JP2006283104A - 金属多孔体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】気孔同士が互いに連通していて且つ高い機械的強度を有する金属多孔体を提供する。
【解決手段】最大粒径１８０μｍ以下で酸素含有量が０．３０重量％以下の金属粉末と、有機バインダーとからなる混練物を粉砕して得られた粒径０．１〜２．０ｍｍの範囲の顆粒を気孔形成材と混合し、この混合粉末を、加圧成形した後、焼成することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、金属多孔体の製造方法に関する。この方法で製造される金属多孔体は、気孔同士が互いに連通していて且つ高い機械的強度を有し、フィルタ、触媒、吸音材、断熱材、熱交換器などに好適に利用されうる。

従来、金属多孔体を製造する方法として、大小種々の粒径の金属粉末と有機バインダーとからなる混練物を成形後に焼成する周知技術の他、金属粉末、有機バインダー及び必要により気孔形成材を含む混練物を２０〜４００μｍに造粒し、成形後に焼成する技術（特許文献１＆４）、金属粉末等を有機物多孔体に付着もしくは含浸させ、焼成して当該有機物多孔体を焼失させる技術（特許文献２＆３）等が提案されている。

特開平４−１３６１０２ 特開平７−１１８７０６ 特開平１０−２８７９０３ 特開２００４−３４９６８３

しかし、上記従来の技術で製造された金属多孔体は、気孔同士が連通してはいるが金属粒子同士の結合強度が弱くて脆いか、機械的強度は高いが気孔が閉塞しているかのいずれかであり、フィルタ、触媒、熱交換器などの用途に適していなかった。
それ故、この発明の課題は、気孔同士が互いに連通していて且つ高い機械的強度を有する金属多孔体を提供することにある。

その課題を解決するために、この発明の金属多孔体の製造方法は、
最大粒径１８０μｍ以下の金属粉末と、有機バインダーとからなる粒径０．１〜２．０ｍｍの範囲の顆粒を、加圧成形した後、焼成することを特徴とする。
この方法によれば、金属粉末と有機バインダーとからなる顆粒が加圧成形されているので、成形体は最大粒径１８０μｍ以下の一次粒子の群と有機バインダーからなる多数の顆粒が圧縮されたものである。即ち、図１に示すように、隣り合う顆粒１同士は多数の一次粒子２同士の接点を有するとともに、顆粒間には顆粒の直径と成形条件に対応する大きな気孔３が形成されている。従って、これを焼成すると、従来周知の金属多孔体製造技術において図２に示すように大小種々の一次粒子２同士が少ない接点で結合するのと異なり、顆粒１内の一次粒子２同士だけでなく顆粒１間の多数の一次粒子２同士が互いに結合する。その結果、焼結体の機械的強度が高く且つ気孔同士も連通する。

この発明では、上記のように高い強度の多孔質体が得られるので、金属粉末として１８０μｍ程度のサイズのものも含まれていてよい。従って、金属粉末の収率が向上し、低コスト化を実現できる。但し、１８０μｍを超える一次粒子が含まれていると多孔質体の強度が低下するので、最大粒径を１８０μｍとした。また、顆粒の直径が０．１ｍｍ未満であったり、２．０ｍｍを超えていたりすると、加圧成形条件を調整するだけでは所定の気孔率の多孔質焼結体を得ることが困難であるから、顆粒の直径を０．１〜２．０ｍｍとした。好ましい直径は０．３〜１．８ｍｍであり、特に好ましいのは０．６〜１．５ｍｍである。また、焼成後の気孔率が４０％に満たないと連通気孔が少なくなって多孔体の各種用途に適さなくなる。他方、７０％を超えると機械的強度が著しく低下する。

前記金属粉末としては、その酸素含有量が０．３０重量％以下であるものが好ましい。このような金属粉末は、粒子表面の酸素が少ないので活性であり、焼成工程で一次粒子間の結合が進みやすい。従って、一層高い機械的強度が得られる。
前記顆粒としては、当該金属粉末と有機バインダーとの混練物を粉砕して得られるもの、並びに金属粉末及び有機バインダーを含むスラリーを噴霧乾燥して得られるものが挙げられる。このうち、前者はバインダーが水溶性に限定されないので対象とする金属粉末が限定されない点で優れる。
前記顆粒は、単独ではなく気孔形成材と混合することができる。気孔形成材と混合すると、焼成後に気孔となる部分が気孔形成材により確保されるので、高い圧力で成形することが可能となる。従って、気孔形成材の抜けた跡が連通気孔となるとともに、顆粒間がより密に接触し、焼成工程で顆粒間の結合が進みやすくなり、一層高い機械的強度が得られる。

尚、所定の気孔率を得るための成形条件及び焼成条件については、成形条件を一定にして焼成条件を種々変更し、気孔率と例えば焼成温度との関係を示す検量線を作成しておくか、又は焼成条件を一定にして成形条件を種々変更し、気孔率と例えば圧縮率もしくは圧力との関係を示す検量線を作成しておくことにより、設定することが可能である。

この発明の製造方法で得られる金属多孔体は、連通気孔を有していながら高い機械的強度を有するので、気孔内に流体を通過させる必要のある種々の用途に長期間安定して利用することができる。

金属粉末としては、チタン、ニッケル、タンタル、コバルト、鉄、貴金属及びこれらの合金など種々のものが適用可能である。有機バインダーも特に限定されず、ポリアセタール、ポリプロピレン、ポリエチレンなどであってよい。酸素含有量０．３０重量％以下の金属粉末を得る手段としては、不活性ガス雰囲気中で金属を粉砕するか又は金属の溶湯を噴霧する、所謂ガスアトマイズ方が挙げられる。気孔形成材としては、常温で固体であって２００℃以下で昇華もしくは分解する化合物（例えば炭酸水素アンモニウム、シュウ酸無水物、シュウ酸二水和物）や、これらのいずれかとワックス類との混合物が挙げられる。

−実施例１−
ガスアトマイズ法により製造した酸素含有量０．１２重量％、最大粒径４５μｍのチタン粉末とポリアセタール（株式会社ポリプラスチック製ジュラコンＭ２７０）を６５：３５の体積比で混練した。体積比は各々の真密度と重量から算出した。混練して得られた塊を粉砕し、篩いにかけて０．６〜１．５ｍｍの粒径の顆粒を得た。顆粒を金型に充填し、１３０℃に加熱すると共に加圧前に対して加圧後の体積が４３％となるようにプレス機のストローク量を調整して圧力を加えることにより、成形した。成形体を真空炉内に置き、脱脂後、１２００℃で２時間保持することにより、直径２２ｍｍ×高さ１８ｍｍの円柱状のチタン多孔体を製造した。

この多孔体の気孔率を、多孔体の重量とチタンの真密度とから算出したところ、４０％であった。また、多孔体の酸素含有量を非分散型赤外吸収法により分析したところ、０．２１重量％であった。多孔体から直径６ｍｍ×高さ１０ｍｍの試験片を切り出し、圧縮速度１ｍｍ／分で圧縮したところ、圧縮強度は１８５ＭＰａであり、粒子の脱落は無い状態で変形した。

−比較例１−
実施例１において加圧前に対して加圧後の体積が３２％となるように圧力を加えることにより成形したこと以外は、実施例１と同一条件でチタン多孔体を製造した。気孔率は３５％であった。このチタン多孔体及び実施例１のチタン多孔体をＣＴ検査したところ、本例のチタン多孔体は実施例１のものに比べて独立気孔が多かった。

−実施例２及び３−
実施例１において加圧前に対して加圧後の体積が６４％（実施例２）又は７１％（実施例３）となるように圧力を加えることにより成形したこと以外は、実施例１と同一条件でチタン多孔体を製造した。気孔率はそれぞれ４９％及び５５％であった。実施例２及び実施例３の多孔体の圧縮強度はそれぞれ１４８ＭＰａ及び１２５MPaであり、粒子の脱落は無い状態で変形した。

−比較例２及び３−
実施例１において加圧前に対して加圧後の体積が７４％（比較例２）又は７６％（比較例３）となるように圧力を加えることにより成形したこと以外は、実施例１と同一条件でチタン多孔体を製造した。気孔率はそれぞれ６０％及び６５％であった。これらの多孔体の圧縮強度はそれぞれ９２ＭＰａ及び６０ＭＰａで粒子の脱落が認められた。

−実施例４−
実施例１においてチタン粉末の最大粒径が１８０μｍであることと、加圧前に対して加圧後の体積が６４％となるように圧力を加えることにより成形したこと以外は、実施例１と同一条件で直径２２ｍｍ×高さ２１ｍｍの円柱状のチタン多孔体を製造した。気孔率は５１％であった。また、圧縮強度は１３０ＭＰａであり、粒子の脱落は無い状態で変形した。

−実施例５−
ガスアトマイズ法により製造した酸素含有量０．１８重量％、最大粒径１８０μｍのチタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）粉末とポリアセタール（株式会社ポリプラスチック製ジュラコンＭ２７０）を６５：３５の体積比で混練した。体積比は各々の真密度と重量から算出した。混練して得られた塊を粉砕し、篩いにかけて０．６〜１．５ｍｍの粒径の顆粒を得た。顆粒を金型に充填し、１３０℃に加熱すると共に加圧前に対して加圧後の体積が６４％となるようにプレス機のストローク量を調整して圧力を加えることにより、成形した。成形体を真空炉内に置き、脱脂後、１２５０℃で２時間保持することにより、直径２２ｍｍ×高さ２１ｍｍの円柱状のチタン多孔体を製造した。重量と真密度とから算出した気孔率は５２％であった。また、圧縮強度は２０６ＭＰａであり、粒子の脱落は無い状態で変形した。

−実施例６−
ガスアトマイズ法により製造した酸素含有量０．１８重量％、最大粒径１８０μｍのチタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）粉末とポリアセタール（株式会社ポリプラスチック製ジュラコンＭ２７０）を７０：３０の体積比で混練した。体積比は各々の真密度と重量から算出した。混練して得られた塊を粉砕し、篩いにかけて０．６〜１．５ｍｍの粒径の顆粒を得た。また別途、炭酸水素アンモニウム粉末を２５０〜５００μｍに粒度調整した。

そして、前記顆粒を粒度調整した炭酸水素アンモニウム粉末と５８：４２の体積比で混合し、この混合粉末を金型に充填し、７０℃に加熱すると共に８０ＭＰａの圧力を加えることにより、成形した。成形体を真空炉内に置き、脱脂後、１２５０℃で２時間保持することにより、直径２２ｍｍ×高さ１９ｍｍの円柱状のチタン合金多孔体を製造した。気孔率を水銀ポロシメータで測定すると７２％であり、気孔径範囲は３〜４００μｍ、平均気孔径は１１２μｍであった。また、圧縮強度は１００ＭＰａであり、粒子の脱落は無い状態で変形した。

−実施例７−
実施例６において炭酸水素アンモニウム粉末に代えて粒度調整した炭酸水素アンモニウム粉末８８体積％にパラフィンワックス１２体積％をコーティングしたものを用いたこと以外は、実施例６と同一条件でチタン合金多孔体を製造した。気孔率を水銀ポロシメータで測定すると７２％であり、気孔径範囲は３〜４００μｍ、平均気孔径は９５μｍであった。また、圧縮強度は１００ＭＰａであり、粒子の脱落は無い状態で変形した。

−実施例８−
実施例６において炭酸水素アンモニウム粉末として粒度５００〜１５００μｍの範囲に調整したものを用いたこと以外は、実施例６と同一条件でチタン合金多孔体を製造した。気孔率を水銀ポロシメータで測定すると６７％であり、気孔径範囲は３〜４００μｍ、平均気孔径は１４５μｍであった。また、圧縮強度は１１４ＭＰａであり、粒子の脱落は無い状態で変形した。

−実施例９−
ガスアトマイズ法により製造した酸素含有量０．２１重量％、最大粒径４５μｍのチタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）粉末とポリアセタール（株式会社ポリプラスチック製ジュラコンＭ２７０）を７０：３０の体積比で混練した。体積比は各々の真密度と重量から算出した。混練して得られた塊を粉砕し、篩いにかけて０．３〜０．６５ｍｍの粒径の顆粒を得た。また別途、炭酸水素アンモニウム粉末を１００〜２００μｍに粒度調整した。

そして、前記顆粒を粒度調整した炭酸水素アンモニウム粉末８８体積％にパラフィンワックス１２体積％をコーティングしたものと５８：４２の体積比で混合し、この混合粉末を金型に充填し、１３０℃に加熱すると共に８０ＭＰａの圧力を加えることにより、成形した。成形体を真空炉内に置き、脱脂後、１２５０℃で２時間保持することにより、直径２２ｍｍ×高さ２０ｍｍの円柱状のチタン合金多孔体を製造した。気孔率を水銀ポロシメータで測定すると６９％であり、気孔径範囲は３〜２１０μｍ、平均気孔径は９４μｍであった。また、圧縮強度は１０７ＭＰａであり、粒子の脱落は無い状態で変形した。

−実施例１０−
実施例９において炭酸水素アンモニウム粉末として粒度３０〜１００μｍの範囲に調整したものを用いたこと以外は、実施例９と同一条件でチタン合金多孔体を製造した。気孔率を水銀ポロシメータで測定すると６８％であり、気孔径範囲は３〜９８μｍ、平均気孔径は５０μｍであった。また、圧縮強度は１０８ＭＰａであり、粒子の脱落は無い状態で変形した。

−実施例１１−
実施例９において炭酸水素アンモニウム粉末に代えて粒度２５０〜５００μｍの範囲に調整したシュウ酸無水物８８体積％を用いたことと、焼成温度を１３８０℃に変えて１２５０℃としたこと以外は、実施例９と同一条件でチタン合金多孔体を製造した。気孔率を水銀ポロシメータで測定すると７０％であり、気孔径範囲は３〜４００μｍ、平均気孔径は７５μｍであった。また、圧縮強度は１０５ＭＰａであり、粒子の脱落は無い状態で変形した。

上記実施例１〜１１及び比較例１〜３の気孔率と圧縮強度との関係を図３にグラフとして示す。

この発明の作用を説明する模式図である。 従来の多孔体製造方法の現象を説明する模式図である。 金属多孔体の気孔率と圧縮強度との関係を示すグラフである。

Claims (4)

1. 最大粒径１８０μｍ以下の金属粉末と、有機バインダーとからなる粒径０．１〜２．０ｍｍの範囲の顆粒を、加圧成形した後、焼成することを特徴とする金属多孔体の製造方法。
2. 前記金属粉末の酸素含有量が０．３０重量％以下である請求項１に記載の製造方法。
3. 前記顆粒が、当該金属粉末と有機バインダーとの混練物を粉砕して得られたものである請求項１又は２に記載の製造方法。
4. 前記顆粒を気孔形成材と混合し、この混合粉末を前記条件で加圧成形する請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
   
   

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