(57)【要約】【課題】溶融法で製造される発泡金属の中でアルミニウム合金よりも高い融点を持つ鉄やニッケル、クロム、ステンレス鋼などの発泡金属の製造方法を提供する。【解決手段】炭素で還元しうる金属酸化物粉末を金属粉末及び黒鉛等の炭素源粉末と混合し、急速加熱により固液共存領域以上に加熱することにより発泡金属が製造できた。また、炭素含有溶融金属中に酸化鉄粉末を添加し、攪拌後凝固させることにより発泡金属が製造できた。さらに、製造された発泡金属中の炭素の形態を変化させる御熱処理、もしくは炭素をTemporary alloying elementとして扱い、後熱処理により除去することにより衝撃エネルギー吸収能に優れた発泡金属が製造できた。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄、ニッケル、コバルト、クロム及びそれらの合金の発泡金属の製造方法において、鉄、ニッケル、コバルト、クロムのうち１種類以上の金属を主成分とする酸化物の炭素もしくは一酸化炭素による還元反応で発生するガスを発泡剤とすることを特徴とする発泡金属の製造方法。
【請求項２】
鉄、ニッケル、コバルト、クロムのうち１種類以上の金属粉末及び炭素源粉末、酸化物粉末を混合、成形し、不活性もしくは還元雰囲気中で金属−炭素系状態図上で把握される固液共存領域以上に急速加熱することを特徴とする請求項１に記載の発泡金属の製造方法。
【請求項３】
攪拌された炭素を含有した溶融金属もしくは合金中に鉄、ニッケル、コバルト、クロムのうち１種類以上の金属を主成分とする酸化物粉末を投入攪拌し、均一分散させる、または鉄、ニッケル、コバルト、クロムのうち１種類以上の金属を主成分とする酸化物粉末を添加した鋳型内に鋳込み、発泡後凝固させることを特徴とする請求項１に記載の発泡金属の製造方法。
【請求項４】
原料に微細な酸化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム粉末のうち１種類以上を添加し、分散させることにより、気泡の微細化を達成させることを特徴とする請求項１に記載の発泡金属の製造方法。
【請求項５】
製造される発泡金属中の炭素を発泡時の一時的な合金元素と考え、非酸化性雰囲気での後熱処理により脱炭することで衝撃エネルギー吸収能を改善することを特徴とする請求項1ないし４のいずれかに記載の発泡金属の製造方法。
【請求項６】
製造される発泡金属を焼鈍による組織調整により、衝撃エネルギー吸収能を改善することを特徴とする請求項1ないし４のいずれかに記載の発泡金属の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素による酸化物の還元により発生するガスを用いた衝撃エネルギー吸収能に優れる発泡金属製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、衝撃吸収能や断熱特性に優れ巨大表面積を持つため、衝撃吸収材や吸音材、フィルター、電極材料として使用される発泡金属は主に溶融法とスラリー法により製造されている。
【０００３】
溶融法ではアルミニウム合金に関するものが多く報告されており、例えば特許文献1や非特許文献１に記載されている方法では、水素化チタンを発泡剤として製造されている。しかし、水素化チタンの分解温度付近に融点をもたない金属及び合金での製造はできない。また、発泡剤として炭酸マグネシウムや炭酸ストロンチウムを用いた発泡鋳鉄製造法が報告されている（例えば非特許文献２）が、発泡温度が1250℃付近に限定されるため、炭素濃度2.5mass%付近でのみ製造可能であり、様々な炭素濃度での製造は困難であると共に鋳鉄以外を製造することができない。
【０００４】
一方、スラリー法には微細な金属粉末とバインダ樹脂水溶液、発泡剤の混合体を焼結する方法（例えば特許文献２）があるが、微細な金属粉末は高価であり、安価な発泡金属を提供することができない。また、金属粉末と酸化鉄粉末、熱硬化性樹脂、希釈剤の混合体を発泡構造の樹脂芯体に塗布、乾燥後に焼結する方法（例えば特許文献３）があるが、発泡構造を持つ樹脂を使用する必要があり、得られる発泡金属の気泡は全て開口型である。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３７１３２７号公報
【特許文献２】特開２００１−３３５８０９号公報
【特許文献３】特開２００３−０６４４０４号公報
【非特許文献１】T.Mukai, H.Kanahasi, T.Miyosi, M.Mabuchi, T.G.Nieh, K.Higashi：Scripta Mater. 40, (1999) 921.
【非特許文献２】C.Park, S.R.Nutt：Mater. Sci. Eng. A288 (2000) 111.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、溶融法で製造される発泡金属の中でアルミニウム合金よりも高い融点を持つ鉄やニッケル、コバルト、ステンレス鋼などの発泡金属の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、酸化物の炭素もしくは一酸化炭素による還元反応で発生するガスを発泡剤として発泡金属を製造する方法として、鉄、ニッケル、コバルト、クロムのうち１種類以上の金属を主成分とする粉末に黒鉛粉末などの炭素源を0.1〜3.5重量％と鉄、ニッケル、コバルト、クロムのうち１種類以上の金属を主成分とする酸化物を0.1〜2.0重量％混合成形し、不活性もしくは還元雰囲気中で金属−炭素系状態図上で把握される固液共存領域以上に急速加熱することを特徴とする発泡金属製造方法が得られる。
【０００８】
また、本発明によれば、酸化物の粒径及び添加量を制御することにより、製造させる発泡金属の気孔率及び平均気泡径を制御することを可能にし、炭素濃度を制御することにより発泡温度と製造される発泡金属の気孔率を制御することを可能にすることを特徴とする発泡鉄製造方法が得られる。
【０００９】
また、本発明によれば、0.1〜3.5重量％の炭素を含有し、固液共存領域で保持、攪拌された溶融鉄、ニッケル、コバルト、クロム及びその合金中に鉄、ニッケル、コバルト、クロムのうち1種類以上の金属を主成分とする酸化物粉末を0.1〜2.0重量％添加し、攪拌後凝固させることもしくは鉄、ニッケル、コバルト、クロムのうち1種類以上の金属を主成分とする酸化物粉末を添加した鋳型内に鋳込み、発泡後凝固させることを特徴とする発泡金属製造法が得られる。
【００１０】
また、本発明によれば、発泡時の気泡の凝集、離脱を抑える役割を持つ増粘剤として微細な酸化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム粉末のうち１種類以上を0.1〜1.0重量％添加することを特徴とする発泡金属製造法が得られ、気泡の微細化と高気孔率化が達成できる。
【００１１】
また、本発明によれば、製造ままの発泡鉄、ニッケル、コバルト、クロム及びその合金中には0.5〜3.5重量％の炭素が含まれており、衝撃エネルギー吸収能が低いため、炭素を発泡時のみの一時的な合金元素（Temporary alloying element）と考え、固相線以下の温度で非酸化性雰囲気中での脱炭処理をすること及び発泡鉄やコバルトでは950℃での1時間以上の焼鈍による炭化物の黒鉛化を進行させることを特徴とするエネルギー吸収能を高めた発泡金属製造法が得られる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、以下の効果が得られる。
発泡金属の中で代表的な発泡アルミニウムは高い発泡率に起因する低密度化された材料であり、衝撃エネルギー吸収能が高い。しかし、変形時の定常応力レベルが低く、自動車等の衝撃吸収材に適用するためには更なる高強度化が必要であり、その研究が進められている。また、市販されている発泡アルミニウムは高価である。一方、鉄鋼等の材料は素材が安価であり高強度であるため、同程度の発泡体が製造できれば様々な用途が期待される。しかしながら、これまで発泡金属製造のための発泡剤は水素化チタンが使われており、ガス発生温度が600℃程度と低いため、鉄鋼材料などの融点の高い材料に適用することができなかった。そこで、鉄、ニッケル、コバルト、ステンレス鋼などの比較的高融点な金属の発泡体の製造を可能にした。
【００１３】
本発明では炭素濃度の高い発泡金属が得られるが、製造ままでは炭化物が生成するため脆い材料となってしまい、圧縮変形時の定常変形応力が得られないため、エネルギー吸収能が低い。そこで、炭素をtemporary alloying elementとして考え、後熱処理により脱炭することもしくは焼鈍による炭化物の黒鉛化を行う後熱処理により、エネルギー吸収能に優れる発泡体の製造を可能にした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
本発明の請求項１に記載の発明は、図１に示す鉄−炭素系状態図及び図２に示すSUS304ステンレス鋼−炭素系状態図中にあるように炭素添加による融点低下と高い液相中の炭素濃度域がある合金系で、かつ生成した液相中の炭素により還元される酸化鉄を添加することにより発泡金属が製造可能である。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明は図３に示すように、金属と炭素の反応による溶融、酸化物の溶融金属中の炭素による還元、発泡ガス発生と発泡という順序で進めることにより実現可能である。そのためには、粉末混合体の昇温速度が重要であり、図４に示すように鉄、黒鉛、酸化鉄粉末を使用した発泡鉄製造時は3.3〜5.0K/sの範囲において発泡体が得られる。また、添加する酸化物の粒径、添加量を制御することにより平均気泡径、気孔率を制御することが可能であり、図５に示すように3.1重量％炭素含有発泡鉄では、平均気泡径450〜800μｍ、気孔率40〜60％に制御可能である。
【００１６】
さらに、請求項３に記載の発明は、図６に示すように攪拌された炭素を含有した溶融金属もしくは合金中に鉄、ニッケル、コバルト、クロムのうち1種類以上の金属を主成分とする酸化物粉末を投入攪拌し、均一分散させる、または鉄、ニッケル、コバルト、クロムのうち1種類以上の金属を主成分とする酸化物粉末を添加した鋳型内に鋳込み、発泡後急速凝固させることにより発泡金属製造を可能にするものである。
【００１７】
そして、請求項４に記載の発明は、原料に鉄、ニッケル、コバルト、クロムのうち１種類以上の金属を主成分とする酸化物粉末とともに微細な酸化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウムのうち１種類以上を0.1〜1.0重量％添加することによって、粘性を増大させ、発泡時の気泡の凝集、離脱を抑えることにより、気孔率、気泡径を制御可能な発泡金属製造を可能にするものであり、増粘剤として添加できる酸化物は発泡温度において炭素によって還元されない物質である。
【００１８】
また、請求項５に記載の発明は、炭素を発泡時の一時的な合金元素（temporary alloying element）として考え、非酸化性雰囲気での後熱処理による脱炭を行い、脆性改善を可能にするものであり、水素雰囲気中950℃、18時間の後熱処理により0.1重量％まで炭素濃度を低下させ、硬さを120Hvにすることができる。
【００１９】
最後に、請求項６に記載の発明は、脱炭や炭化物の黒鉛化を行うことにより延性を持たせ、衝撃エネルギー吸収能を高めた発泡金属の製造を可能にするものであり、図７に示すように3.1重量％炭素、1.0重量％酸化鉄含有発泡鉄は発泡ままではセメンタイトが存在し、脆性を示すが、950℃、1時間の焼鈍によりセメンタイトが減少し黒鉛が生成することにより、図８に示すように降伏後の応力低下を抑えられ、エネルギー吸収能を改善できる。
【実施例１】
【００２０】
金属粉末として平均粒径50μｍの電解鉄粉を、炭素源として平均粒径20μｍの黒鉛粉を、酸化物として平均粒径が1,10,20μｍの酸化鉄粉を用いた。これらを炭素濃度0.5〜3.1重量％、酸化鉄濃度0.01〜4.0重量％で混合、直径14mm高さ10mmに成形し、発泡前駆体を得た。これをアルゴンガス中で高周波誘導加熱により昇温速度を制御して加熱し、1240〜1440℃に所定時間保持した後、冷却し発泡体を得た。酸化鉄濃度1.0重量％、それぞれの炭素濃度において、目的温度と得られた気孔率の関係を図９に示す。尚、各炭素濃度での目的温度の違いを規格化するため温度は液相線温度と目的温度の差ΔTで示した。温度差ΔTが増大すると気孔率は上昇し、最大値をとった後減少した。炭素濃度が下がるにつれて大きな温度差でそれぞれ気孔率が最大となり、その温度は3.1、1.5、1.0、0.5重量%炭素でそれぞれ1270、1370、1400、1420℃であった。また、図５に示すように3.1重量％炭素含有発泡鉄では、酸化鉄の粒径に関わらず添加量の増大に伴い、気孔率は増大し、最大値を示した後に減少した。さらに粒径20μｍの酸化鉄を添加した場合に気孔率は極端に高くなり、酸化鉄添加量0.5重量％で気孔率65％の発泡鉄が製造できた。
【実施例２】
【００２１】
金属粉末として粒径75μｍ以下のコバルト粉末を平均粒径20μｍの黒鉛粉1.5重量％及び一酸化コバルト粉末1.0重量％と混合、直径14mm高さ12mmに成形し、発泡前駆体を得た。これをアルゴンガス中で高周波誘導加熱により急速加熱し、1380℃で１分間保持後冷却し、発泡体を得た。得られた発泡体の気孔率は52％であった。
【実施例３】
【００２２】
平均粒径50μｍの電解鉄粉と平均粒径20μｍの黒鉛粉、平均粒径10μｍの酸化鉄粉を用い、炭素濃度3.1重量％、酸化鉄濃度1.0重量％で混合、直径14mm高さ10mmに成形し、アルゴンガス中で高周波誘導加熱により1270℃まで加熱し1分間保持した後、冷却し発泡体を製造し、950℃、6〜18時間、水素雰囲気で熱処理を行った。図１０に示すように発泡鉄中の炭素濃度は処理時間とともに低下し、18時間で0.1重量％まで低下した。また、製造ままで280Hvあった硬さが18時間処理で120Hvまで低下し、脱炭による軟化が起こり、衝撃エネルギー吸収時の変形応力を下げることができた。
【実施例４】
【００２３】
平均粒径50μｍの電解鉄粉と平均粒径20μｍの黒鉛粉、平均粒径10μｍの酸化鉄粉を用い、炭素濃度3.1重量％、酸化鉄濃度1.0重量％で混合、直径14mm高さ10mmに成形し、アルゴンガス中で高周波誘導加熱により1270℃まで加熱し1分間保持した後、冷却し発泡体を製造し、圧縮試験に供した。また、同条件で製造し、950℃、1時間アルゴン雰囲気下で焼鈍処理をした発泡鉄についても行った。図８に示すように焼鈍により脆性的な変形挙動が延性的に変化し、焼鈍材は5.3J/gの衝撃エネルギー吸収能を示した。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】鉄−炭素系状態図。
【図２】SUS304ステンレス鋼−炭素系状態図。
【図３】粉末原料を用いた発泡金属製造方法の模式図。
【図４】製造された発泡金属の気孔率の昇温速度依存性。
【図５】3.1重量％炭素含有発泡鉄の気孔率と平均気泡径の関係。
【図６】炭素含有溶融金属への酸化物の添加により製造される発泡金属製造方法の模式図。
【図７】粉末鉄及び黒鉛、酸化鉄を用いて製造した発泡鉄及び焼鈍処理をした発泡鉄のX線回折パターン。
【図８】粉末鉄及び黒鉛、酸化鉄を用いて製造した発泡鉄及び焼鈍処理をした発泡鉄の応力−歪曲線。
【図９】液相線温度と発泡温度の差と気孔率の関係。
【図１０】水素雰囲気、950℃での後熱処理による炭素濃度と硬さの変化。
【符号の説明】
【００２５】
１：鉄、ニッケル、コバルト、クロムなどの金属粉末
２：黒鉛などの炭素源
３：鉄、ニッケル、コバルト、クロムのうち１種類以上の金属を主成分とする酸化物粉末
４：金属-炭素系液相
５：COガス及びCO2ガス
６：固相と液相が混在する金属-炭素系合金
７：気泡
８：攪拌器
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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