JP5881148B2

JP5881148B2 - ポーラスメタルの製造方法

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Publication number: JP5881148B2
Application number: JP2011223186A
Authority: JP
Inventors: 禎彦半谷
Original assignee: Gunma University NUC
Current assignee: Gunma University NUC
Priority date: 2011-10-07
Filing date: 2011-10-07
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2031-10-07
Also published as: JP2013082965A

Description

本発明は、ポーラスメタルの製造方法に係わる。

多くの気孔を含むポーラスメタルは、軽量であって、衝撃エネルギー吸収特性や消音特性に優れており、自動車、鉄道、航空宇宙、建築等、様々な分野で超軽量な多機能素材として注目されている。

ポーラスメタルには、気孔と気孔の境界面が開いている「オープンセル型」（連続孔、開気孔）と、気孔同士が互いに分離している「クローズドセル型」（独立孔、閉気孔）がある。
どちらのタイプも軽量部材であるが、オープンセル型は連続孔であるため放熱材やフィルターに、クローズドセル型は防音材や電磁波シールド材に適している。

ポーラスメタルの製造方法としては、例えば、母材のメタル中に発泡剤を混合して、プリカーサ（発泡金属前駆体）を作製し、このプリカーサを加熱することにより発泡剤を分解してガスを発生させて、ガスの発生により軟化した母材を膨張させる方法、所謂プリカーサ法が提案されている（例えば特許文献１〜特許文献３を参照。）。

しかしながら、発泡剤を使用するプリカーサ法では、発泡剤が高価であるために、ポーラスメタルの製造コストが高くなる。

発泡剤を使用しない、ポーラスメタルの製造方法として、母材のメタルとスペーサーとを混合して、焼結させた後に、スペーサーを除去してポーラスメタルを作製する、スペーサー法が提案されている（例えば、特許文献４、非特許文献１を参照）。

特開２００７−６１８６５号公報独国特許出願公開第１０４８３６０号明細書独国特許出願公開第４１０１６３０号明細書特開２００４−１５６０９２号公報

Y.Y. Zhao and D.X. Sun: Scr Mater, 2001, vol. 44, pp. 105-110

しかしながら、従来提案されているスペーサー法では、焼結のために外部からの加熱を行うので、加熱熱源を必要とすることから、製造コストが高くなってしまう。

上述した問題の解決のために、本発明においては、安いコストでポーラスメタルを製造することを可能にするポーラスメタルの製造方法を提供するものである。

本発明のポーラスメタルの製造方法は、金属又は合金から成る母材内に気孔を有するポーラスメタルを製造する方法であって、所定の配合比とした、金属又は合金と、スペーサーとを混合する工程と、回転する治具により加えられる摩擦及び圧力により、混合した金属又は合金とスペーサーとを焼結する工程と、その後、スペーサーを除去して、金属又は合金から成るポーラスメタルを残す工程とを有し、スペーサーが水溶性であり、水に浸けることによりスペーサーを除去し、治具によりせん断力を加えることにより、治具に接触していた面及びその付近の部分の気孔を、それ以外の部分の気孔とは異なる形状に形成する。

本発明のポーラスメタルの製造方法において、金属又は合金の板材とスペーサーの板材とを所定の配合比で混合することも可能である。

上述の本発明のポーラスメタルの製造方法によれば、摩擦及び圧力により、混合した金属又は合金とスペーサーとを焼結して、その後スペーサーを除去してポーラスメタルを残す。摩擦及び圧力により焼結することから、従来のスペーサー法で用いられている焼結条件と比較して、遙かに低い温度で、かつ、短時間で焼結することが可能になる。

上述の本発明のポーラスメタルの製造方法によれば、加熱熱源が不要となることから、従来のスペーサー法と比較して、製造設備を簡略化することができ、製造コストを低減することができる。
また、従来のスペーサー法で用いられている焼結条件と比較して、遙かに低い温度で焼結でき、時間も短縮することができる。これにより、製造時に必要となるエネルギーを大幅に低減することができ、この点でも製造コストを低減することができる。

特に、金属又は合金の板材とスペーサーの板材を所定の配合比で混合した場合には、板材の大きさに応じてポーラスメタルを大型化することが可能になる。

Ａ〜Ｅ本発明のポーラスメタルの製造方法の一実施の形態の製造工程図である。Ａ〜Ｃ本発明のポーラスメタルの製造方法の他の実施の形態の製造工程図である。本発明の実施例の一工程の製造工程図である。水洗時間とＮａＣｌの除去率の関係を示す図である。（ａ）〜（ｄ）ポーラスＡｌのＸ線ＣＴ図である。（ａ）〜（ｃ）ポーラスＡｌの電子顕微鏡写真である。（ｄ）ＮａＣｌ（スペーサー）の顕微鏡写真である。ポーラスＡｌの圧縮特性を示す図である。Ａ〜Ｅポーラスメタルの従来の製造方法の製造工程図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、実施の形態とする）について説明する。

本発明は、金属材料とスペーサーに対して、摩擦及び圧力により、せん断力、摩擦熱、圧力をかけ、焼結させて、その後にスペーサーを除去して、ポーラスメタルを製造する方法である。

ここで、従来から提案されているポーラスメタルの製造方法であるスペーサー法の製造工程図を、図８Ａ〜図８Ｅに示す。
まず、図８Ａに示すように、アルミニウム等のポーラスメタルの原料の金属微粉末１１と、塩（塩化ナトリウム）等のスペーサー粒子１２とを用意する。
次に、図８Ｂに示すように、容器２１中で攪拌羽２２等を使用することにより、金属微粉末１１とスペーサー粒子１２とを混合する。
次に、図８Ｃに示すように、ダイ（型枠）５１に混合品を入れて、高温（例えば、６１０℃）の状態にして、上下からパンチ（押圧材）５２による圧力（例えば、２００ＭＰａ）を加えて、焼結させる。これにより、スペーサー粒子１２を内部に含むメタルが形成される。
その後、図８Ｄに示すように、スペーサー粒子１２を内部に含むメタル１３を水２５に浸けることによって、スペーサー粒子１２の塩を除去して、メタル１３を残す。
このようにして、図８Ｅに示すように、メタル１３の内部に気孔１３Ａが形成されたポーラスメタル１０を製造することができる。

上述した従来の方法に対して、さらに真空中の放電プラズマで１０分程度の処理を行う方法も提案されている。この製造方法は、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）法と呼ばれている。
また、上述した従来の方法では、高温と圧力を加えて焼結させるので、外部熱源や押圧用の設備等を必要とすることから、製造装置が複雑になり、製造コストも大きくなってしまう。

これに対して、本発明では、高温及び圧力で焼結を行う代わりに、摩擦及び圧力を利用して焼結を行う。

本発明のポーラスメタルの製造方法の一実施の形態の製造工程図を、図１Ａ〜図１Ｅに示す。
まず、図１Ａに示すように、アルミニウム等のポーラスメタルの原料の金属微粉末１１と、塩（塩化ナトリウム）等のスペーサー粒子１２とを用意する。
次に、図１Ｂに示すように、容器２１中で攪拌羽２２等を使用することにより、金属微粉末１１とスペーサー粒子１２とを混合する。
ここまでは、図８に示した従来の製造方法と同様である。
次に、図１Ｃに示すように、摩擦及び圧力を利用して、型２３の内部に収納した金属微粉末１１とスペーサー粒子１２に対して、治具２４を回転させながら加圧することによって、摩擦熱で金属微粉末１１とスペーサー粒子１２とを焼結させる。これにより、スペーサー粒子１２を内部に含むメタルが形成される。
その後、図１Ｄに示すように、従来法と同様に、スペーサー粒子１２を内部に含むメタル１３を水２５に浸けることによって、スペーサー粒子１２の塩を除去して、メタル１３を残す。
このようにして、図１Ｅに示すように、メタル１３の内部に気孔１３Ａが形成されたポーラスメタル１０を製造することができる。

なお、本発明では、図１に示したような金属微粉末１１に限らず、板状の金属を使用してもポーラスメタルを製造することができる。

本発明のポーラスメタルの製造方法の他の実施の形態として、板状の金属を使用する場合の製造方法の製造工程図を、図２Ａ〜図２Ｃに示す。
まず、図２Ａに示すように、アルミニウム等のポーラスメタルの原料の金属の板材１４と、塩（塩化ナトリウム）等のスペーサーの板材１５とを用意する。スペーサーの板材１５としては、例えば、市販の角塩を使用することや、塩を焼結させて作製することが可能である。
次に、図２Ｂに示すように、型２３の内部に、金属の板材１４とスペーサーの板材１５とを所定の割合で収納する。なお、図２Ｂでは、金属の板材１４とスペーサーの板材１５を１：１の割合で配置しているが、他の割合でも構わない。
次に、図２Ｃに示すように、摩擦及び圧力を利用して、金属の板材１４とスペーサーの板材１５に対して、治具２４を加圧しながら回転させることで、摩擦及び圧力で金属とスペーサーとを混合し、同時に焼結させる。これにより、スペーサーを含むメタルが形成される。
その後は、図１Ｄに示したと同様に、スペーサーを含むメタルを水に浸けてスペーサーの塩を除去して、メタルを残す。
このようにして、メタルの内部に気孔が形成されたポーラスメタルを製造することができる。

金属微粉末１１や金属の板材１４としては、アルミニウムに限らず、各種の金属材料を使用することができる。例えば、銅、マグネシウム等の金属やその金属を含む合金を使用することが可能である。
本発明によれば比較的低い温度で焼結させることができるため、粉末爆発の危険があるマグネシウム合金等にも、本発明を適用することが可能である。

本発明の製造方法では、摩擦及び圧力を利用しているので、ポーラスメタルを大型の板材状に作製することが可能になる。
そして、治具２４をＮＣフライスと同様に移動させることにより、さらなる大型化が可能になる。
ＳＰＳ法等、従来提案されている製造方法では、ポーラスメタルの大型化は困難である。

また、本発明の製造方法では、スペーサーを利用しているので、１ｍｍ程度の薄い板材のポーラスメタルを作製することも可能である。スペーサーの粒子により、容易に気孔径を制御することができるので、例えば、数１０μｍ〜数１００μｍ程度の気孔径とすれば、薄い板材のポーラスメタルを作製することができる。
一方、発泡剤を使用する従来の製造方法では、薄い板材のポーラスメタルを作製することは困難である。

スペーサーの材料としては、塩化ナトリウムの他、各種の水溶性の塩を使用することが可能である。また、有機肥料や糖等の水溶性の物質も使用することが可能である。

本発明の製造方法は、摩擦及び圧力を利用して、金属とスペーサーとを焼結させるので、本発明の製造方法によって、以下に述べる作用効果が得られる。
（１）原料の金属は、微粉末に限定されず、板材や金属切削屑も原料として使用可能である。金属切削屑等を使用すれば、リサイクル性も良好になる。
（２）外部からの加熱が不要になり、また、溶解工程、発泡工程等が不要になるため、エネルギー効率が高い。また、従来のスペーサー法で用いられている焼結条件と比較して、遙かに低い温度（２００℃程度以下）でかつ短時間（数分程度）で焼結できる。これらのことから、製造時に必要となるエネルギーを大幅に低減することができる。そして、加熱熱源が不要となることから、従来のスペーサー法と比較して、製造設備を簡略化することができるので、製造コストを低減することができる。
（３）通常のフライス盤や旋盤を用いて、焼結が可能である。また、単純な工程で、高速に焼結させることが可能である。
（４）回転体による摩擦熱を利用するため、金属表面にせん断力が加わり、金属の組織の微細化ができる。また、固相プロセスであるため、結晶粒の粗大化を防止することができる。さらに、所要時間も短縮することができるため、その点でも結晶粒の粗大化を防止することができる。これらのことから、ポーラスメタルの機械的性質の向上を図ることができる。
（５）アルミニウムのように表面が酸化しやすい金属の場合、摩擦及び圧力により、表面の酸化膜を破壊することができる。これにより、金属同士が容易に接合されるので、酸化膜を除去するための真空中の放電プラズマ処理等が不要になる。
（６）異種材料による傾斜機能材の作製が容易になる。例えば、金属の種類を変えること、気孔の大きさを変えること、一部をポーラスメタルとして残りを気孔のない金属材とすること、等が可能である。
（７）治具（ツール）に接触していた面及びその付近の部分と、それ以外の部分とが、母材内の気孔が異なる形状であるポーラスメタルを製造することが可能になる。これらの部分では、気孔が異なる形状であることから、強度特性に差を有している。

本発明の製造方法では、回転体による摩擦熱を利用するため、アルミニウム等の金属の表面にせん断力が加わって表面の酸化物を破壊することができ、通常のスペーサー法よりも遥かに低い温度かつ短い時間で焼結させることができる。従って、本方法で製造されたポーラスメタルの引張り強さや衝突エネルギー吸収量は、スペーサー法で製造されたポーラスメタルの約３倍まで向上することが予測される。

本発明の製造方法によって実際にポーラスメタルを作製して、その特性を調べた。

まず、図１Ａの金属微粉末１１としてＡｌ粉末（粒径約２０μｍ）を用意し、スペーサー粒子１２としてＮａＣｌ粉末を用意した。
次に、これらの粉末を、Ａｌ：ＮａＣｌ＝３：７の比率（質量比率）として、図１Ｂに示したように混合した。
次に、図１Ｃに示した型２３の代わりに、図３に示すように、直径１４ｍｍの円形の穴２７を形成した厚さ１０ｍｍのＡ１０５０板（Ａｌ板）２６を用いて、穴２７の中に混合した粉末を投入した。
そして、先端部が平坦な直径１６ｍｍの円柱状のＳＵＳ３０４製の治具（ツール）２４を、回転させながら穴２７の上部から押込んだ。治具（ツール）２４の回転数は９５０ｒｐｍ、送り速度は約１ｍｍ／ｍｉｎ、押し込み量は３．５ｍｍとして、治具（ツール）２４をＡ１０５０板２６に押し込んだ状態で３０秒保持した。
押し込み時の治具（ツール）２４と母材（Ａ１０５０板及びＡｌ粉末）との摩擦により生じる摩擦熱及びせん断力、並びに、押込み時の圧力により、原材料粉末が焼結する。
焼結の後に、機械加工にて、５ｍｍ×５ｍｍ×５ｍｍの大きさに切り出した。
その後、図１Ｄに示したように、水２５に浸けて水洗を行った。これにより、水２５にスペーサー粒子１２のＮａＣｌが溶けて取り除かれ、気孔が形成されて、ポーラスＡｌが作製される。
このようにして、ポーラスＡｌの試料を作製した。

このとき、水洗前と水洗時間５ｍｉｎ，１０ｍｉｎ，１５ｍｉｎ，３０ｍｉｎ，６０ｍｉｎ，９０ｍｉｎ，１２０ｍｉｎの各時点において、試料のＣＴ画像の撮像と、質量の測定を行った。
水洗時間毎の撮像及び測定は、その度に、水２５から試料を取り出して行った。必要に応じて、不要な水分を除去した。
ＣＴ画像の撮像は、マイクロフォーカスＸ線ＣＴシステム（島津製作所製ＳＭＸ−２２５ＣＴ）を使用して、試料中からＮａＣｌが除去される過程を観察した。
各時点の質量の測定結果を、水洗前の質量の測定結果と比較して、これらの質量の比率と元の混合比（Ａｌ：ＮａＣｌ＝３：７）から、ＮａＣｌの除去率を求めた。

さらに、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて、作製したポーラスＡｌを観察した。
比較対照として、前述した放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）法によりポーラスＡｌを作製し、比較を行った。

さらにまた、作製したポーラスＡｌに対して、圧縮試験を行い、圧縮特性を評価した。
圧縮試験の条件は、室温にてクロスヘッド速度を０．５ｍｍ／ｍｉｎとした。

作製したポーラスＡｌにおける水洗時間とＮａＣｌ除去率の関係を、図４に示す。
水洗前（０ｍｉｎ）と水洗時間３０ｍｉｎ，６０ｍｉｎ，１２０ｍｉｎにおける、ポーラスＡｌのＸ線ＣＴ画像を、図５（ａ）〜図５（ｄ）に示す。

図４より、ポーラスＡｌ中のＮａＣｌが、水洗開始直後は急激に取り除かれるが、時間の経過と共に取り除かれにくくなることが分かる。
図５（ａ）〜図５（ｄ）より、ポーラスＡｌ中のＮａＣｌは全方向にほぼ均一な割合で取り除かれていくことが分かった。これにより、ＮａＣｌは、全ての面の外側から除去される。しかし、ポーラスＡｌの中心に近づくにつれて、奥まで十分な水が届きにくくなるため、除去に長い時間を要するようになると考えられる。

（断面観察）
上述した実施例で作製したポーラスＡｌにおいて、治具（ツール）２４との接触面側を上部として、治具（ツール）２４から最も遠い面側を下部とした。
そして、実施例で作製したポーラスＡｌの上部と下部、ＳＰＳ法によりＡｌとＮａＣｌの粉末を３：７の比率で混合し作製した試料、並びに、使用したＮａＣｌ粉末について、電子顕微鏡写真を撮影した。
撮影して得られた写真を、図６（ａ）〜図６（ｄ）に示す。図６（ａ）は、実施例のポーラスＡｌの上部の写真であり、図６（ｂ）は、実施例のポーラスＡｌの下部の写真であり、図６（ｃ）はＳＰＳ法により作製した試料の写真であり、図６（ｄ）は使用したＮａＣｌ粉末の写真である。

図６（ａ）及び図６（ｂ）を比較するとわかるように、実施例で作製したポーラスＡｌは、上部と下部とで気孔の形態が異なっている。即ち、図６（ａ）に示すように、ポーラスＡｌの上部の気孔は、細長い形状となっている。
通常、ＳＰＳ法等の圧粉焼結法では、図６（ｃ）に見られるように、スペーサーとして用いたＮａＣｌ粉末の形状がほぼ転写されたような気孔形態を持つ。
図６（ｂ）より、実施例のポーラスＡｌの下部は、図６（ｃ）のＳＰＳ法により作製した試料と同様な気孔形態となっている。

ポーラスＡｌの上部の気孔形態が下部と異なるのは、試料作製時に回転する治具（ツール）２４によるせん断力の影響を受けたことが原因と考えられる。そして、このせん断力によって、ＮａＣｌ粉末が細長く変形して、その結果として気孔が細長い形状となったと推測される。
一方、ポーラスＡｌの下部には、摩擦熱と押込み圧力のみが加わり、せん断力は伝わらなかったため、上部とは気孔形態に違いが生じたと考えられる。

図６（ｂ）及び図６（ｃ）を比較すると、類似の気孔形態を持っており、かつ、図６（ｄ）のＮａＣｌ粉末の形状とほぼ一致することから、ＮａＣｌ粉末が除去されて気孔が形成されたことが分かる。
このことから、ツールの回転による摩擦熱及び押込み圧力によっても、ＳＰＳ法を用いた場合と同様に、原料粉末の焼結が可能であると考えられる。
また、図６（ｂ）におけるセル壁を詳細に観察した結果、セル壁中に微小な穴の存在を確認した。この穴を通じて、水洗によりポーラスＡｌ中のＮａＣｌが除去されたと考えられる。
なお、使用したＮａＣｌ粉末の粒径は不明であるが、図６（ｄ）の写真の範囲では、２００〜５００μｍの範囲となっている。

（圧縮試験）
実施例により作製したポーラスＡｌの圧縮試験結果を、図７に示す。
図７からわかるように、従来のポーラスアルミニウムと同様に、弾性領域、プラトー領域、緻密化領域の３領域が確認された。
ただし、圧縮時の変形はポーラスＡｌの下部から始まっており、上部はプラトー領域の後半で変形し、下部が変形している間はほとんど変形しなかった。
これは、図６（ａ）及び図６（ｂ）におけるポーラスＡｌ内の上部と下部の気孔形態の相違が原因となり、ポーラスＡｌ内で若干の強度差を生じたためと考えられる。

従って、本発明の製造方法を採用した上述の実施例においては、上部と上部以外の部分とで、気孔の形状が異なり、強度特性に差を有するポーラスメタルが得られていることがわかる。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

１０ポーラスメタル、１１金属微粉末、１２スペーサー粒子、１３メタル、１３Ａ気孔、１４金属の板材、１５スペーサーの板材、２２攪拌羽、２３型、２４治具、２５水、２６Ａ１０５０板（Ａｌ板）、２７穴

Claims

金属又は合金から成る母材内に気孔を有するポーラスメタルを製造する方法であって、
所定の配合比とした、前記金属又は前記合金と、スペーサーとを混合する工程と、
回転する治具により加えられる摩擦及び圧力により、混合した前記金属又は前記合金と前記スペーサーとを焼結する工程と、
その後、前記スペーサーを除去して、前記金属又は前記合金から成るポーラスメタルを残す工程とを有し、
前記スペーサーが水溶性であり、水に浸けることにより前記スペーサーを除去し、
前記治具によりせん断力を加えることにより、前記治具に接触していた面及びその付近の部分の気孔を、それ以外の部分の気孔とは異なる形状に形成する
ポーラスメタルの製造方法。
前記金属又は前記合金の板材と、前記スペーサーの板材とを、所定の配合比で混合する、請求項１に記載のポーラスメタルの製造方法。