WO2020246588A1 - 有孔鋳造品およびその製造方法 - Google Patents

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WO2020246588A1
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heat
resistant wire
resistant
perforated
casting
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PCT/JP2020/022310
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English (en)
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Inventor
中嶋　英雄
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株式会社ロータスマテリアル研究所
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D25/00—Special casting characterised by the nature of the product
    • B22D25/02—Special casting characterised by the nature of the product by its peculiarity of shape; of works of art
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D29/00—Removing castings from moulds, not restricted to casting processes covered by a single main group; Removing cores; Handling ingots

Definitions

  • the present invention relates to a perforated casting of a metal or semiconductor material and a method for manufacturing the same, which can be effectively used as a new material in various fields such as heat sinks, aircraft engine turbines, medical instruments, machine tools, and thermoelectric conversion materials.
  • Porous metal materials and foamed metal materials have a low density and a large surface area, and are expected to be mainly applied as lightweight materials, catalysts, electrodes, vibration absorbers, sound absorbing materials, and shock absorbing materials.
  • a lotus metal molded product is known as one of the porous metal materials.
  • the lotus metal molded body is a metal molded body produced by a known method such as a high pressure gas method (Pressurized Gas Method) or a thermal decomposition method (Thermal Decomposition Method), and has pores elongated in one direction (for example, Patent Document 1). reference.).
  • a porous metal plate (lotus metal plate) having a large number of through holes can be obtained.
  • the lotus metal plate has excellent heat transfer properties, and its use as a heat sink for electronic devices and various heat exchange fins has been proposed (see, for example, Patent Documents 2 and 3).
  • the hole of the lotus metal plate is used as a through hole, so that the plate thickness after cutting is limited.
  • the ability to form long holes is also advantageous when applied as the catalyst, electrode, vibration absorber, sound absorbing material, and shock absorbing material.
  • porous metal materials include a method of mechanically drilling holes in post-processing, and a method of melting and evaporating metal using an electron beam or a laser.
  • the smaller the hole the easier it is to break, the longer the machining time is, the higher the cost, and the length of the hole is limited by the length of the drill tool.
  • the electron beam requires high vacuum equipment, is expensive, and is not suitable for industrialization.
  • Laser machining is possible in the atmosphere, but drilling requires a great deal of money and time.
  • the ratio of the length to the diameter of the hole is at most about 10, and there is a limit to drilling a long and thin hole.
  • the present invention includes the following inventions.
  • the perforated casting product according to any one of (1) to (6) which is a casting product of a metal or semiconductor material of aluminum or an aluminum alloy.
  • a single or a plurality of heat-resistant wire is provided in a mold, and a molten metal or semiconductor material is supplied to solidify the heat-resistant wire, and then the heat-resistant wire is pulled out to open a single or a plurality of heat-resistant wire drawing holes on the surface.
  • a method for producing a perforated cast product which comprises obtaining a cast product of a metal or semiconductor material.
  • the heat-resistant wire is drawn from the cast product of the metal or semiconductor material to obtain a cast product of the metal or semiconductor material in which one or more heat-resistant wire drawing holes are opened on the surface.
  • the method for producing a perforated cast product according to any one of (8) to (10).
  • the heat-resistant wire is linear, curved (for example, wavy, spiral, etc.) or bent (bent in a plurality of directions), and if it is curved or bent, it is bent and deformed.
  • a perforated cast product can be obtained by drawing out a heat-resistant wire. Therefore, such a perforated cast product can be a cut product of a lotus metal molded product, a drill, an electron beam, a laser, or the like. Compared to post-processed products, it is possible to provide products with longer and finer holes at a lower cost, and it is also possible to make holes that extend in a curved shape, and the overall shape and dimensions depend on the mold. It can be freely set, and the shape and dimensions of the holes can be freely set by appropriately setting the length, thickness, shape, etc. of the heat-resistant wire.
  • the degree of freedom in design is dramatically improved, and it has excellent cooling ability as a heat sink, etc., and is low as a higher performance material when used as a catalyst, electrode, vibration absorber, sound absorbing material, shock absorbing material, etc. It can be provided at a cost.
  • the present inventor has confirmed that long and narrow holes having an aspect ratio of 786 can be easily provided. It has also been confirmed that curved or polygonal holes can be provided.
  • the diameter of the pores can be about 100 ⁇ m to 20 mm.
  • the explanatory view which shows an example of the manufacturing procedure of the perforated casting also. Similarly, an explanatory diagram of the manufacturing procedure. Similarly, an explanatory diagram of the manufacturing procedure. Similarly, an explanatory diagram of the manufacturing procedure. Similarly, an explanatory diagram of the manufacturing procedure. Similarly, an explanatory diagram of the manufacturing procedure. Similarly, an explanatory diagram of the manufacturing procedure. Similarly, an explanatory diagram of the manufacturing procedure. Explanatory drawing which also shows another example of a manufacturing procedure. Explanatory drawing which shows a specific example of a heat-resistant wire drawing process (during drawing). Explanatory drawing which shows the manufacturing apparatus and manufacturing procedure which performed the sample preparation of an Example. An explanatory diagram showing a manufacturing apparatus and a manufacturing procedure. An explanatory diagram showing a manufacturing apparatus and a manufacturing procedure.
  • Photograph showing the plate type and heat-resistant wire used for preparing the sample of the example A three-dimensional image measured by an X-ray computer tomography method for a plurality of samples of the prepared examples (hereinafter, referred to as "X-ray CT image"). X-ray CT images of other samples as well. X-ray CT images of other samples as well. X-ray CT images of other samples, and photographs of the plate type and heat-resistant line used to prepare this sample. An external photograph of other samples, the heat-resistant wire used to prepare the sample, and a tape measure. Explanatory drawing which shows still another example of the perforated casting product which concerns on this invention.
  • Explanatory drawing which shows still another example of the perforated casting which also concerns on this invention.
  • Explanatory drawing which shows still another example of the perforated casting which also concerns on this invention.
  • Explanatory drawing which shows an example in which a predetermined wire rod was inserted into a part of the drawing hole of the perforated casting product which concerns on this invention.
  • Explanatory drawing which shows still another example of the perforated casting which also concerns on this invention.
  • Explanatory drawing which shows still another example of the perforated casting which also concerns on this invention.
  • the perforated cast product 1 of the metal or semiconductor material according to the present invention has one or more heat-resistant wire drawing holes 10 opened on the surface.
  • the metal or semiconductor material various materials are possible. Although aluminum was used in the samples of the examples described later, aluminum alloys, copper, magnesium, iron, cobalt, nickel, chromium, zinc, titanium, zirconium, niobium, molybdenum, palladium, silver, gold, cadmium, indium, tin, and platinum , Tantal, lead, bismuth, alloys thereof, silicon, germanium, compounds thereof, and various other metal or semiconductor materials can be used.
  • the heat-resistant wire drawing hole 10 is a hole formed by drawing out a heat-resistant wire from a solidified casting as described later, and the cross-sectional shape reflects the cross-sectional shape of the heat-resistant wire, and is a triangle, a quadrangle, a pentagon, in addition to a circle.
  • Polygonal shapes such as hexagons and cross-sectional shapes such as flat plates (rectangular cross section), L-shaped, V-shaped, Y-shaped, U-shaped (katakana) -shaped, tube-shaped (hollow cylindrical type), and gear-shaped are also available. included. It is also possible to make a hole having an inner peripheral surface having a threaded groove (the heat-resistant wire has a spiral ridge on the outer peripheral surface like a male screw and is pulled out while rotating).
  • the cross-sectional area also reflects the cross-sectional area of the heat-resistant wire as it is, and it is possible to easily form thin and long holes that were difficult with conventional Lotus molded bodies, drilling, laser machining, etc.
  • the cross-sectional area does not have to be the same size for all drawing holes. That is, a perforated casting composed of holes of different sizes is also included.
  • the stress concentration when a load is applied changes depending on the size of the holes. Therefore, by mixing large and small holes in this way, the stress distribution due to the stress concentration can be changed, and the stress concentration can be relaxed. It can be made to or controlled.
  • the heat transfer coefficient when the refrigerant flows through the holes changes depending on the size of the holes. Therefore, the heat generation distribution can be changed by mixing such large and small holes, and the heat transfer coefficient. Can be changed or alleviated.
  • the cross-sectional areas of the heat-resistant wire and the drawing hole are not constant in the axial direction and may be non-uniform.
  • the heat-resistant wire and the drawing hole may be tapered so that the cross-sectional area becomes smaller (larger).
  • By adding a taper it is possible to produce a hole having a sloped diameter such that the surface layer side of the perforated casting has a large diameter and the deep layer portion or the opening side on the opposite side has a small diameter.
  • the heat-resistant wire is pulled out from the side with the larger diameter.
  • This tapered drawing hole can bring about focusing or divergence of heat flow, electromagnetic fluid, electromagnetic wave, sound wave, light wave, and radiation, and various application developments become possible.
  • the opening radius on the large diameter side is r 0
  • the opening radius on the other small diameter side is r f
  • a perforated casting product along the central axis of the drawing hole L be the thickness of
  • the inclination (taper angle ⁇ ) of the bus of the drawn hole having such a taper is in the range of 0 ⁇ tan -1 ⁇ (r 0 ⁇ r f ) / L ⁇ ⁇ ( ⁇ / 2). Will enter.
  • Such a tapered drawing hole can also be used for condensing a laser beam or the like.
  • the length of the heat-resistant wire drawing hole 10 is 1 mm to 2000 mm, preferably 5 mm to 1000 mm, and more preferably 10 mm to 300 mm. If it is longer than 2000 mm, the heat-resistant wire also becomes longer, the contact area with the casting increases, the frictional force at the time of drawing increases, and the drawing becomes difficult. The shorter it is, the easier it is to pull it out.
  • the hole diameter (diameter) of the heat-resistant wire drawing hole is 100 ⁇ m to 20 mm, preferably 200 ⁇ m to 10 mm, and more preferably 270 ⁇ m to 5 mm. When the pore diameter is smaller than 100 ⁇ m, the heat-resistant wire becomes considerably thin, and it is easily damaged during drawing, which makes manufacturing difficult.
  • the drawing hole 10 can be easily formed by using a heat-resistant wire having a medium thickness.
  • heat-resistant wires having various thicknesses (diameters) of 0.28 mm to 3.2 mm are used to immerse the plate mold from the upper surface to the upper end of the heat-resistant wire in molten aluminum, and the solidified casting is used. It can be pulled out to make a through hole. That is, it has been confirmed that when a heat-resistant wire having a thickness (diameter) of 0.28 mm is pulled out, a through hole having an inner diameter of 0.28 mm and a length of 220 mm can be formed. Further, the heat-resistant wire drawing hole 10 does not have to be a through hole, and may be a bottomed hole having at least one end open for drawing as shown in FIGS. 2A and 2B.
  • a curved line (wavy or spiral) or a fold is formed. It can also be a hole that extends in a curved shape.
  • the drawing holes 10 can be appropriately bent and arranged so as to follow the shape of the main body of the cast product, and it is possible to efficiently provide a base material having better performance.
  • Such holes cannot be formed by cutting a conventional Lotus metal molded body, drilling, electron beam processing, or laser processing.
  • FIGS. 19A and 19B a combination of a linear drawing hole 10 and a curved (spiral in this example) drawing hole 10 is also a preferable example. Further, by appropriately setting the arrangement of the heat-resistant wire at the time of casting the perforated casting product 1, as shown in FIGS.
  • a large number of through or non-penetrating drawing holes 10 extending in different directions can be easily provided. You can also.
  • the perforated cast product 1 provided with such multi-directional drawing holes 10 cannot be manufactured by a lotus metal molded body in which unidirectional pores are formed, and drilling, electron beam processing, and laser processing take time and the device is also required. The size increases and the cost increases. Since the drawing holes can be set in multiple directions in this way, the stress concentration of the cast product when stress is applied to the cast product can be suppressed, and it can be provided as a lightweight metal or semiconductor material having sufficient strength.
  • a part or all of the linear drawing holes 10 are set in a state where the heat-resistant wire is buried without drawing out the heat-resistant wire, and the spiral drawing hole is formed.
  • the heat-resistant wire is buried in the spiral drawing hole 10 without pulling out the heat-resistant wire, and the heat-resistant wire is spirally embedded around the linear drawing hole.
  • a preferred example is one that is reinforced with.
  • a reinforcing wire rod 8 is inserted into a part of the drawing holes to form a central portion of a long structural member. It is also a preferable example that only the stress concentration portion of the above is filled with a reinforcing member (wire rod 8) to reinforce it. In this case, both ends of the member can be perforated.
  • the perforated cast product 1 can be manufactured by using a mold 3 provided with a heat-resistant wire 2, for example, as shown in FIG. 4A.
  • a plate-shaped plate mold 30 that forms the bottom surface of the cast product and supports the heat-resistant wire 2 in a state of projecting upward, and an integrated plate mold 30 and the heat-resistant wire 2 are provided. It is composed of a combination with a container-shaped outer mold 31 that is inside and forms the outer peripheral surface of the cast product.
  • FIG. 4B shows a state in which the plate mold 30 and the heat-resistant wire 2 are set inside the outer mold 31. It is preferable that the upper surface of the plate mold 30 is formed with a supporting recess for inserting and supporting the lower end of the heat resistant wire 2.
  • a mold release agent is applied to at least the outer surface of the heat resistant wire 2.
  • the release agent is applied to the upper surface of the plate mold 30 and the inner peripheral surface of the outer mold 31.
  • the release agent may be applied to the integrated plate mold 30 and the heat-resistant wire 2 in advance and set on the outer mold 31 after drying, or may be applied after the setting. You can also.
  • a metal or semiconductor using a known mold release agent containing boron nitride (boron nitride), alumina (alumina cement), graphite, fullerene, silicon, molybdenum disulfide, chromium oxide, etc. as main components. It can be selected according to the material.
  • a mold release agent containing boron nitride as a main component is preferable, and in the case of copper, iron, steel, stainless steel, nickel, gold, silver, platinum, silicon, germanium and many other semiconductor materials.
  • a mold release agent containing alumina as a main component.
  • the mold release agent must be selected so that the maximum temperature capable of retaining the mold release function is higher than the melting point of the metal or semiconductor material used.
  • an organic solvent or the like may be added to the main component for mold release. However, when the organic solvent reacts with the molten material to reduce the mold release functionality, the mold release main material alone can be applied to the heat-resistant wire.
  • molten material molten aluminum
  • the method of supplying the molten material may be one in which a solid metal or semiconductor material (solid material) is set on the upper part of the mold, melted by heating, and moved into the lower mold.
  • the drawing hole of the heat-resistant wire becomes a non-through hole, and if the pouring is stopped when the upper end of the heat-resistant wire 2 protrudes from the surface of the hot water, the heat-resistant wire is pulled out.
  • the hole becomes a through hole.
  • the penetration / non-penetration of the extraction hole can be set by the length of the heat-resistant wire or the amount of hot water poured.
  • a stirring means using a thin ceramic rod or a vibrating means may be used. It is preferable to provide it.
  • the plate mold 30 is separated from the outer mold 31 by pushing it up with a pin (not shown) from below, and a metal or semiconductor material casting integrated with the heat resistant wire 2 is formed. Take out the plate mold 30 with 4 placed on the upper surface side.
  • the side wall and the bottom wall of the outer mold 31 can be separated, and the bottom wall can be removed and taken out from the bottom side, of course.
  • FIG. 8 shows an example of jigs 5 and 6.
  • a collet chuck jig 6
  • Multiple pieces are pulled out at the same time.
  • a multi-core collet chuck is used as the jig 6, and as shown in the figure, each lower end portion 2a of the plurality of heat-resistant wires 2 is grasped and moved downward to simultaneously generate a plurality of heat-resistant wires 2. Pulling out is a preferable example.
  • the collet chuck jig 6 can move freely up, down, left and right, grasps the heat-resistant wire 2, and pulls out the heat-resistant wire 2.
  • the heat-resistant wire 2 is pulled out by the jig 6 after the plate mold 30 is removed from the casting 4, but the plate mold 30 and the heat-resistant wire 2 are mutually connected. It is also preferable from the viewpoint of efficiency that the heat-resistant wire 2 is also configured to move downward together with the plate mold 30 and be pulled out when the plate mold 30 is removed by firmly fixing the plate mold 30. That is, the heat-resistant wire can be pulled out from the casting after the mold is removed, or the heat-resistant wire can be integrally provided in the mold so that the heat-resistant wire can be pulled out together with the mold during the mold removal.
  • the plate mold 30 and the heat-resistant wire 2 firmly fixed to each other are set in the crucible-shaped outer mold 31, and the inside of the outer mold 31 is set.
  • a solid metal or semiconductor material solid material 9
  • the solid material 9 is melted as shown in FIG. 9B, and the molten material is melted by the heat-resistant wire 2.
  • the plate is as shown in FIG. 9D.
  • the above example is a manufacturing method in which a heat-resistant wire is arranged in the vertical direction and a drawing hole is formed in the vertical direction, but of course it can also be formed in the horizontal direction.
  • a pair of left and right plate molds 30 are provided, and the same is set on the outer mold 31.
  • pouring, solidification, removal of the plate mold 30, and pulling out of the heat resistant wire 2 are performed.
  • the plate mold 30 forms the side surface of the cast metal or semiconductor material
  • the outer mold 31 forms the bottom surface.
  • the heat-resistant wire has a predetermined shape retention property and bending deformation possibility, and a thin metal wire is preferably used.
  • the heat-resistant wire 2 can be curved (for example, wavy, spiral, etc.) or bent (bent in a plurality of directions) in addition to the linear one as in this example, and remains in this shape.
  • the heat-resistant wire drawing hole 10 having a curved shape or a bending shape can be obtained by drawing out the heat-resistant wire while bending and deforming the casting integrated with the metal material. Since the heat-resistant wire must maintain heat resistance in the state where the molten material is poured, its melting point must be higher than the melting point of the metal or semiconductor material used for the molten material. It is desirable that the temperature is at least 100 ° C. or higher.
  • a plurality of types of stainless steel (SUS) wire, copper wire, platinum wire, and molybdenum wire having different thicknesses were prepared.
  • the thickness of the stainless steel wire was 0.28 mm, 0.35 mm, 0.45 mm, 0.7 mm, 0.85 mm, 1.2 mm, 1.6 mm, 2.0 mm, and 3.2 mm.
  • the thicknesses of the copper wire, platinum wire, and molybdenum wire were 1.0 mm, 0.6 mm, and 1.0 mm, respectively.
  • FIG. 10 shows an example of a heat-resistant wire and a plate type coated with a release agent.
  • the heat-resistant wire in FIG. 10 (a) is a stainless steel (SUS304) wire having an outer diameter of 0.85 mm, and nine of them are provided in a state of protruding by about 25 mm.
  • the heat-resistant wire in FIG. 10 (b) is , Stainless steel (SUS304) wire with an outer diameter of 3.2 mm, seven of which are provided in a state of protruding about 25 mm each.
  • the heat-resistant wire and plate mold were inserted and set in the tubular graphite crucible mold (inner diameter 15 mm) forming the outer peripheral surface of the cast product so that the heat-resistant wire was on top.
  • the release agent "BN coat ⁇ M>" (manufactured by Odec Co., Ltd.) made of boron nitride was used.
  • the coating thickness of the release agent was 10 to 20 ⁇ m.
  • a predetermined amount of solid aluminum (purity 99.99%) as a solid material is placed inside the crucible mold so as to be in contact with the upper end of the heat-resistant wire, and then the entire crucible mold is installed in a vertical electric furnace.
  • the aluminum was held at 953K for 360 seconds to melt the aluminum, and the molten aluminum was dropped between the heat-resistant lines to fill the voids between the heat-resistant lines. After heating for 360 seconds, the crucible mold was taken out from the vertical electric furnace, cooled, and the aluminum inside was solidified.
  • the plate mold and the heat-resistant wire are pulled out from the casting, and a plurality of penetrating heat-resistant wire drawing holes are opened on the surface of the aluminum casting. I got the goods. More specifically, the drawing was performed by first removing the plate mold and then pulling out the heat-resistant wires one by one with pliers.
  • the heat-resistant wire is nine stainless steel (SUS304) wires having an outer diameter of 0.28 mm, and in (b), the heat-resistant wire is nine stainless steel (SUS304) wires having an outer diameter of 0.35 mm.
  • (C) have nine stainless steel (SUS304) wires having an outer diameter of 0.45 mm as heat-resistant wires, and (d) have 21 stainless steel (SUS304) wires having an outer diameter of 0.70 mm as heat-resistant wires.
  • (e) is 9 stainless steel (SUS304) wires having an outer diameter of 0.85 mm as heat-resistant wires, and (f) is 21 stainless steel (SUS304) wires having an outer diameter of 1.2 mm as heat-resistant wires.
  • (h) is 9 stainless steel (SUS304) wires having an outer diameter of 2.0 mm as heat-resistant wires
  • (i) is.
  • As a heat-resistant wire it was manufactured as seven stainless steel (SUS304) wires having an outer diameter of 3.2 mm.
  • the prepared sample has a cylindrical shape with an outer diameter of 15 mm that reflects the shape of the inner peripheral surface of the crucible, and as can be seen from FIG. 11, a plurality of heat-resistant wire drawing holes extending in the axial direction can be confirmed. Furthermore, a casting defect (shrinkage cavity) was observed in the central part of the upper part of the casting, and many small spherical images were also observed. These are defects created on the surface of the casting. This is formed in the solidification process, but since the heat-resistant wire drawing hole has the heat-resistant wire at the time of solidification, defects such as clogging of the hole do not occur, and the hole space can be surely secured.
  • the aspect ratio can be obtained from the ratio of the length to the inner diameter of the heat-resistant wire drawing hole.
  • a stainless steel (SUS304) wire having an outer diameter of 0.85 mm and a length of 25 mm or more was used as the heat-resistant wire, and a drawing hole having an aspect ratio of 29.4 was obtained.
  • a stainless steel (SUS304) wire having an outer diameter of 0.28 mm and a length of 76 mm or more was used as the heat-resistant wire, and a drawing hole having an aspect ratio of 271.4 was obtained.
  • a stainless steel (SUS304) wire having an outer diameter of 0.85 mm and a length of 90 mm or more was used as the heat-resistant wire, and a drawing hole having an aspect ratio of 105.9 was obtained.
  • a stainless steel (SUS304) wire (only one) having an outer diameter of 0.28 mm and a length of 220 mm or more was used as the heat resistant wire, and a drawing hole having an aspect ratio of 786 was obtained. As described above, in the sample shown in FIG. 15, a maximum aspect ratio of 786 could be confirmed.
  • FIG. 13 (a) shows an example in which a stainless steel wire (outer diameter 0.85 mm) is used as the heat resistant wire
  • FIG. 13 (b) shows a copper wire (outer diameter 1.0 mm) and a platinum wire (outer diameter 0.6 mm).
  • a heat-resistant wire of molybdenum wire (outer diameter 1.0 mm) are combined. If mutual diffusion occurs between the molten aluminum and the heat-resistant wire, the thickness of the alloy layer formed by the mutual diffusion can be estimated from the diffusion data.
  • Interdiffusion coefficient D R can be evaluated by the following equation (1).
  • D R c Al D M + c M D Al ⁇ (1)
  • c and D are the composition and the natural diffusion coefficient, respectively.
  • the subscripts Al and M are aluminum and heat-resistant wire metal, respectively.
  • the diffusion coefficient in the molten metal just above the melting point is on the order of 10-9 m 2 / s, which is several orders of magnitude larger than the diffusion coefficient in the solid metal.
  • the diffusion distance of 360 s (time t) can be evaluated as 0.4 mm ⁇ 2 ⁇ (Dt) 1/2 ⁇ 1.2 mm.
  • the heat-resistant wire of any metal is similarly smooth. I was able to pull it out. This indicates that the release agent was present at the interface between the heat-resistant wire and aluminum, and the formation of the alloy layer due to mutual diffusion was suppressed.
  • FIGS. 14 (a) to 14 (c) are examples in which a through hole having a spiral or V-shaped drawing hole is provided.
  • the lower columns of FIGS. 14 (a) to 14 (c) are external photographs of the heat-resistant wire and the plate type used for manufacturing the upper columns, respectively.
  • Such a curved hole morphology is peculiar to the manufacturing method of the present invention.
  • the lotus uses unidirectional solidification, and the drill and electron beam are also linearly drilled, so that only linear holes extending in one direction can be formed.
  • the present invention can produce not only linear holes but also curved holes.

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

【課題】多孔金属材として、より低コストで、より長く、細い孔を有するものを提供することが可能であり、全体の形状や寸法、ならびにその有する孔の形態・寸法を適宜、自由に設定することができ、設計の自由度が飛躍的に向上し、ヒートシンク等としての優れた冷却能や、触媒、電極、振動吸収材、吸音材、衝撃吸収材等として利用するにあたっても、より高性能なものとして低コストで提供することができる多孔金属材、およそその製造方法を提供せんとする。 【解決手段】表面に単又は複数の耐熱線引き抜き孔が開口していることを特徴とする有孔鋳造品を構成した。また、単又は複数の耐熱線を鋳型内に設け、溶融した金属又は半導体材料を供給して凝固させた後、前記耐熱線を引き抜くことで前記有孔鋳造品を得る方法を提供する。

Description

有孔鋳造品およびその製造方法
　本発明は、ヒートシンク、航空機エンジンタービン、医療器具、工作機械、熱電変換材料など、種々の分野において新規な材料として有効に利用できる、金属又は半導体材料の有孔鋳造品およびその製造方法に関する。
　多孔金属材や発泡金属材は、低密度で大きな表面積を有しており、主に軽量化材料や触媒、電極、振動吸収材、吸音材、衝撃吸収材としての応用が期待されている。多孔金属材の一つに、ロータス金属成形体が知られている。ロータス金属成形体は、高圧ガス法（Pressurized Gas Method）や熱分解法（Thermal Decomposition Method）など、公知の方法で作製され、一方向に気孔が伸びた金属成形体である（例えば、特許文献１参照。）。これを複数の板に切断することで、貫通孔を多数備えた多孔金属板（ロータス金属板）が得られる。ロータス金属板は、優れた熱伝達性を備えており、電子デバイス用のヒートシンクや各種熱交換フィンとしての利用が提案されている（たとえば、特許文献２、３参照）。
　しかしながら、ロータス金属成形体は、気孔の長さに制限があるため、ロータス金属板の孔を貫通孔とするために、その切断後の板厚には限界がある。ヒートシンク等のフィンとしてさらに優れた冷却能を確保するためには、長い孔を形成させることが望ましい。長い孔を形成できることは、上記触媒、電極、振動吸収材、吸音材、衝撃吸収材として応用する場合にも有利となる。
　その他の多孔金属材の製法としては、後加工で機械的にドリルで孔を穿つ方法や、電子ビーム又はレーザーを用いて金属を溶融・蒸発させて穿設する方法もある。しかし、ドリルは小さい孔になるほど折損しやすく、加工時間も長時間を要し、コスト高となり、孔の長さもドリル工具の長さにより限界がある。電子ビームは高真空設備を要し、コスト高で工業化に不適である。レーザー加工は大気中でも可能だが穿孔に多大な経費と時間を要する。また、電子ビームやレーザーによる加工も孔の直径に対する長さの比（アスペクト比）が高々１０程度であり、細く長い孔を穿つには限界がある。
　さらに、上述した従来の多孔金属材は、いずれも一方向に伸びる直線状の孔しか有することができなかった。ロータス金属成形体はその製法上、一方向凝固を利用しており、ドリル加工、電子ビーム加工等も直線的な穿設加工となるためである。もし、より細く、より長く、且つ曲線状の孔が作製できるのであれば、上記したヒートシンクその他の応用に際し、設計の自由度が格段に向上し、優れた性能を有する基材を提供することができる。
特許第４２１７８６５号公報 特開２０１８－７３８６９号公報 特開２０１８－１７９４１２号公報
　そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、多孔金属材として、より低コストで、より長く、細く、曲線状の孔をも設けることが可能であり、全体の形状や寸法、ならびにその有する孔の形態・寸法を適宜、自由に設定することができ、設計の自由度が飛躍的に向上し、ヒートシンク等としての優れた冷却能や、触媒、電極、振動吸収材、吸音材、衝撃吸収材等として利用するにあたっても、より高性能なものとして低コストで提供することができる多孔金属材、およびその製造方法を提供する点にある。
　本発明は、以下の発明を包含する。
　（１）　金属又は半導体材料の鋳造品であって、表面に単又は複数の耐熱線引き抜き孔が開口していることを特徴とする有孔鋳造品。
　（２）　前記耐熱線引き抜き孔が貫通孔である、（１）記載の有孔鋳造品。
　（３）　前記耐熱線引き抜き孔が、直線状、曲線状（たとえば波状、螺旋状など）、又は屈曲状（複数の方向に折れ曲がった形状）である、（１）又は（２）記載の有孔鋳造品。
　（４）　前記耐熱線引き抜き孔の孔径（直径）が、１００μｍ～２０ｍｍ、好ましくは２００μｍ～１０ｍｍ、より好ましくは３００μｍ～５ｍｍである、（１）～（３）の何れかに記載の有孔鋳造品。
　（５）　前記耐熱線引き抜き孔の孔の長さが、１ｍｍ～２０００ｍｍ、好ましくは５ｍｍ～１０００ｍｍ、より好ましくは１０ｍｍ～３００ｍｍである、（１）～（４）の何れか１に記載の有孔鋳造品。
　（６）　前記耐熱線引き抜き孔のアスペクト比が、０．０５～２００００、好ましくは１～１０００、より好ましくは３～８００である、（１）～（５）の何れかに記載の有孔鋳造品。
　（７）　アルミニウム又はアルミニウム合金の金属又は半導体材料の鋳造品である、（１）～（６）の何れかに記載の有孔鋳造品。
　（８）　単又は複数の耐熱線を鋳型内に設け、溶融した金属又は半導体材料を供給して凝固させた後、前記耐熱線を引き抜くことで、単又は複数の耐熱線引き抜き孔が表面に開口した金属又は半導体材料の鋳造品を得ることを特徴とする、有孔鋳造品の製造方法。
　（９）　遅くとも溶融した金属又は半導体材料を供給する前に、あらかじめ前記耐熱線の表面に離型剤を被覆してなる、（８）記載の有孔鋳造品の製造方法。
　（１０）　前記耐熱線が、所定の保形性並びに屈曲変形可能性を備えた金属細線である、（８）又は（９）記載の有孔鋳造品の製造方法。
　（１１）　前記凝固させ、脱型した後、当該金属又は半導体材料の鋳造品から前記耐熱線を引き抜くことで、単又は複数の耐熱線引き抜き孔が表面に開口した金属又は半導体材料の鋳造品を得る、（８）～（１０）の何れかに記載の有孔鋳造品の製造方法。
　（１２）　前記耐熱線が、鋳型に一体的に設けられており、脱型の際、鋳型とともに耐熱線が引き抜かれる、（８）～（１０）の何れかに記載の有孔鋳造品の製造方法。
　（１３）　前記耐熱線が、直線状、曲線状（たとえば波状、螺旋状など）、又は屈曲状（複数の方向に折れ曲がった形状）であり、これを曲線状又は屈曲状の場合は屈曲変形させながら、前記引き抜くことにより、直線状、曲線状、又は屈曲状の前記耐熱線引き抜き孔を得る、（１０）記載の有孔鋳造品の製造方法。
　以上にしてなる本願発明によれば、耐熱線の引き抜きにより有孔鋳造品が得られるので、このような有孔鋳造品は、ロータス金属成形体の切断品や、ドリル、電子ビーム、レーザー等の後加工品などに比べ、より低コストで、より長く、細い孔を有するものを提供することが可能で、曲線状に伸びる孔とすることも可能であり、全体の形状や寸法も鋳型次第で自由に設定できるとともに、その有する孔の形態・寸法についても、耐熱線の長さ、太さ、形状などを適宜設定することで、自由に設定することができる。
　したがって、設計の自由度も飛躍的に向上し、ヒートシンク等としての優れた冷却能や、触媒、電極、振動吸収材、吸音材、衝撃吸収材等として利用するにあたり、より高性能なものとして低コストで提供することができる。本発明者は後述するように、アスペクト比７８６の長く細い孔を容易に設けることができることを確認している。また、曲線状や折れ線状の孔を設けることもできることを確認している。孔の直径は１００μｍ～２０ｍｍ程度の細孔とすることが可能である。
本発明の代表的実施形態に係る有孔鋳造品を示す斜視図。 同じく有孔鋳造品の他の例を示す説明図。 同じく有孔鋳造品のさらに他の例を示す説明図。 同じく有孔鋳造品のさらに他の例を示す説明図。 同じく有孔鋳造品のさらに他の例を示す説明図。 同じく有孔鋳造品のさらに他の例を示す説明図。 同じく有孔鋳造品のさらに他の例を示す説明図。 同じく有孔鋳造品のさらに他の例を示す説明図。 同じく有孔鋳造品のさらに他の例を示す説明図。 同じく有孔鋳造品のさらに他の例を示す説明図。 同じく有孔鋳造品のさらに他の例を示す説明図。 同じく有孔鋳造品の製造手順の一例を示す説明図。 同じく製造手順の説明図。 同じく製造手順の説明図。 同じく製造手順の説明図。 同じく製造手順の説明図。 同じく製造手順の説明図。 同じく製造手順の説明図。 同じく製造手順の他の例を示す説明図。 耐熱線引き抜き工程（引き抜き途中）の具体例を示す説明図。 実施例のサンプル作製を行った製造装置、製造手順を示す説明図。 同じく製造装置、製造手順を示す説明図。 同じく製造装置、製造手順を示す説明図。 同じく製造装置、製造手順を示す説明図。 実施例のサンプル作製に使用したプレート型および耐熱線を示す写真。 作製した実施例の複数のサンプルのＸ線コンピュータートモグラフィ法によって測定された３次元画像イメージ（以下、「Ｘ線ＣＴ像」と称す。）。 同じく他のサンプルのＸ線ＣＴ像。 同じく他のサンプルのＸ線ＣＴ像。 同じく他のサンプルのＸ線ＣＴ像、およびこのサンプル作製に用いたプレート型および耐熱線の写真。 他のサンプル、および該サンプル作製に用いた耐熱線、巻き尺を並べた外観写真。 本発明に係る有孔鋳造品のさらに他の例を示す説明図。 同じく本発明に係る有孔鋳造品のさらに他の例を示す説明図。 同じく本発明に係る有孔鋳造品のさらに他の例を示す説明図。 本発明に係る有孔鋳造品の引き抜き孔の一部に所定の線材を挿入した例を示す説明図。 同じく本発明に係る有孔鋳造品のさらに他の例を示す説明図。 同じく本発明に係る有孔鋳造品のさらに他の例を示す説明図。
　次に、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。
　本発明にかかる金属又は半導体材料の有孔鋳造品１は、図１Ａや図１Ｂに示すように、単又は複数の耐熱線引き抜き孔１０が表面に開口している。金属又は半導体材料としては、種々のものが可能である。後述する実施例のサンプルではアルミニウムとしたが、アルミニウム合金や銅、マグネシウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、亜鉛、チタン、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、パラジウム、銀、金、カドミニウム、インジウム、錫、白金、タンタル、鉛、ビスマスや、これらの合金、シリコン、ゲルマニウムや、これらの化合物、その他の種々の金属又は半導体材料を用いることができる。耐熱線引き抜き孔１０は、後述するように凝固した鋳造物から耐熱線を引き抜いて形成される孔であり、その断面形状は耐熱線の断面形状が反映され、円形以外に三角形、四角形、五角形、六角形などの多角形状や、平板状（断面長方形）、Ｌ字型、Ｖ字型、Ｙ字型、コ（カタカナ）字型、チューブ型（中空の円筒型）、歯車型などの断面形状も含まれる。また、ネジ溝が切られた形状の内周面を有する孔（耐熱線は雄ネジ状に外周面に螺旋状の凸条を有し、回転しながら引き抜く）とすることも可能である。
　断面積（開口面積）についても、耐熱線の断面積がそのまま反映され、従来のロータス成形体やドリル加工、レーザー加工等では困難であった細く長い孔を容易に形成することができる。断面積は、すべての引き抜き孔で同じサイズにする必要はない。すなわち、サイズの異なる孔より構成される有孔鋳造品も含まれる。構造部材では、負荷をかけた場合の応力集中は孔の大きさに依存して変わるので、このように大小の孔を混在させることによって応力集中による応力分布を変えることができ、応力集中を緩和させたり、制御させたりすることができる。とくにヒートシンクとして利用する場合には、冷媒を孔に流す場合の熱伝達率が孔の大小によって変化するので、このような大小の孔の混在によって熱発生分布を変化させることができ、熱伝達率を変化させたり、緩和させることができるのである。
　耐熱線および引き抜き孔の断面積は、軸方向に一定でなく、不均一なものとすることもできる。一例として、耐熱線および引き抜き孔に断面積が次第に小さく（大きく）なるようにテーパーが付いていてもよい。テーパーを付けることによって、有孔鋳造品の表層側が大口径で、且つ深層部または反対側の開口側が小口径というように、直径の傾斜化を施した孔を作製することができる。耐熱線の引き抜きは、大口径となる側から行う。このテーパー付きの引き抜き孔は、熱流、電磁流体、電磁波、音波、光波、放射線の集束あるいは発散をもたらすことが可能になり、様々な応用展開が可能になる。一定のテーパー角がついた貫通した引き抜き孔を設計する場合、大口径側の開口半径をｒ０、他方の小口径側の開口半径をｒｆ、引き抜き孔の中心軸に沿った有孔鋳造品の厚みをＬ、孔内周面上を中心軸方向に沿って延びる母線の延長と中心線とのなす角（テーパー角）の角度をθとすると、ｔａｎθ＝（ｒ０－ｒｆ）／Ｌの関係が得られ、このようなテーパーを有する引き抜き孔の母線の傾斜（テーパー角θ）は、０＜ｔａｎ－１｛（ｒ０－ｒｆ）／Ｌ｝＜（π／２）の範囲に入ることになる。このようなテーパー状の引き抜き孔はレーザービームの集光などに利用することもできる。
　耐熱線引き抜き孔１０の孔の長さは、１ｍｍ～２０００ｍｍ、好ましくは５ｍｍ～１０００ｍｍ、より好ましくは１０ｍｍ～３００ｍｍとされる。２０００ｍｍより長くなると耐熱線も長くなり、鋳造物との接触面積が増え、引き抜きの際の摩擦力が増大して引き抜きが困難となる。短いほど引き抜きは容易となる。耐熱線引き抜き孔の孔径（直径）は、１００μｍ～２０ｍｍ、好ましくは２００μｍ～１０ｍｍ、より好ましくは２７０μｍ～５ｍｍとされる。孔径が１００μｍより小さくなると、耐熱線もかなり細くなり、引き抜き時に破損しやすくなり製造が難しくなる。孔径が２０ｍｍよりも大きくなると、使用する耐熱線と鋳造物との接触面積が増え、引き抜きの際の摩擦力が大きくなり、引き抜きが困難になりやすい。中庸の太さの耐熱線を用いると引き抜き孔１０の形成が容易である。
　後述するサンプル作製では、太さ（直径）０．２８ｍｍ～３．２ｍｍの種々の太さの耐熱線を用いてプレート型の上面から耐熱線の上端まで溶融アルミニウムに浸漬し、凝固した鋳造物から引き抜いて貫通孔を作製することができている。すなわち、太さ（直径）０．２８ｍｍの耐熱線を引き抜いた場合に、内径０．２８ｍｍ、長さ２２０ｍｍの貫通孔が形成できることが確認されている。また、耐熱線引き抜き孔１０は、貫通孔である必要はなく、図２Ａ，図２Ｂに示すように引き抜き用に少なくとも一端が開口した有底の孔であってもよい。また、所定の保形性に加えて屈曲変形可能性を備えた金属細線を用いることで、図２Ｃ、図２Ｄ、図２Ｅ、又は図３Ａに示すように曲線状（波状や螺旋状）又は折曲状して伸びる孔とすることもできる。
　これにより引き抜き孔の長さを稼ぎ、より優れた性能を備えた基材として提供することが可能となる。とくに図２Ｄに示すように鋳造品本体の形状に沿わせるように引き抜き孔１０を適宜屈曲させて配することができ、より性能のよい基材を効率よく提供することが可能となる。このような孔は従来のロータス金属成形体を切断したものやドリル加工、電子ビーム加工、レーザー加工では形成できない。図１９（ａ）、（ｂ）に示すように、直線状の引き抜き孔１０と曲線状（本例では螺旋状）の引き抜き孔１０を組み合わせたものも好ましい例である。また、有孔鋳造品１の鋳造時に耐熱線の配置を適宜設定することで、図３Ｂ、図３Ｃに示すように、異なる方向に伸びる多数の貫通又は非貫通の引き抜き孔１０を容易に設けることもできる。このような多方向の引き抜き孔１０を備える有孔鋳造品１は、一方向気孔が形成されるロータス金属成形体では作製できず、ドリル加工や電子ビーム加工、レーザー加工も時間がかかり且つ装置も大型化してコスト高となる。このように、引き抜き孔を多方向に設定できるので、鋳造品に応力を負荷した場合における鋳造品の応力集中を抑制でき、十分な強度を有する軽量化金属又は半導体材料として提供することができる。
　さらに、図３Ｄに示すように内部途中で分岐した孔とすることも、同じく分岐する耐熱線を用いることで容易に実現できる。これもロータス金属成形体では実現できず、ドリル加工等も非常にコスト高となる。このように、貫通孔の方向や分岐を自由に設定できるので、万能な冷却路を有するヒートシンクを作製でき、各種分野に応用が期待できる。また本発明の引き抜き孔（１０）は、耐熱線を完全に抜き去って貫通又は非貫通の孔とすること以外に、図１６に示すように、耐熱線２の引き抜きを途中までとし、抜き出した突出部分を除去することで、内部に耐熱線の一部を残存させ、残存側が耐熱線で閉塞し、他端側のみ開口した引き抜き孔として形成することも含まれる。このような引き抜き孔によれば、耐熱線が残存している領域の強度アップを図ることができ、とくに本有孔鋳造品１を自動車などの移動体の骨格に用いる場合、引き抜き孔が存在することによる軽量化と強度維持（又は強度アップ）の両立を図ることが可能となる。すなわち、耐熱線が引き抜かれた中空軽量領域と残留された強度アップ領域とを混在させることによって軽くて強い（孔と耐熱線による）複合材料を創出することができ、引き抜き方向を設定することで前記混在の形態も容易に変えることができ、設計の自由度も高いものとなる。
　このように一つの引き抜き孔について、耐熱線を一部残存させることの他、図１７（ａ），（ｂ）に示すように、複数本の耐熱線のうち、一部の耐熱線をまったく引き抜かずに残存させ、当該耐熱線が残存した箇所を引き抜き孔とせずに、耐熱線が埋まった強度アップ領域とすることも好ましい実施例である。これにより、たとえば長尺の構造部材で局所的に大きな負荷荷重のかかる所（応力集中部）において、耐熱線を引き抜かずに残留させて強度アップを図り、その他の部分は耐熱線を引き抜いて引き抜き孔を形成し、軽量化を図る等することが可能となる。たとえば、上述した図１９（ａ）、（ｂ）に示した例において、直線状の引き抜き孔１０の一部またはすべてを耐熱線を引き抜かずに耐熱線が埋まった状態とし、螺旋状の引き抜き孔の中心側を補強するようにしたり、反対に、螺旋状の引き抜き孔１０を耐熱線を引き抜かずに耐熱線が埋まった状態とし、直線状の引き抜き孔の周囲を螺旋状に埋設された耐熱線で補強するようにしたものも好ましい例である。また、他の例としては、図１８に示すように、本発明の有孔鋳造品を作製した後、引き抜き孔の一部に補強用の線材８を挿入することによって長尺構造部材の中心部の応力集中部だけを強化部材（線材８）で充填して補強させることも好ましい例である。この場合、部材の両端部分を有孔部とすることができる。
　有孔鋳造品１は、例えば図４Ａに示すように、耐熱線２を設けた鋳型３を用いて製造することができる。図示した例では、鋳型３を、鋳造品の底面を形成するとともに耐熱線２を上方に突設した状態に支持する板状のプレート型３０と、一体化されたプレート型３０及び耐熱線２を内装し、鋳造品の外周面を形成する容器状の外側型３１との組み合わせにより構成されている。図４Ｂは、プレート型３０及び耐熱線２を外側型３１に内装してセットした状態を示している。プレート型３０の上面には耐熱線２の下端部を挿入して支持する支持用凹部が形成されることが好ましい。
　少なくとも耐熱線２の外面には、離型剤が塗布される。耐熱線２以外にもプレート型３０の上面、外側型３１の内周面にも離型剤が塗布されることが好ましい。離型剤を塗布するタイミングは、一体化したプレート型３０及び耐熱線２に対して予め離型剤を全体に塗布し、乾燥後に外側型３１にセットしてもよいし、セット後に塗布することもできる。
　離型剤には、使用する金属又は半導体材料に応じて公知の種々の離型剤を用いることができる。具体的には、窒化ホウ素（ボロンナイトライド）や、アルミナ（アルミナセメント）、グラファイト、フラーレン、シリコン、二硫化モリブデン、酸化クロムなどを主成分とした公知の離型剤を、使用する金属又は半導体材料に応じて選択できる。たとえばアルミニウムやマグネシウムなどの場合は窒化ホウ素を主成分とした離型剤が好ましく、銅や鉄、鉄鋼、ステンレス鋼、ニッケル、金、銀、白金、シリコン、ゲルマニウム、その他多くの半導体材料などの場合はアルミナを主成分とした離型剤を用いることが好ましい。また、離型剤は、離型機能を保持し得る最高温度が使用する金属又は半導体材料の融点よりも高いものを選ばなければならない。離型剤と耐熱線材表面とのぬれ性や密着性を改善するために、離型のための主成分に、有機溶剤などを添加してもよい。しかしながら、その有機溶剤が溶融材料と反応を起こして離型機能性を低下させる場合には、離型主材料単体を耐熱線に塗布することもできる。
　そして、適宜鋳型３（外側型３１）を加熱した状態で、図５Ａの如く、別途溶融された金属又は半導体材料（たとえば溶融アルミニウム）（以下、「溶融材料」と称す。）を、耐熱線２が立設されている鋳型３内に注湯した後、図５Ｂの状態で冷却し、凝固させる。溶融材料は耐熱線２間の隙間に充填され、耐熱線２と一体化された状態に凝固する。溶融材料の供給方法は、固形の金属又は半導体材料（固体材料）を鋳型上部にセットして加熱により溶融させ、下方の鋳型内に移動させるものでもよい。
　耐熱線２を完全に埋没させるまで注湯すれば、当該耐熱線の引き抜き孔は非貫通孔となり、耐熱線２の上端が湯面から突出状態までで注湯を止めれば、当該耐熱線の引き抜き孔は貫通孔となる。このように耐熱線の長さ又は注湯量で、引き抜き孔の貫通／非貫通を設定できる。なお、耐熱線２の間の距離が小さい場合は、溶融材料の浸漬が表面張力や粘性により不十分となる場合があるので、そのような場合は細いセラミックス棒などによる撹拌手段や、振動手段を設けることが好ましい。
　溶融材料が凝固した後、図６Ａに示すように、下方から図示しないピンで押し上げる等して、外側型３１からプレート型３０を分離し、耐熱線２と一体化した金属又は半導体材料の鋳造物４が上面側に載った状態のプレート型３０を取り出す。ここで、外側型３１を側壁と底壁を分離可能とし、底壁を取り外して底側から取り出すことも勿論できる。
　そして、図６Ｂに示すように、鋳造物４の側面４ｂを治具５で挟持する等して支持した状態で、下面側のプレート型３０を取り外し、露出（突出）した各耐熱線２の下端部２ａを、図６Ｃに示すように挟持治具６などを用いて摘み、そのまま下方に引き抜くことにより、鋳造物４に引き抜き孔１０が形成され、有孔鋳造品１が完成する。引き抜きの際の下端部２ａの露出は、支持用凹部の深さ分だけ突出する。上方にも耐熱線２を露出させて貫通孔を形成する場合は、耐熱線２の上端部から上方向に引き抜くこともできる。
　図８は、治具５、６の一例を示している。この例では、鋳造物４の側面４ｂを万力（治具５）で固定した状態で、鋳造物４に埋め込まれた耐熱線２の露出した下端部２ａを、コレットチャック（治具６）で複数本同時に引き抜くものである。より具体的には、治具６として多芯型のコレットチャックを用い、図示したように複数の耐熱線２の各下端部２ａをつかませ、下方に移動させることで耐熱線２を複数本同時に引き抜くことが好ましい例である。コレットチャック治具６は上下左右に自由に移動することができ、耐熱線２をつかみ、耐熱線２を引き抜く作業を行う。
　本例では、図６Ｂ、図６Ｃに示すように、鋳造物４からプレート型３０を取り外した後、耐熱線２を治具６で引き抜くようにしたが、プレート型３０と耐熱線２の相互を強固に固定しておくことで、プレート型３０の取り外しの際に耐熱線２もプレート型３０とともに下方に移動して引き抜かれるように構成することも効率上、好ましい。すなわち、脱型した後に鋳造物から耐熱線を引き抜くこともできるし、耐熱線を鋳型に一体的に設け、脱型の際、鋳型とともに耐熱線が引き抜かれるようにすることもできる。
　図９Ａ～図９Ｄに示す製造装置の例は、図９Ａに示すように、るつぼ型の外側型３１に、相互に強固に固定したプレート型３０及び耐熱線２をセットするとともに、外側型３１内の耐熱線２の上部に固形の金属又は半導体材料（固体材料９）を挿入し、ヒーター７で加熱することで、図９Ｂに示すように固体材料９を溶融させ、当該溶融材料を耐熱線２間の隙間に充填・凝固する例である。そして、図９Ｃに示すように耐熱線２と一体化した金属又は半導体材料の鋳造物４が上面側に載った状態のプレート型３０を外側型３１から取り出した後、図９Ｄに示すようにプレート型３０を鋳造物４から分離させることで、同時に耐熱線２もプレート型３０とともに引き抜かれ、有孔鋳造品を効率よく得ることができる。
　以上の例は、縦方向に耐熱線を配置し、縦方向に引き抜き孔を形成する製法であるが、横方向に形成することも勿論できる。その場合は、たとえば図７に示すように、プレート型３０を左右一対設け、同じく外側型３１にセットし、同様に注湯、凝固、プレート型３０の除去、耐熱線２の引き抜きを行うことで製造できる。この場合、プレート型３０が金属又は半導体材料の鋳造品の側面を形成し、外側型３１が下面を形成する。
　耐熱線は、所定の保形性並びに屈曲変形可能性を備えたものであり、好ましくは金属細線が用いられる。耐熱線２は、本例のように直線状のもの以外に、曲線状（たとえば波状、螺旋状など）、又は屈曲状（複数の方向に折れ曲がった形状）にすることができ、この形状のまま金属材と一体化された鋳造物から、屈曲変形させながら耐熱線を引き抜くことで、曲線状、又は屈曲状の前記耐熱線引き抜き孔１０を得ることができる。耐熱線は、溶融材料が注湯された状態で耐熱性を保持しなければならないので、その融点は溶融材料に使用される金属又は半導体材料の融点よりも高くなければならない。少なくとも１００℃以上高いことが望ましい。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
　図９に示したるつぼからなる製造装置、ただしプレートと耐熱線は強固に固着していないものを用いて、本発明の有孔鋳造品の実施例にかかるサンプルを複数作製し、引き抜き孔の様子を観察した結果について説明する。
（サンプルの作製）
　形成する孔のテンプレートとなる耐熱線は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）線、銅線、白金線、モリブデン線を各々太さの異なる複数種類を用意した。ステンレス鋼線の太さは、０．２８ｍｍ、０．３５ｍｍ、０．４５ｍｍ、０．７ｍｍ、０．８５ｍｍ、１．２ｍｍ、１．６ｍｍ、２．０ｍｍ、３．２ｍｍを用意した。銅線、白金線、モリブデン線の太さは、それぞれ１．０ｍｍ、０．６ｍｍ、１．０ｍｍを用意した。
　各耐熱線は、鋳造品の下面を形成する円柱状のグラファイトディスクからなるプレート型の上面に、上方に向けて突出した状態に取り付け、これらプレート型および耐熱線の全体に離型剤を塗布した。図１０は、離型剤を塗布した耐熱線およびプレート型の例を示している。図１０（ａ）の耐熱線は、外径０．８５ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）線であり、これを９本、それぞれ約２５ｍｍ突出した状態に設けたもの、図１０（ｂ）の耐熱線は、外径３．２ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）線であり、これを７本、それぞれ約２５ｍｍ突出した状態に設けたものである。
　このように、耐熱線およびプレート型を、鋳造品の外周面を形成する筒状のグラファイトるつぼ型（内径１５ｍｍ）内に、耐熱線が上になるように挿入してセットした。離型剤には、窒化ホウ素からなる「ＢＮコート＜Ｍ＞」（株式会社オーデック製）を用いた。離型剤の塗布厚みは１０～２０μｍとした。このるつぼ型の内部に、固体材料として所定量の固形アルミニウム（純度９９．９９％）を耐熱線の上端に当接させるように配置したうえで、るつぼ型全体を縦型電気炉に設置し、９５３Ｋで３６０秒間保持してアルミニウムを溶解し、溶融したアルミニウムを耐熱線間に落下させて耐熱線間の空隙に充填させた。上記３６０秒の加熱の後、縦型電気炉からるつぼ型を取出し、冷却し、内部のアルミニウムを凝固させた。
　そして、るつぼ型から耐熱線およびプレート型と一体的に凝固したアルミニウム鋳造物を取り出した後、プレート型および耐熱線を鋳造物から引き抜き、複数の貫通した耐熱線引き抜き孔が表面に開口したアルミニウム鋳造品を得た。引き抜きは、より詳しくは、まずプレート型を取り外した後、耐熱線を一本ずつ、ペンチで引き抜くことで行った。
（観察結果）
　作製した多孔アルミニウム鋳造品について、Ｘ線コンピュータートモグラフィ法によって３次元画像イメージを測定した。Ｘ線管電圧は２００ｋＶ、電流は２５０μＡである。図１１～図１４は各サンプルのＸ線ＣＴ像、図１５は外観写真を示す。図１１の（ａ）は、耐熱線を外径０．２８ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）線９本とし、（ｂ）は、耐熱線を外径０．３５ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）線９本とし、（ｃ）は、耐熱線を外径０．４５ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）線９本とし、（ｄ）は、耐熱線として外径０．７０ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）線２１本とし、（ｅ）は、耐熱線として外径０．８５ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）線９本とし、（ｆ）は、耐熱線として外径１．２ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）線２１本とし、（ｇ）は、耐熱線として外径１．６ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）線９本とし、（ｈ）は、耐熱線として外径２．０ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）線９本とし、（ｉ）は、耐熱線として外径３．２ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）線７本として作製したものである。
　作製されたサンプルは、るつぼ内周面の形状を反映した外径１５ｍｍの円柱形状であり、図１１から分かるように、軸方向に伸びる複数の耐熱線引き抜き孔が確認できる。さらに鋳造品の上部の中央部に鋳造欠陥（引け巣）が観察され、多数の小さな球状イメージも観察された。これらは鋳造品の表面に生成された欠陥である。これは凝固過程で形成されたものであるが、耐熱線引き抜き孔は凝固時に耐熱線が存在するため、孔が詰まる等の欠陥は生じず、確実に孔空間が確保できる。アスペクト比は、耐熱線引き抜き孔の内径に対する長さの比から求めることができる。図１２（ａ）の例は耐熱線として外径０．８５ｍｍ、長さ２５ｍｍ以上のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）線を用いたものであり、アスペクト比２９．４の引き抜き孔を得た。図１２（ｂ）の例は耐熱線として外径０．２８ｍｍ、長さ７６ｍｍ以上のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）線を用いたものであり、アスペクト比２７１．４の引き抜き孔を得た。図１２（ｃ）の例は耐熱線として外径０．８５ｍｍ、長さ９０ｍｍ以上のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）線とし、アスペクト比１０５．９の引き抜き孔を得た。また、図１５の例は、耐熱線として外径０．２８ｍｍ、長さ２２０ｍｍ以上のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）線（１本のみ）を用いたものであり、アスペクト比７８６の引き抜き孔を得た。このように図１５に示すサンプルで、アスペクト比は最大で７８６を確認できた。
　図１３（ａ）は、耐熱線としてステンレス鋼線（外径０．８５ｍｍ）を用いた例、図１３（ｂ）は、銅線（外径１．０ｍｍ）、白金線（外径０．６ｍｍ）、モリブデン線（外径１．０ｍｍ）の耐熱線を組み合わせた例である。もし溶融アルミニウムと耐熱線との間で相互拡散が起きるならば、相互拡散によって形成された合金層の厚みを拡散データから見積もることができる。相互拡散係数ＤＲは、次の式（１）によって評価できる。
　ＤＲ＝ｃＡｌＤＭ＋ｃＭＤＡｌ　・・・（１）
　ここでｃ、Ｄはそれぞれ組成および固有拡散係数である。添字のＡｌとＭはそれぞれアルミニウムと耐熱線金属である。
　融点直上の溶融金属中の拡散係数は１０－９ｍ２／ｓのオーダーであり、固体金属中の拡散係数よりも数桁大きい。したがって、１０－１０ｍ２／ｓ≦ＤＲ≦１０－９ｍ２／ｓである。３６０ｓ（時間ｔ）の拡散距離は、０．４ｍｍ≦２×（Ｄｔ）１／２≦１．２ｍｍと評価できる。このような厚みの合金層が耐熱線とアルミニウムとの間に形成されると、耐熱線が引き抜きにくくなるが、本例では、図１３に示すように、どの金属の耐熱線も同様にスムーズに引き抜くことができた。これは、耐熱線とアルミニウムとの界面に離型剤が介在し、相互拡散による合金層の形成が抑えられたことを示している。
　図１４（ａ）～（ｃ）は、螺旋状やＶ字型の引き抜き孔をもつ貫通孔を設けた例である。図１４（ａ）～（ｃ）の下欄は、それぞれ上欄のものの製造に用いた耐熱線およびプレート型の外形写真である。このような曲線状の孔形態は、本発明の製作法に特有のものである。従来の多孔金属材では、ロータスは一方向凝固を利用し、ドリル、電子ビームも直線的な穿設加工となるため、一方向に伸びる直線状の孔しかできなかった。これに対し、本発明は直線状のみならず曲線状の孔も作製できることが分かる。
　１　有孔鋳造品
　２　耐熱線
　２ａ　端部
　３　鋳型
　４　鋳造物
　４ｂ　側面
　５　治具
　６　治具
　７　ヒーター
　８　線材
　１０　引き抜き孔
　３０　プレート型
　３１　外側型
　９　固体材料

Claims (5)

  1. 　金属又は半導体材料の鋳造品であって、表面に単又は複数の耐熱線引き抜き孔が開口していることを特徴とする有孔鋳造品。
  2. 　前記耐熱線引き抜き孔が貫通孔である、請求項１記載の有孔鋳造品。
  3. 　単又は複数の耐熱線を鋳型内に設け、
    　溶融した金属又は半導体材料を供給して凝固させた後、
    　前記耐熱線を引き抜くことで、単又は複数の耐熱線引き抜き孔が表面に開口した金属又は半導体材料の鋳造品を得ることを特徴とする、
    　有孔鋳造品の製造方法。
  4. 　遅くとも溶融した金属又は半導体材料を供給する前に、あらかじめ前記耐熱線の表面に離型剤を被覆してなる、請求項３記載の有孔鋳造品の製造方法。
  5. 　前記耐熱線が、所定の保形性並びに屈曲変形可能性を備えた金属細線である、請求項３又は４記載の有孔鋳造品の製造方法。
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