成形体の相対密度は、50%以上99.9%以下であり、55%以上99%以下であることが好ましく、75%以上90%以下であることがより好ましい。The relative density of the above molded article is 50% to 99.9%, preferably 55% to 99%, and more preferably 75% to 90%.
上記成形体の相対密度は、以下の式から求められる。
相対密度(%)={M1/(V1×d1)}×100
M1:成形体の質量[g]
V1:成形体における外観の形状の体積[cm3]
d1:成形体を構成する物質自体の密度[g/cm3]。
The relative density of the above molded body can be calculated using the following formula.
Relative density (%) = {M 1 / (V 1 × d 1 )} × 100
M1 : Mass of the molded body [g]
V1 : Volume of the external shape of the molded body [ cm³ ]
d 1 : Density of the material constituting the molded body [g/ cm³ ].
本実施形態の一側面において、上記成形体は、第三の金属成分を更に含み、
上記第三の金属成分は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、クロム及びベリリウムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含むことが好ましい。ここで、「第三の金属成分」とは、単体金属、合金及び金属含有化合物(例えば、水素化物、窒化物等)を含む概念である。上記第三の金属成分は、純チタン、水素化チタン又は窒化チタンであることが好ましい。上記第三の金属成分は、上記第二の金属成分と同一の組成であってもよいし、上記第二の金属成分と異なる組成であってもよい。
In one aspect of this embodiment, the molded article further comprises a third metal component,
The third metallic component described above preferably contains at least one element selected from the group consisting of titanium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, chromium, and beryllium. Here, "third metallic component" is a concept that includes elemental metals, alloys, and metal-containing compounds (e.g., hydrides, nitrides, etc.). The third metallic component described above is preferably pure titanium, titanium hydride, or titanium nitride. The third metallic component described above may have the same composition as the second metallic component described above, or it may have a different composition from the second metallic component described above.
上記第三の金属成分は、上記成形体の「上記金属材料に対するぬれ性」を向上させるための添加金属を構成する。本実施形態の一側面において、上記成形体は、添加金属を含むと把握することもできる。上記添加金属が上記成形体に含まれることで、本実施形態に係る製造方法は、上記金属材料と上記支持粉末とのぬれ性が向上し、更に優れた脆性及び更に優れた圧縮強度を有する金属多孔体を製造することができる。The third metal component described above constitutes an additive metal for improving the "wettability of the molded body to the metal material." In one aspect of this embodiment, the molded body can also be understood as containing the additive metal. By including the additive metal in the molded body, the manufacturing method according to this embodiment improves the wettability between the metal material and the support powder, and enables the production of a porous metal body having even better brittleness and even better compressive strength.
上記第三の金属成分の含有割合は、上記成形体を基準として、0.1質量%以上50質量%以下であることが好ましく、1質量%以上40質量%以下であることがより好ましく、5質量%以上15質量%以下であることが更に好ましい。上記第三の金属成分が複数の金属元素を含む場合、各金属元素の含有割合の合計が、上記第三の金属成分の含有割合となる。The content of the third metal component described above is preferably 0.1% by mass or more and 50% by mass or less, more preferably 1% by mass or more and 40% by mass or less, and even more preferably 5% by mass or more and 15% by mass or less, based on the molded body. If the third metal component described above contains multiple metal elements, the sum of the content percentages of each metal element becomes the content percentage of the third metal component described above.
<金属材料が成形体中に溶浸した複合成形体を生成する工程>
本工程では、上記成形体の少なくとも一部が上記金属材料の少なくとも一部に接した状態で、上記金属材料の融点以上上記支持粉末の融点以下の加熱温度で、5分間以上維持し、上記金属材料が上記成形体中に溶浸した複合成形体を生成する。本工程を行うことで、溶融した上記金属材料が上記成形体における支持粉末の粒子と粒子との隙間に侵入(溶浸)し、上記複合成形体が生成される。
<Process for producing a composite molded body in which metal material is fused into the molded body>
In this process, at least a portion of the molded body is in contact with at least a portion of the metal material, and the heating temperature is maintained at a temperature above the melting point of the metal material and below the melting point of the support powder for at least 5 minutes, thereby generating a composite molded body in which the metal material is fused into the molded body. By performing this process, the molten metal material penetrates (fused) into the gaps between the particles of the support powder in the molded body, and the composite molded body is formed.
「上記成形体の少なくとも一部が上記金属材料の少なくとも一部に接した状態」は、特に制限されない。例えば、上記成形体の直上に上記金属材料が接して配置された状態であってもよいし、上記金属材料の直上に上記成形体が接して配置された状態であってもよい。また、上記成形体と上記金属材料とが互いに側面で接している状態であってもよい。本実施形態の一側面において、図1で示されるようにカーボン製の鋳型に上記成形体を配置し、配置された上記成形体の直上に上記金属材料が接して配置されることが好ましい。このようにすることで、溶融した上記金属材料が自重で上記成形体に溶浸する。また、後述するように上記金属材料又は上記成形体を、上記金属材料が上記成形体に侵入する方向に加圧することで、上記金属材料が上記成形体中に溶浸することを促進してもよい。The phrase "a state in which at least a part of the molded body is in contact with at least a part of the metal material" is not particularly limited. For example, the metal material may be placed in contact with the molded body directly above it, or the molded body may be placed in contact with the metal material directly above it. Alternatively, the molded body and the metal material may be in contact with each other on their sides. In one aspect of this embodiment, it is preferable to place the molded body in a carbon mold as shown in Figure 1, and to place the metal material in contact with the molded body directly above it. In this way, the molten metal material dissolves into the molded body by its own weight. Furthermore, as will be described later, the dissolution of the metal material into the molded body may be promoted by applying pressure to the metal material or the molded body in the direction in which the metal material penetrates the molded body.
上記加熱温度は、上記金属材料の融点以上、上記支持粉末の融点以下であり、680℃以上770℃以下であることが好ましく、690℃以上760℃以下であることがより好ましい。上記加熱温度が上記金属材料の融点未満であると、上記金属材料が上記成形体中に溶浸しにくくなる傾向がある。上記加熱温度が上記支持粉末の融点を超えると、上記支持粉末が溶融し上記金属材料と所望の金属多孔体を形成しにくくなる傾向がある。The heating temperature is above the melting point of the metal material and below the melting point of the support powder, preferably between 680°C and 770°C, and more preferably between 690°C and 760°C. If the heating temperature is below the melting point of the metal material, the metal material tends to become difficult to dissolve into the molded body. If the heating temperature exceeds the melting point of the support powder, the support powder tends to melt, making it difficult to form the desired porous metal body with the metal material.
上記加熱温度を維持する時間は、1分間以上であり、2分間以上120分間以下であることが好ましく、3分間以上90分間以下であることがより好ましい。The time for maintaining the above heating temperature is 1 minute or more, preferably 2 minutes to 120 minutes, and more preferably 3 minutes to 90 minutes.
本工程は、大気中で行ってもよいし、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で行ってもよい。金属材料における酸化皮膜の形成を抑制する観点からは、本工程は不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。This process may be carried out in the atmosphere or in an inert gas atmosphere such as argon gas. From the viewpoint of suppressing the formation of oxide films on metallic materials, it is preferable to carry out this process in an inert gas atmosphere.
上記金属材料が上記成形体中に溶浸することを促進する観点から、上記金属材料又は上記成形体を、上記金属材料が上記成形体に侵入する方向に加圧してもよい。From the viewpoint of promoting the fusion of the above-mentioned metal material into the above-mentioned molded body, the above-mentioned metal material or the above-mentioned molded body may be pressurized in a direction that causes the above-mentioned metal material to penetrate the above-mentioned molded body.
<金属多孔体を得る工程>
本工程では、上記複合成形体の少なくとも一部を第一の溶媒に接触させて、上記複合成形体から少なくとも一部の上記支持粉末を除去し、上記金属多孔体を得る。本工程によって、上記複合成形体を構成する上記支持粉末の少なくとも一部が、上記第一の溶媒に溶解して除去される。その結果、上記支持粉末が存在していた部分に気孔が形成され、上記複合成形体が金属多孔体となる。本工程において、一部の上記支持粉末が上記金属多孔体中に残存していてもよいが、上記支持粉末が上記金属多孔体から完全に除去されることが好ましい。
<Process for obtaining a porous metal>
In this step, at least a portion of the composite molded body is brought into contact with a first solvent to remove at least a portion of the support powder from the composite molded body and obtain the porous metal body. In this step, at least a portion of the support powder constituting the composite molded body is dissolved and removed in the first solvent. As a result, pores are formed in the portions where the support powder was present, and the composite molded body becomes a porous metal body. In this step, some of the support powder may remain in the porous metal body, but it is preferable that the support powder is completely removed from the porous metal body.
上記第一の溶媒は、上記支持粉末を溶解し、上記金属材料を溶解しない溶媒(または金属材料の溶解度が極めて小さい溶媒)であれば特に制限されない。上記第一の溶媒としては、例えば、水、エチレングリコール等が挙げられる。The first solvent described above is not particularly limited as long as it dissolves the support powder but does not dissolve the metal material (or is a solvent in which the metal material has very low solubility). Examples of the first solvent include water and ethylene glycol.
上記第一の溶媒によって、上記複合成形体から上記支持粉末を除去する方法としては、例えば、上記第一の溶媒に上記複合成形体を浸漬する方法、上記第一の溶媒を上記複合成形体に噴霧する方法等が挙げられる。Methods for removing the support powder from the composite molded body using the first solvent include, for example, immersing the composite molded body in the first solvent or spraying the first solvent onto the composite molded body.
本工程において、上記第一の溶媒の温度は、上記第一の溶媒の凝固点以上、上記第一の溶媒の沸点以下であれば特に制限されないが例えば、0℃以上100℃以下であってもよい。In this process, the temperature of the first solvent is not particularly limited as long as it is above the freezing point of the first solvent and below the boiling point of the first solvent, but for example, it may be between 0°C and 100°C.
以上の工程によって、本実施形態に係る金属多孔体は製造できる。なお、本実施形態に係る金属多孔体の製造方法は、上述した各工程に加えて、上記金属多孔体を乾燥する工程(例えば、上記金属多孔体に残存した上記第一の溶媒を除去する工程)、上記金属多孔体を調質する工程、上記金属多孔体を所定の形状に切断加工する工程、上記金属多孔体を研磨する工程を行ってもよい。上記乾燥する工程における温度は、例えば、100℃以上200℃以下であってもよい。上記金属多孔体を調質する工程は、得られた金属多孔体の強度を向上させるために行われ、例えば以下の手順で行われる。まず500℃前後の温度で上記金属多孔体を1時間程度保持し、次に当該金属多孔体を水冷する。その後、25℃~200℃の範囲で当該金属多孔体を5時間~200時間保持する。The porous metal body according to this embodiment can be manufactured by the above steps. In addition to the steps described above, the manufacturing method of the porous metal body according to this embodiment may also include steps for drying the porous metal body (for example, a step to remove the first solvent remaining on the porous metal body), tempering the porous metal body, cutting the porous metal body into a predetermined shape, and polishing the porous metal body. The temperature in the drying step may be, for example, 100°C to 200°C. The tempering step is performed to improve the strength of the obtained porous metal body and is carried out, for example, by the following procedure: First, the porous metal body is held at a temperature of around 500°C for about 1 hour, and then the porous metal body is water-cooled. After that, the porous metal body is held at a temperature in the range of 25°C to 200°C for 5 to 200 hours.
≪金属多孔体≫
本実施形態に係る金属多孔体は、アルミニウムを含有する金属本体から構成されている金属多孔体であって、
気孔率が50%以上であり、
圧縮強度が0.5MPa以上である。
上記金属多孔体は、上記金属多孔体の製造方法によって製造された金属多孔体である。
≪Porous Metals≫
The porous metal body according to this embodiment is a porous metal body composed of a metal body containing aluminum,
Porosity is 50% or more,
The compressive strength is 0.5 MPa or higher.
The above-mentioned porous metal is a porous metal manufactured by the above-mentioned method for manufacturing a porous metal.
上記金属多孔体は、開気孔のみから構成される金属多孔体(例えば、住友電気工業株式会社製のセルメット(登録商標)とは、異なる構造を有している。すなわち、上記金属多孔体は、開気孔及び閉気孔を含む構造を有している。本実施形態に係る金属多孔体では、薄膜状の金属本体によって開気孔及び閉気孔が形成されていることが分かる(図2の画像参照)。ここで、「金属多孔体の金属本体」とは、金属多孔体中の気孔を画定している有体物の部分を意味する。The above-described porous metal has a different structure from a porous metal composed only of open pores (for example, Cellmet® manufactured by Sumitomo Electric Industries, Ltd.). That is, the above-described porous metal has a structure that includes both open and closed pores. In the porous metal according to this embodiment, it can be seen that the open and closed pores are formed by a thin-film-like metal body (see image in Figure 2). Here, "metal body of the porous metal" means the tangible part that defines the pores in the porous metal.
上記金属多孔体の気孔率は、50%以上であり、55%以上99.9%以下であることが好ましく、60%以上99%以下であることがより好ましい。The porosity of the above-mentioned porous metal is 50% or more, preferably 55% to 99.9%, and more preferably 60% to 99%.
上記金属多孔体の気孔率は、以下の式から求められる。
気孔率(%)=[1-{M2/(V2×d2)}]×100
M2:金属多孔体の質量[g]
V2:金属多孔体における外観の形状の体積[cm3]
d2:金属多孔体を構成する物質自体の密度[g/cm3]。
The porosity of the above porous metal can be calculated using the following formula.
Porosity (%) = [1 - { M² / ( V² × d² )}] × 100
M2 : Mass of the porous metal [g]
V2 : Volume of the external shape in a porous metal [ cm³ ]
d² : Density of the material constituting the porous metal [g/ cm³ ].
上記金属多孔体の圧縮強度は、0.5MPa以上であり、0.7MPa以上50MPa以下であることが好ましく、1MPa以上25MPa以下であることが好ましい。ここで、「金属多孔体の圧縮強度」とは、後述する圧縮試験において上記金属多孔体のひずみが50%に到達したときの圧縮強度を意味する。The compressive strength of the above-mentioned porous metal is 0.5 MPa or more, preferably 0.7 MPa to 50 MPa, and preferably 1 MPa to 25 MPa. Here, "compressive strength of the porous metal" refers to the compressive strength when the strain of the above-mentioned porous metal reaches 50% in the compression test described later.
上記金属多孔体の圧縮強度は、JIS H 7902:2016に準拠した圧縮試験の方法で求めることが可能である。このとき、上記金属多孔体の形状は、φ10mm×高さ10mmである。The compressive strength of the above-mentioned porous metal can be determined by a compression test method in accordance with JIS H 7902:2016. In this case, the shape of the porous metal is φ10 mm × height 10 mm.
上記金属多孔体の平均気孔径は、1μm以上5000μm以下であることが好ましく、5μm以上4000μm以下であることがより好ましい。金属多孔体の平均気孔径が1μm以上であることにより、金属多孔体の強度を高めることができる。金属多孔体の平均気孔径が5000μm以下であることにより、触媒を担持する能力を高めることができる。The average pore size of the above-mentioned porous metal is preferably 1 μm or more and 5000 μm or less, and more preferably 5 μm or more and 4000 μm or less. An average pore size of 1 μm or more increases the strength of the porous metal. An average pore size of 5000 μm or less increases the ability to support the catalyst.
金属多孔体の平均気孔径は、次の方法により求めることができる。すなわち、まずSEMで気孔が少なくとも5個入るように測定視野を設定し上記金属多孔体の外観を撮影する。次に、当該視野内で観察される気孔のサイズを当面積円相当径として算出し、観察された各気孔のサイズの平均値を平均気孔径とする。The average pore size of a porous metal can be determined by the following method. First, the measurement field of view is set using a scanning electron microscope (SEM) so that at least five pores are included, and the appearance of the porous metal is photographed. Next, the size of the pores observed within the field of view is calculated as the equivalent diameter of the area circle, and the average value of the size of each observed pore is taken as the average pore size.
本実施形態に係る金属多孔体は、上述したように溶浸法によって製造される。そのため、酸化アルミニウム等の酸素を含む化合物の含有割合が少なく、優れた強度を有する金属多孔体とすることができる。The porous metal body according to this embodiment is manufactured by the immersion method as described above. Therefore, it is possible to obtain a porous metal body with a low content of oxygen-containing compounds such as aluminum oxide and excellent strength.
(各元素の質量割合の測定方法)
上記金属多孔体の金属本体における各元素の質量割合(質量%)については、誘導結合高周波プラズマ分光分析(ICP)による定量分析により求めることができる。具体的には、まず上記金属多孔体の金属本体であるサンプルを20質量%の水酸化ナトリウム水溶液で溶解する。その後、硝酸、塩酸及びフッ酸を5:1:1の体積比で混合した溶液を、当該水酸化ナトリウム水溶液に更に加えて残渣を溶解し、溶液中の元素濃度をICPによって分析する。
(Method for measuring the mass ratio of each element)
The mass percentage (mass%) of each element in the metal body of the above-mentioned porous metal can be determined by quantitative analysis using inductively coupled high-frequency plasma spectroscopy (ICP). Specifically, first, the sample, which is the metal body of the porous metal, is dissolved in a 20 mass% sodium hydroxide aqueous solution. Then, a solution of nitric acid, hydrochloric acid, and hydrofluoric acid mixed in a volume ratio of 5:1:1 is added to the sodium hydroxide aqueous solution to dissolve the residue, and the elemental concentrations in the solution are analyzed by ICP.
本実施形態に係る金属多孔体の金属本体は、アルミニウムの含有割合が、上記金属多孔体の金属本体を基準として、35質量%以上99.9質量%以下であることが好ましく、40質量%以上99質量%以下であることがより好ましい。In this embodiment, the metal body of the porous metal preferably has an aluminum content of 35% by mass or more and 99.9% by mass or less, and more preferably 40% by mass or more and 99% by mass or less, based on the metal body of the porous metal.
本実施形態の一側面において、上記金属多孔体の金属本体は、ケイ素、マグネシウム、鉄、銅、マンガン、クロム、亜鉛、ジルコニウム及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を更に含むことが好ましい。In one aspect of this embodiment, it is preferable that the metal body of the porous metal further contains at least one element selected from the group consisting of silicon, magnesium, iron, copper, manganese, chromium, zinc, zirconium, and boron.
上記ケイ素元素の含有割合は、上記金属多孔体の金属本体を基準として、0質量%以上20質量%以下であることが好ましく、0質量%を超えて15質量%以下であることがより好ましく、0.3質量%以上12質量%以下であることが更に好ましい。The content of the silicon element described above is preferably 0% by mass or more and 20% by mass or less, more preferably greater than 0% by mass and 15% by mass or less, and even more preferably 0.3% by mass or more and 12% by mass or less, based on the metal body of the porous metal.
上記マグネシウム元素の含有割合は、上記金属多孔体の金属本体を基準として、0質量%以上5.0質量%以下であることが好ましく、0質量%を超えて3.0質量%以下であることがより好ましく、0.5質量%以上2.2質量%以下であることが更に好ましい。The magnesium content is preferably 0% by mass or more and 5.0% by mass or less, more preferably greater than 0% by mass and 3.0% by mass or less, and even more preferably 0.5% by mass or more and 2.2% by mass or less, based on the metal body of the porous metal.
上記鉄元素の含有割合は、上記金属多孔体の金属本体を基準として、0質量%以上3.0質量%以下であることが好ましく、0質量%を超えて2.0質量%以下であることがより好ましく、0.2質量%以上0.7質量%以下であることが更に好ましい。The iron content is preferably 0% by mass or more and 3.0% by mass or less, more preferably greater than 0% by mass and 2.0% by mass or less, and even more preferably 0.2% by mass or more and 0.7% by mass or less, based on the metal body of the porous metal.
上記銅元素の含有割合は、上記金属多孔体の金属本体を基準として、0質量%以上6.0質量%以下であることが好ましく、0質量%を超えて5.0質量%以下であることがより好ましく、0.06質量%以上3.6質量%以下であることが更に好ましい。The copper content is preferably 0% by mass or more and 6.0% by mass or less, more preferably greater than 0% by mass and 5.0% by mass or less, and even more preferably 0.06% by mass or more and 3.6% by mass or less, based on the metal body of the porous metal.
上記マンガン元素の含有割合は、上記金属多孔体の金属本体を基準として、0質量%以上4.0質量%以下であることが好ましく、0質量%を超えて2.0質量%以下であることがより好ましく、0.01質量%以上0.7質量%以下であることが更に好ましい。The manganese content is preferably 0% by mass or more and 4.0% by mass or less, more preferably greater than 0% by mass and 2.0% by mass or less, and even more preferably 0.01% by mass or more and 0.7% by mass or less, based on the metal body of the porous metal.
上記クロム元素の含有割合は、上記金属多孔体の金属本体を基準として、0質量%以上2.0質量%以下であることが好ましく、0質量%を超えて1.0質量%以下であることがより好ましく、0.01質量%以上0.2質量%以下であることが更に好ましい。The chromium content is preferably 0% by mass or more and 2.0% by mass or less, more preferably greater than 0% by mass and 1.0% by mass or less, and even more preferably 0.01% by mass or more and 0.2% by mass or less, based on the metal body of the porous metal.
上記亜鉛元素の含有割合は、上記金属多孔体の金属本体を基準として、0質量%以上10.0質量%以下であることが好ましく、0質量%を超えて7.5質量%以下であることがより好ましく、0.06質量%以上5.2質量%以下であることが更に好ましい。The zinc element content is preferably 0% by mass or more and 10.0% by mass or less, more preferably greater than 0% by mass and 7.5% by mass or less, and even more preferably 0.06% by mass or more and 5.2% by mass or less, based on the metal body of the porous metal.
上記ジルコニウム元素の含有割合は、上記金属多孔体の金属本体を基準として、0質量%以上1.0質量%以下であることが好ましく、0質量%を超えて0.5質量%以下であることがより好ましく、0.04質量%以上0.12質量%以下であることが更に好ましい。The zirconium content is preferably 0% by mass or more and 1.0% by mass or less, more preferably greater than 0% by mass and 0.5% by mass or less, and even more preferably 0.04% by mass or more and 0.12% by mass or less, based on the metal body of the porous metal.
上記ホウ素元素の含有割合は、上記金属多孔体の金属本体を基準として、0質量%以上0.5質量%以下であることが好ましく、0質量%を超えて0.1質量%以下であることがより好ましく、0質量%を超えて0.04質量%以下であることが更に好ましい。The content of the boron element described above is preferably 0% by mass or more and 0.5% by mass or less, more preferably greater than 0% by mass and 0.1% by mass or less, and even more preferably greater than 0% by mass and 0.04% by mass or less, based on the metal body of the porous metal.
本実施形態の一側面において、上記金属多孔体の金属本体は、第四の金属成分を更に含み、
上記第四の金属成分は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル及びベリリウムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を更に含むことが好ましい。ここで、「第四の金属成分」とは、単体金属及び合金を含む概念である。
In one aspect of this embodiment, the metal body of the porous metal further contains a fourth metal component,
The fourth metallic component described above preferably further includes at least one element selected from the group consisting of titanium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, and beryllium. Here, "fourth metallic component" is a concept that includes elemental metals and alloys.
上記第四の金属成分の含有割合は、上記金属多孔体の金属本体を基準として、0質量%を超えて65質量%以下であることが好ましく、0.1質量%以上50質量%以下であることがより好ましく、18質量%以上25質量%以下であることが更に好ましい。上記第四の金属成分が複数の金属元素を含む場合、各金属元素の含有割合の合計が、上記第四の金属成分の含有割合となる。The content ratio of the fourth metal component described above is preferably greater than 0% by mass and 65% by mass or less, more preferably 0.1% by mass or more and 50% by mass or less, and even more preferably 18% by mass or more and 25% by mass or less, based on the metal body of the porous metal. If the fourth metal component described above contains multiple metal elements, the sum of the content ratios of each metal element becomes the content ratio of the fourth metal component described above.
上記金属多孔体の金属本体が上記第四の金属成分を含む場合、上記第四の金属成分は、アルミニウムとの合金を形成していてもよい。また、上記アルミニウムと上記第四の金属成分との合金は、上記金属多孔体の金属本体中に粒子状に分散して存在していてもよい(図3A及び図3B参照)。If the metal body of the porous metal contains the fourth metal component, the fourth metal component may form an alloy with aluminum. Furthermore, the alloy of aluminum and the fourth metal component may be dispersed in particulate form within the metal body of the porous metal (see Figures 3A and 3B).
粒子状として分散する場合、上記アルミニウムと上記第四の金属成分との合金の平均粒径は、0.1μm以上100μm以下であってもよく、1μm以上50μm以下であってもよい。当該合金の平均粒径は、上記金属多孔体のSEM断面画像から、等面積円相当径として求めることができる。When dispersed as particulate matter, the average particle size of the alloy of the aluminum and the fourth metal component may be 0.1 μm or more and 100 μm or less, or 1 μm or more and 50 μm or less. The average particle size of the alloy can be determined from the SEM cross-sectional image of the porous metal body as the equivalent diameter of an equal-area circle.
以上、本実施形態に係る金属多孔体について説明した。上記金属多孔体は、気孔率が高く、もって表面積が大きいことから、電池用電極、電気分解装置用電極(例えば、水素製造装置用の電極)、触媒担持体(プラント用触媒担持体等)、金属複合材、フィルター(厨房用グリスフィルター、空気清浄機用フィルター等)、キャパシタなどの様々な用途に利用できる。さらに、上記金属多孔体は、耐摩耗性、液体及び気体の担持性、液体及び気体の供給性、衝撃吸収性、軽量性、耐火性、吸音性、比剛性、並びに、比表面積に優れている。そのため、上記金属多孔体は、構造部材(電磁波シールド材、軽量構造材等)、各種筐体、移動体の外装部品及び内装部品、工作機械等の防振台部品、軸受、宇宙船及び惑星探査機の部品(アンテナ、車輪、動力源、断熱タイル等)、吸音部材(データセンタ用サイレンサー等)、放熱部材(ヒートシンク等)、生体材料(脊柱固定器具、骨折固定材、人工関節、人工弁等)、並びに、冷却機器としても使用できる。The porous metal material according to this embodiment has been described above. Because the porous metal material has high porosity and therefore a large surface area, it can be used in a variety of applications, such as battery electrodes, electrolysis apparatus electrodes (for example, electrodes for hydrogen production apparatus), catalyst supports (catalyst supports for plants, etc.), metal composite materials, filters (grease filters for kitchens, filters for air purifiers, etc.), and capacitors. Furthermore, the porous metal material exhibits excellent wear resistance, liquid and gas support, liquid and gas supply capabilities, shock absorption, light weight, fire resistance, sound absorption, specific stiffness, and specific surface area. Therefore, the above-mentioned porous metal can be used as structural members (electromagnetic shielding materials, lightweight structural materials, etc.), various housings, exterior and interior parts of mobile bodies, vibration isolation table parts for machine tools, bearings, parts for spacecraft and planetary probes (antennas, wheels, power sources, heat insulating tiles, etc.), sound absorbing materials (silencers for data centers, etc.), heat dissipation materials (heat sinks, etc.), biomaterials (spinal column fixation devices, fracture fixation materials, artificial joints, artificial valves, etc.), and cooling equipment.
以上の説明は、以下に付記する特徴を含む。
(付記1)
アルミニウムを含有する金属本体から構成されている金属多孔体であって、
気孔率が50%以上であり、
圧縮強度が0.5MPa以上である、金属多孔体。
(付記2)
上記金属多孔体の平均気孔径は、1μm以上5000μm以下である、付記1に記載の金属多孔体。
The above description includes the following features.
(Note 1)
A porous metal body composed of a metal body containing aluminum,
Porosity is 50% or more,
A porous metal having a compressive strength of 0.5 MPa or more.
(Note 2)
The above-mentioned porous metal material has an average pore diameter of 1 μm or more and 5000 μm or less, as described in Appendix 1.
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
≪金属多孔体の製造≫
<試料1a~試料17a、試料1b~8b、及び試料11b~13b>
以下の手順で試料1a~試料17a、試料1b~8b、及び試料11b~13bの金属多孔体を作製した。試料1a~試料17a、試料1b~8b、及び試料11b~13bの金属多孔体は、実施例に相当する。
Manufacturing of porous metal materials
<Samples 1a to 17a, samples 1b to 8b, and samples 11b to 13b>
The porous metal materials of samples 1a to 17a, 1b to 8b, and 11b to 13b were prepared using the following procedure. The porous metal materials of samples 1a to 17a, 1b to 8b, and 11b to 13b correspond to the examples.
(支持粉末を含む成形体及び金属材料を準備する工程)
まず、金属材料として表1-1及び表1-2に示される組成の純アルミニウム又はアルミニウム合金を準備した。金属材料の質量は、各試料につき2g準備した。金属材料の形状は円柱状であった。
(Steps for preparing a molded body containing support powder and metal materials)
First, pure aluminum or aluminum alloys with the compositions shown in Tables 1-1 and 1-2 were prepared as metallic materials. A mass of 2 g was prepared for each sample. The metallic material was cylindrical in shape.
次に、表2に示される支持粉末及び第三の金属成分を準備した。支持粉末は、塩化ナトリウム(平均粒径700μm)を用いた。上記第三の金属成分は水素化チタンの粉末(平均粒径10μm)を用いた。上記支持粉末と上記第三の金属成分とを混合して、円柱状の成形体(直径10mm、高さ10mm)とした。また、得られた成形体の相対密度を上述の方法によって求めた(表2)。Next, the support powder and third metal component shown in Table 2 were prepared. Sodium chloride (average particle size 700 μm) was used as the support powder. Titanium hydride powder (average particle size 10 μm) was used as the third metal component. The support powder and the third metal component were mixed to form a cylindrical molded body (diameter 10 mm, height 10 mm). The relative density of the obtained molded body was determined by the method described above (Table 2).
(金属材料が成形体中に溶浸した複合成形体を生成する工程)
得られた上記成形体をカーボン製の鋳型の中に配置した後、上記金属材料の少なくとも一部を上記成形体の少なくとも一部が接するように配置した(例えば、図1参照)。上記カーボン製の鋳型の内部の温度(加熱温度)が750℃となるように加熱し、30分間、この状態を維持した。このときの雰囲気は、Arガス雰囲気であった。また、第二の金属成分及び第三の金属成分を添加していない試料については、20MPaの加圧を実施した。上述の処理を行うことにより、溶融した金属材料が、上記成形体中に溶浸して、複合成形体を得た。
(A process for producing a composite molded body in which metal material is fused into the molded body.)
After placing the obtained molded body into a carbon mold, at least a portion of the metal material was placed so that it was in contact with at least a portion of the molded body (see, for example, Figure 1). The carbon mold was heated to a temperature of 750°C and maintained for 30 minutes. The atmosphere at this time was an Ar gas atmosphere. In addition, a pressure of 20 MPa was applied to the samples that did not contain the second and third metal components. By performing the above treatment, the molten metal material was dissolved into the molded body to obtain a composite molded body.
(金属多孔体を得る工程/金属多孔体を乾燥する工程)
前工程で得られた上記複合成形体を80℃の水(第一の溶媒)で洗浄することで支持粉末である塩化ナトリウムを除去して、金属多孔体を得た(金属多孔体を得る工程)。得られた金属多孔体は、乾燥機(150℃)の中で乾燥させ、余分な水分を除去した(金属多孔体を乾燥する工程)。
(Process for obtaining a porous metal / Process for drying a porous metal)
The composite molded body obtained in the previous step was washed with 80°C water (first solvent) to remove the support powder, sodium chloride, and obtain a porous metal body (step for obtaining a porous metal body). The obtained porous metal body was dried in a dryer (150°C) to remove excess moisture (step for drying the porous metal body).
試料3a~17a、試料3b~8b、及び試料11b~13bについては、表3-1及び表3-2に示されるプロトコールで、金属多孔体を調質した(金属多孔体を調質する工程)。以上の手順によって、試料1a~17a、試料1b~8b、及び試料11b~13bの金属多孔体を製造した。For samples 3a to 17a, 3b to 8b, and 11b to 13b, the porous metals were tempered according to the protocols shown in Tables 3-1 and 3-2 (process for tempering porous metals). The porous metals of samples 1a to 17a, 1b to 8b, and 11b to 13b were manufactured using the above procedure.
<試料18>
以下の手順で、試料18の金属多孔体を作製した。アルミニウム粉末として、粒径50μmのアルミニウム粉末を用いた。支持粉末として、粒径700μmの塩化ナトリウム粉末を用いた。上記アルミニウム粉末と上記支持粉末とを1:9の混合体積比で混合した混合物を調製した。調製した混合物を加熱せずに圧縮して、円柱形状(直径10mm、高さ10mm)の圧延体試料を作製した。次いで、圧延体試料を処理温度670℃、処理時間30分の条件で熱処理した。更に、熱処理した圧延体試料を、流水(水道水)中に24時間浸漬して支持粉末を溶出させ試料18の金属多孔体とした。試料18の金属多孔体は、特許文献1に記載の製法に準じた方法で作製しており、比較例に相当する。
<Sample 18>
A porous metal body of sample 18 was prepared using the following procedure. Aluminum powder with a particle size of 50 μm was used as the aluminum powder. Sodium chloride powder with a particle size of 700 μm was used as the support powder. A mixture was prepared by mixing the above aluminum powder and the above support powder in a mixing volume ratio of 1:9. The prepared mixture was compressed without heating to produce a cylindrical rolled sample (diameter 10 mm, height 10 mm). Next, the rolled sample was heat-treated at a processing temperature of 670°C for a processing time of 30 minutes. Furthermore, the heat-treated rolled sample was immersed in running water (tap water) for 24 hours to dissolve the support powder and obtain the porous metal body of sample 18. The porous metal body of sample 18 was prepared by a method similar to the manufacturing method described in Patent Document 1 and corresponds to a comparative example.
≪金属多孔体の性能評価≫
<多孔体の物性分析>
(各元素の質量割合)
上述の方法により得た試料1a~試料17a、試料1b~8b、試料11b~13b及び試料18に関し、これらの金属多孔体の金属本体における各元素の質量割合を、それぞれICPによる定量分析により求めた。具体的には、まず上記金属多孔体の金属本体であるサンプルを20質量%の水酸化ナトリウム水溶液で溶解した。その後、硝酸、塩酸及びフッ酸を5:1:1の体積比で混合した溶液を、当該水酸化ナトリウム水溶液に更に加えて残渣を溶解した。得られた溶液中の元素濃度をICPによって分析した。ICPによって分析した各元素の原子濃度に基づいて各元素の質量割合を求めた。その結果を表4-1及び表4-2に示す。
≪Performance evaluation of porous metal materials≫
<Analysis of the physical properties of porous materials>
(Mass ratio of each element)
For samples 1a to 17a, 1b to 8b, 11b to 13b, and 18 obtained by the method described above, the mass percentage of each element in the metal body of these porous metal materials was determined by quantitative analysis using ICP. Specifically, first, the sample, which is the metal body of the porous metal material, was dissolved in a 20% by mass sodium hydroxide aqueous solution. Then, a solution of nitric acid, hydrochloric acid, and hydrofluoric acid mixed in a volume ratio of 5:1:1 was added to the sodium hydroxide aqueous solution to dissolve the residue. The elemental concentrations in the obtained solution were analyzed by ICP. Based on the atomic concentrations of each element analyzed by ICP, the mass percentage of each element was determined. The results are shown in Tables 4-1 and 4-2.
(金属多孔体の気孔率)
次に、試料1a~試料17a、試料1b~8b、試料11b~13b及び試料18に関し、上述した式を用いて金属多孔体の気孔率を算出した。その結果を表3-1及び表3-2に示す。
(Porosity of porous metals)
Next, the porosity of the porous metal materials was calculated for samples 1a to 17a, 1b to 8b, 11b to 13b, and 18 using the formula described above. The results are shown in Tables 3-1 and 3-2.
(金属多孔体の平均気孔径)
また、上述した方法によって、金属多孔体の平均気孔径を算出した。その結果を表3-1及び表3-2に示す。
(Average pore size of porous metals)
Furthermore, the average pore size of the porous metal was calculated using the method described above. The results are shown in Tables 3-1 and 3-2.
(金属多孔体の断面観察)
試料7aの金属多孔体について、その断面をSEMにより観察した(図3A及び図3B)。その結果、チタンとアルミニウムとの合金が、金属多孔体の金属本体中に粒子状に分散して存在していることが分かった。また、当該合金の平均粒径は、10μmであった。
(Cross-sectional observation of a porous metal)
The cross-section of the porous metal sample 7a was observed using a scanning electron microscope (SEM) (Figures 3A and 3B). The results revealed that an alloy of titanium and aluminum was dispersed as particles within the metal body of the porous metal. The average particle size of this alloy was 10 μm.
<圧縮試験>
(70%圧縮時の割れの有無)
試料1a~試料17a、試料1b~8b、試料11b~13b及び試料18の金属多孔体に関し、上述したJIS H 7902:2016に準拠した圧縮試験の方法によって、70%圧縮時の割れの有無を調べた。このとき、上記金属多孔体の形状は、φ10mm×高さ10mmとした。その結果を表3-1及び表3-2に示す。70%圧縮時の割れが確認されなかった金属多孔体は、脆性に優れると評価できる。
<Compression Test>
(Presence or absence of cracks when compressed to 70%)
For the porous metal materials of samples 1a to 17a, 1b to 8b, 11b to 13b, and 18, the presence or absence of cracks at 70% compression was investigated using the compression test method compliant with JIS H 7902:2016 described above. The shape of the porous metal materials was set to φ10 mm × height 10 mm. The results are shown in Tables 3-1 and 3-2. Porous metal materials that did not show cracks at 70% compression can be evaluated as having excellent brittleness.
(ひずみ50%における圧縮強度)
試料1a~試料17a、試料1b~8b、試料11b~13b及び試料18の金属多孔体に関し、上述したJIS H 7902:2016に準拠した圧縮試験の方法によって、ひずみ50%における圧縮強度を求めた(図4参照)。このとき、上記金属多孔体の形状は、φ10mm×高さ10mmとした。その結果を表3-1及び表3-2に示す。なお、図4のグラフは、試料7aの試験結果である。
(Compressive strength at 50% strain)
For the porous metal bodies of samples 1a to 17a, 1b to 8b, 11b to 13b, and 18, the compressive strength at 50% strain was determined using the compression test method compliant with JIS H 7902:2016 described above (see Figure 4). The shape of the porous metal bodies was set to φ10 mm × height 10 mm. The results are shown in Tables 3-1 and 3-2. The graph in Figure 4 shows the test results for sample 7a.
<結果>
表3-1及び表3-2の結果によれば、溶浸法で製造した試料1a~試料17a、試料1b~8b、及び試料11b~13bの金属多孔体(実施例の金属多孔体)は、70%圧縮時の割れが確認されなかった。また、上記金属多孔体は、ひずみ50%における圧縮強度が、0.6MPa以上であった。一方、従来から行われている焼結法で製造した試料18の金属多孔体(比較例の金属多孔体)は、70%圧縮時の割れが確認された。また、試料18の金属多孔体は、ひずみ50%における圧縮強度が0.3MPaであった。以上のことから、実施例に係る金属多孔体は、優れた脆性及び優れた圧縮強度を有することが分かった。
<Results>
According to the results in Tables 3-1 and 3-2, no cracks were observed in the porous metal materials of samples 1a to 17a, 1b to 8b, and 11b to 13b (porous metal materials of the examples) manufactured by the immersion method when compressed to 70%. Furthermore, the compressive strength of these porous metal materials at 50% strain was 0.6 MPa or higher. On the other hand, cracks were observed in the porous metal material of sample 18 (porous metal material of the comparative example) manufactured by the conventional sintering method when compressed to 70%. Furthermore, the compressive strength of the porous metal material of sample 18 at 50% strain was 0.3 MPa. From the above, it was found that the porous metal materials according to the examples have excellent brittleness and excellent compressive strength.
以上のように本発明の実施形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施形態および各実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。As described above, embodiments and examples of the present invention have been explained, but it is also intended from the outset that the configurations of each of the above embodiments and examples may be combined as appropriate.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。The embodiments and examples disclosed herein should be considered in all respects to be illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the claims rather than the embodiments and examples described above, and all modifications within the scope of the claims are intended to be included in the meaning of equivalents and within the scope.
Claims (10)
支持粉末を含む成形体及び前記金属材料を準備する工程と、
前記成形体の少なくとも一部が前記金属材料の少なくとも一部に接した状態で、前記金属材料の融点以上前記支持粉末の融点以下の加熱温度で、5分間以上維持し、前記金属材料が前記成形体中に溶浸した複合成形体を生成する工程と、
前記複合成形体の少なくとも一部を第一の溶媒に接触させて、前記複合成形体から少なくとも一部の前記支持粉末を除去し、前記金属多孔体を得る工程と、を含み、
前記金属材料は、アルミニウムを含有する第一の金属成分を含み、
前記成形体の相対密度は、50%以上99.9%以下である、金属多孔体の製造方法。 A method for manufacturing a porous metal body composed of a metal material,
A step of preparing a molded body containing support powder and the metal material,
A step of producing a composite molded body in which the metal material is fused into the molded body, by maintaining a heating temperature of 5 minutes or more at a temperature above the melting point of the metal material and below the melting point of the support powder, with at least a portion of the molded body in contact with at least a portion of the metal material,
The step of bringing at least a portion of the composite molded body into contact with a first solvent to remove at least a portion of the support powder from the composite molded body and obtain the porous metal body,
The aforementioned metal material comprises a first metal component containing aluminum,
A method for manufacturing a porous metal body, wherein the relative density of the molded body is 50% or more and 99.9% or less.
前記第二の金属成分は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、クロム及びベリリウムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含む、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の金属多孔体の製造方法。 The aforementioned metal material further comprises a second metal component,
The method for producing a porous metal body according to any one of claims 1 to 3, wherein the second metal component comprises at least one element selected from the group consisting of titanium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, chromium, and beryllium.
前記第三の金属成分は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、クロム及びベリリウムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含む、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の金属多孔体の製造方法。 The molded body further contains a third metal component,
The method for producing a porous metal body according to any one of claims 1 to 7, wherein the third metal component comprises at least one element selected from the group consisting of titanium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, chromium, and beryllium.
気孔率が50%以上であり、
圧縮強度が0.5MPa以上である、金属多孔体。 A porous metal body composed of a metal body containing aluminum,
Porosity is 50% or more,
A porous metal having a compressive strength of 0.5 MPa or more.
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