JP2007100176A - 発泡アルミニウムの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、衝撃エネルギの吸収特性に優れた発泡アルミニウムの製造方法を提供することにある。
【解決手段】本発明は、マトリックスとしてのアルミニウム粉末を含む未発泡前駆体を加熱して発泡させる発泡アルミニウムの製造方法において、前記アルミニウム粉末よりも高融点の気泡微細化粒子を前記未発泡前駆体に含ませたことを特徴としており、具体的には、アルミニウム粉末と、発泡剤と、気泡微細化粒子とを混合する混合工程と、得られた混合物を圧粉成形して未発泡前駆体を成形する未発泡前駆体の成形工程と、未発泡前駆体を加熱して未発泡前駆体を発泡させる発泡工程とで主に構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発泡アルミニウムの製造方法に関する。

発泡アルミニウムは、周知のとおり、主にアルミニウムからなるマトリックス金属中に微細な気泡が形成された多孔質体であって、例えば、衝撃エネルギを吸収するエネルギ吸収体としての用途が考えられる。発泡アルミニウムをエネルギ吸収体として使用する場合には、発泡アルミニウムの変形強度が重要となる。具体的には、気泡の密度が同じ発泡アルミニウム同士であっても、気泡が微細な発泡アルミニウムは、気泡が粗大なものと比較して変形強度が高いので衝撃エネルギの吸収特性（エネルギ吸収特性）が優れている。
従来、発泡アルミニウムの製造方法としては、溶融アルミニウムに発泡剤またはガスを混合する溶融スタート法（例えば、特許文献１参照）や、アルミニウム粉末と発泡剤との混合物を圧粉成形した後に、この成形体を加熱することで、発泡剤からガスを生起させる粉体スタート法（例えば、特許文献２参照）が知られている。
特開昭５４−１２７８３８号公報 特許第２８９８４３７号明細書

しかしながら、溶融スタート法では、粉体スタート法と比較して溶融アルミニウムが凝固するまでに時間がかかるために、溶融アルミニウム中で生起した気泡が熱膨張によって成長してしまう。そのため、得られた発泡アルミニウムの気泡は粗大化することとなる。そして、溶融スタート法では、溶融アルミニウム中で生起した気泡同士が癒着（融合）し合って発泡アルミニウムの気泡が粗大化するという問題もある。したがって、溶融スタート法で得られた発泡アルミニウムは、エネルギ吸収体としての用途に好ましくない。
これに対して、粉体スタート法では、前記したように、溶融スタート法と比較して、熱膨張による気泡の粗大化は或る程度抑制されるものの、気泡同士が癒着し合うことによる気泡の粗大化は充分に抑制することができない。したがって、このような粉体スタート法であってもエネルギ吸収特性が良好な発泡アルミニウムを製造することができなかった。

そこで、本発明は、良好なエネルギ吸収特性を発揮する発泡アルミニウムの製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決する本発明の発泡アルミニウムの製造方法は、マトリックスとしてのアルミニウム粉末を含む未発泡前駆体を加熱して発泡させる発泡アルミニウムの製造方法において、前記アルミニウム粉末よりも高融点の気泡微細化粒子を前記未発泡前駆体に含ませたことを特徴とする。
この製造方法では、未発泡前駆体が加熱されてアルミニウム粉末が半溶融状態になったときに、気泡微細化粒子はアルミニウム粉末よりも高融点であるので、半溶融状態のアルミニウム内で固体の気泡微細化粒子が存在する。その結果、気泡微細化粒子によってアルミニウムの粘性が高められることで気泡の動きが規制されて、気泡同士の癒着が防止される。
また、半溶融状態のアルミニウム内で気泡が発生して膨張していく際に、気泡微細化粒子が各気泡の間に介在することによって、癒着しようとする気泡同士を分離するクサビとして作用する。その結果、本実施形態に係る製造方法では、気泡同士の癒着が防止される。

このような発泡アルミニウムの製造方法において、前記気泡微細化粒子が、金属粉末および金属酸化物の少なくともいずれか１つからなるものが望ましい。

そして、このような発泡アルミニウムの製造方法において、前記金属粉末が、ケイ素粒子からなり、前記未発泡前駆体中のケイ素粒子の含有率が、９質量％以上、１１質量％以下であるものが望ましい。この製造方法では、得られる発泡アルミニウムの圧縮強度がより良好となる。

このような発泡アルミニウムの製造方法において、前記未発泡前駆体の気孔率が、０．１％以上、１．０％以下であるものが望ましい。この製造方法では、得られる発泡アルミニウムの発泡倍率がより良好になる。

このような発泡アルミニウムの製造方法において、前記アルミニウム粉末の粒度が、１．０μｍ以上、６３μｍ未満であるものが望ましい。この製造方法では、得られる発泡アルミニウムの発泡倍率がより良好になる。

本発明によれば、良好なエネルギ吸収特性を発揮する発泡アルミニウムを製造することができる。

次に、本発明における発泡アルミニウムの製造方法の実施形態について図１を参照しながら詳細に説明する。なお、参照する図面において、図１は、本実施形態に係る発泡アルミニウムの製造方法を説明するためのフローチャートである。

図１に示すように、本実施形態に係る発泡アルミニウムの製造方法は、アルミニウム粉末と、発泡剤と、気泡微細化粒子とを混合する混合工程と、得られた混合物を圧粉成形して未発泡前駆体を成形する未発泡前駆体の成形工程と、未発泡前駆体を加熱して未発泡前駆体を発泡させる発泡工程とで主に構成されている。

（混合工程）
この混合工程では、アルミニウム粉末と、発泡剤と、気泡微細化粒子とを混合した混合物が調製される。
アルミニウム粉末は、発泡アルミニウムのマトリックスとなるものであって、このアルミニウム粉末としては、公知のものを使用することができる。中でも大気アトマイズ法で得られたアルミニウム粉末は、例えば、不活性ガスアトマイズ法で得られたものと比較して、後記する未発泡前駆体の発泡工程での発泡がより良好になるので好ましい。アルミニウム粉末の粒度は、１μｍ以上、６３μｍ未満のものが好ましい。

発泡剤は、発泡アルミニウムの気泡を形成するガスを発生させるものであって、この発泡剤としては、公知の発泡アルミニウムの製造方法で使用される粉末状のものを使用することができる。この発泡剤としては、例えば、水素化チタン（ＴｉＨ_２）、炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ_３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）等が挙げられる。発泡剤の粒度、および配合量は、製造の目標となる発泡アルミニウムの密度、気孔率、および気泡径に応じて適宜に設定することができる。

気泡微細化粒子は、後記する未発泡前駆体を加熱して発泡剤からガスを生起させた際に、そのガスで形成される気泡同士が癒着することを防止するものであって、アルミニウム粉末よりも高融点の粉末材料からなる。この気泡微細化粒子としては、アルミニウム粉末よりも高融点の金属粉末および金属酸化物の少なくともいずれか１つからなるものが望ましい。中でもケイ素（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、および酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）が好ましく、ケイ素（Ｓｉ）は最も好ましい。この気泡微細化粒子の粒度は、４３μｍ未満のものが好ましい。そして、気泡微細化粒子（ケイ素）の配合率は、９質量％以上、１１質量％以下が好ましい。

（成形工程）
この成形工程では、混合工程で調製された混合物が圧粉成形されることによって未発泡前駆体（プリカーサ）が形成される。この未発泡前駆体は、その気孔率が、好ましくは０．１％以上、さらに好ましくは０．１％以上、１．０％以下となるように公知のプレス機等で前記混合物が圧縮されることによって形成される。そして、このような未発泡前駆体における気泡微細化粒子の含有率は、９質量％以上、１１質量％以下が好ましい。

（発泡工程）
この発泡工程では、未発泡前駆体に含まれるアルミニウム粉末が半溶融状態となるように未発泡前駆体が加熱される。この際、未発泡前駆体に含まれる発泡剤は、ガスを生起して半溶融状態のアルミニウム中に気泡を発生させる。ちなみに、未発泡前駆体に含まれる気泡微細化粒子は、アルミニウム粉末よりも融点が高いので、半溶融状態のアルミニウム中で固体の状態が維持される。
そして、気泡を含む半溶融状態のアルミニウムを冷却して固化させることによって、発泡アルミニウムの製造工程は終了する。

次に、本実施形態に係る発泡アルミニウムの製造方法の作用について主に図２を参照しながら説明する。参照する図面において、図２（ａ）は、発泡アルミニウムの製造方法の発泡工程で、気泡が発生した際の様子を示す模式図、図２（ｂ）は、従来の発泡アルミニウムの製造方法（粉体スタート法）の発泡工程で、気泡が発生した際の様子を示す模式図である。

ここでは、本発明との比較のために、まず、従来の発泡アルミニウムの製造方法（粉体スタート法）の作用について簡単に説明する。この製造方法では、図２（ｂ）に示すように、半溶融状態のアルミニウム１内で気泡３が発生して膨張していくと、気泡３同士が癒着し合って気泡３が粗大化する。

これに対し、本実施形態に係る製造方法では、図２（ａ）に示すように、半溶融状態のアルミニウム１内で固体の気泡微細化粒子２が存在することによって、アルミニウム１の粘性が高められることで流動性が低減される。その結果、本実施形態に係る製造方法では、アルミニウム１内の気泡３の動きが規制されて気泡３同士の癒着が防止される。そして、気泡微細化粒子２が微細なケイ素粉末である場合には、効果的に粘性が高められることで、より確実に気泡成長が抑制されることとなる。

また、本実施形態に係る製造方法では、半溶融状態のアルミニウム１内で気泡３が発生して膨張していく際に、気泡微細化粒子２が各気泡３の間に介在することによって、癒着しようとする気泡３同士を分離するクサビとして作用する。その結果、本実施形態に係る製造方法では、気泡３同士の癒着が防止される。

また、本実施形態に係る製造方法において、アルミニウム粉末の粒度が１μｍ以上、６３μｍ未満のものを使用する場合には、発泡性がより良好となる。そして、このような微細なアルミニウム粉末を使用するとともに、微細な気泡微細化粒子２を使用することによって、発泡アルミニウム内に微細な気泡を均一に形成することができる。

また、本実施形態に係る製造方法において、未発泡前駆体の気孔率が０．１％以上、１．０％以下に設定されることによって、発泡工程で生起するガスの散逸が低減されて発泡性がより良好となる。

また、本実施形態に係る製造方法において、未発泡前駆体中の気泡微細化粒子の含有率が９質量％以上、１１質量％以下に設定されることによって、得られる発泡アルミニウムの圧縮強度がより良好となる。

以上のような本実施形態に係る発泡アルミニウムの製造方法によれば、従来の製造方法と比較して、半溶融状態のアルミニウム１内での気泡３同士の癒着が防止されるので、主に独立気泡からなる多孔質の発泡アルミニウムを製造することができる。

また、本実施形態に係る発泡アルミニウムの製造方法によれば、気泡３同士の癒着が防止されるので、従来の製造方法と比較して、より微小な気泡３を均一に有する発泡アルミニウムを製造することができる。

また、本実施形態に係る発泡アルミニウムの製造方法によれば、前記したように、微細な独立気泡（気泡３）を均一に有する発泡アルミニウム、つまり、優れたエネルギ吸収特性を発揮する発泡アルミニウムを提供することができる。
なお、以上のような本実施形態に係る製造方法で得られた発泡アルミニウムは、衝撃エネルギの吸収部材、例えば、自動車のバンパ、ピラー等に使用することができることは勿論のこと、吸音部材や断熱部材として使用することもできる。

また、本実施形態に係る製造方法で得られた発泡アルミニウムは、適応する部材の形状となるように切削加工して使用してもよいし、適応する部材の外形を有する中空部材に未発泡前駆体を充填した後にこれを発泡させたものであってもよい。

また、本実施形態に係る製造方法で得られた発泡アルミニウムは、その内部に金属等からなる骨材をインサートしたものであってもよい。

また、本実施形態に係る製造方法で得られた発泡アルミニウムであって、気泡微細化粒子２としてケイ素粉末を使用したものは、鋳造材料としてリサイクルすることができる。

次に、実施例を示しながら本発明をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
微粒粉であるアルミニウム粉末（粒度：１μｍ以上、６３μｍ未満）と、気泡微細化粒子としてのケイ素粉末と、発泡剤としての水素化チタン（ＴｉＨ_２）との混合物を調製した。なお、この混合物中のアルミニウム粉末とケイ素粉末との質量比（アルミニウム粉末：ケイ素粉末）は、９０：１０である。この混合物を圧粉成形することによって未発泡前駆体（プリカーサ）を作製した。なお、未発泡前駆体中の発泡剤の含有率は、１質量％であった。次に、この未発泡前駆体を加熱することによって発泡させて発泡アルミニウムを作製した。この発泡アルミニウムの発泡倍率は４．５倍であり、発泡アルミニウムの平均気泡径は２．０ｍｍであった。図３は、実施例１の製造方法で作製された発泡アルミニウムの断面の顕微鏡写真である。
そして、この発泡アルミニウムの圧縮強度を測定したところ、１０ＭＰａであった。なお、圧縮強度の測定には、島津製作所製オートグラフＡＧ−１０ＴＢを使用した。

（比較例１）
アルミニウム粉末、およびケイ素粉末を使用せずに、アルミニウム−ケイ素合金の粉末（粒度：１μｍ以上、６３μｍ未満）を使用した以外は、実施例１と同様に発泡アルミニウムを作製した。この発泡アルミニウムの発泡倍率は３．５倍であり、発泡アルミニウムの平均気泡径は３．０ｍｍであった。図４は、比較例１の製造方法で作製された発泡アルミニウムの断面の顕微鏡写真である。
そして、この発泡アルミニウムの圧縮強度を測定したところ、８ＭＰａであった。

（実施例２および実施例３）
粒度が異なるアルミニウム粉末を使用した以外は、実施例１と同様にして発泡アルミニウムを作製した。ちなみに、実施例２では、中粒粉であるアルミニウム粉末（粒度：６３μｍ以上、１０６μｍ未満）を使用し、実施例３では、粗粒粉であるアルミニウム粉末（粒度：１０６μｍ以上、３５５μｍ未満）を使用した。そして、得られた発泡アルミニウムの発泡倍率を表１に示す。なお、表１には、実施例１で作製した発泡アルミニウムの発泡倍率を併記している。

（実施例４乃至実施例８）
ここでは、未発泡前駆体（プリカーサ）の残留気孔率を表２に示すように調節して圧粉成形した以外は、実施例１と同様にして発泡アルミニウムを作製した。そして、得られた発泡アルミニウムの発泡倍率を表２に示す。

（実施例９乃至実施例１３）
ここでは、未発泡前駆体（プリカーサ）におけるケイ素の含有率（質量％）を表３に示すように調節した以外は、実施例１と同様にして発泡アルミニウムを作製した。そして、得られた発泡アルミニウムの平均圧縮強度（ＭＰａ）を測定した。なお、平均圧縮強度の測定には、島津製作所製オートグラフＡＧ−１０ＴＢを使用した。その結果を表３に示す。ちなみに、図５は、未発泡前駆体（プリカーサ）におけるケイ素の含有率（質量％）と、平均圧縮強度（ＭＰａ）との関係を示すグラフである。

（実施例で得られた発泡アルミニウムの評価）
実施例１で製造された発泡アルミニウムは、比較例１で製造された発泡アルミニウムと比較して気泡径が小さく、発泡アルミニウムの発泡倍率が大きい。そして、実施例１で製造された発泡アルミニウムは、図３に示すように、微細な独立気泡が均一に形成されている。これに対し、比較例１で製造された発泡アルミニウムは、図４に示すように、気泡同士が癒着し合って連通しており、各気泡の径も不均一になっている。また、図３に示すように、実施例１で製造された発泡アルミニウムは、その全体に亘ってほぼ均等に発泡しているのに対して、図４に示すように、比較例１で製造された発泡アルミニウムは、発泡が不均一であり、内側では気泡の連通が顕著になっており、外側では気泡が消失している。

このように実施例１で製造された発泡アルミニウムの気泡が独立しており、しかも気泡が微細で均一であるのは、気泡微細化粒子としてのケイ素粉末が溶融状態のアルミニウムの粘性を高めて気泡の動きを規制するとともに、癒着しようとする気泡同士を分離するようにケイ素粉末が作用したためと考えられる。

また、表１から明らかなように、粒度が１μｍ以上、６３μｍ未満のアルミニウム粉末を使用した本発明に係る製造方法（実施例１参照）では、発泡倍率がより良好になっている。

また、表２から明らかなように、未発泡前駆体（プリカーサ）の残留気孔率が、０．１％以上、１．０％以下に設定された本発明に係る製造方法（実施例４および実施例５参照）では、発泡倍率がより良好になっている。

また、表３から明らかなように、未発泡前駆体（プリカーサ）におけるケイ素の含有率（質量％）が、９質量％以上、１１質量％以下に設定された本発明に係る製造方法（実施例１０、実施例１１および実施例１２参照）では、平均圧縮強度（ＭＰａ）がより優れている。
なお、参考例としての図６は、発泡アルミニウムの気泡径（ｍｍ）と、圧縮強度（ＭＰａ）との関係について示すグラフである。図６から明らかなように、気泡径が小さければ小さいほど、圧縮強度は増大している。つまり、本発明に係る発泡アルミニウムの製造方法は、従来の製造方法と比較して、気泡径を微小化することができるので、発泡アルミニウムの圧縮強度をより増大することができる。ちなみに、目標の発泡アルミニウムの圧縮強度を１０ＭＰａとすると、気泡径は２．０ｍｍ以下に設定されることとなる。

実施形態に係る発泡アルミニウムの製造方法を説明するためのフローチャートである。 図２（ａ）は、発泡アルミニウムの製造方法の発泡工程で、気泡が発生した際の様子を示す模式図、図２（ｂ）は、従来の発泡アルミニウムの製造方法（粉体スタート法）の発泡工程で、気泡が発生した際の様子を示す模式図である。 実施例の製造方法で作製された発泡アルミニウムの断面の顕微鏡写真である。 比較例の製造方法で作製された発泡アルミニウムの断面の顕微鏡写真である。 未発泡前駆体（プリカーサ）におけるケイ素の含有率（質量％）と、平均圧縮強度（ＭＰａ）との関係を示すグラフである。 発泡アルミニウムの気泡径（ｍｍ）と、圧縮強度（ＭＰａ）との関係について示すグラフである。

符号の説明

１ アルミニウム
２ 気泡微細化粒子
３ 気泡

Claims (5)

1. マトリックスとしてのアルミニウム粉末を含む未発泡前駆体を加熱して発泡させる発泡アルミニウムの製造方法において、
   前記アルミニウム粉末よりも高融点の気泡微細化粒子を前記未発泡前駆体に含ませたことを特徴とする発泡アルミニウムの製造方法。
2. 前記気泡微細化粒子が、金属粉末および金属酸化物の少なくともいずれか１つからなることを特徴とする請求項１に記載の発泡アルミニウムの製造方法。
3. 前記金属粉末が、ケイ素粒子からなり、前記未発泡前駆体中のケイ素粒子の含有率が、９質量％以上、１１質量％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発泡アルミニウムの製造方法。
4. 前記未発泡前駆体の気孔率が、０．１％以上、１．０％以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発泡アルミニウムの製造方法。
5. 前記アルミニウム粉末の粒度が、１．０μｍ以上、６３μｍ未満であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発泡アルミニウムの製造方法。