JP4206569B2

JP4206569B2 - 金属箔の製造方法及び装置

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Publication number: JP4206569B2
Application number: JP18914499A
Authority: JP
Inventors: 廣喜吉澤; 孝行岩崎; 昭博野村; 智俊望月
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1999-07-02
Filing date: 1999-07-02
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2019-07-02
Also published as: JP2001011506A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属粉末を用いて例えば５００ミクロン以下程度の薄板材を製造する金属箔の製造方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、金属粉末を圧延ロールによって圧延することにより、粉末圧延材を製造することが実施されている。しかし、従来の金属粉末を圧延することにより製造している粉末圧延材は、主に数ミリメートル以上の厚さの板を対象とし、５００ミクロン以下のような薄い金属箔の製造は一般的ではなく、まして、１０ミクロン以下の金属箔の製造は知られていない。
【０００３】
また、従来、上記したように圧延により成形した粉末圧延材を、焼結することによって所定の強度に保持させている。粉末圧延材を焼結する方法としては、従来より、その金属の融点Ｔｍに対して２／３Ｔｍの温度以上で加熱することが一般的に知られている。
【０００４】
一方、近年では金属粉末を用いて薄い多孔質の金属箔を製造する方法も種々提案されている。
【０００５】
従来のこの種の金属箔を製造する方法としては、金属粉末を溶剤（バインダー）に混合することにより液状物とし、この液状物を基材上に薄く塗布して乾燥させ、その後焼結することにより金属箔を得るようにしたドクターブレード法がある。
【０００６】
また、従来の金属箔を製造する他の方法としては、繊維状にした金属を用いて織物状に織った後、焼結することにより金属箔を得るようにした織物法がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記ドクターブレード法及び織物法の何れの方法も、作業が繁雑で多数の工程を必要とするために、作業に時間が掛かり、非能率的で生産性が悪いという問題を有していた。
【０００８】
更に、ドクターブレード法及び織物法は、何れも、数十ミクロンといった極めて薄い金属箔を製造することは技術的に大変困難であった。
【０００９】
また、上記したドクターブレード法によって得られた金属箔を、従来の焼結方法のように、融点Ｔｍに対して２／３Ｔｍ以上の温度で加熱することによって焼結した場合には、金属箔が不均一に収縮して波打って変形してしまい、安定した平坦度が得られないという問題があった。
【００１０】
本発明は、かかる従来の問題点を解決すべくなしたもので、薄い多孔質を含めた金属箔を、所定の強度を保持させて能率的に製造できるようにした金属箔の製造方法及び装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、対で設けた圧延ロール間に、一方の圧延ロールの頂部と圧延ロール間隔との間の圧延ロール外周面に下端が接近して粉末供給間隔を形成する堰板を設け、一方の圧延ロールと堰板との間に粉末供給装置により金属粉末を制御して供給し、前記圧延ロール間隔に応じ供給量調節手段により堰板を振動させて厚さ寸法が５〜５００ミクロン、空孔率が１０〜５０％の金属箔に粉末圧延し、続いて金属箔を加熱炉に導いて金属粉末の融点Ｔｍに対し０．３〜０．６６Ｔｍの温度で焼結することを特徴とする金属箔の製造方法、に係るものである。
【００１２】
上記手段において、圧延ロールで圧延した金属箔に孔を空けて空孔率を調節してもよい。
【００１３】
また、本発明は、横方向に対で設けた圧延ロールと、一方の圧延ロールの頂部と圧延ロール間隔との間の圧延ロール外周面に下端が接近して配置されて粉末供給間隔を形成する堰板と、前記一方の圧延ロールと堰板との間に金属粉末を制御して供給する粉末供給装置と、前記堰板を振動させて圧延ロール間隔に供給される金属粉末の量を調節する供給量調節手段と、圧延ロールの下部に配置して圧延ロールにより圧延成形した金属箔を縦に導いて加熱し焼結する加熱炉と、を備えたことを特徴とする金属箔の製造装置、に係るものである。
【００１４】
上記手段において、圧延ロールと加熱炉との間、または加熱炉の後に、成形された金属箔に孔を開ける穿孔装置を備えていてもよい。
【００１５】
穿孔装置は、針を前後に振動させる孔開け機であってもよく、表面に突起歯をもつ回転体による孔開け機であってもよく、レーザによる孔開け機であってもよく、超音波による孔開け機であってもよく、圧縮空気を噴射する孔開け機であってもよい。
【００１６】
上記手段によれば、従来不可能であった５〜５００ミクロン、更には５〜１００ミクロンの極薄の板厚の金属箔を、所要の強度を維持させた状態で、連続的且つ高能率に製造することができる。
【００１７】
また、圧延ロールと加熱炉との間、または加熱炉の後に金属箔加工装置を設けると、金属箔を成形加工したり、孔開け加工することにより金属箔の空孔率を調節することができる。
【００１８】
更に、圧延ロールで圧延した金属箔を、下部に設けた金属箔加工装置及び加熱炉に縦に導くようにしているので、金属箔の自重により張力が作用して金属箔が直線状に成形されやすくなり、また、金属箔が切れたような場合にも、その後の復旧作業が容易になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１は、本発明の多孔質を含む金属箔の製造方法に用いる装置の一例を示したものである。図１に示す粉末圧延装置では、一対の圧延ロール１，２を、所要の圧延ロール間隔３を保持するよう横方向に平行に設けており、圧延ロール１，２の上部には、粉末供給装置４が設けられている。
【００２１】
粉末供給装置４は、一方の圧延ロール１上に金属粉末を供給するコンベヤなどの供給手段５を備えており、且つ、上記一方の圧延ロール１の頂部と圧延ロール間隔３との間の外周面に下端が接近して粉末供給間隔６を形成するようにした堰板７と、該堰板７を振動させるバイブレータ８とからなる供給量調節手段９を備えている。
【００２２】
堰板７は、その上端が曲がって振動できるように固定部１０に取付けられており、且つ堰板７の下端と圧延ロール１周面との間に所定の粉末供給間隔６を保持した状態で、バイブレータ８によって振動させることにより、圧延ロール間隔３に供給する金属粉末の流量を制御できるようになっている。堰板７を振動するバイブレータ８は、図示しない振動調節器により、振動数と振幅とが任意に調節できるようになっている。
【００２３】
圧延ロール１，２は、図示しない回転駆動装置によって任意の回転速度で図１中矢印で示すように逆方向に回転されるようになっており、更に、ジャッキなどからなる圧下装置１１によって圧延ロール間隔３（圧下量）を変更して、圧延する金属箔１２の板厚ｔを制御できるようになっている。
【００２４】
圧延ロール１上に供給された金属粉末は、粉末供給間隔６を通って圧延ロール間隔３に供給される間に、圧延ロール１の外周面上に層を形成するようになるので、この金属粉末の層厚Ｍを層厚検出センサ１４で検出するようにしている。層厚検出センサ１４としては超音波センサ、電磁誘導センサ、レーザセンサなどを用いることができる。
【００２５】
層厚検出センサ１４にて検出した層厚信号に基づき、供給量調節手段９により、圧延ロール間隔３の大きさに応じて圧延ロール間隔３に供給する金属粉末の量を調節すると、圧延される金属箔１２の空孔率を調節することができる。
【００２６】
また、圧延ロール１，２の圧延部である圧延ロール間隔３の近傍には、窒素ガスなどの不活性ガスを吹き付けて金属粉末の酸化を防止し、これによって金属粉末の接着性を高めるようにした酸化防止装置１５を設けることができる。酸化防止装置１５としては、上記不活性ガスを吹き付けるようにした方式に代えて、水素などの還元性ガスを吹き付けるようにしたり、或いは圧延ロール１，２及び粉末供給装置４全体を密閉容器（図示せず）で包囲し、該密閉容器を真空発生装置に接続して真空を保持させるようにしてもよいし、密閉容器内を不活性ガス雰囲気としてもよい。また、前記圧延ロール１，２には、直流又は交流の電源を接続して、金属粉末を溶融温度以下に加熱しながら圧延を行うようにしてもよい。
【００２７】
圧延ロール１，２の下部には、圧延成形され下方に導かれる金属箔１２の加工を行う金属箔加工装置１６が設けられている。更に、金属箔加工装置１６の下部には、金属箔１２を加熱して焼結する加熱炉１７が設けられている。加熱炉としては、種々の加熱方式のものを適用することができるが、加熱温度を調節できるものが好ましい。図中１８は、金属箔加工装置１６の上下と加熱炉１７の下部とに設けたテンションローラ、１９は金属箔加工装置１６と加熱炉１７との間に設けた熱遮蔽板である。金属箔加工装置１６は、図１中破線で示すように加熱炉１７の後に配置してもよい。
【００２８】
前記金属箔加工装置１６としては、金属箔１２の面の形状を制御するようにした成形ローラを用いることができる。図２に示すように凹凸を有する成形ローラ２０ａ，２０ｂを用いると、表面が凹凸となった金属箔１２が得られ、また図３に示すようなブラシローラ２１ａ，２１ｂを用いると、すり傷の付いた金属箔１２が得られる。
【００２９】
また、金属箔加工装置１６には、金属箔１２に孔を開ける、例えば図４に示すような穿孔装置２２を用いることができる。穿孔装置２２によって金属箔１２に孔を開けると、金属箔１２の空孔率を任意に調節することができる。
【００３０】
図４の穿孔装置２２は、針２３を前後に振動させるようにした孔開け機２４の場合を示している。図５の穿孔装置２２は、２つの突起歯をもった回転体２６ａ，２６ｂの隙間に金属箔１２を通して、金属箔１２表面に突起歯を突き刺すようにした孔開け機２７を示している。また、穿孔装置２２としては、図４、図５の装置の他に、レーザによる孔開け機を用いたり、超音波による孔開け機を用いたり、圧縮空気を噴射する孔開け機などを用いることができる。
【００３１】
以下に、図１に示した装置の作用を説明する。
【００３２】
図１の装置において、圧延ロール間隔３を形成しているロール表面が下向きに移動するように圧延ロール１，２を一定速度で回転させると共に、粉末供給装置４の供給手段５により金属粉末を圧延ロール１上に供給し、且つ供給量調節手段９のバイブレータ８により、粉末供給間隔６を調節した状態で、堰板７を振動させる。すると、圧延ロール１上に供給された金属粉末は、粉末供給間隔６を通って圧延ロール１上に層を形成しつつ所定量ずつ圧延ロール間隔３に制御供給され、一定速度で回転している圧延ロール１，２の圧延ロール間隔３に噛み込まれて圧延され、金属箔１２となる。
【００３３】
圧延成形された金属箔１２の厚さを図示しない下流の計測手段で計測し、金属箔１２の厚さが例えば５〜５００ミクロンの所定厚さになるように圧下装置１１を作動して圧延ロール間隔３を調節する。圧延成形する金属箔の厚さは、従来不可能であった５００ミクロン以下、更には１００ミクロン以下の極薄とすることができ、また厚さの下限は５ミクロンとする。圧延にて成形できる金属箔１２の厚さの下限は、圧延ロール１，２のロール表面粗さ以下は成形できないので、従って下限は５ミクロン程度であるといえる。
【００３４】
更に、圧延成形された金属箔１２の空孔率を下流の図示しない計測手段で測定し、金属箔１２の空孔率が例えば１０〜５０％の所定値になるように、供給量調節手段９のバイブレータ８により堰板７の振動を調節して、圧延ロール間隔３に供給される金属粉末の量を制御する。
【００３５】
上記圧延成形された金属箔１２は、必要に応じて金属箔加工装置１６により所要の加工が施された後、加熱炉１７に導かれて焼結される。
【００３６】
金属箔加工装置１６として、金属箔１２の面の形状を制御するようにした成形ローラ、例えば図２に示すように凹凸を有する成形ローラ２０ａ，２０ｂを用いると、表面が凹凸となった金属箔１２を得ることができる。また図３に示すようなブラシローラ２１ａ，２１ｂを用いると、すり傷の付いた金属箔１２を得ることができる。
【００３７】
金属箔加工装置１６に、金属箔１２に孔を開けるようにした、例えば図４に示すような針２３を振動させる孔開け機２４からなる穿孔装置２２を用いると、下方に移動する金属箔１２に孔を開けることができる。また、図５に示すような２つの突起歯をもった回転体２６ａ，２６ｂの隙間に金属箔１２を通すようにした孔開け機２７を用いると、多数の孔を連続して同時に形成することができる。また、図４、図５の孔開け機２４，２７に代えて、レーザによる孔開け機を用いたり、超音波による孔開け機を用いたり、圧縮空気を噴射する孔開け機などを用いても、同様に金属箔１２に孔を開けることができる。
【００３８】
この時、圧延成形された金属箔１２は、図６に示すように、金属粉末の粒子２５同士が圧延によって接した部分（黒塗り部分）で大きな歪みを生じて一体化しており、この段階では焼結されていないために強度が比較的低く、そのために、上記したような穿孔装置２２によって比較的容易に孔を開けることができ、しかも開口させる孔の間隔を調節することにより、金属箔１２の空孔率を任意に調節することができる。
【００３９】
従って、図１の粉末供給装置４の供給量調節手段９によって圧延する金属箔１２の空孔率をそれほど厳密に調節しなくても、穿孔装置２２による孔開けによって、精度の高い空孔率の金属箔１２を得ることができる。
【００４０】
また、圧延ロール１，２による圧延時には、空孔率を小さく（相対密度を大きく）した方が金属箔１２の強度が高められて製造しやすいので、圧延時には空孔率を小さくするようにし、後段の穿孔装置２２によって空孔率を調整することは有効である。
【００４１】
加熱炉１７では、金属箔１２を、その金属粉末の融点Ｔｍに対し約０．３〜０．６６Ｔｍの温度で加熱することにより焼結する。
【００４２】
従来、金属粉末を焼結する際には、融点Ｔｍに対して２／３Ｔｍ（約０．６６Ｔｍ）以上の温度で加熱して強度を保持することが一般的に行なわれていたが、このような高い温度で、前記したような５〜５００ミクロン、更には５〜１００ミクロンといった極薄の金属箔１２を焼結すると、強度は向上される反面、金属箔１２が不均一に収縮して波打って変形してしまい、安定した平坦度が得られないという問題がある。
【００４３】
本発明者等は、ニッケル粉末を用いて圧延成形した金属箔１２について、ニッケル粉末の融点Ｔｍを１とした温度指数と、引張強度との関係について試験を実施し、その結果を図７に示した。
【００４４】
図７によれば、融点Ｔｍに対して２／３Ｔｍ（約０．６６Ｔｍ）以下の温度で加熱処理しても、数ｋｇｆ／ｍｍ²〜１０数ｋｇｆ／ｍｍ²の引張強度が得られ、充分な強度の金属箔１２を製造できることが判明した。このとき、融点Ｔｍに対して０．３Ｔｍの温度で焼結しても、３ｋｇｆ／ｍｍ²程度の強度を得ることができ、よって目的によっては充分使用可能なものが得られることが判明した。
【００４５】
このように、従来から焼結温度として一般に知られている０．６６Ｔｍ以上とすることなく、約０．３〜０．６６Ｔｍの低い温度で焼結しても、充分な強度が維持できることが分かった。
【００４６】
この理由としては、圧延ロール１，２を用いて金属粉末を圧延すると、図６に示したように、金属粉末の粒子２５同士が圧延によって接して歪みを生じるが、圧延された金属箔１２を加熱炉１７に導いて熱処理すると、前記歪みが加わった部分は０．６６Ｔｍ以下の温度でも再結晶し、これによって強度が維持されることによる。
【００４７】
また、本発明者等は、ニッケル粉末を用いて圧延成形した金属箔１２について、０．５３Ｔｍの焼結温度で処理時間を５分〜３５分の間で変化したときの金属箔１２の収縮率の変化について試験を実施し、その結果を図８に示した。
【００４８】
図８によれば、加熱時間が短い方が収縮率が小さく、よって変形が少ないことが分かった。また、加熱時間が短いと、図１に示すように金属箔１２を連続的に圧延成形する装置においては加熱炉１７の長さを短くできて有効である。従って、金属箔１２の強度を所定値以上に保持しながら、加熱時間を短くすることが有効である。
【００４９】
また、上記したように、圧延ロール１，２の下部に金属箔加工装置１６及び加熱炉１７を設けて、圧延ロール１，２で圧延した金属箔１２を下方に導くようにしているので、テンションロール１８によって張力を殆ど作用させなくても、金属箔１２の自重によって張力が作用するので、金属箔１２が直線状に成形されやすく、また、金属箔１２が切れるようなことがあっても、その後の復旧作業が容易となる。
【００５０】
従って、上記によれば、５００ミクロン以下、更には１００ミクロン以下の極薄の板厚で、液体や気体或いは光を透過することができる金属箔１２を、所要の強度を維持させた状態で、連続的且つ高能率に製造することができる。
【００５１】
尚、本発明は上記形態例にのみ限定されるものではなく、粉末供給装置は図示例以外にも種々の方式を採用し得ること、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ること、などは勿論である。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、従来不可能であった５〜５００ミクロン、更には５〜１００ミクロンの極薄の板厚の金属箔を、所要の強度を維持させた状態で、連続的且つ高能率に製造することができる効果がある。
【００５３】
また、圧延ロールと加熱炉との間、または加熱炉の後に金属箔加工装置を設けると、金属箔を成形加工したり、孔開け加工することにより金属箔の空孔率を調節することができる効果がある。
【００５４】
更に、圧延ロールで圧延した金属箔を、下部に設けた金属箔加工装置及び加熱炉に縦に導くようにしているので、金属箔の自重により張力が作用して金属箔が直線状に成形されやすくなり、また、金属箔が切れたような場合にも、その後の復旧作業が容易になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法に用いる金属箔製造装置の一例を示す概略側面図である。
【図２】金属箔加工装置の一例を示す平面図である。
【図３】金属箔加工装置の他の例を示す平面図である。
【図４】穿孔装置の一例を示す側面図である。
【図５】穿孔装置の他の例を示す側面図である。
【図６】金属粉末を圧得する際の粒子の挙動を示す模式図である。
【図７】ニッケル粉末を用いた金属箔における融点を１とした温度指数と引張強度との関係を試験した結果を示すグラフである。
【図８】焼結の処理時間と金属箔の収縮率との関係を試験した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１，２圧延ロール
４粉末供給装置
１２金属箔
１６金属箔加工装置
１７加熱炉
２０ａ，２０ｂ成形ローラ
２１ａ，２１ｂ成形ローラ
２２穿孔装置
２３針
２４孔開け機

Claims

対で設けた圧延ロール間に、一方の圧延ロールの頂部と圧延ロール間隔との間の圧延ロール外周面に下端が接近して粉末供給間隔を形成する堰板を設け、一方の圧延ロールと堰板との間に粉末供給装置により金属粉末を制御して供給し、前記圧延ロール間隔に応じ供給量調節手段により堰板を振動させて厚さ寸法が５〜５００ミクロン、空孔率が１０〜５０％の金属箔に粉末圧延し、続いて金属箔を加熱炉に導いて金属粉末の融点Ｔｍに対し０．３〜０．６６Ｔｍの温度で焼結することを特徴とする金属箔の製造方法。
圧延ロールで圧延した金属箔に孔を空けて空孔率を調節することを特徴とする請求項１記載の金属箔の製造方法。
横方向に対で設けた圧延ロールと、一方の圧延ロールの頂部と圧延ロール間隔との間の圧延ロール外周面に下端が接近して配置されて粉末供給間隔を形成する堰板と、前記一方の圧延ロールと堰板との間に金属粉末を制御して供給する粉末供給装置と、前記堰板を振動させて圧延ロール間隔に供給される金属粉末の量を調節する供給量調節手段と、圧延ロールの下部に配置して圧延ロールにより圧延成形した金属箔を縦に導いて加熱し焼結する加熱炉と、を備えたことを特徴とする金属箔の製造装置。
圧延ロールと加熱炉との間、または加熱炉の後に、成形された金属箔に孔を開ける穿孔装置を備えていることを特徴とする請求項３記載の金属箔の製造装置。
穿孔装置が、針を前後に振動させる孔開け機であることを特徴とする請求項４記載の金属箔の製造装置。
穿孔装置が、表面に突起歯をもつ回転体による孔開け機であることを特徴とする請求項４記載の金属箔の製造装置。
穿孔装置が、レーザによる孔開け機であることを特徴とする請求項４記載の金属箔の製造装置。
穿孔装置が、超音波による孔開け機であることを特徴とする請求項４記載の金属箔の製造装置。
穿孔装置が、圧縮空気を噴射する孔開け機であることを特徴とする請求項４記載の金属箔の製造装置。