(57)【要約】【課題】格子構造が制御されたポーラス金属部材を製造し、提供する。【解決手段】配向した強磁性体金属短繊維の焼結体からなり、空孔率が０．６５以上０．９０以下であり、応力−歪み曲線において、プラトー応力を発現し、降伏応力、緻密化歪み、エネルギー吸収特性に優れた特性を有する、格子構造が制御されたポーラス金属部材、及び強磁性体金属短繊維、例えば、びびり振動切削法により作製された繊維を、静磁場雰囲気中で、磁気トルクにより磁力線と平行に配向させて型に充填し、焼結することからなる、印加磁場の強度及びその分布に応じた格子構造を有するポーラス金属部材の製造方法。【選択図】図３
2006052451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性体金属短繊維を配向した状態で焼結させて格子構造を精密に制御したポーラス金属部材であって、空孔率が０．６５〜０．９０、降伏応力が緻密材と比して１〜１０％、緻密化歪みが４０〜７０％であり、応力−歪み曲線において、プラトー応力を発現する、ことを特徴とする上記ポーラス金属材料。  
【請求項２】
強磁性体金属短繊維が、鉄、コバルト、又はニッケルを主成分とする金属からなることを特徴とする請求項１に記載のポーラス金属材料。
【請求項３】
短繊維が、相当円直径が２０μｍ以上１００μｍ以下、長さが１ｍｍ以上７ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のポーラス金属材料。
【請求項４】
格子構造を精密に制御したポーラス金属材料を製造する方法であって、強磁性体金属短繊維を、静磁場雰囲気中で落下させることにより、磁力線と実質的に平行に配向させた状態で堆積させ、次いで、金属短繊維の堆積物を焼結することを特徴とする上記材料の製造方法。
【請求項５】
強磁性体金属短繊維を、磁場の強度が、０．００５Ｔ以上０．１Ｔ以下である静磁場雰囲気中で、５０ｍｍ以上の距離を落下させることを特徴とする請求項４に記載のポーラス金属材料の製造方法。
【請求項６】
びびり振動切削法により製造された、相当円直径が２０μｍ以上１００μｍ以下、長さが１ｍｍ以上７ｍｍ以下の強磁性体からなる短繊維を使用することを特徴とする請求項４に記載のポーラス金属材料の製造方法。
【請求項７】
強磁性体金属短繊維が、鉄、コバルト、又はニッケルを主成分とする金属からなることを特徴とする請求項４に記載のポーラス金属材料の製造方法。
【請求項８】
前記短繊維の堆積物を圧縮した状態で焼結することにより、空孔率が０．６５〜０．９０、降伏応力が緻密材と比して１〜１０％、緻密化歪みが４０〜７０％であり、応力−歪み曲線において、プラトー応力を発現する、ポーラス金属部材を製造することを特徴とする請求項４に記載のポーラス金属材料の製造方法。
【請求項９】
強磁性体金属短繊維の集合体に、ポーラス金属の相対密度×金属材料の降伏応力の値よりも小さい圧力を印加することを特徴とする請求項４に記載のポーラス金属材料の製造方法。
【請求項１０】
強磁性体金属短繊維の堆積物を焼結する際に、絶対温度において、該短繊維を構成する金属の液相線温度の０．７倍以上、液相線温度以下の温度に加熱することを特徴とする請求項４に記載のポーラス金属材料の製造方法。
【請求項１１】
強磁性体金属短繊維の堆積物を焼結する際に、磁力線の方向に対して平行に加圧して、空孔率を制御することを特徴とする請求項４に記載のポーラス金属材料の製造方法。
【請求項１２】
請求項４から１１のいずれかに記載の方法で作製されたポーラス金属材料を、構成要素として含むことを特徴とするポーラス金属部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御された格子構造を有し、且つ多量の空隙を含む低密度なポーラス金属部材、及びその製造方法に関するものであり、更に詳しくは、強磁性体金属短繊維を配向させた状態で焼結させて格子構造を精密に制御したポーラス金属材料であって、空孔率が０．６５以上０．９０以下であり、応力−歪み曲線において、プラトー応力を発現し、機械的特性に優れ、格子構造が制御されたポーラス金属部材、及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
本発明は、例えば、軽量構造材、断熱防振材、フィルター、触媒担体、電極等の、建築用材料、自動車用材料、化学工業用材等として、その将来性が大きく期待されている、ポーラス金属部材の技術分野において、従来は、ポーラス金属部材を高機能化するのに必要な格子構造を精密に制御することが困難であったことを踏まえ、格子構造と空孔率を精密に制御することを可能とする、新しいポーラス金属部材の製造方法及び該方法で作製された格子構造が制御されたポーラス金属部材を提供するものである。（以下、金属材料を含めて金属部材と記載する。）
【背景技術】
【０００３】
一般に、ポーラス金属とは、緻密体内部に積極的に微細な空隙を導入した金属材料である。ポーラス金属は、空孔率（＝｛１−（当該ポーラス金属の見かけの密度／当該金属緻密材の密度）｝）が０．６０以上になると、低密度で、優れた高エネルギー吸収特性等を示すことから、建築用材料、自動車用材料等の衝撃吸収材料としての適用が期待されている。
【０００４】
図１に、ポーラス金属の外観と、圧縮変形時の応力−歪み曲線を示す。図１下図は、空孔率０．７３、矩形形状（１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍ）の、中炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）製ポーラス金属を、初期歪み速度１．７×１０−３ｓ−１にて圧縮した際の結果である（非特許文献１参照）。衝撃吸収材料に求められる特性としては、（１）吸収エネルギーが大きいこと、（２）内容物に損傷を与えないこと（衝撃吸収体の方が、変形抵抗が大きいこと）、（３）軽量であること、が挙げられる。図１に注目すると、５ＭＰａの低い応力が約５０％の歪みまで一定に続いていることが分かる。このような定応力状態（プラトー域）の出現は、ポーラス金属に特有の現象であり、ポーラス金属が衝撃吸収材料として期待される要因はここにある。
【０００５】
ＧｉｂｓｏｎとＡｓｈｂｙは、塑性崩壊を示すポーラス金属のプラトー応力と密度の関係が、以下の式で表すことができることを示している。
【０００６】
【数１】
2006052451.tif 000003
【０００７】
ここで、σｐｌはプラトー応力、σｙｓは緻密材の降伏応力、ρはポーラス金属の密度、ρｓは緻密材の密度Ａは定数である。本式は、ポーラス金属のプラトー応力は、材料物性（密度と緻密材の応力）と空孔率のみで決定し、ポーラス構造を構成する格子の形状には依存しないことを示している。
【０００８】
これまでのポーラス金属の製造方法は、（１）ポーラス鋳型に溶融金属を流し込み、凝固後、鋳型を崩壊させてポーラス金属を製造する精密鋳造法（例えば、非特許文献２参照））、（２）ポーラス樹脂等の上に金属をメッキしてポーラス金属を製造するメッキ法（例えば、非特許文献３参照）、（３）溶融金属に発泡剤を入れ、気体を発生させた状態のまま凝固することによりポーラス金属を製造する溶湯発泡法（例えば、非特許文献４参照）、（４）固体のまま発泡剤から気体を放出させてポーラス金属を製造する固体発泡法（例えば、特許文献１参照）、（５）微量の高圧の気体を含んだ金属を高温に加熱し、固体状態又は固液共存状態で気体を膨脹させることによりポーラス金属を製造する気体膨脹法（例えば、非特許文献５及び特許文献２参照）、がある。
【０００９】
また、（６）金属粉末とバインダー粉末を圧縮・焼結することにより製造する粉末冶金法（例えば、非特許文献６参照）、（７）金属短繊維を堆積させて焼結させる金属短繊維焼結法（例えば、非特許文献７参照）、（８）金属の切削屑を堆積させて焼結させる金属切削屑焼結法（例えば、特許文献３参照）等がある。上記の手法で作製されてきたポーラス金属の多くは、格子構造の精密な制御が困難な手段（発泡法等）を利用しているため、ポーラス金属の格子構造の殆どは、等方的形状である。
【００１０】
一方、植物繊維、骨等、自然界には、ポーラス構造を有する構造物は多数存在し、それらの格子形状は、必ずしも均一ではない。例えば、人間の骨を例とした場合、骨の外側の格子形状は、微小かつ密であるのに対し、骨内部の格子形状は、比較的粗大である。また、食物繊維は、伸長な格子構造により構成されており、曲げ応力に耐え易い構造となっている。これは、特定の方向の応力に耐えるように構造を進化させた結果であると言える。すなわち、ポーラス金属においても曲げ応力を有効に向上させたり、エネルギー吸収特性を特定の方向に対して向上させたりするためにも、ポーラス構造の格子構造の制御は、その高機能化に必要な技術であると言える。
【００１１】
以上検討した従来技術の中では、前記（１）、（２）の手法を利用すればポーラス金属の格子構造を制御することは可能である。（１）では、ポーラス鋳型に予め構造を制御した格子を転写することにより、（２）では、ポーラス樹脂の格子構造を予め制御しておくことにより、格子構造の制御が可能である。しかしながら、（１）、（２）による手法では、予め格子構造を制御した、鋳型、ポーラス樹脂等を、仕様に合わせて用意する必要があり、これらの手法は、プロセスの煩雑化は避けられない欠点を有している。
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−３４２５０３号公報
【特許文献２】特開２００４−４３９３７号公報
【特許文献３】特開２００３−１０５４０６号公報
【非特許文献１】Ｙ．Ｃｈｉｎｏ  ｅｔ  ａｌ．：  Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．，Ｖｏｌ．１７（２００２）  ｐ．２７８３
【非特許文献２】Ｙ．Ｙａｍａｄａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．ｏｆ  Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．  Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．１８（１９９９），ｐ．１４７７
【非特許文献３】Ｍ．Ｏｔｓｕｋａ  ｅｔ  ａｌ．Ｐｒｏｃ．３ｒｄ．Ｊａｐａｎ  Ｉｎｔ．ＳＡＭＰＥ  Ｓｙｍｐ，Ｄｅｃ．７−１０，１９９３，ｐ．８８７
【非特許文献４】上野ら，軽金属，Ｖｏｌ．３７（１９８７），ｐ．４２
【非特許文献５】Ｄ．Ｔ．Ｑｕｅｈｅｉｌｌａｌｔ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｍｅｔａｌｌ．  Ｍａｔｅｒ．Ｔｒａｎｓ．Ａ，Ｖｏｌ．３１Ａ（２０００），ｐ．２６１
【非特許文献６】Ｃ．Ｅ．Ｗｅｎ  ｅｔ  ａｌ．，Ｓｃｒｉｐｔａ．Ｍａｔｅｒ．Ｖｏｌ．４５（２００１），ｐ．１１４７
【非特許文献７】鈴木清ら，工業材料，Ｖｏｌ．３０（１９８０）Ｎｏ．１０，ｐ．１０４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、ポーラス金属の格子構造を精密に制御した新しいポーラス金属部材を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、強磁性体金属短繊維を、静磁場雰囲気中で、磁力線と実質的に平行に配向した状態で堆積させることにより、印加磁場強度及びその分布に応じて制御された格子構造を有する堆積物が形成され、その堆積物を焼結することにより、格子構造を精密に制御したポーラス金属部材を製造することが可能であることを見出し、本発明のポーラス金属部材及びその製造方法に係る発明を完成させるに至った。
【００１４】
即ち、本発明は、その格子構造が精密に制御された、強磁性体金属短繊維焼結体からなるポーラス金属部材であって、空孔率が０．６５以上０．９０以下であり、応力−歪み曲線において、プラトー応力を発現する、機械特性に優れたポーラス金属部材を製造し、提供することを目的とするものである。また、本発明は、強磁性体金属短繊維を、静磁場雰囲気中で、磁力線と実質的に平行に配向した状態で堆積させることにより、印加磁場強度及びその分布に応じた格子構造を有する堆積物が形成され、その堆積物を焼結することにより、格子構造を精密に制御したポーラス金属部材を製造することを目的とするものである。また、本発明は、ポーラス金属部材の格子構造を精密に制御することにより、曲げ応力及びエネルギー吸収特性を特定の方向に対して向上させることが可能なポーラス金属部材の製造方法を提供することを目的とするものである。
【００１５】
また、本発明は、有効なプラトー応力を発現させることが可能なポーラス金属部材を、比較的簡便な手法により作製する方法を提供することを目的とするものである。また、本発明は、びびり振動切削法により作製された強磁性体金属短繊維を使用して、格子構造を制御したポーラス金属を製造することを目的とするものである。また、本発明は、強磁性体金属短繊維を静磁場雰囲気中で型に充填する工程で格子構造の制御が可能であり、低コスト、短時間にて格子構造が制御されたポーラス金属を作製することを可能とするポーラス金属部材の製造方法を提供することを目的とするものである。更に、本発明は、例えば、軽量構造材、断熱、防震材等との機能を有し、建築用材、自動車用材等として有用な、ポーラス金属部材を製造し、提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）強磁性体金属短繊維を配向した状態で焼結させて格子構造を精密に制御したポーラス金属部材であって、空孔率が０．６５〜０．９０、降伏応力が緻密材と比して１〜１０％、緻密化歪みが４０〜７０％であり、応力−歪み曲線において、プラトー応力を発現する、ことを特徴とする上記ポーラス金属材料。
（２）強磁性体金属短繊維が、鉄、コバルト、又はニッケルを主成分とする金属からなることを特徴とする上記（１）に記載のポーラス金属材料。
（３）短繊維が、相当円直径が２０μｍ以上１００μｍ以下、長さが１ｍｍ以上７ｍｍ以下であることを特徴とする上記（１）に記載のポーラス金属材料。
（４）格子構造を精密に制御したポーラス金属材料を製造する方法であって、強磁性体金属短繊維を、静磁場雰囲気中で落下させることにより、磁力線と実質的に平行に配向させた状態で堆積させ、次いで、金属短繊維の堆積物を焼結することを特徴とする上記材料の製造方法。
（５）強磁性体金属短繊維を、磁場の強度が、０．００５Ｔ以上０．１Ｔ以下である静磁場雰囲気中で、５０ｍｍ以上の距離を落下させることを特徴とする上記（４）に記載のポーラス金属材料の製造方法。
（６）びびり振動切削法により製造された、相当円直径が２０μｍ以上１００μｍ以下、長さが１ｍｍ以上７ｍｍ以下の強磁性体からなる短繊維を使用することを特徴とする上記（４）に記載のポーラス金属材料の製造方法。
（７）強磁性体金属短繊維が、鉄、コバルト、又はニッケルを主成分とする金属からなることを特徴とする上記（４）に記載のポーラス金属材料の製造方法。
（８）前記短繊維の堆積物を圧縮した状態で焼結することにより、空孔率が０．６５〜０．９０、降伏応力が緻密材と比して１〜１０％、緻密化歪みが４０〜７０％であり、応力−歪み曲線において、プラトー応力を発現する、ポーラス金属部材を製造することを特徴とする上記（４）に記載のポーラス金属材料の製造方法。
（９）強磁性体金属短繊維の集合体に、ポーラス金属の相対密度×金属材料の降伏応力の値よりも小さい圧力を印加することを特徴とする上記（４）に記載のポーラス金属材料の製造方法。
（１０）強磁性体金属短繊維の堆積物を焼結する際に、絶対温度において、該短繊維を構成する金属の液相線温度の０．７倍以上、液相線温度以下の温度に加熱することを特徴とする上記（４）に記載のポーラス金属材料の製造方法。
（１１）強磁性体金属短繊維の堆積物を焼結する際に、磁力線の方向に対して平行に加圧して、空孔率を制御することを特徴とする上記（４）に記載のポーラス金属材料の製造方法。
（１２）上記（４）から（１１）のいずれかに記載の方法で作製されたポーラス金属材料を、構成要素として含むことを特徴とするポーラス金属部材。
【００１７】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、格子構造が制御されたポーラス金属部材、及び比較的簡便な手法により格子構造が制御されたポーラス金属を製造する方法を提供するものである。本発明は、強磁性体金属短繊維、例えば、びびり振動切削法により作製された短繊維を、磁場雰囲気中で型に充填し、その後に、短繊維を焼結することによりポーラス金属部材を製造するものであり、印加磁場の強度及びその分布を制御することによりポーラス金属部材の格子構造を制御することを特徴とするものである。
【００１８】
本発明では、金属短繊維を、静磁場雰囲気中で型に充填するだけで格子構造の制御が可能であり、低コスト、短時間にて、格子構造が制御されたポーラス金属を作製することが可能である。本発明の、格子構造が制御されたポーラス金属部材は、空孔率が０．６５〜０．９０、降伏応力が緻密材と比して１〜１０％、緻密化歪みが４０〜７０％の範囲にある。その他の物性としては、単位体積当たりの吸収エネルギーが、おおよそ４×１０−３〜７×１０−２σｙｓの範囲にある。σｙｓは緻密材の降伏応力を示す。なお、ポーラス金属が吸収可能な単位体積当たりの衝撃吸収エネルギー（Ｗ）は、以下の式により表すことができる。
【００１９】
【数２】
2006052451.tif 000004
【００２０】
ここで、σｐｌはプラトー応力を、εは歪を、ε１は緻密化歪を表す。本発明の、ポーラス金属部材の製造方法では、いかなる材質、形状の繊維であっても、強磁性体金属短繊維に含まれるものであれば使用可能である。以下に、びびり振動切削法により作製した強磁性体金属短繊維を使用して、ポーラス金属部材を製造した例について詳細に説明する。しかし、本発明は、これに制限されるものではない。
【００２１】
本発明者らは、ポーラス金属部材の格子構造を制御する手法として、びびり振動切削法により作製された金属短繊維を型内で堆積させ、金属短繊維を焼結する手法（金属短繊維焼結法）に注目した。びびり振動切削法とは、通常、有害であるとされる旋削中のびびり振動現象を逆に利用して、金属短繊維を切削法により作製するものである（例えば、  工業材料，Ｖｏｌ．３０（１９８２）Ｎｏ．１０，ｐｐ．１０４−１０８参照）。この手法を利用すると、相当円直径が２０μｍ以上１００μｍ以下、長さが１ｍｍ以上７ｍｍ以下の直線状の金属短繊維を比較的安価かつ多量に作製することが可能である。各形状の低炭素鋼（Ｓ１５Ｃ）による金属短繊維の外形を図２に示す。
【００２２】
びびり振動切削法により作製された金属短繊維の主な用途としては、ブレーキパッド等の摩擦材、耐火物のフィラー材が挙げられる（例えば、鹿野ら：耐火物，４０（１９８８）  Ｎｏ．７，ｐｐ．１８−２５．）。上記用途は、複合材料のマトリクスとしての用途である。一方、金属短繊維のみを堆積させた状態で焼結し、多孔質を作製する手法も提案されており、電池用電極としての適用が提案されている（例えば、特開平９−１４３５１０号公報参照）。
【００２３】
そこで、発明者らは、びびり振動切削法による金属短繊維の形状が針状であることに着目した。すなわち、強磁性体からなる金属短繊維の集合体を、磁気トルクにより磁力線と平行に配向した状態で焼結させることにより、格子形状を磁力線の方向に傾斜させたポーラス金属を創製することが可能であることを見出した。強磁性体の金属短繊維が磁場中で配向する原理は、強磁性体が有する形状磁気異方性に起因するものであり、方位磁石がＮ極を指すのと同じ原理である。
【００２４】
しかしながら、短繊維を金型内部等に堆積した状態で静磁場を印加した場合は、磁気トルクに起因する短繊維の回転運動は他の短繊維により妨げられるため、飽和磁化に近い強磁場を印加したとしても、繊維の挙動を制御することは困難である。そこで、本発明者らは、型に充填する最中の短繊維に磁場を印加することにより、短繊維の磁気トルクによる回転運動を効果的に行い、金属短繊維が配向された形で型内部に充填させる方法を創出した。本発明の概念図を図３に示す。本発明は、強磁性体からなる金属短繊維を静磁場雰囲気中にて落下させ、磁気トルクにより磁力線に対して短繊維を平行に配向させつつ、型内部に金属短繊維を充填し、充填を完了した型とともに試料を焼結することによりポーラス金属部材を作製するものである。
【００２５】
一連の実験的検証より、強磁性体である金属短繊維の形状（相当円直径及び長さ）、印加する静磁場の強度、落下距離等を制御することにより、格子構造を磁力線の方向に配向させた状態で型内に効果的に充填する知見を得た。この場合、具体的には、金属短繊維の相当円直径を２０μｍ以上１００μｍ以下、長さを１ｍｍ以上７ｍｍ以下とすること、印加磁場強度を０．００５Ｔ以上０．１Ｔ以下とすること、落下距離を５０ｍｍ以上とすること、が好適である。
【００２６】
本発明で利用できる短繊維を、例えば、相当円直径を２０μｍ以上１００μｍ以下、長さを１ｍｍ以上７ｍｍ以下としたのは、びびり振動切削法により作製される短繊維が上記形状の範囲にあるためであり、いずれの形状の短繊維も当該手法により配向させつつ焼結することが可能である。静磁場強度を０．００５Ｔ以下に設定すると、他の外乱（空気抵抗及びローレンツ力による外乱）により金属短繊維を落下中に配向させることが困難である。また、静磁場の強度を０．１Ｔ以上に設定してもエネルギー効率を低下させるだけであり、好ましくない。短繊維の落下距離は、一連の実験結果より、５０ｍｍ以上の落下距離を設定することが望ましいことが判明した。
【００２７】
上記手法により型に充填した金属短繊維の集合体に、圧力を印加しつつ焼結を行うことにより、焼結後のポーラス金属の空孔率を制御することが可能である。焼結後のポーラス金属の空孔率が０．６５になるまで試料を圧縮すると、衝撃吸収特性（プラトー応力の発現）が表れなくなる。空孔率を０．６５以上０．９０以下、好ましくは０．７０以上０．８５以下に制御することにより、有効なプラトー応力を発現するポーラス金属が作製可能である。短繊維の集合体に印加する圧力の目安としては、対象とする金属材料の降伏応力に、ポーラス金属の相対密度（１−空孔率）をかけた値が挙げられ、その値よりも小さい圧力を印加するのが好適である。
【００２８】
静磁場雰囲気中の金属短繊維は、磁力線と平行に揃うため、型内部に金属短繊維を効率良く充填するためには、磁力線の方向に対して平行に加圧した方がポーラス金属部材の空孔率を制御するのに有利である。一連の手法により、印加磁場強度、焼結時の圧力を制御することにより、焼結後のポーラス金属部材の格子構造及び空孔率を制御したポーラス金属部材を作製することが可能である。
【００２９】
型内部に充填を完了した金属短繊維の焼結法としては、公知の金属短繊維又は粉末の焼結法を利用すれば良い。好ましくは、真空、不活性、酸素還元雰囲気の選ばれた１種の雰囲気にて、絶対温度において該金属短繊維を構成する金属の固相線（液相線）温度の０．７倍以上から固相線（液相線）以下の温度にて該短繊維を焼結するのが好適である。
【００３０】
本発明のポーラス金属部材の製造方法には、強磁性体金属短繊維であればいずれの短繊維でも利用可能であり、例えば、びびり振動切削法により作製された短繊維が好適である。焼結体の形状も型形状を制御することにより自在に制御可能である。また、印加磁場の強度及び焼結時の圧力を制御することにより、焼結体の格子構造及び空孔率を自由に制御することが可能である。更に、適用可能な強磁性体としては、例えば、鉄、ニッケル、コバルトを主成分とする材料が好適であるが、強磁性体金属である限り、その組成を限定するものではない。
【発明の効果】
【００３１】
本発明により、（１）例えば、びびり振動切削法により作製された安価な金属短繊維を静磁場中で堆積することにより、簡便かつ安価なプロセスにより格子構造を制御したポーラス金属部材を製造し、提供することができる、（２）格子構造を精密に制御したポーラス金属部材を提供することができる、（３）格子構造を制御することにより、曲げ強度、エネルギー吸収特性等を特定の方向に向上させたポーラス金属部材を提供することができる、（４）印加した磁場の強度及びその分布を制御するだけでポーラス金属部材の格子構造を制御することができる、（５）金属短繊維を型に充填する際に格子構造を制御することにより、空孔率を制御することができ、プラトー応力を発現したポーラス金属部材を提供することができる、（６）軽量であるとともに、エネルギー吸収性や振動吸収性に優れ、金属特有の優れたリサイクル性を有したポーラス金属部材を提供することができる、更に、（７）例えば、軽量構造材、断熱、防振材として有用な、建築用材料、自動車用材料等を提供することができる、という格別の効果が奏される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例により何ら限定されるものではない。ここでは、強磁性体金属短繊維として、低炭素鋼（Ｓ１５Ｃ）をびびり振動切削法に供して作製された金属短繊維を使用して、ポーラス金属を作製した例について具体的に説明する。なお、Ｓ１５Ｃの組成は、“ＪＩＳ  Ｇ４０５１機械構造用炭素鋼鋼材”に従う。
【実施例１】
【００３３】
本実施例では、各種金属短繊維の静電磁場中での挙動を調査した。図２に示す４種類のＳ１５Ｃ短繊維を、最大磁束密度０．１Ｔの商用マグネットの約１ｍ上空から落下させた際の短繊維の挙動を高速度カメラで測定し、各種金属短繊維の落下中の挙動を調査した。図４に金属短繊維の挙動を調査するための実験系及び実験結果の一部を示す。図４左図は、鉛直方向の磁束密度分布を示す。マグネットより６０ｍｍ上空での磁束密度は０．００５Ｔであった。また、マグネット直上の磁束密度は０．１Ｔであった。
【００３４】
図４右図は、φ９０?ｍ×３ｍｍの短繊維を、マグネット上部に落下させた際の短繊維の挙動を示している。短繊維は、マグネットより約５０ｍｍ上部から磁気トルクによる回転を開始し、約４０ｍｍ上部（約０．００７秒後）で回転を完了した。すなわち、約０．００６Ｔの磁場により短繊維の回転が可能であることが確認された。
【００３５】
他のＳ１５Ｃ短繊維（φ３０μｍ×２ｍｍ、φ６０μｍ×３ｍｍ、φ９０μｍ×６ｍｍ）も、マグネットより５０ｍｍ上方から短繊維の回転が確認され、マグネットの１０ｍｍ上方に到達するまでに回転を完了した。すなわち、約０．００５Ｔ以上の磁場を印加し、静磁場中での落下距離を約５０ｍｍ以上に設定することにより、強磁性体金属短繊維の回転が可能であることを確認した。
【実施例２】
【００３６】
本実施例では、金属短繊維の焼結温度を調査した。そのために、図２に示すφ９０μｍ×３ｍｍのＳ１５Ｃ金属短繊維の焼結を実施した。図５に示すφ２０ｍｍ×２０ｍｍのグラファイト型に当該短繊維を１２ｇ充填し、荷重（２０ｋＮ）を図５に示す方向より型に印加しつつ、温度１４０３Ｋ（融点（Ｔｍ＝１７９６Ｋ）の０．７８倍）にて焼結を実施した。なお、焼結時の雰囲気は真空（５×１００Ｐａ）とした。焼結体の外観及び焼結体のＳＥＭによる断面写真を図６（１）及び（２）に示す。拡散接合により金属短繊維同士が結合することによりポーラス金属が形成されていることが分かる。なお、ポーラス金属の空孔率は０．７５であった。
【００３７】
作製されたφ２０ｍｍ×２０ｍｍのポーラス金属部材の、初期歪み速度８．８×１０−４  ｓ−１で常温圧縮試験に供した際の応力−歪み曲線常温圧縮特性を図６（３）に示す。公称歪み０．４まで５〜２０ＭＰａの低応力の領域（プラトー領域）が確認でき、ポーラス金属部材が衝撃吸収特性を有することが分かる。次に、焼結温度のみを、９５１Ｋ〜１，４３３Ｋ（０．５３  Ｔｍ〜０．８  Ｔｍ）と変化させてポーラス金属部材の作製を実施した。また、作製されたポーラス金属部材の常温圧縮特性を測定し、プラトー応力の出現の有無を調査した。その結果を表１に示す。焼結温度を融点の約０．７倍以上に設定することにより有効なプラトー応力が現れた。なお、ポーラス金属の焼結特性は磁場を印加しても変化しなかった。
【００３８】
【表１】
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【実施例３】
【００３９】
本発明により作製されたポーラス金属部材の空孔率を調査した。φ２０ｍｍ×Ｌ２０ｍｍのグラファイト型の１ｍ上空より、図２に示される各形状のＳ１５Ｃ短繊維を落下させ、所定重量の短繊維を型内に充填した。グラファイト型の下部には最大磁束密度０．１Ｔのマグネットが配されており、Ｓ１５Ｃ短繊維を空中で配向させつつ充填した。次に、Ｓ１５Ｃを充填したグラファイト型に、磁力線と平行方向に２０ｋＮの荷重を印加しつつ、温度１４０３Ｋ（融点（Ｔｍ）の０．７８倍）で焼結を行うことによりポーラス金属部材を作製した。焼結時の雰囲気は真空（５×１００Ｐａ）とした。
【００４０】
図７（１）に、φ９０μｍ×３ｍｍの短繊維１２ｇを焼結した際のポーラス金属部材の外観を示す。比較例として、図７（２）に、図６（１）の拡大図を示す。マグネットにより短繊維を配向させた試料（図７（１））に関しては、短繊維が鉛直方向に揃って焼結されていることが確認される。一方、マグネットを利用せずに短繊維を焼結した試料（図７（２））に関しては、短繊維が無秩序に配されていることが分かる。表２に各種ポーラス金属部材の空孔率をまとめて示す。短繊維の形状及び、型に充填する短繊維の重量を制御することにより空孔率を約０．６５から約０．９０まで制御可能であった。
【実施例４】
【００４１】
本実施例では、静磁場の雰囲気中及び静磁場の無い雰囲気中で作製した金属部材の応力歪曲線を対比検討した。表２に示される直径２０ｍｍ、高さ２０ｍｍのポーラス金属部材を歪み速度８．８×１０−４ｓ−１にて常温圧縮試験に供した。比較のため、グラファイト型下部にマグネットを配せずに短繊維を充填し、焼結した試料の常温圧縮特性も調査した。それぞれの応力−歪み曲線を比較し、常温圧縮特性に及ぼす磁場印加の効果を調査した。代表例として、φ９０μｍ×３ｍｍのＳ１５Ｃ短繊維による直径２０ｍｍ、高さ２０ｍｍのポーラス金属部材を、初期歪み速度８．８×１０−４ｓ−１にて常温圧縮試験に供した際の常温圧縮特性を図８に示す。試料重量は１２ｇである。マグネットにより短繊維を配向させた試料（Ｂ≠０）の降伏応力は４．７ＭＰａ、緻密化歪みは６７％であった。ここで、緻密化歪みとは、応力が８０ＭＰａに到達するまでの歪みを示す。
【００４２】
一方、短繊維を配向させずに焼結した試料（Ｂ＝０）の降伏応力は２．２ＭＰａ、緻密化歪みは６１％であった。マグネットを利用し、短繊維を配向させることにより降伏応力の増加、緻密化歪みの増加することが確認された。それぞれの試料の空孔率は同じであることから、降伏応力及び緻密化歪みの増加は、ポーラス金属部材を構成する短繊維の配置が、磁場印加に伴い磁力線と平行に配向したためと考慮される。なお、図８に示される降伏応力及び緻密化歪みの増加は、表２に示されるいずれのポーラス金属部材においても確認された。すなわち、磁場印加という、比較的簡便な手法により格子構造が制御されたポーラス金属部材を作製可能であることを明らかにした。
【００４３】
【表２】
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【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上詳述したように、本発明は、強磁性体製ポーラス金属部材及びその製造方法に係るものであり、本発明により、強磁性体金属短繊維が配向された、空孔率が０．６５以上０．９０以下であり、応力−歪み曲線において、プラトー応力を発現する、機械特性に優れた、格子構造が制御されたポーラス金属部材を提供することができる。また、本発明により、強磁性体金属短繊維を、静磁場雰囲気中で、磁力線と実質的に平行に配向した状態で堆積させ、次いで、その短繊維堆積物を焼結することにより、ポーラス金属部材の格子構造を、印加磁場強度及びその分布に応じて、精密に制御することが可能なポーラス金属部材の製造方法を提供することができる。本発明は、制御された格子構造を有し、且つ多量の空隙を含む低密度なポーラス金属部材を製造し、提供することを可能とするものである。従来、ポーラス金属部材を製造するにあたっては、その格子構造を制御することは困難であり、格子構造を簡便に制御する技術が求められていたが、本発明は、印加磁場の強度及び分布を制御するだけで、ポーラス金属部材の格子構造を簡便に制御することを可能とし、有効なプラトー応力を発現した、エネルギー吸収特性、曲げ応力等が特定の方向に優れた金属部材を提供することを可能とするものである。更に、本発明は、例えば、軽量構造材、断熱防振材、フィルター、触媒担体等の材料として、建築、自動車工業、化学工業等の技術分野において有用な、格子構造及び空孔率が制御された新しいポーラス金属部材を製造し、提供するものとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】ポーラス金属の外観（上図）と該ポーラス金属の常温圧縮特性（下図）を示す。
【図２】びびり振動切削法により作製された、低炭素鋼（Ｓ１５Ｃ）による金属短繊維の外観を示す。（１）は相当円直径φ３０μｍ長さ２ｍｍ、（２）は相当円直径φ６０μｍ長さ３ｍｍ、（３）は相当円直径φ９０μｍ長さ３ｍｍ、（４）は相当円直径φ９０μｍ長さ６ｍｍの金属短繊維の外観、を示す。
【図３】本発明の基本概念を示すものであり、強磁性体からなる金属短繊維を静磁場雰囲気中で落下させ、磁気トルクにより磁力線に対して短繊維を平行に配向させつつ、型内部に金属短繊維を充填し、充填を完了した型とともに試料を焼結することによりポーラス金属部材を作製するプロセスを示す。
【図４】最大磁束密度０．１Ｔの上方よりＳ１５Ｃ製短繊維を落下させた際の、短繊維の挙動を示す。左図は、利用したマグネットの鉛直方向の磁束密度分布を示し、右図は、短繊維の挙動を高速度カメラにより撮影した画像を示す。
【図５】本発明で、直径２０ｍｍ、高さ２０ｍｍの円柱状ポーラス金属を焼結するために利用したグラファイト型の外形を示す。
【図６】（１）はＳ１５Ｃ短繊維を焼結することにより作製された、空孔率０．７５のポーラス金属の外観を示し、（２）は該ポーラス金属のＳＥＭによる断面画像を示し、（３）  は常温圧縮試験に供した際の応力−歪み曲線を示す。
【図７】（１）はマグネット上方からＳ１５Ｃ短繊維を落下させつつ、短繊維を型に充填し、その後に焼結を行った本発明のポーラス金属部材の外観を示し、（２）はマグネットを利用せずに短繊維を型に充填し、その後に焼結を行った比較例のポーラス金属の外観を示す。
【図８】実施例３で作製したポーラス金属部材（図７）の常温圧縮特性を示す。
【図８】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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