JP2008248365A - 独立気孔を有する発泡金属成形体の強化方法及び発泡金属成形体 - Google Patents

Abstract

【課題】クローズドセル型発泡金属は、オープンセル型発泡金属に比べて強度は大きいが
、同じ金属の緻密材料に比べて強度が著しく劣るために、その工業的応用が限られており
、高強度のクローズドセル型発泡金属の開発が望まれている。積層材などを使用せずに発
泡アルミニウムなどのクローズドセル型発泡金属の強度を比較的簡単な方法により大幅に
向上させる方法の提供。
【解決手段】独立気孔を有する発泡金属の切断加工成形体の表面部の開放気孔部分に熱硬
化性又は熱可塑性樹脂を流動状態で充填して硬化させ開放気孔のセル壁に接合することに
よって、表面に補強材を積層することなく発泡金属からなる成形体の圧縮強度を高める独
立気孔を有する発泡金属成形体の強化方法及び該強化方法により製造された発泡金属成形
体。
【選択図】図１

Description

本発明は、超軽量構造材料、エネルギー吸収材料、振動吸収材料、及び断熱材料等に利用
される独立気孔を有する発泡金属成形体の強化方法及び該強化方法により製造された発泡
金属成形体に関する。

発泡金属は、多数の気孔が金属マトリックス中に分散した発泡体であり、三次元網目構造
を有する多孔体のように気孔が互いに連結した連通気孔のもの（オープンセル型発泡金属
と呼ばれる）と、気孔が内部に閉じ込められた独立気孔のもの（クローズドセル型発泡金
属と呼ばれる）がある。

クローズドセル型発泡金属は、発泡金属を鋳造凝固した状態では発泡金属の表面に表皮が
形成されて表面に気孔が見えないものと、表皮がなく表面部に気孔が見えるものとがある
。表面に気孔が見えない独立気孔のものも所定の形状に切断加工するとその切断面に気孔
が露出し、多数の開放気孔が表面に分布した形状が出現することになる。

発泡金属は、多数のセル構造を有する金属材料であり、従来の緻密な金属材料と比較して
低密度であり、軽量であるが、圧縮強度、引張強度、曲げ強度等の機械的強度が劣る。こ
れまでに発泡金属自体の力学的特性を改善する方法として、合金元素の添加やセラミック
ス粒子の添加が提案されている（例えば、特許文献１）。これらの方法は、製造プロセス
の制御が難しく、製造コストの上昇を招く。

三次元網目構造を有するオープンセル型発泡金属の耐熱性、耐摩耗性、強度、熱伝導性を
改善する方法として、その空隙部に樹脂剤を充填することが知られている（特許文献２）
が、この手段は、クローズドセル型発泡金属には適用できない。クローズドセル型発泡金
属材料を構造的に強化する方法としては、一般に金属やプラスチックスの薄いシートを接
着剤で、発泡金属板の片面又は両面に接着して積層構造とする方法が採用される（例えば
、特許文献３）。この方法は、平板のような単純な構造にしか適用できず、又、構造体の
重量が増加するといった欠点を有する。

サンドイッチ構造の複合板は補強材が予め芯材の表裏両面に接着されているため、曲げ加
工による引張り側及び圧縮側が補強材により拘束されているため、複合板を成形加工する
ことが困難である。このような問題を解決する方法として、発泡金属の板状体からなる芯
材の伸び変形側になる面に補強板を接着させた後、成形加工し、次いで、他方の側にレジ
ンセメントや合成樹脂などの可塑性材料を塗布、硬化させて補強用の板状体を形成する方
法がある（特許文献４）。

発泡金属の曲げ強度などの機械的強度を向上させる方法として、多孔質金属体の表面部に
、部分的に構造体を圧入固着してなるものが知られている（特許文献５、６）。また、金
属製多孔質材料の表層部に、工具を回転させながら接触させ、更に、圧力を加えて押し込
み、金属製多孔質材料の表面近傍を押しつぶして緻密化し、金属製多孔質材料表面に強化
層を形成する方法がある（特許文献７）。

発泡金属の代表である発泡アルミニウムは、超軽量で優れたエネルギー吸収特性や吸音特
性などの性質を利用して、主に吸音材やアルミニウムハニカム材料の代替材料として使用
されているが、最近、自動車の軽量化に適する構造部材や衝撃吸収材材料として前部フレ
ーム構造、バンパー、ボンネットフード、エンジンカバー等への利用技術の研究開発が進
められている。例えば、衝撃吸収部材としては、金属管の外部に発泡金属を被覆したもの
（特許文献８）、発泡金属を金属管の内部に充填したもの（特許文献９）、エンジンの騒
音を吸収するとともに衝突エネルギーを吸収して衝撃を緩和するエンジンフード構造体（
特許文献１０）などがある。

特開平１１−３０２７６５号公報 特開平６−１４１５１４号公報 特開昭４６−５８８７号公報 特公平６−７３９３１号公報 特開平６−２６９８５１号公報 特表２００６−５２３５３６号公報 特開２００５−１１８８６６号公報 特開２００３−５６６１７号公報 特開２００４−８２８７６号公報 特開２００５−２７１６５５号公報

クローズドセル型発泡金属は、オープンセル型発泡金属に比べて強度は大きいが、同じ金
属の緻密材料に比べて強度が著しく劣るために、その工業的応用が限られており、高強度
のクローズドセル型発泡金属の開発が望まれている。これまで、いくつかの強化法が提案
されているが、工程の複雑化やコストの大幅な上昇を招くため、できるだけ簡単な方法で
高強度化を達成することが工業的に重要である。本発明は、積層材などを使用せずに発泡
アルミニウムなどのクローズドセル型発泡金属成形体の強度を比較的簡単な方法により大
幅に向上させる方法の提供を課題とする。

金属材料を強化する方法としては、熱処理により内部組織を制御する方法や繊維や粒子を
用いて複合化する方法など様々な方法が知られているが、本発明者は、発泡金属のマトリ
ックスではなく、セル構造そのものに注目した。クローズドセル型発泡金属は０．１〜１
０ｍｍのサイズの多数のセルから構成されており、そのセル壁厚は数μｍ〜数百μｍと薄
い。したがって、個々のセルは低圧縮応力で塑性変形し、気孔が完全に潰れてしまうまで
ほぼ一定の応力で変形する。この一定の応力で変形する範囲をプラトー域という。

クローズドセル型発泡金属の強度はセル壁の曲げ剛性に依存する。クローズドセル型発泡
金属を薄肉中空部材の集合と考えたとき、セルが開いた状態になっている材料表面におけ
るセル構造の剛性が最も小さくなる。そこで、本発明は、開いた状態になっている表面部
のセル構造に樹脂を流動状態で充填し硬化させることで開放気孔部分を塞ぎ、表面部に閉
じたセル構造を作り出すことにより発泡金属成形体の強度向上を図った。

すなわち、本発明は、（１）独立気孔を有する発泡金属の切断加工成形体の表面部の開放
気孔部分に熱硬化性又は熱可塑性樹脂を流動状態で充填して硬化させ開放気孔のセル壁に
接合することによって、表面に補強材を積層することなく発泡金属からなる成形体の圧縮
強度を高めることを特徴とする独立気孔を有する発泡金属の強化方法、である。

また、本発明は、（２）樹脂がポリエステルであることを特徴とする上記（１）の発泡金
属の強化方法、である。

また、本発明は、（３）前記切断加工成形体が板状体であり、該板の片面の開放気孔部分
に樹脂を充填し、反対面に補強板を接合することを特徴とする上記（１）の発泡金属の強
化方法、である。

また、本発明は、（４）前記切断加工成形体が円柱状体であり、該円柱状体の外周面の開
放気孔部分に樹脂を充填することを特徴とする上記（１）の発泡金属の強化方法、である
。

また、本発明は、（５）前記切断加工成形体が金属管の外面を被覆した円筒状体であり、
該円筒状体の外周面の開放気孔部分に樹脂を充填することを特徴とする上記（１）の発泡
金属の強化方法、である。

さらに、本発明は、上記（１）〜（５）の何れかの方法により製造されたことを特徴とす
る発泡金属成形体、である。

本発明の方法は、既存のクローズドセル型発泡金属をそのまま利用できるという特徴を有
するため、製造プロセスの変更は全く不要である。また、金属に比べて低比重の樹脂を発
泡金属成形体の表面部の開放気孔部分のみに充填するため、重量の増加を抑制できるだけ
でなく、複雑形状の発泡金属鋳造品の切断加工面にも応用可能である。また、従来のクロ
ーズドセル型発泡金属成形体より圧縮強度を高めることができるので、成型品の肉厚をよ
り薄くすることができる。

クローズドセル型発泡金属成形体のマトリックスとなる金属としては、アルミニウム、チ
タン、マグネシウム、銅、鉄、ニッケル等の単体金属やこれらの合金があげられる。クロ
ーズドセル型発泡金属成形体の気孔率は大きいほど軽量化が図れるが、強度は低下するの
で、工業的には気孔率の大きいものとして９６％程度までのものが製造されている。なお
、気孔率（％）は、１００−（１００×発泡金属の重量）／（発泡金属の体積×発泡金属
の比重）で示される。また、気孔率が小さいと強度は大きくなるが、軽量化の効果は小さ
くなるので建材などの構造材料として使用する場合は５０％程度以上が好ましい。

クローズドセル型発泡金属の代表的な製法は、マトリックス金属を溶融させ、カルシウム
、ストロンチウムなどの活性金属を添加して攪拌し、該活性金属を酸化物に変化させマト
リックス金属の増粘をはかって、次に水素化チタン等の発泡剤を加えて攪拌下に発泡させ
る方法である。発泡した溶湯を冷却すると凝固して発泡金属、すなわち多孔質金属体が得
られる。凝固に際して所定の鋳型に注入することにより、又はその後に切断加工すること
により任意の形状の発泡金属成形体とすることができる。

クローズドセル型発泡金属の気孔率は増粘処方や発泡剤の種類や量により適宜に制御でき
る。本発明にあっては５０〜９６％程度の発泡金属材料が使用される。気孔率が９６％を
越えると機械的強度が弱くなる。特に、気孔率が８０〜９６％の機械的強度が弱い発泡金
属が本発明の方法の適用対象として好ましい。

クローズドセル型発泡金属成形体の形状は、板状、柱状、棒状やその他の複雑形状を溶融
金属を鋳造して作製したもの、板状体や棒状体を加工したものなど任意である。市販され
ている好適なクローズドセル型発泡アルミニウム素材としては、Ｚｎ，Ｔｉ，Ｃａ，Ｍｇ
，Ｃｕ等の合金元素を含有するＡｌ合金からなる商品名アルポラス〔神鋼鋼線工業（株）
製〕を挙げることができる。建材用アルポラスの比重は０．２〜０．３である。

本発明の方法では、クローズドセル型発泡金属成形体の表面に分布した開放気孔部分に樹
脂を流動状態で充填し硬化させる。樹脂としては、発泡金属と濡れ性が良いほど好ましく
、エポキシ樹脂に代表される高強度の熱硬化性樹脂が好ましい。

本発明で充填に使用する熱硬化性又は熱可塑性樹脂は、充填する際に十分に流動性があり
、冷間又は熱間において、硬化するものを用いる。また、硬化後、発泡金属成形体に引張
、圧縮、曲げ等の荷重を付加しても、樹脂とマトリックスの接合が保持され、樹脂自体の
変形・破壊も起こらないものを用いる。つまり、接合強度及び樹脂自体の強度は、発泡金
属自体の強度を上回るものとする。

樹脂自体の強度が高いほど、本発明における高強度化の効果は高くなる。ただし、熱硬化
性樹脂は、表面部の気孔に流動状態で充填後に加熱して硬化させる必要があるため、大型
の成形体への適用が難しく、コストも増加する。コストと効果のバランスを考慮すると熱
可塑性樹脂が好ましく、特に、低価格のポリエステル樹脂が好ましい。また、発泡金属の
外見の美しさを重視する場合には、透明な樹脂を用いることができる。

樹脂を充填する場合は、発泡金属成形体の表面をアセトン等で脱脂した後、刷毛を使用し
て、流動状態の樹脂を表面部に塗布して開放気孔部分に充填する。クローズドセル型発泡
金属であるため、樹脂は、内部の独立気孔内には浸透しないで表面部の開放気孔を構成す
るセル壁と強固に接合する。フイルム状の樹脂を発泡金属成形体の表面部に接着するだけ
では表面の開放気孔部分に樹脂が充填されないので、発泡金属成形体の高強度化が達成さ
れない。

樹脂の充填は発泡金属成形体の切断加工面に現れる開放気孔部分の全てに行なう場合の他
、発泡金属の用途に応じて、引張り又は圧縮変位が発生する任意の面の開放気孔部分のみ
に選択的に行なってもよい。開放気孔部分の全てを充填すれば強度は最も大きくなる。構
造材としては、強度的に弱い部分を残さないように開放気孔部分の占める全面積を充填す
ることが好ましい。

本発明の方法の具体的な態様としては、例えば、切断加工成形体が板状体の場合、該板の
片面の開放気孔部分に樹脂を充填し、反対面に補強板を接着剤により接合する態様、切断
加工成形体が円柱状体であり、該円柱状体の外周面の開放気孔部分に樹脂を充填する態様
、切断加工成形体が金属管の外面を被覆した円筒状体であり、該円筒状体の外周面の開放
気孔部分に樹脂を充填する態様、などが挙げられる。特に、板状体の場合、荷重がかかり
圧縮応力による変位を受ける側に充填すると効果が大きい。

図１は、本発明の方法を適用したクローズドセル型発泡金属成形体の断面模式図であり、
発泡金属を切断加工して成形体１を形成すると、その表面部には独立気孔２が開口した開
放気孔部分が生じるので、その開放気孔部分に樹脂３を充填する。樹脂３は成形体１の圧
縮される方向に平行な面に存在する開放気孔部分に充填する。

クローズドセル型発泡金属は、緻密な金属と異なり、圧縮変形挙動が独特であり、圧縮変
形の際にほぼ一定の反力を示しつつ変形するプラトー域を有している。衝撃吸収材はこの
ような変形特性を利用している。

図２の（Ａ）は、クローズドセル型発泡金属成形体１の外周面の開放気孔部分に樹脂３を
充填し、金属管４の内部に発泡金属成形体１を挿入した態様を示す。図２の（Ｂ）は、ク
ローズドセル型発泡金属成形体１からなる管の外周面の開放気孔部分に樹脂３を充填し、
発泡金属成形体１の内部に金属管４を挿入した態様を示す。このような発泡金属成形体１
と金属管４との複合材は金属管４の軸方向に印加される荷重に対する衝撃吸収材料として
用いることができる。

図３の（Ａ）、（Ｂ）に示すように、クローズドセル型発泡金属成形体を曲げ加工や筒状
に加工する際に、圧縮される側に本発明の方法を適用し、引張応力を受ける側に金属や樹
脂の薄いシートを補強材５として接着剤により接合して加工すると圧縮による変位を受け
る側が加工により座屈することなく加工を容易に行うことができる。

本発明の方法を適用することによりクローズドセル型発泡金属成形体の圧縮応力値が顕著
に大きくなる理由は明確ではないが、クローズドセル型発泡金属は、セル壁が薄いが、薄
いセル壁が不連続となっている表層部が最も弱いので、表層部近くから座屈が進行すると
考えられるところ、表層部の開放気孔部分に樹脂を充填することにより緻密材料において
表面亀裂を塞ぐことと同等の効果があり、表面部からの座屈の進行が阻止されると考えら
れる。

市販のクローズドセル型発泡アルミニウム（ALPORAS；神鋼鋼線工業（株）の商品名；気
孔率８３％）を１０×１０×１５ｍｍの角柱状にファインカッターを用いて切り出し、２
個の発泡アルミニウム成形体からなる試験片を作製した。１０×１５ｍｍの切断加工表面
について、開放気孔は約４０個であり、１０×１５ｍｍの表面積に対してその占める合計
表面積割合は約７０％であった。

一方の試験片をそのまま比較例とし、他方の試験片の圧縮軸に平行な４面の開放気孔全て
にポリエステル樹脂（丸本ストルアス社製冷間埋込樹脂Ｎｏ．１０５）と硬化剤とからな
る流動性の混合物を刷毛で塗布した後、室温で放置して硬化させ、はみ出した部分をヤス
リで削りとることにより開放気孔部分の全部に充填した。なお、圧縮軸と直角な２面の開
放気孔部分６には樹脂を充填しなかった。図４に、樹脂を充填後の試験片の外観模式図を
示す。この試験片を、１５ｍｍの長さをもつ方向を圧縮軸方向と一致させ、一軸圧縮試験
機（島津製作所製オートグラフＡＧＳ−１０００Ａ型試験機）によりクロスヘッドスピー
ドを１ｍｍ／ｍｉｎ一定として試験を行った。

図５に、実施例及び比較例の公称ひずみと公称応力の関係を示す。実施例の発泡アルミニ
ウム成形体は、弾性変形、次いで、座屈、均一変形を繰り返しながら圧縮されることが分
かる。実施例では約１０％ひずみにおいて１７ＭＰａほどの大きなピーク応力値を示して
いるが、比較例は明確なピークを示さず、同じひずみにおいて４ＭＰａほどのピーク応力
でしかない。本実施例では、発泡アルミニウム成形体の圧縮強度を４倍以上高めたことに
なる。

本発明の方法によりクローズドセル型発泡金属成形体の強度を製品加工前のみならず製品
加工後にも向上させることができるので、建材、自動車の前部フレーム構造、バンパー、
ボンネットフードなどの構造部材、ロボットアーム、宇宙航空材料など超軽量で高強度を
要する部材を簡単な方法で提供することができる。

本発明の方法を適用したクローズドセル型発泡金属成形体の断面模式図である。 金属管とクローズドセル型発泡金属成形体とを組み合わせた態様を示す断面模式図である。 本発明の方法の一態様を示すクローズドセル型発泡金属成形体の加工方法の模式図である。 実施例において、樹脂を充填した後の試験片の外観模式図である。 実施例及び比較例の発泡アルミニウム成形体の応力ひずみ曲線を示すグラフである。

符号の説明

１ 発泡金属成形体
２ 気孔
３ 充填された樹脂
４ 金属管
５ 補強材
６ 開放気孔部分

Claims (6)

1. 独立気孔を有する発泡金属の切断加工成形体の表面部の開放気孔部分に熱硬化性又は熱可
   塑性樹脂を流動状態で充填して硬化させ開放気孔のセル壁に接合することによって、表面
   に補強材を積層することなく発泡金属からなる成形体の圧縮強度を高めることを特徴とす
   る独立気孔を有する発泡金属成形体の強化方法。
2. 樹脂がポリエステルであることを特徴とする請求項１記載の発泡金属成形体の強化方法。
3. 前記切断加工成形体が板状体であり、該板の片面の開放気孔部分に樹脂を充填し、反対面
   に補強板を接合することを特徴とする請求項１記載の発泡金属成形体の強化方法。
4. 前記切断加工成形体が円柱状体であり、該円柱状体の外周面の開放気孔部分に樹脂を充填
   することを特徴とする請求項１記載の発泡金属成形体の強化方法。
5. 前記切断加工成形体が金属管の外面を被覆した円筒状体であり、該円筒状体の外周面の開
   放気孔部分に樹脂を充填することを特徴とする請求項１記載の発泡金属成形体の強化方法
   。
6. 請求項１〜５の何れかの方法により製造されたことを特徴とする発泡金属成形体。

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