JP5641248B2 - 発泡金属前駆体の製造方法及び発泡金属の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発泡金属前駆体を製造する方法と、この方法で製造された発泡金属前駆体を用いて、衝撃エネルギーの吸収特性が高く、また制振特性、断熱特性、遮音性に優れ、更に機能材料としても使用できるポーラスアルミニウム、ポーラスマグネシウム等の発泡金属を製造する方法に関するものである。

ポーラスアルミニウムは、気孔率が高い多孔質金属であるため、従来の緻密材と比較して非常に軽量であり、また衝撃エネルギーの吸収特性が高く、また制振特性や断熱特性に優れている等、非常に多くの優れた特徴を有する多機能な素材である。しかし、ポーラスアルミニウムの低コスト化は大きな課題となっており、実用化の障害となっているのが現状である。独立気泡型のポーラスアルミニウムを作製するために、プリカーサ法を用いることが知られている。このプリカーサ法では、先ず金属母材となるアルミニウム合金中に何らかの方法で発泡剤を混入させたプリカーサ（プリフォーム、発泡金属前駆体などとも呼ばれる。）を作製する。次にこのプリカーサを加熱し発泡剤の分解によりガスを発生させることで、軟化したアルミニウム合金を膨張させる。

具体的には、複数の金属又は合金板の間に発泡剤を充填した積層体をロール圧下して金属又は合金板を相互に圧延接合し、金属又は合金板を裁断して重ね合せ、この重ね合せた金属又は合金板を再度ロール圧下するサイクルを繰返すことにより、金属マトリックスに発泡剤が微細分散したプリフォームとし、このプリフォームを加熱して発泡剤を発泡させる金属発泡体の製造方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この金属発泡体の製造方法では、金属又は合金板としては、軽量化を重視するときアルミニウム、アルミニウム合金等が使用され、発泡剤としては、水素化チタン粉末、水素化ジルコニウム粉末等が使用される。このように構成された金属発泡体の製造方法では、マトリックスに発泡剤が微細かつ均一に分散したプリフォームを加熱することにより、発泡反応が生起し、内部に多数の気泡が存在する金属発泡体が得られる。この金属発泡体は、衝撃吸収、制振性、遮音性に優れた軽量構造部材を始めとして、機能材料としても使用できる。また上記金属発泡体の製造方法では、通常の圧延設備を利用できることから粉末冶金法と比較して製造工程が簡単であり、品質安定性及び信頼性の高い金属発泡体が得られるようになっている。

特開２００４−２８５４４６号公報（請求項１、段落［０００１］、［００２１］）

しかし、上記従来の特許文献１に示された金属発泡体の製造方法では、水素化チタン粉末等の発泡剤粉末が高価であることや、金属母材と発泡剤粉末を均一に混合したプリフォームを作製する工程が煩雑であるため生産性が悪いなどの問題点があった。

本発明の目的は、高価な発泡剤粉末を用いずに、発泡金属前駆体や発泡金属を容易に製造することができる、発泡金属前駆体の製造方法及び発泡金属の製造方法を提供することにある。本発明の別の目的は、摩擦撹拌処理（Friction Stir Processing、以下、ＦＳＰという）を行うときにアルミナを添加することにより、発泡金属の気孔の真球度を向上できるとともに、発泡金属の気孔率を増大できる、発泡金属前駆体の製造方法及び発泡金属の製造方法を提供することにある。

発泡金属用前駆体を製造するために、金属又は合金の板材中にＦＳＰを用いて発泡剤粉末を分散させる方法も考えられる。しかし、この製造方法では、発泡剤粉末が高価であるとともに、爆発のおそれがある。一方、溶融した金属又は合金を高速かつ高圧で金型に注入し凝固させて成形品を作製するダイカスト法は、生産性が高く、低コストで成形品を製造できることから、自動車部品などに広く用いられている。このダイカスト法では、ダイカスト成形品中に気体を含有し易いという特徴を有する。例えば、溶融金属を金型内に射出する際に、金型内に存在する空気や金型表面に塗布した離型剤・潤滑剤が溶融金属と触れることで気化したガスが溶融金属内に巻き込まれ、そのまま凝固することにより、ダイカスト成形品中に気体が含まれてしまう。このダイカスト成形品中にはガスや気孔生成核のような不純物が偏析しているのが一般的である。そこで、本発明者らは、ＦＳＰでは、その強力な撹拌作用によりダイカスト成形品の鋳造組織を均一化する効果があることから、このＦＳＰによりダイカスト成形品中の気体や気孔形成核を均一に分散できることを知見し、本発明をなすに至った。

本発明の第１の観点は、ダイカスト法により内部にガスを含有するダイカスト成形品を作製する工程と、ダイカスト成形品の内部に含有するガス及び気孔形成核をＦＳＰによりダイカスト成形品中に分散させて発泡金属前駆体を作製する工程とを含み、摩擦撹拌処理を行うときにダイカスト成形品にアルミナを添加することを特徴とする発泡金属前駆体の製造方法である。

本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、ダイカスト成形品の内部に含有するガス及び気孔形成核の上記ダイカスト成形品中への分散を均一に行うことを特徴とする。

本発明の第３の観点は、第１の観点に基づく発明であって、更にダイカスト成形品のうち摩擦撹拌処理により撹拌された部分を１００質量％とするときアルミナを１０質量％以下添加することを特徴とする。

本発明の第４の観点は、第１又は第３の観点に基づく発明であって、更にダイカスト成形品を２枚作製し、これら２枚のダイカスト成形品のいずれか一方の表面にアルミナ粒子を散布した後に、上記アルミナ粒子を挟むように２枚のダイカスト成形品を積層してＦＳＰを行うことを特徴とする。

本発明の第５の観点は、第１ないし第４の観点のいずれかに記載の方法で製造された発泡金属前駆体を５５０〜８００℃の範囲内の所定温度まで加熱する熱処理を行うことにより、発泡金属前駆体を発泡させる発泡金属の製造方法である。

本発明の第６の観点は、第１ないし第４の観点のいずれかに記載の方法で製造された発泡金属前駆体である。

本発明の第７の観点は、第５の観点に記載の方法で製造された発泡金属である。

【００１６】
本発明の第１の観点の方法では、内部にガス及び気孔形成核を含有するダイカスト成形品に対してＦＳＰを行うという比較的簡単な工程で、ダイカスト成形品中にガス及び気孔形成核を分散させることができる。この結果、高価な発泡剤粉末を用いずに、発泡金属前駆体を容易に製造することができる。また、ダイカスト成形品にアルミナを添加してＦＳＰを行ったので、ダイカスト成形品の内部に既に存在していたガスや気孔形成核がダイカスト成形品中に均一に分散するとともに、ＦＳＰ時に新たに添加したアルミナがダイカスト成形品中に均一に分散する。この結果、ガス、気孔形成核及びアルミナが均一に分散した発泡金属前駆体が得られる。
【手続補１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】 変更
【補正の内容】
【００１９】
本発明の第４の観点の方法では、２枚のダイカスト成形品のいずれか一方の表面にアルミナ粒子を散布した後に、この散布したアルミナ粒子を挟むように上記２枚のダイカスト成形品を積層してＦＳＰを行うので、ガス、気孔形成核及びアルミナが分散した発泡金属前駆体を極めて容易に製造することができる。
【手続補１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】 変更
【補正の内容】
【００２０】
本発明の第５の観点の方法では、上記発泡金属前駆体に熱処理を行ったので、発泡金属前駆体の内部に既に存在していたガスが膨張し、かつ発泡金属前駆体の内部に既に存在していた気孔形成核を中心に気孔が発生して膨張する。なお、発泡金属前駆体にアルミナを添加することにより、金属又は合金の粘性が増すので、発泡金属前駆体の内部に生成された気孔同士の合体が抑制されるとともに、気孔の浮上による発泡金属前駆体の外部へのガスの放出が抑制されるため、発泡金属の気孔の気孔率及び真球度を向上できる。またアルミナが気孔形成核としても機能するので、発泡金属前駆体の内部の気孔形成核の密度が高くなって、発泡金属の気孔率を増大できる。

本発明の第２の観点の方法では、ダイカスト成形品の内部に含有するガス及び気孔形成核のダイカスト成形品への分散をＦＳＰにより均一に行うので、ガス及び気孔形成核が均一に分散した発泡金属前駆体が得られる。

本発明の第３の観点の方法では、ダイカスト成形品にアルミナを添加してＦＳＰを行ったので、ダイカスト成形品の内部に既に存在していたガスや気孔形成核がダイカスト成形品中に均一に分散するとともに、ＦＳＰ時に新たに添加したアルミナがダイカスト成形品中に均一に分散する。この結果、ガス、気孔形成核及びアルミナが均一に分散した発泡金属前駆体が得られる。

本発明の第５の観点の方法では、２枚のダイカスト成形品のいずれか一方の表面にアルミナ粒子を散布した後に、この散布したアルミナ粒子を挟むように上記２枚のダイカスト成形品を積層してＦＳＰを行うので、ガス、気孔形成核及びアルミナが分散した発泡金属前駆体を極めて容易に製造することができる。

本発明の第６の観点の方法では、上記発泡金属前駆体に熱処理を行ったので、発泡金属前駆体の内部に既に存在していたガスが膨張し、かつ発泡金属前駆体の内部に既に存在していた気孔形成核を中心に気孔が発生して膨張する。なお、発泡金属前駆体にアルミナを添加することにより、金属又は合金の粘性が増すので、発泡金属前駆体の内部に生成された気孔同士の合体が抑制されるとともに、気孔の浮上による発泡金属前駆体の外部へのガスの放出が抑制されるため、発泡金属の気孔の気孔率及び真球度を向上できる。またアルミナが気孔形成核としても機能するので、発泡金属前駆体の内部の気孔形成核の密度が高くなって、発泡金属の気孔率を増大できる。

本発明第１実施形態の発泡金属前駆体をＦＳＰにより製造する工程を示す斜視図である。 その発泡金属前駆体をＦＳＰにより製造する工程を示す断面構成図である。 ダイカスト成形品を成形するためのダイカスト装置を示す断面構成図である。 ダイカスト成形品を成形するための別のダイカスト装置を示す断面構成図である。 本発明第２実施形態の発泡金属前駆体をＦＳＰにより製造する工程を示す斜視図である。 その発泡金属前駆体をＦＳＰにより製造する工程を示す断面構成図である。 比較例１のダイカスト成形品及び実施例１の発泡金属前駆体に熱処理を行ったときの熱処理時間の変化に対する発泡金属の気孔率の変化を示す図である。 （ａ）及び（ｃ）は比較例１のダイカスト成形品に７分間及び９分間の熱処理をそれぞれ行った後の発泡金属の縦断面図であり、（ｂ）及び（ｄ）は実施例１の発泡金属前駆体に７分間及び９分間の熱処理をそれぞれ行った後の発泡金属の縦断面図である。 実施例２〜６の発泡金属前駆体に熱処理を行ったときの熱処理温度の変化に対する発泡金属の気孔率の変化を示す図である。 実施例７〜１３のＦＳＰ前のダイカスト試験片（ダイカスト成形品の一部分）内のガス総量の変化に対するＦＳＰ及び熱処理後の発泡金属の気孔率の変化を示す図である。 実施例７〜１３のダイカスト試験片（ダイカスト成形品の一部分）にＦＳＰを行って発泡金属前駆体を作製し、この発泡金属前駆体に熱処理を行った後の発泡金属の縦断面図である。

次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。

＜第１の実施の形態＞
発泡金属前駆体の製造方法は、ダイカスト法により内部にガスを含有するダイカスト成形品を作製する工程と、このダイカスト成形品にＦＳＰを行う工程とを含む。ダイカスト法は、溶融したアルミニウム又はアルミニウム合金を金型に圧入することにより、高精度の鋳物を短時間に大量に成形できる鋳造法である。ダイカスト法としては、金型のキャビティ内を減圧した状態で溶融金属を注入して巻き込み巣の発生を防止する真空ダイカスト法、キャビティ内に溶融金属を低速で注入しかつ溶融金属に圧力をかけて凝固させるスクイズダイカスト法、キャビティ内に酸素を充填しその酸化作用によりキャビティ内を減圧し巣の発生を防止する無孔性（酸素置換）ダイカスト法、固体と液体がシャーベット状態のアルミニウム合金を金型に圧入する半溶解・半凝固ダイカスト法などが挙げられる。また上記金型に圧入される材料としては、ＡＤＣ１２（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系）、ＡＤＣ１（Ａｌ−Ｓｉ系）、ＡＤＣ３（Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系）、ＡＤＣ５（Ａｌ−Ｍｇ系）、ＡＤＣ６（Ａｌ−Ｍｇ系）、ＡＤＣ１０（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系）、ＡＤＣ１０Ｚ（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系）、ＡＤＣ１２Ｚ（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系）、ＡＤＣ１４（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系）などのアルミニウム合金が挙げられる。なお、この実施の形態では、ダイカスト法によりアルミニウム又はアルミニウム合金のダイカスト成形品を作製したが、ダイカスト法によりマグネシウム、マグネシウム合金、亜鉛、亜鉛合金、銅、銅合金等のダイカスト成形品を作製してもよい。

上記ダイカスト法により作製されたダイカスト成形品の内部には、ガス及び気孔形成核が含まれている。ガスは、ダイカスト装置の金型に溶融金属を極めて速い速度で注入するときにエアが溶融金属に混入するため、ダイカスト成形品の内部に含まれるものである。また気孔形成核は、アルミニウム又はアルミニウム合金の原料に既に含まれているか、或いはダイカスト法による鋳造工程でアルミニウム又はアルミニウム合金中に含まれるものであり、初晶Ｓｉ、共晶Ｓｉ、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ化合物、Ａｌ−Ｃｕ化合物などである。なお、マグネシウム又はマグネシウム合金のダイカスト成形品である場合には、気孔形成核としてＭｇ−Ａｌ化合物、Ｍｇ−(Ａｌ，Ｚｎ)化合物等が挙げられる。

一方、ＦＳＰは、図１及び図２に示すように、摩擦撹拌工具１１を用いて行われる。摩擦撹拌工具１１は、円柱状のショルダ部１１ａと、このショルダ部１１ａの先端に設けられショルダ部より小径のプローブ部１１ｂとを備える。プローブ部１１ｂの長さはダイカスト成形品１２の厚さと同一か或いはダイカスト成形品１２の厚さより僅かに短く形成される。またショルダ部１１ａ及びプローブ部１１ｂはＳＫＨ５１等の高速度工具鋼により一体的に形成された後に、ダイカスト成形品１２の融点近傍まで加熱されても容易に軟化しないように特殊な熱処理が施される。更にプローブ部１１ｂはショルダ部１１ａとともに５００〜３０００ｒｐｍの回転速度で回転することが好ましいが、この範囲には限定されず、プローブ部１１ｂ及びショルダ部１１ａの回転方向は図１及び図２とは逆であってもよい。このように工具１１を図１及び図２の実線矢印で示す方向に高速で回転させた状態で、プローブ部１１ｂの先端面を図２（ａ）の破線矢印で示す方向にダイカスト成形品１２の表面に押付ける。このときダイカスト成形品１２が摩擦熱で加熱されて軟化するので、プローブ部１１ｂが軟化したダイカスト成形品１２の内部に没入し、ショルダ部１１ａの先端面がダイカスト成形品１２に接し、更に軟化が促進され、ダイカスト成形品１２の内部にプローブ部１１ｂを中心とする略逆円錐台状の撹拌部１４（図２（ｂ）及び（ｃ））が形成される。ここで、ダイカスト成形品１２をプローブ部１１ｂの方に動かすことにより、撹拌部１４を形成してもよい。プローブ部１１ｂがダイカスト成形品１２の内部に完全に没入しショルダ部１１ａの先端面がダイカスト成形品１２に接した状態で工具１１のダイカスト成形品１２への押付けを停止し、工具１１を図１（ａ）、図２（ｂ）及び（ｃ）の二点鎖線矢印で示す方向に走査する。このとき工具１１を走査（移動）するのではなくダイカスト成形品１２を走査（移動）させてもよい。これによりダイカスト成形品１２が工具１１の走査線上に沿って撹拌されるので、ダイカスト成形品１２の内部に含まれているガス及び気孔形成核がダイカスト成形品１２中に均一に分散する。このようにダイカスト法により作製されたダイカスト成形品１２にＦＳＰを行うという比較的簡単な工程でガス及び気孔形成核が均一に分散した発泡金属前駆体１６（図１（ｂ）及び図２（ｃ））を製造することができる。この結果、高価な発泡剤粉末を用いずに、発泡金属前駆体１６を容易に製造することができる。

なお、プローブ部１１ｂの外周面には、螺子（雄ねじ）を切ったり、円周方向に所定の間隔をあけて長手方向に延びる複数の溝を形成したり、長手方向に所定の間隔をあけて円周方向に延びる溝を形成してもよい。また、プローブ部１１ｂは円柱形状に限定されず、直方体など他の形状でもよい。これらの螺子や溝により、摩擦熱で溶融したダイカスト成形品１２の撹拌作用を高めることができる。また工具１１は、その軸線をダイカスト成形品１２の表面に対して垂直に保ったまま回転させるとともに、ダイカスト成形品１２の面方向に走査してもよいが、その軸線をダイカスト成形品１２の表面に対して所定の角度だけ傾斜させた状態（前進角を付与した状態）で回転させるとともに、ダイカスト成形品１２の面方向に走査してもよい。上記前進角は、工具の軸線をダイカスト成形品１２の表面に対して垂直に保ったままダイカスト成形品１２の面方向に走査したときに工具の軸線が通過する平面内であって、プローブ部側をショルダ部側より走査方向側に傾けた工具の軸線の角度である。この前進角は２〜４度程度であることが好ましい。

次に上記方法で製造された発泡金属前駆体１６を用いて発泡金属を製造する方法を説明する。アルミニウム又はアルミニウム合金製の発泡金属前駆体１６をその融点近傍まで加熱する熱処理を行う。この熱処理は大気中で５５０〜８００℃、好ましくは６５０〜７００℃の温度に、５〜６０分間、好ましくは６〜１５分間保持する熱処理である。ここで、熱処理温度を５５０〜８００℃の範囲内に限定したのは、５５０℃未満では発泡金属前駆体１６の粘度が高すぎてガスが膨張できず、８００℃を越えると発泡金属前駆体１６の粘度が低くなりすぎて気孔同士が合体したり或いは気孔が浮き上がってガスが外部に放出されてしまうからである。また熱処理時間を５〜６０分間の範囲内に限定したのは、５分間未満では発泡金属前駆体１６の不十分な軟化によりガスが膨張できず、６０分間を越えると発泡金属前駆体１６の軟化時間が長すぎて気孔同士が合体したり或いは気孔が浮き上がってガスが外部に放出されてしまうからである。なお、マグネシウム又はマグネシウム合金製の発泡金属前駆体である場合には、上記熱処理の温度及び時間は５５０〜８００℃及び５〜６０分間に設定される。また亜鉛又は亜鉛合金製の発泡金属前駆体である場合には、上記熱処理の温度及び時間は３００〜５５０℃及び５〜６０分間に設定される。更に銅又は銅合金製の発泡金属前駆体である場合には、上記熱処理の温度及び時間は９００〜１２００℃及び５〜６０分間に設定される。

発泡金属前駆体１６に上記熱処理を行うと、ダイカスト成形品１２の内部に既に存在していたガスが膨張し、かつダイカスト成形品１２の内部に既に存在していた気孔形成核を中心に気孔が発生して膨張する。

なお、ＦＳＰを行う前のダイカスト成形品１２の内部に含まれるガス（例えば、空気、離型剤の分解ガス、潤滑油の分解ガス等）の割合を調整する方法を説明する。図３に示すように、ダイカスト装置２１は、溶融金属を圧入することにより所定形状のダイカスト成形品２２が形成される所定形状の空間であるキャビティ２１ａと、このキャビティ２１ａの下端に連通接続され水平方向に延びて設けられ溶融金属をキャビティ２１ａに導くスリーブ２１ｂと、このスリーブ２１ｂ内を往復動しスリーブ２１ｂ内の溶融金属をキャビティ２１ａに圧入するプランジャー２１ｃとを備える。キャビティ２１ａの上端にはキャビティ２１ａ内及びスリーブ２１ｂ内のガスを大気に排出するガス抜き孔２１ｄが設けられ、スリーブ２１ｂの途中には溶融金属（例えば、アルミの溶湯）をスリーブ２１ｂ内に注入するための注湯口２１ｅが設けられる。このダイカスト装置２１のプランジャー２１ｃを極めて速い速度で図３（ｂ）の破線矢印の方向に移動させることにより、ガスがガス抜き孔２１ｄから抜けきらずに溶融金属に混入するため、ガスがキャビティ２１ａ内のダイカスト成形品２２の内部に含まれる。またキャビティ２１ａの内周面に塗布される離型剤（ダイカスト成形品２２をキャビティ２１ａから取出し易くするために塗布される。）を通常より多く塗布することにより、キャビティ２１ａ内のダイカスト成形品２２の内部に含まれるガスの割合を増大させることができる。これは、キャビティ２１ａ内周面に塗布した離型剤がキャビティ２１ａに圧入された溶融金属の熱により分解して通常より多くのガスが発生するためである。

一方、図４に示すダイカスト装置３１を用いることにより、キャビティ３１ａ内のダイカスト成形品３２の内部に含まれるガスの割合をより増大させることができる。このダイカスト装置３１では、ガス抜き孔３１ｄに栓３１ｆを挿着することにより、ガス抜き孔３１ｄが閉塞されている。これにより、キャビティ３１ａ内及びスリーブ３１ｂ内のガスの殆ど全てをキャビティ３１ａ内のダイカスト成形品３２の内部に混在させることができるので、キャビティ３１ａ内のダイカスト成形品３２の内部に含まれるガスの割合をより増大できるようになっている。またスリーブ３１ｂ内周面に塗布される潤滑油を通常より多く塗布することにより、キャビティ３１ａ内のダイカスト成形品３２の内部に含まれるガスの割合を更に増大させることができる。これは、スリーブ３１ｂ内周面に塗布した潤滑油がスリーブ３１ｂを通ってキャビティ３１ａに圧入された溶融金属の熱により分解して通常より多くのガスが発生するためである。なお、図４中の符号３１ｃはプランジャーであり、符号３１ｅは注湯口である。

＜第２の実施の形態＞
図５及び図６は本発明の第２の実施の形態を示す。図５及び図６において図１及び図２と同一符号は同一部品を示す。この実施の形態では、ダイカスト成形品５１，５２に対してＦＳＰを行うときにアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を添加する。このアルミナは、ダイカスト成形品５１，５２のうちＦＳＰにより撹拌された部分（撹拌部５４）を１００質量％とするとき、１０質量％以下、好ましくは３〜７質量％添加される。ここで、アルミナの添加量を１０質量％以下に限定したのは、１０質量％を越えるとポーラスアルミニウム（発泡金属）としての不純物が増えるだけだからである。

ダイカスト成形品５１，５２にアルミナを添加する方法を説明する。先ず、図５及び図６に示すように、ダイカスト法により板状の第１及び第２ダイカスト成形品５１，５２をそれぞれ成形する。第１ダイカスト成形品５１の上面には、上記ダイカスト法により摩擦撹拌工具１１の走査方向に延びる凹部５１ａが形成される。なお、凹部は第１ダイカスト成形品の表面にフライス加工により形成してもよく、また第１ダイカスト成形品に凹部を形成しなくてもよい。この凹部５１ａに上記アルミナ粒子を充填した後に、第１ダイカスト成形品５１に第２ダイカスト成形品５２を積層する。この状態で積層体５５に対して第１の実施の形態と同様にＦＳＰを行う。なお、プローブ部１１ｂの長さは積層体５５の厚さと同一か或いは積層体５５の厚さより僅かに短く形成される。また、凹部は、第１ダイカスト成形品ではなく、第２ダイカスト成形品に形成してもよい。

ＦＳＰを行うときにアルミナを添加する方法としては、アルミナ粒子を用いずに、予め熱酸化処理により表面に酸化膜（アルミナの膜）を形成した複数枚のダイカスト成形品（凹部なし）を作製し、これらのダイカスト成形品を積層して積層体を形成した後に、この積層体にＦＳＰを行うことによりダイカスト成形品にアルミナを添加する方法でもよい。また、第１及び第２ダイカスト成形品に凹部を形成せずに、第１又は第２ダイカスト成形品のいずれかの上にアルミナ粒子を散布し、この散布したアルミナ粒子を挟むように第１及び第２ダイカスト成形品を積層した後に、ＦＳＰを行ってもよい。

上記凹部５１ａに充填されるアルミナ粒子や、第１又は第２ダイカスト成形品上に散布されるアルミナ粒子の平均粒径は０．０５〜１００μｍ、好ましくは０．０５〜１μｍの範囲に設定される。ここで、アルミナ粒子の平均粒径を０．０５〜１００μｍの範囲内に限定したのは、０．０５μｍ未満では入手困難でありたとえ入手できたとしても高価なものとなってしまい、１００μｍを越えると発泡不足になってしまうからである。また、本発明で使用されるアルミナ粒子の平均粒径とは、粒度分布測定装置（堀場製作所製 ＬＡ−９２０）にて測定した。

上記のように、アルミナ粒子を介装した第１及び第２ダイカスト成形品５１，５２からなる積層体５５にアルミナを添加してＦＳＰを行ったので、ダイカスト成形品５１，５２の内部に既に存在していたガスや気孔形成核がダイカスト成形品５１，５２中に均一に分散するとともに、ＦＳＰ時に新たに添加したアルミナがダイカスト成形品５１，５２中に均一に分散する。上記以外の発泡金属前駆体５６の製造方法は、第１の実施の形態の発泡金属前駆体の製造方法と略同様であるので、繰返しの説明を省略する。

このように製造された発泡金属前駆体５６を用いて発泡金属を製造する方法を説明する。この実施の形態の発泡金属の製造方法は、第１の実施の形態の発泡金属の製造方法と略同様である。即ち、発泡金属前駆体５６をその融点近傍まで加熱する熱処理を行う。この熱処理は大気中で５５０〜８００℃、好ましくは６５０〜７００℃の温度に、５〜６０分間、好ましくは６〜１５分間保持する熱処理である。発泡金属前駆体５６に上記熱処理を行うと、ダイカスト成形品５１，５２の内部に既に存在していたガスが膨張し、かつダイカスト成形品５１，５２の内部に既に存在していた気孔形成核を中心に気孔が発生して膨張する。このときアルミナの添加によりアルミニウム又はアルミニウム合金の粘性が増すので、発泡金属前駆体５６の内部に生成された気孔同士の合体が抑制されるとともに、気孔の浮上による発泡金属前駆体５６の外部へのガスの放出が抑制される。この結果、第１の実施の形態の発泡金属より発泡金属の気孔の気孔率及び真球度を向上できる。また上記アルミナが気孔形成核としても機能するので、発泡金属前駆体の内部の気孔形成核の密度が高くなって、第１の実施の形態の発泡金属より気孔率を増大させることができる。なお、第２の実施の形態では、発泡金属前駆体に対してＦＳＰを行うときにアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）粉末を添加したが、シリカ（ＳｉＯ₂）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）などのセラミック粉末を添加してもよい。

次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。

＜比較例１及び実施例１＞
先ず発泡金属前駆体となるダイカスト成形品をダイカスト法により製造し、このダイカスト成形品の一部分をダイカスト試験片とした。このダイカスト試験片は、ＡＤＣ１２というダイカスト用のアルミニウム合金を用いて実際に自動車部品を製造するときに、金型の溶融金属を流込む通路に形成されたランナ部の一部分である。なお、上記ダイカスト成形品は鋳造圧力が７０ＭＰａである真空ダイカスト法により製造した。また、ダイカスト試験片としてランナ部を用いたのは、ランナ部がＦＳＰを実施し易い略平板状であるためと、真空ダイカスト法であってもこのランナ部にガス欠陥が多発することが経験的に知られているためである。更にダイカスト試験片の厚さは約１０ｍｍであった。

次に上記ダイカスト試験片に対して大気中でＦＳＰを行った。このＦＳＰには、日立設備エンジニアリング社の摩擦撹拌接合（Friction Stir Welding、以下、ＦＳＷという）装置を用い、マルチパス法を採用した。具体的には、図１及び図２に示すように、摩擦撹拌工具１１を図１（ａ）、図２（ｂ）及び図２（ｃ）の二点鎖線矢印の方向に走査させた（１パス目）。その後、摩擦撹拌工具１１のショルダ部１１ａ先端のプローブ部１１ｂの直径分だけＦＳＰの走査方向に対して直角方向にずらし、上記１パス目と同一方向に走査させた（第２パス目）。これにより１パスだけＦＳＰを行う場合より大きな発泡金属前駆体１６を得ることができた。なお、摩擦撹拌工具１１のショルダ部１１ａの直径は１７ｍｍであり、プローブ部１１ｂの直径及び長さはそれぞれ６ｍｍ及び５ｍｍであった。またプローブ部１１ｂの外周面には螺子（雄ねじ）が形成されていた。更に上記摩擦撹拌工具１１の回転速度は１０００ｒｐｍであり、走査速度は１００ｍｍ／分であり、前進角は３度であった。

更にＦＳＰを行った後のダイカスト試験片からＦＳＰを行っていない部分（以下、比較例１のダイカスト成形品という）と、ＦＳＰを行った後のダイカスト試験片からＦＳＰを行った部分（以下、実施例１の発泡金属前駆体という）とを機械加工によりそれぞれ切り出した。これらのダイカスト成形品及び発泡金属前駆体の縦、横及び厚さはそれぞれ１２ｍｍ、１２ｍｍ及び６ｍｍであった。

＜比較試験１及び評価＞
比較例１のダイカスト成形品及び実施例１の発泡金属前駆体を複数枚ずつ作製し、これらのダイカスト成形品及び発泡金属前駆体を、予め６７５℃の雰囲気温度に保った電気炉に入れ、その温度に所定時間ずつ保持した後、炉から取り出して空冷した。上記６７５℃に保持する時間（熱処理時間）は、それぞれ２分間、４分間、５分間、６分間、７分間、８分間、９分間及び１０分間とした。そして、比較例１のダイカスト成形品及び実施例１の発泡金属前駆体の熱処理時間と発泡金属の気孔率との関係を求めるとともに、発泡金属の断面における気孔形態の観察を行った。その結果を図７及び図８に示す。なお、ダイカスト成形品毎及び発泡金属前駆体毎のバラツキの影響を低減するために、それぞれの条件で異なるダイカスト試験片から切り出したダイカスト成形品及び発泡金属前駆体を２個ずつ発泡させ、気孔率（発泡率）はこれらの平均値を採った。気孔率（発泡率）ｐ（％）は、ｐ＝［（ρ_i−ρ_f）／ρ_i］×１００という式から算出した。ここで、ρ_iは発泡前のダイカスト成形品及び発泡金属前駆体の密度であり、ρ_fは発泡後のポーラスアルミニウム（発泡金属）の密度である。それぞれの密度はアルキメデス法により測定した。またダイカスト成形品及び発泡金属前駆体を発泡させるとき、ダイカスト成形品及び発泡金属前駆体の厚さ方向（６ｍｍ）が上下となるように電気炉に入れた。更に、図８のポーラスアルミニウム（発泡金属）の上下は電気炉に入れたときのダイカスト成形品及び発泡金属前駆体の上下と一致させている。

図７から明らかなように、ＦＳＰを行っていない比較例１では、発泡金属の気孔率が最大で１０％であったのに対し、ＦＳＰを行った実施例１では、発泡金属の気孔率が最大で３０％を越えた。また実施例１では、熱処理時間の増加とともに発泡金属の気孔率が増加し、熱処理時間が６〜７分間で最大の気孔率となることが分かった。即ち、実施例１では、熱処理時間が７分間を越えると気孔率が若干低下し再び上昇した後に低下し、熱処理時間が６分間未満になると熱処理時間に比例して気孔率が低下した。実施例１において、熱処理時間が長くなると気孔率が低下するのは、熱処理時間が長いと、ガスが膨張するけれども、生成した気孔同士が合体したり或いは気孔が浮き上がってガスが外部に放出されてしまうためであると考えられる。また熱処理時間が短いと気孔率が低下するのは、発泡金属前駆体のアルミニウム合金が十分に軟化しないため、ガスが膨張できなかったためであると考えられる。なお、実施例１において、熱処理時間が９分間であるとき、気孔率が一旦増加しているけれども、これは、生成した気孔が浮き上がって、発泡金属前駆体の内部より母材からの抵抗が少ない発泡金属前駆体の上部の表面近傍に集まったため、同じガス量であっても多く膨張したことが原因であると考えられる。

図８（ａ）の熱処理時間７分間の比較例１では、気孔が観察されるとともに、気孔率は１０％程度であり、気孔は発泡金属の下部に偏在していたのに対し、図８（ｂ）の熱処理時間７分間の実施例１では、気孔率が３０％を越えしかも気孔の真球度が極めて高いポーラスアルミニウム（発泡金属）が得られた。なお、図８（ｂ）の熱処理時間７分間の実施例１では、気孔のサイズがやや均一でないけれども、マルチパス法を採用して撹拌回数を増やしたり、ＦＳＰの条件を最適化することにより、気孔のサイズを均一化できる。

一方、図８（ｃ）の熱処理時間９分間の比較例１も、図８（ｄ）の熱処理時間９分間の実施例１も、ともに気孔は全て上部に集中し下部に気孔は殆ど見られなかった。これは発泡過程において、生成した気孔の合体と浮上が起こったためであると考えられる。このような発泡金属はダイカスト成形品の表面をポーラス化するような場合に有効であると考えられる。

＜実施例２＞
先ずダイカスト法により縦、横及び厚さがそれぞれ１５０ｍｍ、７０ｍｍ及び３ｍｍであるアルミニウム合金板を２枚作製した。これらのアルミニウム合金板のうち一方を第１ダイカスト成形品とし、他方を第２ダイカスト成形品とした。第１ダイカスト成形品上に何も散布せずに、この第１ダイカスト成形品に第２ダイカスト成形品を積層して積層体を作製した。この積層体に対して大気中でＦＳＰを行った。このＦＳＰには、実施例１と同様に、日立設備エンジニアリング社のＦＳＷ装置を用い、マルチパス法を採用した。具体的には、図１及び図２に示すように、摩擦撹拌工具１１を図２（ｂ）及び図２（ｃ）の二点鎖線矢印の方向に走査させた。なお、摩擦撹拌工具１１のショルダ部１１ａの直径は１７ｍｍであり、プローブ部１１ｂの直径及び長さはそれぞれ６ｍｍ及び５ｍｍであった。またプローブ部１１ｂの外周面には螺子（雄ねじ）が形成されていた。更に上記摩擦撹拌工具１１の回転速度は１０００ｒｐｍであり、走査速度は１００ｍｍ／分であり、前進角は３度であった。次に上記ＦＳＰを行った後の積層体から、ＦＳＰを行った部分を機械加工により切り出して発泡金属前駆体を作製した。この発泡金属前駆体の縦、横及び厚さはそれぞれ１２ｍｍ、１２ｍｍ及び６ｍｍであった。この発泡金属前駆体を実施例２とした。

＜実施例３＞
第１及び第２ダイカスト成形品のうちＦＳＰにより撹拌された部分（撹拌部）を１００質量％とするとき、アルミナの添加量が３質量％となるように、平均粒径１μｍのアルミナ粒子を第１ダイカスト成形品上に散布したこと以外は、実施例２と同様にして発泡金属前駆体を作製した。この発泡金属前駆体を実施例３とした。

＜実施例４＞
第１及び第２ダイカスト成形品のうちＦＳＰにより撹拌された部分（撹拌部）を１００質量％とするとき、アルミナの添加量が５質量％となるように、平均粒径１μｍのアルミナ粒子を第１ダイカスト成形品上に散布したこと以外は、実施例２と同様にして発泡金属前駆体を作製した。この発泡金属前駆体を実施例４とした。

＜実施例５＞
第１及び第２ダイカスト成形品のうちＦＳＰにより撹拌された部分（撹拌部）を１００質量％とするとき、アルミナの添加量が７質量％となるように、平均粒径１μｍのアルミナ粒子を第１ダイカスト成形品上に散布したこと以外は、実施例２と同様にして発泡金属前駆体を作製した。この発泡金属前駆体を実施例５とした。

＜実施例６＞
第１及び第２ダイカスト成形品のうちＦＳＰにより撹拌された部分（撹拌部）を１００質量％とするとき、アルミナの添加量が１０質量％となるように、平均粒径１μｍのアルミナ粒子を第１ダイカスト成形品上に散布したこと以外は、実施例２と同様にして発泡金属前駆体を作製した。この発泡金属前駆体を実施例６とした。

＜比較試験２及び評価＞
実施例２〜６の発泡金属前駆体を、予め所定の雰囲気温度に保った電気炉に入れ、その温度に１０分間保持した後、炉から取り出して空冷した。上記所定の雰囲気温度（熱処理温度）は、それぞれ６００℃、６２５℃、６５０℃、６７５℃及び７００℃とした。そして、実施例２〜６の発泡金属前駆体の熱処理温度と発泡金属の気孔率との関係を求めた。その結果を図９に示す。なお、発泡金属前駆体毎のバラツキの影響を低減するために、比較試験１と同様に、それぞれの条件で異なる積層体から切り出した発泡金属前駆体を２個ずつ発泡させ、気孔率（発泡率）はこれらの平均値を採った。また気孔率（発泡率）ｐ（％）も比較試験１と同様の方法で算出した。更に発泡金属前駆体を発泡させるとき、発泡金属前駆体の厚さ方向（６ｍｍ）が上下となるように電気炉に入れた。

図９から明らかなように、実施例３のアルミナを３質量％添加したときに、発泡金属の気孔率が最も増大することが分かった。また実施例３〜５のアルミナを３〜７質量％添加したときに、発泡金属の気孔率の増大が比較的良好であることが分かった。

＜実施例７＞
図３に示すダイカスト装置２１、即ちガス抜き孔２１ｅが開放されたダイカスト装置２１を用いてダイカスト成形品２２（アルミニウム合金：ＡＤＣ１２）を作製した。なお、鋳造を行う前に、チルベント及びキャビティ２１ａに離型剤を３０ｍ／秒の基本速度で２．５秒間噴射し、スリーブ２１ｂに潤滑油を２０ｍ／秒の基本速度で２．５秒間噴射して、エアブローを行った。

＜実施例８＞
図４に示すダイカスト装置３１、即ちガス抜き孔３１ｅが閉塞されたダイカスト装置３１を用いてダイカスト成形品３２（アルミニウム合金：ＡＤＣ１２）を作製した。なお、鋳造を行う前に、チルベント及びキャビティ３１ａに離型剤を３０ｍ／秒の基本速度で２．５秒間噴射し、スリーブ３１ｂに潤滑油を２０ｍ／秒の基本速度で２．５秒間噴射して、エアブローを行った。

＜実施例９＞
図３に示すダイカスト装置２１、即ちガス抜き孔２１ｄが開放されたダイカスト装置２１を用いてダイカスト成形品２２（アルミニウム合金：ＡＤＣ１２）を作製した。なお、鋳造を行う前に、チルベント及びキャビティ２１ａに離型剤を５０ｍ／秒の基本速度で２秒間噴射し、スリーブ２１ｂに潤滑油を４０ｍ／秒の基本速度で２秒間噴射して、エアブローを行った。

＜実施例１０＞
図４に示すダイカスト装置３１、即ちガス抜き孔３１ｅが閉塞されたダイカスト装置３１を用いてダイカスト成形品３２（アルミニウム合金：ＡＤＣ１２）を作製した。なお、鋳造を行う前に、チルベント及びキャビティ３１ａに離型剤を５０ｍ／秒の基本速度で２秒間噴射し、スリーブ３１ｂに潤滑油を４０ｍ／秒の基本速度で２秒間噴射して、エアブローを行った。

＜実施例１１＞
図４に示すダイカスト装置３１、即ちガス抜き孔３１ｅが閉塞されたダイカスト装置３１を用いてダイカスト成形品３２（アルミニウム合金：ＡＤＣ１２）を作製した。なお、鋳造を行う前に、スリーブ３１ｂに潤滑油を通常０．４ｃｃのところ５．０ｃｃ塗布し、エアブローを行った。

＜実施例１２＞
図４に示すダイカスト装置３１、即ちガス抜き孔３１ｅが閉塞されたダイカスト装置３１を用いてダイカスト成形品３２（アルミニウム合金：ＡＤＣ１２）を作製した。なお、鋳造を行う前に、スリーブ３１ｂに潤滑油を通常０．４ｃｃのところ５．０ｃｃ塗布し、エアブローを行った。但し、プランジャー３１ｃの速度を実施例１１より速くした。

＜実施例１３＞
図４に示すダイカスト装置３１、即ちガス抜き孔３１ｅが閉塞されたダイカスト装置３１を用いてダイカスト成形品３２（アルミニウム合金：ＡＤＣ１２）を作製した。なお、鋳造を行う前に、スリーブ３１ｂに潤滑油を通常０．４ｃｃのところ２．０〜３．０ｃｃ塗布し、エアブローを行い、更にスリーブ３１ｂに潤滑油を２．０〜３．０ｃｃ塗布した。

＜比較試験３及び評価＞
実施例７〜１３のダイカスト成形品の一部分をダイカスト試験片（２枚ずつ）とした。先ずこれらのダイカスト試験片に含まれるガス総量（ｃｍ³／１００ｇ）をガスクロマトグラフＧＣ−８ＡＰＴ（島津製作所製）によりそれぞれ測定した。次にこれらの試験片に実施例４と同様にしてＦＳＰを行った。即ち、アルミナの添加量が５質量％となるように、平均粒径１μｍのアルミナ粒子を２枚のダイカスト試験片（発泡金属前駆体）の間に挟んだ状態でＦＳＰを行った。更にＦＳＰを行ったダイカスト試験片（発泡金属前駆体）を約６７５℃の温度に１１分間保持する熱処理を行って発泡金属を作製した。そしてこれらの発泡金属の気孔率を測定するとともに、発泡金属の断面における気孔の観察を行った。その結果を図１０及び図１１に示す。なお、発泡金属の気孔率の測定方法は上記比較試験１と同様にして行った。

図１０から明らかなように、ガス総量が増大するに従って発泡金属の気孔率が増大し、ガス総量の変化に対して発泡金属の気孔率が略一直線となるように変化することが分かった。一方、図１１から明らかなように、実施例７では発泡金属の気孔率が極めて小さく気孔の大きさも小さかったのに対し、実施例８では発泡金属の気孔率は極めて小さいけれども比較的大きな気孔が形成された。また実施例９〜１３では、実施例９から実施例１０、実施例１１、実施例１２及び実施例１３に向うに従って、発泡金属の気孔率が次第に大きくなるとともに、気孔が試験片全体に分布するようになった。

本発明の発泡金属前駆体の製造方法及び発泡金属の製造方法は、発泡金属前駆体を用いて、衝撃エネルギーの吸収特性が高く、また制振特性、断熱特性、遮音性に優れ、更に機能材料としても使用できるポーラスアルミニウム、ポーラスマグネシウム等の発泡金属を製造する方法として利用できる。

１２，５１，５２ ダイカスト成形品
１６，５６ 発泡金属前駆体
５３ アルミナ粒子

Claims (7)

1. ダイカスト法により内部にガスを含有するダイカスト成形品を作製する工程と、
   前記ダイカスト成形品の内部に含有するガス及び気孔形成核を摩擦撹拌処理により前記ダイカスト成形品中に分散させて発泡体金属前駆体を作製する工程と
   を含み、
   前記摩擦撹拌処理を行うときに前記ダイカスト成形品にアルミナを添加することを特徴とする発泡金属前駆体の製造方法。
2. 前記ダイカスト成形品の内部に含有するガス及び気孔形成核の前記ダイカスト成形品中への分散を均一に行う請求項１記載の発泡金属前駆体の製造方法。
3. 前記ダイカスト成形品のうち前記摩擦撹拌処理により撹拌された部分を１００質量％とするとき前記アルミナを１０質量％以下添加する請求項１記載の発泡金属前駆体の製造方法。
4. 前記ダイカスト成形品を２枚作製し、前記２枚のダイカスト成形品のいずれか一方の表面にアルミナ粒子を散布した後に、前記アルミナ粒子を挟むように前記２枚のダイカスト成形品を積層して摩擦撹拌処理を行う請求項１又は３記載の発泡金属前駆体の製造方法。
5. 請求項１ないし４いずれか１項に記載の方法で製造された発泡金属前駆体を５５０〜８００℃の範囲内の所定温度まで加熱する熱処理を行うことにより、前記発泡金属前駆体を発泡させる発泡金属の製造方法。
6. 請求項１ないし４いずれか１項に記載の方法で製造された発泡金属前駆体。
7. 請求項５に記載の方法で製造された発泡金属。