JP2012036503A - 開放−多孔性金属フォーム及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】開放−多孔性金属フォーム及びその製造方法が開示される。
【解決手段】本発明による開放−多孔性金属フォームは、１５重量％以上のクロム及び５重量％以上のアルミニウムが含まれている、鉄基盤合金から形成される。開放−多孔性金属フォームは、製造時、クロム及びアルミニウムが含まれていないかまたは粉末内でより少なく含まれている、鉄または鉄基盤合金からなる半製品として、その表面及び開放型気孔が鉄−クロム−アルミニウム合金の粉末及び有機結合剤で均一にコーティングされる。還元雰囲気で熱処理時、焼結が行われる。この時、拡散によって、半製品と粉末の間に合金元素の濃度補償が行われることにより、鉄−クロム−アルミニウム合金からなる金属発泡体が得られ、前記金属フォーム内のクロム及びアルミニウムの含有量は使用された粉末の出発合金に含まれたものより少ない。
【選択図】図１

Description

本発明は金属フォームに関するものであり、より詳しくは開放−多孔性金属フォームに関する。

金属フォームは、低い重量及び多孔性（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）により多様な分野に用いることができる。特に、金属フォームは化学的プロセスのために触媒活性されたり環境工学などで使用でき、濾過のための用途に使用できる。

また、金属フォームは、相対的に高い温度及び苛酷な周辺環境で使用される場合が頻繁である。このような場合に、金属フォームは７００℃以上の高い温度、特に、１０００℃以上の高温のように大部分の金属及び金属合金が長時間安定的に存在しにくい温度でも耐えられなければならない。

金属フォームは、製造費用の側面で一般の耐熱性金属または耐熱性金属合金に比べて高温用として適用するのに有利である。

一方、金属フォームは多様な方式で製造できる。従来は各々の金属を利用して粉末形態に製造された生素地（ｇｒｅｅｎ ｂｏｄｙ）を焼結することによって費用をより節減することができる。

しかしながら、完成された金属フォームに必要な全ての特性が焼結プロセス（ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）によってのみ満たされるわけにはいかない。

そのために、金属フォームの表面を以後にコーティングし改質させることが公知されている。これは通常ニッケルから形成された金属フォームで要求される。

従来の技術において、ニッケルまたは鉄から形成され、少なくとも鉄またはニッケルの混成結晶または金属間化合物相（ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ ｐｈａｓｅ）に形成されることができる他の金属でコーティングされる開放−多孔性成形体が開示されている。

完成された開放−多孔性成形体は、相違した熱的、機械的、及び化学的特性を有する少なくとも２つの相に形成された。

また、従来の技術において、鉄−クロム−アルミニウム合金から形成された金属フォームの使用が開示されたことがあり、前記金属フォームの上には触媒作用を果たす金属酸化物層が形成される。しかし、使用される合金については具体的に開示されたところがなく、各々の金属が合金内においていかなる比率で含まれているか、そして金属フォームの製造がどのように行われているかについても依然として未決のままになっていた。

また、特に、アルミニウムの比率が相対的にさらに高いそのような合金は焼結できなかったり、焼結することがかなり難しい。

本発明は前記の問題点を解決するために考案されたものであって、従来の金属フォームより改善された材料的特性を有し、特に、より高い温度で使用できるだけでなく、酸化に安定な開放−多孔性金属フォームを提供することにその目的がある。

前記目的を達成するための本発明の好ましい一実施形態による開放−多孔性金属フォームは、１５重量％以上のクロム及び５重量％以上のアルミニウムを含む鉄基盤合金から形成される。

前記フォームのウェブ（ｗｅｂ）要素は気密方式で形成されることを特徴とする。

前記鉄基盤合金はニッケルを含んでおり、前記ニッケルの最大含量は、構造物内にアルファ（α）−構造が存在するように維持されることを特徴とする。

本発明に係る開放−多孔性金属フォームは、比表面積（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ）が１０ｍｍ^２／ｍｍ^３乃至２５ｍｍ^２／ｍｍ^３であり、開放気孔に向かうウェブ要素の表面の粗度は５０μｍ乃至２００μｍであることを特徴とする。

また、前記開放−多孔性金属フォームは、イットリウム（Ｙ）、ハフニウム（Ｈｆ）、マンガン（Ｍｎ）、シリコン（Ｓｉ）、及びジルコニウム（Ｚｒ）の中から選択された少なくとも１つの合金元素を０重量％超過１重量％未満に含有することを特徴とする。

本発明の好ましい他の実施形態による開放−多孔性金属フォームの製造方法は、クロム及びアルミニウムが含まれていないかまたは鉄−クロム−アルミニウム合金の粉末内の量より少なく含まれている、鉄または鉄基盤合金からなる半製品を提供する段階、前記鉄または鉄基盤合金からなる半製品の表面及び開放型気孔を鉄−クロム−アルミニウム合金の粉末及び有機結合剤で均一にコーティングする段階、前記コーティングされた鉄または鉄基盤合金からなる半製品を還元雰囲気で３００℃乃至６００℃の温度で熱処理して有機成分を排出する段階、前記有機成分が排出された鉄または鉄基盤合金からなる半製品を９００℃以上の温度で焼結する段階を含む。

前記半製品は、前記鉄または鉄基盤合金が電気メッキ方式で有機開放−多孔性フォーム上に蒸着されたフォームが使用されることを特徴とする。

また、前記粉末は、平均粒度が２０μｍ乃至５０μｍであることを特徴とする。

また、前記焼結時に拡散によって前記半製品と前記粉末の間に合金元素の濃度補償が行われることにより鉄−クロム−アルミニウム合金からなる金属フォームが形成され、前記金属フォーム内のクロム及びアルミニウムの含量は使用された前記粉末の出発合金に含まれたものより少ないことを特徴とする。

前記焼結は５Ｋ／ｍｉｎの加熱速度で１３００℃まで加熱され、前記温度は少なくとも３０分間持続することを特徴とする。

本発明に係る開放−多孔性金属フォームは単一相（ｓｉｎｇｌｅ−ｐｈａｓｅ）材料で形成されるので、均一な熱的、機械的、及び化学的特性を有するだけでなく、優れた可鍛性及び低い脆性を有する。

また、空気中の予備酸化によって保護性酸化アルミニウム層を形成することにより、耐老朽化性を増進させることができる。

本発明に係る金属フォームのウェブ（ｗｅｂ）要素表面の拡大された横断面図である。

本発明の利点及び特徴、そしてそれを達成する方法は、添付される図面と共に詳細に後述されている実施形態を参照すれば明確になる。しかし、本発明は、以下で開示される実施形態に限られるわけではなく、互いに異なる多様な形態に実現することができ、単に、本実施形態は本発明の開示が完全になるようにし、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は請求項の範疇によってのみ定義される。明細書全体にかけて同一参照符号は同一構成要素を称す。

以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい開放−多孔性金属フォームについて説明する。参考までに、本発明を説明することにおいて、関連する公知機能あるいは構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不要に濁す可能性があると判断される場合、その詳細な説明を省略する。

本発明の好ましい実施形態による開放−多孔性金属フォームは、１５重量％以上のクロム及び５重量％以上のアルミニウムが含まれている、鉄基盤合金から形成される。

前記クロム（Ｃｒ）は、鉄基盤合金内に含まれることによって多様な雰囲気での耐食性と高温耐酸化性を付与することができる。

また、アルミニウム（Ａｌ）も鉄基盤合金内に含まれることにより、高温に露出される環境でアルミニウムの酸化物などを鉄基盤合金の表面に形成することができる。

前記鉄基盤合金には、高温耐酸化性のために、２０重量％以上のクロム及び６重量％以上のアルミニウムが含まれるのがより好ましい。

前記クロム及びアルミニウムが含まれた鉄基盤の合金はＦｅｃｒａｌｌｏｙを用いることができる。

前記金属フォームの製造時、開放−多孔性金属フォームが鉄または鉄基盤合金からなる半製品として使用されても良い。前記合金はクロムとアルミニウムを含有しなかったり、少なくともクロム及びアルミニウムの含量は他の製造方法で使用される粉末に含まれたものに比べてさらに少なくても良い。

前記半製品の表面及び開放型気孔は、鉄−クロム−アルミニウム合金の粉末及び有機結合剤から形成された懸濁液で均一にコーティングされる。

前記懸濁液でコーティングされた前記半製品を乾燥した後、還元雰囲気で熱処理時、３００℃乃至６００℃の温度で先に有機成分が排出される。

その後、９００℃以上の温度で焼結工程が行われる。この場合、焼結時に拡散によって前記半製品と前記粉末の間に合金元素の濃度補償が行われることによって、鉄−クロム−アルミニウム合金からなる金属フォームが形成され、前記金属フォーム内のクロム及びアルミニウムの含量は使用された粉末の出発合金に含まれているものより少ない。

前記粉末状態の合金及びその体積は、前記半製品の材料の体積及び鉄基盤合金の場合にその合金組成を考慮した上で、完成された金属フォーム材料内に所望の含量の合金元素が含まれるように選択される。

粉末の出発合金から出発して、焼結時に合金元素の拡散によって「稀釈」が行われ、その結果、各々の含量が粉末合金の場合よりさらに少ない。

半製品の材料内には鉄以外にニッケルが含まれても良い。この場合、鉄基盤合金内のニッケルの最大含量は、構造物内にアルファ（α）−構造が存在するように選択されなければならない。しかし、ガンマ（γ）−構造に対してはさらに少ない含量が許容される。

その結果、通常のニッケルの最大含量は５重量％になることができる。

前記構造物内に存在するアルファ（α）−構造は、焼結工程の後、酸化雰囲気で行われる熱処理時に保護酸化物層の形成のために、特にアルミニウムなどの元素の拡散時に非常に好ましく作用する。

前記のように拡散が改善されることによって、焼結時に半製品材料と粉末合金の間での濃度補償が簡素化及び加速化される。

フォームの全てのウェブ（ｗｅｂ）要素が気密方式で形成されることも好ましい。これは、鉄または鉄基盤合金が電気メッキ方式で有機開放−多孔性発泡体上に蒸着されたフォームが半製品として使用されることによって達成できる。

本発明による金属発泡体は、比表面積（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ）が１０ｍｍ^２／ｍｍ^３乃至２５ｍｍ^２／ｍｍ^３であり、開放気孔に向かうウェブ要素の表面の粗度が５０μｍ乃至２００μｍの範囲を有することができる。

本発明による金属フォームを形成する完成された材料には、０重量％超過１重量％未満の含量を有する他の合金元素が含まれても良い。そのような元素は、イットリウム（Ｙ）、ハフニウム（Ｈｆ）、マンガン（Ｍｎ）、シリコン（Ｓｉ）、及びジルコニウム（Ｚｒ）の中から選択された少なくとも１つであることができる。

本発明の好ましい他の実施形態による開放−多孔性金属フォームの製造方法は、クロム及びアルミニウムが含まれていなかったり鉄−クロム−アルミニウム合金の粉末内の量より少なく含まれている、鉄または鉄基盤合金からなる半製品を提供する段階、前記鉄または鉄基盤合金からなる半製品の表面及び開放型気孔を鉄−クロム−アルミニウム合金の粉末及び有機結合剤で均一にコーティングする段階、前記コーティングされた鉄または鉄基盤合金からなる半製品を還元雰囲気で３００℃乃至６００℃の温度で熱処理して有機成分を排出する段階、及び前記有機成分が排出された鉄または鉄基盤合金からなる半製品を９００℃以上の温度で焼結する段階を含む。

本発明の場合、開放−多孔性金属フォームの製造時、および半製品の表面をコーティングするための懸濁液の調剤のために、平均粒度が２０μｍ乃至５０μｍである粉末を使用することができる。

また、前記金属フォームの製造のための焼結時、５Ｋ／ｍｉｎの加熱速度で１３００℃の最大温度まで加熱することができ、前記最大温度は少なくとも３０分間、好ましくは６０分間持続することができる。

本発明の焼結時、短時間内に達成できる拡散によって、半製品の材料に含まれている金属元素と粉末合金内に含まれている金属元素の間に達成できる濃度補償が非常に好ましく作用する。

それによって焼結が加速化され、必要時間を短縮することができる。合金元素の濃度補償は拡散によってのみ行われる。

完成された金属フォームの金属合金は体積全体にかけて均一であり、高温酸化に対して耐性を有する。

支持構造物を形成する気密性ウェブ（ｗｅｂ）要素は増加された機械的強度を有する。前述の粉末が含まれている懸濁液が提供された表面には、粉末粒子形状に相応する粗い表面が現れる。それによって金属フォームの比表面積が増加し、多様な分野に応用するための流動運動特性を改善することができる。

また、前記金属フォームのウェブ要素の気密性により、焼結によってのみ製造されることによって残余気孔性の回避できない金属フォームに比べて耐食性を改善することができる。

本発明による金属フォームは単一相（ｓｉｎｇｌｅ−ｐｈａｓｅ）材料から形成されるので、均一な熱的、機械的、及び化学的特性を有するだけでなく、優れた可鍛性及び低い脆性を有する。

また、空気中予備酸化によって、耐老朽化性を増加させられる保護性酸化アルミニウム層を形成することができる。

下記では、実施形態を参照して本発明をより詳しく説明する。

開放−多孔性金属フォームの製造時、まず、ポリウレタンになる有機フォーム上に電気メッキ法で５％がッケルが含まれている鉄−基盤合金から形成された半製品を使用した。

気孔率は９４％であった。横（Ｌ）×縦（Ｂ）×厚さ（Ｔ）の寸法は３００ｍｍ×２００ｍｍ×１.５ｍｍであった。

金属フォームの製造のために、３５重量％のクロム及び９.５重量％のアルミニウムを含む鉄−クロム−アルミニウム合金の金属粉末５０ｇを使用した。さらに、１％ポリビニルピロリドン水溶液５０ｍｌを調剤した。

この水溶液を、金属フォームとして提供された半製品に噴霧した後、吸水性支え台に対して圧着して、気孔から過剰有機結合剤を除去した。

その結果、半製品の開放−多孔性構造物のウェブ要素表面のみが湿潤され、気孔は満たされなかった。

次いで、前記のように処理した半製品を振動装置内に固定し、その表面に金属粉末を撒いた。振動によって、金属粉末が多孔性網内及びウェブ要素表面に均一に分布することができ、その結果、ウェブ要素表面全体が粉末粒子によって完全に覆われながらも、開放−多孔性は維持されることができた。

前記のように前処理された半製品を水素雰囲気で熱処理した。この場合、５Ｋ／ｍｉｎの加熱速度で温度を増加させた。その結果、３００℃乃至６００℃の温度範囲で有機成分が排出されることができた。

焼結工程のための焼結温度は９００℃の温度でセッティングした。この温度を最大１３００℃まで上げて６０分間維持した。

この時に使用された粉末の合金元素を、元素濃度の完全な補償が達成される時まで半製品の材料内に、つまり、半製品のウェブ要素内に拡散させた。

前記のように完成された開放−多孔性金属フォームは、鉄以外にも２２重量％のクロム、６重量％のアルミニウム、及び３重量％未満のニッケルを含む鉄−クロム−アルミニウム合金から形成された。

酸素含有量は０.２重量％未満であって非常に微々たる物であり、水素含有量もまた０.０５重量％であって非常に低かった。前記金属フォームは依然として９１％の気孔率を保有しており、ウェブ要素は気密性を有していた。

前記金属フォームは空気中１１００℃以下の温度で耐酸化性を有していた。

水素含有量が非常に低いため、妨害となるカーバイドの形成も発生されなかった。

図１は、前記のように製造された金属フォームのウェブ要素の表面横断面が示された図である。前記図１によれば、以前には本発明による製造プロセスによって変動していなかったウェブ要素の空洞側表面が滑らかであり、非常に低い表面粗度を有することを確認することができた。

これに反し、ウェブ要素の外側表面はここに焼結された粉末粒子によって遥かに粗かった。隣接する粒子の間のリセス（ｒｅｃｅｓｓｅｓ）は５０μｍ乃至２００μｍの深さを有していた。この時の材料密度はウェブ要素の体積全体にわたって同一及び均一であった。

本発明は改善された熱的、機械的、及び化学的特性を有する開放−多孔性金属フォームを提供することができ、特に、より高い温度で使用されると共に酸化に安定している開放−多孔性金属発泡体を提供することができる。

以上で本発明の実施形態を説明したが、本発明が属する技術分野にて通常の知識を有する者は本発明がその技術的な思想や必須の特徴を変更せずに他の具体的な形態に実施できるということを理解することができるのであろう。

したがって、以上で説明した実施形態は全ての面で例示的なものであり、限定的ではないことを理解しなければならない。本発明の範囲は前記詳細な説明より後述の特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の意味及び範囲そしてその均等概念から導き出される全ての変更または変更された形態が本発明の範囲に含まれるものと解釈されなければならない。

Claims (14)

1. １５重量％以上のクロム及び５重量％以上のアルミニウムを含む鉄基盤合金から形成された開放−多孔性金属フォーム。
2. フォームのウェブ（ｗｅｂ）要素は気密方式で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の開放−多孔性金属フォーム。
3. 前記鉄基盤合金はニッケルを含み、前記ニッケルの最大含有量は構造物内にアルファ（α）−構造が存在するように維持されることを特徴とする、請求項１または２に記載の開放−多孔性金属フォーム。
4. 比表面積（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ）が１０ｍｍ^２／ｍｍ^３乃至２５ｍｍ^２／ｍｍ^３であり、開放気孔に向かうウェブ要素の表面の粗度は５０μｍ乃至２００μｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の開放−多孔性金属フォーム。
5. 比表面積（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ）が１０ｍｍ^２／ｍｍ^３乃至２５ｍｍ^２／ｍｍ^３であり、開放気孔に向かうウェブ要素の表面の粗度は５０μｍ乃至２００μｍであることを特徴とする、請求項３に記載の開放−多孔性金属フォーム。
6. イットリウム（Ｙ）、ハフニウム（Ｈｆ）、マンガン（Ｍｎ）、シリコン（Ｓｉ）、及びジルコニウム（Ｚｒ）の中から選択された少なくとも一つの合金元素を０重量％超過１重量％未満に含有することを特徴とする、請求項１、２、及び５のうちのいずれか一つに記載の開放−多孔性金属フォーム。
7. イットリウム（Ｙ）、ハフニウム（Ｈｆ）、マンガン（Ｍｎ）、シリコン（Ｓｉ）、及びジルコニウム（Ｚｒ）の中から選択された少なくとも一つの合金元素を０重量％超過１重量％未満に含有することを特徴とする、請求項３に記載の開放−多孔性金属フォーム。
8. イットリウム（Ｙ）、ハフニウム（Ｈｆ）、マンガン（Ｍｎ）、シリコン（Ｓｉ）、及びジルコニウム（Ｚｒ）の中から選択された少なくとも一つの合金元素を０重量％超過１重量％未満に含有することを特徴とする、請求項４に記載の開放−多孔性金属フォーム。
9. クロム及びアルミニウムが含まれていないかまたは鉄−クロム−アルミニウム合金の粉末内の量より少なく含まれている、鉄または鉄基盤合金からなる半製品を提供する段階；
   前記鉄または鉄基盤合金からなる半製品の表面及び開放型気孔を鉄−クロム−アルミニウム合金の粉末及び有機結合剤で均一にコーティングする段階；
   前記コーティングされた鉄または鉄基盤合金からなる半製品を還元雰囲気で３００℃乃至６００℃の温度で熱処理し、有機成分を排出する段階；及び
   前記有機成分が排出された鉄または鉄基盤合金からなる半製品を９００℃以上の温度で焼結する段階を含む開放−多孔性金属フォームの製造方法。
10. 前記半製品は、前記鉄または鉄基盤合金が電気メッキ方式で有機開放−多孔性フォーム上に蒸着されたフォームが使用されることを特徴とする、請求項９に記載の開放−多孔性金属フォームの製造方法。
11. 前記粉末は平均粒度が２０μｍ乃至５０μｍであることを特徴とする、請求項９または１０に記載の開放−多孔性金属フォームの製造方法。
12. 前記焼結時、拡散によって前記半製品と前記粉末の間に合金元素の濃度補償が行われることによって鉄−クロム−アルミニウム合金からなる金属フォームが形成され、前記金属フォーム内のクロム及びアルミニウムの含有量は、使用された前記粉末の出発合金に含まれたものより少ないことを特徴とする、請求項９に記載の開放−多孔性金属フォームの製造方法。
13. 前記焼結は５Ｋ／ｍｉｎの加熱速度で１３００℃まで加熱され、前記温度は少なくとも３０分間持続することを特徴とする、請求項９、１０、及び１２のうちのいずれか一つに記載の開放−多孔性金属フォームの製造方法。
14. 前記焼結は５Ｋ／ｍｉｎの加熱速度で１３００℃まで加熱され、前記温度は少なくとも３０分間持続することを特徴とする、請求項１２に記載の開放−多孔性金属フォームの製造方法。