(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主としてＦｅ及びＣｒを含む合金からなり、かつＣｒ炭化物及び／又はＦｅＣｒ炭化物が均一分散した発泡構造の骨格を有することを特徴とする金属多孔体。
【請求項２】
前記多孔体中のカーボン含有量が０．１％以上３．５％以下である請求項１に記載の金属多孔体。
【請求項３】
前記多孔体中に、さらにＮｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐ、Ｂ、Ｓｉ、Ｔｉから成る群から選択された少なくとも１種を含む請求項１又は２に記載の金属多孔体。
【請求項４】
平均粒径が５μｍ以下のＦｅ酸化物粉末と、金属Ｃｒ、Ｃｒ合金及びＣｒ酸化物から選ばれる粉末の１種以上と、熱硬化性樹脂及び希釈剤を主成分とするスラリーを作製し、発泡構造の樹脂芯体にこのスラリーを塗着後乾燥し、その後非酸化性雰囲気中で、９５０℃以上１３５０℃以下で熱処理工程を含む焼成を行なうことにより、主としてＦｅ及びＣｒを含む合金より成り、Ｃｒ炭化物及び／又はＦｅＣｒ炭化物を均一に分散した発泡構造の骨格を有する焼結体とする金属多孔体の製造方法。
【請求項５】
焼成を樹脂芯体を除去すると同時に、熱硬化性樹脂を炭化し、また、金属酸化物をこの炭素分で還元すると共に、金属成分の一部を炭化する第１熱処理と、その後１１００℃以上１３５０℃以下の高温に加熱することにより、強固な発泡金属構造とする焼結体を形成する第２熱処理より成る２段階工程で行なう請求項４に記載の金属多孔体の製造方法。
【請求項６】
焼成が非酸化性雰囲気中で樹脂成分を炭化させる第１の熱処理工程と、還元性雰囲気中で９５０℃以上１３５０℃以下の温度で第１の工程で生成した炭素で金属酸化物を還元すると共に金属成分の一部を炭化物にし、その後、還元された金属分を合金化焼結することにより強固な発泡金属構造とする第２の熱処理工程より成る２段階工程で行う請求項４に記載の金属多孔体の製造方法。
【請求項７】
前記混練するスラリーにＮｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐ、Ｂ、Ｓｉ、Ｔｉから成る群から選択された少なくとも１種の粉末、及びその酸化物粉末をさらに混合することを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の金属多孔体の製造方法。
【請求項８】
樹脂成分と酸化物粉末との配合割合において、樹脂成分の残炭率と、樹脂成分の酸化物に対する重量比が、下記式（１）を満たす範囲にあるように樹脂量を決めることを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載の金属多孔体の製造方法。
１１＜Ｘ×Ｙ＜３８      （１）
Ｘ＝樹脂成分の残炭率（重量％）
Ｙ＝樹脂成分の金属酸化物に対する重量比
【請求項９】
前記熱硬化性樹脂と酸化物粉末の配合において、熱硬化性樹脂溶液の残炭率と熱硬化性樹脂溶液の酸化物に対する重量比が下記式（２）を満たす範囲にあるように樹脂量を決めることを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載の金属多孔体の製造方法。
５．１＜ａ×ｂ＜１１      （２）
ａ＝熱硬化性樹脂溶液の残炭率（重量％）
ｂ＝熱硬化性樹脂溶液の金属酸化物に対する重量比
【請求項１０】
請求項１乃至３のいずれかに記載の金属多孔体にＡｌ合金もしくはＭｇ合金の溶湯を９８ｋＰａ以上の加圧下で含浸注入されてなる金属複合材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極基板、触媒担持体、フィルター、金属複合材等に適用される高強度、耐食性及び耐熱性に優れた合金からなる金属多孔体並びにその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属多孔体は、耐熱性を必要とするフィルターや、電池用極板、更には、触媒担持体、金属複合材等、様々な用途に利用されている。従って、金属多孔体の製造技術は多くの公知文献によって知られてきた。また、既にＮｉをベースとした金属多孔体である住友電工製のＣＥＬＭＥＴ（登録商標）を用いた製品は業界で十分に利用されてきた。
【０００３】
従来の金属多孔体の製造方法として、特開昭５７−１７４４８４号公報に記載される発泡樹脂等に導電性処理を施した後、メッキ法による手段と、特公昭３８−１７５５４号公報に記載される粉末金属をスラリーにして発泡樹脂等に付着させ、焼結する方法が古くから知られている。
【０００４】
メッキ法は、発泡樹脂等の表面に導電化処理として、導電材料の付着、導電化物質の蒸着、薬剤による表面改質等が存在する。導電化された発泡樹脂等が金属メッキされた後、樹脂部分を焼却除去することにより金属多孔体を得る。金属骨格の作成においては、電気メッキ、無電解メッキ等があるが、いずれもメッキ手段を取るため、単一金属の金属多孔体を得る。合金化処理は異種の金属をメッキし、後の工程で金属拡散処理をする手段や、単一金属メッキの後、拡散合金化処理等を行なうことが知られている。
【０００５】
焼結法では、金属粉末と樹脂のスラリーを発泡樹脂等に塗布もしくはスプレーし、乾燥後焼結処理することにより行われる。前記の特公昭３８−１７５５４号公報になる手段では、金属素材を複数種使用すれば、合金化処理が可能である。
【０００６】
ところが、合金化された金属多孔体を得ることが出来ても、強度的にはメッキ法と拡散合金化処理を組み合わせた金属多孔体のものに比べ見劣りがする。焼結による金属粉同士の密着性がその問題に関与する。
【０００７】
その改善手段として特公平６−８９３７６号公報では鉄粉の表面を酸化させかつ鉄粉中の炭素含有量を規定し、焼成時の酸化物中の酸素と含有炭素の酸化還元反応を利用して焼結する際の鉄表面の還元を密着手段として用いている。しかしこの開示において、鉄粉の粒子内の金属部分は反応に関与しないため、出来上がった骨格において界面の向上は図れるが、元々の金属部分の構造に機械的強度が不充分の要素を残している。
【０００８】
また、特開平９−２３１９８３号公報には、酸化鉄粉を原料として緻密な金属焼結多孔体が開示されている。しかし、鉄のみの金属多孔体では、強度的にも耐食性にも耐熱性においても不充分であるので、合金化によりこれらの特性の改善が図られている。しかしながら、前記発明の合金化は、単に鉄以外の金属粉末や金属酸化物を加えても成立しない。
【０００９】
さらに、金属多孔体の利用分野として、複合化手段への利用が進んでいる。この技術は、ＡｌダイキャストのようなＡｌ合金を鋳物に換えて利用していくことによる軽量化手段として広く利用されている。ところが、Ａｌ自体の特性上、耐熱性等の不足があり、Ａｌの合金化による特性の向上や、複合化を目指す利用方法が注目される。同様にＭｇ合金の機械強度を強化する場合にも用いる可能性がある。
【００１０】
金属多孔体を用いた複合化に関する技術は、特開平９−１２２８８７号公報に詳細な開示がある。該公報の記載によれば、このような複合化された軽金属合金は、特に摺動部等の過酷な使用部分に利用される。このため、複合化に利用される金属多孔体自体の特性も使用用途に見合った特性が必要となる。
【００１１】
複合化に利用される金属多孔体としては、前記ＣＥＬＭＥＴが既に利用されているが、さらに特性的に有効な効果を生み出すことが目的とされる技術が特開平１０−２５１７１０号公報に記載されている。この金属多孔体は、金属粉末とセラミックス粉末を含むスラリーを焼失性発泡部材に塗布し、その後還元性ガスに水蒸気／又は炭酸ガスを含有させた還元性雰囲気中で樹脂分を焼失させ、さらに還元性雰囲気中で焼成するものである。この結果、出来上がった金属多孔体の骨格中には、セラミックス粒子が分散されることになり、セラミックスの特性を有する金属多孔体が形成される記載がある。
以上のように、金属多孔体の骨格を溶湯金属で充填し、金属複合材とする技術は、日毎にその特性向上に仕上げられてきた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
金属複合化の技術は、ＡｌやＭｇ金属を複合化する技術から、更にはＡｌ合金やＭｇ合金を複合化する技術について研究がなされており、この技術の研究によって金属複合材を使用する際に遭遇してきた問題を解決してきた。特に金属複合材は、自動車等のエンジン部品の材料として注目され使用されている。ところが、自動車の排気ガス規制等の改善に向けてさらに材料への要求が厳しくなり、特性向上の必要がある。特にディーゼルエンジンのピストン耐磨環部に用いられる部品には、より一層向上した耐摩耗性が必要とされる。前記公報での技術であるセラミックス粒子を含む金属多孔体を用い、複合化する手段もあるが、このような手段を用いた場合は、セラミックス含有金属多孔体におけるプリフォーム加工が難しくなり、形状が制約される。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、こうした技術向上の要求に基づく検討の結果到達されたものであって、要求に合った性能の材料を提供するものである。その内容は、発泡構造の金属多孔体であり、骨格がＦｅ及びＣｒを含む合金からなり、かつＣｒ炭化物及び／又はＦｅＣｒ炭化物が均一分散した組織となっていることを特徴とする。含まれる金属炭化物の量は、カーボン量で判断でき、金属多孔体の骨格中のカーボン含有量が０．１％以上３．５％以下であると特に好ましい特性を有するものになる。金属多孔体は主としてＦｅとＣｒからなり、その組成中に均一分散したＣｒ炭化物及び／又はＦｅＣｒ炭化物が存在することにより、いままでにない強度をもたらす。特に炭化物量がカーボン含有量にして上記範囲内にあれば好ましい。カーボン量が０．１％未満の場合は、骨格中の炭化物量が少ないため、耐摩耗性において劣り、３．５％を越えると骨格自身が硬くなり、セラミックス粒子を含んだ先行技術同様にプリフォーム加工性に難点が生ずる。また、複合材の加工性低下や摺動部に適用した時に、相手材を摩耗させてしまうといった問題が発生する。さらに、カーボン量が０．３％〜２．５％であると、さらに良好な特性となる。
【００１４】
前記の好ましいカーボン量の範囲において、金属多孔体の骨格部のビッカース硬さは１４０以上３５０以下の範囲にあり、特に複合合金化後の加工性、耐摩耗性において良好な結果を示す。
【００１５】
本発明は、さらに金属骨格中にＮｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐ、Ｂ、Ｓｉ及びＴｉから成る群から選択された１種以上を含むと靭性が増し、より好ましいものとなる。
【００１６】
本発明になる金属多孔体の作成方法は、以下のようにする。
平均粒径が５μｍ以下のＦｅ酸化物粉末と、金属Ｃｒ、Ｃｒ合金及びＣｒ酸化物から選ばれる粉末の１種以上と、熱硬化性樹脂及び希釈剤を主成分とするスラリーを作製し、発泡構造の樹脂芯体にこのスラリーを塗着後乾燥し、その後の非酸化性雰囲気中で、９５０℃以上１３５０℃以下での熱処理工程を含む焼成により、前記のＦｅ及びＣｒを主成分とする骨格とし、Ｃｒ炭化物及び／又はＦｅＣｒ炭化物が均一分散した焼結体とする製法を用いる。このようにすることで、炭素成分を最初から金属炭化物として添加した場合とは異なり、金属炭化物が均一に分散された状態となる。さらに、本発明の方法により得られる金属炭化物相は、平均的な粒サイズが２μｍ〜５０μｍの範囲にあり、耐摩耗性等に優れた効果を奏する。
【００１７】
前記添加金属は、金属粉末をスラリー中に混合することで焼結後の合金化された金属多孔体の骨格中に含まれる。
【００１８】
前記の熱焼成工程の好ましい態様は、スラリーを塗着、乾燥した多孔性樹脂芯体の樹脂成分を非酸化性雰囲気中で炭化させる第１の熱処理工程と、還元性雰囲気中で９５０℃以上１３５０℃以下の温度で第１の工程で生成した炭化成分で金属酸化物を還元すると共に金属成分（即ち、Ｆｅ酸化物とＣｒ又はその酸化物又は合金の少なくとも１種）の一部を炭化物とし、還元された金属分を合金化焼結する第２の熱処理工程を含むことを特徴とする。
【００１９】
該態様において、金属多孔体の基本となるＦｅ分についてはより細かな粒度のものを、焼結に先立って第１の熱処理工程を加えることでＦｅとＣｒの合金になる強度大、耐熱性、耐腐食性の金属多孔体が得られる。特にこの方法で作成することで、金属多孔体の骨格断面において金属密度が増加し、空孔面積率が３０％以下のものが得られる。
特に製法としての注意点は炭化物を形成させるための炭素源となる樹脂の配合量と焼成条件である。
【００２０】
好ましくは、スラリー中の樹脂成分及び多孔性の樹脂多孔体から熱処理工程で得られる炭化成分とスラリー中に加えるＦｅ酸化物ならびにその他の酸化物粉末との比率をある範囲中に納めるのが好ましく、その関係に基づいてスラリーの配合を決めると良い。その決め方は、Ｆｅ酸化物およびその他の金属酸化物粉末を含まない前記熱硬化性樹脂等の樹脂成分と金属酸化物粉末との配合割合において、金属多孔体の骨格に残存し得る樹脂多孔体の成分をも含めた樹脂成分の残炭率と、樹脂成分の金属酸化物に対する重量比が、下記式（１）を満たす範囲にあるのがよい。
【００２１】
１１＜Ｘ×Ｙ＜３８      （１）
Ｘ＝樹脂成分の残炭率（重量％）
Ｙ＝樹脂成分の金属酸化物に対する重量比
【００２２】
前記樹脂成分の残炭率は、スラリーに添加された熱硬化性樹脂と、初期の骨格となる樹脂多孔体等樹脂成分全体から生じた残炭率を合わせたものである。そして、残炭率の測定はＪＩＳＫ２２７０に記載される方法で初期樹脂重量（樹脂多孔体の樹脂成分、熱硬化性樹脂成分の樹脂成分全体の合計重量）に対する残留炭素成分量の比率を言う。また前記酸化物は主としてＦｅ酸化物であるが、Ｃｒ酸化物を用いた場合は、その成分を含む。このような配合条件では、第２の工程での酸化物の還元がバランスよく進み、強度に優れた金属多孔体を得ることが出来る。
【００２３】
得られる金属多孔体中の炭素分の含有量を０．１％以上３．５％以下とすることが望ましい場合には、酸化物粉末と熱硬化性樹脂の配分比が、下記式（２）を満たすように配合するのが好ましい。
５．１＜ａ×ｂ＜１１      （２）
【００２４】
ここでａで示される熱硬化性樹脂の残炭率（%）は、スラリーに添加された熱硬化性樹脂溶液の残炭率であり、ｂはスラリーに添加された熱硬化性樹脂溶液の金属酸化物に対する重量比を示す。
【００２５】
焼結条件は、スラリー中の樹脂分に含まれる炭素源と金属酸化物の酸素量にも影響される。配合量により多少の条件変化が必要である。
【００２６】
こうしてできた金属多孔体は、金属相と金属炭化物相が均一に分散され、その金属炭化物相は、内部まで炭化物相となっているので、靭性に富み、耐摩耗性を有する。
【００２７】
これらの金属多孔体は、Ａｌ合金もしくはＭｇ合金を注湯して複合化するのに適している。特にＡｌ合金もしくはＭｇ合金を９８ｋＰａ以上の加圧下で注湯し、複合金属化すると金属多孔体とＡｌ合金もしくはＭｇ合金マトリクスが馴染み、好ましい金属複合材になる。
【００２８】
さらには、ＦｅとＣｒの合金の他に第３の物質を含ませることで用途に応じた合金化が可能である。即ち、第３の粉末もしくは酸化物粉末を加えると耐熱性、耐食性、耐摩耗性及び機械強度が増す効果を得る。その代表例として、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐ、Ｂ、Ｓｉ、Ｔｉをあげる。これらの第３の物質は、単味の粉末でもよく、酸化物の粉末でも可能である。また酸化物以外の状態では粉末にしにくい物質でも酸化物状態の粉末なら得やすいので、本発明はその点でも有利である。
なお、前記第３の物質を酸化物として添加する場合には、先の関係式（１）のＹ、（２）のｂには、この第３の物質の酸化物も考慮される。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明になる金属多孔体の拡大模式図である。外観的には、樹脂多孔体と同じであるが、樹脂多孔体の骨格にスラリーを塗布乾燥し、その後焼結するために金属骨格１内部は空孔２を有するが、炭化焼結時に収縮することで図２のような骨格断面となる。
【００３０】
更に、図３は、ＦｅとＣｒを含む合金相のマトリックス３の中に、金属炭化物相４が分散されている状態を示した本発明の金属多孔体の骨格断面である。図２に示したように、骨格には一部気孔が存在する場合もあるが、該図においてはこの気孔は省略されている。最初から炭化物粉末等で添加した場合には、炭化物相４は、粒子自体が大きすぎ、マトリックス３中で十分な分散状態とはならない。しかしながら、本発明では、金属炭化物相４は合金相マトリックス３に微細で均一に分散されているため、合金相のマトリックス３との馴染みもよく、靭性に富んだ特性が得られる。
【００３１】
図４は、本発明になる金属多孔体をＡｌ合金で複合化した時の断面である。金属多孔体骨格６は、反射光のため内部の組成まで観察できないが、Ａｌ合金マトリクス５との境界に隙間等が見られず、十分になじんだ状態で形成されている。この状態により、金属複合材としての特性が強調され、耐摩耗性に優れ、かつ加工性にも優れた金属複合材となっている。
【００３２】
本発明になる金属多孔体の作製は、スラリーの作製に特徴があり、Ｆｅ酸化物粉末が用いられる。この時、Ｆｅ酸化物の粒度は細かいものがよく、平均粒径が５μｍ以下が好ましい。粒子が大きい場合は、粒子内部まで還元するのに時間がかかると共に、均一な組成に骨格を形成しにくくなる。
【００３３】
図２に示したように、骨格内部には気孔が存在するが、骨格断面において、ポーラスな組織即ち空孔面積率が大きいと強度が低下する。本発明では、上記の如き微細のＦｅ酸化物を用いることにより、この骨格断面の空孔面積率を３０％以下に抑えることが可能である。
【００３４】
これは、微粒のＦｅ酸化物粉末を用い、Ｆｅ酸化物とＣｒ成分等の周囲に樹脂の炭化成分が均一に分散形成されることにより、均一還元される等の理由により、緻密な金属骨格成分が形成されるからである。
【００３５】
本発明において使用するＦｅ酸化物は、上記で述べたように、好ましくは平均５μｍ以下の粒度の粉末であるが、さらに好ましくは平均１μｍ以下のものとするのがよい。このようにすると、スラリーの状態がなめらかであり、樹脂多孔体への塗布も緻密かつ均一に塗布できる。更には第１の熱処理工程において、ＦｅＣｒ複合酸化物の形成が容易になり、還元焼結時の反応性が良好で、熱処理時間の短縮がはかれる。また、Ｆｅ酸化物は微粒化しているので、樹脂炭化物との接触頻度を向上させ、樹脂の炭化物を均一に消費できるので、還元性雰囲気で金属粉を焼結する際に起こりやすい炉壁への炭素分の付着による焼結炉の特性悪化等の影響も抑えられる。
【００３６】
合金成分となるＣｒについては、金属Ｃｒ、Ｃｒ合金もしくはＣｒ酸化物を供給原料として用いるが、合金化後の組成としてＣｒが３０重量％以下、より好ましくはＦｅとＣｒの比率Ｆｅ／Ｃｒが１．５〜２０程度の範囲にあるのがよい。それ以上であると金属多孔体としての強度が低下する。均一な骨格を形成する上で、Ｃｒ原料の形状としては細かい程良いが、金属粉等は細かいほど価格が上昇するので、原料粉の粒子サイズは、そのコストを見極めて用いるのが得策であり、４０μｍ以下の粒度が好ましい。より好ましくは１０μｍ以下にしておくとＦｅ酸化物との合金化に好都合である。４０μｍより大きいとスラリー時の沈殿や塗布時の塗りむら等を誘発し、合金組成の不均一化を招くことになる。特に好ましいＣｒ成分としての素材は、Ｃｒ2Ｏ3やＦｅＣｒ合金である。
【００３７】
第３成分としてＮｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐ、Ｂ、Ｓｉ、Ｔｉの少なくとも１種の金属粉末もしくはその酸化物粉末を用いると、金属多孔体としての耐熱性、耐腐食性、機械強度を向上させることが出来好ましい。効果を発揮する量は、元素毎で異なるが、多くの量を含ませると、肝心の金属骨格に悪影響を与えることになり、意味がない。
好ましくは製品組成中の元素濃度で２５重量％以下である。
【００３８】
そして、スラリー中での配合比率について注意すべき点は、ＦｅやＣｒの酸化物、更には前記第３成分としての酸化物の酸素量と熱硬化性樹脂の配分である。熱硬化性樹脂の役割は、スラリーを発泡構造の樹脂芯体に付着させるバインダーとしての働きと、金属炭化物を形成させるための炭素源である。熱硬化性樹脂は塗着後加熱された際に炭化し、この炭化により金属炭化物形成の炭素源ともなるので、その配合量は配合中の金属酸化物として存在する酸素原子の量と熱硬性樹脂成分中の炭素原子の量との比率に関係する。芯体となる樹脂や、又はその他の樹脂成分は焼成中もしくはそれ以前に大半が焼失するので、金属多孔体中に残炭量としての寄与は小さい。
【００３９】
これらの点を考慮して、スラリーを作成する際の樹脂分と金属酸化物の配合比率を、骨格となる樹脂多孔体をも含めた全樹脂分の炭化率によって決めるのが好ましい。その決め方は、まず用途に応じて単位面積あたりの金属重量が決められる。その金属量から樹脂成分量が求められる。と共に、樹脂成分の残炭率より添加される熱硬化性樹脂成分に起因する残炭量が求められる。そして金属の耐熱性や機械強度等の特性から金属合金の設計がなされ、Ｆｅ、Ｃｒ及び付加される第三の金属等の量が計算される。その原料組成から酸化物量がはじき出され、処理する酸素量が求められる。スラリーに用いる熱硬化樹脂の種類と量は、その焼成工程により以下の式に基づいて調整するのが好ましい。
１１＜Ｘ×Ｙ＜３８      （１）
【００４０】
ここで、Ｘ＝樹脂成分の残炭率（重量％）であり、骨格樹脂、スラリーに使用された熱硬化性樹脂等の樹脂成分合計量に対して、焼結後に得られた金属多孔体中の残炭量の比率である。また、Ｙ＝全樹脂成分の金属酸化物に対する重量比率であり、Ｆｅ酸化物と選択によってはＣｒ酸化物の重量が酸化物に相当する。第三成分を金属酸化物で用いる場合も同様である。第三成分を金属粉で用いる場合はカウントされない。また、樹脂成分とは、骨格樹脂、熱硬化性樹脂を含む全樹脂の合計である。
【００４１】
熱硬化性樹脂の残炭率（ａ）と熱硬性樹脂の金属酸化物に対する重量比（ｂ）を掛け合わせた値を前記の式（２）のように５．１より大きく、１１より小さい範囲とすると、最終的には、出来上がった金属多孔体の骨格中に残存するカーボン量を０．１％以上３．５％以下の範囲に調節することが可能である。
【００４２】
又、上記式（１）、（２）の範囲で熱硬化性樹脂を決めると、金属多孔体中に残存する炭素は微量になり、機械強度に優れ、耐熱性、耐食性にも優れたものになる。骨格中の金属組織も緻密になるほか、骨格の断面における気孔面積も当然３０％以下となっている。
【００４３】
以上のように作成されたスラリーを用いて樹脂多孔体にスラリーを塗布する。塗布方法はスプレーによる吹き付け、ディッピング等の処理後、ロール等で絞って一定の塗布量とするのが好ましく、均一に樹脂骨格内部まで塗布することが肝要である。塗布には、熱硬化性樹脂が液状のものとか、溶剤で液体状になったものを用い、希釈剤として水溶性のものは水で、非水溶性のものは有機溶剤で希釈し、粘度調整をすることで、所定量のスラリーを樹脂骨格に塗布することが出来る。塗布完了後、乾燥する。乾燥においては、骨格樹脂が変形する温度未満で処理することが必要であるが、雰囲気や風の有無は適宜選択して構わない。
【００４４】
スラリーを塗布し乾燥した樹脂芯体は非酸化性雰囲気中で焼成され、前記の如きＦｅ及びＣｒを主成分とする骨格表面、内部に、炭化物が均一分散した組織を有する金属多孔体を形成する。焼成工程の好ましい態様として以下の２段階の熱処理の条件を変えて行なう。第１の熱処理の条件で樹脂芯体を除去すると同時に、熱硬化性樹脂を炭化し、また、金属酸化物をこの炭素分で還元すると共に、金属成分の一部を炭化物にする。その後、高温に条件を変え、焼結と共に強固な発泡金属構造とする。この条件により、金属多孔体の骨格部に金属炭化物が形成され、この炭化物が均一に分布した金属多孔体が得られる。
【００４５】
上記の焼成工程において、第１の熱処理条件は、均一な金属組成を作る条件より低温側が好ましく、８００℃近辺の雰囲気を用いると良い。好ましくは７５０℃以上１１００℃の範囲で焼成するのがよい。焼結のための第２の熱処理工程は、金属組成の内容により決められ、ここではＦｅとＣｒの合金を形成し、焼結体とすることから１２００℃付近が好ましく、１１００℃以上１３５０℃以下の範囲で操作するのがよい。
【００４６】
別法として、上記の焼成を以下の２つの熱処理工程で行なうこともできる。即ち、第１の熱処理工程では、まず樹脂分の炭化と同時にＦｅ酸化物と金属Ｃｒ、Ｃｒ合金もしくはＣｒ酸化物の反応によるＦｅＣｒ複合酸化物を形成させる。このＦｅＣｒ複合酸化物を形成させることで、次工程における還元焼結作業が容易になる。第１の熱処理においては、非酸化性雰囲気を用いる。樹脂分の炭化が必要であるため、４００℃以上９００℃以下の雰囲気温度が好ましい。４００℃未満では樹脂分の炭化に時間がかかり不経済であることと、十分な炭化が進まないと次工程でタールの形成等不都合を生じる。また、９００℃を越えると前記複合酸化物の形成を越えて還元反応が進み、第２熱処理工程で緻密な金属構造を得にくくなる。
【００４７】
この方法において、上記の第１の熱処理工程を経ずに還元焼結工程とすると、樹脂の炭化が行われず、そのため骨格構造の保持が不充分になり、骨格の割れや破断等を生じやすくなる。さらには、前記ＦｅＣｒ複合酸化物を形成させず焼結することになるので、合金化焼結工程が不均一となる。
【００４８】
第２の熱処理工程では、前工程で形成させた樹脂成分からの炭素分でＦｅＣｒ複合酸化物の反応による酸化還元反応と、同時に金属骨格形成における金属同士の焼結を達成させる。雰囲気には還元性雰囲気が良く、水素ガス、アンモニア分解ガスもしくは水素と窒素の混合ガスを代表例としてあげる。真空中に焼結することも可能である。雰囲気温度は、９５０℃以上１３５０℃以下とするのがよく、この条件であるとＦｅＣｒ複合酸化物が炭素により還元され、骨格形成と同時にＦｅＣｒ合金になる。雰囲気温度としては、９５０℃未満では還元焼結に時間を費やし不経済であり、１３５０℃を越えると焼結の際に液相が出現し、金属骨格の保持が出来なくなるので好ましくない。より好ましい温度としては、１１００℃以上１２５０℃以下とするのがよい。
【００４９】
前記ＦｅＣｒ複合酸化物を形成すると、還元反応において水素等の還元性ガスのみでは還元により長い時間とより高い温度が必要であるが、第１の熱処理工程で形成させた樹脂の炭化物による炭素の存在で前記条件にて還元反応が進行できる。出来上がった金属多孔体の骨格の緻密性にも優位なものとなるので、機械強度が向上する。またＦｅＣｒ複合酸化物を還元するので、出来上がった金属骨格も均一なＦｅＣｒ合金で形成される。
【００５０】
【実施例】
以下、実施例によって、本発明を具体的に説明する。
（実施例１）
平均粒径０．７μｍのＦｅ2Ｏ3粉末５０重量％、平均粒径４μｍのＦｅＣｒ（Ｃｒ６０％）合金粉末２３重量％、熱硬化性樹脂として６５％フェノール樹脂溶液１７重量％、分散剤としてＣＭＣ２重量％及び水８重量％の配合比率で混合し、スラリーを作成した。このスラリーを厚さ１０ｍｍ、１インチあたりのセル数が１８個のポリウレタンフォームに含浸したのち、金属ロールで過剰に付着したスラリーを除去し１２０℃で１０分乾燥した。このシートを表１に示す熱処理条件で処理し、金属多孔体を作成した。出来上がった金属多孔体の物性、機械強度、耐熱性について調べた結果を表２に示す。
【００５１】
【表１】
0004207218.tif 000002
【００５２】
Ｎｏ．１は第２の熱処理工程で温度が低く、Ｎｏ．７は第２の処理工程の温度が高いため、それ以外の金属多孔体に比べ、上記特性において劣っていた。
【００５３】
【表２】
0004207218.tif 000003
【００５４】
以上の結果から、第２の熱処理工程の温度が低いと、骨格部の平均気孔率が大きくなり、機械強度が低下する。表面積も増加するので酸化による耐熱性が低下する。逆に温度が高すぎると金属骨格が保てず、密度が増加するが、機械強度は低下するので、金属多孔体としての有用性に劣る。金属多孔体の密度はスラリーの塗布量により左右される。以上より、第２の熱処理温度としては、９５０〜１３５０℃が好ましく、熱処理を２段階工程で行なうのが更に好ましい。
【００５５】
（実施例２）
表３に示す平均粒径を有するＦｅ2Ｏ3粉末５０重量％、平均粒径８μｍのＦｅＣｒ（Ｃｒ６０％）合金粉末２３重量％、熱硬化性樹脂として６５％フェノール樹脂溶液１７重量％、分散剤としてＣＭＣ２重量％及び水８重量％の配合比率でスラリーを作成した。このスラリーを厚さ１０ｍｍ、１インチあたりのセル数が３２個のポリウレタンフォームに含浸塗布し、金属ロールで過剰のスラリーを除去した。その後、１２０℃で１０分乾燥した。次にＮ2中８００℃で２０分熱処理する工程によりポリウレタンとフェノール樹脂を炭化した後、Ｈ2中１２００℃で３０分還元焼結し、ＦｅＣｒ合金の金属多孔体を得た。出来上がった金属多孔体の物性、機械強度、耐熱性について調べた結果を表４に示す。
【００５６】
【表３】
0004207218.tif 000004
【００５７】
【表４】
0004207218.tif 000005
*1および*2の定義は表２と同じ。
【００５８】
表３及び表４からＦｅ酸化物の平均粒度が大きいと骨格部の平均空孔率が３０％を越え、機械強度が低下する。Ｆｅ酸化物の平均粒度が大きいほど出来上がった金属多孔体の骨格の表面積も増大するほか、金属の焼結度、強度が低下し、この結果、酸化増分が大きくなる。従ってＦｅ酸化物の平均粒度は５μｍ以下が好ましく、１μｍ以下がより好ましい。
【００５９】
（実施例３）
実施例２と同様の製造手順で平均粒径０．７μｍのＦｅ2Ｏ3粉末を用いて、熱硬化性樹脂であるフェノール樹脂量を変えることによる残炭率を変化させた条件での金属多孔体を作成した。この状態を樹脂成分の残炭率Ｘと樹脂成分の酸化物に対する重量比Ｙで表現すると表５のようになる。樹脂成分としては、フェノール樹脂、ウレタンフォーム、ＣＭＣが該当する。
【００６０】
【表５】
0004207218.tif 000006
＊  Ｘ，Ｙの算出において、樹脂成分の計量は、ウレタンフォームに
スラリーを塗着し、乾燥した時点で測定。
【００６１】
表５より樹脂の残炭率は樹脂の物性として樹脂分量の変化によっては大きく影響されないが、酸化物との比率によりＸ×Ｙの値を変えられる。これらの条件により形成された金属多孔体の物性、機械強度、耐熱性を調査した結果を表６に示す。
【００６２】
【表６】
0004207218.tif 000007
*1および*2の定義は表２と同じ。
【００６３】
表６の結果から、Ｘ×Ｙの値により、製造された金属多孔体の特性に差が出来る。表５との対比からＸ×Ｙの値が小さい（酸化物に対する樹脂分の量が少ない）と、特に出来上がった金属多孔体の特性が劣化する。特に骨格断面の空孔率が大きめになり、その結果として機械強度の低下や、酸化増分が大きくなる傾向にある。逆にＸ×Ｙの値が大きすぎる（酸化物に対する樹脂の量が多い）場合でも同様の傾向がある。従って、本実施例では、Ｘ×Ｙの値を１１を越え３８未満であるような条件にするのが好ましい金属多孔体を得ることになる。
【００６４】
（実施例４）
平均粒径０．８μｍのＦｅ3Ｏ4粉末５０重量％、平均粒径５μｍのＣｒ粉末を７．９重量％、及び表７に示す第三の金属粉末を加えた粉末と、６５％フェノール樹脂溶液１２重量％、ＣＭＣ２重量％及び水８重量％の配合比率でスラリーを作成した。このスラリーを用いて厚さ１５ｍｍ、１インチあたりのセル数が２１個のポリウレタンフォームに含浸塗布し、金属ロールで過剰なスラリーを除去した。その後、１２０℃で１０分乾燥し、熱処理した。まずＮ2雰囲気で７００℃２５分の樹脂の炭化とＦｅＣｒ複合酸化物の形成を行い、真空中で１１８０℃、３０分の還元焼結をし、所定の第３金属成分を含むＦｅＣｒ合金の金属多孔体を得た。出来上がった金属多孔体の物性、機械強度、耐熱性を調査すると表８に示すようになった。
【００６５】
【表７】
0004207218.tif 000008
【００６６】
【表８】
0004207218.tif 000009
*1および*2の定義は表２と同じ。
【００６７】
表７と表８の結果から、ＦｅＣｒ合金の金属多孔体に第三の金属を含ませ、改質することも可能であり、大きく配合を左右する量で無ければ、第三の金属を含んでも、物性、機械強度、耐熱性には悪影響を及ぼさず、さらにその第三成分を増やすことにより、耐熱性、機械強度等の特性を改善できる。
【００６８】
（実施例５）
前記実施例４でもちいた配合番号２１について、金属酸化物と樹脂分の量を変化させたスラリーを作成した。金属酸化物としてはＦｅ2Ｏ3が対象であり、樹脂分はフェノール樹脂、ポリウレタンフォーム、ＣＭＣが該当する。特に樹脂分についてはフェノール樹脂の量を変化させた。その他の部分は配合番号２１と変わらない。配合比率をＸ及びＹで表９に示す。
【００６９】
【表９】
0004207218.tif 000010
＊  Ｘ，Ｙの算出において、樹脂成分の計量は、ウレタンフォームに
スラリーを塗着し、乾燥した時点で測定。
【００７０】
これらのスラリーを用いて実施例４の製造条件と同じ条件で金属多孔体を作成した。出来た金属多孔体の物性、機械強度、耐熱性について調査した結果を表１０に示す。
【００７１】
【表１０】
0004207218.tif 000011
*1および*2の定義は表２と同じ。
【００７２】
表９と表１０の結果から、Ｘ×Ｙの値が１１を越え、３８未満である範囲の配合比率を用いるとよりすぐれた金属多孔体が形成されることが解る。
【００７３】
実施例６〜１０
平均粒径０．６μｍのＦｅ2Ｏ3粉末５２重量部、平均粒径７μｍのＦｅＣｒ合金（Ｃｒ６３％）粉末２３重量部、熱硬化性樹脂として６５％フェノール樹脂溶液１３重量部、分散剤（ＣＭＣ）を１．５重量部、水を１０．５重量部とした組成で混合しスラリーとした。
【００７４】
このスラリーを厚さ１０ｍｍ、２５．４ｍｍ（１インチ）当たりのセル数が３１個のポリウレタンフォームシートに含浸した。引き上げ時に金属ロールで過剰に付着したスラリーを除去し、１２０℃で１０分乾燥した。このシートを表１１に示す条件で熱処理し、金属多孔体を得た。出来上がった金属多孔体の状態は、表１２に示す内容のものとなった。
【００７５】
この結果から、残留炭素量によって金属多孔体の見かけ密度は変化はしないが、曲げ加工において、残留炭素量が多くなると加工度が低下することが明確であり、逆に硬さについては、残留炭素量の増加に従って硬くなることが解る。
【００７６】
本発明による金属多孔体は、加工性がよく、且つ金属多孔体の硬さを要求されるので、残留炭素量が適当にあることが必要であり、特に０．１％以上３．５％以下の範囲が好ましい。
【００７７】
【表１１】
0004207218.tif 000012
【００７８】
【表１２】
0004207218.tif 000013
【００７９】
実施例１１〜１５
実施例６に用いた配合のうち、熱硬化性樹脂の配合量を変化させると、金属酸化物との比率が表１３のようなものになる。表１３の組成になるスラリーを作製し、実施例６と同条件で金属多孔体を作製した。いずれも金属多孔体として形状が出来たが、その特性は表１４に示す結果となった。
【００８０】
表１４の結果から、残留炭素量が少ない、つまり金属炭化物相が少ない状態では、曲げ加工時に特性が低下し、残留炭素量の増加に伴い、一旦曲げ加工しやすい状態となり、さらに残留炭素量が増加するにつれて硬さが増加し、加工性が悪化する傾向となる。金属骨格の硬さは、残留炭素量の増加に比例して硬くなる。従って、好ましい残留炭素量は、０．１％以上３．５％以下である。
【００８１】
【表１３】
0004207218.tif 000014
＊  ａ，ｂはいずれも熱硬化樹脂量を、６５％樹脂溶液の重量
として算出
【００８２】
【表１４】
0004207218.tif 000015
【００８３】
実施例１６〜２０
平均粒径０．５μｍのＦｅ2Ｏ3粉末５４重量部、平均粒径５μｍのＦｅＣｒ合金（Ｃｒ６３％）粉末１６重量部、分散剤（ＣＭＣ）１．５重量部と熱硬化性樹脂として６５％フェノール樹脂溶液を表１５に示す量を用いてスラリー作製した。
【００８４】
このスラリーを厚み１２ｍｍ、２５．４ｍｍ（１インチ）当たりのセル数が２６個のポリウレタンフォームシートに含浸したのち、金属ロールで過剰のスラリーを除去し、１２０℃で１０分乾燥した。このシートを表１１の実施例９の条件で熱処理し、金属多孔体を作製した。作製した金属多孔体の特性は表１６に記す。
【００８５】
実施例６〜１５のデータに比べ、密度の違いは、素材に用いられたウレタンフォームシートの気孔率等の違いによるものである。残留炭素量と最小曲率半径（加工性を示す）の関係、硬さの関係は、表１４の結果と類似する。残留炭素量が３．５％を越えると加工性が悪化する。しかしながら、このように比較的高残留炭素の金属多孔体は、加工度の低い分野で、かつ耐摩耗性を重視する場合には適している。また、残留炭素量が少ない実施例１６のような場合は、硬さが小さいので、金属複合材にするには良い結果をもたらさない可能性がある。
【００８６】
【表１５】
0004207218.tif 000016
＊  ａ，ｂはいずれも熱硬化性樹脂量を、６５％樹脂溶液の重量
として算出
【００８７】
【表１６】
0004207218.tif 000017
【００８８】
金属複合材製造例１
前記６〜２０の実施例により出来た金属多孔体の一部を金型に入れ、７５０℃に加熱したアルミニウム合金（ＡＣ８Ｃ）溶湯を３９．２ＭＰａの加圧下で注入し、アルミニウム複合材を作製した。出来たアルミニウム複合材を矩形のサンプルに切り出し、ローラーピン摩耗試験に供した。
【００８９】
ローラーピン摩耗試験の条件は、以下の通りである。
相手材：窒化鋼  直径８０ｍｍ、幅１０ｍｍの回転ローラー
回転数：２００ｒｐｍ
押しつけ加重：６０ｋｇ
時  間：２０分
潤滑油：ＳＡＥ１０Ｗ３０
滴下量：５ｍｌ／分
【００９０】
実施例６〜２０を用いて作製したアルミニウム複合材が垂直に回転する相手材により、上部から押しつけ加重を負荷した状態で押しつけられると、発熱するため、潤滑油を滴下することでローラーと複合材サンプルが溶着しないようにしている。負荷後、２０分経過後、相手材の回転を停止し、サンプルの摩耗深さを測定すると、表１７のようになった。なお、ここで比較例１としてアルミニウム合金（ＡＣ８Ｃ）を矩形に切り出し用いた。
【００９１】
このローラーピン摩耗試験では、相手材との相性もテスト結果に影響するが、結果としては複合化することにより、耐摩耗性が効果として認められる。残留炭素量が極端に少ない場合は、複合化の効果が減少し、残留炭素量が多くなるほど耐摩耗性が向上する。このテストでは、実施例の金属多孔体を加工する操作はしていないが、複雑に加工される場合は、加工性も問題になるので、耐摩耗性と加工性は残留炭素量が多い範囲ではどちらを重視するかにより、残留炭素量を調整選択することが必要である。
【００９２】
【表１７】
0004207218.tif 000018
【００９３】
金属複合材製造例２
金属複合材製造例１と同様に実施例６〜２０で出来た金属多孔体を用いて、マグネシウム合金を用いた複合化を実施した。実施例の各金属多孔体の一部を金型に入れ、７５０℃に加熱したマグネシウム合金（ＡＺ９１Ａ）の溶湯を２４．５ＭＰａの加圧下で注入し、マグネシウム複合材を作製した。出来た複合材を矩形に切り出し、ローラーピン摩耗試験機を用いて耐摩耗性を測定した。
【００９４】
ローラーピン摩耗試験の条件は、以下の通りである。
相手材：窒化鋼  直径８０ｍｍ、幅１０ｍｍの回転ローラー
回転数：３００ｒｐｍ
押しつけ加重：５０ｋｇ
時  間：１５分
潤滑油：ＳＡＥ１０Ｗ３０
滴下量：５ｍｌ／分
【００９５】
この試験方法も金属複合材製造例１と同様に実施し、結果を表１８に示す。ここで用いた比較例２は、マグネシウム合金（ＡＺ９１Ａ）を矩形に切り出したものである。表１８で示すように、残留炭素量が少ない場合は、複合化しなかった比較例２の摩耗深さに近づく値となる。しかしながら、残留炭素量がある（金属炭化物を含む）と、耐摩耗性が向上する。
【００９６】
残留炭素量と摩耗量の相関はアルミニウム複合材と同様に残留炭素量が多くなると硬さが増し、耐摩耗性が向上する傾向にある。
【００９７】
【表１８】
0004207218.tif 000019
【００９８】
本発明の金属多孔体の特徴は、ＦｅとＣｒからなる合金中にＦｅ炭化物もしくはＦｅＣｒ炭化物が均一分散相として存在することで、骨格自体の硬さを向上することにあり、その結果、上記摩耗試験における好結果をもたらす。
【００９９】
実施例２１〜２５
平均粒径０．４μｍのＦｅ2Ｏ3粉末５０重量部、平均粒径５μｍのＦｅＣｒ（Ｃｒ６３％）合金粉末１４．５重量部、表１９に示す金属粉末とその配合量を加えて、分散剤（ＣＭＣ）１．５重量部及び水１１重量部と６５％フェノール樹脂溶液１２重量部の配合比率で混合し、スラリーを作製した。このスラリーを厚さ１０ｍｍ、１インチあたりのセル数が３２個のポリウレタンフォームに含浸したのち、金属ロールで過剰に付着したスラリーを除去し、１２０℃で１０分乾燥した。このシートを表１１の実施例９に示す熱処理条件で処理し、金属多孔体を作製した。出来上がった金属多孔体の密度、残留カーボン量及びビッカース硬度を表２０に示す。
【０１００】
【表１９】
0004207218.tif 000020
【０１０１】
【表２０】
0004207218.tif 000021
【０１０２】
金属複合材製造例３
上記実施例２１〜２５で作製した金属多孔体を金型にセットし、７６０℃に加熱したアルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）溶湯を２０ｋｇ／ｃｍ2で加圧注入することによりアルミニウム複合材を作製した。得られた複合材についてローラーピン摩耗試験を行った結果を表２１に示す。なお、摩耗試験条件は下記の通りである。
【０１０３】
相手材：窒化鋼  直径８０ｍｍ、幅１０ｍｍの回転ローラー
回転数：５０ｒｐｍ
押しつけ加重：１００ｋｇ
時  間：２０分
潤滑油：ＳＡＥ１０Ｗ３０
滴下量：１ｃｃ／分
【０１０４】
【表２１】
0004207218.tif 000022
【０１０５】
【発明の効果】
上記で述べたように、本発明の製法によれば、金属炭化物が均一分散されたＦｅＣｒ合金の金属多孔体を得ることが可能であり、かつ強度的にも耐熱性においても優れた特性を有することが出来る。さらに金属多孔体の特性を改善する第三の金属を合金化した金属多孔体を得ることも可能である。
又、本発明による金属多孔体は、骨格中に金属炭化物の相を均一分散させることで、適当な加工性と硬さを保有するので、Ａｌ複合材又はＭｇ複合材を得る際の骨格としても適している。本発明の金属多孔体を用いることにより、得られた複合材は、特に耐摩耗性が改善され、適宜加工することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製法になる金属多孔体の拡大模式図である。
【図２】金属多孔体の骨格断面を説明する図である。
【図３】本発明の金属多孔体の骨格断面中に分散する金属炭化物の存在を示す図である。
【図４】本発明の金属多孔体を用いた金属複合材の断面を拡大したものである。
【符号の説明】
１  金属骨格
２  空孔
３  マトリックス
４  炭化物相
５  Ａｌ合金マトリックス
６  金属多孔体骨格
【図１】
0004207218.tif 000023
【図２】
0004207218.tif 000024
【図３】
0004207218.tif 000025
【図４】
0004207218.tif 000026