CN104903031A - 多孔铝烧结体 - Google Patents

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Abstract

本发明的多孔铝烧结体由多个铝基材烧结而成，其中，在所述铝基材彼此结合的结合部存在Ti-Al系化合物。优选在所述铝基材的外表面形成有朝向外侧突出的多个柱状突起，且在所述柱状突起具有所述结合部。

Description

多孔铝烧结体
技术领域
本发明涉及一种由多个铝基材彼此烧结而成的多孔铝烧结体。
本申请基于2013年3月1日于日本申请的专利申请2013-040876号及2014年2月18日于日本申请的专利申请2014-028873号主张优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
上述多孔铝烧结体例如可被用作各种电池中的电极及集电体、热交换器用部件、消音部件、过滤器、冲击吸收部件等。
以往，这种多孔铝烧结体例如通过专利文献1～5中所公开的方法来制造。
专利文献1中，将铝粉末、石蜡粒子及粘合剂混合而形成的混合物成型为片状，将其自然干燥，接着浸渍于有机溶剂中并去除蜡粒子，接着通过进行干燥、脱脂、烧结来制造多孔铝烧结体。
并且，专利文献2～4中，将铝粉末、包含钛的烧结助剂粉末、粘合剂、增塑剂及有机溶剂混合而形成粘性组合物，使该粘性组合物成型并发泡，接着通过在非氧化气氛下加热烧结来制造多孔铝烧结体。
而且，专利文献5中，混合包含铝的基础粉末和包含共晶元素的桥接形成用Al合金粉末等，通过将此在氢气氛或氢和氮的混合气氛中加热烧结来制造多孔铝烧结体。另外，该多孔铝烧结体设为包含铝的基础粉末通过包含过共晶组织的桥接部而相互连结的结构。
然而，专利文献1中记载的多孔铝烧结体及多孔铝烧结体的制造方法中存在难以得到气孔率较高的多孔铝烧结体的问题。而且还存在对铝基材彼此进行烧结时，铝基材彼此的结合因形成于铝基材表面的氧化膜而被阻碍，从而无法得到具有足够强度的多孔铝烧结体的问题。
并且，专利文献2～4中记载的多孔铝烧结体及多孔铝烧结体的制造方法中使粘性组合物成型、发泡，因此存在无法有效地制造多孔铝烧结体的问题。而且还存在由于粘性组合物含有较多的粘合剂，因此脱粘合剂处理需要较多的时间，并且烧结时的成型体的收缩率变大，无法制造尺寸精度优异的多孔铝烧结体的问题。
而且，专利文献5中记载的多孔铝烧结体及多孔铝烧结体的制造方法中，设为使包含铝的基础粉末通过包含过共晶组织的桥接部而结合的结构。该桥接部通过由共晶组成的低熔点Al合金粉末熔融而产生液相且该液相在基础粉末之间凝固而形成。因此，很难得到气孔率较高的烧结体。
专利文献1：日本专利公开2009-256788号公报
专利文献2：日本专利公开2010-280951号公报
专利文献3：日本专利公开2011-023430号公报
专利文献4：日本专利公开2011-077269号公报
专利文献5：日本专利公开平08-325661号公报
发明内容
本发明是以如上述的情况为背景而完成的，其目的在于提供一种能够高效且以低成本制造，且烧结时的收缩率小、尺寸精度优异并且具有足够强度的高品质的多孔铝烧结体。
为解决这种课题而实现所述目的，本发明的多孔铝烧结体为由多个铝基材烧结而成的多孔铝烧结体，其中，在所述铝基材彼此结合的结合部存在Ti-Al系化合物。
根据设为上述结构的本发明的多孔铝烧结体，铝基材彼此的结合部存在Ti-Al系化合物，因此铝的扩散移动得到抑制。因此，能够维持铝基材彼此之间的空隙，且能够得到多孔铝烧结体。
在此，本发明的多孔铝烧结体中，优选在所述铝基材的外表面形成有朝向外侧突出的多个柱状突起，且在所述柱状突起具有所述结合部。
此时，设为经由形成于铝基材外表面的柱状突起而使铝基材彼此结合的结构，因此无需另外实施发泡工序等，就能够设为气孔率较高的多孔铝烧结体。由此，能够高效且以低成本制造该多孔铝烧结体。
而且，铝基材彼此之间不像粘性组合物那样存在较多的粘合剂，因此能够得到烧结时的收缩率较小且尺寸精度优异的多孔铝烧结体。
并且，本发明的多孔铝烧结体中，优选所述Ti-Al系化合物主要为Al3Ti。
此时，在铝基材彼此的结合部存在Al3Ti作为Ti-Al系化合物，因此能够使铝基材彼此良好地结合，且能够确保多孔铝烧结体的强度。
并且，本发明的多孔铝烧结体中，优选所述铝基材为铝纤维及铝粉末中的任意一种或两种。
使用铝纤维作为所述铝基材的情况下，当经由柱状突起使得铝纤维彼此结合时，呈容易保持空隙且气孔率变高的趋势。因此，作为所述铝基材而使用铝纤维及铝粉末并调整它们的混合比，由此能够控制多孔铝烧结体的气孔率。
而且，本发明的多孔铝烧结体中，优选气孔率设在30％以上90％以下的范围内。
该结构的多孔铝烧结体中，气孔率控制在30％以上90％以下的范围内，因此能够根据用途来提供最佳气孔率的多孔铝烧结体。
根据本发明可提供一种能够高效且以低成本制造，且烧结时收缩率小、尺寸精度优异并且具有足够强度的高品质的多孔铝烧结体。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的多孔铝烧结体的图，图1的(a)是多孔铝烧结体的观察照片，图1的(b)是多孔铝烧结体的放大示意图。
图2是表示图1所示的多孔铝烧结体中的铝基材彼此的接合部的图，图2的(a)、图2的(b)是接合部的SEM观察照片，图2的(c)是表示接合部的Al分布的组成分析结果，图2的(d)是表示接合部的Ti分布的组成分析结果。
图3是表示成为图1所示的多孔铝烧结体的原料的烧结用铝原料的图，图3的(a)、图3的(b)是烧结用铝原料的SEM观察照片，图3的(c)是表示烧结用铝原料的Al分布的组成分析结果，图3的(d)是表示烧结用铝原料的Ti分布的组成分析结果。
图4是表示图1所示的多孔铝烧结体的制造方法的一例的流程图。
图5是在铝基材的外表面固着钛粉末粒子的烧结用铝原料的说明图，图5的(a)表示铝基材为铝纤维的烧结用铝原料，图5的(b)表示铝基材为铝粉末的烧结用铝原料。
图6是制造片状的多孔铝烧结体的连续烧结装置的概略说明图。
图7是表示烧结工序中在铝基材的外表面形成有柱状突起的状态的说明图，图7的(a)表示铝基材为铝纤维的情况，图7的(b)表示铝基材为铝粉末的情况。
图8是表示制造块状的多孔铝烧结体的制造工序的说明图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的一实施方式的多孔铝烧结体10进行说明。
图1中示出本实施方式的多孔铝烧结体10。另外，图1的(a)是本实施方式的多孔铝烧结体的观察照片，图1的(b)是本实施方式的多孔铝烧结体的示意图。
如图1所示，本实施方式的多孔铝烧结体10是由多个铝基材11进行烧结而成为一体的烧结体，其气孔率设定在30％以上90％以下的范围内。
本实施方式中，如图1所示，使用铝纤维11a和铝粉末11b作为铝基材11。
而且，设为如下结构：该铝基材11(铝纤维11a及铝粉末11b)的外表面形成有朝向外侧突出的多个柱状突起12，多个铝基材11(铝纤维11a及铝粉末11b)彼此经由该柱状突起12结合。另外，如图1所示，铝基材11、11彼此的结合部15具有柱状突起12、12彼此结合的部分、柱状突起12与铝基材11的侧面接合的部分、以及铝基材11、11的侧面彼此接合的部分。
在此，如图2所示，经由柱状突起12结合的铝基材11、11彼此的结合部15存在Ti-Al系化合物16。本实施方式中，如图2的分析结果所示，Ti-Al系化合物16设为Ti和Al的化合物，更具体而言设为Al3Ti金属间化合物。即，本实施方式中，在Ti-Al系化合物16所存在的部分，铝基材11、11彼此结合。
接着，对成为本实施方式的多孔铝烧结体10的原料的烧结用铝原料20进行说明。如图3所示，该烧结用铝原料20具备：铝基材11；及固着于该铝基材11外表面的多个钛粉末粒子22。另外，作为钛粉末粒子22，可使用金属钛粉末粒子及氢化钛粉末粒子中的任意一种或两种。
在此，烧结用铝原料20中，钛粉末粒子22的含量设在0.5质量％以上20质量％以下的范围内，优选设在0.5质量％以上15质量％以下，进一步优选设在1.0质量％以上10.0质量％以下的范围内。本实施方式中设为5质量％。
并且，钛粉末粒子22的粒径设在1μm以上50μm以下的范围内，优选设在5μm以上30μm以下的范围内。另外，可将氢化钛粉末粒子的粒径设为比金属钛粉末粒子小，因此将固着于铝基材11外表面的钛粉末粒子22的粒径设为较小时，优选使用氢化钛粉末粒子。
而且，固着于铝基材11外表面的多个钛粉末粒子22、22彼此的间隔优选设在5μm以上100μm以下的范围内，进一步优选设在5.0μm以上70μm以下的范围内。
如上所述，作为铝基材11使用铝纤维11a和铝粉末11b。另外，作为铝粉末11b可使用雾化粉末。
在此，铝纤维11a的纤维直径设在40μm以上300μm以下的范围内，优选设在50μm以上200μm以下的范围内。并且，铝纤维11a的纤维长度设在0.2mm以上20mm以下的范围内，优选设在1mm以上10mm以下的范围内。
并且，铝粉末11b的粒径设在20μm以上300μm以下的范围内，优选设在20μm以上100μm以下的范围内。
而且，作为铝基材11，优选由纯度为99.5质量％以上的纯铝构成，进一步优选由纯度为99.99质量％以上的4N铝构成。
并且，通过调整铝纤维11a与铝粉末11b的混合比例，能够调整气孔率。即，通过增加铝纤维11a的比例，能够提高多孔铝烧结体10的气孔率。因此，作为铝基材11，优选使用铝纤维11a，当混合铝粉末11b时，优选将铝粉末11b的比例设在10质量％以下，进一步优选设在1.0质量％以上5.0质量％以下。
接着，参考图4的流程图等对制造本实施方式的多孔铝烧结体10的方法进行说明。
首先，如图4所示，制造成为本实施方式的多孔铝烧结体10的原料的烧结用铝原料20。
在常温下混合铝基材11和钛粉末(混合工序S01)。此时，将粘合剂溶液喷雾。另外，作为粘合剂，优选为在大气中加热至500℃时被燃烧、分解的粘合剂，具体而言，优选使用丙烯酸系树脂、纤维素系高分子体。并且，作为粘合剂的溶剂，可使用水系溶剂、醇系溶剂、有机溶剂系溶剂等各种溶剂。
该混合工序S01中，例如使用自动研钵、锅式的转动造粒机、振动混合器，罐式球磨机，高速混合机，V型混合机等各种混合机，而使铝基材11和钛粉末边流动边混合。
接着，将混合工序S01中所得到的混合体进行干燥(干燥工序S02)。该干燥工序S02中，优选进行40℃以下的低温干燥或1.33Pa以下(10-2Torr以下)的减压干燥，以防在铝基材11的表面形成较厚的氧化膜。低温干燥的温度优选为25℃～30℃，减压干燥的压力优选为0.5Pa～1.0Pa。
如图5所示，通过该混合工序S01及干燥工序S02，钛粉末粒子22分散固着于铝基材11的外表面，制造出本实施方式的烧结用铝原料20。另外，优选使钛粉末粒子22分散，以使固着于铝基材11外表面的多个钛粉末粒子22、22彼此的间隔在5μm以上100μm以下的范围内。
接着，使用如上述那样得到的烧结用铝原料20来制造多孔铝烧结体10。
在此，本实施方式中，使用图6所示的连续烧结装置30来制造例如宽度：300mm×厚度：1～5mm×长度：20m的长条的片状的多孔铝烧结体10。
该连续烧结装置30具备：使烧结用铝原料20均匀散布的粉末散布机31；保持从粉末散布机31供给的烧结用铝原料20的碳片32；驱动该碳片32的传送辊33；将与碳片32一同被传送的烧结用铝原料20加热而去除粘合剂的脱脂炉34；及将去除粘合剂的烧结用铝原料20加热而烧结的烧成炉35。
首先，从粉末散布机31向碳片32上散布烧结用铝原料20(原料散布工序S03)。
散布在碳片32上的烧结用铝原料20朝向行进方向F移动时，向碳片32的宽度方向扩大且厚度变得均匀，从而成型为片状。此时，未施加负载，因此烧结用铝原料20中的铝基材11、11彼此之间形成空隙。
接着，在碳片32上成型为片状的烧结用铝原料20与碳片32一同被装入到脱脂炉34内，并在规定温度下被加热，由此去除粘合剂(脱粘合剂工序S04)。
在此，脱粘合剂工序S04中，在大气气氛下以350～500℃的温度范围保持0.5～30分钟，去除烧结用铝原料20中的粘合剂。加热温度优选为350℃～450℃，保持时间优选为10分钟～15分钟。另外，如上所述，本实施方式中，为了使钛粉末粒子22固着于铝基材11的外表面而使用粘合剂，因此，与粘性组合物相比，粘合剂的含量极少，能够在短时间内充分去除粘合剂。
接着，去除粘合剂的烧结用铝原料20与碳片32一同被装入到烧成炉35内，并通过加热至规定温度而被烧结(烧结工序S05)。
该烧结工序S05中，通过在惰性气体气氛下以655～665℃的温度范围保持0.5～60分钟来实施。另外，加热温度优选为657℃～662℃，保持时间优选为1～20分钟。
在此，通过将烧结工序S05中的烧结气氛设为Ar气等惰性气体气氛，能够充分降低露点。在氢气氛或氢和氮的混合气氛下不易降低露点，因此不优选。并且，氮与Ti反应而形成TiN，固而失去Ti的烧结促进效果，因此不优选。
因此，本实施方式中，作为气氛气体，使用露点为-50℃以下的Ar气。另外，气氛气体的露点进一步优选设为-65℃以下。
该烧结工序S05中，如上所述，将温度加热至接近铝的熔点即655～665℃，因此烧结用铝原料20中的铝基材11被熔融。在此，铝基材11的表面形成有氧化膜，因此熔融的铝通过氧化膜被保持，铝基材11的形状得以维持。
并且，加热至655～665℃时，在铝基材11的外表面上固着有钛粉末粒子22的部分通过与钛发生反应而破坏氧化膜，内部的熔融铝向外侧喷出。所喷出的熔融铝通过与钛发生反应而生成熔点较高的化合物并固化。由此，如图7所示，在铝基材11的外表面形成朝向外侧突出的多个柱状突起12。在此，柱状突起12的前端存在Ti-Al系化合物16，通过该Ti-Al系化合物16，柱状突起12的生长得到抑制。
另外，使用氢化钛作为钛粉末粒子22时，氢化钛在300～400℃附近进行分解，所生成的钛与铝基材11表面的氧化膜发生反应。
此时，相邻的铝基材11、11彼此经由相互的柱状突起12以熔融状态成为一体或通过固相烧结而结合，如图1所示，制造出经由柱状突起12使多个铝基材11、11彼此结合的多孔铝烧结体10。而且，经由柱状突起12使铝基材11、11彼此结合的结合部15存在Ti-Al系化合物16(本实施方式中为Al3Ti金属间化合物)。
设为如上结构的本实施方式的多孔铝烧结体10中，铝基材11、11彼此的结合部15存在Ti-Al系化合物16，因此通过该Ti-Al系化合物16去除形成于铝基材11表面的氧化膜，铝基材11、11彼此被良好结合。由此，能够得到强度足够的高品质的多孔铝烧结体10。
并且，通过该Ti-Al系化合物16抑制柱状突起12的生长，因此能够抑制熔融铝向铝基材11、11彼此之间的空隙喷出，能够得到较高气孔率的多孔铝烧结体10。
尤其，本实施方式中，在铝基材11、11彼此的结合部15存在Al3Ti作为Ti-Al系化合物16，因此形成于铝基材11表面的氧化膜可靠地被去除，铝基材11、11彼此被良好地结合，能够确保多孔铝烧结体10的强度。
并且，设为经由形成于铝基材11外表面的柱状突起12使得铝基材11、11彼此结合的结构，因此无需另外实施发泡工序，等就能够得到气孔率较高的多孔铝烧结体10。由此，能够高效且以低成本制造本实施方式的多孔铝烧结体10。
尤其，在本实施方式中使用图6所示的连续烧结装置30，因此能够连续制造片状的多孔铝烧结体10，可大幅提高生产效率。
而且，本实施方式中，与粘性组合物相比，粘合剂的含量极少，因此能够在短时间内实施脱粘合剂工序S04。并且，能够得到烧结时的收缩率减小例如1％左右，且尺寸精度优异的多孔铝烧结体10。
而且，本实施方式中，作为铝基材11使用铝纤维11a及铝粉末11b，因此通过调整它们的混合比，能够控制多孔铝烧结体10的气孔率。
并且，本实施方式的多孔铝烧结体10中，气孔率设在30％以上90％以下的范围内，因此能够根据用途来提供最佳气孔率的多孔铝烧结体10。
而且，本实施方式中，烧结用铝原料20中的钛粉末粒子22的含量设为0.5质量％以上20质量％以下，因此能够在铝基材11的外表面以适当的间隔形成柱状突起12，能够得到具有足够强度和较高气孔率的多孔铝烧结体10。
并且，本实施方式中，固着于铝基材11外表面的多个钛粉末粒子22、22彼此的间隔设在5μm以上100μm以下的范围内，因此柱状突起12的间隔得以优化，能够得到具有足够强度和较高气孔率的多孔铝烧结体10。
而且，本实施方式中，作为铝基材11的铝纤维11a的纤维直径设在40μm以上300μm以下的范围内，铝粉末11b的粒径设在20μm以上300μm以下的范围内，并且钛粉末粒子22的粒径设在1μm以上50μm以下的范围内，因此能够在铝基材11(铝纤维11a及铝粉末11b)的外表面可靠地使钛粉末粒子22分散并固着。
并且，本实施方式中，铝基材11由纯度为99.5质量％以上的纯铝，进一步由纯度为99.99质量％以上的4N铝构成，因此能够提高多孔铝烧结体10的耐腐蚀性。
而且，本实施方式中，作为铝基材11使用铝纤维11a和铝粉末11b，且将铝粉末11b的混合比例设在10质量％以下，因此能够得到气孔率较高的多孔铝烧结体10。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于此，可以在不脱离本发明的技术要件的范围内适当进行变更。
例如说明了使用图6所示的连续烧结装置连续制造多孔铝烧结体的方法，但并不限定于此，也可以通过其他制造装置来制造多孔铝烧结体。
并且，本实施方式中对片状的多孔铝烧结体进行了说明，但并不限定于此，也可以是例如通过图8所示的制造工序制造的块状的多孔铝烧结体。
如图8所示，从散布烧结用铝原料20的粉末散布机131向碳制容器132内散布烧结用铝原料20而进行体积填充(原料散布工序)。将填充该烧结用铝原料20的碳制容器132装入到脱脂炉134内，在大气气氛下进行加热并去除粘合剂(脱粘合剂工序)。之后，装入到烧成炉135内并在Ar气氛下加热保持为655～665℃，由此得到块状的多孔铝烧结体110。另外，使用起模性良好的碳制容器132并且烧结时发生1％左右的收缩，因此能够比较轻松地从碳制容器132取出块状的多孔铝烧结体110。
产业上的可利用性
本发明的多孔铝烧结体能够高效且以低成本制造，且烧结时的收缩率小、尺寸精度优异并且具有充分的强度。因此，本发明的多孔铝烧结体可适当地被用作各种电池中的电极及集电体、热交换器用部件、消音部件、过滤器、冲击吸收部件等。
符号说明
10、110-多孔铝烧结体，11-铝基材，11a-铝纤维，11b-铝粉末，12-柱状突起，15-结合部，16-Ti-Al系化合物，20-烧结用铝原料，22-钛粉末粒子。

Claims (5)

1.一种多孔铝烧结体，由多个铝基材烧结而成，其特征在于，
在所述铝基材彼此结合的结合部存在Ti-Al系化合物。
2.根据权利要求1所述的多孔铝烧结体，其特征在于，
在所述铝基材的外表面形成有朝向外侧突出的多个柱状突起，且在所述柱状突起具有所述结合部。
3.根据权利要求1或2所述的多孔铝烧结体，其特征在于，
所述Ti-Al系化合物为Al3Ti。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的多孔铝烧结体，其特征在于，
所述铝基材为铝纤维及铝粉末中的任意一种或两种。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的多孔铝烧结体，其特征在于，
气孔率设在30％以上90％以下的范围内。
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