JP4401622B2

JP4401622B2 - 酸化発熱金属材料及びその製造方法

Info

Publication number: JP4401622B2
Application number: JP2002167739A
Authority: JP
Inventors: 英高峰; 理三郎鈴木
Original assignee: 株式会社峰製作所
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2022-06-07
Also published as: JP2004009111A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自己発熱材としての性質を有する金属材料に関し、特に、一定の温度まで加熱すると発熱反応を開始する特性を有する金属であって、その発熱を利用して他の物質の加熱や溶融などに利用可能な発熱金属材料及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、物質を加熱又は溶融させる酸化発熱材料としての金属材料には、アルミニウムと酸化鉄の混合物、アルミニウムと酸化銅の混合物等、数十種類の組み合わせが知られている。
【０００３】
これら酸化発熱材料は、テルミット反応と呼ばれるアルミニウムが金属の酸化物を還元する際に高温を発生させる化学反応を利用するものである。すなわち、２Ａｌ＋３／２Ｏ₂＝Ａｌ₂Ｏ₃（ｋｇ）＋１６５０６（ｋJ）の化学式で表わせるように、化学反応の際に大きな熱量を発生させることができる。また、この化学反応は１１００℃以上に加熱しないと反応が開始しないという安全上の特性を有しているため、現在、アルミニウムと酸化鉄の粉体の混合物は主に鉄道レールの接合に、アルミニウムと酸化銅の紛体の混合物は主に銅線の接合に利用されている。
【０００４】
アルミニウムと酸化鉄の粉体の混合物を使用して鉄道レールの接合を行う場合、図３に示すように、レール１０，１０同士を所定の隙間を空けて向かい合うように設置し、その周囲を珪砂と水ガラス等で成形したモールド１１で覆い、その上方に坩堝２０を設置する。坩堝２０に形成されたすり鉢状部２１には、アルミニウムと酸化鉄から成る紛体である酸化発熱金属材料２２が投入されている。
【０００５】
点火剤２３をガスバーナー等で着火させ、着火した点火剤２３を酸化発熱金属材料２２に差し込むことで反応を開始させる。すなわち、点火剤２３からは１１００℃以上の温度が発生するので、この温度により酸化発熱材料２２において２Ａｌ＋Ｆｅ₂３／２Ｏ₂＝２Ｆｅ＋Ａｌ₂Ｏ₃（ｋｇ）＋１６５０６（ｋJ）の化学式で表わされる発熱反応が行われる。そして、この反応により２０００℃以上の温度をもつ溶融鉄（Ｆｅ）と溶融スラグ（Ａｌ₂Ｏ₃）が坩堝２０の中に生成される。
【０００６】
溶融鉄（Ｆｅ）の比重は約７ｇ／cm³、溶融スラグ（Ａｌ₂Ｏ₃）の比重は約２ｇ／cm³であるので、比重差により坩堝下部には溶融鉄の層が、その上に溶融スラブ（Ａｌ₂Ｏ₃）の層が形成される。溶融鉄の層が坩堝下部に形成されると、底部に装着された自動開口栓２４が開口してレール同士の隙間に溶融鉄が鋳込まれてレール１０同士の端面を加熱・溶融することにより接合が完了する。
【０００７】
自動開口栓２４からは溶融鉄に続いて溶融スラグが出湯するが、レール同士の隙間に先に鋳込まれた溶融鉄の上に溜まるので、溶融スラブがレール同士の隙間に鋳込まれることはない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したレール接合に使用される酸化発熱金属材料は、粉体の形態となっている。また、用途に応じて粉体を接着剤等で固めた固形物、粉体を金属チューブに入れた酸化発熱金属材料も存在する。
酸化発熱金属材料が紛体である場合、発熱反応に際して坩堝等の反応容器が必要である。そして、従来の酸化発熱金属材料の比重は約２ｇ／ｃｍ^３であり、発熱反応により生成される溶融物の平均比重４．５ｇ／ｃｍ^３よりも大幅に軽いため、酸化発熱金属材料の容量に合わせた大きさの反応容器が必要であった。
したがって、酸化発熱金属材料の比重が小さいと大きな反応容器が必要となるので、小型の容器が使用できる比重が大きい酸化発熱金属材料が望まれていた。
【０００９】
また、酸化発熱金属材料が粉体や粉体を固めたものである場合、粒子間に隙間があるため吸湿し易いという欠点があった。酸化発熱金属材料に湿気による水分があると、上述した化学式で表わされる化学反応の際に、この水分が酸素と水素に分解し急膨張して高温溶融物を周囲に飛散させるという問題が生じる。
【００１０】
更に、一度湿気を吸収すると、アルミニウム粉体の表面が常温で酸化されて酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）になり、２Ａｌ＋３／２Ｏ₂＝Ａｌ₂Ｏ₃で表される反応を起こさなくなる。
【００１１】
このため、従来の酸化発熱金属材料はポリエチレン袋やアルミ袋などで包装する対策が施されていたが、湿気防止としては十分ではなかった。
また、優れた発熱量を有する酸化発熱金属材料を坩堝等の反応容器なしで単独で使用することが望まれていた。
【００１２】
本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、圧縮加工及び加熱加工することで、成型物として金属特性を有するとともに、吸湿し難い性質を有する酸化発熱金属材料を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１による酸化発熱金属材料は、粒度８〜２００メッシュのアルミニウムと粒度８〜２００メッシュの酸化鉄の混合粉末を圧縮及び加熱して生成することで成形物の表面にアルミニウムの薄膜を形成した酸化発熱金属材料であって、比重が４ｇ／ｃｍ^３以上で、テルミット反応により２０００℃以上の温度を発熱させることができる性質を有することを特徴としている。
【００１４】
請求項２による酸化発熱金属材料は、粒度８〜２００メッシュのアルミニウムと粒度８〜２００メッシュの酸化銅の混合粉末を圧縮及び加熱して生成することで成形物の表面にアルミニウムの薄膜を形成した酸化発熱金属材料であって、比重が４ｇ／ｃｍ^３以上で、テルミット反応により１８００℃以上の温度を発熱させることができる性質を有することを特徴としている。
【００１５】
また、酸化鉄を用いた請求項３による酸化発熱金属材料の製造方法は、
粒度８〜２００メッシュの純アルミニウムと粒度８〜２００メッシュの酸化鉄の混合粉末で純アルミニウムの割合を２０〜３０％にしたものを、空気又は不活性ガスの雰囲気中で２００ＭＰａ以上の圧力で圧縮することで前記アルミニウムを潰して酸化鉄との混合粉体とする圧縮工程と、
圧縮された混合粉体を６００〜７００℃の温度で加熱することでアルミニウムを溶融させて酸化鉄の表面にアルミニウムの薄膜を形成する加熱工程とを具備することを特徴としている。
【００１６】
酸化銅を用いた請求項４による酸化発熱金属材料の製造方法は、
粒度８〜２００メッシュの純アルミニウムと粒度８〜２００メッシュの酸化銅の混合粉末で純アルミニウムの割合を１５〜２５％にしたものを、空気又は不活性ガスの雰囲気中で２００ＭＰａ以上の圧力で圧縮することで前記アルミニウムを潰して酸化銅との混合粉体とする圧縮工程と、
圧縮された混合粉末を６００〜７００℃の温度で加熱することでアルミニウムを溶融させて酸化銅の表面にアルミニウムの薄膜を形成する加熱工程とを具備することを特徴としている。
【００１７】
また、酸化発熱金属材料の製造方法において、圧縮工程と加熱工程とを同時に行うようにしてもよい。
すなわち、請求項５の酸化発熱金属材料の製造方法は、粒度８〜２００メッシュのアルミニウムと粒度８〜２００メッシュの酸化鉄の混合粉末でアルミニウムの割合を２０〜３０％にしたものを、空気又は不活性ガスの雰囲気中で２００ＭＰａ以上の圧力で圧縮しながら６００〜７００℃の温度で加熱する圧縮加熱工程を含むことを特徴としている。
また、請求項６の酸化発熱金属材料の製造方法は、粒度８〜２００メッシュのアルミニウムと粒度８〜２００メッシュの酸化銅の混合粉末でアルミニウムの割合を１５〜２５％にしたものを、空気又は不活性ガスの雰囲気中で２００ＭＰａ以上の圧力で圧縮しながら６００〜７００℃の温度で加熱する圧縮加熱工程を含むことを特徴としている。
【００１８】
上記製造方法で製造された酸化発熱金属材料は、圧縮工程を具備することで比重４ｇ／cm³以上の成型物とすることができ、６００〜７００℃の温度による加熱工程を具備することで成型物の表面にアルミニウムの薄膜を形成させ、金属光沢、導電性並びに難吸湿性を与えることが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の一例としての酸化発熱金属材料の製造方法について説明する。
粒度８〜２００メッシュの純アルミニウムと、粒度８〜２００メッシュの酸化鉄の混合粉体で純アルミニウムの割合を２０〜３０％にしたものを、空気又は不活性ガスの雰囲気中で２００ＭＰａ以上の圧力で圧縮し（圧縮工程）、潰れたアルミニウムと酸化鉄との混合粉体とするとともに比重が４ｇ／ｃｍ^３以上の成型物を作製する。
【００２０】
続いて、圧縮成型物を６００〜７００℃の温度で加熱することにより（加熱工程）、アルミニウムのみが溶融して酸化鉄の表面にアルミニウムの薄膜を形成させて金属光沢、導電性及び難吸湿性を与え、内部においてはアルミニウム粉体同士を結びつけることにより機械加工性が向上した酸化発熱金属材料を得る。また、前記した圧縮成型物の加熱温度を６００〜７００℃としたのは、６００℃より低い温度であると表面にアルミニウムの薄膜層ができず、７００℃より高い温度であるとアルミニウム粉体同士の結合が効率よく進行しないからである。
【００２１】
上記酸化発熱金属材料は、１１００℃以上の温度まで成型物全体を加熱しなければ発熱を開始しない特性を有し、発熱時には、２０００℃以上の温度を発生して自己溶融する特性を有している。
【００２２】
上述の例では酸化材料として酸化鉄を使用したが、酸化銅を用いてもよい。この場合、酸化銅は粒度８〜２００メッシュのものを使用し、アルミニウムとの混合粉体でアルミニウムの割合を１５〜２５％にする。そして、酸化鉄の場合と同様に、空気又は不活性ガスの雰囲気中で２００ＭＰa以上の圧力で圧縮し（圧縮工程）、比重が４ｇ／cm³以上の成型物を作製することができる。
【００２３】
酸化銅を使用した酸化発熱金属材料は、９００℃以上の温度まで成型物全体を加熱しなければ発熱を開始しない特性を有し、発熱時には、１８００℃以上の温度を発生して自己溶融する特性を有している。
【００２４】
上述した製造方法で製造した酸化発熱金属材料の難吸湿性について、図１を参照しながら従来の酸化発熱金属材料との比較を行う。図１は、酸化発熱金属材料の各月における吸湿率の平均を測定したものであり、具体的には、都会の野外に置かれた通気性のよい保管箱の中に酸化発熱金属材料を置き、２４時間放置した後の重量を重量計で測定して、その測定値を元の重量で除して１００を乗じて算出されるものである。
【００２５】
図１中、折線１は粒度８〜２００メッシュのアルミニウムと酸化鉄の混合粉体（従来の酸化発熱金属材料）、折線２は本発明によるアルミニウムと酸化鉄との酸化発熱金属材料、折線３は本発明によるアルミニウムと酸化銅との酸化発熱金属材料を示すものである。
【００２６】
図１に示されるように、混合粉体の吸湿率は年間を通じて５％以上であるのに対して、本発明の酸化発熱金属材料はいずれの月も１％以下であり、吸湿性に著しい改善があることが確認できた。
【００２７】
図２は、酸化発熱金属材料の引張強さ試験結果を示すもので、具体的には酸化発熱材料をＪＩＳ４号引張試験片の形状に２００ＭＰa以上の圧力で圧縮成型し、６００℃の温度で加熱して製作した引張試験片を、引張試験機にセットして引張試験を行い、その時の最大引張荷重を試験片の中心の断面積で除して算出されるものである。
アルミニウムと酸化鉄との酸化発熱金属材料の引張強さを折線に、アルミニウムと酸化銅との酸化発熱金属材料の引張強さを折線にそれぞれ示す。
【００２８】
図２に示されるように、９９．８％純度のアルミニウムの引張強さは３０ＭＰaであるのに対して、上記製造方法により酸化鉄を用いて製造された酸化発熱金属材料（折線４）又は酸化銅を用いて製造された酸化発熱金属材料（折線５）の引張強さは、１４．２〜１８．４ＭＰaであり、９９．８％純度のアルミニウムの引張強さの約半分の強さを有している。
したがって、従来の酸化発熱金属材料になかった機械加工性を有し、成型加熱後の材料を機械加工して所定の寸法形状を容易に作製することができる。
しかし、一度成型加工したものの表面を機械加工等で取り除くと、加工面のアルミ膜が無くなるので機械加工後に、再度６００〜７００℃の加熱が必要となる。
【００２９】
次に、上記製造方法による酸化発熱金属材料で直径６ｍｍの細長い丸棒を作製し発熱させた際の発熱量の測定結果と理論値について、電気による軟鋼用アーク溶接棒と比較した比較表を表１に示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
上述した製造方法による酸化発熱金属材料（Ａ．Ｂ）の場合、鉄（銅）を生成した際に発生する熱量は、理論値とほぼ同様の発熱量を発生することができる。また、１ccの鉄を発生させた場合で比較すると（ＡとＣの比較）、通常の電気による軟鋼用アーク溶接棒よりも大きく安定した熱量を発生することができる。
【００３２】
なお、棒状の酸化発熱金属材料に発熱を起こさせる場合は、通常の電気による軟鋼用アーク溶接棒と同様に、溶接機を使用して棒先端だけにアークを発生させることにより発熱反応を容易に開始することができる。一度、棒先端の発熱反応が開始すれば連鎖的に反応が伝達するので、以後は電気エネルギーをほとんど必要としない。
また、アルミニウムの割合が５０％を超えると発熱反応を起こさないので棒の途中に１〜２ｍｍ厚さのアルミニウムの部分又はアルミニウムの割合を高めた部分を作れば、その箇所で連鎖反応を止めることができる。
【００３３】
また、上述した酸化発熱金属材料の製造方法においては、混合粉末を圧縮する圧縮工程と、これを加熱処理する加熱工程とを別々の工程で行うようにしたが、圧縮させながら加熱処理を行うことでも上記と同様の特性を有する酸化発熱金属材料を得ることができる。
すなわち、酸化鉄を用いる場合には、粒度８〜２００メッシュのアルミニウムと粒度８〜２００メッシュの酸化鉄の混合粉末でアルミニウムの割合を２０〜３０％にしたものを、空気又は不活性ガスの雰囲気中で２００ＭＰａ以上の圧力で圧縮しながら６００〜７００℃の温度で加熱する圧縮加熱工程を含むことにより本発明の酸化発熱金属材料を製造することができる。
また、酸化銅を用いる場合には、粒度８〜２００メッシュのアルミニウムと粒度８〜２００メッシュの酸化銅の混合粉末でアルミニウムの割合を１５〜２５％にしたものを、空気又は不活性ガスの雰囲気中で２００ＭＰａ以上の圧力で圧縮しながら６００〜７００℃の温度で加熱する圧縮加熱工程を含むことにより本発明の酸化発熱金属材料を製造することができる。
【００３４】
上記実施例による酸化発熱金属材料によれば、比重が４ｇ／cm³以上で１ccの鉄を生成する際に４０ｋJ以上の熱量が発生し、かつ導電性を有しているので、大きな電源を必要としないで従来の溶接に使用するアーク溶接棒と同等な溶接作業を行うことができる。
【００３５】
上記酸化発熱金属材料によれば、自由な形状に容易に加工できる金属の有する展性・延性・切削性などの特性を有しているので、適当な形状に成型又は加工した酸化発熱材料を他の材料に取り付ければ、取り付けた箇所を加熱又は溶断することができる。
【００３６】
上記酸化発熱金属材料によれば、表面をアルミニウムにより被覆しているので、難吸湿の材料とすることができるとともに、表面に金属光沢を生じさせることができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明方法で製造された酸化発熱金属材料によれば、圧縮工程及び加熱工程を施した成型物とするため、表面にアルミニウムの薄膜を形成し、金属光沢、導電性並びに難吸湿性を与えることができるので、吸湿による影響を考慮することなく発熱金属材料として使用することができる。
また、成型する型に応じて自由な形状とすることができ、また成型後における機械加工も容易にできるので、効率的な加熱と溶融を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法による酸化発熱金属材料の室外年間吸湿稼動を示すグラフ図である。
【図２】酸化発熱金属材料の引張試験結果を示すグラフ図である。
【図３】酸化発熱金属材料を使用してレール接続を行う場合のモデル図である。
【符号の説明】
１０…レール、
１１…モールド、
２０…坩堝、
２２…酸化発熱金属材料

Claims

粒度８〜２００メッシュの純アルミニウムと粒度８〜２００メッシュの酸化鉄の混合粉末を圧縮及び加熱して生成することで成形物の表面にアルミニウムの薄膜を形成した酸化発熱金属材料であって、比重が４ｇ／ｃｍ^３以上で、テルミット反応により２０００℃以上の温度を発熱させることができる性質を有することを特徴とする酸化発熱金属材料。
粒度８〜２００メッシュの純アルミニウムと粒度８〜２００メッシュの酸化銅の混合粉末を圧縮及び加熱して生成することで成形物の表面にアルミニウムの薄膜を形成した酸化発熱金属材料であって、比重が４ｇ／ｃｍ^３以上で、テルミット反応により１８００℃以上の温度を発熱させることができる性質を有することを特徴とする酸化発熱金属材料。
粒度８〜２００メッシュの純アルミニウムと粒度８〜２００メッシュの酸化鉄の混合粉末で純アルミニウムの割合を２０〜３０％にしたものを、空気又は不活性ガスの雰囲気中で２００ＭＰａ以上の圧力で圧縮することで前記アルミニウムを潰して酸化鉄との混合粉体とする圧縮工程と、
圧縮された混合粉体を６００〜７００℃の温度で加熱することでアルミニウムを溶融させて酸化鉄の表面にアルミニウムの薄膜を形成する加熱工程とを具備する
ことを特徴とする酸化発熱金属材料の製造方法。
粒度８〜２００メッシュの純アルミニウムと粒度８〜２００メッシュの酸化銅の混合粉末で純アルミニウムの割合を１５〜２５％にしたものを、空気又は不活性ガスの雰囲気中で２００ＭＰａ以上の圧力で圧縮することで前記アルミニウムを潰して酸化銅との混合粉体とする圧縮工程と、
圧縮された混合粉体を６００〜７００℃の温度で加熱することでアルミニウムを溶融させて酸化銅の表面にアルミニウムの薄膜を形成する加熱工程とを具備する
ことを特徴とする酸化発熱金属材料の製造方法。
粒度８〜２００メッシュの純アルミニウムと粒度８〜２００メッシュの酸化鉄の混合粉末で純アルミニウムの割合を２０〜３０％にしたものを、空気又は不活性ガスの雰囲気中で２００ＭＰａ以上の圧力で圧縮しながら６００〜７００℃の温度で加熱する圧縮加熱工程を含むことで、潰れたアルミニウムと酸化鉄との混合粉体とするとともにアルミニウムを溶融させて酸化鉄の表面にアルミニウムの薄膜を形成する
ことを特徴とする酸化発熱金属材料の製造方法。
粒度８〜２００メッシュの純アルミニウムと粒度８〜２００メッシュの酸化銅の混合粉末で純アルミニウムの割合を１５〜２５％にしたものを、空気又は不活性ガスの雰囲気中で２００ＭＰａ以上の圧力で圧縮しながら６００〜７００℃の温度で加熱する圧縮加熱工程を含むことで、潰れたアルミニウムと酸化銅との混合粉体とするとともにアルミニウムを溶融させて酸化銅の表面にアルミニウムの薄膜を形成する
ことを特徴とする酸化発熱金属材料の製造方法。