JP5633658B2 - 多孔質アルミニウム焼結体 - Google Patents
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Description
従来、このような多孔質アルミニウム焼結体は、例えば、特許文献1−5に開示された方法で製造されている。
また、特許文献2−4においては、アルミニウム粉末とチタンを含む焼結助剤粉末とバインダーと可塑剤と有機溶剤とを混合して粘性組成物を形成し、この粘性組成物を成形して発泡させた後、非酸化雰囲気で加熱焼結することにより、多孔質アルミニウム焼結体を製造している。
さらに、粘性組成物のようにアルミニウム基材同士の間にバインダーが多く存在していないことから、焼結時の収縮率が小さく、寸法精度に優れた多孔質アルミニウム焼結体を得ることが可能となる。
この場合、アルミニウム基材同士の結合部にTi−Al系化合物としてAl3Tiが存在しているので、アルミニウム基材同士を良好に結合でき、多孔質アルミニウム焼結体の強度を確保することができる。
この構成の多孔質アルミニウム焼結体においては、気孔率が30%以上90%以下の範囲内に制御されているので、用途に応じて最適な気孔率の多孔質アルミニウム焼結体を提供することが可能となる。
図1に、本実施形態である多孔質アルミニウム焼結体10を示す。なお、図1(a)が本実施形態である多孔質アルミニウム焼結体の観察写真、図1(b)が本実施形態である多孔質アルミニウム焼結体の模式図である。
図1に示すように、本実施形態である多孔質アルミニウム焼結体10は、複数のアルミニウム基材11が焼結されて一体化されたものであり、気孔率が30%以上90%以下の範囲内に設定されたものとされている。
そして、このアルミニウム基材11(アルミニウム繊維11a及びアルミニウム粉末11b)の外表面には、外方に向けて突出する複数の柱状突起12が形成されており、複数のアルミニウム基材11(アルミニウム繊維11a及びアルミニウム粉末11b)同士が、この柱状突起12を介して結合した構造とされている。なお、図1に示すように、アルミニウム基材11、11同士の結合部15は、柱状突起12,12同士が結合した部分や柱状突起12とアルミニウム基材11の側面とが接合した部分、さらにはアルミニウム基材11、11の側面同士が接合した部分がある。
また、チタン粉末粒子22の粒径は、1μm以上50μm以下の範囲内とされており、好ましくは、5μm以上30μm以下の範囲内とされている。なお、水素化チタン粉末粒子は、金属チタン粉末粒子よりも粒径を細かくすることが可能であることから、アルミニウム基材11の外表面に固着するチタン粉末粒子22の粒径を微細にする場合には、水素化チタン粉末粒子を用いることが好ましい。
さらに、アルミニウム基材11の外表面に固着された複数のチタン粉末粒子22、22同士の間隔は、5μm以上100μm以下の範囲内とすることが好ましい。
ここで、アルミニウム繊維11aの繊維径は40μm以上300μm以下の範囲内とされており、好ましくは50μm以上200μm以下の範囲内とされている。また、アルミニウム繊維11aの繊維長さは0.2mm以上20mm以下の範囲内、好ましくは1mm以上10mm以下の範囲内とされている。
また、アルミニウム粉末11bの粒径は20μm以上300μm以下の範囲内とされており、好ましくは20μm以上100μm以下の範囲内とされている。
また、アルミニウム繊維11aとアルミニウム粉末11bとの混合比率を調整することで気孔率を調整することが可能となる。すなわち、アルミニウム繊維11aの比率を増やすことにより多孔質アルミニウム焼結体10の気孔率を向上させることが可能となるのである。このため、アルミニウム基材11としては、アルミニウム繊維11aを用いることが好ましく、アルミニウム粉末11bを混合する場合にはアルミニウム粉末11bの比率を10質量%以下とすることが好ましい。
まず、図4に示すように、本実施形態である多孔質アルミニウム焼結体10の原料となる焼結用アルミニウム原料20を製造する。
この混合工程S01においては、例えば、自動乳鉢、パン型転動造粒機、シェーカーミキサー、ポットミル、ハイスピードミキサー、V型ミキサー等の各種混合機を用いて、アルミニウム基材11とチタン粉末とを流動させながら混合する。
この混合工程S01及び乾燥工程S02により、図5に示すように、アルミニウム基材11の外表面にチタン粉末粒子22が分散させて固着されることになり、本実施形態である焼結用アルミニウム原料20が製造される。なお、アルミニウム基材11の外表面に固着された複数のチタン粉末粒子22,22同士の間隔は、5μm以上100μm以下の範囲内となるように、チタン粉末粒子22を分散させることが好ましい。
ここで、本実施形態では、図6に示す連続焼結装置30を用いて、例えば幅:300mm×厚さ:1〜5mm×長さ:20mの長尺のシート状多孔質アルミニウム焼結体10を製造する。
この連続焼結装置30は、焼結用アルミニウム原料20を均一に散布する粉末散布機31と、粉末散布機31から供給された焼結用アルミニウム原料20を保持するカーボンシート32と、このカーボンシート32を駆動する搬送ローラ33と、カーボンシート32とともに搬送される焼結用アルミニウム原料20を加熱してバインダーを除去する脱脂炉34と、バインダーが除去された焼結用アルミニウム原料20を加熱して焼結する焼成炉35と、を備えている。
カーボンシート32上に散布された焼結用アルミニウム原料20は、進行方向Fに向けて移動する際に、カーボンシート32の幅方向に広がって厚さが均一化され、シート状に成形される。このとき、荷重を加えていないことから、焼結用アルミニウム原料20中のアルミニウム基材11,11同士の間には空隙が形成される。
ここで、脱バインダー工程S04においては、大気雰囲気中で、350〜500℃の温度範囲で0.5〜5分間保持し、焼結用アルミニウム原料20中のバインダーを除去する。なお、本実施形態では、上述のように、アルミニウム基材11の外表面にチタン粉末粒子22を固着するためにバインダーが用いられていることから、粘性組成物に比べてバインダーの含有量が極めて少なく、短時間でバインダーを十分に除去することが可能である。
この焼結工程S05においては、不活性ガス雰囲気中で、655〜665℃の温度範囲で0.5〜60分間保持することにより実施される。なお、保持時間は1〜20分間とすることが好ましい。
そこで、本実施形態では、雰囲気ガスとして、露点−50℃以下のArガスを用いている。なお、雰囲気ガスの露点は−65℃以下とすることがさらに好ましい。
なお、チタン粉末粒子22として水素化チタンを用いた場合には、300〜400℃付近で水素化チタンが分解し、生成したチタンがアルミニウム基材11の表面の酸化膜と反応することになる。
また、このTi−Al系化合物16によって柱状突起12の成長が抑制されることから、溶融アルミニウムがアルミニウム基材11、11同士の間の空隙に噴出することを抑制でき、高い気孔率の多孔質アルミニウム焼結体10を得ることができる。
特に、本実施形態では、アルミニウム基材11,11同士の結合部15にTi−Al系化合物16としてAl3Tiが存在しているので、アルミニウム基材11の表面に形成された酸化膜が確実に除去され、アルミニウム基材11,11同士が良好に結合しており、多孔質アルミニウム焼結体10の強度を確保することができる。
特に本実施形態では、図6に示す連続焼結装置30を用いていることから、シート状の多孔質アルミニウム焼結体10を連続して製造することができ、生産効率が大幅に向上することになる。
そして、本実施形態の多孔質アルミニウム焼結体10においては、気孔率が30%以上90%以下の範囲内とされているので、用途に応じて最適な気孔率の多孔質アルミニウム焼結体10を提供することが可能となる。
また、本実施形態においては、アルミニウム基材11の外表面に固着された複数のチタン粉末粒子22、22同士の間隔が5μm以上100μm以下の範囲内とされているので、柱状突起12の間隔が適正化されており、十分な強度と高い気孔率を有する多孔質アルミニウム焼結体10を得ることができる。
さらに、本実施形態では、アルミニウム基材11としてアルミニウム繊維11aとアルミニウム粉末11bとを用いており、アルミニウム粉末11bの混合比率を10質量%以下としているので、気孔率の高い多孔質アルミニウム焼結体10を得ることができる。
例えば、図6に示す連続焼結装置を用いて多孔質アルミニウム焼結体を連続的に製造するものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の製造装置によって多孔質アルミニウム焼結体を製造してもよい。
図8に示すように、焼結用アルミニウム原料20を散布する粉末散布機131から、カーボン製容器132内に向けて焼結用アルミニウム原料20を散布してかさ充填する(原料散布工程)。これを、脱脂炉134内に装入して、大気雰囲気で加熱してバインダーを除去する(脱バインダー工程)。その後、焼成炉135内に装入して、Ar雰囲気で655〜665℃に加熱保持することにより、バルク形状の多孔質アルミニウム焼結体110が得られる。なお、離型性の良いカーボン製容器132を用いており、かつ、焼結時に1%程度の収縮が発生することから、カーボン製容器132からバルク形状の多孔質アルミニウム焼結体110を比較的容易に取り出すことができる。
11 アルミニウム基材
11a アルミニウム繊維
11b アルミニウム粉末
12 柱状突起
15 結合部
16 Ti−Al系化合物
20 焼結用アルミニウム原料
22 チタン粉末粒子
Claims (3)
- 複数のアルミニウム基材が焼結された多孔質アルミニウム焼結体であって、
前記アルミニウム基材は、アルミニウム繊維を含んでおり、前記アルミニウム基材の外表面には、焼結工程において前記アルミニウム基材内部の溶融アルミニウムが外方へと噴出して固化することにより、外方に向けて突出する柱状突起が形成されており、
前記アルミニウム基材同士が前記柱状突起を介して結合した結合部を有し、この結合部には、Ti−Al系化合物が存在していることを特徴とする多孔質アルミニウム焼結体。 - 前記Ti−Al系化合物が、Al3Tiであることを特徴とする請求項1に記載の多孔質アルミニウム焼結体。
- 気孔率が30%以上90%以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の多孔質アルミニウム焼結体。
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