JPH04506835A - 粒子で補強した金属発泡体の製法 - 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】 粒子で補強した金属発泡体の製法及びその生成物本発明は金属発泡体の製法に関 し、さらに詳しくは薄い肉厚の独立気泡をもち粒子で補強された金属発泡体を製 造する方法に関する。

金属発泡体並びにセラミック発泡体およびプラスチック発泡体はそれらの性質と 軽量との独特の組み合わせによりエンジニアリング材料として益々注目されつつ ある。

発泡体を製造するには幾つかの仕方がある。溶融金属に水素化物を入れるとか、 加熱するとガスを発生する有機化合物を添加するといった種々の発泡方法が知ら れている。重合体基材上に金属を蒸着させるか粒体の周りに金属を注形し、次い でこれら重合基材または粒体を抽出して多孔質の金属構造物と残留させることは 綿房（発泡体）構造をもつ金属を造る他の例である。

発泡剤（ブローイング・エイジェント）を使用する発泡体形成方法は実際の溶融 体の表面張力および粘度により影響される。粘度は生成した気泡の体積が徐々に 太き（なる間綿房（気泡）壁が破裂するのを抑え、一方低い表面張力は薄い気泡 壁を造るのに好都合である。

固体中にガスが分散してなる発泡体の性質はそれらの密度で大部分決定されるが 、気泡（綿房）寸法、構造およびそれらの分布状態も性質に影響する重要なパラ メータである。

一般に、このような金属発泡体は溶融金属にガス発生用化合物を添加し、得られ た混合物を加熱してガス発生用化合物を分解して膨張する気泡生成（綿房形成） 用ガスを発生させることにより造られる。発泡用化合物すなわちガス発生用化合 物は通常ＴｉＨ２またはＺｒＨ２のような水素化金属であり、発泡工程後に型を 冷却すれば固化した発泡体が得られる。金属発泡体の全体積に互って発生ガスを 均一に分布させることが困難なために不均一な構造及び／又は望ましくない大き さの気泡（綿房）が得られた。

英国特許第１．２８７．９９４号明細書は不活性ガスからなる増粘剤または溶融 条件でガス状である酸素含有物質からなる増粘剤を加え、こうして生成した粘性 溶融物を発泡剤で処理することからなる金属発泡体の製法を開示している。この 方法では好適には金属合金１００グラム当たり１〜６グラムの量の空気、窒素、 二酸化炭素、アルゴンおよび水が増粘剤として使用される。合金１００グラム当 たり０．５〜１．０グラムの量の水素化金属（水素化ハフニウム、水素化チタン または水素化ジルコニウム）が発泡剤として使用される。

好適には増粘は促進剤金属の存在によりその作用が増進され、例えばアルミニウ ム合金の場合には４〜７重量％のマグネシウムが使用される。良好な混合技法を 必要とし、通常、発泡剤の添加は別の補助容器中での増粘剤の添加温度より低い 温度で行われる。均一な気泡寸法および気泡分布に関してより良好な発泡体が得 られ且つ発泡剤の消費量が幾分減少すると言われる上記特許明細書に開示された 回分式方法はやや複雑な、時間のかかる且つ高価な水素化物からなる熱分解性ガ ス発生用化合物の使用に基づ（幾つかの製造工程および装置を必要とする高価に つく方法である。

ヨーロッパ特許願第０２１０８０３号は粘度調整剤として０．２〜８．０重量％ の金属カルシウムおよび発泡剤として溶融金属の１〜３重量％の量の水素化チタ ンを使用する金属発泡体の同様な回分式製法を開示している。

溶融金属中での熱分解性ガス発生用化合物の分解による金属発泡体の更に他の方 法は米国特許第３．２９７．４３１号明細書に開示されている。この方法での改 善はガス発生用化合物（炭酸塩または水素化物）の分解前微細に分割した粉末を 添加して溶融金属中に緊密に分散させるか、溶融金属中にガスを溶解させること からなる。この安定用粉末は金属でも、非金属でも、元素でも、化合物でもよく 、２種の湿潤性粉末が優先的に使用され、その１つは金属と固体合金を形成する 。通常、ガスは１つの圧力で溶融金属に溶解され、次いでそれより低い第２の圧 力で該金属から放出される。

従来既知のこれらの方法に共通な欠点はそれら方法の何れもが発泡手段として高 価なガス発生剤を使用するかまたは溶解したガスを使用し、また良質な金属発泡 体を得るために増粘剤もしくは安定剤添加物を使用する回分式操作方法であるこ とである。

さらに、先行技術の方法は該方法の工程が異なる毎に温度と圧力条件の厳密な制 御を必要とする。従ってこれまで、他のエンジニアリング材料と競合できる低価 額の金属発泡体を工業規模で経済的に提供する方法はながった。

従って、本発明の目的は良質な発泡体の簡単で低価額な製法を提供するにある。

本発明の他の目的はスクラップ金属材料の品位向上方法を提供するにある。

本発明のさらに他の目的は改善された機械的性質をもつ新規なタイプの粒子で補 強した金属発泡体を提供するにある。

本発明を種々の面について詳細に記載するが、本発明の種々の他の目的、利点お よび付加的な特徴は添付第１図〜第４図に関連して読取られる下記の記載および 特許請求の範囲の記載から一層明瞭となるであろう。

第１図は本発明による金属発泡体の製法をフローシートの形態で概略的に示す図 、 第２図は本発明により調製された金属発泡体のサンプルの実物大の密着印画を示 し７、 第３図はＡ６発泡体の独立気泡構造の光学金属組織図を示し、 第４図は発泡体サンプルについて行った圧縮試験の結果の線図である３、 金属発泡体の製法を概略図式に説明する第１図を参照すると、均一な密度と気泡 構造とをもつ独立気泡型構造の金属発泡体が、粒子で補強した溶融金属母材複合 材料（ＰＭＭＣ）中に単に微細に分散させた発泡用ガスを供給することにより得 られることが判る。溶融金属の粘度を調整する特殊な添加剤や或は溶融金属へ発 泡用ガス泡を分散させるための特殊な注意は必要としない。ガス泡は体積を徐々 に増大させながら溶融金属の表面に上昇して発泡体を形成する。ガスの泡が溶融 金属の表面に到達した時に発泡体の気泡が破裂する傾向はない。このことはガス 泡の表面が（非常に）安定化されていることを示すものである。発泡体ケーキの 上部は固化し容易に取出すことができる。生成し、た発泡体の粘度が高いために 完全に固化してない発泡体さえ気泡構造を変化させることなく取出すことができ る。このことは本発明による方法の極めて重要な特徴であり、この特徴は半固化 発泡体を型に移すことにより本方法を連続的に行うことを可能となす。この段階 で発泡体を成形操作に付することさえ可能であり、それにより得られる金属発泡 体半製品の最終形状についての融通性が与えられる。

例１ アルミニウム共晶合金（Ｓ　Ｌ２Ｍｇ＋Ｎ　ｉｚ　ａ）　３０キログラムを開放 るつぼ中で溶融し、この溶融合金を６５０℃の温度に保ってこれに１２μｍの平 均寸法の炭化珪素粒子を加え、同時に米国特許第４．６１８．４２７号明細書に 開示された特殊な処理ロータにより溶融合金中にＣ０２ガスを細かく分散させた ７、生成した溶融複合体に過剰のＣＯ２を供給中にガスの泡が溶融体の表面に上 昇し始め、。

盛り上がる発泡体層を形成した。該発泡体の上部は固化しても表面が破裂した形 跡はなかったＣ４第２図は発泡体う”−キの固化した上部として取出した発泡体 サンプルの実物大の写真画像４示１゜サンプルの断面は１〜５ｍｍの範囲の直径 をもつ気泡の均一な分布を示している。サンプルの密度は０．２ｇ／ｃｍ３と測 定された。

例２ スクラップＰＭＭＣ材料（Ａ／２０３補強ＡＪ合金）２０キログラムを開放るつ ぼ中で再溶融し、本例ではこれに発泡用ガス源として加圧空気を適用して例１に 記載のように細かく分散させた。

本例の場合にもまた生成したガス泡がるつぼ中の溶融体の表面に到達し、放冷し た時に発泡構造体を生成した。

得られた細孔（気孔）は実質Ｆ球状で独立気泡であり、全方向に対して等方性、 特にエネルギーの吸収に関して全方向に等方性の性質をもつ金属発泡体が得られ た。例１から得られたサンプルの構造の金属組織学的検査により第３図に示すよ うに極めて薄い気泡壁の発泡体構造をもつことが判明した。この金属組織写真（ 倍率２０倍）における気泡壁の厚さは補強用ＳｉＣ粒子寸法程度の約１２μｍで ある。

製造した発泡体の機械的挙動を例１のサンプルについて行った圧縮応力試験から の結果を説明する第４図に示す。２ｍｍＺ分のクロスヘッド速度を使用して２６ ｍｍの初期高さをもつサンプルから得られた平坦な応力／歪み曲線は気泡構造が 完全に崩壊しない限りこのタイプの材料の代表的なものである。この発泡体のエ ネルギー吸収は２　ｋ　ｊ　／　Ｉ発泡体であることが測定され、この値は市販 のＡＩ発泡体について文献に報告された値に比して極めて有利な値である。得ら れた発泡体の改善された機械的性質は気泡壁に導入された補強用粒子からの有益 な影響であることは明らかである。

上述した本発明による金属発泡体の新規な製法は方法の経済性および生成する発 泡体の特性の両者に関して幾つかの利点を提供するものである。

第１に、粒子で補強した金属材料を再溶融するかまたは粒子で補強した溶融金属 材料を連続的に供給し、発泡用ガスとして入手可能な種々のガス、例えば通常低 価格で容易に入手可能なＮ２、Ａｒ５ＣＯ２、Ｈｅおよび加圧空気さえ使用する ことにより本発明方法を連続式操作で実施することができることである。

発泡操作中、温度、圧力またはガス泡の均一な分散および得られた金属発泡体の 固化に対して特殊な要件は必要としない。密度およびある程度気泡寸法も溶融体 中への発泡（綿房形成）用ガスの分散により、好適には上述の特殊な処理ロータ の使用により簡単に制御でき、またガス泡の微細な分散を確保できる他の手段を も使用できる。溶融体の表面に集まった発泡体を所望の形状および寸法に固化さ せるための型に直接供給でき、あるいは半固化発泡体をある程度変形／形直しす ることもできる。

さらに、発泡用ガスを適用する前に活性ガスを使用し且つ補強用粒子を添加して 粒子で補強した溶融合金を別のプロセス工程で造ることが可能であるにしても、 本発明の最大の可能性は低品位複合体スクラップの品位向上である。この量（体 積）が絶えず増大している複合体スクラップは、簡単に再溶融できないし、或は リサイクルされる二次アルミニウムにも混合できないから今日無視できない問題 である。

ＦＩＧ、　２ ＦＩＧ、　３ 圧縮応力（ＭＰａ） 国際調査報告 国際調査報−告

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．粒子で補強した金属発泡体の製法において該製法が、溶融した複合体金属材 料を用意する工程；溶融体中に発泡用ガスを供給する工程；溶融体を発泡させ溶 融体表面上の金属発泡体を集める工程；および最後に得られた金属発泡体を取出 して固化させる工程を包含する連続式方法であることを特徴とする製法。
2. ２．溶融した複合体金属が粒子−金属母材複合体材料を再溶融することにより用 意されることを特徴とする、請求項１記載の製法。
3. ３．複合体材料が容器中で溶融金属または合金中に活性ガスにより補強用粒子を 添加分散させることにより現場で生成されることを特徴とする、請求項１記載の 製法。
4. ４．活性ガスがＣＯ２ガスで、粒子が耐熱性粒子であることを特徴とする、請求 項３記載の製法。
5. ５．溶融した複合体材料がアルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特 徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の製法。
6. ６．発泡用ガスが空気であることを特徴とする、請求項１記載の製法。
7. ７．耐熱性補強用粒子を含み、気泡壁の厚さが１０μｍ〜２０μｍであることを 特徴とする、粒子で補強された独立気泡金属発砲体。
8. ８．母材金属がＳｉＣ粒子で補強されたアルミニウム合金であることを特徴とす る、請求項７記載の粒子で補強された金属発泡体。
9. ９．発泡体が０．２ｇ／ｃｍ３の密度で０．２ｋｇ／ｍｍ２の圧縮強度を示すこ とを特徴とする、請求項８記載の粒子で補強された金属発泡体。