JP4355774B2 - 発泡金属コア及び中実カバープレートからなる複合材料及び該複合材料よりなる構成部品、その使用方法ならびに製造方法 - Google Patents

Description

多層複合材料が数年来知られている。各層は、その材料自体及び多孔度などの構造的特性において異なったものとすることが可能である。特にその軽量性に優れた構造や高い絶縁性のため、金属及び非金属の発泡体の多層複合材料における使用が近年注目を集めている。例えばドイツ特許公報第３９０５８７１ Ａ１号明細書は、三次元的複合材料における断熱材として高多孔度の無機材料を用いることについて開示している。
本発明は、中実の金属カバープレートと、該カバープレート間に配される発泡体かつ閉鎖多孔性の金属コアからなる金属複合材料の製造方法に関するものである。本方法によれば、カバープレートと、カバープレート間に導入される、少なくとも一種類の金属粉末と少なくとも一種類のガス発生膨張剤粉末とからなる混合物から複合材料が製造されるものである。必要に応じ、この複合材料を再成形して特定の構成部品とし、膨張剤粉末からのガスの発生によってコアが発泡するように熱処理を行うことが可能である。本発明は更に、本発明の方法により製造される金属複合材料から形成された構成部品に関するものである。

かかる複合材料またはこれから形成される構成部品は、軽量で高い剛性を特徴とし、特に自動車や航空宇宙産業における構造部品など、軽量性が求められるあらゆる構造物に使用することが可能である。更にこうした材料は熱伝導率が低く、高い機械的特性及び遮音性を有することから、機械的エネルギーを吸収する目的の他、防音断熱材としての利用が可能である。

この種の複合材料及びこの種の複合材料から形成される構成部品の製造方法については多くの開示がある。ドイツ特許第４４２６６２７ Ｃ２号明細書は、一種類以上の金属粉末を一種類以上の膨張剤粉末と混合する方法について開示している。得られた粉末混合物は、アキシアル熱間圧縮、熱間等静圧圧縮成形や圧延によって圧縮し、ロールボンディングによって予め表面処理した金属プレートと後の工程において接合して複合材料とする。このようにして得られた半製品は、プレス加工、深絞り加工、曲げ加工などによって再成形した後、最終工程において、金属粉末の固／液範囲であるがカバー層の融点よりも低い温度に加熱する。膨張剤粉末はこの温度範囲において同時にガス発生が起こるようなものが選択されていることから、高粘度のコア層内部に閉鎖多孔が形成され、その結果体積が増大する。次いで複合材を冷却してこの発泡コア層を安定化させる。

粉末の圧縮成形を閉鎖孔が形成されるようにして既に行っているドイツ特許第４４２６６２７ Ｃ２号明細書に開示される方法の改変例として、欧州特許出願公開第ＥＰ１０００６９０Ａ２号明細書は、粉末プリフォームに基づいてこの種の複合材料を製造する方法について述べている。この粉末プリフォームはまず開放孔を有するように作成され、カバー層にて後にローラープレーティングを行った際に初めて閉鎖孔を有するようになる。方法の他の工程は同様である。最初の開放孔のおかげで、膨張剤からのガス発生によって粉末プリフォームの保管時にプリフォームが変形することが防止され、カバー層を付けた複合材料の後の製造時における問題が防止される。更に、開放孔では、複合材料の製造時にプリフォームを保管する際に形成される酸化物層の剥離が容易となる。
ドイツ特許第４１２４５９１ Ｃ１号明細書に開示される発泡複合材料の製造方法では、粉末混合物を金属製の中空区画材内に注入した後、区画材ごと圧延する。このようにして得られた半製品の再成形及び後の発泡工程は、ドイツ特許第４４２６６２７ Ｃ２号明細書の記載と同様にして行う。

欧州特許出願公開第０９９７２１５ Ａ２号明細書に開示される中実の金属カバー層と閉鎖多孔性の金属コアとからなる金属複合材料の製造方法では、粉末混合物を２枚のカバー層間の圧延間隙に導入し、カバー層間で圧縮されるようにしてコア層の形成とカバー層との融合を一工程で行う。更に、カバー層と粉末混合物との必要な融合に悪影響を与える酸化物層の形成を防止する目的で、粉末を不活性ガス雰囲気中で供給することについて教示している。

米国特許第５９７２５２１ Ａ号明細書に述べられる複合材料ブランクの製造方法では、排気を行って空気と水分を粉末から除去する。この後、粉末を圧縮成形しカバー層と結合させるのに先立って、コア材料に対して不活性なガスで排気された空気を加圧下で置換する。

現時点での技術水準から見てこれらの方法のすべてに共通する点として、発泡させるコア層の製造工程において、圧縮時の圧縮の程度に応じて金属粉末粒子の間に空気または不活ガスが取り込まれて圧縮されることがある。これによって生じたガス圧は、発泡工程での温度上昇にともなって高くなるため、温度が金属粉末材料の固／液範囲に相当する温度に達する以前であっても加熱時に孔が形成される。この方法によって形成される、膨張剤粉末のガス放出過程において金属粉末の固／液範囲で形成される球形の閉鎖孔に対して、相互に連結された亀裂状の不規則な形状の開放孔を形成することが考えられる。この種の開放孔を形成する方法として例えば米国特許第５５６４０６４ Ａ１号明細書に開示された方法は、封入されたガスが粉末材料の融点よりも低い温度で膨張することによって開放孔が形成されるというものであるが、このような孔形成法は上記に述べた各方法においては望ましくない。その理由は、これらの方法が目的とする球形の閉鎖孔によってのみ、孔の周囲の好ましくは完全な孔壁を介して最適な荷重移動が可能であり、したがって閉鎖孔は発泡コアの安定性ひいては複合材料の安定性に大きく寄与しているためである。

更に、主として粉末材料の融点よりも低い温度で既に形成される亀裂状の開放孔は膨張剤のガス放出によって発生するガスの「回収領域」として機能する。これによって、均一な材料特性、特に高い安定性の要因となっている好ましくは均一な閉鎖孔の均質な形成が困難となる。発泡工程では、温度はコア層の融点のみに達しカバー層の融点に達することはなく、したがってカバー層へのガスの流出が防止されることから、カバー層の隣接領域に不規則形状の大容積の孔が形成されることによってコアとカバー層との間の最適な結合が防止される。この結果、局所的な剥離部分が生じる。

粉末材料が保管、輸送、及び処理の間に曝される空気中の湿度によって、コア材料の圧縮によって封入されるガスと同様の効果がもたらされる。多数の粉末が有する親水性のため、加熱時に比較的低温で既に蒸発している空気からの水分が封入され、コア材料の融点よりもはるかに低い温度で問題を生ずる上記に述べたような不規則な開放孔が形成される。

膨張剤粉末は好ましくは低い粒径分布を有し、コア材料の粉末と均一な混合物を形成することが好ましく、コア層の粘性を有する固／液範囲における膨張剤粉末のガス放出によって生ずる孔はこうした点で可能な限り均一に保たれるが、封入ガス及び湿度に基づく多孔度は多くの場合制御不能である。

こうした条件は、製造工程における材料の特性値の分布、ならびに、中実の金属カバー層と、発泡金属粉末及び膨張剤粉末からなりカバー層間に配される閉鎖多孔性の金属コアとからなる複合材料の再現性が一般に不適当であることの要因となっている。

更に、空気及び水分の存在によって酸化物の生成も助長され、コア層の粉末粒子間の金属結合やコアのカバー層との結合の障害となる。

欧州特許出願公開第ＥＰ０９２７５９０ Ａ２号明細書は、カバー層が、発泡工程において余分なガスを逃がすように等間隔で設けられた穿孔を有することによって、ガスの蓄積及びこれによってもたらされる不規則な孔や局所的剥離部分の形成を防止する方法について開示している。

しかしながら構造的また視覚的理由からカバー層にこの種の穿孔を設ける方法は充分な解決策を与えるものでない。

したがって本発明の目的は、カバープレートにこうした穿孔を設ける必要なくしてこれらの難点を有さない、中実の金属カバー層と、該カバー層間に配される閉鎖多孔性の金属発泡コアとからなる複合材料ならびにこうした複合材料から形成された構成部品を提供することにある。

詳細には、本発明の目的は、中実の金属カバー層と、該カバー層間に配される閉鎖多孔性の金属発泡コアとからなる複合材料ならびにこうした複合材料から形成された構成部品を製造するための方法であって、多孔性はコア材料中に分散した膨張剤粉末の、粉末状コア材料の融点に近い温度範囲におけるガス放出のみに由来し、材料中に取り込まれたガス及び／または水分に基づく制御不能な孔の形成が実質上防止される方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、更なる工程において再成形及び発泡させるための複合材料の半製品であって、中実の金属カバー層と、一種類以上の金属粉末及び少なくとも一種類の膨張粉末からなるコア層とからなる半製品を、経済的な製造が可能であるように好ましくは少ない数の簡単な工程からなる方法を用いて製造することにある。

これらの目的は、好ましくは均一な金属粉末と膨張剤粉末との混合物を用いることによって達成される。この混合物はその親水性に基づいて脱湿される。この後、粉末混合物の圧縮成形からカバー層によるプレーティングに到るまでの全工程を空気や他のガスの非存在下で行う。これにより、本方法の工程の１つにおいて複合材料のコア層へのガスや水分の封入が少なくとも大部分防止され、発泡をともなう加熱工程の際に、金属粉末の固／液温度よりも低い温度で上記に述べたような制御不能な孔の形成が引き起こされる。

水分の除去は、真空下での圧縮成形及び／または加熱の以前に起こりうる。これにより温度が、減圧によって低下する膨張剤のガス放出温度よりも低い温度に保たれる点は重要である。

この後、粉末混合物を、アキシアルな冷間または熱間圧縮、冷間または熱間等静圧圧縮成形などの常法により真空下で圧縮成形し、得られた粉末ブランクを真空下、カバー層の金属プレートに圧力の作用下で更に結合させる。

本方法の各工程に先立って真空を再発生させることも可能であるが、粉末の乾燥、後の成形及びプレーティングは同じ真空中で、すなわち、複合材料のブランクの全製造工程を通じて真空状態を途絶せずに行われることが好ましい。

好ましい製造方法に基づけば、粉末混合物からの水分の除去は、一種類以上の金属粉末及び少なくとも一種類の膨張剤粉末からなる粉末混合物を、粉末中の水分ができるだけ蒸発するまで容器中に真空下で保持することによって可能である。この真空容器は内部で粉末が圧縮成形され、同時に後の複合材料のカバー層を形成するように構成されている。このような構成により、粉末コアと容器壁としてのカバー層との結合が、粉末の結着と同時に行われる。したがって、複合材料ブランクの全体の製造プロセスを通じ、真空を形成するうえで一回のみの吸引工程を要するだけであるので、製造工程が大幅に短縮化、簡略化される。

現時点での技術水準から知られるように、このようにして得られた複合材料ブランクは半製品に再成形され、これを発泡させて部品を製造することが可能である。

以下に図面に示される好ましい方法に基づいて本発明を詳細に説明する。

図１は、カバー層と発泡させるためのコア層とからなる複合材料ブランクを製造するための好ましい方法を示したものである。この目的のため、この方法の第１の工程では真空容器（１）を構築する。図２の断面図に示されるように真空容器（１）は、カバー層材料から形成されるとともに床部（２）及び壁部（３）からなる箱形の容器下部と、やはりカバー層材料から形成される上部カバー（４）とからなる。上部カバー（４）は、下方に向けて突出した周縁部（５）を有し、上部カバー（４）と周縁部（５）の下部（２，３）の組み付け時には、下部（２，３）の外壁部（３）が緊密に封鎖されるようになっている。更に下部（２，３）は、その壁部（３）に溶接された管状の真空連結部（６）を有し、該真空連結部（６）の内部にはフィルター（７）が用いられている。フィルター（７）は例えばスチールウールからなり、粉末材料（９）が排気時に容器内部から吸い込まれることを防止する。

本方法の第２工程では、一種類以上の金属粉末と少なくとも一種類の膨張剤粉末とからなる好ましくは均一な粉末混合物（９）を製造し、これを容器下部（２，３）に注入してその内部でアキシアルプレス加工によって５０〜７０％に予備圧縮成形する。容器下部（２，３）が粉末充填物によってその壁部（３）の上縁まで完全に充填される点が重要である。別法として、粉末混合物から予め調製した粉末成形体（図示せず）を容器下部（２，３）に挿入することも可能である。重要な点として、いずれの場合も最大限完全な充填を行うために遊びが極力少ないことが好ましい。こうした粉末成形体は、冷間等静圧圧縮成形（ＣＩＰ）、熱間等静圧圧縮成形（ＨＩＰ）や真空下でのアキシアル圧縮成形などの一般的な粉体加工技術によって製造することが可能である。

容器下部（２，３）の充填後、上部カバー（４）を被せ、両部分をカバー周縁部（５）の下縁に沿った溶接シーム（８）によって真空気密に溶接する。次いで真空連結部（６）を真空ポンプに連結して容器（１）を排気する。この工程では、閉じ込められたガスと水分が容器内部及び容器内部の粉末材料（９）からできるだけ除去されるまで一定のポンピングを行って真空状態を維持する。実用上は、１０^-3〜１０^-4ｍｂａｒの範囲の高真空圧がこの用途に適している。場合により容器（１）を加熱することによってこの工程の短縮化が可能であるが、その際、真空によって更に低下する膨張剤粉末のガス放出温度に達しないことが重要である。

真空連結部（６）から真空ポンプを分離するのに先立って、例えば溶接によって連結部（６）を封鎖して内部の真空を維持する。

次いで、容器（１）と粉末混合物（９）からなる真空パッケージの全体を、高速鍛造、膨張鍛造、アキシアル圧縮成形、冷間等静圧圧縮成形（ＣＩＰ）、または膨張剤粉末のガス放出温度よりも低い温度での熱間等静圧圧縮成形（ＨＩＰ）によって圧縮成形する。これにより粉末混合物（９）は選択される圧縮成形法に応じて８０〜約１００％に圧縮成形され、同時に粉末層（９）と容器（１）の床部（２）と上部カバー（３）とからなるカバープレートとの間の金属結合が与えられる。

本方法のこの工程では、圧縮成形の前後における容器の充填度に応じて圧力が上昇するような場合でも容器の内部は真空下に引き続き維持される。圧縮成形前に約６０％、圧縮成形後に通常９６％という粉末の理論密度または充填度に基づけば、これによって圧縮成形された真空容器中の圧力は圧縮成形前の圧力の約１６倍程度となる。

圧縮成形前の１０^-3〜１０^-4ｍｂａｒという高真空圧に基づけば、圧縮成形後の容器内の圧力は依然として高真空度の上限である１ｍｂａｒよりも大幅に小さな範囲にある。したがって容器と容器内の粉末成形体にはガスや水分が実質的に含有されていない。

実際、そのために特に高速鍛造または膨張鍛造時に容器（１）がその周縁部（３，５）に沿って破断して開いてしまう場合がある。真空によって支援されるこの再成形過程は容器内部で極めて迅速に起き（膨張鍛造時には数ミリ秒）、これによって容器（１）の床部（２）と上部カバー（３）とからなるカバー層を有する極めて高密度の粉末コア（９）が形成されるため、本方法のこの工程において空気及び水分の浸入は起こりにくい。

このようにして得られたパッケージを、圧延によって平面的な複合材料ブランクに再成形する。

次いでこれを図３に示されるように将来的な構成部品としての半製品に再成形することが可能である。この工程では、深絞り加工などの一般的方法が再成形のための方法として効果的であり、こうした方法によって二次元的な複合材料のブランクを湾曲形状や半製品などの三次元的形状に変形させることが可能である。

本方法の最終工程では、この半製品を金属粉末の固／液範囲に加熱し、膨張剤のガス放出温度を超えることでガス放出が行われる。上記に述べたようにカバー材料は融点が適度に高く、カバー層が融解しないようなものが選択される。

アルミニウムなどカバー層と同じ材料がコア層に用いられるような場合、粉末とカバー層材料に異なる合金添加物を添加することによって異なる融点を適宜設定することが可能である。

特に水素化チタンがアルミニウムの膨張剤として有効であることが示されている。水素化チタンは０．３〜１．９重量％の量で金属粉末に添加される。

カバー層と発泡させるためのコア層とからなる複合材料ブランクを製造するための好ましい一方法を示すフロー図である。 図１に示される方法を実行するための真空容器の断面図である。 複合材料ブランクの半製品への更なる加工、及び該半製品の部品への更なる加工を示す図である。

Claims (11)

1. 中実の金属カバー層と、該金属カバー層間に配される閉鎖多孔性の金属発泡コアとからなる構成部品を製造するための、加熱によって発泡可能な複合材料半製品の製造方法であって、該方法においては少なくとも一種類の金属粉末と少なくとも一種類の膨張剤粉末とからなる粉末混合物（９）がコア層に圧縮成形され、該コア層は、圧力の作用下かつ前記膨張剤のガス放出温度よりも低い温度において少なくとも１つの酸化物フリーのカバー層と金属的に結合されて複合材料半製品を形成する方法において、この方法は前記粉末混合物（９）の圧縮成形に先立って、粉末混合物（９）から真空によりガス及び水分を除去し、前記コア層の結合は少なくとも１つのカバー層が真空下となるように行うものであり、かつ、前記真空による粉末混合物（９）からの水分の除去は前記粉体混合物（９）を前記膨張剤のガス放出温度よりも低い温度に更に加熱することで促進させることを特徴とする複合材料半製品の製造方法。
2. 前記カバー層材料にて形成される容器（１）を前記粉末混合物（９）にて完全に充填した後、容器下部と上部カバー（４）との間を、真空連結部（６）の部分を除いて気密に密封してから前記真空連結部（６）から容器（１）の内部を排気することと、前記粉末は前記容器に圧力を作用させて同時に圧縮成形され、前記容器（１）の床部（２）及び上部カバー（４）に金属的に接合されて複合材料の半製品を形成することとを特徴とする請求項１に記載の複合材料半製品の製造方法。
3. 前記粉末混合物（９）は、容器（１）に注入される前にＣＩＰまたはＨＩＰ成形体に予め圧縮成形されることを特徴とする請求項２に記載の複合材料半製品の製造方法。
4. 高速鍛造、膨張鍛造、アキシアル圧縮成形、冷間等静圧圧縮成形（ＣＩＰ）、または膨張剤のガス放出温度よりも低い温度での熱間等静圧圧縮成形（ＨＩＰ）によって前記容器に対して外的圧力が作用せられることを特徴とする請求項２または３に記載の複合材料半製品の製造方法。
5. 前記複合材料半製品は後の構成部品に相当する形状を有する半製品に再成形され、該半製品は、前記膨張剤粉末のガス放出温度よりも高くかつ前記金属粉末の固／液範囲内の温度であるが、前記カバー層材料の融点よりも低い温度に加熱されることによって前記構成部品となるように発泡させられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の複合材料半製品の製造方法。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載された方法に基づいて製造され、中実の金属カバー層（２〜５）と、該金属カバー層間に配され、少なくとも一種類の金属粉末及び少なくとも一種類の膨張剤粉末からなるコア層であって真空下で保持され水分及びガスを実質上含まない加圧コア層とからなる複合材料半製品。
7. 前記コア層及び前記カバー層（２〜５）はアルミニウムから形成され、膨張剤として水素化チタンの粉末がコア層の金属粉末に０．３〜１．９重量％添加されたものであることを特徴とする請求項６に記載の複合材料半製品。
8. 請求項６または７に記載の複合材料半製品から形成された構成部品であって、前記中実の金属カバー層（２〜５）と該金属カバー層間に配される閉鎖多孔性の金属発泡コアとから構成されるとともに、前記金属カバー層（２〜５）間の前記金属発泡コア部分において、二次元的に拡がる大容積の封入ガスによる剥離部分が、前記カバー層（２〜５）と前記コア材料との間の境界領域に実質的に存在しないことを特徴とする構成部品。
9. 自動車産業、船舶建造や航空宇宙産業における軽量の構造部品として使用される、請求項８に記載の構成部品。
10. 自動車産業、航空宇宙産業において機械的エネルギーを吸収するための部品、または壊れ物、化学物質、核物質や爆発性の危険物の輸送容器の構築に使用される、請求項８に記載の構成部品。
11. 断熱または防音の目的で使用される、請求項８に記載の構成部品。

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