JPH08218103A

JPH08218103A - 金属多孔体の製造方法

Info

Publication number: JPH08218103A
Application number: JP24895495A
Authority: JP
Inventors: Takashi Nishi; 隆西; Akira Kosaka; 晃小阪; Atsushi Funakoshi; 淳船越
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1994-12-12
Filing date: 1995-09-27
Publication date: 1996-08-27

Abstract

(57)【要約】【目的】樹脂の熱成形用・金属の鋳造用金型、フィル
タ、制振材，防音材，断熱材等として有用な金属多孔体
の製造方法を提供する。【構成】金属粉末を加圧成形し、その粉末成形体を熱間
等方加圧処理（ＨＩＰ処理）に付して焼結する。処理温
度は約０．７〜０．９５mpＫ（mpＫは融点，絶対温度
Ｋ）加圧力は約５０〜１２０ＭＰａが適当である。ＨＩ
Ｐ処理の静水圧媒体の加圧力は、粉末成形体の外表面と
内部気孔表面とに作用し、その圧力作用下に焼結反応が
進行する。そのため、粉末成形体は開気孔の分布を損な
うことなく、粒子間結合が強化され、高多孔性と良好な
機械性質を具備する金属多孔体に焼き上げられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金型，フィルタ，
断熱材，防音材，制振材，触媒担体，隔膜材等として有
用な金属多孔質体の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属多孔体は、例えば樹脂の熱成形（射
出成形，ブロー成形等）や金属鋳造（低圧鋳造，ダイキ
ャスト鋳造等）等に使用される金型の構成材料として有
用である。金型の全体ないしその一部に金属多孔体を適
用し、または付属部品として金型内に組み付けて金型の
ガス抜き性や断熱・保温性等を改善することにより、成
形・鋳造操業の効率化、複雑形状を有する製品の成形・
鋳造品質の向上等が可能となる。上記金型をはじめ、フ
ィルタ、断熱材、その他の各種部材に対する金属多孔体
の工学的応用に当たっては、用途・使用態様等に応じて
要求される気孔率・気孔径を備え、かつ機械的性質を満
たすものであることが必要である。このため、金属多孔
体の製造法の工夫として、例えば、所定のサイズに調整
したステンレス鋼等の金属繊維と金属粉末の混合物を原
料とし、これを加圧成形した後、その粉末成形体を真空
もしくは還元性雰囲気中で焼結する方法、粉末成形体の
焼結処理の後、得られた焼結体を窒化処理等に付して強
度や硬さを高める方法、あるいは原料粉末を、低圧力で
の加圧成形とそれより高い圧力での加圧成形との２段加
圧成形に付して粉末成形体を成形した後、所定の雰囲気
中で焼結する方法等、種々の提案がなされている（特開
平3-239509号公報，特開平4-72004 号公報，特開平4-30
8048号公報, 特開平6-33112 号公報等) 。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】原料粉末を加圧成形し
た粉末成形体を、真空もしくは所定組成の雰囲気中で焼
結処理（常圧焼結）する従来の製造法では、金属多孔体
の気孔率や気孔径の制御が困難であり、気孔率・気孔径
の不均一を生じ易い。製品サイズの大型化，形状の複雑
化に伴ってその不具合は増大する。また難成形性・難焼
結性の金属材種では、機械強度の確保も困難である。焼
結体の機械強度は、焼結処理に高温度を適用し、焼結反
応を促進することにより高めることができるが、その反
面において、粒子同士の融着による焼結体の緻密化（気
孔率や気孔径の減少）のために、多孔質体としの機能の
低下を免れない。本発明は、金属多孔体の製造に関する
上記問題を解決することを目的としてなされたものであ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の金属多孔体の製
造方法は、金属粉末を加圧成形し、その粉末成形体を、
熱間等方加圧処理に付して焼結させることを特徴として
いる。

【０００５】

【発明の実施の形態】金属粉末の加圧成形体は、開気孔
（成形体の表面に開口し内部に連通している）に富む多
孔質体である。その熱間等方加圧処理（ＨＩＰ処理）に
おいて、静水圧媒体（Ａｒ，Ｎ₂等の不活性流体）の加
圧力は、粉末成形体の外表面に作用すると同時に、開気
孔を介してその内部にも作用する。すなわち、本発明に
おける粉末成形体の焼結反応は、その外表面と内部とに
対する静水圧媒体の圧力作用のバランスのもとに生起す
る。このため、粉末成形体は、開気孔の分布を損なわれ
ず、多孔質性を保持しながら、焼結反応による粒子間結
合が強化され、高多孔性と良好な機械性質を具備する金
属多孔体に仕上げられる。焼結処理条件の調節により、
閉気孔を圧着消滅させて機械性質がより高められた金属
多孔体を得ることも可能である。

【０００６】なお、金属粉末のＨＩＰ処理は、焼結合金
製品の工業的製法として知られているが、それは真密度
に近い高緻密性を有する製品を目的とするものであり、
そのＨＩＰ処理は、粉末の圧縮緻密化が十分に達成され
るように、原料粉末をカプセルに真空密封して行うのが
通常の形態である。別法として原料粉末を加圧成形した
後、その粉末成形体をＨＩＰ処理する形態が採用される
場合もあるが、その場合も、粉末成形体が十分に圧縮緻
密化されるように、その表面に気密性の被膜（ガラス
膜，真空蒸着膜等）をコーティングし、開気孔を封止し
た状態でＨＩＰ処理を行うようにしている。本発明は、
このような従来のＨＩＰ処理と異なって、粉末成形体の
開気孔の分布を利用し、静水圧媒体圧力を内部に伝達さ
せるという処理形態を採用し、その効果として各種の構
造用部材・機能部材として望まれる改良された多孔質性
と機械強度とを兼備させることを可能にしている。

【０００７】原料粉末の加圧成形は、一軸プレス成形
法，押出成形法，冷間静水圧プレス成形法（ＣＩＰ成形
法）等を適用し常法に従って行われる。ＣＩＰ成形法
は、サイズの大きいもの、形状の複雑なもの等である場
合にも、均質性の高い粉末成形体を成形できる点で好適
である。粉末成形体は、製品多孔体（焼結体）を多孔質
体とするために、約９５％以下の相対密度が与えられ
る。その相対密度は、製品多孔体に要求される気孔分布
特性に応じて、約３０〜９５％と幅広く制御される。粉
末の成形圧力は、粉末の種類によっても異なるが、例え
ば、比較的球形態の良好なアトマイズ粉末を使用し、Ｃ
ＩＰ法を適用する場合は、約５０〜２５０ＭＰａの加圧
力を適用して行うことができる。粉末成形体の相対密度
は、加圧成形に適用される加圧力や、原料粉末の粒度分
布等により制御される。

【０００８】粉末成形体の焼結処理（ＨＩＰ処理）は、
カプセルによる被包や、コーティングを施すことなく、
多孔表面を静水圧媒体に接触させて行われる。そのＨＩ
Ｐ処理温度は、好ましくは約０．７mpＫ〜０．９５mpＫ
（但し，mpＫは粉末成形体の金属の融点，絶対温度Ｋ）
の範囲〔例えば、融点1700Ｋの場合は、0.7 ×1700Ｋ〜
0.95 ×1700Ｋ（＝1190〜1615Ｋ）の範囲〕に調節され
る。処理温度を約０．７mpＫ以上とすることにより、焼
結反応（粒子間結合の強化）を効率よく達成でき、０．
９５mpＫを上限温度とすることにより、粒子の溶融・凝
集とそれに伴う気孔分布特性の低下が回避される。静水
圧媒体の加圧力は、５０〜１２０ＭＰａの範囲とするの
が適当であり、処理時間は、約0.5 〜８Ｈｒである。こ
の粉末成形体のＨＩＰ処理（温度・圧力）条件は、高密
度焼結製品を目的とする通常のＨＩＰ処理（温度約0.8
mpＫ〜0.95mpＫ, 圧力約80〜120 ＭＰａ) とほぼ同じで
あるが、前述のように、粉末成形体の外表面と内部とに
静水圧媒体の加圧力が作用している効果として、このよ
うな高温・高圧力の条件下に、粉末成形体の多孔性を維
持しつつ、粒子結合の強化に必要な焼結反応を首尾よく
達成することができる。

【０００９】金属粉末の材種の選択は任意であり、ステ
ンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４，ＳＵＳ６３０）、工具
鋼（例えばＳＫＤ６１，ＳＫＤ１１）、マルエージング
鋼（例えば１８Ｎｉ系，２０Ｎｉ系）、高速度鋼（例え
ばＳＫＨ５１，ＳＫＨ５５）、非鉄金属（例えば、アル
ミニウムまたはその合金，チタンまたはその合金，銅ま
たはその合金）等が、目的とする金属多孔体の用途や要
求される材料特性等に応じて選択使用される。

【００１０】金属粉末は、その粒度構成として、重量基
準の粒径積算分布曲線（図１参照）における累積頻度５
％の粒径Ｒ₅、同５０％の粒径Ｒ₅₀、および同９５％の
粒径Ｒ₉₅とが、次式: （Ｒ₉₅−Ｒ₅）／Ｒ₅₀ ≦ ２．５ … 〔１〕を満たす粒径分布を有するものが好ましく使用される。
粒径Ｒ₅₀（平均粒径）に対する、粒径Ｒ₉₅と粒径Ｒ₅の
幅（Ｒ₉₅−Ｒ₅）の比「（Ｒ₉₅−Ｒ₅）／Ｒ₅₀」の値が
大きな粒径分布を有する粉末では、粉末充填層内の粒子
間に粗大な空隙を生じ易く、また粒子間の空隙に微細粒
子が侵入することによる空隙の閉塞を生じ易い。前者
は、焼結体内における粗大な気孔の分布を増大させ、後
者は開気孔の分布を減少させ、製品多孔体の多孔質性能
を低下させる。（Ｒ₉₅−Ｒ₅）／Ｒ₅₀の比を、約２．５
以下に調整することは、このような不具合を抑制緩和す
るのに有効であり、より好ましくは、１．５以下であ
る。また、粉末の粒径Ｒ₅₀は、約１０〜１０００μｍの
範囲が適当である。製品多孔体として、気孔径の比較的
小さい開気孔が豊富に分布したもの（金型等に適してい
る）を望む場合は、粒径Ｒ₅₀約１０〜７５μｍ程度の比
較的小径の粉末の使用が有利であり、他方気孔径の大き
い開気孔が豊富に分布したもの（フィルタ等に適してい
る）を望む場合は、粒径Ｒ₅₀約３００〜１０００μｍの
粗粒粉末が有利に使用される。

【００１１】上記粒度構成を有する金属粉末を使用し、
粉末の加圧成形とその粉末成形体のＨＩＰ処理工程を経
て製造される金属多孔体は、気孔率約７〜５０％で，約
５００μｍ以下の気孔径、および次式を満たす気孔径分
布を有している。（Ｄ₉₅−Ｄ₅）／Ｄ₅₀ ≦ ２．５ … 〔２〕〔式中、Ｄ₉₅: 気孔径の積算分布曲線における累積頻度
９５％の気孔径，Ｄ₅:同５％の気孔径，Ｄ₅₀: 同５０
％の気孔径（平均気孔径）〕金属多孔体に付与されるこのような気孔分布特性は、各
種分野における様々な構造部材・機能部材としての金属
多孔体の有用性を高め、例えば、ガス・微粒子の透過
性，断熱性，機械強度等を要求される金型やフィルタ
類、透過性および大きな比表面積を要求される触媒担体
やセンサ類、あるいは高い振動減衰特性を要求される制
振材・防音材等への工学的応用の可能性を高めるもので
ある。

【００１２】

〔原料粉末〕

Ａ: ステンレス鋼（JIS G4303 SUS 310S相当）のアトマ
イズ粉末（C:0.02, Si:1.0, Mn:0.1, Cr:18.3, Ni:10.8,%）Ｂ: 合金工具鋼（JIS G4404 SKD 61相当）のアトマイズ
粉末 (C:0.38, Si:0.9, Mn:0.01, Cr:5.25, Mo:1.20, V:1.0,
%）

【００１３】表１は金属多孔体の製造条件、表２は得ら
れた金属多孔体の諸特性を示している。供試材No.1〜５
は発明例、No.11 は、従来材に相当する比較例である。
表中、「ガス抜き性」欄の数値は、エアを透過させるの
に必要なエア加圧力（Kgf/cm²) を示し、「曲げ強度」
欄は、JIS B1601 の曲げ試験（スパン距離：３０mm）に
より測定された３点曲げ強度（Kgf /mm ²) を示してい
る。発明例の金属多孔質体は、No.1〜3 に示されるよう
に、比較例No.11 に比べ、気孔率, 開気孔率等が高く、
ガス透過性に優れ、しかもその高多孔性と共に、著しく
高い機械強度を備えている。また、発明例No.4は、比較
材No.11 と同等の強度を維持しながら、気孔径, 気孔
率, 開気孔率が大きく、著しく高いガス透過性能を有し
ている。発明例No.5は、金属材種を異にしているが、高
い開気孔率・ガス抜き性と改良された強度を具備し、比
較材No.11 との差異は歴然である。

【００１４】

【表１】

【００１５】

【表２】

【００１６】

【発明の効果】本発明により、金属粉末の加圧成形と、
その粉末成形体を熱間等方加圧処理する簡素な工程を経
て製造される金属多孔体は、改良された多孔質特性と機
械性質を備えており、樹脂成形用金型や金属鋳造用金型
をはじめ、制振部材、断熱部材、吸音部材、触媒担体、
フィルタ、隔膜、その他各種分野における構造部材，機
能部材として、金属多孔質体の工学的応用の拡大・多様
化を可能とするものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】原料粉末の粒径積算分布曲線の説明図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属粉末を加圧成形し、その粉末成形体
を、熱間等方加圧処理に付して焼結させることを特徴と
する金属多孔体の製造方法。
【請求項２】粉末成形体の熱間等方加圧処理を、加圧
力：５０〜１２０MPa 、温度：０．７〜０．９５mpＫ
〔但し、mpＫは粉末金属の融点（絶対温度）〕の条件下
に行うことを特徴とする請求項１に記載の金属多孔体の
製造方法。
【請求項３】金属粉末は、粒子径の積算分布曲線（重
量基準）における累積頻度５％の粒径Ｒ₅，同５０％の
粒径Ｒ₅₀，および同９５％の粒径Ｒ₉₅が、次式: （Ｒ₉₅
−Ｒ₅）／Ｒ₅₀ ≦ ２．５を満たし、粒径Ｒ₅₀は、１
０〜１０００μｍである粒度分布を有することを特徴と
する請求項１または請求項２に記載の金属多孔体の製造
方法。