JP6007730B2

JP6007730B2 - 多孔質複合金属体の製造方法及び製造装置

Info

Publication number: JP6007730B2
Application number: JP2012243694A
Authority: JP
Inventors: 雄三太期; 巧渋谷
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2012-11-05
Filing date: 2012-11-05
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2032-11-05
Also published as: JP2014091151A

Description

本発明は、一次電池や二次電池、あるいは医療機器などに用いられる多孔質複合金属体の製造方法及び製造装置に関する。

多孔質金属体は、一次電池や二次電池、あるいは生体内に埋め込まれる人工歯根や人工関節などの医療機器への適用が検討されている。例えば、特許文献１では医療用デバイスとして用いられる多孔質金属体が開示されており、複数の多孔質金属体が積層状態に接合されている。特許文献２においては、多孔質金属体が燃料電池として使用されている。特許文献３では、リチウムイオン二次電池や電気二重層型キャパシタの集電体、ＬＥＤ放熱板ヒートシンク、ラジエータ等に用いられるものとして、アルミニウム多孔質焼結体とアルミニウム箔とを一体化した複合多孔質金属体が開示されている。

このような多孔質金属体を各種用途に適用する場合、特許文献３記載のように、金属製無垢材からなる緻密金属体と、多孔質金属体とを接合して複合体とすることが要求される場合がある。この緻密金属体と多孔質金属体とを接合する場合、一般には、これらをカーボン製の型の中に入れて加熱・拡散接合することが行われる。

国際公開第２００７／０６６６６９号特開２００８−１７７０４７号公報特開２０１０−２８０９５１号公報

ところで、緻密金属体と多孔質金属体とを拡散接合する場合、通常、これらを約１０００℃まで加熱することが行われる。このため、型を構成しているカーボンが多孔質金属体に反応して、この多孔質金属体にカーボンが付着するおそれがある。
これを防ぐため、型をセラミックスで形成することも考えられるが、コストがかかって経済性が悪く、割れ易いなどの不具合もある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、緻密金属体と多孔質金属体とを拡散接合して多孔質複合金属体を製造する際に、拡散接合用の型をなす材料が多孔質金属体に付着することを防止するとともに、緻密金属体に多孔質金属体を正確な位置に、正確な厚みや形状で接合して、高品質の多孔質複合金属体を製造することができる接合方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明の多孔質複合金属体の製造方法は、緻密金属体の表面に多孔質金属体を押圧しながら加熱して拡散接合することにより、多孔質複合金属体を製造する方法であって、一方の型に、前記緻密金属体の外周面に当接する複数の位置決めピンを着脱可能に立設するとともに、これら位置決めピンに囲まれた部分における前記一方の型の表面及び他方の型の表面にセラミックス当て面を形成しておき、該セラミックス当て面に前記多孔質金属体を当接した状態で前記緻密金属体を前記位置決めピンに内接するように配置し、前記一方の型に他方の型を合わせて配置することにより前記多孔質金属体と緻密金属体を押圧状態とし、前記位置決めピンを抜き取った後に、加熱して前記多孔質金属体を緻密金属体に拡散接合することを特徴とする。

一方の型の表面及び他方の型の表面にセラミックス当て面を形成しておき、多孔質金属体にセラミックス当て面を当接させながら、位置決めピンに内接するように緻密金属体を配置して一方の型の所定位置に位置決めすることができ、他方の型を合わせて押圧状態とすることで、多孔質金属体をセラミックス当て面と緻密金属体とにそれぞれ密着させることができる。この状態において多孔質金属体及び緻密金属体を直接型に接触させることなく、位置決めピンの抜き取り後にも位置ずれを防止しつつ型内に配置することができる。そして、位置決めピンを抜き取った後に拡散接合するため、拡散接合時には、型を構成する材料が緻密金属体及び多孔質金属体に接触することを位置決めピンが配置されていた空間及びセラミックス当て面により確実に防止して、高品質の多孔質複合金属体を製造することができる。しかも、セラミックス当て面の使用を必要最小限に抑えることができるため、安価に製造することができる。

本発明の多孔質複合金属体の製造方法において、前記緻密金属体における前記多孔質金属体が配置されている側とは反対側の表面に第２の多孔質金属体を配置してもよい。
緻密金属体の両面に多孔質金属体が配置された構造の多孔質複合金属体を拡散接合することができ、型の表面のセラミックス当て面により、型と両面側の多孔質金属体との直接の接触を防止することができる。

本発明の多孔質金属体の製造方法において、前記多孔質金属体は前記緻密金属体に形成した収容部内に一部が該収容部から突出した状態に収容されるとともに、前記セラミックス当て面には前記多孔質金属体における前記緻密金属体からの突出部の一部を係合する凹部が形成されており、該凹部に前記多孔質金属体の突出部の一部を係合した状態で前記緻密金属体を前記位置決めピンに内接するように配置することとしてもよい。

本発明の多孔質複合金属体の製造装置は、緻密金属体の表面に多孔質金属体を押圧しながら加熱して拡散接合することにより、多孔質複合金属体を製造する装置であって、前記緻密金属体の外周面に当接する複数の位置決めピンを着脱可能に立設してこの位置決めピンに内接するように前記緻密金属体を位置決め可能に配置する一方の型と、前記位置決めピンに囲まれた部分における前記一方の型の表面及び他方の型の表面に設けられたセラミックス当て面と、前記一方の型との間に前記多孔質金属体と緻密金属体とを押圧した状態に配置される他方の型とを有し、前記他方の上型に、前記位置決めピンを抜き取り可能に挿通する貫通孔が設けられていることを特徴とする。
両型を閉じた後に他方の型の貫通孔内に配置されている位置決めピンを抜き取ることにより、緻密金属体の周囲に空間を形成することができ、型への接触を確実に防止することができる。

本発明の多孔質複合金属体の製造装置において、前記緻密金属体における前記多孔質金属体が配置されている側とは反対側の表面に第２の多孔質金属体が配置されることとしてもよい。

本発明の多孔質金属体の製造装置において、前記多孔質金属体は前記緻密金属体に形成した収容部内に一部が該収容部から突出した状態に収容されるとともに、前記セラミックス当て面には前記多孔質金属体における前記緻密金属体からの突出部の一部を係合する凹部が形成されているものとしてもよい。

本発明によれば、緻密金属体と多孔質金属体とを拡散接合する際に、型をなす材料が緻密金属体及び多孔質金属体に接触することが、位置決めピンが配置されていた空間及びセラミックス当て面により確実に防止することができ、高品質の多孔質複合金属体を製造できる。また、セラミックス当て面を必要最小限として、コストを抑えることができる。また、多孔質金属体と緻密金属体とを面方向に正確に位置決めした状態で接合することができる。

本発明の一実施形態における多孔質複合金属体の製造装置の下型を示す平面図である。下型、位置決めピン及びセラミックス当て板を分解して示す図１のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である多孔質複合金属体の製造装置の上型を示す平面図である。上型及びセラミックス当て板を分解して示す図３のＢ−Ｂ線に沿う矢視断面図である。下型に多孔質金属体を収容した緻密金属体をセラミックス当て板とともに配置した状態を示す断面図である。図５に示す状態から上型を型締めした状態を示す断面図である。図６に示す状態から位置決めピンを抜き取った状態を示す断面図である。本発明の製造装置により製造される多孔質複合金属体の例を示す断面図である。本発明の製造装置により製造される多孔質複合金属体の他の例を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
多孔質複合金属体１は、図８に示すように、一対の多孔質金属体２と緻密金属体３とを組み合わせてなるものである。
多孔質金属体２は、チタン、ステンレス、ニッケルなどの金属粉と有機バインダー、発泡材等を混合し、成形・乾燥・脱脂・焼結させて直方体ブロック状に成形されたもので、連続した骨格により形成される複数の気孔が連通した三次元網目状構造を有する発泡金属である。例えば、１００ｍｍ四方で厚み２ｍｍ程度の大きさのシート状に形成される。緻密金属体３は、多孔質金属体２と同材料の多孔質金属体２よりブロック状の無垢材である。
この緻密金属体３の上下両側の表面には凹状の収容部４が形成され、この収容部４内に、多孔質金属体２を一部がこの収容部４から突出した状態で収容される。このときの多孔質金属体２の突出部５の緻密金属体３の表面からの突出高さＨは、多孔質金属体２の収容部４への収容直後で０．３〜０．５ｍｍ程度であり、拡散接合後に例えば０．１ｍｍ程度となる。本発明では、緻密金属体３の下側に配置される多孔質金属体２に対して、上側に配置される多孔質金属体２を第２の多孔質金属体と称している。

この多孔質複合金属体１を製造するための製造装置は、図１〜図４に示すように、上型１１、下型１２、セラミックス当て板（セラミックス当て面）１３、位置決めピン１４を有し、緻密金属体３と多孔質金属体２とを押圧しながら拡散接合して、多孔質複合金属体１を製造するものである。本実施形態では、上型と下型とを有する構成とするが、本発明においては必ずしも上下に配置されるものでなくともよく、一方の型に対して他方の型が合わせて配置される構成のものであればよい。

この実施形態の製造装置では、上型１１及び下型１２は、カーボン製であり、同時に３個の多孔質複合金属体１を製造することができるようになっている。
下型１２には、緻密金属体３の外周面に当接する複数の位置決めピン１４が設けられている。本実施形態における位置決めピン１４は、下型１２に形成された穴１５に挿入することによって着脱可能に設けられ、この下型１２に対して着脱可能な状態で立設されている。これにより、図１の二点鎖線に示すように、位置決めピン１４に囲まれた部分に緻密金属体３を位置決めピン１４に内接するように配置する位置決め領域Ｒが形成される。また、この位置決め領域Ｒの内側には、セラミックス当て板１３を位置決めして装着するための凹状の取付け部１６が設けられている。
下型１２の四隅部にはガイドピン１７が立設されるとともに、これらガイドピン１７により囲まれた領域内には、下型１２の中央部の表面が突出して上型１１に嵌合する凸部１８が形成されている。

上型１１には、各位置決めピン１４を挿通させる貫通孔１９が設けられるとともに、これら貫通孔１９により囲まれた領域内に、下型１２と同様に、セラミックス当て板１３を嵌合状態に取り付ける凹状の取付け部２０が設けられている。本発明ではこの上型１１に配置されるセラミックス当て板１３を第２のセラミックス当て板と称している。
また、上型１１の四隅部には下型１２のガイドピン１７を嵌合するガイド孔２１が形成され、これらガイド孔２１に囲まれた領域内に、型締め時に下型１２の凸部１８を嵌合する凹部２２が形成されている。
セラミックス当て板１３は、平板状に形成されており、その中央部の表面には、多孔質金属体２における緻密金属体３への接触面とは反対側の端部、つまり緻密金属体３からの突出部５の端部を嵌合可能な凹部２３が形成されている。この凹部２３の深さは、拡散接合後の緻密金属体３からの多孔質金属体２の突出高さＨと同じ寸法に設定される。

なお、上記した位置決めピン１４の数を適宜増減させることもできる。位置決めピン１４は、１つの多孔質複合金属体１を拡散接合する際に、少なくとも２箇所に設けられていればよい。この場合、緻密金属体３の隣接する２つの辺に当接可能な位置に位置決めピン１４を設け、これらの位置決めピン１４に緻密金属体３を押しつけて位置決めできる。

次に、このように構成した製造装置を用いて多孔質複合金属体１を製造する方法を説明する。
先ず、緻密金属体３の両面の収容部４に多孔質金属体２を収容状態に配置し、これらを組み合わせる。この場合、前述したように、緻密金属体３と多孔質金属体２とを拡散接合する前では、緻密金属体３の収容部４に多孔質金属体２を収容したときの突出部５の突出高さＨが、最終製品よりも大きくなるように設定されている。収容部４の内周面と多孔質金属体２の外周面との間には、多孔質金属体２を収容する際に多孔質金属体２の外周面が崩れないように、図示しない適宜の隙間が設けられる。

一方、下型１２の穴１５に位置決めピン１４を挿入して立設状態に配置し、これら位置決めピン１４に囲まれた部分における取付け部１６にセラミックス当て板１３を位置決め状態に取付ける。
次に、図５に示すように、組み合わせ状態の緻密金属体３と多孔質金属体２とを下型１２に装着する。このとき、セラミックス当て板１３の凹部２３に突出部５の端部を嵌合した状態で、緻密金属体３を位置決めピン１４により囲まれた位置決め領域Ｒ内に配置する。これによって、位置決めピン１４の外周面の一部に緻密金属体３の外周面が当接した状態で位置決めピン１４に囲まれた位置決め領域Ｒにこの緻密金属体３が配置される。

続いて、下型１２に対して上型１１を装着する。このとき、緻密金属体３の上面に突出する多孔質金属体２の突出部５には、この突出部５を凹部２３に嵌合した状態でセラミックス当て板１３が被せられている。
そして、上型１１の装着時には、上型１１のガイド孔２１に下型１２のガイドピン１７が挿入し、下型１２に対して上型１１が概略的に位置決めされ、さらに下型１２の凸部１８に上型１１の凹部２２が嵌合して、精密に位置決めされた状態で閉じられる。

このようにして型が閉じられると、図６に示すように、位置決めピン１４の外周面の一部に緻密金属体３の外周面が接触し、両セラミックス当て板１３に多孔質金属体２の突出部５が係合した状態で、これらセラミックス当て板１３を介して上型１１と下型１２との間に挟み込まれた状態になる。セラミックス当て板１３は、その凹部２３の深さが拡散接合後の多孔質金属体２の突出高さＨより小さく設定されているので、この型を閉じた状態でも、緻密金属体３に接触することはない。
したがって、両型１１，１２のうち位置決めピン１４のみが緻密金属体３に接触し、両型１１，１２の表面はセラミックス当て板１３にのみ接触した状態となる。

また、緻密金属体３は位置決めピン１４により外側面が拘束され、多孔質金属体２は、緻密金属体３の凹部４に一部嵌合するとともに、セラミックス当て板１３の凹部２３に突出部５の端部が係合し、そのセラミックス当て板１３は上型１１の凹状の取付部２０又は下型１２の取付部１６にそれぞれ嵌合しており、各部材が面方向に正確に位置決めされる。
また、この型を閉じた状態では下型１２と上型１１との間で多孔質金属体２と緻密金属体３とが押圧された状態となり、多孔質金属体２が圧縮されることにより、多孔質金属体２の突出高さＨが小さくなるとともに、その分、多孔質金属体２が押圧方向と直交する面方向に拡げられ、緻密金属体３の収容部４の内周面に密接させられる。発泡体の材質や気孔率、接合面積、接合温度、型の構成にもよるが、押圧荷重は、発泡体の見かけ面積当たり５０〜２５００ｇ／ｃｍ^２、より好ましくは、１５０〜１５００ｇ／ｃｍ^２とする事が望ましい。

次いで、図７に示すように、位置決めピン１４を穴１５から抜いて上型１１、下型１２から抜き取った状態とする。この状態では、緻密金属体３は、それまで接触していた位置決めピン１４がなくなることにより、上型１１及び下型１２のいずれにも接触する部分はなくなり、この緻密金属体３から突出している多孔質金属体２がセラミックス当て板１３を介して両型１１，１２の間に保持される。
この状態で例えば１０５０℃、約一時間の条件で両型１１，１２ごと加熱して、多孔質金属体２を緻密金属体３に拡散接合することで、多孔質複合金属体１を製造する。
前述したように、セラミックス当て板１３の凹部２３の深さが、拡散接合後の緻密金属体３からの多孔質金属体２の突出高さＨと同じ寸法に設定されており、拡散接合完了時には、セラミックス当て板１３が緻密金属体３の表面に接触した状態となる。

このように、この多孔質複合金属体１の製造方法は、着脱可能な位置決めピン１４により緻密金属体３を位置決めし、多孔質金属体２の限られた部分にのみセラミックス当て板１３を当接して、拡散接合時には位置決めピン１４を抜き取ることにより、セラミックス当て板１３のみが接触するようにし、上型１１及び下型１２を構成しているカーボン材が製品に付着することを確実に防止することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、一実施形態では、多孔質金属体が緻密金属体の収容部から一部突出した状態に収容されるようにしたが、このように突出するものでなくとも、緻密金属体の収容部内に緻密金属体と面一に収容されるもの、あるいは緻密金属体の表面より凹んだ状態で収容されるものにも適用することができる。多孔質金属体を緻密金属体の収容部内に緻密金属体と面一に収容する場合は、セラミックス当て板の表面は平坦面に形成し、多孔質金属体を緻密金属体の表面より凹んだ状態で収容する場合は、セラミックス当て板には、多孔質金属体に接触する凸部を形成しておくとよい。
また、緻密金属体に収容部を形成せずに、図９に示すように、緻密金属体の表面に多孔質金属体が載置された状態で重ねられるものについても、本発明を適用することができる。
また、緻密金属体の両面に多孔質金属体を接合した例を示したが、緻密金属体の片面にのみ多孔質金属体を接合する場合にも適用することができる。
さらに、セラミックス当て板を用いているが、凹部を有しない場合は、型の表面にセラミックスを溶射してセラミックス面を形成し、このセラミックス面が多孔質金属体に接触するようにしてもよい。また、緻密金属体の片面にのみ多孔質金属体を接合する場合など、緻密金属体の表面が型に接触する場合には、型の表面にセラミックス当て板を配置する、あるいは型の表面にセラミックスを溶射してセラミックス面とするなどの構成としてもよい。本発明では、一実施形態のセラミックス当て板及び溶射等により形成したセラミックス面の両方を含んでセラミックス当て面と称している。

１多孔質複合金属体
２多孔質金属体
３緻密金属体
４収容部
５突出部
１１上型
１２下型
１３セラミックス当て板（セラミックス当て面）
１４位置決めピン
１５穴
１６取付け部
１７ガイドピン
１８凸部
１９貫通孔
２０取付け部
２１ガイド孔
２２凹部
２３凹部
Ｒ位置決め領域

Claims

緻密金属体の表面に多孔質金属体を押圧しながら加熱して拡散接合することにより、多孔質複合金属体を製造する方法であって、一方の型に、前記緻密金属体の外周面に当接する複数の位置決めピンを着脱可能に立設するとともに、これら位置決めピンに囲まれた部分における前記一方の型の表面及び他方の型の表面にセラミックス当て面を形成しておき、該セラミックス当て面に前記多孔質金属体を当接した状態で前記緻密金属体を前記位置決めピンに内接するように配置し、前記一方の型に他方の型を合わせて配置することにより前記多孔質金属体と緻密金属体を押圧状態とし、前記位置決めピンを抜き取った後に、加熱して前記多孔質金属体を緻密金属体に拡散接合することを特徴とする多孔質複合金属体の製造方法。
前記緻密金属体における前記多孔質金属体が配置されている側とは反対側の表面に第２の多孔質金属体を配置しておくことを特徴とする請求項１記載の多孔質複合金属体の製造方法。
前記多孔質金属体は前記緻密金属体に形成した収容部内に一部が該収容部から突出した状態に収容されるとともに、前記セラミックス当て面には前記多孔質金属体における前記緻密金属体からの突出部の一部を係合する凹部が形成されており、該凹部に前記多孔質金属体の突出部の一部を係合した状態で前記緻密金属体を前記位置決めピンに内接するように配置することを特徴とする請求項１又は２記載の多孔質複合金属体の製造方法。
緻密金属体の表面に多孔質金属体を押圧しながら加熱して拡散接合することにより、多孔質複合金属体を製造する装置であって、前記緻密金属体の外周面に当接する複数の位置決めピンを着脱可能に立設してこの位置決めピンに内接するように前記緻密金属体を位置決め可能に配置する一方の型と、前記位置決めピンに囲まれた部分における前記一方の型の表面及び他方の型の表面に設けられたセラミックス当て面と、前記一方の型との間に前記多孔質金属体と緻密金属体とを押圧した状態に配置される他方の型とを有し、前記他方の型に、前記位置決めピンを抜き取り可能に挿通する貫通孔が設けられていることを特徴とする多孔質複合金属体の製造装置。
前記緻密金属体における前記多孔質金属体が配置されている側とは反対側の表面に第２の多孔質金属体が配置されることを特徴とする請求項４記載の多孔質複合金属体の製造装置。
前記多孔質金属体は前記緻密金属体に形成した収容部内に一部が該収容部から突出した状態に収容されるとともに、前記セラミックス当て面には前記多孔質金属体における前記緻密金属体からの突出部の一部を係合する凹部が形成されていることを特徴とする請求項４又は５記載の多孔質複合金属体の製造装置。