JP5754569B2 - 傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料の製造方法、並びに傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料 - Google Patents

傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料の製造方法、並びに傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料 Download PDF

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Description

本発明は、材料組成、若しくは、材料組成及び気孔率が連続的、又は段階的に変化するように形成された傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料の製造方法と、その製造方法で製造された傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料に関する。
発泡金属に代表されるポーラスアルミニウムは、軽量性と優れた衝撃エネルギー吸収特性を併せ持った多機能な素材であり、今後、自動車の燃費向上と衝突安全性向上の両立が可能な高機能素材として期待されている。
ポーラスアルミニウムの作製方法は、数多く提案されており、その代表的なものとして、プリカーサ法がある（非特許文献１）。プリカーサ法とは、アルミニウム母材中に、あらかじめ発泡剤粉末を混合した、プリカーサ（発泡金属前駆体）と呼ばれるものを作製する方法である。プリカーサ法においては、プリカーサ形成後、このプリカーサを加熱することで発泡剤を分解してガスを発生させ、このガスの発生によりアルミニウム母材を膨張させてポーラス化する。これにより、ポーラスアルミニウムが完成される。
また、プリカーサを作製するプリカーサ法としては、粉末法（非特許文献２、特許文献１、２）と圧延接合法（非特許文献３、特許文献３）とがある。
粉末法は、母材粉末と発泡剤粉末とを均一になるまで混合し、さらに、得られた混合粉末に熱間押出や熱間圧延などの操作を施すことにより固化させてプリカーサとする方法である。
圧延接合法は、母材である板材を複数用意し、この板材の間に発泡剤を挟み、所定の圧下率、例えば５０％で圧延して板材を接合し、さらに、この圧延工程を繰り返して板材中に発泡剤を均一に分散させることで、プリカーサとする方法である。
ドイツ特許出願公開第１０４８３６０号明細書 ドイツ特許出願公開第４１０１６３０号明細書 特許第３８９５２９２号公報
J.Banhart,Manufacture,characterization and application of cellular metals and metal foams.ProgressinMaterials Science,2001.46(6):pp559-632 F.Baumgartner,I.Duarte and J.Banhart,Industrialization of powder compact foaming process.Advanced Engineering Materials,2000.2(4):pp168-174 K.Kitazono,E.Sato,and K.Kuribayashi,Novel manufacturing process of closed-cell aluminum foam by accumulative roll-bonding.ScriptaMaterialia,2004.59(4):pp495-498.
しかしながら、上述した粉末法は、母材の粉末の価格が一般に流通している板材などの材料と比較して高いこと、母材がアルミニウム合金の粉末である場合、粉末の表面に酸化被膜が存在するため十分に緻密なプリカーサを製造することが困難である等の問題点がある。
圧延接合法は、安価な板材を使用でき、既存の圧延設備を使用できるという長所はあるものの、圧延によって板材を接合するために、焼鈍や接合面の表面処理などの前処理が必要であること、及び圧延前後で熱処理が必要であること等の問題点がある。
一方、ポーラスアルミニウムは、更なる用途の拡大の為に、傾斜機能性が付与されることが望まれる。例えば、表面は耐食性に優れ、内部は高強度といったように、ポーラスアルミニウム内で材料の機能を傾斜的に変化させることができれば、自動車を始め、航空宇宙、鉄道車両、医療機械、建築部材、産業用機械等に用いられる部材として、より高機能化が実現できる。
上述の点に鑑み、本発明は、低コストで品質の安定性に優れ、材料組成が傾斜化した傾斜機能材料前駆体、及びその製造方法を提供する。さらに、材料組成、若しくは、材料組成及び気孔率が傾斜化され、高機能化が図られた傾斜機能材料、及びその製造方法を提供する。
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の傾斜機能材料前駆体の製造方法は、熱処理を施すことにより、金属部材の内部に複数の気孔が生じる発泡金属前駆体を、金属部材の材料組成を異ならせて複数種形成する工程を有する。また、発泡金属前駆体を形成する工程と同時に、又は後に、複数種の発泡金属前駆体を摩擦攪拌接合する工程を有する。
また、本発明の傾斜機能材料前駆体の製造方法は、熱処理を施すことにより、金属部材の内部に複数の気孔が生じる発泡金属前駆体を形成する工程を有する。また、発泡金属前駆体を形成する工程と同時に、又は後に、金属部材の材料組成とは異なる材料組成からなる緻密金属部と発泡金属前駆体を摩擦攪拌接合する工程を有する。
本発明の傾斜機能材料前駆体の製造方法によれば、組成材料の異なる発泡金属前駆体同士、又は発泡金属前駆体と緻密金属部が一体化された傾斜機能材料前駆体が形成される。
また、本発明の傾斜機能材料の製造方法は、熱処理を施すことにより、金属部材の内部に複数の気孔が生じる発泡金属前駆体を、金属部材の材料組成を異ならせて複数種形成する工程を有する。また、発泡金属前駆体を形成する工程と同時に、又は後に、複数種の発泡金属前駆体を摩擦攪拌接合することにより、傾斜機能材料前駆体を形成する工程を有する。また、傾斜機能材料前駆体を熱処理することにより、発泡金属前駆体の内部を発泡させて発泡金属部を形成する工程を有する。
また、本発明の傾斜機能材料の製造方法は、熱処理を施すことにより、金属部材の内部に複数の気孔が生じる発泡金属前駆体を形成する工程と、発泡金属前駆体を形成する工程と同時に、又は後に、金属部材の材料組成とは異なる材料組成からなる緻密金属部と発泡金属前駆体を摩擦攪拌接合することにより傾斜機能材料前駆体を形成する工程を有する。また、傾斜機能材料前駆体を熱処理することにより、発泡金属前駆体の内部を発泡させて発泡金属部を形成する工程を有する。
本発明の傾斜機能材料の製造方法では、材料組成の異なる発泡金属部同士、又は発泡金属部と緻密金属部が一体化された傾斜機能材料が形成される。これにより、材料組成、若しくは、材料組成及び気孔率が連続的、又は段階的に変化された傾斜機能材料が得られる。
また、本発明の傾斜機能材料前駆体は、熱処理を施すことにより、金属部材の内部に複数の気孔が生じる一の発泡金属前駆体と、発泡金属前駆体とは材料組成が異なる一種、又は複数種の他の発泡金属前駆体が互いに摩擦攪拌接合して一体に形成されている。
また、本発明の傾斜機能材料前駆体は、熱処理を施すことにより金属部材の内部に複数の気孔が生じる発泡金属前駆体と、発泡金属前駆体とは異なる材料組成を有し、発泡金属前駆体の所望の面に摩擦攪拌接合して形成された緻密金属部とから構成されている。
また、本発明の傾斜機能材料は、熱処理を施すことにより金属部材の内部に複数の気孔が生じる発泡金属前駆体を金属部材の材料組成を異ならせて複数種形成し、発泡金属前駆体を形成すると同時に、又は後に、複数種の発泡金属前駆体を摩擦攪拌接合することにより傾斜機能材料前駆体を形成し、傾斜機能材料前駆体を熱処理することにより、発泡金属前駆体の内部を発泡させて形成された発泡金属部を有する。
また、本発明の傾斜機能材料は、熱処理を施すことにより金属部材の内部に複数の気孔が生じる発泡金属前駆体を形成し、発泡金属前駆体を形成すると同時に、又は後に、発泡金属前駆体と金属部材の材料組成とは異なる材料組成からなる緻密金属部とを摩擦攪拌接合することにより傾斜機能材料前駆体を形成し、傾斜機能材料前駆体を熱処理することにより発泡金属前駆体の内部を発泡させて形成された発泡金属部を有する。
本発明によれば、低コストで品質の安定性に優れ、材料組成が傾斜化した傾斜機能材料前駆体が得られる。また、材料組成、若しくは、材料組成及び気孔率が傾斜化され、高機能化が図られた傾斜機能材料が得られる。
Ａ，Ｂ 本発明の第１の実施形態に係る傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料の製造工程を示す概略構成図である。 Ａ，Ｂ 本発明の第１の実施形態に係る傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料の製造工程を示す概略構成図である。 Ａ，Ｂ 第１の実施形態において、第１積層体及び第２積層体を構成する金属板の他の例を示す概略構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料の製造工程を示す概略構成図である。 図４のＡ−Ａ線上に沿う概略断面構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料の製造工程を示す概略構成図である。 図６のｘ−ｘ線上に沿う概略断面構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料の製造工程を示す概略構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料の製造工程を示す概略構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料の製造工程を示す概略構成図である。 Ａ，Ｂ 本発明の第１の実施形態に係る傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料の製造工程を示す概略構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料の製造工程を示す概略構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料の製造工程を示す概略構成図である。 本発明の第１の実施形態で製造された傾斜機能材料前駆体の概略斜視図である。 本発明の第１の実施形態で製造された傾斜機能材料の概略構成図である。 Ａ，Ｂ 第１の実施形態で製造された傾斜機能材料前駆体の外観写真と、それに対応するＥＰＭＡでの観察結果を示す。 Ａ，Ｂ 第１の実施形態で製造された傾斜機能材料の外観写真と、それに対応するＥＰＭＡでの観察結果を示す。 Ａ，Ｂ 変形例１における傾斜機能材料前駆体の概略斜視図と、傾斜機能材料の概略構成図である。 変形例２における傾斜機能材料の概略構成図である。 Ａ，Ｂ 変形例３における傾斜機能材料前駆体の概略構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料の製造工程を示す概略構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料の製造工程を示す概略構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料の製造工程を示す概略構成図である。 図２３のｘ−ｘ線上に沿う概略断面構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料の製造工程を示す概略構成図である。 本発明の第２の実施形態で製造された傾斜機能材料前駆体の概略斜視図である。 本発明の第２の実施形態で製造された傾斜機能材料の概略構成図である。 Ａ，Ｂ 第２の実施形態で製造された傾斜機能材料前駆体の外観写真と、要部の拡大写真である。 Ａ，Ｂ 第２の実施形態で製造された傾斜機能材料前駆体のＥＰＭＡでの観察結果を示す。 Ａ，Ｂ，Ｃ 第２の実施形態で製造された傾斜機能材料の外観写真と、それに対応するＥＰＭＡでの観察結果を示す。 Ａ，Ｂ 本発明の第３の実施形態に係る傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料の製造工程を示す概略構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料の製造工程を示す概略構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料の製造工程を示す概略構成図である。 本発明の第３の実施形態で製造された傾斜機能材料前駆体の概略斜視図である。 本発明の第３の実施形態で製造された傾斜機能材料の概略構成図である。
以下、本発明の実施形態に係る傾斜機能材料前駆体、傾斜機能材料、及びその製造方法の一例を、図１〜図３５を参照しながら説明する。本発明の実施形態は以下の順で説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。
１．第１の実施形態：異種材料からなる傾斜機能材料前駆体、及び傾斜機能材料の例
変形例１：３つの異種材料を用いる例
変形例２：気孔率を変化させる例
変形例３：添加材料を変化させる例
２．第２の実施形態：緻密金属を接合した傾斜機能材料前駆体、及び傾斜機能材料の例
３．第３の実施形態：ダイカスト材を用いる例
〈１．第１の実施形態〉
図１〜図１７を用いて、本発明の第１の実施形態に係る傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料の製造方法について説明する。
まず、図１Ａに示すように、発泡剤３と気孔形態安定剤４を挟持して一対の第１金属板１ａ，１ｂを積層し、図２Ａに示す第１積層体７を形成する。同様にして、発泡剤３と気孔形態安定剤４を挟持して、第１金属板１ａ，１ｂとは異なる材料組成からなる一対の第２金属板２ａ，２ｂを積層し、図２Ｂに示す第２積層体８を形成する。
第１金属板１ａ，１ｂ及び第２金属板２ａ，２ｂとしては、アルミニウム及びその合金、マグネシウム及びその合金、チタン及びその合金、鉄および鉄鋼材料、銅および銅合金などのいずれかを用いることができる。そして、このとき、第１積層体７を構成する第１金属板１ａ，１ｂと第２積層体８を構成する第２金属板２ａ，２ｂとは異なる材料組成で構成する。
本実施形態例では、第１金属板１ａ，１ｂとして、純度９９．５％のアルミニウム（ＪＩＳ規格：Ａ１０５０）の圧延板を用いた。また、第２金属板２ａ，２ｂとして、材料組成がアルミニウム（Ａｌ）と珪素（Ｓｉ）とマグネシウム（Ｍｇ）を主成分とするアルミニウム合金（ＪＩＳ規格：Ａ６０６１）の圧延板を用いた。また、本実施形態例の第１金属板１ａ，１ｂ及び第２金属板２ａ，２ｂは、長さ２１０ｍｍ、幅８０ｍｍ、厚さ３ｍｍの圧延板とした。本実施形態例では、一対の第１金属板１ａ，１ｂ、又は一対の第２金属板２ａ，２ｂをそれぞれ同じ厚みとしたが、異なる厚みとしてもよい。
発泡剤３には、第１金属板１ａ，１ｂや、第２金属板２ａ，２ｂに悪影響を与えないようなものであれば特に制限はなく、例えば、水素化チタン、水素化ジルコニウム、炭酸カルシウムなどの無機系発泡剤や、アゾ化合物、ヒドラジン誘導体等の有機系発泡剤を用いることができる。
また、気孔形態安定剤４にはアルミナ、炭化珪素、二酸化珪素などを用いることができる。
本実施形態例では、発泡剤３として粒径が４５μｍよりも小さい水素化チタン（ＴｉＨ２）の粉末を用い、気孔形態安定剤４には平均粒径が１μｍのアルミナ（α−Ａｌ２Ｏ３）を用い、２枚の第１金属板１ａ，１ｂ間、及び２枚の第２金属板２ａ，２ｂ間に散布した。散布領域は、後述する摩擦攪拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）の工程で、摩擦攪拌工具が通る個所とされている。発泡剤３及び気孔形態安定剤４の散布量は、これらの粉末を散布した面積に後述する摩擦攪拌工具のプローブの長さ（５ｍｍ）をかけた第１金属板１ａ，１ｂ（又は第２金属板２ａ，２ｂ）の体積分の質量に対して、発泡剤３は１mass%、気孔形態安定剤４は１０mass%とした。
また、第１積層体７及び第２積層体８を形成する場合には、第１積層体７又は第２積層体８を構成する下層の第１金属板１ｂ、第２金属板２ｂを、図３Ａに示すように、発泡剤を収容するための溝部９を有する形状にしてもよい。また、図３Ｂに示すように、凹陥部１０を有する形状としてもよい。
次に、第１積層体７と第２積層体８において、図４に示すように、それぞれの一方の面からＦＳＷを行う。ＦＳＷは、接合方法の一つであり、単純かつ高速プロセスで、金属部材内部を攪拌すると同時に接触する複数の金属部材を結合することができる接合方法である。
第１積層体７及び第２積層体８におけるＦＳＷはそれぞれ同様の工程にて行われるので、以下の説明では、第１積層体７と第２積層体８におけるＦＳＷを同時に説明する。
ＦＳＷは、円柱状の本体５ｂと、本体の先端に取り付けられた棒状のプローブ５ａとから構成される摩擦攪拌工具５によって実施される。本体５ｂ及びプローブ５ａを矢印ｂで示すように所定の回転数で回転させながら、本体５ｂ及びプローブ５ａを矢印ａで示す方向に押圧することで、第１積層体７（第２積層体８）の一方の面の一端にプローブ５ａを貫入させる。そして、矢印ｃで示すように第１積層体７（第２積層体８）の他端に向かって本体５ｂ及びプローブ５ａを移動させる。
図５は、図４のＡ−Ａ線上に沿う断面を示した概略構成図である。図５において、実線は摩擦攪拌工具５のプローブ５ａを第１積層体７（第２積層体８）に接触させた状態を示し、二点鎖線は、第１積層体７（第２積層体８）に押圧してプローブ５ａを貫入させた状態を示している。図５に示すように、プローブ５ａは第１積層体７の２枚の第１金属板１ａ，１ｂの接合面を貫通して、下層の第１金属板１ｂに達する深さに貫入する。
本実施形態例のＦＳＷでは、日立設備エンジニアリング株式会社製（品名：ＳＨＨ２０４−７２０）のＦＳＷ装置を用いた。また、本実施形態例では、ＳＫＨ５１高速度工具鋼（ＪＩＳ規格）製で、円柱状の本体５ｂの径が１７ｍｍ、プローブ５ａの径が６ｍｍ、プローブ５ａの長さが５ｍｍの摩擦攪拌工具５を用いた。そして、本実施形態例では、第１積層体７の摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌工具５の回転速度を２２００ｒｐｍ、移動速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ、前進角を３°とした。また、第２積層体８の摩擦攪拌工程では、摩擦攪拌工具の回転速度を１０００ｒｐｍ、移動速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ、前進角を３°とした。
図６は、第１積層体７（第２積層体８）の一端から他端にかけてＦＳＷを行ったときの概略構成図である。また、図７は、図６のｘ−ｘ上に沿う概略断面構成であり、ＦＳＷを行った時の第１積層体７（第２積層体８）の内部の様子を示したものである。ＦＳＷを行うことにより、第１積層体７（第２積層体８）と、摩擦攪拌工具５との間に摩擦熱が発生し、摩擦攪拌された部分には攪拌部６が形成される。この場合、実際には、本体５ｂと金属板の表面で摩擦熱が発生され、プローブ５ａによって攪拌される。そして、攪拌部６においては２枚の第１金属板１ａ，１ｂ（第２金属板２ａ，２ｂ）と発泡剤３及び気孔形態安定剤４（図１参照）が均一に混合されると同時に、２枚の第１金属板１ａ，１ｂ（第２金属板２ａ，２ｂ）が接合される。これにより、第１積層体７は、第１金属板１ａ，１ｂ内に発泡剤３及び気孔形態安定剤４が混入された第１発泡金属前駆体１１とされ、第２積層体８は、第２金属板２ａ，２ｂ内に発泡剤３及び気孔形態安定剤４が混入された第２発泡金属前駆体１２とされる。
本実施形態例では、図８に示すように、摩擦攪拌工具５のプローブ５ａの直径分を摩擦攪拌の走査方向と直交する方向（紙面右側から左側に向かう方向）にずらしながら合計４回（４列分）の摩擦攪拌を行った。さらに、図９に示すように、一度摩擦攪拌を行った同一箇所に対して走査方向を逆転させて攪拌を行い、一回目とは反対の方向（紙面左側から右側に向かう方向）にずらしながら摩擦攪拌を行った。また、本実施形態例では第２積層体８においてのみ、さらに、図８〜図９における摩擦攪拌を同一箇所において、再度行った。このように、本実施形態例では、攪拌工程を同一箇所において複数回実施するマルチパス法を用いた。マルチパス法を用いることにより、発泡剤３や気孔形態安定剤４がより均一に第１金属板１ａ，１ｂ（第２金属板２ａ，２ｂ）内に拡散され、図１０に示すように、一個所に対して所望の回数ずつＦＳＷが施された第１発泡金属前駆体１１（第２発泡金属前駆体１２）が形成された。
本実施形態例のように、走査方向と直交する方向に移動させながら所定回数だけ摩擦攪拌を繰り返すことにより、広い範囲で第１発泡金属前駆体１１（第２発泡金属前駆体１２）が得ることができ、また、同一箇所に対して複数回の摩擦攪拌を繰り返すことで発泡剤が十分に攪拌できる。なお、本実施形態例では、第１積層体７と第２積層体８において、一方の面からＦＳＷを行う例としているが、両面から行ってもよい。
次に、図１１Ａ，Ｂに示すように、第１発泡金属前駆体１１と、第２発泡金属前駆体１２のそれぞれを機械加工することにより、摩擦攪拌が施された面（攪拌部６）が端部に露出されるよう調整する。
続いて、図１２に示すように、第１積層体７の摩擦攪拌が施された面と、第２積層体８の摩擦攪拌が施された面とを接触させて配置し、その接触面に対して、ＦＳＷを行う。本実施形態例では、接触面に対するＦＳＷは、摩擦攪拌工具５の回転速度を１０００ｒｐｍ、移動速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ、前進角を３°として行った。さらに、接触面に対するＦＳＷにおいてもマルチパス法を用いてもよく、本実施形態例では、図１３に示すように、走査方向を逆転させることにより、摩擦攪拌を同一箇所に対して２往復行った。
以上の工程により、第１発泡金属前駆体１１と第２発泡金属前駆体１２が接合され、その結果、材料組成が傾斜化して変化する傾斜機能材料前駆体１３が形成された。
次に、前述の工程で形成された傾斜機能材料前駆体１３をその融点近傍の温度にて加熱する。本実施形態例では、図１４に示すように、前述までに形成された傾斜機能材料前駆体１３から第１発泡金属前駆体１１及び第２発泡金属前駆体１２の部分がそれぞれ１７．５ｍｍ×１２ｍｍ×６ｍｍとなるように切り取り（図１３の破線で囲む領域）、３５ｍｍ×１２ｍｍ×６ｍｍの傾斜機能材料前駆体１３とした。本実施形態例における熱処理では、あらかじめ１００３Ｋに温めておいた電気炉（株式会社デンケン製、品名：ＫＤＦ−Ｓ８０）に入れ、その温度に保ったまま１０分間保持した後電気炉から取り出し、空冷した。
そして、上述の熱処理工程により、図１５に示すような傾斜機能材料１４が作製される。なお、この熱処理工程では、傾斜機能材料前駆体１３内部の発泡剤３が分解され、複数の気孔が生じる。これにより、傾斜機能材料１４では、図１５に示すように複数の気孔１７を有する発泡金属部１５，１６が形成される。本実施形態例では、第１積層体７を構成する第１金属板１ａ，１ｂと第２積層体８を構成する第２金属板２ａ，２ｂとは異なる材料組成であるため、第１発泡金属前駆体１１であった領域では、純アルミニウムからなる発泡金属部１５が形成され、第２発泡金属前駆体１２であった領域では、アルミニウム合金からなる発泡金属部１６が形成される。これにより、組成材料が傾斜化して形成された傾斜機能材料１４が完成される。また、本実施形態例では、傾斜機能材料前駆体１３において、第１発泡金属前駆体１１と第２発泡金属前駆体１２の接合部は摩擦攪拌により混合されているため、組成材料の異なる発泡金属部１５，１６の中間領域は、異なる組成が入り交じった状態となる。
以上の工程で形成された本実施形態例の傾斜機能材料前駆体１３、及び傾斜機能材料１４における組成成分の分布を観察した結果を詳述する。
本実施形態例で得られた傾斜機能材料前駆体１３及び傾斜機能材料１４の材料組成の傾斜化の様子を、第２積層体８の第２金属板２ａ，２ｂに適用されたアルミニウム合金のみに含まれるマグネシウム（Ｍｇ）元素の分布により観察した。なお、この観察は、図１４に示す傾斜機能材料前駆体１３、及び図１５に示す傾斜機能材料１４の、ＦＳＷの走査方向に垂直な断面に対して行った。
断面の観察に際して、傾斜機能材料前駆体１３、及び傾斜機能材料１４の観察断面は、研磨紙により研磨した後（エメリー紙にて１２００番まで研磨）、さらに電解研磨により研磨した。
図１６Ａに、傾斜機能材料前駆体１３の観察断面の外観写真を示し、図１６Ｂに、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：Electron Probe Micro-Analysis)で解析した図１６Ａの観察断面におけるマグネシウム（Ｍｇ）分布を示す。また、図１７Ａに、傾斜機能材料１４の観察断面の外観写真を示し、図１７Ｂに、電子線マイクロアナライザで解析した図１７Ａ観察断面におけるマグネシウム（Ｍｇ）分布を示す。
図１６及び図１７では、中心から左側が第１積層体７で構成される部分で、中心から右側が第２積層体８で構成される部分である。
図１６Ａの観察断面では、ＦＳＷに特有な同心円状のオニオンリングが何カ所か確認された。図１６Ｂに示す電子線マイクロアナライザの解析では、マグネシウム（Ｍｇ）元素をより多く含む部分が白っぽく観察されている。図１６Ｂに示すように、マグネシウム（Ｍｇ）元素をより多く含むアルミニウム合金からなる第２金属板２ａ，２ｂで構成された第２積層体８側でマグネシウム（Ｍｇ）元素が多く観察された。一方、純アルミニウムからなる第１金属板１ａ，１ｂで構成された第１積層体７側ではマグネシウム（Ｍｇ）元素がほとんど観察されなかった。また、電子線マイクロアナライザの解像度の問題からわかりにくいが、第１積層体７と第２積層体８の接合部では、マグネシウム（Ｍｇ）元素の存在している個所と、存在しない個所とが複雑に混合していることがわかる。これにより、本実施形態例で形成された傾斜機能材料前駆体では、近似的に右側から左側にかけてマグネシウム（Ｍｇ）元素の割合が徐々に変化しているのが観察され、組成が傾斜化していることがわかる。
また、図１７Ａに示すように、本実施形態例で得られた発泡金属部１５，１６からなる傾斜機能材料１４は、第１金属板１ａ，１ｂを構成していた純アルミニウムと、第２金属板２ａ，２ｂを構成していたアルミニウム合金の継ぎ目が全く見られない。また、図１７Ｂに示すように、傾斜機能材料前駆体１３において第１金属板１ａ，１ｂを構成する純アルミニウムであった個所である左側ではマグネシウム（Ｍｇ）元素がほとんど観察されない。一方、傾斜機能材料前駆体１３において第２金属板２ａ，２ｂを構成するアルミニウム合金であった個所である右側では、マグネシウム（Ｍｇ）元素が多く観察された。図１７Ｂにおいても、電子線マイクロアナライザの解像度の問題からわかりにくいが、第１積層体７と第２積層体８のもともとの継ぎ目部分では、マグネシウム（Ｍｇ）元素の割合が徐々に変化しているのが観察され、組成が傾斜化していることがわかる。
このように、本実施形態例で形成された傾斜機能材料１４では、比較的柔らかい素材である純アルミニウムからなる発泡金属部１５と、純アルミニウムよりも硬い素材であるアルミニウム合金からなる発泡金属部１６とが傾斜的に接合されている。このように、一つの材料内で機能が傾斜化しているので、本実施形態例の傾斜機能材料１４を、例えば自動車部品等に用いる場合には、より高機能化した部品を提供することができる。
また、本実施形態例によれば、ＦＳＷを用いて金属板内に発泡剤を分散させ、発泡金属前駆体を形成することができるため、従来の粉末法や圧延法に比較して、安定した品質を有する発泡金属前駆体を低コストで容易に製造することができる。また、省エネルギーであり、発泡剤が、一対の金属板に挟持された状態で摩擦攪拌されるため、発泡剤が飛散することがなく、作業環境の悪化も少ない。
本実施形態例では、第１金属板１ａ，１ｂとして、純アルミニウムを用い、第２金属板２ａ，２ｂとして、アルミニウム合金を用いる例を示した。しかし、本実施形態例の傾斜機能材料前駆体１３及び傾斜機能材料１４はこれに限られるものではない。第１積層体７を構成する第１金属板１ａ，１ｂと第２積層体８を構成する第２金属板２ａ，２ｂとで材料組成を異ならせることで形成することができ、種々の応用が可能である。
また、本実施形態例では、第１発泡金属前駆体１１及び第２発泡金属前駆体１２を形成するためのＦＳＷと第１発泡金属前駆体１１と第２発泡金属前駆体１２とを接合するためのＦＳＷとを別の工程で行ったが、同時に行うようにしてもよい。この場合には、第１積層体７と第２積層体８とを接触させて配置し、ＦＳＷを全面に行うことで第１積層体７及び第２積層体８の内部の攪拌及び接合と、第１積層体７と第２積層体８の接合とを同時に行うことができる。これにより、工程数の低減を図ることが可能である。
また、本実施形態例では、第１積層体７及び第２積層体８の表面に気孔形態安定剤４であるアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を添加してＦＳＷを行う例とした。これにより、金属部材の粘性が増し、発泡した際に、気孔同士の合体が抑制されるとともに、気孔の浮上による外部へのガスの放出が抑制できる。そして、完成される傾斜機能材料１４において気孔の真球度を向上できる。また、気孔形態安定剤４が気孔形成核としても機能するため、気孔率を増大させることができる。なお、本実施形態例では、気孔形態安定剤４を添加する例としたが、必ずしも添加する必要はなく、添加しない場合においても気孔が形成される。
ところで、本実施形態例で作製される傾斜機能材料に対して、再度熱処理を施すことにより、機械的性質を向上させることができる。例えば、６０００系のアルミニウム合金では、熱処理を行うことにより機械的性質が良好になるため、熱処理工程によりポーラス化した傾斜機能材料の一部、又は全部を、例えば１００℃〜２５０℃の温度で再度熱処理することにより、その機械的性質を向上させることが可能である。傾斜機能材料の一部のみを熱処理する場合には、一つの傾斜機能材料内の一部において、機械的性質を向上させることができ、より傾斜機能性を高めることができる。
［変形例１］
次に、変形例１に係る傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料について図１８Ａ，Ｂを参照しながら説明する。変形例１は、組成材料の異なる積層体を３つ接合する例である。図１８Ａ，Ｂにおいて、図１４及び図１５に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
図１８Ａに示すように、変形例１における傾斜機能材料前駆体４０は、第１発泡金属前駆体１１、第２発泡金属前駆体１２に加え、さらに、材料組成の異なる第３発泡金属前駆体４２を接合して構成されている。例えば、第３発泡金属前駆体４２を構成する材料として、耐食性が高いアルミニウム合金（ＪＩＳ規格：Ａ５０８３）からなる一対の第３金属板４１ａ，４１ｂを用いる。この場合、第３発泡金属前駆体４２も、第１発泡金属前駆体１１及び第２発泡金属前駆体１２の製造方法と同様に、第３金属板４１ａ，４１ｂの間に、発泡剤及び気孔形態安定剤を挟持して積層しＦＳＷを行うことで形成することができる。そして、第１〜第３発泡金属前駆体１１，１２，４２は、図１１〜図１３の工程と同様に、ＦＳＷによりそれぞれの接合面を接合する。
そして、これらの第１〜第３発泡金属前駆体１１，１２，４２で構成された傾斜機能材料前駆体４０を、第１の実施形態と同様の方法で熱処理を行うことにより、図１８Ｂに示すような傾斜機能材料４４を形成することができる。これにより、本例では、比較的柔らかい素材である純アルミニウムからなる発泡金属部１５と、純アルミニウムよりも硬い素材であるアルミニウム合金からなる発泡金属部１６と、耐食性に優れた発泡金属部４３とからなる傾斜機能材料４４が構成される。上述したように、本例によれば、１つの材料に複数の機能を付加することが可能である。
なお、上述した変形例１では、３種類の異なる材料組成を有する発泡金属部１５，１６，４３からなる傾斜機能材料４４を形成する例としたが、３種以上の発泡金属部で構成することも可能である。また、変形例１においても、第１の実施形態と同様、第１〜第３発泡金属前駆体１１，１２，４２を形成するためのＦＳＷと第１〜第３発泡金属前駆体１１，１２，４２とを接合するためのＦＳＷとを別の工程で行う例としたが、同時に行うようにしてもよい。
［変形例２］
次に、変形例２に係る傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料について図１９を参照しながら説明する。変形例２は、材料組成及び気孔率を変化させる例である。図１９において、図１５に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
変形例２は、含有する発泡剤に分布を持たせることにより、気孔率を変化させる例である。図１Ａ，Ｂにおける発泡剤３の散布において、第１積層体７と第２積層体８で発泡剤３の量を変えて構成する。例えば、第１積層体７では、発泡剤３の散布量は、これらの粉末を散布した面積に後述する摩擦攪拌工具のプローブの長さ（５ｍｍ）をかけた体積分の第１金属板１ａ，１ｂの質量に対して、１．０mass%とし、第２積層体８では、第２金属板２ａ，２ｂの質量に対して０．２mass%とする。
これにより、図１９に示すように、気孔率の異なる発泡金属部５１，５２が接合された構造を持つ傾斜機能材料５０が形成される。
［変形例３］
次に、変形例３に係る傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料について図２０Ａ，Ｂを参照しながら説明する。変形例３は、傾斜機能材料前駆体及び傾斜機能材料に添加される添加材料に分布を持たせる例である。図２０Ａ，Ｂにおいて、図１５に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
図２０Ａは、変形例３で形成された傾斜機能材料６０の概略構成図である。図２０Ａは、第１発泡金属部６３に強度向上のためのアルミナ６１を添加し、第２発泡金属部６４に炭化珪素（ＳｉＣ）６２を添加した例である。また、図２０Ｂは、アルミナ６１の添加量を１０％から０％にまで傾斜して減少するように傾斜機能材料７０を構成した例である。このような傾斜機能材料７０を形成する場合には、図１Ａ，Ｂに示す工程において第１積層体７及び第２積層体８における添加剤の散布量を変えればよい。
変形例３に示すように、発泡金属部を構成する金属材料の組成のみならず、添加剤の種類や量を変えることによって傾斜機能材料を形成することも可能である。また、変形例３においても、第１の実施形態と同様、各発泡金属前駆体を形成するためのＦＳＷと各発泡金属前駆体とを接合するためのＦＳＷとを別の工程で行うようにしても、同時に行うようにしてもよい。
〈２．第２の実施形態〉
次に、図２１〜図３０を用いて、本発明の第２の実施形態に係る傾斜機能材料前駆体、及び傾斜機能材料の製造方法について説明する。本実施形態例は、発泡金属部の一端に緻密金属部を接合する例である。
まず、図２１に示すように、２枚の金属板２０ａ，２０ｂを準備し、それらの金属板２０ａ，２０ｂの間に粉末状の発泡剤３、及び気孔形態安定剤４を挟持して積層する。これにより図２２に示す積層体２２を形成する。さらに、その積層体２２の下層に緻密金属部２１を積層する。金属板２０ａ，２０ｂ、発泡剤３、及び気孔形態安定剤４としては、第１の実施形態と同様の材料を用いることができる。また、緻密金属部２１には金属板２０ａ，２０ｂと異なる材料組成を有する金属材料を用いる。
本実施形態例では、２枚の金属板２０ａ，２０ｂには、純度９９．５％のアルミニウム（ＪＩＳ規格：Ａ１０５０）からなる、長さ１８０ｍｍ×幅１１０ｍｍの圧延板を用いた。また、積層体２２全体の厚みが、後述する摩擦攪拌工具のプローブの長さ（５ｍｍ）となるように、上層の金属板２０ａの厚みは３ｍｍ、下層の金属板２０ｂの厚みは２ｍｍとした。
また、緻密金属部２１には、鋼板（ＪＩＳ規格：ＳＳ４００）からなる、長さ１８０ｍｍ×幅１１０ｍｍ、厚み３ｍｍの圧延板を用いた。
また、本実施形態例では、発泡剤３として粒径が４５μｍよりも小さい水素化チタン（ＴｉＨ２）を用い、気孔形態安定剤４として平均粒径が１μｍ程度のアルミナ（α−Ａｌ２Ｏ３）の粉末を用い、それらの発泡剤３及び気孔形態安定剤４を２枚の金属板２０ａ，２０ｂの間に散布した。散布領域は、後述するＦＳＷの工程で、摩擦攪拌工具が通る個所とされている。発泡剤３及び気孔形態安定剤４の散布量は、これらの粉末を散布した面積に後述する摩擦攪拌工具のプローブの長さ（５ｍｍ）をかけた体積分の金属板２０ａ，２０ｂの質量に対して、発泡剤３は１mass%、気孔形態安定剤４は１０mass%とした。
次に、積層体２２の緻密金属部２１に接する面とは反対側の面側から、図２３に示すように、ＦＳＷを行う。
本実施形態例においても、ＦＳＷは摩擦攪拌工具５のプローブ５ａを矢印ｂで示すように所定の回転数で回転させながら、本体５ｂ及びプローブ５ａを矢印ａで示す方向に押圧することで、積層体２２の一方の面の一端にプローブ５ａを貫入させる。そして、プローブ５ａを貫入させた状態で、矢印ｃで示すように積層体２２の他端に向かって摩擦攪拌工具５を移動させる。
図２４は、図２３のｘ−ｘ線上に沿う断面を示した概略構成図である。本実施形態例では、プローブ５ａの長さは、積層体２２の厚みとほぼ同じに構成されているため、図２４に示すように、プローブ５ａが積層体２２を構成する２枚の金属板２０ａ，２０ｂの接合面を貫通し、プローブ５ａの先端がわずかに緻密金属部２１に食い込む程度に貫入した状態で攪拌される。そして、ＦＳＷを行うことにより、積層体２２と、摩擦攪拌工具５との間に摩擦熱が発生し、摩擦攪拌された部分には攪拌部６が形成される。
本実施形態例においても、第１の実施形態と同様のＦＳＷ装置を用い、摩擦攪拌工具５の回転速度を２２００ｒｐｍ、移動速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ、前進角を３°とし、マルチパス法を用いて摩擦攪拌を行った。
図２５は、積層体２２の一端から他端にかけてＦＳＷを行い、マルチパス法を用いて同一個所を２回攪拌した後の概略構成図である。本実施形態例では、攪拌部６においては金属板２０ａ，２０ｂと発泡剤３、及び気孔形態安定剤４が均一に混合されると同時に、２枚の金属板２０ａ，２０ｂ、及び緻密金属部２１が接合される。これにより、積層体２２部分が発泡金属前駆体２４とされると同時に、発泡金属前駆体２４と緻密金属部２１とが接合した傾斜機能材料前駆体２３が形成される。
次に、前述の工程で形成された傾斜機能材料前駆体２３をその融点近傍の温度にて加熱する。本実施形態例では、図２６に示すように、傾斜機能材料前駆体２３のＦＳＷが施された部分を、長さ１２ｍｍ×幅１２ｍｍ×厚さ８ｍｍ（発泡金属前駆体２４の厚み５ｍｍと緻密金属部２１の厚み３ｍｍによる）となるように切り取り、この傾斜機能材料前駆体２３を熱処理した。すなわち、本実施形態例では、切り取った傾斜機能材料前駆体２３をあらかじめ１００３Ｋに温めておいた電気炉（株式会社デンケン製、品名：ＫＤＦ−Ｓ８０）に入れ、その温度に保ったまま９分３０秒間保持した後、電気炉から取り出し、空冷した。
図２７は、本実施形態例で完成された傾斜機能材料２５の概略構成図である。図２７に示すように、熱処理工程により、本実施形態例の傾斜機能材料２５は、発泡金属前駆体２４だった領域でのみ気孔２６が発生して発泡金属部２７となるため、発泡金属部２７と緻密金属部２１とが接合した状態とされる。また、本実施形態例では、傾斜機能材料前駆体２３において、発泡金属前駆体２４と緻密金属部２１の接合部は摩擦攪拌により混合されているため、図２７に示すように、組成材料の異なる発泡金属部２７と緻密金属部２１の中間領域は、異なる組成が入り交じった状態となる。すなわち、本実施形態例の傾斜機能材料２５は、発泡金属部２７から緻密金属部２１へと材料組成及び気孔率が傾斜化して変化した状態とされる。
次に、以上の工程で形成された本実施形態例の傾斜機能材料前駆体２３、及び傾斜機能材料２５における組成成分の分布を観察した結果を詳述する。
本実施形態例で得られた傾斜機能材料前駆体２３及び傾斜機能材料２５の材料組成の傾斜化の様子について、アルミニウム（Ａｌ）元素及び鉄（Ｆｅ）元素の分布を電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ)で解析することにより観察した。また、この観察は、傾斜機能材料前駆体２３、及び傾斜機能材料２５の、ＦＳＷの走査方向に垂直な断面に対して行った。
断面の観察に際して、傾斜機能材料前駆体２３、及び傾斜機能材料２５の観察断面は、研磨紙により研磨（エメリー紙にて１２００番まで研磨）後、電解研磨により研磨した。
図２８Ａに、傾斜機能材料前駆体２３の観察断面の外観写真を示す。図２８Ａでは、上層が発泡金属前駆体２４で、下層が緻密金属部２１である。図２８Ａの発泡金属前駆体２４の白色を呈した領域はアルミナを示すものであり、攪拌の様子の指標となる。中央部のプローブが通過した個所（攪拌部６）ではＦＳＷ特有のオニオンリングが確認され、アルミニウム、発泡剤、アルミナが混合されていることが分かる。また、２枚の金属板２０ａ，２０ｂや緻密金属部２１の接合は、攪拌部６全体にわたってほぼ良好に行われている。
図２８Ｂは、図２８Ａ中の攪拌部６における発泡金属前駆体２４と緻密金属部２１との界面近傍の拡大写真である。図２８Ｂから、発泡金属前駆体２４と緻密金属部２１との界面では、緻密金属部２１に発泡金属前駆体２４を構成するアルミニウムが侵入すると共に、緻密金属部２１を構成する鋼のバリのようなものが発泡金属前駆体２４中に張り出しているのが観察される。このことから、ＦＳＷでは、プローブ５ａ先端はわずかであるが緻密金属部２１の表面に到達し、発泡金属前駆体２４を構成するアルミニウムとの接合が行われたものと考えられる。
図２９Ａ，Ｂに、図２８Ａ中の攪拌部６における発泡金属前駆体２４と緻密金属部２１との界面近傍のアルミニウム（Ａｌ）元素及び鉄（Ｆｅ）元素の分布をＥＰＭＡで観察した結果を示す。緻密金属部２１中に、発泡金属前駆体２４を構成するアルミニウムの存在が若干観察されるが、アルミニウム元素、鉄元素の界面を越えた顕著な拡散は観察されず、アンカー効果のような機械的な接合が生じたものと考えられる。
図３０Ａに、図２８Ａで攪拌が行われた部分を発泡させた場合の外観写真を示す。発泡後も、発泡金属部２７を構成するアルミニウムと緻密金属部２１の接合は維持され、発泡金属部２７と緻密金属部２１とが分離することはなかった。
図３０Ｂ，Ｃに、図３０Ａの発泡金属部２７と緻密金属部２１との界面近傍のアルミニウム元素と鉄元素の分布をＥＰＭＡで観察した結果を示す。界面上に両元素が検出される領域が観察される。顕著な拡散が起こり、拡散接合されると共に、Ｆｅ−Ａｌ系金属間化合物が生成されたものと考えられる。
また、発泡金属部２７内にも、鉄元素が検出されている。これは、発泡時に、発泡金属部２７と緻密金属部２１との界面で生成されたＦｅ−Ａｌ系金属間化合物がドレナージなどの溶液の動きにより半溶融状態のアルミニウム内を移動した為と考えられる。ただし、このような発泡金属部２７の鉄元素の分布は、発泡金属部２７と緻密金属部２１との界面近傍に限られており、発泡金属部２７全体には渡っていないことを確認している。
なお、比較例として、緻密金属部上部に発泡金属前駆体を置いて発泡させる実験を行った。この比較例では、発泡金属前駆体は第１の実施形態と同様の方法で形成し、緻密金属部と発泡金属前駆体とは接合されていない状態とした。この結果、緻密金属部上部に発泡金属前駆体をおいて発泡させるのみでは、発泡金属部と緻密金属部との接合は起こらず、簡単に分離してしまうことがわかった。
この比較例の結果により、発泡金属前駆体２４と緻密金属部２１との間がＦＳＷにより接合される本実施形態例では、発泡金属前駆体２４や緻密金属部２１の酸化皮膜が破壊され、新生面が表出することにより発泡過程において拡散接合が行われるものと予想される。
このように、本実施形態例によれば、緻密金属部２１と発泡金属部２７とが接合されることにより、材料組成、及び気孔率が傾斜化して形成された傾斜機能材料を形成することができる。
そして、本実施形態例によれば、発泡金属部２７と緻密金属部２１とが接合された構成である傾斜機能材料を得ることができるので、自動車部品等に用いる際に塗装を容易にすることや、製品組み立ての際に他部材との接合を容易にするなど、広範な部品への適用が可能となる。その他、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、従来、発泡金属（一般的なポーラス部材）と緻密金属との複合化は、主に接着剤を用いることで行われていた。しかし、接着剤の利用は、環境への負荷が大きい、リサイクルを困難にする、高温環境下では接着剤の樹脂が軟化する、等の問題がある。本実施形態例ではＦＳＷを用いることにより、接着剤を用いずに発泡金属部と緻密金属部とを接合することができるので、従来の問題を解決することができる。
ところで、本実施形態例では、緻密金属部２１を、発泡金属部２７となる積層体の積層方向に積層する構成としたが、積層体２２の積層方向に垂直な積層体２２の側面に接合するように構成してもよい。この場合には、ＦＳＷを積層体２２に行う共に、積層体２２と緻密金属部２１との接合面に行うことで、本発明の傾斜機能材料前駆体、及び傾斜機能材料を実施することができる。
また、本実施形態例では、１種類の発泡金属部２７と緻密金属部２１とが接合された傾斜機能材料２５が形成される例としたが、第１の実施形態で形成される傾斜機能材料前駆体１３を構成する２種の発泡金属前駆体の一部、又は全部に接合して形成することもできる。この場合には、緻密金属部と、その緻密金属部と接合する発泡金属前駆体との接合面にＦＳＷを行う構成とすればよい。また、本実施形態例で形成された傾斜機能材料２５は、発泡金属部２７と緻密金属部２１との材料組成が異なる例としたが、同じ材料組成の発泡金属部と緻密金属部とを接合してもよい。この場合には、気孔率が異なる傾斜機能材料が形成される。
上述した第１及び第２の実施形態例では、傾斜機能材料前駆体を構成する発泡金属前駆体は、発泡剤を一対の金属板で挟持して積層体を形成し、その積層体の一方の面からＦＳＷを行うことにより形成する例であった。しかしながら、発泡金属前駆体の製造方法は、これに限られるものではなく、ダイカスト法を適用することによっても、本発明の課題を達成することが可能である。以下に示す方法は、ダイカスト法を用いた例である。
〈３．第３の実施形態〉
次に、図３１〜図３５を用いて、本発明の第３の実施形態に係る傾斜機能材料前駆体、及び傾斜機能材料の製造方法について説明する。本実施形態例は、ダイカスト材によって傾斜機能材料前駆体、及び傾斜機能材料を形成する例である。
まず、図３１Ａ，Ｂに示すように、ダイカスト法を用いて第１金属部材３６と第２金属部材３７を形成する。ダイカスト法は、溶融した金属材料を所定の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型できる鋳造法である。ダイカスト法としては、一般的な大気開放ダイカスト法、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、その酸素の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金属材料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、ダイカスト法において、金型に圧入される金属材料としては、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系のダイカスト用アルミニウム合金（ＪＩＳ規格：ＡＤＣ１２，ＡＤＣ１０，ＡＤＣ１０Ｚ，ＡＤＣ１２Ｚ，ＡＤＣ１４）、Ａｌ−Ｓｉ系のダイカスト用アルミニウム合金（ＪＩＳ規格：ＡＤＣ１）、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系のダイカスト用アルミニウム合金（ＪＩＳ規格：ＡＤＣ３）、Ａｌ−Ｍｇ系のダイカスト用アルミニウム合金（ＪＩＳ規格：ＡＤＣ５，ＡＤＣ６）を用いることができる。また、この他、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用材料を用いることができる。
ダイカスト法によって成形される金属部材の内部には、通常、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空気が溶融金属に混入して金属部材内に含まれるもの、あるいは金型に塗布した離型剤が溶融金属に接することで気化し、溶融金属に混入して金属部材内に含まれるものなどがある。また、気孔形成核は、金属材料の原料に既に含まれているか、あるいは、ダイカスト法による鋳造工程で含まれるものである。例えば、アルミニウム、又はアルミニウム合金からなる金属部材を形成する場合には、初晶Ｓｉ、共晶Ｓｉ、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ化合物、Ａｌ−Ｃｕ化合物、等が気孔形成核となる。また、マグネシウム又はマグネシウム合金からなる金属部材を形成した場合には、Ｍｇ−Ａｌ化合物、Ｍｇ−（Ａｌ，Ｚｎ）化合物、等が気孔形成核となる。
本実施形態例では、大気開放ダイカスト法を用い、鋳造圧力を７０ＭＰａとして溶融した金属材料を金型に圧入することにより第１金属部材３６と、第１金属部材３６とは異なる材料組成からなる第２金属部材３７を形成した。
次に、図３２に示す工程と同様にして、第１金属部材３６及び第２金属部材３７のそれぞれに、摩擦攪拌プロセシング（ＦＳＰ）を行う。ＦＳＰは、ＦＳＷと同様の技術である。本実施形態例では、第１の実施形態と同じ構成のＦＳＷ装置を用い、マルチパス法を採用した。
ＦＳＰにより、第１金属部材３６及び第２金属部材３７の内部に含まれているガス及び気孔形成核が第１金属部材３６及び第２金属部材３７において均一に拡散する。これにより、第１金属部材３６は第１発泡金属前駆体２８とされ、第２金属部材３７は第２発泡金属前駆体２９とされる。
次に、第１の実施形態における図１１Ａ，Ｂの工程と同様にして、第１発泡金属前駆体２８と、第２発泡金属前駆体２９のそれぞれを機械加工することにより、摩擦攪拌が施された面が端部に露出されるよう調整する。
次に、図３３に示すように、第１発泡金属前駆体２８と第２発泡金属前駆体２９を、それぞれの摩擦攪拌が施された面を接触させて配置し、その接触面に対して、ＦＳＷを行う。本実施形態例では、接触面に対するＦＳＷは、摩擦攪拌工具５の回転速度を１０００ｒｐｍ、移動速度を１００ｍｍ／ｍｉｎ、前進角を３°として行った。さらに、接触面に対するＦＳＷにおいてもマルチパス法を用いてもよく、本実施形態例では、第１の実施形態と同様に、走査方向を逆転させることにより、摩擦攪拌を同一箇所に対して２度行った。
以上の工程により、図３４に示すように、第１発泡金属前駆体２８と第２発泡金属前駆体２９が接合され材料組成が傾斜化して変化する傾斜機能材料前駆体３０が形成された。
その後、第１の実施形態と同様にして傾斜機能材料前駆体３０を加熱処理することにより、傾斜機能材料前駆体３０の内部に既に存在していたガスが膨張し、また、傾斜機能材料前駆体３０の内部に既に存在していた気孔形成核により気孔が発生して膨張する。これにより、図３５に示すように、第１発泡金属前駆体２８であった部分は、第１発泡金属３３となり、第２発泡金属前駆体２９であった部分は、第２発泡金属３４となり、本実施形態例の傾斜機能材料３１が完成される。
本実施形態例では、ダイカスト材を用いて形成した組成材料の異なる第１発泡金属前駆体２８と第２発泡金属前駆体２９をＦＳＷにより接合し、加熱処理することで、材料組成が傾斜化した傾斜機能材料３１を形成することができる。
本実施形態例によれば、第１発泡金属前駆体２８や第２発泡金属前駆体２９がダイカスト材で形成されるため、高価な発泡剤粉末が不要であり、また、従来の粉末冶金法に比較して製造工程が簡単であるため、生産性が高くコストの低減を図ることができる。
以上の第１〜第３の実施形態は、それらを組み合わせて実施することも可能であり、種々の変更が可能である。
例えば、傾斜機能材料前駆体を構成する一方の発泡金属前駆体を第１の実施形態の形成方法を用いて形成し、他方の発泡金属前駆体を第３の実施形態のダイカスト法を用いて形成することもできる。また、第３の実施形態で形成した発泡金属前駆体に緻密金属部を接合することにより、第２の実施形態と同様の構成の傾斜機能材料を形成することも可能である。
さらに、第1の実施形態において、第１積層体７の上層の第１金属板１ａと下層の第１金属板１ｂとを、材料組成の異なる金属材料で形成すれば、容易に異種材料からなる発泡金属同士が接合された傾斜機能材料を形成することができる。この場合には、上層と下層の第１金属板１ａ，１ｂの摩擦攪拌接合と、第１金属板１ａ，１ｂ内部へ発泡剤３を拡散するための摩擦攪拌とを１工程のＦＳＷにて行うことができ、発泡金属前駆体を形成する工程と、それらを接合する工程とを一度に行うことができる。
また、第３の実施形態では、２種類の発泡金属前駆体を接合して傾斜機能材料前駆体を形成する例としたが、第１の実施形態における変形例のように、材料組成が異なる複数種の発泡金属前駆体を接合して傾斜機能材料前駆体を形成してもよい。
このように、本発明によれば、材料組成、及び気孔率の異なる複数（本実施形態例では２種）の金属材料からなる傾斜機能材料前駆体、及び傾斜機能材料を形成することができる。
本発明によれば、異種材料からなる複数種の発泡金属部が接合されることで形成された傾斜機能材料や、複数の気孔を有する発泡金属部と無気孔の緻密金属部とが接合された傾斜機能材料を容易に形成することができる。
このように、材料組成や、材料組成及び気孔率が異なるものが、一体に形成される本発明の傾斜機能材料は、用途に合わせてその機能を傾斜化することにより、自動車部品等に有用であり、高機能な材料として適用され得る。
１ａ・・第１金属板
１ｂ・・第１金属板
２ａ・・第２金属板
２ｂ・・第２金属板
３・・発泡剤
４・・気孔形態安定剤
５・・摩擦攪拌工具
５ａ・・プローブ
５ｂ・・本体
６・・攪拌部
７・・第１積層体
８・・第２積層体
９・・溝部
１０・・凹陥部
１１・・第１発泡金属前駆体
１２・・第２発泡金属前駆体
１３・・傾斜機能材料前駆体
１４・・傾斜機能材料
１５・・発泡金属部
１６・・発泡金属部
１７・・気孔
２０ａ・・金属板
２０ｂ・・金属板
２１・・緻密金属部
２２・・積層体
２３・・傾斜機能材料前駆体
２４・・発泡金属前駆体
２５・・傾斜機能材料
２６・・気孔
２７・・発泡金属部
２８・・第１発泡金属前駆体
２９・・第２発泡金属前駆体
３０・・傾斜機能材料前駆体
３１・・傾斜機能材料
３３・・第１発泡金属
３４・・第２発泡金属
３６・・第１金属部材
３７・・第２金属部材

Claims (15)

  1. 熱処理を施すことにより金属部材の内部に複数の気孔が生じる発泡金属前駆体を、前記金属部材の材料組成を異ならせて複数種形成する工程と、
    前記発泡金属前駆体を形成する工程と同時に、又は後に、前記複数種の発泡金属前駆体を摩擦攪拌接合する工程と、
    を含む傾斜機能材料前駆体の製造方法。
  2. 前記複数種の発泡金属前駆体のうち少なくとも１つは、
    発泡剤と前記発泡剤を挟持して積層される一対の金属板とからなる積層体を形成する工程と、
    前記積層体の所望の面から摩擦攪拌接合を行うことにより、前記発泡剤を前記金属板内に拡散させて、前記一対の金属板を接合する工程と、
    から形成される請求項１に記載の傾斜機能材料前駆体の製造方法。
  3. 前記複数種の発泡金属前駆体のうち少なくとも１つは、
    所望の溶融金属材料を金型に圧入する工程と、
    前記金型から取り出した金属部材を、摩擦攪拌することにより前記金属部材内部に混入されたガス及び気孔形成核を前記金属部材内部で均一に分散する工程と、
    から形成される請求項１に記載の傾斜機能材料前駆体の製造方法。
  4. 前記複数種の発泡金属前駆体を摩擦攪拌接合する工程において、所望の材料組成からなる緻密金属部を前記複数種の積層体のうち一部又は全部に、摩擦攪拌接合する
    請求項１に記載の傾斜機能材料前駆体の製造方法。
  5. 熱処理を施すことにより金属部材の内部に複数の気孔が生じる発泡金属前駆体を形成する工程と、
    前記発泡金属前駆体を形成する工程と同時に、又は後に、前記発泡金属前駆体と前記金属部材の材料組成とは異なる材料組成からなる緻密金属部とを摩擦攪拌接合する工程と、
    を含む傾斜機能材料前駆体の製造方法。
  6. 前記発泡金属前駆体は、
    発泡剤と前記発泡剤を挟持して積層される一対の金属板とからなる積層体を形成する工程と、
    前記積層体の所望の面から摩擦攪拌接合を行うことにより、前記発泡剤を前記金属板内に拡散させると同時に前記一対の金属板を接合する工程と、
    から形成される請求項５記載の傾斜機能材料前駆体の製造方法。
  7. 前記発泡金属前駆体は、
    所望の溶融金属材料を金型に圧入する工程と、
    前記金型から取り出した金属部材を、摩擦攪拌することにより前記金属部材内部に混入されたガス及び気孔形成核を前記金属部材内部で均一に分散する工程と、
    から形成される請求項５記載の傾斜機能材料前駆体の製造方法。
  8. 熱処理を施すことにより金属部材の内部に複数の気孔が生じる発泡金属前駆体を、前記金属部材の材料組成を異ならせて複数種形成する工程と、
    前記発泡金属前駆体を形成する工程と同時に、又は後に、前記複数種の発泡金属前駆体を摩擦攪拌接合することにより、傾斜機能材料前駆体を形成する工程と、
    前記傾斜機能材料前駆体を熱処理することにより、前記発泡金属前駆体の内部を発泡させて発泡金属部を形成する工程と、
    を含む傾斜機能材料の製造方法。
  9. 熱処理を施すことにより金属部材の内部に複数の気孔が生じる発泡金属前駆体を形成する工程と、
    前記発泡金属前駆体を形成する工程と同時に、又は後に、前記発泡金属前駆体と前記金属部材の材料組成とは異なる材料組成からなる緻密金属部とを摩擦攪拌接合することにより傾斜機能材料前駆体を形成する工程と、
    前記傾斜機能材料前駆体を熱処理することにより、前記発泡金属前駆体の内部を発泡させて発泡金属部を形成する工程と、
    を含む傾斜機能材料の製造方法。
  10. 熱処理を施すことにより、金属部材の内部に複数の気孔が生じる一の発泡金属前駆体と、
    前記発泡金属前駆体とは材料組成が異なる一種、又は複数種の他の発泡金属前駆体とが互いに摩擦攪拌接合して一体に形成された
    傾斜機能材料前駆体。
  11. さらに、前記一の発泡金属前駆体及び前記他の発泡金属前駆体の一部又は全部に摩擦攪拌接合して形成された緻密金属部
    を有する請求項１０に記載の傾斜機能材料前駆体。
  12. 熱処理を施すことにより、金属部材の内部に複数の気孔が生じる発泡金属前駆体と、
    前記発泡金属前駆体とは異なる材料組成を有し、前記発泡金属前駆体の所望の面に摩擦攪拌接合して形成された緻密金属部と、
    を有する傾斜機能材料前駆体。
  13. 熱処理を施すことにより金属部材の内部に複数の気孔が生じる発泡金属前駆体を前記金属部材の材料組成を異ならせて複数種形成し、前記発泡金属前駆体を形成すると同時に、又は後に、前記複数種の発泡金属前駆体を摩擦攪拌接合することにより、傾斜機能材料前駆体を形成し、前記傾斜機能材料前駆体を熱処理することにより、前記発泡金属前駆体の内部を発泡させて形成された発泡金属部を有する
    傾斜機能材料。
  14. 請求項１３において、前記発泡金属部の所望の面に緻密金属部が接合されている
    傾斜機能材料。
  15. 熱処理を施すことにより金属部材の内部に複数の気孔が生じる発泡金属前駆体を形成し、前記発泡金属前駆体を形成すると同時に、又は後に、前記発泡金属前駆体と前記金属部材の材料組成とは異なる材料組成からなる緻密金属部とを摩擦攪拌接合することにより傾斜機能材料前駆体を形成し、前記傾斜機能材料前駆体を熱処理することにより、前記発泡金属前駆体の内部を発泡させて形成された発泡金属部を有する
    傾斜機能材料。
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