JPH03170630A - 発泡金属の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は発泡金属の製造方法に関し、特に建材、軽量材
、断熱材、制振材などとして有望な発泡鉄鋼材料の製造
に有利に適用しうる同方法に関する。

〔従来の技術〕

従来方法では溶融金属に空気や水蒸気を吹き込み、酸化
物を生或、浮遊させ、見掛上の粘性を高める増粘処理を
行った後、凝固点近傍で分解しガスを発生する発泡剤（
一般には金属の水素化物が用いられる〉を添加して攪拌
混合後、鋳型に移しかえて所定時間静置して発泡させ、
発泡剤の分解が完全に終了する前に急冷して発泡金属を
製造していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来方法では、増粘処理で生或した酸化物が介在物とし
て発泡金属中に残留し、これが発泡金属の材質を劣化さ
せるため、実用されている発泡金属が比較的靭性の高い
アルミニウム等の一部の金属に限られる一因になってい
た。又、増粘処理された溶融金属にアトマイズされたガ
スを直接吹き込んでも気泡を均一に分敗させるためには
攪拌する必要があるが、攪拌すれば気泡は容易に浮上す
るため、従来方法では直接ガスを吹き込むことができな
かった。

このため、従来方法では発泡剤を用いたが、発泡剤を用
いて気泡を均一に分敗させるためには増粘された溶融金
属中に発泡剤を投入して攪拌する必要がある。この攪拌
によって発泡剤は溶融金属中に均一に分敗するが、同時
に分解反応も進行するため、素速く攪拌し発泡処理を行
うための訪型に移しかえる必要がある。又、発泡剤の分
解によって発生する気泡の粗大化と浮上を少なくするた
めにはできるだけ低い温度で発泡させる必要があるが、
凝固点以下の温度ではデンドライトが発達するため気泡
を均一に分敗させることができない。このため、発泡処
理は凝固点直上の温度で、発泡剤及び発生する気泡の浮
上を抑制するため、所定時間静置して発泡の分解が完全
に終了する前に急冷する方法がとられていた。このため
、金属の種類に応じた発泡剤の選定が問題となるばかり
でなく、純金属であれば凝固温度が一定であるため、急
冷することによってデンドライトの発達を抑えることも
比較的容易ではあるが、合企の場合、特に鉄鋼材料では
凝固開始から凝固完了までの温度差が大きく、かつ、熱
伝導度もアルミニウム等に比べよくないためデンドライ
トの発達を抑えることは容易でなく、これが現在実用さ
れている発泡金属がアルミニウム等の低融点で無伝導度
のよい純金属に限られる大きな裡由になっていた。又、
発泡金属の気孔の粒径、気孔率等は発泡剤の種類、添加
量、発泡処Ｊ’＋［の温度、時間等の影響を大きく受け
るが、コントロールがむづかしく従来方法で微細な気泡
を均一に分敗させる発泡金属を製造することは極めて困
難であった。

本発明は上記技術水準に鑑み、従来技術におけるような
不具合のない金属の種類によって影響がなく、直接法に
よって発泡金属を製造しうる方法を提供しようとするも
のである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は溶融金属を急冷して固液２相企属の固相率がｌ
Ｏ〜５０％となるような半溶融金属とし、固相としての
結晶粒の平均粒径が１ｍｍ以下となるような攪拌条件で
攪拌しながら不活性ガスを吹き込んだ後、冷却凝固させ
ることを特徴とする発泡金属の製造方法である。

従来の方法が増粘方法として、溶融金属に空気や水蒸気
を吹き込み酸化物を生戊させて見掛上の粘度の向上を図
ったのに対して、本発明の方法では溶融金属を半溶融状
態まで急冷して固液２相金属の液相の粘度を高めると同
時にデンドライトの戊長を抑え、初晶の結晶粒径を微細
化するため攪拌する方法をとった。

又、発泡の方法として、従来の方法では発泡剤を使用し
、これを溶融状態の金属に投入し、攪拌して均一に分敗
させた後、発泡処理を行うために別の鋳型に移しかえて
凝固点直上の温度で所定時間静置して発泡させた後、デ
ンドライトが発達しないよう急冷して発泡金属を製造し
ていたのに対して、本発明の方法で半溶融状態の金属中
に発泡剤としてのガスを直接吹き込み、攪拌することに
よって気泡を微細化し、均一に分敗させる方法をとっｔ
こ。発泡剤としてのガスの種類は金属の種類によって選
定すればよく水素ガス及びアルゴンガスや窒素ガス等の
不活性ガスが使用できる。

〔作用〕

本発明の方法は溶融金属を半溶融状態まで急冷し、半溶
融状態の金属を攪拌してデンドライトの発達を抑え、固
液２相金属の固梠としての結晶粒が微細化できることに
着目し、半溶融状態の金属を攪拌しながら発泡剤として
のガスを吹き込むことによって発生する気泡を攪拌によ
って微細化し、粘度の高い液相に包むと同時に、と 微細結晶が従来方法における酸化物全同様に作用して、
これらの気泡を拘東して容易に浮上せず、溶融金属中に
滞留するようにしたものである。

従って、本発明における半溶融状態での攬拌は固液２相
金属の液相部の粘度を高めると同時に、固相としての結
晶粒と吹き込まれた発泡剤としてのガスによって生成す
る気泡の微細化と均一分散化を狙ったものである。固休
液２相金属の固相としての結晶は発生する気泡を拘束し
、その浮上を抑制する作用をなすため、細かく均一に分
敗しているほど効果的であることは容易に推定できるが
、本発明方法による結晶粒の微細化効果は主として攪拌
による溶融液のせん断条件に支配されるため、高速でせ
ん断されるほどその効果は大きい。しかしながら、この
せん断条件は攪拌翼の形状、大きさ、回転速度及び攪拌
槽と攪拌翼の取り合いなど、装置の設計条件に左右され
るため一義的には決定できない。

従って、攪拌効果は装置に応じて製造された発泡金属の
初晶の粒径で評価される。

即ち、これら初晶は発泡金属の網目状骨格の一部を構戊
するため、結晶粒が大きければ均一な発泡金属が得られ
ない。従って、現在実用されている発泡金属の気孔径０
．　１〜数ｒｎｍの発泡金属を得るためには少なくとも
初晶の粒径がｌｎｕｎ以下になるような攪拌条件を選定
する必要がある。

又、固液２相金属の液相部に気泡は構戊されるため、攪
拌発泡時の固相率が問題となる。固相率が１０％以下で
は固相（初晶）による気泡の浮上を抑制する効果が少な
く、５０％以上では気泡を・包み込むための液相金属の
量が不足するため、気泡の膜厚が薄くなり崩壊し易くな
り、互いに融合し合い粗大化する傾向が増すので適切で
ない。

従って、本発明の方法による発泡処理は固相率が１０〜
５０％の半溶融金属を固体相としての結晶（初晶）の粒
径が１　ｍｍ以下になるような攪拌条件で攪拌しながら
発泡剤としてのガスを吹き込む必要がある。

又、従来の発泡剤を使用する発泡処理では発泡剤の分解
が進行するに伴って気泡が粗大化するため、微細な気泡
を均一に分１１ｋさせることは極めて困難であった。し
かしながら、本発明の方法によれば気泡は攪拌によって
微細化するため半溶融金属を固相率１０〜５０％の固液
２相状態に保持しながら攪拌とガス吹き込みを長時間継
続することも可能であり、このため、攪拌条件、ガスの
吹き込量、処理時間、固相率等を調整することによって
気泡の粒径や気孔率を比較的簡単に調節できる。

又、攪拌によって大気中の酸素が巻き込まれて酸化物を
生戊し、気泡金属の材質を劣化させるおそれがある場合
には、攪拌槽を真空槽内に設置して真空中で処理するか
、前もって溶融状態の金属に不活性ガスを吹き込み攪拌
槽内の空気を置換した後、半溶融状態まで冷却して攪拌
しながら発泡処理を行えばよい。

〔実施例〕

第ｌ図は本発明の方法によりアルミニウム、鉄鉱、ステ
ンレス鋼の発泡金属を製造した場合の装置の概念図であ
る。

あらかじめ、黒鉛ルッポｌを高周波加熱コイル２で、各
金属の溶融点近傍まで予熱しておき、別途、電気炉で溶
解した溶融金属をルッポ１内に注入した。注入後、攪拌
槽炉蓋３を攪拌槽４本体にセットした。攪拌槽炉蓋３に
は回転軸５及び攪拌翼６が炉蓋をセットした状態でルッ
ポ１の中心にくるよう組込まれている。この攪拌翼６は
アルミニウムのような低融点の金属であればステンレス
製でも十分使用できるが、鉄鋼材料では融点が高いため
、ここでは１５００℃まで使用可能なセラミックスを使
用した。

又、翼の形状は第２図に示すように、セラミックスが脆
いためと攪拌効率をよくするｔこめ、丸形のねじ状とし
、軸の回転によって半溶融金属７が攪拌翼に沿って下方
に押し込まれ、ルッポ６の内周に沿って押し上げられる
半溶融金属と攪乱されるようにした。

次に、回転軸を１　０　Ｏ　ｒｐｍの回転速度でゆっく
り攪拌しなから熱電対８で温度を計測しつつ、溶融金属
が凝固しないよう注意しながらガス箱９及び通気孔ｌＯ
を通してアルゴンガスを吹き込み攪拌槽４内の空気を置
換した。

置換時の温度は金属の種類によって異なり、各金属の融
点より１００〜１５０℃高い温度とした。約１０分間空
気置換を行った後、高周波電源を切った。高周波加熱コ
イル２及び水冷ジャケット１１．１２には冷却水が通水
されているためルツボｌ内の溶融金属は急速に冷却され
る。溶融金属の凝固開始温度は、純金属の場合は温度が
殆んど降下しなくなり、又合金の場合には極端に冷却速
度が遅くなるため、冷却速度を連続的に計測することに
よって容易に判断できるが、固液２相金属の固相率は前
もって実験を行ない目的とする金属又は合金について固
相率が１０〜５０％となる温度範囲を把握しておく必要
がある。又この装置における初晶の結晶粒径を１　ｍｍ
以下にするための攪拌条件は前もって実施した試験によ
って、攪拌翼の回転速度で５０ｏｒρｍ以上とする必要
があることが分っているが、急激に回転速度を上げたの
では溶融金属がルツボ１外に飛散するため、＆ｌｌｆｆ
ｉｌ点まで温度が降下した時点から回転翼の回転速度を
徐々に上げ、この実施例では固相率が約３０％となる温
度まで降下した時点でＩ　Ｑ　０　０　ｒｐｍまで回転
速度を上げた。発泡剤としてのガスは、この実施例の場
合、空気置換に使用したガスと同じアルゴンガスを使用
したので、空気置換開始から継続してガスを吹き込んだ
。又、回転速度を１　０　０　Ｏ　ｒｐｍへ昇速してか
らのガス吹き込み時間はどの金属についても１０分間と
し、発泡処理終了後攪拌翼を引き上げてそのまま冷却し
た。

以上の・実施例の方法で得られた発泡金属の平均気孔径
及び気孔率はアルミニウムお場合、平均気孔径：３００
μｍ、気孔率：８５％、鋳鉄の場合、平均気孔径：６０
０μｍ１気孔率：７０％、ステンレス涸の場合、平均気
孔径：８００Ａ１ｍ，気孔率：５０％であった。

この実施例で得られた発泡金属の平均気孔径及び気孔率
が異なるのはどの金属も攪拌速度、ガス圧及びガスの吹
き込みＩｌＩ間を一定としたために生じたものであり、
金属の種類に応じた適当な条件を設定することによって
気孔径及び気孔率を揃えることも、又気孔を更に微細化
することも、可能であることは勿論である。

なお、第１図中、１３は遮熱イ反、ｌ４は排気孔、１５
はボールベアリングである。

〔発明の効果〕

１．　本発明の方法によれば従来方法では極めて困難で
あった比較的熱伝導度が悪く、凝固温度範囲の広い、例
えば鉄涸材料の発泡金属でも容易に、しかも安価に製造
できる。

２．　従来方法では不可能であった発泡処理時間を自由
に選定でき、しかも、機械的に気泡の微細化が可能であ
るため、発泡金属の気孔の直径及び気泡率を自由に調整
できる。

３．　従来方法では避けられなかった増粘処理時に生成
する酸化物等の介在物がなく、しかも高価な発泡剤を使
用しないため安価で品質のよい発泡金属が得られる。

【図面の簡単な説明】

第ｌ図は本発明方法を実施する装置の一態様の概略図、
第２図は第１図の○印で示す攪拌翼先端部の拡大概略図
である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　溶融金属を急冷して固液２相金属の固相率が１０〜５
   ０％となるような半溶融金属とし、固相としての結晶粒
   の平均粒径が１ｍｍ以下となるような攪拌条件で撹拌し
   ながら不活性ガスを吹き込んだ後、冷却凝固させること
   を特徴とする発泡金属の製造方法。