(57)【要約】【構成】ＢＥＴ比表面積が０．１〜１０ｍ２／ｇで平均粒子径が１〜５０μｍの無水炭酸マグネシウムで、アルミニウム及びアルミニウム系合金材料用の発泡剤。【効果】アルミニウム及びアルミニウム系合金材料用の発泡剤を提供できる。また、本発明の発泡剤をアルミニウム及びアルミニウム系合金材料に適用することで、軽量化と圧縮強度のバランスの取れたアルミニウム金属又はアルミニウム合金材料を提供できる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＢＥＴ比表面積が０.１〜１０ｍ２／ｇで平均粒子径が１．０〜５０μｍの無水炭酸マグネシウムであるアルミニウム又はアルミニウム系合金用の発泡剤。
【請求項２】
中性炭酸マグネシウム(ＭｇＣＯ３・ｎＨ２Ｏ)をオートクレーブ中で水熱処理した後に乾燥して、ＢＥＴ比表面積が０.１〜１０ｍ２／ｇで平均粒子径が１．０  〜５０μｍの無水炭酸マグネシウムとすることを特徴とする請求項１に記載の無水炭酸マグネシウムの製造方法。
【請求項３】
水熱処理温度が１５０〜２５０℃、処理時間が１〜２０時間であることを特徴とする、請求項２の無水炭酸マグネシウムの製造方法。
【請求項４】
無水炭酸マグネシウムを主成分とする天然鉱物のマグネサイトを粉砕して調製した請求項１に記載の無水炭酸マグネシウムの製造方法。
【請求項５】
粉砕方法がボールミルであることを特徴とする請求項４に記載の無水炭酸マグネシウムの製造方法。
【請求項６】
アルミニウム又はアルミニウム合金１００質量部に対して請求項１に記載の発泡剤を０.５〜５質量部を配合し、加熱、冷却して調製することを特徴とする発泡アルミニウム又は発泡アルミニウム合金の調製方法。
【請求項７】
請求項６に記載の調製方法により調製された発泡アルミニウム材料及び発泡アルミニウム合金材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道・自動車・航空機などに使用される部材や、建築分野での構造材料として用いられる発泡アルミニウム材料や発泡アルミニウム合金材料を調製する際に用いられる新規な発泡剤、ならびに発泡アルミニウム材料及び発泡アルミニウム合金材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウムやアルミニウム合金は軽金属であり、鉄などに比べると強度は低いが、鉄道・自動車・航空機などの部材や、建築分野における構造材料として実用化および検討されている。
【０００３】
しかし、鉄道・自動車・航空機分野における省エネルギーの要求や、建築材料に対するハンドリング性の改善などの要求により、アルミニウム材料及びアルミニウム合金材料の軽量化のニーズがある。
【０００４】
アルミニウムやアルミニウム合金の軽量化に対して、金属材料中に多数の気泡を導入することで軽量化を図ることが検討されている。
【０００５】
特許文献１によると、４０〜９５質量部の金属粉末と、２〜５０質量部のフラックス粉末と、０．２〜１０質量部の発泡剤粉末とが混合された混合粉末材料を調製し、混合粉末材料を加熱発泡成形することにより発泡金属成形体を製造する方法が記載されている。フラックス粉末としては、ＫＦ、ＡｌＦ3 、ＫＡｌＦ4 、Ｋ2 ＡｌＦ5 、Ｋ3 ＡｌＦ6 、Ｃｓ Ｆ、ＢｉＦ3 、ＬｉＦ、ＺｎＦ等のフッ化物が挙げられている。また、発泡剤粉末としては、水素化チタン等、炭酸カルシウム、炭酸カリウムが挙げられている。
【特許文献１】特開２００５―１５４９０１号
【０００６】
特許文献２によると、金属または合金を溶解して溶湯を作製し、これに増粘剤を添加・混合し、更にこの溶湯内に発泡剤を添加・混合して攪拌して、未発泡溶湯または発泡率が４倍以下の発泡未完了溶湯とし、これを急冷凝固させた凝固体に熱間加工を施して緻密化させて発泡金属用素材を調製することが記載されている。また発泡剤としては、水素化チタン（ＴｉＨ２）または水素化ジルコニウム（ＺｒＨ２）などが挙げられており、添加量としては溶湯全体に対する質量割合で０．５〜２．０％とのことである。
【特許文献２】特開２００７−１６２０５２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の特許文献１及び特許文献２にはアルミニウムなどの金属材料を軽量化すべく、発泡剤を用いて金属材料中に気泡を導入している。発泡剤として水素化チタンや水素化ジルコニウムなどの水素化合物、炭酸カルシウムや炭酸カリウムなどの炭酸化合物を検討している。水素化チタンや水素化ジルコニウムは特殊な粉体であるために高価であり、また分解した時に水素ガスを発生させ安全性において問題がある。炭酸カルシウムや炭酸カリウムは汎用的な粉体であり価格的にも廉価であるが、分解温度が９００℃以上であるためにアルミニウムやアルミニウム合金などの材料に気泡を導入させて軽量化するには処理温度が高くなり、発泡のアルミニウムやアルミニウム合金材料を調製するエネルギーコストに問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の発泡剤は、無水炭酸マグネシウム(モース硬度３．５〜４．５)で、分解温度が５００〜６００℃である。また、サイコロ状の形状をしており流動性に優れている。また、分解した際に発生するガスも炭酸ガスであるので安全性においても良好である。従って、アルミニウムやアルミニウム合金の金属材料に対する発泡剤として適用した場合、従来の発泡剤の問題点であったコスト及び安全性を解消できる。
【０００９】
本発明の発泡剤は、ＢＥＴ比表面積が０．１〜１０ｍ２／ｇで平均粒子径が１〜５０μｍの無水炭酸マグネシウムである。平均粒径が１μｍ未満であると、金属材料に発泡剤として添加するときに均一に添加しにくくなり、また５０μｍを超えると発生した気泡が大きくなり金属材料の強度低下を引き起こす。
なお平均粒子径はレーザー回折法粒度分布計を用いて測定するものとし、例えば水或はアルコールに測定許容濃度になるように粉末を加えて懸濁液を調製し、超音波分散機で分散させてから測定する。
【００１０】
本発明の無水炭酸マグネシウムを得るには、例えば中性炭酸マグネシウム(ＭｇＣＯ３・ｎＨ２Ｏ，ｎは１〜５程度)をオートクレーブ中で水熱処理した後に乾燥して、ＢＥＴ比表面積が０．１〜１０ｍ２／ｇで平均粒子径が１〜５０μｍの無水炭酸マグネシウムとする。
例えば、オートクレーブに０.２〜３ｍｏｌ／Ｌの濃度で中性炭酸マグネシウム水懸濁液を入れ、撹拌下に最高温度が１５０〜２５０℃で１〜２０時間水熱処理し、脱水、乾燥する。乾燥温度は例えば１００℃以上が好ましい。
【００１１】
また、無水炭酸マグネシウムを主成分とする天然鉱物のマグネサイトをボールミル、バンタムミル、パルベライザ、インパクトミル等で粉砕して所定のＢＥＴ比表面積及び平均粒子径を有する無水炭酸マグネシウムを調製できるが、ボールミルが好ましい粉砕方法である。平均粒径の大きな無水炭酸マグネシウムを調製する場合には水熱処理法よりコスト的に有利である。
【００１２】
本発明の対象金属はアルミニウムとアルミニウム合金材料である。アルミニウム合金材料としては、銅とマグネシウムを含有するアルミニウム合金（Ａｌ−Ｃｕ系合金）、マンガンとマグネシウムを含有するアルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｎ系合金）、シリコンを含有するアルミニウム合金（Ａｌ−Ｓｉ系合金）、マグネシウムを含有するアルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｇ系合金）、マグネシウムとシリコンを含有するアルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）、亜鉛とマグネシウムを含有するアルミニウム合金（Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金）、亜鉛とマグネシウムと銅を含有するアルミニウム合金（Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金）などが挙げられる。
アルミニウム及びアルミニウム合金材料の融点は５００〜６５０℃である。
【００１３】
発泡アルミニウム及び発泡アルミニウム合金材料を調製するには、アルミニウム金属又はアルミニウム合金を各材料の融点温度より少し高め（１０〜２０℃）に加温し、溶融状態にする。その後、強制撹拌しながら無水炭酸マグネシウムを添加してアルミニウム金属又はアルミニウム合金中に無水炭酸マグネシウムを均一に分散させると同時に炭酸ガスが発生し、アルミニウム金属又はアルミニウム合金中に気泡を導入させる。無水炭酸マグネシウムの添加量は、アルミニウム金属又はアルミニウム合金１００質量部に対して０．５〜５質量部である。０．５質量部未満では十分な量の気泡が導入できず軽量化が不十分となる。一方、５質量部を越えると多数の気泡が導入され軽量化にはなるが強度低下のために実用的でなくなる。
【００１４】
無水炭酸マグネシウムを添加終了後、２〜３分間撹拌の後冷却して発泡体とする。冷却
は強制的に冷却するほうが良いが、通常は自然放冷で行う。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の無水炭酸マグネシウムをアルミニウム金属又はアルミニウム合金の発泡剤として適用することにより、有害なガスを発生させることなく、低コストで、軽量化と圧縮強度のバランスの取れたアルミニウム金属又はアルミニウム合金材料を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。
【実施例】
【００１７】
アルミニウムやアルミニウム合金の発泡剤である無水炭酸マグネシウムの調製方法及び発泡アルミニウムや発泡アルミニウム合金の調製方法について、実施例を説明する。中性炭酸マグネシウムは組成がＭｇＣＯ３・３Ｈ２Ｏで、平均粒子径は２５μｍ、ＢＥＴ比表面積は０．５ｍ２／ｇであった。
【００１８】
無水炭酸マグネシウムの調製
実施例１
容量１００Ｌの撹拌機付きオートクレーブに１ｍｏｌ／Ｌの濃度に調整した中性炭酸マグネシウム懸濁液７０Ｌを入れ、撹拌しながら１８０℃で５時間の水熱処理を行なった。得られた懸濁液をそのままボールミルに入れて５時間粉砕し、脱水して１２０℃で１０時間乾燥した。得られた無水炭酸マグネシウムの平均粒子径は１．１μｍでＢＥＴ比表面積は１０ｍ２／ｇであった。調製した無水炭酸マグネシウムについての熱分析データを図１に示す。ＴＧ曲線は温度変化に伴う重量変化を示し、ＤＴＡ曲線は温度変化に伴う熱的変化を示している。図１から５００〜６００℃の領域に、無水炭酸マグネシウムの炭酸の分解
による重量減少と吸熱ピークが認められる。
【００１９】
実施例２
容量１００Ｌの撹拌機付きオートクレーブに１ｍｏｌ／Ｌの濃度に調整した中性炭酸マグネシウム懸濁液７０Ｌを入れ、撹拌しながら２００℃で５時間の水熱処理を行なった。得られた懸濁液を試験例1と同様にして、ボールミルで１時間粉砕し、脱水して１２０℃で１０時間乾燥した。得られた無水炭酸マグネシウムの平均粒子径は８.５μｍでＢＥＴ比表面積は１.８ｍ２／ｇであった。
【００２０】
実施例３
容量１００Ｌの撹拌機付きオートクレーブに０.５ｍｏｌ／Ｌの濃度に調整した中性炭酸マグネシウム懸濁液５０Ｌを入れ、撹拌しながら２００℃で１０時間の水熱処理を行なった。得られた懸濁液を脱水後、１２０℃で１０時間乾燥した。得られた無水炭酸マグネシウムの平均粒子径は１０μｍでＢＥＴ比表面積は１ｍ２／ｇであった。
【００２１】
実施例４
容量１００Ｌの撹拌機付きオートクレーブに０.３ｍｏｌ／Ｌの濃度に調整した中性炭酸マグネシウム懸濁液３０Ｌを入れ、撹拌しながら２２０℃で１５時間の水熱処理を行なった。得られた懸濁液を脱水後、１２０℃で１０時間乾燥した。得られた無水炭酸マグネシウムの平均粒子径は２０μｍでＢＥＴ比表面積は０．５ｍ２／ｇであった。
【００２２】
実施例５
無水炭酸マグネシウムを主成分とする天然鉱物のマグネサイトを水に懸濁して１ｍｏｌ／Ｌの濃度に調整し、ボールミルで０．５時間粉砕し、脱水後１２０℃で１０時間乾燥した。得られた無水炭酸マグネシウムの平均粒子径は５０μｍでＢＥＴ比表面積は０．３ｍ２／ｇであった。
【００２３】
実施例６
無水炭酸マグネシウムを主成分とする天然鉱物のマグネサイトを水に懸濁して１ｍｏｌ／Ｌの濃度に調整し、ボールミルで２時間粉砕し、脱水後１２０℃で１０時間乾燥した。得られた無水炭酸マグネシウムの平均粒子径は３０μｍでＢＥＴ比表面積は０．８ｍ２／ｇであった。
【００２４】
発泡アルミニウム及び発泡アルミニウム合金の調製
実施例７
アルミナ製の容器（２００×２００×１００ｍｍ）に６ｋｇのアルミニウム（JIS記号：A1100P）を投入し、箱型炉に入れて６７０℃まで加熱して溶融させた。その後、アルミナ製の撹拌翼（４枚パドル：直径５０ｍｍ）を装着させた撹拌機にて波打たない程度に溶融液を撹拌させた。次に実施例１で調製した無水炭酸マグネシウムを１２０ｇ投入し、投入終了後２分間撹拌を続けた後、撹拌機を溶融液から取り去り自然放冷させ発泡体とした。    
得られた発泡体をアルミナ製の容器から取り出し、ダイヤモンドカッターにて１００×１００×２５ｍｍの形状に切り出した。切り出した発泡体の密度及び圧縮強度を測定した。
圧縮強度は島津製作所のオートグラフにて、荷重をかけて圧縮応力歪曲線のプラトーな部分の平均値の荷重値を断面積で割った値を圧縮強度とした。
【００２５】
実施例８
アルミナ製の容器（２００×２００×１００ｍｍ）に６ｋｇのアルミニウム合金（JIS記号：A5005P）を投入し、箱型炉に入れて６５０℃まで加熱して溶融させた。その後、アルミナ製の撹拌翼（４枚パドル：直径５０ｍｍ）を装着させた撹拌機にて波打たない程度に溶融液を撹拌させた。次に実施例１で調製した無水炭酸マグネシウムを１２０ｇ投入し、投入終了後１分間撹拌を続けた後、撹拌機を溶融液から取り去り自然放冷させ発泡体とした。実施例７と同様にして発泡体の密度及び圧縮強度を測定した。
【００２６】
実施例９
アルミナ製の容器（２００×２００×１００ｍｍ）に６ｋｇのアルミニウム合金（JIS記号：A7075P）を投入し、箱型炉に入れて６３０℃まで加熱して溶融させた。その後、アルミナ製の撹拌翼（４枚パドル：直径５０ｍｍ）を装着させた撹拌機にて波打たない程度に溶融液を撹拌させた。次に実施例１で調製した無水炭酸マグネシウムを１２０ｇ投入し、投入終了後１分間撹拌を続けた後、撹拌機を溶融液から取り去り自然放冷させ発泡体とした。実施例７と同様にして発泡体の密度及び圧縮強度を測定した。
【００２７】
実施例１０
実施例２で調製した無水炭酸マグネシウムを用いた以外は実施例７と同様にして発泡体を調製し密度及び圧縮強度を測定した。
【００２８】
実施例１１
実施例３で調製した無水炭酸マグネシウムを用いた以外は実施例７と同様にして発泡体を調製し密度及び圧縮強度を測定した。
【００２９】
実施例１２
実施例４で調製した無水炭酸マグネシウムを用いた以外は実施例７と同様にして発泡体を調製し密度及び圧縮強度を測定した。
【００３０】
実施例１３
実施例５で調製した無水炭酸マグネシウムを用いた以外は実施例７と同様にして発泡体を調製し密度及び圧縮強度を測定した。
【００３１】
実施例１４
実施例６で調製した無水炭酸マグネシウムを用いた以外は実施例７と同様にして発泡体を調製し密度及び圧縮強度を測定した。
【００３２】
実施例１５
実施例７で無水炭酸マグネシウムの添加量を３０ｇにした以外は同様にして発泡体を調製し密度及び圧縮強度を測定した。
【００３３】
実施例１６
実施例７で無水炭酸マグネシウムの添加量を６０ｇにした以外は同様にして発泡体を調製し密度及び圧縮強度を測定した。
【００３４】
実施例１７
実施例７で無水炭酸マグネシウムの添加量を２４０ｇにした以外は同様にして発泡体を調製し密度及び圧縮強度を測定した。
【００３５】
比較例１
実施例７で無水炭酸マグネシウムの添加量を１２ｇにした以外は同様にして発泡体を調製し密度及び圧縮強度を測定した。
【００３６】
比較例２
実施例７で無水炭酸マグネシウムの添加量を４８０ｇにした以外は同様にして発泡体を調製し密度及び圧縮強度を測定した。
【００３７】
比較例３
実施例７で無水炭酸マグネシウムとして未粉砕の無水炭酸マグネシウムを主成分とする天然鉱物のマグネサイトを用いた以外は同様にして発泡体を調製し密度及び圧縮強度を測定した。未粉砕の無水炭酸マグネシウムを主成分とする天然鉱物のマグネサイトの平均粒子径は２５０μｍであった。
【００３８】
表１に実施例７〜実施例１７と比較例１〜比較例３で得られた各発泡体の密度及び圧縮強度の測定結果を示す。
【００３９】
【表１】
2009029653.tif 000002
【００４０】
表１の実施例７〜９の結果より、組成の異なるアルミニウム材料（A1100P、A5005P、A7075P）を本発明の新規な発泡剤で発泡させることにより、軽量で圧縮強度の良好な発泡アルミニウム又は発泡アルミニウム合金を調製できることがわかる。圧縮強度の違いは基材のアルミニウム材料の特性が出たものと思われる。また、実施例１０〜１４は発泡剤である無水炭酸マグネシウムの粒径を変えた時の発泡アルミニウムの密度と圧縮強度の結果であるが、粒径が大きくなるにつれて密度が低くなり圧縮強度も低下する傾向が見られた。これについては無水炭酸マグネシウムの粒径が大きいほど発泡して生成した気泡が大きいためと推察している。電子顕微鏡での観察で実施例１０と実施例１３とを比較した場合、実施例１３の試料のほうが大きな空隙が見られた。実施例１５〜１７は発泡剤の無水炭酸マグネシウムの添加量を変えた時に調製されたアルミニウム発泡材料の密度と圧縮強度の結果であるが、請求項６に記載の技術範囲において、発泡剤の添加量を変えることで目的とする密度と圧縮強度を有するアルミニウム発泡材料を調製できることがわかる。比較例１は発泡剤の添加量が少なく本発明の範囲外であるために、高い圧縮強度を示しているが、充分に気泡を導入できず軽量化が不十分である。比較例２は発泡剤の添加量が多く本発明の範囲外であるために、軽量化は十分であるが、導入された気泡が多すぎて圧縮強度が低すぎる。比較例３は発泡剤の粒径が大きく本発明の範囲外であるために、所定量の添加量であるにもかかわらず軽量化ははかられているが、圧縮強度が著しく低下している。これについては電子顕微鏡での観察により数ミリの大きな気泡が見られたことより、大きな気泡が関与したものと推定している。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】試験例１で得られた発泡剤である無水炭酸マグネシウムの熱分析データ。
【図１】
2009029653.tif 000003