(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、該空隙の断面形状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の金属の粉末と第１のバインダーとを含む第１の混合物からなる第１の成形体１を形成する。成形体１を、第１の金属よりも融点の高い第２の金属の粉末と第２のバインダーとを含む第２の混合物２中に埋設して、第２の成形体３を形成する。成形体３から第１、第２の両バインダーを除去する。成形体３を、第２の金属の融点より低く、第１の金属の融点より高い温度で加熱し、第１の金属を溶融して、成形体１が占めていた領域に空隙６を形成する。第１の金属はＣｕであり、第２の金属はＦｅまたはステンレス鋼である。両バインダーは、第１の金属の融点より低い温度に加熱するか、第１の金属の融点より低い温度で溶媒で抽出することにより除去できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属の粉末と第１の金属の融点よりも低い温度で除去できる第１のバインダーとを含む第１の混合物からなる第１の成形体を形成する工程と、
第１の成形体を、第１の金属よりも融点の高い第２の金属の粉末と第１の金属の融点よりも低い温度で除去できる第２のバインダーとを含む第２の混合物中に埋設して、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の成形体から第１、第２の両バインダーを除去する工程と、
第１、第２の両バインダーが除去された第２の成形体を、第２の金属の融点より低く、第１の金属の融点より高い温度で加熱し、第１の金属を溶融して、溶融した第１の金属を第２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２の金属の粉末と溶融した第１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空隙を有する金属部材の製造方法。
【請求項２】
前記第１の金属はＡｌ，Ｓｉ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ことを特徴とする請求項１記載の空隙を有する金属部材の製造方法。
【請求項３】
前記第１の金属はＺｎであり、前記第２の金属はＡｌであることを特徴とする請求項１記載の空隙を有する金属部材の製造方法。
【請求項４】
前記第１の金属はＣｕであり、前記第２の金属はＦｅまたはステンレス鋼であることを特徴とする請求項１記載の空隙を有する金属部材の製造方法。
【請求項５】
第１、第２の両バインダーは、第１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ものであ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項記載の空隙を有する金属部材の製造方法。
【請求項６】
第２の成形体を、第１の金属の融点よりも低く、第１、第２の両バインダーを除去できる温度に加熱して両バインダーを除去した後、第２の金属の融点より低く、第１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５記載の空隙を有する金属部材の製造方法。
【請求項７】
第１、第２の両バインダーは、第１の金属の融点よりも低い温度で溶媒により抽出することにより除去できるものであ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項記載の空隙を有す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、内部に微細な孔部等の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、Ａｌ等の第１の金属からなる成形体を、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉ等の第１の金属よりも融点の高い第２の金属の粉末中に埋設して、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１の金属の融点より高く、第２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１の金属が溶融されて、溶融した第１の金属が第２の金属の粉末の間隙に移動し、第１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１の金属と第２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１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１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Ａｌを用い、第２の金属としてＮｉ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１の金属により成形体を形成しておく必要があるため、該成形体の大きさ、特に直径に制限があり、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、Ｚｎ等の融点の低い第１の金属からなる線材を、第１の金属よりも融点の高いＡｌ等の第２の金属からなる成形体中に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の金属の融点より高く、第２の金属の融点より低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１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１の金属を第２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、形成される空隙の断面形状が第１の金属からなる線材の断面形状を相似的に縮小したものとなるので複雑な断面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、しかも該空隙の断面形状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の金属の粉末と第１の金属の融点よりも低い温度で除去できる第１のバインダーとを含む第１の混合物からなる第１の成形体を形成する工程と、第１の成形体を、第１の金属よりも融点の高い第２の金属の粉末と第１の金属の融点よりも低い温度で除去できる第２のバインダーとを含む第２の混合物中に埋設して、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の成形体から第１、第２の両バインダーを除去する工程と、第１、第２の両バインダーが除去された第２の成形体を、第２の金属の融点より低く、第１の金属の融点より高い温度で加熱し、第１の金属を溶融して、溶融した第１の金属を第２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２の金属の粉末と溶融した第１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１の金属の粉末を第１のバインダーと混合し、得られた第１の混合物から第１の成形体を形成する。前記第１の混合物は、第１の金属の粉末が第１の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ので、前記第１の成形体に微細な断面積と複雑な断面形状とを付与することができる。
【００１５】
本発明の製造方法では、次に、第２の金属の粉末を第２のバインダーと混合して得られた第２の混合物中に、第１の成形体を埋設して、前記第１の成形体を内包する第２の成形体を形成する。このとき前記第２の混合物は、第２の金属の粉末が第２の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おり、前記第１の成形体の形状に沿って、その形状を損なうことなく、該第１の成形体を埋設することができる。
【００１６】
本発明の製造方法では、次に、第２の成形体から第１、第２の両バインダーを除去する。そして、第１、第２の両バインダーが除去された第２の成形体を、第２の金属の融点より低く、第１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１の金属が溶融されて、溶融した第１の金属が第２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。そこで、溶融した第１の金属と、第２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、しかも該空隙の断面形状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１の金属が第２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、前記特許文献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１の金属を第２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、前記第２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る。前記第１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２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１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２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Ｚｎを用いる場合には、前記第２の金属としてＡｌを用いることができ、前記第１の金属としてＣｕを用いる場合には、前記第２の金属としてＦｅまたはステンレス鋼を用いることができる。
【００２３】
本発明の製造方法において、第１、第２の両バインダーは、第１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ものであることを特徴とする。この結果、前記第１、第２の両バインダーは、第１の金属の融点よりも低い温度に加熱することにより、溶融、蒸発したり、熱分解することにより除去される。
【００２４】
このとき、本発明の製造方法では、第２の成形体を、まず第１の金属の融点よりも低く、第１、第２の両バインダーを除去できる温度に加熱して両バインダーを除去し、次いで第２の金属の融点より低く、第１の金属の融点より高い温度で加熱するようにする。第２の成形体を、第１の金属の融点よりも低く、第１、第２の両バインダーを除去できる温度に加熱すると、埋設されている第１の成形体も含めて第２の成形体からバインダーが除去され、第２の金属からなる成形体中に第１の金属からなる成形体が埋設されている状態となる。そこで、次に、第２の金属からなる成形体を、埋設されている第１の金属からなる成形体と共に、第２の金属の融点より低く、第１の金属の融点より高い温度で加熱することにより、第１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。
【００２５】
また、本発明の製造方法において、第１、第２の両バインダーは、第１の金属の融点よりも低い温度で溶媒により抽出することにより除去できるものであってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
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は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。また、図３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４は図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【００２７】
本実施形態の製造方法では、まず、第１の金属の粉末を第１のバインダーと混合して第１の混合物を形成する。第１の金属としては、後述の第２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１の金属としては、後述の第２の金属がＡｌの場合にはＺｎを用いることができ、後述の第２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、前記第１のバインダーは、前記第１の金属の融点よりも低い温度に加熱することにより、或いは前記第１の金属の融点よりも低い温度で溶媒により抽出することにより除去できるものであれば、無機バインダーでもよく、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、蜜蝋とテレピン油との混合物等の有機バインダーであってもよいが、粘性と流動性との調整が容易なことから蜜蝋とテレピン油との混合物を好適に用いることができる。
【００２９】
前記第１の金属の粉末は、前記第１の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第１の混合物となり、該混合物を任意の形状に成形することにより、図１，２に示す第１の成形体１を得ることができる。前記成形は、例えば前記第１の混合物をノズルの先端から押し出すことにより行うことができ、該ノズルの形状に一致した断面形状を備える第１の成形体１を形成することができる。
【００３０】
次に、第２の金属の粉末を第２のバインダーと混合して第２の混合物を形成する。第２の金属としては、前記第１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２の金属としては、前記第１の金属がＺｎの場合にはＡｌを用いることができ、前記第１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。
【００３１】
また、前記第２のバインダーは、前記第１の金属の融点よりも低い温度に加熱することにより、或いは前記第１の金属の融点よりも低い温度で溶媒により抽出することにより除去できるものであれば、無機バインダーでもよく、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、蜜蝋とテレピン油との混合物等の有機バインダーであってもよいが、粘性と流動性との調整が容易なことから蜜蝋とテレピン油との混合物を好適に用いることができる。
【００３２】
前記第２の金属の粉末は、前記第２の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第２の混合物となり、図１，２に示すように、第１の成形体１を第２の混合物２中に埋設するときに、成形体１の形状を損なうことなく第２の成形体３を形成することができる。
【００３３】
このとき、第２の成形体３は、埋設された第１の成形体１と共に、可塑性を備えているので、長さ方向に延伸して断面積を減少させたり、延伸後さらに変形させる成形加工を容易に行うことができる。このようにすることにより、第１の成形体を線材とすると共に、該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容易に形成することができる。また、第２の成形体３と同様にして形成された他の複数の成形体をまとめて１つにした後、前述のように延伸してもよく、複雑な断面形状を備える長尺状部材を容易に形成することができる。
【００３４】
本実施形態の製造方法では、次に、第２の成形体３を、第１の金属の融点よりも低く、第１、第２の両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、両バインダーが、溶融、蒸発または熱分解されて除去され、第１の成形体１は第１の金属の粉末のみからなる成形体４となり、第２の成形体３は第２の金属の粉末のみからなる成形体５となる。
【００３５】
そこで、次に、成形体５を埋設されている成形体４と共に加圧成形して粉末成形体を形成した後、該粉末成形体を第２の金属の融点より低く、第１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１の金属が溶融されて、溶融した第１の金属が第２の金属の粉末の間隙に移動して、図３，４に示すように、第１の成形体１が占めていた領域に空隙６が形成される。そして、溶融した第１の金属と、第２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６を備える金属部材７を得ることができる。このとき、空隙６の周壁６ａは、第１の金属が第２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。
【００３６】
尚、本実施形態では、第２の成形体３を第１の金属の融点よりも低く、第１、第２の両バインダーを除去できる温度に加熱した後、第１、第２の両バインダーが除去された成形体５を成形体４と共に加圧成形して粉末成形体とし、該粉末成形体を第２の金属の融点より低く、第１の金属の融点より高い温度で加熱している。しかし、第２の成形体３を直接第２の金属の融点より低く、第１の金属の融点より高い温度で加熱するようにしてもよく、このようにしても同一の結果を得ることができる。
【００３７】
また、本実施形態では、第２の成形体３を、第１の金属の融点よりも低く、第１、第２の両バインダーを除去できる温度に加熱することにより、第１、第２の両バインダーを除去している。しかし、第２の成形体３を、第１の金属の融点よりも低く、第１、第２の両バインダーを除去できる温度で、溶媒に溶解させて抽出することにより、第１、第２の両バインダーを除去するようにしてもよい。
【００３８】
さらに、本実施形態では、第１の金属の粉末と第１のバインダーとを混合して第１の混合物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１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Ａｌであり、第２の金属がＮｉ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の粉末を添加して第１の混合物を形成する。この結果、空隙６の周壁６ａ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第１の混合物を形成した。次に、第１の混合物をシリンジのノズルから押し出すことにより、図１，２に示す第１の成形体１として直径７００μｍ、長さ１０ｍｍの線状体を形成した。
【００４２】
次に、直径１０μｍ以下のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の粉末と、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第２の混合物を形成した。次に、成形体１を第２の混合物２中に埋設し、第２の成形体３を形成した。
【００４３】
次に、成形体３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、蜜蝋とテレピン油とを除去し、成形体４，５を得た。次に、成形体５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。
【００４４】
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３，４に示すように、第１の成形体１が占めていた領域に空隙６を備える金属部材７が得られた。空隙６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】
【００４５】
【図１】本発明の製造方法の一例を示す斜視図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図。
【図３】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４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図。
【符号の説明】
【００４６】
１…第１の成形体、  ２…第２の混合物、  ３…第２の成形体、  ６…空隙、  ７…金属部材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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