(57)【要約】【課題】高い強度を有する軽量構造材を少ない工程で製造する方法を提供する。【解決手段】少なくとも金属ろう粉末と発泡剤粉末とを含む粉末を混合して所要形状の発泡用基材２に固形化し、この発泡用基材２を金属製中空材１の内部に配置し、前記中空材１の内面にフラックスを供給するとともに加熱することにより、前記発泡用基材２を発泡させて金属発泡体３を形成すると同時に中空材１内部に充填し、かつ中空材１内部に金属発泡体３を一体にろう付接合することにより軽量構造材Ｓを製造する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも金属ろう粉末と発泡剤粉末とを含む粉末を混合して所要形状の発泡用基材に固形化し、この発泡用基材を金属製中空材の内部に配置し、前記中空材の内面にフラックスを供給するとともに加熱することにより、前記発泡用基材を発泡させて金属発泡体を形成すると同時に中空材内部に充填し、かつ中空材内部に金属発泡体を一体にろう付接合することを特徴とする軽量構造材の製造方法。
【請求項２】
前記中空材はアルミニウムまたはアルミニウム合金である請求項１に記載の軽量構造材の製造方法。
【請求項３】
前記金属ろうはアルミニウム合金である請求項１または２に記載の軽量構造材の製造方法。
【請求項４】
前記金属ろうはＡｌ−Ｓｉ系合金である請求項３に記載の軽量構造材の製造方法。
【請求項５】
前記発泡剤は水素化チタンまたは炭酸カルシウムである請求項１〜４のいずれかに記載の軽量構造材の製造方法。
【請求項６】
前記フラックスを粉末状として発泡用基材中に混合し、発泡によってフラックスを中空材内面に供給する請求項１〜５のいずれかに記載の軽量構造材の製造方法。
【請求項７】
前記フラックスは非腐食性フラックスである請求項１〜６のいずれかに記載の軽量構造材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、軽量でありながら高剛性を有する部材、例えば車輌等の輸送機器分野、建築・土木分野、その他産業機器分野で用いられる軽量構造材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
構造材として用いられる高剛性の軽量部材は、軽量化の観点から多くの開発がなされ、その一つとして発泡金属の利用が試みられている。
【０００３】
発泡金属は、多数の気泡を含有する金属体であってその材質や用途等によって種々の製造方法が開発されている。
【０００４】
例えば、溶融金属にガスを強制的に固溶させて凝固させる方法、溶融金属に発泡助剤を添加した発泡助剤添加溶融金属をコンテナに収容し、発泡によるコンテナ内の内圧上昇によって線状に押出す方法がある（例えば特許文献１、２参照）。
【０００５】
また、発泡金属の表面を他の材料で被覆する方法も多く開発されており、例えば次のような方法がある。
【０００６】
別工程で製作した発泡金属ピースを一体に鋳包む車体構成部品の製造方法がある（例えば特許文献３参照）。また、金属の発泡と被覆を同時に行う方法も開発されている。例えば、金属粉末と発泡剤粉末の混合物を線材に塑性加工し、この線材を金属パイプで被覆し、これを加熱して金属パイプ内に発泡金属を充満させて発泡金属複合金属線を製造する方法（特許文献４参照）、金属粉末と発泡剤粉末の混合成形体を中空材内に配置し、加熱により発泡させて中空材に一体化させた曲げ加工材料（特許文献５参照）、加工素材内に金属粉末と発泡剤粉末の混合成形体を配置し、加熱により発泡させ、加工素材に一体化させるとともに発泡圧力によりバルジ加工を行う方法（特許文献６参照）等がある。
【０００７】
また、上述した発泡金属を構造材として使用するには、他の部材と接合または溶接する必要があり、発泡アルミニウム部材とアルミニウム部材との接合方法として、弗化物フラックスを用いるろう付方法がある（例えば特許文献７参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平６−２０５６号公報（請求項１、図１）
【０００９】
【特許文献２】
特開平７−１４５４３４号公報（請求項１、図１）
【００１０】
【特許文献３】
特開２０００−３５１０５６号公報（請求項１）
【００１１】
【特許文献４】
特開平７−２３３４０５号公報（請求項１、図１）
【００１２】
【特許文献５】
特開２０００−１５３５１号公報（請求項１、図１）
【００１３】
【特許文献６】
特開２０００−１５３５５号公報（請求項１、図１、図２）
【００１４】
【特許文献７】
特開昭６３−７６７５８号公報（請求項１）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発泡金属単独では成形上の制約が多く、構造部材として他部材と組合せたり接合するための形状を得るには製造上の困難や多大な手数を伴う。また、発泡による表面凹凸も他部材と組合せや接合を困難なものとしている。さらに、発泡金属を他部材とろう付するとしても、発泡金属表面の凹凸によって十分な密着性が得られないし、作業性も悪い。特に複雑断面形状の発泡金属に対しては被覆が困難であり、高い密着性も得難い。
【００１６】
また、金属粉末と発泡剤粉末の混合成形体を中空材内に配置した後に発泡させる方法においても現状では十分な密着性が得られない。このため、特許文献４に記載されているような直径数ｍｍの線材用途や特許文献５に記載されているような曲げ加工時の断面変形の防止目的では必要強度が得られたとしても、車輌や建築用の構造材としては十分な強度が得られない。
【００１７】
この発明は、上述した技術背景に鑑み、高い強度を有する軽量構造材を少ない工程で製造できる軽量構造材の製造方法の提供を目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。すなわち、
（１）少なくとも金属ろう粉末と発泡剤粉末とを含む粉末を混合して所要形状の発泡用基材に固形化し、この発泡用基材を金属製中空材の内部に配置し、前記中空材の内面にフラックスを供給するとともに加熱することにより、前記発泡用基材を発泡させて金属発泡体を形成すると同時に中空材内部に充填し、かつ中空材内部に金属発泡体を一体にろう付接合することを特徴とする軽量構造材の製造方法。
（２）前記中空材はアルミニウムまたはアルミニウム合金である前項１に記載の軽量構造材の製造方法。
（３）前記金属ろうはアルミニウム合金である前項１または２に記載の軽量構造材の製造方法。
（４）前記金属ろうはＡｌ−Ｓｉ系合金である前項３に記載の軽量構造材の製造方法。
（５）前記発泡剤は水素化チタンまたは炭酸カルシウムである前項１〜４のいずれかに記載の軽量構造材の製造方法。
（６）前記フラックスを粉末状として発泡用基材中に混合し、発泡によってフラックスを中空材内面に供給する前項１〜５のいずれかに記載の軽量構造材の製造方法。
（７）　前記フラックスは非腐食性フラックスである前項１〜６のいずれかに記載の軽量構造材の製造方法。
【００１９】
図１に例示する軽量構造材（Ｓ）はこの発明の方法によって製造されたものであり、金属製中空材（１）の内部に金属ろうの発泡体（３）が一体にろう付接合された状態で充填されたものである。以下に、この軽量構造材（Ｓ）の構成および製造方法について詳述する。
【００２０】
中空材（１）を構成する金属は特に限定されず、アルミニウム、鉄、銅またはこれらの合金を例示できる。これらの中でも軽量である点でアルミニウムまたはアルミニウム合金が好ましい。さらに、高強度であり、かつ後述の発泡体（３）との接合性が良好である、換言すればろう付性が良好である点でＪＩＳ　６０００系Ａｌ合金、１０００系Ａｌ合金、３０００系Ａｌ合金を推奨できる。
【００２１】
前記中空材の中空部形状や外部形状も何ら限定されない。図２（Ａ）〜（Ｅ）に中空材の断面形状例を示す。図（Ａ）は図１と同じく断面円形のパイプ（１）、図（Ｂ）（Ｃ）は断面長方形のパイプ（１１）、図（Ｄ）（Ｅ）は中空部内にリブ（１３）が突設されたパイプ（１２）である。また、長さ方向において断面積が変化するテーパ管であっても良いし、中空材の肉厚が横断面および長さ方向において変化するものであっても良い。また、横断面または長さ方向において複数の中空部を有するものであっても良い。さらに、中空部が曲がり形状のものであっても良い。
【００２２】
発泡体（３）の形成は、例えば、まず金属ろう粉末と発泡剤とを混合して発泡用基材（２）を製作し、この発泡用基材（２）を前記中空材（１）の内部に配置した状態で加熱することにより行う（図１参照）。
【００２３】
発泡体を構成する金属は、中空材よりも低融点の金属ろうを使用する。例えば、中空材がアルミニウムまたはアルミニウム合金である場合は、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｚｎ系合金、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｍｇ系合金等のアルミニウム合金を用いることができる。これらの中でも、Ａｌ−Ｓｉ系合金が好ましく、特に８〜１２質量％のＳｉを含む組成が好ましい。
【００２４】
なお、発泡用基材は粉末で調製するため、金属ろうとして合金粉末を使用する他、Ａｌ、Ｓｉ等の金属単体粉末を合金組成の割合で混合するものとし、その後の加熱によって発泡とともに溶融合金化することもできる。
【００２５】
発泡剤は、水素化チタン、炭酸カルシウム、水素化ジルコニウム等の金属水素化物あるいは金属の炭酸塩、さらには有機系炭素鎖体等を例示できる。これらのうちでも、発泡効率が良く、取扱いが容易である点で、水素化チタンまたは炭酸カルシウムが好ましい。しかもこれらは入手が容易である点でも有利である。
【００２６】
上述した金属ろう粉末と発泡剤粉末とを所定割合で混合して発泡用基材を作製する。発泡用基材は、混合粉末を圧粉成形して固形化し、要すればさらに、中空材形状に応じて圧粉成形体を押出や圧延等の塑性加工により各種形状に成形することが好ましい。成形時には、発泡剤の発泡開始温度より低い温度であれば加熱することもできる。発泡用基材は、固形化されているためハンドリングは容易であり、体積が小さいから中空材内への挿入配置も容易に行える。また、発泡によって成形がなされるから、複雑形状の中空材に対しても発泡用基材は単純形状で良いし、形状の異なる中空材に対しても共通の発泡用基材を用いることもできる。
【００２７】
図２（Ａ）〜（Ｅ）に発泡用基材の断面形状と中空材における配置例を示す。図（Ａ）は円形パイプ（１）内に配置された断面円形の発泡用基材（２）、図（Ｂ）は断面長方形のパイプ（１１）内に配置された断面楕円形の発泡用基材（２１）、図（Ｃ）は断面長方形のパイプ（１１）内に配置された断面長方形の発泡用基材（２２）、図（Ｄ）はリブ（１３）付きのパイプ（１２）内に配置された断面円形の発泡用基材（２３）と楕円形の発泡用基材（２４）、図（Ｅ）はリブ（１３）付きのパイプ（１２）の中央に配置された断面十字形の発泡用基材（２５）である。
【００２８】
そして図１に示すように、中空材（１）内部に発泡用基材（２）を配置し、中空材（１）の開口部を閉塞した状態で加熱し、発泡体（３）を形成する。この方法によれば、発泡用基材（２）の体積膨脹により発泡体（３）が中空部の形状に倣った形状に成形され、中空材（１）の形状にかかわらず隙間なく密着状態で充填することができ、中空材（１）内部にろう付接合されてこれらが一体化する。即ち、発泡、成形、接合が一工程で遂行される。
【００２９】
このとき、中空材（１）と発泡体（３）間で高い密着性で接合させるために、中空材（１）の内面にフラックスを供給し、酸化膜を除去して接合面を活性化させる必要がある。
【００３０】
フラックスの供給方法としては、発泡用基材の調製材料中に粉末状のフラックスを混合しておき、金属ろうおよび発泡剤とともに成形し、発泡用基材（２）として中空材（１）内部に配置する方法を推奨できる。この供給方法によれば、加熱によって発泡用基材（２）中に発生した気泡表面にフラックスが集まり、気泡との放出とともに溶融したフラックスが放出され中空材（１）内面に供給される。この供給方法は、フラックスを別途供給する手間が不要であるし、フラックス供給量の調節が容易であり、断面形状が複雑な中空材に対しても必要量を過不足なく均一に供給することができる。その他の供給方法としては、液状フラックスを中空材（１）の内面に塗布する方法を例示できる。
【００３１】
前記フラックスは発泡後の除去が極めて困難である。このため、残留フラックスの吸湿による接合部の腐食、ひいては構造材の強度低下を防止するために、吸湿性の低い非腐食性フラックスを使用することが好ましい。具体的には、ＫＦ、ＡｌＦ３、ＫＡｌＦ４，Ｋ２ＡｌＦ５，Ｋ３ＡｌＦ６，ＣｓＦ，ＢｉＦ３，ＬｉＦ、ＺｎＦ等のフッ化物、またはこれらの中から選択された１種または２種以上の混合物を例示できる。特にＫＦとＡｌＦ３の混合物、ＫＡｌＦ４，Ｋ２ＡｌＦ５，Ｋ３ＡｌＦ６，ＫＦとＡｌＦ３の共晶組成物を１種または２種以上を含む混合物を用いることが好ましい。また非腐食性を損なわない限り、上記フッ化物に他のフラックスを添加した混合物も使用できる。フラックスの選択は、通常のろう付と同じく、金属ろうの融点や中空材の材質に応じて適宜行う。そして、これらの非腐食性フラックスを使用することによって、長期間に亘って安定して高い接合力を得ることができる。
【００３２】
さらに、発泡用基材の材料粉末として、セラミック粒子、セラミックウィスカー等の分散強化材を配合しても良い。これらの配合により、発泡体の強度を高め、ひいては軽量構造材の強度を高めることができる。
【００３３】
この発明において、前記発泡用基材を構成する金属ろうおよび発泡剤の混合割合、あるいはフラックスを加えた３成分の混合割合は特に限定されない。発泡剤量は使用する発泡剤の発泡力や所期する発泡体の空隙率に応じて適宜調節し、フラックス量は、フラックスの活性力や供給面積等によって適宜選択する。金属ろうおよび発泡剤の２成分混合の場合、推奨できる混合割合は、質量比で金属ろう：５０〜９９．５％、発泡剤：０．５〜５０％であり、特に金属ろう：９０〜９９％、発泡剤：１〜１０％が好ましい。フラックスを加える場合は、金属ろう：４９．５〜９９％、発泡剤：０．５〜５０％、フラックス：０．５〜３０％が好ましく、特に金属ろう：７０〜９４％、発泡剤：１〜１０％、フラックス：５〜２０％が好ましく、さらに金属ろう：７０〜８９％、発泡剤：１〜１０％、フラックス：１０〜２０％が好ましい。また、これらの粉末は均一混合を図るために、球状粉が好ましく、粒径は４０〜１２０μｍが好ましい。
【００３４】
而して、金属ろうは発泡時の加熱によって溶融するとともに体積膨脹して気泡を含んだ発泡体（３）を形成し、フラックスによって活性化された中空材（１）内面に、高い密着性でろう付接合されて中空材（１）と一体化し、軽量でありながら高強度の軽量構造材（Ｓ）が製造される。また、中空材（１）内部に挿入配置するのは発泡前で体積の小さい発泡用基材（２）であるから、形状上の制約が少ない。しかも、発泡、成形、接合が一工程で遂行され、あるいはさらにフラックス供給をも一工程で遂行できるから、少ない工程で製造できる。製造された軽量構造材（Ｓ）は表面凹凸を有する発泡体（３）が露出しておらず、他部材との接合を被覆材である中空材（１）を介して広い面積で行うことができ、他部材の組合せにおいても高い接合力を得ることができる。
【００３５】
【実施例】
実施例１〜６および比較例１〜３において、異なる条件で軽量構造材を作製した。
【００３６】
中空材として、図１に示すような、ＪＩＳ　Ａ６０６３からなり、内径１５ｍｍ、肉厚１ｍｍ、長さ５０ｍｍの円形パイプ（１）を使用した。また、発泡体用金属としてＡｌ−１０質量％Ｓｉ合金粉末（粒径：５０μｍ）、発泡剤として水素化チタン粉末（粒径：１０μｍ）または炭酸カルシウム粉末（粒径：５μｍ）、フラックスとしてＫ３ＡｌＦ６粉末（粒径：２０μｍ）を使用した。
〔実施例１〜６〕
発泡用基材として、Ａｌ−１０質量％Ｓｉ合金粉末、発泡剤粉末、フラックス粉末を表１に示す割合で混合して圧粉成形して固形化し、さらに直径１０ｍｍの中実材に押出し、長さ４５ｍｍに切断したものを用いた。
【００３７】
そして図２に示すように、前記パイプ（１）内に発泡用基材（２）を配置して両端を閉じ、炉内で６１０℃×５分間加熱した。この加熱により、発泡用基材（２）中に気泡が発生して体積膨脹するとともに、フラックスが放出されてパイプ（１）内面に供給される。このようにして発泡体（３）はパイプ（１）内に隙間無く充填されるとともに、フラックスにより活性化されたパイプ（１）内面にろう付接合され、これらは一体化して軽量構造材（Ｓ）となった。
〔比較例１〕
発泡用基材（２）にフラックス粉末を配合しないことを除き、実施例１〜６と同じ方法で作製した。
〔比較例２〕
表１に示す割合でＡｌ−１０質量％Ｓｉ合金粉末と発泡剤粉末とを混合し、これを加熱して直径１４．５ｍｍ×長さ５０ｍｍの発泡体を製作した。一方、前記パイプ（１）の内面にＫ３ＡｌＦ６粉末を蒸留水に分散させたフラックス液を塗布し、別途製作した発泡体を挿入配置し、炉内で６００℃×５分加熱してろう付接合した。
〔比較例３〕
パイプ（１）内にフラックス液を塗布しなかったことを除き、比較例２を同じ方法で別途製作した発泡体をパイプ（１）内にろう付した。
【００３８】
各例で製作した軽量構造材について、発泡体の空隙率および密度を測定するとともに、発泡体抜け荷重および最大圧縮荷重を調べた。発泡体抜け荷重は、試験材の発泡体に長さ方向の荷重を加え、発泡体が中空材から抜け落ちる荷重とした。また最大圧縮荷重は、試験材に長さ方向の荷重を加え変形が起こる直前の荷重とした。これらを表１に併せて示す。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
表１の結果より、各実施例で製造した構造材は、発泡体が高い密着性で中空材に接合され、軽量かつ圧縮荷重の高いものであることを確認した。
【００４１】
【発明の効果】
以上の次第で、第１の発明にかかる軽量構造材の製造方法によれば、中空材の形状に拘わらず発泡体を隙間無く充填でき、発泡体が中空材に強く密着して軽量でありながら高強度を有する軽量構造材を製造できる。しかも、発泡体の形成と成形、中空材への接合を一工程で行えるから、軽量構造材を少ない工程で製造できる。また、製造された軽量構造材は、発泡体が中空材で被覆されているため、他の部材に対しても高い接合力が得られる。
【００４２】
第２の発明にかかる軽量構造材の製造方法によれば、特に軽量の構造材を製造できる。
【００４３】
第３の発明にかかる軽量構造材の製造方法によれば、特に軽量で発泡体が強く接合された構造材を製造できる。
【００４４】
第４の発明にかかる軽量構造材の製造方法によれば、特に軽量で発泡体が強く接合された構造材を製造できる。
【００４５】
第５の発明にかかる軽量構造材の製造方法によれば、特に発泡が円滑に行われる。
【００４６】
第６の発明にかかる軽量構造材の製造方法によれば、発泡体の形成と成形、中空材への接合と同時に中空材内面へのフラックスの供給を行えるから、工程を増やすことなくフラックスを供給を行うことができる。しかも、フラックスを中空材内面に均一に供給でき、かつ供給量の調節を容易に行えるから、過不足無く適正量のフラックスを供給できる。
【００４７】
第７の発明にかかる軽量構造材の製造方法によれば、残留フラックスによる接合部の腐食が抑制され、長期間に亘って安定して高い接合力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかる軽量構造材の製造方法を示す模式図である。
【図２】図（Ａ）〜（Ｂ）は、中空材と発泡用基材の配置例を示す断面図である。
【符号の説明】
Ｓ…軽量構造材
１、１１、１２…パイプ（中空材）
２、２１、２３、２４、２５…発泡用基材
３…発泡体
【図１】
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【図２】
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