WO2010029864A1 - 発泡金属用前駆体および発泡金属の製造方法、並びに前記製造方法で製造された発泡金属用前駆体および発泡金属 - Google Patents

Abstract

　母材１と母材２との間に発泡剤３を配置して重ね合わせる工程と、前記重ね合せた母材１と母材２との一方の面に摩擦攪拌プロセシングを行って母材１と母材２とを接合し、同時に発泡剤３を母材１と母材２とに分散させる工程と、を含む発泡金属用前駆体の製造方法、前記製造方法で得られた前駆体を過熱発泡させる発泡金属の製造方法、前記製造方法で得られる発泡金属用前駆体、および前記製造方法で得られる発泡金属。

Description

発泡金属用前駆体および発泡金属の製造方法、並びに前記製造方法で製造された発泡金属用前駆体および発泡金属

　本発明は、発泡金属用前駆体および発泡金属の製造方法、並びに前記製造方法で製造された発泡金属用前駆体および発泡金属にかかり、特に、安定した品質を有する発泡金属用前駆体を低コストで容易に製造できる省エネルギープロセスである発泡金属用前駆体の製造方法、前記製造方法で製造された発泡金属用前駆体を用いる発泡金属の製造方法、およびこれらの製造方法で製造された発泡金属用前駆体および発泡金属に関する。

　純アルミニウム、純チタニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタニウム－アルミニウム系合金、チタニウム合金、ニッケル－アルミニウム系合金、純鉄、純銅、鉄鋼材料、銅合金などの各種金属や合金を発泡させた発泡金属は、軽量であって比強度および耐食性が高く、リサイクルが容易な素材であり、衝撃吸収性や遮音性を有する。

　発泡性金属の主な用途としては、自動車、航空宇宙、鉄道車両、医療分野、建築部材、産業用機械部品などが考えられている。

　発泡金属の製造法の１つとして、アルミニウム合金などの母材中に発泡剤を混合して前駆体とし、この前駆体を加熱、発泡させるプリカーサ法がある（Banhart, J., Manufacture, characterization and application of cellular metals and metal foams. Progress in Materials Science, 2001. 46(6):p559-632）。

　プリカーサ法において前駆体を作成する方法としては、粉末法（Baumgartner, F., I. Duarte, and J. Banhart, Industrialization of powder compact foaming process. Advanced Engineering Materials, 2000. 2(4): Pp168-174、ドイツ特許出願公開第１０４８３６０号明細書、ドイツ特許出願公開第４１０３６３０号明細書）と圧延接合法（Kitazono, K., E. Sato, and K. Kuribayashi, Novel manufacturing process of closed-cell aluminum foam by accumulative roll-bonding. Scripta Materialia, 2004. 59(4): pp495-498、特許第３８９５２９２号公報）とがある。

　粉末法は、母材粉末と発泡剤粉末とを均一になるまで混合し、更に、得られた混合粉末に熱間押出や熱間圧延などの操作を施して前記混合粉末を固化させて前駆体とする方法である。

　また、圧延接合法は、母材の板材を複数用意し、前記板材に必要に応じて表面処理を施した後、前記板材の間に発泡剤を挟み、所定の圧下率、例えば５０％で圧延し、これらの板材を接合する。そして前記圧延工程を繰り返して母材中に発泡剤を均一に分散させ、前駆体とする。

　しかしながら、粉末法は、母材の粉末の価格が一般に流通している板材などの材料と比較して高いこと、母材がアルミニウム合金の粉末である場合、粉末の表面に酸化皮膜が存在するから十分に緻密な前駆体を製造することが困難であること、混合粉末の調製や固化に長時間を有するから生産性が低いこと、混合粉末を固化させるときに大量のエネルギーが必要なため、エネルギー消費が大きいこと、混合粉末を調製する際に母材や発泡剤の粉末が周囲に四散しがちであり、作業環境の悪化が懸念されることなどの問題点がある。

　一方、圧延接合法は、安価な板材を使用でき、また既存の圧延設備を使用できるという長所はあるものの、圧延によって板材を接合するために、焼鈍や接合面の表面処理などの前処理が必要であること、圧延前後で熱処理が必要であり、エネルギー消費が大きいこと、発泡剤を均一に分散させるためには圧延を多数回繰り返す必要があること、圧延を繰り返すごとに圧延材を切断する必要があるなど、生産性向上を阻害する要因が多い。

　本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、安定した品質を有する発泡金属用前駆体を低コストで容易に製造できる省エネルギープロセスである発泡金属用前駆体の製造方法、前記製造方法で製造された発泡金属用前駆体を用いる発泡金属の製造方法、およびこれらの製造方法で製造された発泡金属用前駆体および発泡金属を提供することを目的とする。

　本発明の第１の態様は、一の母材と他の母材との間に発泡剤を配置して重ね合わせる工程と、前記重ね合せた一の母材と他の母材との一方の面に摩擦攪拌プロセシング（ＦＳＰ）を行って前記一の母材と他の母材とを接合し、同時に前記発泡剤を前記一の母材と他の母材とに分散させる工程と、を含むことを特徴とする発泡金属用前駆体の製造方法に関する。

　前記製造方法においては、発泡剤を間に挟持した状態で一の母材と他の母材とを重ね合わせ、重ね合わせたものの一方の面に、先端に突起を有する略円柱状の工具を軸線の周りに回転させつつ、前記工具の突起を設けた側の端部を押圧するＦＳＰを行う。そして、ＦＳＰによって発生する摩擦熱で、前記一および他の母材を軟化させて塑性流動を生じさせ、母材同士を一体化させると同時に発泡剤を母材中に分散させ、前駆体を得る。

　本発明の第２の態様は、母材の表面に発泡剤を載置する工程と、前記母材の表面に載置した発泡剤を、摩擦攪拌プロセシング（ＦＳＰ）によって母材内部に分散させる工程と、を含むことを特徴とする発泡金属用前駆体の製造方法に関する。

　前記製造方法においては、母材の表面に発泡剤を載置し、前記母材における発泡剤を載置下側の面に、先端に突起を有する略円柱状の工具を軸線の周りに回転させつつ、前記工具の突起を設けた側の端部を押圧するＦＳＰを行う。そして、ＦＳＰによって発生する摩擦熱で、母材を軟化させて塑性流動を生じさせて発泡剤を母材中に分散させ、前駆体を得る。

　本発明の第３の態様は、第１の態様に係る発泡金属用前駆体の製造方法において、前記重ね合せた一の母材と他の母材との一方の面にＦＳＰを行った後に、前記重ね合せた一の母材と他の母材との他方の面にＦＳＰを行うものに関する。

　前記製造方法においては、一方の面にＦＳＰを行うことにより、母材同士が一体化すると同時に発泡剤が母材中に分散する。そして、一方の面にＦＳＰを行った後に他方の面にＦＳＰを行うことにより、母材同士の一体化および発泡剤の母材内への分散が更に進行する。

　本発明の第４の態様は、第２の態様に係る発泡金属用前駆体の製造方法において、前記母材の発泡剤を載置した側の面にＦＳＰを行った後に、前記母材の反対側の面にＦＳＰを行うものに関する。

　前記製造方法においては、一方の面にＦＳＰを行った後に他方の面にＦＳＰを行うことにより、発泡剤の母材内への分散が更に進行する。

　本発明の第５の態様は、第１～第４の何れかの態様に係る発泡金属用前駆体の製造方法において、前記母材が純アルミニウムまたはアルミニウム合金であるものに関する。

　前記製造法においては、母材として純アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いることにより、純アルミニウムまたはアルミニウム合金を母材とする前駆体が得られる。

　本発明の第６の態様は、第５の態様に係る発泡金属用前駆体の製造方法において、前記発泡剤が水素化チタンであるものに関する。

　前記製造方法によれば、純アルミニウムまたはアルミニウム合金を母材とし、発泡剤が水素化チタンである前駆体が得られる。

　本発明の第７の態様は、第１～第６の何れかの態様に係る製造方法で製造された発泡金属用前駆体を前記一および他の母材の融点近傍の温度に加熱して内部を発泡させる発泡金属の製造方法に関する。

　前記製造方法においては、母材中に発泡剤が分散した前駆体を融点近傍まで加熱することにより、母材が軟化すると同時に発泡剤が分解し、これによって前駆体の内部が発泡して発泡金属となる。

　本発明の第８の態様は、第１～第６の何れかの態様に係る製造方法で製造された発泡金属用前駆体に関する。

　前記第８の態様においては、第１の態様についての説明で述べたように、ＦＳＰによって発生する摩擦熱で、前記一および他の母材を軟化させて塑性流動を生じさせ、母材同士を一体化させると同時に発泡剤を母材中に分散させ、前駆体を得る

　本発明の第９の態様は、第８の態様に係る製造方法によって製造された発泡金属に関する。

　前記発泡金属は、第１～第６の何れかの態様に係る製造方法で製造された発泡金属用前駆体を前記一および他の母材の融点近傍の温度に加熱して内部を発泡させることによって製造された発泡金属である。

　第１の態様に係る製造方法においては、上述のように、ＦＳＰによって発生する摩擦熱で、前記一および他の母材を軟化させて塑性流動を生じさせ、母材同士と一体化させると同時に発泡剤を母材中に分散させ、前駆体としているから、第１の態様によれば、従来の粉末法や圧延法と比較して、安定した品質を有する発泡金属用前駆体を低コストで容易に製造でき、しかも省エネルギーであり、しかも、発泡剤が一の母材と他の母材との間に挟持されていることから、発泡剤が飛散することがなく、作業環境の悪化も少ない発泡金属用前駆体の製造方法が提供される。

　第２の態様に係る製造方法においては、上述のように、ＦＳＰによって発生する摩擦熱で母材を軟化させて塑性流動を生じさせ、発泡剤を母材中に分散させ、前駆体としているから、第２の態様によれば、従来の粉末法や圧延法と比較して、安定した品質を有する発泡金属用前駆体を低コストで容易に製造でき、しかも省エネルギーである発泡金属用前駆体の製造方法が提供される。

　第３の態様によれば、第１の態様に係る製造方法と比較して更に一および他の母材とが一体化しているとともに、発泡剤が更に均一に分散した発泡金属用前駆体が得られる発泡金属用前駆体の製造方法が提供される。

　第４の態様によれば、第２の態様に係る製造方法と比較して更に一および他の母材とが一体化しているとともに、発泡剤が更に均一に分散した発泡金属用前駆体が得られる発泡金属用前駆体の製造方法が提供される。

　第５の態様によれば、純アルミニウムまたはアルミニウム合金を母材とする前駆体を安定した品質で、しかもより少ないエネルギー消費で製造できる発泡金属用前駆体の製造方法が提供される。

　第６の態様によれば、純アルミニウムまたはアルミニウム合金を母材とし、水素化チタニウムを発泡剤とする前駆体を安定した品質で、しかもより少ないエネルギー消費で製造できる発泡金属用前駆体の製造方法が提供される。

　第７の態様によれば、第１の態様に係る製造方法によって製造された前駆体を加熱、発泡させて発泡金属を製造しているから、均一性の高い発泡金属の得られる発泡金属の製造方法が提供される。

　第８の態様によれば、従来の粉末法や圧延法で製造した前駆体と比較して、より品質が安定し、しかも安価な発泡金属用前駆体が提供される。

　第９の態様によれば、従来の粉末法や圧延法で製造した前駆体から製造された発泡金属と比較して、より品質が安定し、しかも安価な発泡金属が提供される。

図１は、本発明の発泡金属用前駆体の製造方法において、２つの母材の間に発泡剤を挟んで積層するところを示す斜視図である。 図２は、本発明の発泡金属用前駆体の製造方法において、２つの母材の間に発泡剤を挟んで積層して形成された積層体を示す斜視図である。 図３は、本発明の発泡金属用前駆体の製造方法で使用される母材に、発泡剤を収容するための溝または凹陥部を形成した例を示す斜視図である。 図４は、図２に示す積層体に対してＦＳＰを開始したところを示す斜視図である。 図５は、図２に示す積層体に対するＦＳＰを行っているところを示す側面図である。 図６は、図２に示す積層体に対するＦＳＰを行っているところを示す斜視図である。 図７は、積層体にＦＳＰを行って形成された攪拌部の状態を示す概略断面図である。 図８は、本発明の発泡金属用前駆体の製造方法に使用される母材のうち、上面に発泡剤を収容する凹陥部が形成された形態のものを示す斜視図である。 図９は、図８に示す母材の凹陥部に発泡剤を充填したところを示す斜視図である。 図１０は、図９に示す積層体に対してＦＳＰを開始したところを示す斜視図である。 図１１は、図９に示す積層体において第１回目のＦＳＰを行っているところを示す斜視図である。

１．実施形態１
　以下、本発明の発泡金属用前駆体の製造方法の一例について図面を用いて説明する。

　先ず、図１に示すように、板状の母材１と同じく板状の母材２との間に発泡剤３を挟みこみ、図２に示すように母材１と母材２とを重ね合わせ、積層体７とする。図１に示す例では、母材１と比較して母材２が厚いが、母材１と母材２とは厚みが同一であってもよく、また、母材１のほうが母材２より厚くてもよい。

　更に、図１に示す例においては、下側に配置される母材２には発泡剤３を収容するための溝や凹陥部は設けられていないが、図３に示すように下側に配置される母材２に発泡剤３を収容するための溝２ａまたは凹陥部２ｂを設けてもよい。

　次いで、図４および図５に示すように、円柱状の本体４ｂの先端に突起４ａを設けた摩擦攪拌工具４を、矢印ｂで示すように所定の回転数で回転させつつ、矢印ａで示すように積層体７の一方の面の一端に押圧し、矢印ｃで示すように積層体７の他端に向かって移動させる。なお、図５において実線は摩擦攪拌工具４の先端を積層体７に接触させた状態を、二点鎖線は積層体７に押圧して突起４ａを貫入させた状態を示す。摩擦攪拌工具４が積層体７の他端に移動したところを図６に示す。

　なお、突起４ａの高さは、一の母材の厚さよりも大きいことが好ましい。この場合、摩擦攪拌工具４を積層体７に押圧し、突起４ａを貫入させた状態においては、図５において二点鎖線で示すように、突起４ａが母材１を貫入して母材２に到達する。

　また、突起４ａに螺旋を切ったり、長手方向または円周方向の溝を形成したりすれば、攪拌作用を高めることができる。

　更に、摩擦攪拌工具４を走査するときは、走査方向に沿って前進角を付与してもよく、動作方向に対して垂直に保持しつつ走査してもよい。

　摩擦攪拌工具４を軸線の回りに回転させつつ、積層体７に押圧させることにより、積層体７と摩擦攪拌工具４との間に摩擦熱が生じ、攪拌部６が形成される。攪拌部６においては、図７に示すように母材１と発泡剤３と母材２とが均一に混合される。そして、摩擦攪拌工具４が積層体７の他端に向かって移動することにより、攪拌部６が図６に示すように積層体７の他端に向かって形成される。このようにして前駆体１０が形成される。なお、図７は、図６に示す積層体７を母材１および母材２の面に対して直交する面Ｘ－Ｘに沿って切断した断面を示す。

　摩擦攪拌工具４の直径が積層体７の幅、換言すれば母材１および母材２の幅と比較して小さく、積層体７のごく一部にしか攪拌部６が形成されないときは、摩擦攪拌工具４を、積層体７に押圧する位置をずらして積層体７の一端と他端との間を往復させるか、積層体７に押圧する位置をずらして積層体７の一端から他端に向かって移動させる操作を所定回数繰り返せばよい。

　最後に、このようにして形成された前駆体１０を所定の温度に加熱して発泡剤３を分解し、前駆体１０における攪拌部６を発泡させることにより、発泡金属が形成される。

　母材１および母材２としては、軽量性を重視する用途においてはアルミニウムおよびその合金、マグネシウムおよびその合金、チタンおよびその合金、具体的には、純アルミニウム、純チタニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタニウム－アルミニウム系合金、チタニウム合金、ニッケル－アルミニウム系合金が使用される。一方、触媒や吸着剤、吸音材、防振材などの用途においては、ニッケルおよびその合金、貴金属、亜鉛およびその合金、鉛およびその合金、錫およびその合金などが使用されるが、これらの金属や合金に限定されるものではない。

　発泡剤３としては、母材１および母材２に悪影響を与えないようなものであれば、特に制限はなく、具体的には、水素化チタン、水素化ジルコニウム、炭酸カルシウムなどの無機系発泡剤やアゾ化合物、ヒドラジン誘導体などの有機系発泡剤などが使用される。

　摩擦攪拌工具４は、円柱状の本体４ｂの先端面の中心部に突起が形成された形態であれば、突起４ａの形状は特に限定されない。突起４ａの形状としては、具体的には円柱、先端に向かって縮小する円錐、先端に向かって縮小する円錐台などがある。摩擦攪拌工具４を母材１または２に押圧する深さは、突起４ａが実質的に母材１または２に埋没する程度が好ましい。

　前駆体１０を発泡させる温度は、母材１および母材２の融点近傍が好ましい。

　摩擦攪拌工具４の回転速度は、５００ｒｐｍ～３０００ｒｐｍ程度が好ましいが、この範囲には特に限定はされない。

　以上、積層体７における母材１の側の面からＦＳＰを行った例について説明したが、積層体７においては、前記面からＦＳＰを行った後、母材２の側の面からＦＳＰを行ってもよい。

２．実施形態２
　以下、本発明の発泡金属用前駆体の製造方法の別の例について図面を用いて説明する。

　図８に示すように、板状の母材２として、発泡剤３を収容するための凹陥部２ｂを中央部に形成した板状の部材を用意する。

　次いで、図９に示すように、母材２の凹陥部２ｂを発泡剤３で充填し、図１０に示すように、摩擦攪拌工具４を矢印ｂで示すように所定の回転数で回転させつつ、矢印ａで示すように母材２における発泡剤３を充填した部分の一端に押圧し、矢印ｃで示すように母材２の前記部分における他端に向かって移動させる。摩擦攪拌工具４については実施形態１のところで述べたとおりである。但し、突起４ａの高さは、凹陥部２ｂの深さよりも大きく、母材２の凹陥部２ｂが形成された部分の厚さよりも小さいことが好ましい。なお、摩擦攪拌工具４が母材２の他端に移動したところを図１１に示す。

　これにより、図７に示すような攪拌部が形成される。

　以上、母材２における発泡剤３を載置した側の面からＦＳＰを行った例について説明したが、前記面からＦＳＰを行った後、前記面とは反対側の面からＦＳＰを行ってもよい。

　母材１および２として幅７０ｍｍ×長さ２００ｍｍのＡ５０８３アルミニウム合金を用いた。母材１の厚さは３ｍｍ、母材２の厚さは６ｍｍであった。発泡剤３としては水素化チタン（ＴｉＨ２、粒径＜４５μｍ）を用いた。

　図１に示すように、発泡剤３は、母材２の上面中央部に母材２の長さ方向に沿って散布した。散布量は、ＦＳＰによって形成される攪拌部６のおよそ１質量％となるように設定した。母材２に発泡剤３を散布した後、母材２の上面に母材１を載置して積層体７とした。

　次いで、図４および図５に示すように、積層体７に大気中でＦＳＰを行った。ＦＳＰには、日立エンジニアリング株式会社製のＦＳＷ装置を用いた。また、摩擦攪拌工具４としては、ＳＫＨ５１高速度工具鋼から製造された本体４ｂの直径が１７ｍｍ、突起４ａが円柱状で直径が６ｍｍ、突起４ａの高さが４．８ｍｍのものを用いた。摩擦攪拌工具４の回転速度は１４００ｒｐｍ、移動速度は１００ｍｍ／ｍｉｎ、前進角は３度に設定した。

　摩擦攪拌工具４の設定が終了したら、摩擦攪拌工具４を、母材２における発泡剤３を散布した部分の直上部を走査した。次に、突起４ａの直径分だけ積層体７の長さ方向の一方の側縁に向かってずらして走査し、最後に突起４ａの直径分だけ積層体７の長さ方向の一方の側縁に向かってずらして走査し、合計３パスの走査を行った。その結果、積層体７の中央部に長さ方向に沿って突起４ａの直径の約３倍の幅の攪拌部６を有する前駆体１０が形成された。

　最後に、前駆体１０における攪拌部６から一辺が６ｍｍの立方体を切り取って電気炉に装入し、０．５Ｋ／ｓの昇温速度で９７３Ｋまで昇温し、その温度を１０分保持した後、前記立方体を電気炉から取り出し、空冷した。発泡後の立方体を切断したところ、内部に気泡が生じていることが判った。

１ 母材
２ｂ 凹陥部
２ａ 溝
２ 母材
３ 発泡剤
４ａ 突起
４ｂ 本体
４ 摩擦攪拌工具
６ 攪拌部
７ 積層体
１０ 前駆体

Claims (20)

1. 　一の母材と他の母材との間に発泡剤を配置して重ね合わせる工程と、
   　前記重ね合せた一の母材と他の母材との一方の面に摩擦攪拌プロセシング（ＦＳＰ）を行って前記一の母材と他の母材とを接合し、同時に前記発泡剤を前記一の母材と他の母材とに分散させる工程と、
   を含む発泡金属用前駆体の製造方法。
2. 　母材の表面に発泡剤を載置する工程と、
   　前記母材の表面に載置した発泡剤を、摩擦攪拌プロセシング（ＦＳＰ）によって母材内部に分散させる工程と、
   を含む発泡金属用前駆体の製造方法。
3. 　前記重ね合せた一の母材と他の母材との一方の面にＦＳＰを行った後に、前記重ね合せた一の母材と他の母材との他方の面にＦＳＰを行う請求項１に記載の発泡金属用前駆体の製造方法。
4. 　前記母材の発泡剤を載置した側の面にＦＳＰを行った後に、前記母材の反対側の面にＦＳＰを行う請求項２に記載の発泡金属用前駆体の製造方法。
5. 　前記母材はチタニウム、鉄、純アルミニウム、またはアルミニウム合金である請求項１に記載の発泡金属用前駆体の製造方法。
6. 　前記母材は純アルミニウムまたはアルミニウム合金である請求項２に記載の発泡金属用前駆体の製造方法。
7. 　前記母材は純アルミニウムまたはアルミニウム合金である請求項３に記載の発泡金属用前駆体の製造方法。
8. 　前記母材は純アルミニウムまたはアルミニウム合金である請求項４に記載の発泡金属用前駆体の製造方法。
9. 　前記発泡剤は水素化チタンである請求項５に記載の発泡金属用前駆体の製造方法。
10. 　前記発泡剤は水素化チタンである請求項６に記載の発泡金属用前駆体の製造方法。
11. 　前記発泡剤は水素化チタンである請求項７に記載の発泡金属用前駆体の製造方法。
12. 　前記発泡剤は水素化チタンである請求項８に記載の発泡金属用前駆体の製造方法。
13. 　請求項１に記載の製造方法で製造された発泡金属用前駆体を前記一および他の母材の融点近傍の温度に加熱して内部を発泡させる発泡金属の製造方法。
14. 　請求項２に記載の製造方法で製造された発泡金属用前駆体を前記一および他の母材の融点近傍の温度に加熱して内部を発泡させる発泡金属の製造方法。
15. 　請求項１１に記載の製造方法で製造された発泡金属用前駆体を前記一および他の母材の融点近傍の温度に加熱して内部を発泡させる発泡金属の製造方法。
16. 　請求項１２に記載の製造方法で製造された発泡金属用前駆体を前記一および他の母材の融点近傍の温度に加熱して内部を発泡させる発泡金属の製造方法。
17. 　請求項１に記載の製造方法で製造された発泡金属用前駆体。
18. 　請求項２に記載の製造方法で製造された発泡金属用前駆体。
19. 　請求項１３に記載の製造方法によって製造された発泡金属。
20. 　請求項１４に記載の製造方法によって製造された発泡金属。

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