TW589386B - Method for producing porous metal bodies - Google Patents

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⑽386 A7 五、發明說明（1 ) 技術分野 本發明係有關一種多孔質金屬體之製造方法。 多孔質金屬體及其製造方法係為已知者。例如，美國 專利第5181549號係揭示一種多孔質金屬體的製造方法，其 係藉由於加壓下溶解氫或含氩氣體於熔融金屬中之後，控 制度及壓力，並且冷卻凝固熔融金屬來製造。 但疋’如此的方法，會有諸如下述的實用性上的大問 題·（1)為了得到具有優良特性之多孔質金屬體，必須使用 超高純度金屬作為原料，⑵在原料金屬中含有氧、氮、氫 等雜貝的情況下時，由於其等會殘存在該多孔質金屬體 中，而對多孔質金屬體之特性有害，因而造成多孔質金屬 體之使用領域上受限，⑶由於使用氫或含氫氣體作為被溶 解於溶融金屬中之氣體’其金屬種類限於該等吸收氯而不 會造成特性劣化者。 本發明之揭示内容 、本發明人，有鑑於習知多孔質金屬體製造技術上之上 述問題點，發展研究的結果而發現，利用在金屬原料炫融 前及炫融過程中，將金屬中含有雜質之含有量降低至所定 值以下，而最終可得到高品質之多孔質金屬體。 即本發明係提供下述多孔質金屬體之製造方法。 · 一種多孔質金屬體形成的方*，其係利用下述步驟來 製得： (υ金屬原料的脫氣步驟，其係藉由在密封容器内，且減 壓下，保持金屬在常溫至低於金屬熔點之溫度區域 本紙張尺度· _家標準規格⑵G x 297公髮） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 訂·-

589386 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 k、發明說明（2 ) 中； (2) 在上兄密閉容器内導入氣體，在加壓下熔解該金屬原 料同時溶解該等氣體於熔融金屬中之步驟；以及 (3) 控制上述密閉容器内的氣體壓力以及熔融金屬溫 度’並且在模具内冷卻凝固熔融金屬。 2 ·如上述第1項所記載之多孔質金屬體的製造方法，其中 該金屬選自於一由鐵、銅、錄、始、鎮、欽、絡、嫣、猛、 鉬、鈹及含有至少一種該等金屬之合金所構成群中。 3 ·如上述第1項所記載之多孔質金屬體的製造方法，其 中，其中步驟⑴之減壓條件係在1〇」托耳以下。 • 4 ·如上述第3項所記載之多孔質金屬體的製造方法，其 中’其中該步驟（1)之減壓條件係在1〇」〜1〇·6托耳的範圍内。 5 ·如上述第1項所記載之多孔質金屬體的製造方法，其中 该步驟（1)之金屬材料係維持在一比金屬熔點低5〇_2〇〇c>c的 溫度區域範圍内。 || 6 ·如上述第1項所記載之多孔質金屬體的製造方法，其中 該步驟（2)與步驟（3)所使用之氣體係為氫氣、氮氣、氬中至 少一者。 7 ·如上述第1項所記載之多孔質金屬體的製造方法，其中 該步驟（2)的加壓條件係在為在〇1_1〇 MPa的範圍内。 8 ·如上述第1項所記載之多孔質金屬體的製造方法，其中 該步驟（2)的加壓條件係在為在〇·2-2·5 MPa的範圍内。 9 ·如上述第1項所記載之多孔質金屬體的製造方法，其中 • 在該步驟（3)中，將源自於密封容器的熔融金屬裝入一設有 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------!!-裝 — II 訂·II---I--線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 589386 A7 B7 五、發明說明（3 ) "'— 冷卻裝置之模具。 1〇·如上述第1項所記載之多孔質金屬體的製造方法，其中 在該步驟⑶中，以連續轉造方式進行溶融金屬的冷卻凝 固。 圖式簡要說明 第1圖係為一流程圖，其顯示本發明之多孔質金屬體制 造過程之概要。 & 第2圖係為鐵·氮之相變化的狀態圖。 第3圖係為一概念圖，其係顯示在溶解氣體之熔融金屬 的冷卻凝固過程中固相與液相之氣體溶解特性。 第4圖係為一狀態圖，其詳細顯示在純鐵（99卯％)之熔 點上下純鐵之氮氣溶解量。 第5圖係為顯示在不同分壓之氮·氬混合氣體之加壓下 熔解純鐵（99.99%)並將之鑄造情況下所獲致多孔質鐵材料 中之多孔率與氮/氬分壓比之關係圖。 第6圖係為顯示在不同分壓之氮一氬混合氣體之加壓 下熔解純鐵（99.99%)並將之鑄造情況下所獲致多孔質鐵材 料中之多孔率與氮分壓之關係圖。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第7圖係為顯示在不同分壓之氮一氬混合氣體之加壓 下熔解純鐵（99.99%)並將之鑄造情況下所獲致多孔質鐵材 料中之氮含有量與氮分壓之關係圖。 第8圖係為一斷面圖，其係顯示本發明所使用之多孔質 金屬體製造裝置之概要。 第9圖係為顯示一底部設有冷卻機構之模具概要圖面。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（210 X 297公釐） A7 五

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 __B7發明說明（4 ) 第10圖係為顯示_內I 貝不内表面部設有冷卻機構之圓筒形模 具概要圖面。 士第11圖係為一斷面圖，係顯示用以進行本發明之連續 禱造方式之多孔質金屬體的製造裝置之概要。 第12圖其係顯示利用連續鑄造方式製造棒或長板狀多 孔質金屬體的裝置之概要。 第13圖其係顯示利用連續鱗造方式製造棒或長板狀 多孔質金屬體的裝置之概要。 第14(a)至（h)係為利用本發明之方法製造得到的之各 種形態的多孔質金屬形料切除部分之斜面圖。 第15圖係為在氮-氬混合氣體所造成之0.8MPa加壓下 在1250 C炫解而得到之四種多孔質銅材料之多孔率與氣體 分壓比之圖。 第16圖係為在氮—氬混合氣體所造成之0.8MPa加壓下 在1250 C溶解而得到之四種多孔質銅材料之多孔分佈狀態 的電子化處理影像（相當於光學顯微鏡照片）。 第17圖其係顯示具有對應於第14(c)圖之形狀的圓柱 型多孔質銅材料縱斷面的電子化處理影像（對應於12.5倍 光學顯微鏡照片）。 第18圖係為在氮·氦混合氣體所造成之1.5MPa加壓下 在1650°C炫解而得到之多孔質普通鋼材料之多孔率與氣體 分壓比之圖。 第19圖係為顯示在變化氣體分壓比下之四種氮•氦混 合氣體之加壓下且在165〇°c熔解而得到之四種多孔質普通 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） I---I--— — — — — — i — — — — — — ^'1 —--— I — ΓΫ先閱tt背面之注意事項再填寫本頁} 5的386 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 -------B7 ______ 五、發明說明（5 ) 鋼材料的氣孔分佈狀態之電子化處理影像（相當於光學顯 微鏡照片）。 第20圖係為在氮·氦混合氣體所造成之〇.8MPa加壓下 在1600°C下熔解而得到之多孔質鎳材料（氣孔率17%)之氣 孔分佈狀態之電子化處理影像（相當於光學顯微鏡照片）。 第21圖係為在氫-氬混合氣體所造成之〇 9MPa加壓下 在1250°C下溶解而得到之圓筒形多孔質銅材料的電子化處 理影像（相當於光學顯微鏡照片）。 第22圖係為顯示在第21圖之圓筒形多孔質銅材料厚度 方向之氣孔形狀的斷面電子化處理影像（相當於光學顯微 鏡照片）。 第23圖係為顯示在第21圖之圓筒形多孔質銅材料的表 面狀態的斷面電子化處理影像（相當於光學顯微鏡照片）。 第24圖係為在氫-氬混合氣體所造成之〇 5MPa加壓下 在1250°C下熔解而得到之圓筒形多孔質銅材料的電子化處 理影像（相當於光學顯微鏡照片）。 第25圖係為顯示在第24圖之圓筒形多孔質銅材料厚度 方向之氣孔形狀的斷面電子化處理影像（相當於光學顯微 鏡照片）。 第26圖係為顯示在第24圖之圓筒形多孔質銅材料的表 面狀態的斷面電子化處理影像（相當於光學顯微鏡照片）。 第27圖係為在氫-氬混合氣體所造成之0·8MPa加壓下 在1250°C下熔解而得到之圓筒形多孔質銅材料）直徑約 100mm)橫斷面的電子化處理影像（相當於光學顯微鏡照 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21G X 297公釐) ~ ~~ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 訂i

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A7 B7 五、發明說明（6 ) 片）。 發明的具體形態 本發明係如第1圖所示者，首先，為多孔質體之製造原 料金屬係收納於密閉構造中，利用在減壓下保持金屬在常 溫至低於金屬溶點之溫度下，來進行金屬原料之脫氣作用 (步驟（1))。 而後，作完脫氣處理之金屬材料在所定氣體之氣體加 壓下加熱，使之熔融同時在熔融金屬中溶解氣體（步驟（2))。 而後’對應於原料金屬與加壓氣體之種類，控制密閉 容器内的氣體壓力與溶融金屬溫度，並冷卻凝固該溶融金 屬’因而形成所希望之多孔質金屬體（步驟（3))。 金屬原料可使用鐵、銅、鎳、始、鎮、銘、鈦、鉻、 鎢、錳、鉬、鈹及含有至少一種該等金屬之合金。 在密閉容器内收容適當組合二種以上的單體金屬之原 料金屬進行脫氣處理亦是可行的。或者，該金屬原料亦可 至少一種單體金屬與至少一種合金之併用或者是二種以上 的合金之併用。在此等情況下，如後述的熔融過程來形成 合金，最終因而得到多孔質合金材料。 步驟（1)之減壓條件係依原料金屬中之種類、在原料金 屬中所含有欲被去除之雜質成份（氧、氮、氫）等不同而不 同，一般係在10.1托耳，較佳是在1〇.ljL1〇.5托耳下。在減壓 不足的情況下，殘存雜質成份會有害於該多孔質金屬體之

Mg m _等n方面’過度進行減壓的 情況下，雖對多孔質金屬體之性能有若干的改善，但裝置 -----------β---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製

589386 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（7 ; 之‘ie成本與運轉成分皆會增大，而非較佳的。 在步驟（1)之金屬原料保持溫度，係為常溫至低於金屬 原料熔點的溫度（二種以上的金屬併用時則低於最低熔點 之溫度），較佳是比熔點低50_21)0。(：的程度。脫氣係在常溫 下在岔閉容器内裝入金屬原料，而後再升溫，此是在操作 上較容易者。為了增高脫氣的效果，步驟（2)開始前先置於 一低於融熔溫度但為儘可能地高溫是較佳的。步驟（1)之金 屬原料係先保持在高溫的情況下，可縮短後述金屬熔融所 需要的時間。 步驟（1)之金屬保持時間係對應於金屬中含有之雜質 種類與量以及所要求之脫氣程而適當地選定。 完成脫氣處理的金屬原料，而後，在步驟（2)中於加壓 下熔融。加壓用的氣體係可使用氫氣、氮氣、氬以及氦中 至少一種。 若特別重視安全性時，加壓用氣體較佳係為使用氮 氣、氬氣與氦氣中至少一種。又，為了能相當正確地控制 多孔質金屬體之孔洞大小與氣孔率，較佳是使用氮_氬混合 物、氮-氦混合物或氮-氬-氦混合物。 在步驟（2)中，加壓條件下，氣體之一部份會溶解於溶 融金屬中。如第2圖所顯示之金屬-氣體系狀態圖式所示 者，在熔融金屬中，較佳的是，溶解一含有在所定之加壓 條件下的共晶點C3形成量之一定範圍量的氣體。熔融金屬 中的氣體溶解量，係可考慮金屬種類、氣體種類以及氣體 壓力、所欲之多孔質金屬體的孔構造等，而決定出者。 ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 10· 請 先 閱 讀 背 面 之 注

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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（8 ) 步驟（2)之加壓條件，仫祖 禾1千係對應於金屬種類、最終欲得至 之多孔質金屬體中之孔形狀、孔經、氣孔率等而決定出者 一般係在O.WOMPa的程度下。較佳是HD购的程度 下。 加壓用氣體，只要不會有害於最終到之多孔質金屬體 之特性，可由上述氣體所構成群中選出；而金屬與氣體之 門係有k佳的組合。該等較佳的组合，舉例來說，係為， 幻如鐵-氮/氬（氮/氬係意指氮與氬之混合氣體；以下相 同）鐵氮/氮鐵系合金（工業用純鐵、普通鋼、不鏽鋼）· 氮/氮鐵系σ金（工業用純鐵、普通鋼、不鏽鋼卜氣/氛、 銅-氬、銅-氫、銅_/氬、鎳-氮/氬等。 、、’呈心解氣體之熔融金屬而後被送至步驟（3)來冷卻凝 固如第3圖之杈式所示者，金屬中之氣體溶解量，在熔點 上下會有顯著的不同。即，熔融狀態金屬雖可溶解多量的 乳體，而伴隨著溫度的降低開始凝固，氣體的溶解量會急 速地減少。因此，熔融金屬之溫度與其周圍氣體壓力適當 地控制且以一定方向凝固熔融金屬，而可在固相/液相界面 附近之固相部分，生成因液相部分之過飽和溶解氣體所析 出之氣泡。如此的氣體氣泡，由於金屬之凝固而同時成長， 在固相部分上，會形成多個氣孔。該步驟（3)，以下述詳述 的方式，利用控制熔融金屬之冷卻速度或凝固速度，且適 S進行凝固周圍氣壓氣體之組成（氮氣/不活性氣體之混合 物）與壓力調整（壓力增大、等壓維以或壓力減少）等，因而 得到經任意控制之氣孔形狀、孔徑、氣孔等的多孔質金屬 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21G x 297公髮） -11 - — — — — — — — — — — — — — ^ i — — — — — — — — — — — — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

五、發明說明（9 ) 體。 第4圖係詳細顯示保持在氮/氬混合氣體造成之2.3 MPa之加壓下的純鐵（99.99%)中的氮溶解量之變化圖（左縱 軸係為液相中的濃度，而右縱軸係為固相中的濃度）。 由第4圖明顯知曉，由純鐵熔融至凝固之過程中，液體 鐵與固體鐵之氮溶解度係為急速地不規則變化。又，固體 鐵中，溫度降低同時會引起依次由δ相經過^相而向“相 的同元素的相變化，因而變化該氮溶解量。利用如此的氮 溶解度差異，而可利用在y相中析出的氮氣在固體鐵中形 成氣孔。此現象在使用氮-不活性氣體混合物、氫_氮混合 物、氫-不活性氣體混合物、氫-氮·不活性氣體混合物等來 取代加壓氣體氮氣的情況下，亦相同樣的表現，而可得到 同樣之多孔質金屬鐵材料。又，金屬種類若使用諸如鐵及 其合金、銅及其合金、鎳及其合金以及上述固種金屬或其 等合金的情況下，亦會生成同樣的現象，利用同樣的手法 亦可製造出各種金屬多孔質體。 再者，一般而言，在一定壓力下製造多孔質金屬體時， 金屬-氣體系中之氣體原子濃度與氣孔生成狀態（氣孔分 佈、氣孔徑等）之間被認為有一定的相關性。因此，在圓筒 形狀的模具中，熔解金屬（金屬_氣體系）由圓周方向冷卻， 且會觀察到所得到之圓筒形金屬體之斷面。此時，若進行 適當地冷卻，任何位置的斷面皆得到約相同的結果。 首先，如第2圖所示者，氣體原子濃度Ci係比共晶組成 C3為相當低的情況下’由溫度lsTe之冷卻過程中，由模 B7 五、發明說明（10 ) 具内面朝向中心部方向，形成一定厚度之無氣孔的金屬固 相部分後，再於由溫度Te至低溫的冷卻過程中，中心部領 域形成多孔質金屬相（參見斷面C!)。 氣體原子C2係在共晶組成⑽匕之間的情況下，由溫 度丁奶之冷卻過程中’由模具内面朝向中心部方向，形 成相當狹小幅度之無氣孔的金屬固相部分後，再於由溫度

(請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) τΕ至低溫的冷卻過程中，相當廣範中心部領域形成多孔質 金屬相（參見斷面c2)。 、 金屬-氣體係具有共晶組成Cs的情況下，在溫度丁^下金 屬開始凝固，同時形成有氣孔，而不會形成有無氣孔金屬 固相部份。因此，孔徑是相當一致的（參見斷面c3)。

氣體原子C4係在共晶組成C3為高的情況下，由溫度丁4 至Te之冷卻過程中，會在液相中形成大的氣孔，在溫度h 下金屬開始凝固。在由溫度Te至相當低溫的冷卻過程中， 形成相當小的氣孔。因此，形成了含有大小不同之氣孔的 多孔質金屬相，而不會形成有無氣孔金屬固相部（參見斷面 C4)。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第5圖係為在氮-氬混合氣體之加壓下製造出之多孔質 純鐵（99.99%)的氣孔率變化之一例圖式。由第5圖明顯可 知，在氬氣體壓力一定的情況下，氮氣壓增大同時會增加 多孔質體中之氣孔率。相反地，在氮氣體壓力一定的情況 下’氬氣壓增大同時會降低多孔質體中之氣孔率。因此， 如三條虛線所示者，多孔質體之氣孔率係會依混合氣體全 體之氣體壓力的增大而同時會有增加的傾向。 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 A7 11 五、發明說明（ 第6圖係為氮-氬混合氣體之定壓加壓下製造 之夕孔貝純鐵（99.99%)之氣孔率變化中一例圖式。由第6 圖:顯可知，定壓條件下，氮分塵增大，同時就會增加多 孔貝體中之氣孔率。綜合第5與6圖顯知，氮氣是顯著地有 助於夕孔質金屬體中氣孔率的增加。再者，使用氮·氦混合 氣體來取代氮·氬混合氣體的情況下，亦是有同樣的結果。 由第5與6圖所示的結果顯知，利用調整加壓氣壓之氣 體組成，可控制得到多孔質金屬體之氣孔率。 4 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ,第7圖為顯不在氮-氬混合氣體之定壓加壓（2·iMPa)下 製造出之多孔質純鐵（99·99%)中氮含有量。氮分壓上升同 了就曰立曰同多孔質體中之氮含有量，氮分壓約1Mpa的情況 下飽和又，得到的多孔質純鐵中，所見到的氮含有量高， 但大部份係濃縮含在氣孔表面十分薄的表層部分，而純鐵 内谷不過疋分散有微量α相之FeW。即，得到多孔質體， 就如同含氣孔表面之全部表面係被氮化處理過的樣子，而 被顯著地改善硬度。如此的多孔質金屬體全體不管是否含 有多s的氮，其内部不會存在有微量之特殊性狀，推 測其乃是利用伴隨著液相向固相（(5相、r相、“相）轉移 之氮溶解量微妙的變化所得到的。 又，本發明所得到之多孔質金屬體，在其它的各種特 性（強度、轫性、切削性、加工性、熔接性、振重衰減性、 音響衰減性、高比表面積等）下是十分優異。例如，本發明 之多孔質金屬材料，與原料金屬相比，比強度（強度/重量） 係改良20-30%程度，而維克斯硬度係改進約3倍的程度。 本紙張尺度適用中_家標準（CNS)A4規格（21G x 297公楚 A7 五、發明說明（12 ) 又，本發明所得到的鐵系多孔質金屬體而後利用淬火 處理’々而與淬火前相較，其維克斯硬度係改進約2倍的程度。 第8圖係為顯示本發明所使用之多孔質金屬體製造裝 置一例的斷面圖。 第8圖所顯示的裝置在其上方配置有為為其主要構成 要件之金屬原料加熱熔解部1與熔解金屬冷卻凝固部2。 4·. 金屬原料加熱熔解部丨係設有金屬熔解槽4、誘導加熱 線圈7、封$器8、脫氣路徑”、氣體導入管9以及排出管⑽。 在步驟（1)，熔解槽4内收納有金屬原料後，將封閉器8配置 於閉鎖位置，溶解槽4在密閉狀態後，利用真空泵（圖式未 ”、、頁示）來驅動而由脫氣管路31抽取出溶解槽4内的氣體， 以達成所定的減壓狀態。而後，誘導加熱線圈通電，在減 壓的條件下，依所定的加熱模式加熱金屬原料。利用在減 壓下的加熱處理，金屬原料中之氧、氮等雜質成份會大幅

地減少。其結果為大幅降低最終得到之多孔質金屬體中氣 體含有量。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 而後，在熔解槽4之上部空間儿導入源自於氣體供給管 路9之氣體’並且將由金屬原料放出的雜質成分氣體係自氣 體排出管10清除到熔解槽外。 在步驟（2)中，在關閉氣體排出管路1〇下，將源自於氣 體供給管路9之所定的氣體導入熔解槽上部空間3-b内。昇 壓至熔解槽4達到所定的壓力同時或者在昇壓後，利用將電 子誘導線圈通電，而使金屬熔解。步驟（2)之加壓用氣體與 步驟（1)之清除用氣體，可為同一氣體，亦可為不同氣體。 本紙張尺度_巾關家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱) ~ 589386 A7 五、發明說明（13 ) 由氣體供給裝置簡化且氣體供給操作容易等點觀之，組成 係為同一較佳的。利用該加壓條件下的金屬熔融，如第3 與4圖所示者，多量的氣體係溶解於金屬中。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 而後，取出該封閉器8,經由熔解金屬的注入口丨}，而 將溶解有氣體之熔融金屬3_a裝入配置於熔解金屬卻冷凝 固部2底部之模具5，而使之形成多孔質金屬體。先將熔融 金屬裝入，再將源自於氣體供給管路12之所定氣體導入熔 解金屬冷卻凝固部，並在其中保持在所定的壓力。熔解金 屬冷卻凝固部2内之氣體壓力，係利用適當控制氣體供給管 路12與管體排出管13的開關，而可輕易地控制。另一方面， 裝入具有冷卻機構6内之熔融金屬的冷卻速度之控制，是利 用諸如水之冷媒（一般係使用水，以下以水咮記載之）由導 入官路14供給之並由冷卻水排出管路15所排出之冷卻水量 來進行的。 如上所述，控制熔解金屬冷卻器凝固部之氣壓，裝入 模具5内的熔融金屬由冷卻機構6下部冷卻，在上方液相與 下方固相之間的界面附近，會成生由被溶解於液相部分中 的氣體所造成的多個氣泡，此等氣泡會在固相中生成氣 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 孔。如此結果為得到一種具有預定氣孔形狀、氣孔率等多 孔質金屬材料。 第9圖係為顯示第8圖裝置中所使用的模具5以及其冷 卻機構6之一例的概要圖。在該實施態樣下，冷卻機構6使 用作為模具5底部。在此情況下，而由用以與熔融金屬3 _ a 相接之冷卻機構6的底部供給冷卻水，熔融金屬急速冷卻。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱) --- 娜386 五、發明說明（14 ) 第6圖係顯示熔融金屬在冷卻過程中正在形成垂直方向之 氣孔的狀態，最後伴隨著金屬的凝固，而可形成一種具有 由下而向上縱向延伸的氣孔之多孔質金屬體3。 第10圖係為顯示第8圖裝置中所使用的模具5以及其冷 卻機構6之另一例的概要圖。在該實施態樣下，模具5之中 央部分配置有冷卻機構6，在該模具與冷卻機構之間圓筒狀 , 空間中裝入熔融金屬3_a。第1〇圖係顯示熔融金屬在冷卻過 程中正在形成橫方向之氣孔的狀態，最終形成一種具有由 圓筒體之内側而向外側橫向延伸之氣孔的多孔質金屬體3。 第11圖係以模式方式顯示一種連續鑄造方式製造之多 孔質金屬體製造裝置之一例。 第11圖所顯示的裝置中，金屬原料加熱熔解部1與金屬 保持部2係呈上下方向配置，在熔解金屬保持部2的橫方向 上接連有連續_造裝置。金屬原料加熱溶解部1之金屬原料 脫氣以及熔解係使用相同於第8圖顯示的裝置來進行。 | 而後，取出該封閉器8，經由熔解金屬的注入口丨丨，而 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 將溶解有氣體之熔融金屬3-a裝入一被配置於熔解金屬卻 冷凝保持部2 2底部的溶湯保容器19，而使之形成多孔質金 屬體。先將熔融金屬裝入熔湯保容器19，利用真空（圖式未 顯示）驅動，而自脫氣管路31抽取氣體，使熔解金屬冷卻凝 固部22内呈減壓狀態後，由氣體供給管路17導入所定氣 體，並在其中保持在所定的壓力。溶解金屬冷卻凝固部 内之氣體壓力，係利用適當控制氣體供給管路17與管體排 出管18的開關，而可輕易地控制。注入於熔湯保容器19中 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） 卿386 A7 ----— ___ 五、發明說明（15 ) 的㈣金屬，利用加熱器而保持在所定的溫度下。 注入時，、經過由氣體注入管16所送給之氣體加壓之炼 融金屬加入模具21中，連續鑄造，最終形成長型的多孔質 金屬體。溶融金屬凝固過程中液相/固相界面之氣體舉動、 金屬體氣孔形狀態等皆與第8圖裝置所示顯者大致相同。連 續製造裝置之主要構成元件係為利用冷卻機構25包圍模具 21之部份（此部份係形成液相/固相界面）、若有必要可設有 補助冷卻機構26、接合於經凝固之多孔質金屬體前端之引 導軸27、滾筒28等。為了要防止高溫多孔質金屬體之氧化 以及保護冷卻機構，該連續鑄造裝置係被設於密閉構造體 30内。為了可調整密閉構造體3〇内的不活性氣體壓力，其 設有氣密環29、不活性氣體注入管路23及不活性氣體排出 官路24。在第11圖中，為用以向左移動之引導軸27所引導 之多孔質金屬體的前端，若到達該氣密環29之設置點時， 氣密壞29係以多孔質金屬體之外周面密著的樣子而向内側 移動。其後，引導軸27取出到密閉構造體3〇外，而後多孔 質金屬體依序被取出至密閉構造體外。因而可得到長條 狀多孔質金屬體。 第12圖係為製造長型之多孔質金屬體的連續鑄造裝置 之其它例子的概略圖。在第12圖中，有關於金屬原料之脫 氣以及炫融之機械構件係省略。在此裝置中，在凝固過程， 由於冷卻機構26之形狀與位置、冷卻速度、氣體壓力等影 響’金屬之液相/固相界面係相對於金屬進行方向呈傾斜形 成的’因而得到具有如圖所示之斜方向之孔的多孔質金屬 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公餐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -l· % 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -18 - 589386

A7 五、發明說明（16 ) 體。多孔質金屬體的形狀，對應於模具内部形狀，而可為 圓柱狀、線狀、平板狀、角錐形狀等任意形狀。 第13圖係為一種用於製造棒狀乃至線狀多孔質金屬體 之連續鑄造裝置之其它例子的概略圖。第13圖亦為有關於 金屬原料之脫氣以及熔融之機械構件係省略。在此裝置 中，在凝固過程，調整冷卻機構26之構造與位置、冷卻速 度、氣體壓力等，金屬之液相/固相界面係相對於金屬進行 方向作控制，因而製造出具有如圖所示形態之孔的多孔質 金屬體。 第14(a)-(h)圖係顯示利連續缚造之本發明方法製得之 多孔質金屬體一部分切除的模式斜面圖。例如，（a)所顯示 之多孔質金屬體係為一具有相當於第2圖斷面之圓柱形 狀的金屬體，其係在沿著圓柱一端至他端之橫斷面方向的 金屬中液相/固相界面以一定移動速度來移動的情況下所 製得者。（b)所顯示之圓柱狀多孔質金屬體係為一具有相當 於第2圖C3斷面之圓柱形狀的金屬體，其係沿著在圓柱一端 至他端之橫斷面方向上之金屬中液相/固相界面間歇性地 變化移動速度之情況下所製得者。（c)所顯示之圓柱狀多孔 質金屬體係為一具有相當於第2圖C3斷面之圓柱形狀的金 屬體，其係沿著在圓柱一端至他端之橫斷面方向上，金屬 中的液相/固相界面係為一定移動速度移動同時間歇性地 變化氣體壓力之情況下所製得者。（d)所顯示之圓柱狀多孔 質金屬體係為一具有相當於第2圖c3斷面之圓柱形狀的金 屬體’其係沿著在圓柱一端至他端之橫斷面方向上金屬中 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） -19- ^--------^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 589386 A7 __B7 五、發明說明（17 ; 的液相/固相界面之移動速度與氣體麼力皆間歇性地變化 之清況下所製得者。⑹所顯示之圓柱狀多孔質金屬體係如 第10圖所示，在模具的中心部配置有冷卻機構6,而由圓筒 中心部向周緣部之橫斷面方向上移動金屬中之液相/固相 界面之情況下所製得者。⑴所顯示之圓柱狀多孔質，在模 具的周圍配置有冷卻機構，而由圓筒周緣部向中心部之橫 7面方向上等速移動金屬中之液相/固相界面之情況下所 製得者。在此情況下，利用初期進行急速冷卻，形成不存 在有氣孔的周環部。⑷所顯示之圓柱狀多孔質，係利用第 11圖的方式而製造的。又，⑻所顯之斷面長方形多孔質金 屬體係使用具有長方形内部之模具，而利用第聞之手法 製造而得者。 ' 產業上利用的可能性 依據本發明，利用簡單的設置與容易的方法，即可製 造出經控制氣孔形狀、尺寸、氣孔率等的多孔質金屬材料。 依據本發明，可製造出任意形狀之多孔質金屬材料。 利用連續鑄造法來實施本發明的情況下，可製得大型 且長型的多孔質金屬材料。 依據本發明’相較於原料金屬，係可顯著降低所得到 之多孔質金屬體中雜質成分含有量。例如，氧含有量係可 被減少至1/20以下，氮含有量係可被減少至1/6以下。 本發明在使用鐵或鐵合金作為金屬原料且使用氮作為 加壓氣體之情況下’會在含有氣孔内部之全部表面上形成 有氮化相，而顯著地改進硬度。 -20- 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐 + I明所得到多孔質金 量)高、在切削性、炫接性金等屬 又，本發明之多孔質金屬 '" 填充或支撑其它材料，而可形成—種::用在其氣孔部； 複合材料。如此複合 :軍出特殊性能之朝 屬：取代習知之蜂巢體標體而作為 :金 虱處理用觸媒、脫臭用觸媒㈣(几車寺排 在本發明中，使用氣、& — 氣體的情況下，可顯著地增:操:: = =體作為加壓 二發= ^ 為氣吸收材料、防振材料、衝擊吸領::：來說可 料、各種構造物中之零件波遮敝材 嫱望W μ时 用材科（〉飞車、船舶、飛 丨擎零件、火箭與噴㈣擎陶究巧求一 :宇宙機器用輕f面板、工作機械零件等）、醫療器具用 、料（例如’移植膜材等）、熱交換材料、消音材料’、、氣液 分離用材料、輕質材料、水與氣體純化用過遽器、具自身 潤滑性之軸承材料、氣液反應中氣體吹入材料等。本發明 之多孔質金屬體並不限於上述用途’亦可應用於其 用途上。 、 H 實施本發明之最佳態樣 以下例不說明本發明之最佳樣態（實施例），其更進一 步明示本發明之特徵。本發明，並不限於下述的實施例， 不用說的是，本發明範圍是可能有各種的修正、變化與變 589386 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（19) 更。 實施例1 使用第8圖所顯示的裝置來製造多孔質銅材料。 即，銅原料（純度99.99%)在5xl0·2托耳、125CTC條件下 保持0.1小時後’利用以下詳述之加壓氣體氣壓下於1250。〇 下溶融0.5小時。而後，在同一加壓條件下，將溶解有氣體 之熔融銅注入圓筒狀之模具（高l〇〇mmx内徑3〇mm)，利用設 在模具低部的水冷卻機構，而由下方向上方凝固，因而得 到第14(c)圖所顯示之構造的多孔質銅圓筒體。 木加壓氣壓氣體（表壓） (a) 0.2MPa H2+O.6 MPa Ar (b) 0.4MPa H2+O.4 MPa Ar (c) 0.6MPa H2+O.2 MPa Ar (c)0.8MPa H2 所得到之4種多孔銅圓筒體（a)〜(d)之氣孔率係顯示於 第15圖。由第15圖所的結果可知，在等壓加壓件下，增高 氫之分壓就同時會增大氣孔率。 第16(a)〜(d)圖係分別為上述四種多孔質銅圓筒體 (a)〜(d)之橫斷面的電子化處理影像（相當於光學顯微鏡照 片）。其顯示利用调整氫/氫分壓比，可變化孔徑之大小。 第17圖係為上述得到之多孔質銅圓筒體〇)之垂直斷 面之一部份的電子化處理影像（相當於光學顯微鏡照片）。 其明顯可知垂直方向規則地形成整列排列長型孔。 銅原料，相對於含有氧約157ppm與含有氮約13ppm 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） -22- —· «—«1 i-i I i__i ϋ ϋ 1¾ · MBIM Μ·· MB W < (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) %

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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（20 ) 者，銅多孔質體中之氧與氮含有量係分別減少成為汁口以與 2ppm 〇 實施例2 使用第8圖所顯示的裝置來製造多孔質鐵材料。 即，鐵原料（純度99.99%)在5xlO·2耗耳、⑽代條件下 保持ο·ι小時後，利用以下詳述之加壓氣體氣壓下於165〇t 下熔融0.5小時。而後，在同一加壓條件下，將溶解有氣體 之熔融鐵注入圓筒狀之模具（高l〇〇mmx内徑3〇mm)，利用設 在模具低部的水冷卻機構，而由下方向上方凝固，因而得 到第14(a)圖所顯示之構造的多孔質鐵圓筒體。 氺加壓氣壓氣體（表壓） (a) 0.3MPa N2+I.2 MPa He (b) l.〇MPa N2+l.〇MPa He (c) l.〇MPa N2+1.5MPa He (c)1.5MPa N2+〇.5MPa He 所得到之4種多孔銅圓筒體（a)〜(d)之氣孔率係顯示於 第18圖。由第18圖所的結果可知，在等壓加壓件下，調整 氮與氦分壓可控制氣孔率。 第19(a)〜(d)圖係分別為上述四種多孔質鐵圓筒體 (a)〜(d)之杈斷面的電子化處理影像（相當於光學顯微鏡照 片）°其顯示利用調整氬/氫分壓比，可變化孔徑之大小。 又’所到到的多孔質純鐵材料在1〇〇〇它下加熱後，投 入水中進行淬火，其維克斯硬度增高至2.5〜3倍。 實施例3 Μ--------^---------^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -23- 589386 A7 B7 五、發明說明（21 ) 使用第8圖所概要顯示的裝置來製造多孔質鎳材料。 即，鎳原料（純度99.99%)在5xl〇·2托耳、1600°C條件下 保持0.1小時後，利用加壓氣體氣壓下（〇 6Mpa n2+〇.2 MPa Ar)於1600°C下熔融〇·5小時。而後，在同一加壓條件下，將 溶解有氣體之熔融鐵注入圓筒狀之模具（高1〇〇mmx内徑 30mm)，利用設在模具低部的水冷卻機構，而由下方向上 方凝固’因而得到第14(a)圖所顯示之構造的多孔質鎳圓筒 體。 第20圖係顯示所得到多孔質鎳圓筒體橫斷面之一部分 電子化處理影像。 實施例4 使用第8圖所概要顯示的裝置與第1 〇圖概要顯示之模 具，在製造多孔質銅圓柱體（高100mmx直徑3〇mm)後，將之 加工，而得到多孔質圓筒體。 即，同原料（純度99.99%)在5xl0·2托耳、125(TC條件下 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 保持0.1小時後，利用加壓氣體氣壓下（〇.3Mpa h2+〇.6 MPa Ar)於1250°C下熔融〇·5小時。而後，在同一加壓條件下，將 溶解有氣體之熔融銅注入圓筒狀之模具（高1〇〇mmx内徑 30mm)，利用由下方向上向凝固方式，而製造多孔質銅柱 體。而後該圓柱體利線切割器加工，而得到如第21圖所示 之外徑20mm X厚lmm形狀的多孔質銅圓筒體。 第22圖係顯示得到多孔質銅圓筒體之水平斷面一部分 的電子處理影像（相當於顯微鏡照片）。由此影像明顯可 知，形成有由筒體内面向外圓緣延伸的氣孔。 本紙張尺度適用中國國家標準（chs)A4規格（2W χ 297公楚） —:·24·_--- 589386

A7 B7 五、發明說明（22 ) 第23圖係為第22圖之多孔銅圓筒體外表面之一部分的 電子化處理影像（相當於顯微鏡照片）。由此影像明顯可 知’形成有經由筒體内面而至外圓的多個氣孔。 實施例5 使用第8圖所概要顯示的裝置與第10圖概要顯示之模 具’在製造多孔質銅圓柱體（高100mmx直徑3〇mm)後，將之 加工，而得到多孔質圓筒體。 即，銅原料（純度99.99%)在5110.2托耳、1250。(：條件下 保持0.1小時後，利用加壓氣體氣壓下（〇 3MPa h2+〇.2 MPa Ar)於1250°C下熔融〇·5小時。而後，在同一加壓條件下，將 溶解有氣體之熔融銅注入圓筒狀之模具，利用由底部冷凝 而朝向圓柱體鑄造方向凝固，而製造多孔質銅柱體。而後 該圓柱體利線切割器加工，而得到如第24圖所示之外徑 22mm X厚1mm形狀的多孔質銅圓筒體。 所得到的多孔質銅圓筒體縱以肉觀察，其呈現出一被 碟認得到有光透性程度之高度多孔性。 第25圖係第24圖所示之多孔質銅圓筒體之橫斷面一部 分的電子處理影像（相當於顯微鏡照片）。由此影像明顯可 知’其形成有由筒體内面延伸至外周面的氣孔。 第26圖係為第24圖之多孔銅圓筒體外表面之—部分的 電子化處理影像（相當於顯微鏡照片）。由此影像明顯可 知，形成有經由筒體内面而至外圓的多個氣孔。 實施例6 使用第8圖所概要顯示的裝置與第9圖概要顯示之模 — — — — — — — — — — — — — — — — — — — I— ^« — — — — — 1— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 589386 A7 _____B7__ 五、發明說明（23 ) 具，在製造多孔質銅圓柱體（外徑30mm X高100mm)後，將 之加工，而得到多孔質圓筒體。 即，銅原料（純度99.99%)在5xl0·2托耳、1250°C條件下 保持0.1小時後，利用加壓氣體氣壓下（〇.4MPa H2+O.4 MPa Ar)於1250°C下溶融0.5小時。而後，在同一加壓條件下，將 溶解有氣體之熔融銅注入圓筒狀之模具，利用由底部冷凝 面而朝向圓琦體上方凝固’而製造如第14(c)圖所示之多孔 質銅筒體。 由該圓筒體切出厚度為3mm之圓板狀試驗片，配置於 白紙上，由上方光照時，會如第27圖所示者，可確認形成 有相同孔徑之多數氣孔。 請 先 閲 讀 背 面 之 注 意 事 項 ί裝 本 頁 篇 I I I I I 1 訂

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -26· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） 589386 A7 B7 五 明說 明發 24 na b 3 3

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 01245678912345678901 11 11 11 11 11 11 11 11 11 ΟΛ- OAjw 元件編號對照表 金屬原料加熱熔解部 熔解金屬冷卻凝固部 多孔質金屬體 熔融金屬 炫解槽上部空間 金屬熔解槽 模具 冷卻機構 誘導加熱線圈 封閉器 氣體供給管路 氣體排出管路 溶解金屬的注入口 氣體供給管路 導入管路 排出管路 氣體注入管 氣體供給管路 氣體排出管路 炫湯保容器 模具 冷凝保持部（凝固部） 不活性氣體注入管路 不活性氣體排出管路 冷卻機構 補助冷卻機構 引導轴 滾筒 氣密環 密閉構造體 脫氣管路 -------------裝---訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -27-

Claims (1)

1. 589386

   修i

   六、申請專利範圍 第89113680號專利申請案申請專利範面修正本91年12月2日 1· 一種多孔質金屬體的製造方法，其係包含下述步驟·· (1) 金屬原料的脫氣步驟，其係藉由在密封容器内， 且在10」〜1(Γ6托耳範圍之減壓條件下，將選自於 由鐵、銅、鎳、鈷、鎂、鋁、鈦、鉻、鎢、錳、

   鉬、鈹及含有至少一種該等金屬之合金所構成群 中的金屬原料，維持該金屬原料在一比金屬熔點 低50-200°C的溫度區域範圍内； (2) 在上記密閉容器内導入選自於氫氣、氮氣、氬氣 及氦氣中至少一種氣體，在〇· 1-10 MPa的範圍内 之加壓條件下，熔解該金屬原料同時溶解該等氣 體於嫁融金屬中之步驟；以及 訂

   (3) 多孔質金屬體形成步驟，其利用控制上述密閉容 器内的該氣體壓力以及熔融金屬溫度，並且在設 有冷卻裝置之模具内倒入熔融金屬，冷卻凝固熔 融金屬來進行。 2·如申請專利範圍第1項之多孔質金屬體的製造方法， 其中該步驟（2)的加壓條件係在為在0.2-2.5 MPa的範 圍内。 3·如申請專利範圍第1項之多孔質金屬體的製造方法， 其中在該步驟（^)中，以連續铸造方式進行熔融金屬的 冷卻凝固。 本紙張尺度適用中國國豕標準（CNS) A4·規格（210X297公楚·） -28-