JP5633658B2 - 多孔質アルミニウム焼結体 - Google Patents

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Description

本発明は、複数のアルミニウム基材同士が焼結された多孔質アルミニウム焼結体に関するものである。
上述の多孔質アルミニウム焼結体は、例えば各種電池における電極及び集電体、熱交換器用部材、消音部材、フィルター、衝撃吸収部材等として使用されている。
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。
特許文献1においては、アルミニウム粉末とパラフィンワックス粒とバインダーとを混合して形成された混合物をシート状に成形し、これを自然乾燥させた後に有機溶剤に浸漬してワックス粒を除去した後、乾燥、脱脂、焼結を行うことによって、多孔質アルミニウム焼結体を製造している。
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、特許文献5においては、アルミニウムからなるベース粉末と共晶元素を含む橋絡形成用Al合金粉末などを混合し、これを水素雰囲気あるいは水素と窒素との混合雰囲気中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。なお、この多孔質アルミニウム焼結体は、アルミニウムからなるベース粉末が過共晶組織からなる橋絡部によって互いに連結された構造とされている。
特開2009−256788号公報 特開2010−280951号公報 特開2011−023430号公報 特開2011−077269号公報 特開平08−325661号公報
ところで、特許文献1に記載された多孔質アルミニウム焼結体及び多孔質アルミニウム焼結体の製造方法においては、気孔率の高いものを得ることが困難であるといった問題があった。さらに、アルミニウム基材同士を焼結する場合、アルミニウム基材の表面に形成された酸化膜によってアルミニウム基材同士の結合が阻害され、十分な強度を有する多孔質アルミニウム焼結体を得ることができないといった問題があった。
また、特許文献2−4に記載された多孔質アルミニウム焼結体及び多孔質アルミニウム焼結体の製造方法においては、粘性組成物を成形・発泡させていることから、効率的に多孔質アルミニウム焼結体を製造することができないといった問題があった。さらに、粘性組成物は多くのバインダーを含有していることから、脱バインダー処理に多くの時間を要するとともに、焼結時における成形体の収縮率が大きくなり、寸法精度に優れた多孔質アルミニウム焼結体を製造することができないといった問題があった。
さらに、特許文献5に記載された多孔質アルミニウム焼結体及び多孔質アルミニウム焼結体の製造方法においては、アルミニウムからなるベース粉末を過共晶組織からなる橋絡部によって結合した構造とされている。この橋絡部は、共晶組成の低融点Al合金粉末が溶融して液相を生じ、この液相がベース粉末間で凝固することによって形成されている。このため、気孔率の高いものを得ることが困難であった。
本発明は、以上のような事情を背景としてなされたものであって、効率良く低コストで製造可能であり、焼結時の収縮率が小さく寸法精度に優れるとともに十分な強度を有する高品質の多孔質アルミニウム焼結体を提供することを目的としている。
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の多孔質アルミニウム焼結体は、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している。
上述の構成とされた本発明の多孔質アルミニウム焼結体によれば、アルミニウム基材同士の結合部にTi−Al系化合物が存在しているので、アルミニウムの拡散移動が抑制されることから、アルミニウム基材同士の間の空隙を維持でき、多孔質アルミニウム焼結体を得ることができる。
また、アルミニウム基材の外表面に形成された柱状突起を介して、アルミニウム基材同士が結合されている構造とされているので、別途、発泡工程等を実施することなく、気孔率の高い多孔質アルミニウム焼結体とすることができる。よって、この多孔質アルミニウム焼結体を効率良く、かつ、低コストで製造することが可能となる。
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。
また、本発明の多孔質アルミニウム焼結体においては、前記Ti−Al系化合物が、主にAlTiであることが好ましい。
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AlTi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。
さらに、本発明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%以下の範囲内とされていることが好ましい。
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。
本発明によれば、効率良く低コストで製造可能であり、焼結時の収縮率が小さく寸法精度に優れるとともに十分な強度を有する高品質の多孔質アルミニウム焼結体を提供することができる。
本発明の一実施形態である多孔質アルミニウム焼結体の観察写真及び拡大模式図である。 図1に示す多孔質アルミニウム焼結体におけるアルミニウム基材同士の接合部のSEM観察及び組成分析結果を示す図である。 図1に示す多孔質アルミニウム焼結体の原料となる焼結用アルミニウム原料のSEM観察及び組成分析結果を示す図である。 図1に示す多孔質アルミニウム焼結体の製造方法の一例を示すフロー図である。 アルミニウム基材の外表面にチタン粉末粒子を固着した焼結用アルミニウム原料の説明図である。 シート状の多孔質アルミニウム焼結体を製造する連続焼結装置の概略説明図である。 焼結工程においてアルミニウム基材の外表面に柱状突起が形成される状態を示す説明図である。 バルク形状の多孔質アルミニウム焼結体を製造する製造工程を示す説明図である。
以下に、本発明の一実施形態である多孔質アルミニウム焼結体10について、添付した図面を参照して説明する。
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。
本実施形態においては、図1に示すように、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とが用いられている。
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。
ここで、図2に示すように、柱状突起12を介して結合されたアルミニウム基材11、11同士の結合部15には、Ti−Al系化合物16が存在している。本実施形態では、図2の分析結果に示すように、Ti−Al系化合物16は、TiとAlの化合物とされており、より具体的には、AlTi金属間化合物とされている。すなわち、本実施形態では、Ti−Al系化合物16が存在している部分において、アルミニウム基材11、11同士が結合しているのである。
次に、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について説明する。この焼結用アルミニウム原料20は、図3に示すように、アルミニウム基材11と、このアルミニウム基材11の外表面に固着された複数のチタン粉末粒子22と、を備えている。なお、チタン粉末粒子22としては、金属チタン粉末粒子及び水素化チタン粉末粒子のいずれか一方又は両方が用いることができる。
ここで、焼結用アルミニウム原料20においては、チタン粉末粒子22の含有量が0.5質量%以上20質量%以下の範囲内とされており、本実施形態では、5質量%とされている。
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。
アルミニウム基材11としては、上述したように、アルミニウム繊維11aとアルミニウム粉末11bとが用いられている。なお、アルミニウム粉末11bとしては、アトマイズ粉末を用いることができる。
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。
さらに、アルミニウム基材11としては、純度が99.5質量%以上の純アルミニウムで構成されていることが好ましく、さらには、純度が99.99質量%以上の4Nアルミニウムで構成されていることが好ましい。
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。
次に、本実施形態である多孔質アルミニウム焼結体10を製造する方法について、図4のフロー図等を参照して説明する。
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。
常温にて、アルミニウム基材11とチタン粉末とを混合する(混合工程S01)。このとき、バインダー溶液を噴霧する。なお、バインダーとしては、大気中で500℃に加熱した際に燃焼・分解されるものが好ましく、具体的には、アクリル系樹脂、セルロース系高分子体を用いることが好ましい。また、バインダーの溶剤としては、水系、アルコール系、有機溶剤系の各種溶剤を用いることができる。
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。
次に、混合工程S01で得られた混合体を乾燥する(乾燥工程S02)。この乾燥工程S02においては、アルミニウム基材11の表面に酸化膜が厚く形成されないように、40℃以下の低温乾燥、又は、1.33Pa以下(10−2Torr以下)の減圧乾燥を行うことが好ましい。
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。
次に、上述のようにして得られた焼結用アルミニウム原料20を用いて多孔質アルミニウム焼結体10を製造する。
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。
まず、粉末散布機31から、カーボンシート32上に向けて、焼結用アルミニウム原料20を散布する(原料散布工程S03)。
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。
次に、カーボンシート32上においてシート状に成形された焼結用アルミニウム原料20は、カーボンシート32とともに脱脂炉34内に装入され、所定温度に加熱されることによってバインダーが除去される(脱バインダー工程S04)。
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。
次に、バインダーが除去された焼結用アルミニウム原料20は、カーボンシート32とともに焼成炉35内に装入され、所定温度に加熱されることによって焼結される(焼結工程S05)。
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。
ここで、焼結工程S05における焼結雰囲気をArガス等の不活性ガス雰囲気とすることにより、露点を十分に下げることができる。水素雰囲気又は水素と窒素の混合雰囲気では、露点が下がりにくいため好ましくない。また、窒素は、Tiと反応してTiNを形成することからTiの焼結促進効果を失うため、好ましくない。
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。
この焼結工程S05においては、上述のように、温度を655〜665℃とアルミニウムの融点近くまで加熱していることから、焼結用アルミニウム原料20中のアルミニウム基材11は溶融することになる。ここで、アルミニウム基材11の表面には酸化膜が形成されていることから、溶融したアルミニウムが酸化膜によって保持され、アルミニウム基材11の形状が維持されている。
また、655〜665℃に加熱されると、アルミニウム基材11の外表面のうちチタン粉末粒子22が固着された部分においては、チタンとの反応によって酸化膜が破壊され、内部の溶融アルミニウムが外方へと噴出する。噴出された溶融アルミニウムはチタンとの反応によって融点の高い化合物を生成して固化することになる。これにより、図7に示すように、アルミニウム基材11の外表面に、外方に向けて突出する複数の柱状突起12が形成される。ここで、柱状突起12の先端には、Ti−Al系化合物16が存在しており、このTi−Al系化合物16によって柱状突起12の成長が抑制されているのである。
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。
このとき、隣接するアルミニウム基材11,11同士が、互いの柱状突起12を介して溶融状態で一体化あるいは固相焼結することによって結合され、図1に示すように、柱状突起12を介して複数のアルミニウム基材11、11同士が結合された多孔質アルミニウム焼結体10が製造されることになる。そして、柱状突起12を介してアルミニウム基材11、11同士が結合された結合部15には、Ti−Al系化合物16(本実施形態では、AlTi金属間化合物)が存在することになる。
以上のような構成とされた本実施形態である多孔質アルミニウム焼結体10においては、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が存在しているので、このTi−Al系化合物16によってアルミニウム基材11の表面に形成された酸化膜が除去されており、アルミニウム基材11,11同士が良好に結合している。よって、強度が十分な高品質の多孔質アルミニウム焼結体10を得ることができる。
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AlTi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。
また、アルミニウム基材11の外表面に形成された柱状突起12を介して、アルミニウム基材11、11同士が結合されている構造とされているので、別途、発泡工程等を実施することなく、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。よって、本実施形態である多孔質アルミニウム焼結体10を効率良く、かつ、低コストで製造することが可能となる。
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。
さらに、本実施形態では、粘性組成物に比べてバインダーの含有量が極めて少ないことから、脱バインダー工程S04を短時間で実施することができる。また、焼結時の収縮率が例えば1%程度と小さくなり、寸法精度に優れた多孔質アルミニウム焼結体10を得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としてアルミニウム繊維11a及びアルミニウム粉末11bを用いているので、これらの混合比を調整することにより、多孔質アルミニウム焼結体10の気孔率を制御することが可能となる。
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。
さらに、本実施形態では、焼結用アルミニウム原料20におけるチタン粉末粒子22の含有量が0.5質量%以上20質量%以下とされているので、アルミニウム基材11の外表面に適切な間隔で柱状突起12を形成することができ、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。
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であるアルミニウム繊維11aの繊維径が40μm以上300μm以下の範囲内、アルミニウム粉末11bの粒径が20μm以上300μm以下の範囲内とされるとともに、チタン粉末粒子22の粒径が1μm以上50μm以下の範囲内とされているので、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)の外表面に確実にチタン粉末粒子22を分散させて固着することができる。
また、本実施形態では、アルミニウム基材11が、純度99.5質量%以上の純アルミニウム、さらには、純度99.99質量%以上の4Nアルミニウムで構成されているので、多孔質アルミニウム焼結体10の耐食性を向上させることができる。
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。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
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。
また、本実施形態では、シート状の多孔質アルミニウム焼結体として説明したが、これに限定されることはなく、例えば図8で示す製造工程によって製造されるバルク形状の多孔質アルミニウム焼結体であってもよい。
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。
10、110 多孔質アルミニウム焼結体
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)

  1. 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。
  2. 前記Ti−Al系化合物が、AlTi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。
  3. 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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