JP4025281B2 - 金属部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、内部に微細な貫通孔を備える金属部材の製造方法に関するものである。

プラスチックの射出成形、金属の鋳造等に用いられる金型として、内部に冷却または加熱のための媒体が流通する管路を備えているものがある。

前記金型等のように、内部に前記管路等の空隙を備える金属部材は、従来、金属粉末射出成形法（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）または精密鋳造法により形成されている。しかし、前記の方法は、いずれもそれ自体が金型を用いて製造する方法であるため、形成可能な空隙の形状と大きさとについて制約があり、前記管路として複雑な形状の空隙または微小な空隙を形成することが難しいとの問題がある。

一方、基体金属上に第１の金属材料を配置し、該基体金属と第１の金属材料との上に、第１の金属材料よりも融点の高い第２の金属材料を溶射して、溶射金属層を形成した後、第１の金属材料の融点よりも高く、第２の金属材料の融点よりも低い温度に加熱して第１の金属材料を溶解し、第１の金属の形状に対応する空間部を備える複合金属体を製造する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。

ところが、前記の方法では、第１の金属材料の上に形成される第２の金属材料の層は、溶射により形成されるため、所望の厚さの層を形成するには、大きなエネルギーと時間とを要するとの問題がある。

前記問題を解決するために、本発明者らは、内部に微小な空隙を備える金属部材の製造方法について、既に特許出願している。前記製造方法は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉ等の第１の金属の粉末中に、第１の金属よりも融点の低いＡｌ等の第２の金属からなる成形体を埋設して、該成形体を内包する粉末成形体を形成し、該粉末成形体を、第１の金属の融点より低く、第２の金属の融点より高い温度で加熱するというものである。このようにすると、第２の金属が溶融されて、溶融した第２の金属が第１の金属の粉末の間隙に移動し、第２の金属からなる成形体が占めていた領域に空隙が形成される一方、第１の金属の粉末と溶融した第２の金属とを焼結して固化せしめられ、内部に微小な空隙を備える金属部材を容易に形成することができる（特願２００３−７８２４０明細書参照）。

このような方法によれば、第２の金属の成形体を曲線状あるいは折れ曲がって蛇行した形状等としておくことにより、前記金属成形体の内部に第２の金属の成形体に対応する形状の空隙が形成されるので、該空隙を冷媒または熱媒が流通する管路として利用することができる。また、第１の金属としてＮｉを用い、第２の金属としてＡｌを用いる場合には、前記空隙の表面にＮｉとＡｌとの金属間化合物であるニッケルアルミナイドからなる被覆層を形成することができる。

ところで、近年、電子機器等では一層の軽量化、小型化が要請されている。そこで、前記電子機器等の部品にＡｌ、Ｍｇまたはその合金等の軽金属が使用されることが多くなっている。また、前記電子機器等の部品では、該軽金属からなる金属成形体に熱交換機能を付与することが望まれる。

しかしながら、特願２００３−７８２４０明細書記載の方法において、第１の金属としてＡｌまたはその合金等の軽金属を用いようとすると、Ａｌまたはその合金の粉末にはその表面に酸化被膜が形成されており、前記粉末成形体を形成することが難しいという不都合がある。
特開平１１−２７９７４２号公報 特開平１０−２１９４７４号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、内部に微細な貫通孔を備える金属部材を容易に製造することができる方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明の金属部材の製造方法は、第１の金属からなる成形体中に、第１の金属よりも融点の低い第２の金属からなる線材を、該成形体の長さ方向に沿って貫通させて配設し、該線材を内包する予備成形体を形成する工程と、該予備成形体を長さ方向に沿って延伸することにより、該線材を内包して長さに垂直な方向の断面積が低減されている長尺状部材を形成する工程と、該長尺状部材を、第１の金属の融点より低く、第２の金属の融点より高い温度で加熱し、該線材を溶融して、第２の金属を第１の金属に固溶せしめ、該線材が占めていた領域に空隙を形成することにより、内部に微細な貫通孔を備える金属部材を形成する工程とからなることを特徴とする。

本発明の製造方法では、まず、前記第１の金属からなる成形体中に、第１の金属よりも融点の低い第２の金属からなる線材を、該成形体の長さ方向に沿って貫通させて配設する。前記線材は、前記第１の金属からなる成形体に長さ方向に沿って予め貫通孔を形成し、該貫通孔に嵌着せしめられることにより、該成形体中に配設するようにしてもよく、前記貫通孔に第２の金属の溶湯を注入して固化せしめることにより、該成形体中に配設するようにしてもよい。このようにすることにより、前記線材を内包する予備成形体が形成される。

次に、前記予備成形体を長さ方向に沿って延伸し、長さに垂直な方向の断面積が低減された長尺状部材を形成する。前記予備成形体は、前記線材を内包しているので、前述のように延伸すると、前記線材もまた該予備成形体に対する前記長尺状部材と同一の比率で長さに垂直な方向の断面積が低減される。この結果、断面積が低減された前記線材を内包し、前記予備成形体に対して断面積が低減された長尺状部材が形成される。

前記延伸は、前記第１の金属からなる成形体が円柱状体であるときには、前記予備成形体に長さ方向に沿って押出加工または線引き加工を施すことにより行われる。また、前記成形体が板状体であるときには、前記予備成形体に長さ方向に沿って圧延加工を施すことにより行われる。

そこで、次に、前記長尺状部材を第１の金属の融点より低く、第２の金属の融点より高い温度で加熱すると、前記第２の金属からなる線材が溶融して、第２の金属が第１の金属に固溶せしめられ、該線材が占めていた領域に空隙が形成される。前記線材は、前記長尺状部材内にその長さ方向に沿って貫通して配設されているので、前記の結果として、内部に微細な貫通孔を備える金属部材を形成することができる。

また、本発明の製造方法は、溶融した第２の金属が第１の金属に固溶することによって形成される合金または金属間化合物により、前記線材が占めていた領域に形成された空隙の表面を被覆する被覆層を形成することを特徴とする。

従来、反応により金属間化合物を形成する混合金属粉末を金属材料の表面に塗布して加熱することにより、該金属材料の表面に該混合金属粉末から生成した金属間化合物からなる被覆層を形成する方法が知られている（例えば、前記特許文献２参照）。しかし、このような方法では、金属部材の内部に形成された空隙の表面に、前記金属間化合物からなる被覆層を形成することは難しい。

この点、本発明の製造方法によれば、前記第１の金属からなる成形体内に配設された前記第２の金属からなる線材を溶融することにより、前記第１の金属に固溶させることができる。従って、第１の金属と第２の金属とから合金または金属間化合物を生成させることにより、前記第２の金属が占めていた領域に形成される空隙の表面に、該合金または金属間化合物からなる被覆層を容易に形成することができる。

本発明の製造方法では、内部に微細な貫通孔を備える金属部材を形成するために、前記第１の金属としてはＡｌまたはその合金を用いることができ、前記第２の金属としてはＺｎ、Ｓｎまたはその合金からなる群から選択される１種の金属を用いることができる。

また、本発明の製造方法では、内部に微細な貫通孔を備える金属部材の少なくとも一部を第３の金属で鋳ぐるみする工程を備えることを特徴とする。このようにすることにより、内部に微細な貫通孔を備える鋳ぐるみ成形体を容易に得ることができる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１乃至図４は第１の実施形態の工程説明図であり、図５乃至図７は第２の実施形態の工程説明図である。

次に、本発明の第１の実施形態について説明する。

本実施形態では、まず、図１（ａ）に斜視図を、図１（ｂ）に断面図を示すように、例えば純アルミニウムまたはアルミニウム合金等の第１の金属からなる円柱状の成形体１に、複数の貫通孔２を穿設する。そして、貫通孔２に前記第１の金属よりも融点の低い第２の金属からなる線材３を嵌入する。あるいは、貫通孔２に前記第２の金属の溶湯を注入して固化させることにより線材３を形成するようにしてもよい。

この結果、図２（ａ）に斜視図を、図２（ｂ）に断面図を示すように、円柱状の成形体１の内部に複数の線材３が配設された予備成形体４が形成される。前記第１の金属が純アルミニウムまたはアルミニウム合金である場合、前記第２の金属としてはＺｎ、Ｓｎまたはその合金からなる群から選択される１種の金属を用いることができる。

次に、線材３が配設された予備成形体４を、その長さ方向に沿って押出加工することにより延伸し、図３に示すように、長さ方向の断面積が予備成形体４の１／４〜１／９００００００に低減された長尺状の線材５を形成する。線材５では、前記押出加工の結果、線材３もまた長さ方向の断面積が元の断面積の１／４〜１／９００００００に低減されている。

次に、線材５を例えば図４に示すようにコイル状として、コイル状部材６を形成する。そして、得られたコイル状部材６を、第１の金属の融点より低く、第２の金属の融点より高い温度で加熱する。このようにすると、線材５の内部に配設されている線材３が溶融し、第２の金属が第１の金属に固溶すると同時に、線材３が占めていた領域に空隙が形成される。

このとき、線材３は、前述のように長さ方向の断面積が元の断面積の１／４〜１／９００００００に低減されているので、前記空隙の断面積は線材３の前記低減された断面積に対応するものとなる。また、線材３は、長尺状の線材５内にその長さ方向に沿って貫通して配設されているので、内部に微細な貫通孔（図示せず）を備えるコイル状部材６を形成することができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

本実施形態では、図５（ａ）に斜視図を、図５（ｂ）に断面図を示す板状の成形体１１に、複数の貫通孔２を穿設する以外は、前記第１の実施形態と全く同一にして、成形体１１内に前記第１の金属よりも融点の低い第２の金属からなる線材３を配設する。この結果、図６（ａ）に斜視図を、図６（ｂ）に断面図を示す予備成形体１２が形成される。

次に、線材３が配設された予備成形体１２を、その長さ方向に沿って圧延加工することにより延伸し、図７に示すように、長さ方向の断面積が予備成形体１２の１／２〜１／２００に低減された長尺状の薄板材１３を形成する。薄板材１３では、前記圧延加工の結果、線材３もまた長さ方向の断面積が元の断面積の１／２〜１／２００に低減されている。

次に、薄板材１３を、第１の金属の融点より低く、第２の金属の融点より高い温度で加熱する。このようにすると、薄板材１３の内部に配設されている線材３が溶融し、第２の金属が第１の金属に固溶すると同時に、線材３が占めていた領域に空隙が形成される。この結果、前記第１の実施形態と同様に、内部に微細な貫通孔（図示せず）を備える薄板材１３を形成することができる。

尚、前記第２の実施形態では、長尺状の薄板材１３をそのままの形状で加熱するようにしているが、薄板材１３は例えば所定の長さずつ屏風状に折り返した後、前記のように加熱して線材３が占めていた領域に空隙が形成されるようにしてもよい。

また、前記各実施形態で得られた内部に微細な貫通孔を備えるコイル状部材６、前記屏風状に折り返した薄板材１３は、さらにＡｌ、Ｍｇ等の金属で鋳ぐるみにすることにより、Ａｌ、Ｍｇ等からなり内部に微細な貫通孔を備える鋳ぐるみ成形体を容易に形成することができる。

次に、本発明の実施例を示す。

本実施例では、まず、図１（ａ）に斜視図を、図１（ｂ）に断面図を示すように、アルミニウムからなり、直径３２ｍｍ、長さ３５ｍｍの円柱状の成形体１を用意した。そして、成形体１の軸と、該軸を中心とする半径８ｍｍの円周上に正六角形を形成するように、直径２ｍｍの貫通孔２を７個、成形体１の長さ方向に平行に穿設した。

次に、内径３３ｍｍ、深さ５０ｍｍの鉄パイプ（図示せず）の底部に成形体１を配置し、該鉄パイプと成形体１とを約４５０℃に予熱して、同一温度に加熱した溶融亜鉛を各貫通孔２に注入した。次いで、成形体１を冷却することにより、前記溶融亜鉛を固化せしめ、図２（ａ）に斜視図を、図２（ｂ）に断面図を示すように、成形体１内に亜鉛からなる線材３が配設された予備成形体４を形成した。

次に、予備成形体４を３００℃でその軸方向に押出加工して、図３に示すように、直径８ｍｍ、長さ約５００ｍｍの長尺状の線材５を形成した。線材５の内部には、直径が約０．５ｍｍに低減された７本の線材３が、線材５の軸方向に貫通して配設されている。

次に、線材５をコイル状に変形し、図４に示すように、外径５５ｍｍ、高さ５０ｍｍのコイル状部材６を形成した。そして、コイル状部材６を大気中で４４５℃に加熱し、３時間維持した。前記加熱温度は、アルミニウムの融点である６６０℃より低く、亜鉛の融点である４１９℃より高い温度である。

前記温度に加熱することにより、線材５内の線材３を形成している亜鉛が溶融して、コイル状部材６を形成しているアルミニウム中に拡散して固溶し、線材３が占めていた領域にコイル状部材６を貫通する空隙が形成された。また、同時に、前記空隙の表面に、アルミニウム−亜鉛系合金層が形成された。

この結果、内部に直径約０．５ｍｍの貫通流路を備え、該貫通流路の表面にアルミニウム−亜鉛系合金層が形成されている直径８ｍｍのコイル状部材６が得られた。前記貫通流路の表面に形成されたアルミニウム−亜鉛系合金層はビッカース硬度約１０５であり、成形体１を形成するアルミニウムのビッカース硬度約３５の約３倍となっている。前記硬化は、前記貫通流路の表面の耐摩耗性を向上させることとなり、該貫通流路に流体を流通するために好ましい。前記硬化は、亜鉛による固溶強化によるものと考えられる。

本実施例では、まず、図５（ａ）に斜視図を、図５（ｂ）に断面図を示すように、アルミニウムからなり、幅２０ｍｍ、高さ１４ｍｍ、長さ３５ｍｍの直方体の成形体１１を用意した。そして、成形体１１の高さ方向の中心部に約３ｍｍ間隔で、直径２ｍｍの貫通孔２を４個、成形体１１の長さ方向に平行に穿設した。

次に、内寸２１ｍｍ×１５ｍｍ、外寸３０ｍｍ×２５ｍｍの角型鉄パイプ（図示せず）の底部に成形体１１を配置し、該鉄パイプと成形体１１とを約４５０℃に予熱して、同一温度に加熱した溶融亜鉛を各貫通孔２に注入した。次いで、成形体１を冷却することにより、前記溶融亜鉛を固化せしめ、図６（ａ）に斜視図を、図６（ｂ）に断面図を示すように、成形体１１内に亜鉛からなる線材３が配設された予備成形体１２を形成した。

次に、予備成形体１２を２００℃でその軸方向に圧延加工し、図７に示すように、幅２０ｍｍ、高さ１ｍｍ、長さ約４９０ｍｍの長尺状の薄板材１３を形成した。薄板材１３の内部には、幅約０．５ｍｍ、高さ約０．２ｍｍに低減された４本の線材３が、薄板材１３の軸方向に貫通して配設されている。

次に、薄板材１３を大気中で４４５℃に加熱し、３時間維持した。前記加熱温度は、アルミニウムの融点である６６０℃より低く、亜鉛の融点である４１９℃より高い温度である。

前記温度に加熱することにより、薄板材１３内の線材３を形成している亜鉛が溶融して、薄板材１３を形成しているアルミニウム中に拡散して固溶し、線材３が占めていた領域に薄板材１３を貫通する空隙が形成された。また、同時に、前記空隙の表面に、アルミニウム−亜鉛系合金層が形成された。

この結果、内部に幅約０．５ｍｍ、高さ約０．２ｍｍの貫通流路を備え、該貫通流路の表面にアルミニウム−亜鉛系合金層が形成されている薄板材１３が得られた。

本発明の第１の実施形態の工程説明図。 本発明の第１の実施形態の工程説明図。 本発明の第１の実施形態の工程説明図。 本発明の第１の実施形態の工程説明図。 本発明の第２の実施形態の工程説明図。 本発明の第２の実施形態の工程説明図。 本発明の第２の実施形態の工程説明図。

符号の説明

１，１１…成形体、 ２…貫通孔、 ３…線材、 ４，１２…予備成形体、 ５，１３…長尺状部材。

Claims (8)

1. 第１の金属からなる成形体中に、第１の金属よりも融点の低い第２の金属からなる線材を、該成形体の長さ方向に沿って貫通させて配設し、該線材を内包する予備成形体を形成する工程と、
   該予備成形体を長さ方向に沿って延伸することにより、該線材を内包して長さに垂直な方向の断面積が低減されている長尺状部材を形成する工程と、
   該長尺状部材を、第１の金属の融点より低く、第２の金属の融点より高い温度で加熱し、該線材を溶融して、第２の金属を第１の金属に固溶せしめ、該線材が占めていた領域に空隙を形成することにより、内部に微細な貫通孔を備える金属部材を形成する工程とからなることを特徴とする金属部材の製造方法。
2. 前記線材は、前記第１の金属からなる成形体に長さ方向に沿って予め貫通孔を形成し、該貫通孔に嵌着せしめられることにより、該成形体中に配設されることを特徴とする請求項１記載の金属部材の製造方法。
3. 前記線材は、前記第１の金属からなる成形体に長さ方向に沿って予め貫通孔を形成し、該貫通孔に第２の金属の溶湯を注入して固化せしめることにより、該成形体中に配設されることを特徴とする請求項１記載の金属部材の製造方法。
4. 前記第１の金属からなる成形体は円柱状体であり、前記予備成形体は長さ方向に沿って押出加工または線引き加工を施すことにより延伸することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の金属部材の製造方法。
5. 前記第１の金属からなる成形体は板状体であり、前記予備成形体は長さ方向に沿って圧延加工を施すことにより延伸することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の金属部材の製造方法。
6. 溶融した第２の金属が第１の金属に固溶することによって形成される合金または金属間化合物により、前記線材が占めていた領域に形成された空隙の表面を被覆する被覆層を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の金属部材の製造方法。
7. 第１の金属はＡｌまたはその合金であり、第２の金属はＺｎ、Ｓｎまたはその合金からなる群から選択される１種の金属であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の金属部材の製造方法。
8. 前記内部に微細な貫通孔を備える金属部材の少なくとも一部を第３の金属で鋳ぐるみする工程を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の金属部材の製造方法。

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