(57)【要約】【課題】金属種の延性によらず内部に微細な空隙を備え、該空隙を複雑な形状にできる金属部材の製造方法を提供する。【解決手段】第１の金属からなる基板１上に、第１の金属よりも融点の低い第２の金属の粉末とバインダーとを含む混合物５をノズル４から射出して第１の成形体２を形成する。基板１上に形成された成形体２を、第１の金属９中に埋設して、成形体２を内包する第２の成形体１０を形成する。成形体１０を、第１の金属の融点より低く、第２の金属の融点より高い温度で加熱し、第２の金属を溶融して、成形体２が占めていた領域に空隙１２を形成する。第１の金属はＦｅまたはステンレス鋼であり、第２の金属はＣｕである。成形体１０を、第２の金属の融点よりも低く、バインダーを除去できる温度に加熱して該バインダーを除去した後、第１の金属の融点より低く、第２の金属の融点より高い温度で加熱する。【選択図】  図１
2005272914.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属からなる基板上に、第１の金属よりも融点の低い第２の金属の粉末と第２の金属の融点よりも低い温度に加熱することにより除去できるバインダーとを含む混合物をノズルから射出して第１の成形体を形成する工程と、
第１の金属からなる基板上に形成された第１の成形体を、第１の金属中に埋設して、第１の成形体を内包する第２の成形体を形成する工程と、
第２の成形体を、第１の金属の融点より低く、第２の金属の融点より高い温度で加熱し、第２の金属を溶融して、溶融した第２の金属を第１の金属の粉末の間隙に移動せしめ、第１の成形体が占めていた領域に空隙を形成する一方、第１の金属の粉末と溶融した第２の金属とを焼結して固化せしめる工程とを備えることを特徴とする微細空隙を備える金属部材の製造方法。
【請求項２】
前記第１の金属はＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗから選択される１種以上の金属であり、前記第２の金属はＡｌ，Ｓｉから選択される１種以上の金属であることを特徴とする請求項１記載の微細空隙を備える金属部材の製造方法。
【請求項３】
前記第１の金属はＡｌであり、前記第２の金属はＺｎであることを特徴とする請求項１記載の微細空隙を備える金属部材の製造方法。
【請求項４】
前記第１の金属はＦｅまたはステンレス鋼であり、前記第２の金属はＣｕであることを特徴とする請求項１記載の微細空隙を備える金属部材の製造方法。
【請求項５】
第２の成形体を、第２の金属の融点よりも低く、前記バインダーを除去できる温度に加熱して該バインダーを除去した後、第１の金属の融点より低く、第２の金属の融点より高い温度で加熱することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の微細空隙を備える金属部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部に微細な空隙を備える金属部材の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プラスチックの射出成形、金属の鋳造等に用いられる金型として、内部に冷却または加熱のための媒体が流通する管路を備えているものがある。
【０００３】
前記金型等のように、内部に前記管路等の空隙を備える金属部材は、従来、金属成形体にドリルやエンドミル等による切削加工を施して該空隙を形成したり、金属粉末射出成形法（Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄｉｎｇ）または精密鋳造法により該空隙を備える金属部材を直接形成することにより製造されている。しかし、ドリルやエンドミル等による切削加工では工具の形状や大きさにより、また前記金属粉末射出成形法、精密鋳造法等の方法はそれ自体が金型を用いて製造する方法であることにより、いずれも形成可能な空隙の形状と大きさとについて制約がある。このため、前記従来の方法では、前記管路として複雑な形状の空隙または微小な空隙を形成することが難しいとの問題がある。
【０００４】
一方、基体金属上に第１の金属材料を配置し、該基体金属と第１の金属材料との上に、第１の金属材料よりも融点の高い第２の金属材料を溶射して、溶射金属層を形成した後、第１の金属材料の融点よりも高く、第２の金属材料の融点よりも低い温度に加熱して第１の金属材料を溶解し、第１の金属の形状に対応する空間部を備える複合金属体を製造する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
ところが、前記の方法では、第１の金属材料の上に形成される第２の金属材料の層は、溶射により形成されるため、所望の厚さの層を形成するには、大きなエネルギーと時間とを要するとの問題がある。
【０００６】
前記問題を解決するために、本発明者らは、内部に微小な空隙を備える金属部材の製造方法について、既に特許出願している。前記製造方法は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉ等の第１の金属の粉末中に、Ａｌ等の第１の金属よりも融点の低い第２の金属からなる成形体を埋設して、該成形体を内包する粉末成形体を形成し、該粉末成形体を、第２の金属の融点より高く、第１の金属の融点より低い温度で加熱するというものである。このようにすると、第２の金属が溶融されて、溶融した第２の金属が第１の金属の粉末の間隙に移動し、第２の金属からなる成形体が占めていた領域に空隙が形成される一方、溶融した第２の金属と第１の金属の粉末とが焼結して固化せしめられ、内部に微小な空隙を備える金属部材を容易に形成することができる（特願２００３−７８２４０明細書参照）。
【０００７】
このような方法によれば、第２の金属の成形体を曲線状あるいは折れ曲がって蛇行した形状等としておくことにより、前記金属成形体の内部に第２の金属の成形体に対応する形状の空隙が形成されるので、該空隙を冷媒または熱媒が流通する管路として利用することができる。また、第１の金属としてＮｉを用い、第２の金属としてＡｌを用いる場合には、前記空隙の表面にＡｌとＮｉとの金属間化合物であるニッケルアルミナイドからなる被覆層を形成することができる。
【０００８】
しかし、前記方法では、予め第２の金属により成形体を形成しておく必要があるため、該成形体の太さに制限があり、さらに微細な空隙を形成することが難しい。
【０００９】
そこで、本発明者らはさらに、Ａｌ等の第１の金属からなる成形体中に、Ｚｎ等の第１の金属よりも融点の低い第２の金属からなる線材を、該成形体の長さ方向に沿って貫通させて配設して予備成形体を形成し、該予備成形体を長さ方向に沿って延伸した後、第１の金属の融点より低く、第２の金属の融点より高い温度で加熱する金属部材の製造方法についても既に特許出願している（特願２００３−３８９６８３明細書参照）。
【００１０】
前記製造方法によれば、前記予備成形体を長さ方向に沿って線引き加工、圧延加工等により延伸することにより、前記第２の金属からなる線材を内包して長さに垂直な方向の断面積が低減されている長尺状部材を形成することができる。そこで、前記長尺状部材を前記温度に加熱して、前記線材を溶融すると共に第２の金属を第１の金属に固溶せしめ、該線材が占めていた領域に空隙を形成することにより、内部に微細な空隙を備える金属部材を形成することができる。前記製造方法では、さらに、前記金属部材を曲げ加工等によりコイル状等の複雑な形状とした後、Ａｌ，Ｍｇ等の軽金属で鋳ぐるみにすることにより、Ａｌ，Ｍｇ等からなり内部に微細な空隙を備える鋳ぐるみ成形体を容易に形成することができる。
【００１１】
しかしながら、特願２００３−３８９６８３明細書記載の製造方法では、使用できる金属種が優れた延性を備えているものに限定される上、形成される空隙の形状が第１の金属からなる線材に由来するものとなり、分岐したり合流したりしているような複雑な形状を備える空隙を形成することが難しいという不都合がある。
【特許文献１】特開平１１−２７９７４２号公報
【特許文献２】特開平１０−２１９４７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、かかる不都合を解消して、金属種の延性によらず内部に微細な空隙を備える金属部材を製造することができ、しかも該空隙を複雑な形状とすることができる金属部材の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
かかる目的を達成するために、本発明の製造方法は、第１の金属からなる基板上に、第１の金属よりも融点の低い第２の金属の粉末と第２の金属の融点よりも低い温度に加熱することにより除去できるバインダーとを含む混合物をノズルから射出して第１の成形体を形成する工程と、第１の金属からなる基板上に形成された第１の成形体を、第１の金属中に埋設して、第１の成形体を内包する第２の成形体を形成する工程と、第２の成形体を、第１の金属の融点より低く、第２の金属の融点より高い温度で加熱し、第２の金属を溶融して、溶融した第２の金属を第１の金属の粉末の間隙に移動せしめ、第１の成形体が占めていた領域に空隙を形成する一方、第１の金属の粉末と溶融した第２の金属とを焼結して固化せしめる工程とを備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明の製造方法では、まず、第２の金属の粉末とバインダーとを含む混合物をノズルから射出することにより、第１の金属からなる基板上に第１の成形体を形成する。前記混合物は、第２の金属の粉末が前記バインダーと混合されていることにより適度の粘性と流動性とを備えている。そこで、前記混合物をノズルから前記基板上に射出することにより、微細な断面積を備える第１の成形体を容易に形成することができる。また、前記混合物をノズルから前記基板上に射出することにより、描画するようにして、分岐したり合流したりしているような複雑な形状を備える第１の成形体を容易に形成することができる。前記混合物は、前記バインダーに溶剤を添加したり、加熱したりすることにより流動性を調整することができ、インクジェット・プリンタの様にノズルから滴状に射出することもでき、または、シリンジ等のノズルから連続的な線状に射出することもできる。
【００１５】
本発明の製造方法では、次に、第１の金属からなる基板上に形成された第１の成形体を、第１の金属中に埋設する。前記第１の成形体の埋設は、例えば、前記基板上に形成されている第１の成形体を第１の金属の粉末で被覆した後、該粉末からなる粉末成形体を形成することにより行うことができる。この結果、第１の金属中に第１の成形体を内包する第２の成形体が形成される。
【００１６】
本発明の製造方法では、次に、前記第２の成形体を、第１の金属の融点より低く、第２の金属の融点より高い温度で加熱する。このようにすると、前記バインダーが除去されると共に第２の金属が溶融され、溶融した第２の金属が第１の金属の粉末の間隙に移動して、第１の成形体が占めていた領域に空隙が形成される。そして、溶融した第２の金属と、第１の金属の粉末とを焼結して固化せしめることにより、内部に前記空隙を備える金属部材を得ることができる。
【００１７】
従って、本発明の製造方法によれば、第１、第２の金属が延性に乏しい場合にも内部に微細な空隙を備える金属部材を製造することができ、しかも該空隙を複雑な形状とすることができる。
【００１８】
また、本発明の製造方法によれば、溶融した第２の金属が第１の金属に固溶することによって形成される合金または金属間化合物により、前記第１の成形体が占めていた領域に形成された空隙の周壁を形成することができる。
【００１９】
従来、反応により金属間化合物を形成する混合金属粉末を金属材料の表面に塗布して加熱することにより、該金属材料の表面に該混合金属粉末から生成した金属間化合物からなる被覆層を形成する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。しかし、このような方法では、金属部材の内部に形成された空隙の表面に、前記金属間化合物からなる周壁を形成することは難しい。
【００２０】
この点、本発明の製造方法によれば、前記第２の成形体内に配設された前記第１の成形体を溶融することにより、前記第２の金属を第１の金属に固溶させることができる。従って、第１の金属と第２の金属とから合金または金属間化合物を生成させることにより、前記第１の成形体が占めていた領域に形成される空隙の表面に、該合金または金属間化合物からなる周壁を容易に形成することができる。
【００２１】
本発明の製造方法において、前記第１の金属としてはＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗから選択される１種以上の金属を用いることができ、前記第２の金属としてはＡｌ，Ｓｉから選択される１種以上の金属を用いることができる。前記第２の金属がＡｌである場合には、前記周壁を形成する金属間化合物として、前記第１の金属との遷移金属アルミナイドが生成する。前記遷移金属アルミナイドには、ＮｉＡｌ等のように耐熱性と耐腐食性とに優れているもの等がある。また、前記第２の金属がＳｉである場合には、前記周壁を形成する金属間化合物として、前記第１の金属との遷移金属シリサイドが生成する。
【００２２】
また、前記第１の金属としてＡｌを用いる場合には、前記第２の金属としてＺｎを用いることができ、前記第１の金属としてＦｅまたはステンレス鋼を用いる場合には、前記第２の金属としてＣｕを用いることができる。
【００２３】
また、本発明の製造方法では、第２の成形体を、第２の金属の融点よりも低く、前記バインダーを除去できる温度に加熱して該バインダーを除去した後、第１の金属の融点より低く、第２の金属の融点より高い温度で加熱するようにしてもよい。
【００２４】
第２の成形体を、第２の金属の融点よりも低く、前記バインダーを除去できる温度に加熱すると、第１成形体から該バインダーが除去され、第１の金属からなる第２の成形体中に第２の金属からなる第１の成形体が埋設されている状態となる。そこで、次に、第２の成形体を、第１の金属の融点より低く、第２の金属の融点より高い温度で加熱することにより、第２の金属が溶融され、内部に前記空隙を備える金属部材を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の製造方法を示す斜視図であり、図２は本実施形態の製造方法に用いるシリンジの説明的断面図であり、図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。また、図４は本実施形態の製造方法により得られる金属部材を示す斜視図であり、図５は図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【００２６】
本実施形態の製造方法では、まず、図１に示すように第１の金属からなる基板１を形成する。基板１は、例えば、第１の金属の粉末からなる粉末成形体を用いることができる。
【００２７】
次に、第２の金属の粉末をバインダーと混合して、第２の金属の粉末とバインダーとの混合物を形成する。第２の金属としては、基板１を形成する第１の金属がＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗから選択される１種以上の金属である場合には、Ａｌ，Ｓｉから選択される１種以上の金属を用いることができる。また、第２の金属としては、第１の金属がＡｌの場合にはＺｎを用いることができ、第１の金属がＦｅまたはステンレス鋼である場合にはＣｕを用いることができる。
【００２８】
また、前記バインダーは、前記第２の金属よりも低い温度で溶融、蒸発、熱分解等により除去できるものであれば、無機バインダー、ポリエチレングリコール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、パラフィン、蜜蝋等の有機バインダーのいずれであってもよく、例えばテレピン油等の溶媒に溶解することにより流動性を調整して用いることができる。
【００２９】
前記第２の金属の粉末は、前記バインダーと混合することにより、適度の粘性と流動性とを備える混合物となり、該混合物をノズルから射出することにより、図１，３に示す第１の成形体２を形成することができる。
【００３０】
前記混合物は、さらに溶剤を添加したり、加熱したりすることにより流動性を調整することができ、例えば、図２に示すシリンジ３のノズル４から射出することにより、ペン・プロッタで線画を描くようにして、成形体２を形成する。シリンジ３は、先端にノズル４を備え、混合物５を収容するシリンダ６と、混合物５をノズル４から射出するピストン７とを備え、さらにシリンダ６の周囲には混合物５を加熱するバンドヒータ８が設けられている。
【００３１】
成形体２は、図１，３では説明を簡単にするために、単なる１本の線状体として示されているが、前述のようにして形成することにより実際には前記線状体が分岐したり合流したりする複雑な形状とすることができる。また、成形体２は、前述のようにして形成することにより、微細な断面積を備えるものとすることができる。
【００３２】
また、前記混合物は、流動性を調整することにより、細いノズルから滴状に射出することもでき、この場合にはインクジェット・プリンタがインク滴を射出するのと同様にして、該混合物を射出して印刷することにより、前記複雑な形状の成形体２を容易に形成することができる。
【００３３】
次に、図１に仮想線で示すように、基板１上に形成された成形体２を、第１の金属の粉末で被覆して、粉末成形体９を形成する。この結果、第１の成形体２が第１の金属に内包された第２の成形体１０が形成される。
【００３４】
第１の金属としては、前記第２の金属がＡｌ，Ｓｉから選択される１種以上の金属である場合には、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗから選択される１種以上の金属を用いることができる。また、第１の金属としては、前記第２の金属がＺｎの場合にはＡｌを用いることができ、前記第２の金属がＣｕである場合にはＦｅまたはステンレス鋼を用いることができる。
【００３５】
本実施形態の製造方法では、次に、第２の成形体１０を、第２の金属の融点よりも低く、前記バインダーを除去できる温度に加熱する。このようにすると、前記バインダーが、溶融、蒸発または熱分解されて除去され、第１の成形体２は第２の金属の粉末のみからなる成形体１１となる。
【００３６】
そこで、次に、成形体１１を内包する第２の成形体１０を、第１の金属の融点より低く、第２の金属の融点より高い温度で加熱する。このようにすると、第２の金属が溶融されて、溶融した第２の金属が第１の金属の粉末の間隙に移動して、図４，５に示すように、第１の成形体２が占めていた領域に空隙１２が形成される。そして、溶融した第２の金属と、第１の金属の粉末とが焼結されて固化せしめられることにより、内部に空隙１２を備える金属部材１３を得ることができる。このとき、空隙１２の周壁１２ａは、第２の金属が第１の金属に固溶することにより生成した合金または金属間化合物により形成されている。
【００３７】
尚、本実施形態では、第２の成形体１０を第２の金属の融点よりも低く、前記バインダーを除去できる温度に加熱した後、さらに第１の金属の融点より低く、第２の金属の融点より高い温度で加熱しているが、第２の成形体１０を直接第１の金属の融点より低く、第２の金属の融点より高い温度で加熱するようにしてもよい。
【００３８】
また、本実施形態では、第２の金属の粉末と前記バインダーとを混合して混合物５を形成するようにしているが、さらに第３の金属の粉末を添加するようにしてもよい。このようにすると、第１の成形体２における金属の配合を傾斜的に変化させたり、局所的に異なる配合とすることができる。
【００３９】
例えば、第１の金属がＮｉであり、第２の金属がＡｌであるときに、Ａｌ粉末にさらに第３の金属の粉末としてＳｉの粉末を添加して混合物５を形成する。このようにすると、結果として、空隙１２の周壁１２ａをＮｉ−Ａｌ−Ｓｉの３元系金属間化合物とすることができる。
【００４０】
次に、本発明の実施例を示す。
【実施例】
【００４１】
本実施例では、まず、直径１０μｍ以下のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の粉末からなる粉末成形体として図１に示す円柱状の基板１を形成した。
【００４２】
次に、直径５０μｍのＣｕ粉末と、蜜蝋と、テレピン油とを６５：１９：１６の質量比で混合した後、テレピン油の一部を揮発させて、粘性と流動性とを備える混合物５を形成した。次に、混合物５を図２に示すシリンジ３に収容し、ピストン７を押圧してノズル４から射出することにより、円柱状の基板１上に第１の成形体２として直径７００μｍ、長さ１０ｍｍの線状体を形成した。
【００４３】
次に、基板１上に形成された第１の成形体２を室温で放置し、実質的に全てのテレピン油を揮発させた。次に、成形体２を、前記ステンレス鋼の粉末で被覆して粉末成形体９を形成し、成形体２が前記ステンレス鋼に内包された第２の成形体１０を形成した。
【００４４】
次に、成形体１０を６２４ＭＰａの圧力で加圧成形し、直径２０ｍｍ、長さ１５ｍｍの粉末成形体を得た。次に、前記粉末成形体をアルゴンガス気流中で、０．２Ｋ／秒の速度で５７３Ｋまで加熱し、この温度に３６００秒間保持して、蜜蝋と残留テレピン油とを除去した。
【００４５】
次に、前記粉末成形体を０．２Ｋ／秒の速度で１４７３Ｋまで加熱した後、０．４Ｋ／秒の速度で室温まで冷却した。この結果、図４，５に示すように、第１の成形体２が占めていた領域に空隙１２を備える金属部材１３が得られた。空隙１２は、長径９２０μｍ、短径４６０μｍの楕円形の断面形状で、長さ１０ｍｍの大きさを備えていた。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の製造方法の一例を示す斜視図。
【図２】本発明の製造方法に用いるノズルの一例を示す説明的断面図。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図。
【図４】本発明の製造方法により得られる金属部材の一例を示す斜視図。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図。
【符号の説明】
【００４７】
１…基板、  ２…第１の成形体、  ４…ノズル、  ５…混合物、  １０…第２の成形体、  １２…空隙、  １３…金属部材。
【図１】
2005272914.tif 000003
【図２】
2005272914.tif 000004
【図３】
2005272914.tif 000005
【図４】
2005272914.tif 000006
【図５】
2005272914.tif 000007