(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発泡／多孔質金属を製造するときに用いる発泡剤であり、発泡性粉末と、この粉末の表面を覆うフッ化物コーティング層とからなる発泡剤において、前記発泡性粉末は、炭酸塩系化合物であることを特徴とする発泡／多孔質金属製造用発泡剤。
【請求項２】
フッ化物水溶液に炭酸塩系化合物からなる発泡性粉末を入れ、攪拌して前記発泡性粉末の表面にフッ化物コーティング層を形成する発泡／多孔質金属製造用発泡剤の製造方法において、前記発泡性粉末にフッ化物水溶液を接触処理するときの処理時間を４０〜４５分に設定したことを特徴とする発泡／多孔質金属製造用発泡剤の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発泡／多孔質金属の製造に用いる発泡剤及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融金属若しくは粉末金属に発泡剤を添加し、これらを加熱するなどして発泡剤をガス化し、金属中に無数の孔を形成することで発泡金属若しくは多孔質金属を得る技術は知られている。狭義には発泡金属は無数の孔にガスを封じ込め、多孔質金属はガスを放出する点で差があるが、無数の孔を有する点では同一であるから、発泡／多孔質金属と一括して呼ぶことにする。
【０００３】
この発泡／多孔質金属の製造方法には、例えば特許第２８９８４３７号公報「発泡可能な金属体の製造方法」が提案され、同公報の段落番号［００２２］第５行に「水素化チタン０．２重量％」や、同第１９行に「炭酸水素ナトリウム」のごとく発泡剤の具体例が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
酸素との結びつきが強いアルミニウムを発泡させるには、還元力の強い水素を含む水素化チタンや炭酸水素ナトリウムの使用が一般的である。
【０００５】
しかし、水素化チタンや炭酸水素ナトリウムは高価であり、発泡／多孔質金属の製造コストを押上げるという課題がある。
また、発生する水素ガスは爆発しやすい気体であり、取扱いに十分な注意を払わなければならず、作業者の負担は大きくなる。
そこで、本発明の第１の目的は廉価で水素爆発の危険が無い発泡剤を提供することにある。
【０００６】
また、上記技術は、同公報の段落番号［００１８］第４行〜第７行に「金属体は、水に浮く。このとき生じる孔は、金属体に全体に亘って均一に分布し、また、略統一のある大きさを示す。孔の大きさは、発泡過程の間、金属の泡が膨張できる時間によって調整することができる。」と記載されている。
【０００７】
本発明者らが実験したところ孔径が必要以上に大きいことが分かった。この発生過程を次の様に推測した。
図７（ａ）〜（ｃ）は従来の発泡剤による気泡の成長を示す模式図である。
（ａ）において、アルミニウム溶湯に３個の水素化チタン（ＴｉＨ2）粒子が混入しているとする。これらのＴｉＨ2粒子は加熱することにより、Ｈ2ガスを発生する。
（ｂ）は３個のＨ2ガスの泡が発生したことを示す。泡も引力を発生するため、１個の泡に他の２個が矢印の通りに引かれることは十分考えられる。
【０００８】
（ｃ）は１個の大きなＨ2の泡に成長したことを示す。すなわち、従来のＴｉＨ2を発泡剤としたときには、泡が合体し、成長し、結果として孔径が大きくなる。
計測の結果、図（ｃ）におけるＨ2の泡による孔径は平均１．４ｍｍであった。
孔と隣の孔との中心間距離をピッチとすれば、強度に関与する金属部分の長さは（ピッチ−孔径）となる。このことから孔径が大きいほど強度が低下することとが考えられる。
【０００９】
上記公報は水に浮くだけの金属体を製造することを目的に一つにした発明である。しかし、近年、構造体の軽量化を達成する上で、構造体の一部を強度メンバー兼多孔性金属とする要求があり、この要求には上記公報の技術は孔径が大き過ぎる等して不十分である。
そこで、本発明の第２の目的は強度の高い多孔性金属を製造することのできる技術を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発泡／多孔質金属製造用発泡剤は、発泡性粉末と、この粉末の表面を覆うフッ化物コーティング層とからなる発泡剤において、発泡性粉末を炭酸塩系化合物にしたことを特徴とする。
【００１１】
発泡／多孔質金属の製造過程で、フッ化物はアルミニウムを覆う酸化膜を破壊する役割を果たす。この結果、発泡剤は金属（アルミニウム）とのぬれ性が高まり、溶融金属に良好に分散し、均一に孔が分布した良質な発泡／多孔質金属を得ることができる。
【００１２】
発泡剤は、発泡性粉末にフッ化物をコーティングしただけのものであるから、廉価であり、且つＨ基を含まぬ発泡性粉末を用いた場合には、水素爆発の危険も無い。
【００１３】
また、発泡性粉末が炭酸塩系化合物であれば、溶融金属中で炭酸塩系化合物は炭酸ガス（ＣＯ2）と残渣とに分解し、残渣はＣＯ2の泡の表面を囲むバリヤの役割を果し、泡同士の合体を阻止し、泡が成長することを防止する。この結果、金属中に小径で多数個の孔が存在し、多孔性金属の剛性が高まる。
【００１４】
従って、請求項１によれば、水素爆発の虞れがないとともに強度の高い多孔性金属を提供することができる。
【００１５】
請求項２は、フッ化物水溶液に炭酸塩系化合物からなる発泡性粉末を入れ、攪拌して前記発泡性粉末の表面にフッ化物コーティング層を形成する発泡／多孔質金属製造用発泡剤の製造方法において、発泡性粉末にフッ化物水溶液を接触処理するときの処理時間を４０〜４５分に設定したことを特徴とする。
【００１６】
密度が小さいほど発泡性に優た多孔性金属を得ることができる。発泡性粉末にフッ化物水溶液を接触処理４０分未満での発泡材では、製造後の多孔性金属の密度は大きい。接触処理が４０〜４５分で小さな密度の多孔性金属を得ることができる。接触処理４５分を超えると密度が微増するとともに作業時間が伸びる。従って、大きな発泡性と作業時間の短縮化との双方を満足させ得る４０〜４５分の処理時間を採用する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
まず、本発明に係る発泡剤製造方法である共沈法を説明する。
図１（ａ）〜（ｅ）は本発明に係る発泡剤の共沈法工程図である。
（ａ）において、容器１０に入れたＮａＦ水溶液１１を加熱手段１２で約４０℃まで加熱する。
【００１８】
（ｂ）において、ＮａＦ水溶液１１に発泡性粉末１３を入れる。この発泡性粉末１３は、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）や炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ3）などの炭酸塩系化合物である。爆発の危険が無い炭酸ガス（二酸化炭素ガス）を発生するからであることと、後述する通りに、多孔性金属の強度向上を図ることができるからである。
【００１９】
なお、前記炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ3）は、入手が容易で、安定性に富む塩基性炭酸マグネシウム（４ＭｇＣＯ3・Ｍｇ（ＯＨ2）・５Ｈ2Ｏ））を脱水処理等を施すことにより生成することができる。
【００２０】
（ｃ）において、撹拌手段１４にてＮａＦ水溶液１１と発泡性粉末１３とを十分に撹拌する。この撹拌により次に示す反応が起こる。なお、撹拌は４０分〜４５分続ける。その理由は後述する。
【００２１】
【化１】
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【００２２】
（液）は液体（水溶液）を示し、（固）は固体（粉末又は膜）を示す。
ＮａＦ水溶液にＣａＣＯ3の粉末を接触させると、ＣａにＦが結合してＣａＦ2ができるが、残りがＮａ2ＣＯ3（液体）となってＮａＦ水溶液に混じる。すなわち、ＣａＣＯ3粉末の表面のＣａＣＯ3がＮａＦに接触して、ＣＯ3がＦに置き換り、フッ化物であるＣａＦ2の形でＣａＣＯ3粉末を覆う。
【００２３】
【化２】
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【００２４】
ＮａＦ水溶液にＭｇＣＯ3の粉末を接触させると、ＭｇＣＯ3粉末の表面のＭｇＣＯ3がＮａＦに接触して、ＣＯ3がＦに置き換り、フッ化物であるＭｇＦ2の形でＭｇＣＯ3粉末を覆う。
【００２５】
（ｄ）において、濾紙等の濾材１５にて混合液を濾過する。このときに吸引することで濾過作業を促す。
（ｅ）において、乾燥させることにより、所望の発泡剤２０を得る。
【００２６】
図２は本発明に係る発泡剤の模型図であり、発泡剤２０は、炭酸塩系化合物（ＣａＣＯ3粉末又はＭｇＣＯ3粉末）からなる発泡性粉末１３と、この発泡性粉末１３の表面を覆うフッ化物コーティング層２１とからなる。フッ化物コーティング層２１は例えばＣａＦ2又はＭｇＦ2からなる。
【００２７】
以上の述べた構造の発泡剤２０を用いた発泡／多孔質金属の製造方法を次に説明する。
図３（ａ）〜（ｅ）は本発明の発泡剤を用いた発泡／多孔質金属の製造工程図である。
（ａ）において、ルツボ３１に７％珪素を含むＳｉ系アルミニウム合金３２を入れ、ヒータ３３で約７００℃に加熱して、金属を溶解する。なお、真空溶解するときには真空炉内でこの処理及び以降の処理を実施するが、ここでは真空炉は省略する。
【００２８】
（ｂ）において、撹拌手段３４で溶湯３５を攪拌しつつ、溶湯３５にＣａやＭｇの粘度調整剤３６を投入して粘度を調整する。
（ｃ）において、溶湯３５にさらに発泡剤２０を適量投入する。
【００２９】
（ｄ）は発泡剤２０がガス化したために溶湯３５が増量したことを示す。このままで、冷却を開始する。
（ｅ）において、適当な温度でルツボから外し、さらに冷却すれば、発泡／多孔質金属３７を得る。
【００３０】
図４は発泡／多孔質金属の密度と処理時間との関係を調べたグラフであり、横軸の処理時間は図１（ｂ）〜（ｄ）までの時間、すなわち、発泡性粉末がＮａＦ水溶液に接触している時間である。
比較例１は従来の代表的な発泡剤であるＣａＣＯ3でＳｉ系アルミニウム合金を発泡させた例を示し、得られた発泡／多孔質金属の密度は、１．８Ｍｇ／ｍ3であった。
【００３１】
比較例２は従来の好ましい発泡剤であるＴｉＨ2でＳｉ系アルミニウム合金を発泡させた例を示し、得られた発泡／多孔質金属の密度は、１．１Ｍｇ／ｍ3であった。
グラフの右に白抜き矢印で示した通りに、密度が小さいほど発泡性は大きく、比較例２は比較例１より遥に発泡性が大きいことが分かる。
【００３２】
これは比較例２で用いた発泡剤（ＴｉＨ2）に含まれるＨがアルミニウム表面の酸化膜を破壊し、アルミニウムと発泡剤とを円滑に接触させる。この結果、発泡剤が溶融金属中に良好に分散し、均一に孔を形成することができたことを意味する。
【００３３】
逆に、比較例１は安価で安全なＣａＣＯ3を発泡剤に採用したが、アルミニウムの表面が酸化膜で覆われ、アルミニウムと発泡剤とを十分に接触せず、この結果、発泡剤が溶融金属中に不十分に分散し、孔の形成が偏り、十分な数の孔を形成することができなかったことを意味する。
【００３４】
一方、本発明による実施例では横軸の処理時間に、得られる発泡性が大きく依存することが分かった。すなわち、処理時間が１０分以内では比較例１と同じであった。しかし、処理時間を４０分以上に延ばすと比較例２並みの発泡性が得られる。そこで、処理時間は４０〜６０分程度とする。
【００３５】
ただし、グラフから明らかなように約４３分をボトムとして６０分では、密度が上り、発泡性の点では好ましくない。その上に、処理時間を６０分にすれば生産性が低下する。
そこで、処理時間の適正化と低密度の確保の双方を満足できる処理時間としては、４０〜４５分を採用することにした。
【００３６】
処理時間を適正に延ばせば、図２に示すフッ化物コーティング層２１が十分に成長して、その膜厚が増加する。膜厚が増加すれば、発泡剤の保有するフッ化物の量が比例的に増加し、このフッ化物がアルミニウム合金表面の酸化膜を盛んに破壊するため、比較例２並みの良好な結果が得られたと言える。
ここで、重要なことは、本発明の発泡剤は炭化塩系化合物（ＣａＣＯ3粉末又はＭｇＣＯ3粉末）からなる発泡性粉末と、この発泡性粉末の表面を覆うフッ化物コーティング層とからなり、廉価であり、水素爆発の危険性がないことである。
【００３７】
図１に述べた共沈法の他、次に説明する蒸発法でも本発明の発泡剤を製造することができる。
図５（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る発泡剤の蒸発法工程図である。
（ａ）において、容器１０に入れたＮａＦ水溶液１１へ発泡性粉末１３を入れる。
（ｂ）において、加熱手段１２で加熱しつつ、ＮａＦ水溶液１１と発泡性粉末１３とを攪拌する。この撹拌により次の反応が起こる。
【００３８】
【化３】
0003771488.tif 000004
【００３９】
【化４】
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【００４０】
反応の詳細は、先に説明したので省略する。
（ｃ）において、容器１０を加熱手段１２で引続き加熱することで水分を蒸発させ、結果として発泡剤２０を得る。この発泡剤２０の断面構造は図２で説明した通りである。
【００４１】
次に、多孔性金属に内包する孔の径について説明する。
図６（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る気泡の成長を示す模式図である。
（ａ）において、アルミニウム溶湯に３個の（ＣａＣＯ3にＣａＦ2コーティング。ただし図示の都合上、ＣａＦ2は省略した。）粒子が混入しているとする。これらの粒子は加熱することにより、ＣａＣＯ3はＣＯ2とＣａＯに分解する。ＣＯ2はガス化して泡となり、ＣａＯは残渣となる。
【００４２】
（ｂ）は３個のＣＯ2ガスの泡が発生したことを示し、これらの泡をＣａＯの残渣が囲んでいる様子を示す。ＣａＯはアルミニウムとは濡れ性が悪いのでアルミニウム溶湯に溶けることなく粒子の形で存在する。
（ｃ）はＣＯ2ガスの泡の引力により、ＣａＯの残渣が泡の表面を覆う。すると、このＣａＯの残渣がバリヤの役割を発揮する。
すなわち、あるＣＯ2ガスの泡が別のＣＯ2ガスの泡を引きつけても、バリヤが効いて合体するに至らない。
【００４３】
実験によれば、（ｃ）におけるＣＯ2の泡による孔径は平均０．８６ｍｍであった。これに対して、前記図７（ｃ）におけるＨ2の泡による孔径は平均１．４ｍｍであった。孔を球としたときに、体積は従来例１．０に対して実施例は０．２２（０．２２＝（０．８６／１．４）3）となり、従来例よりも遥に高い剛性の多孔性金属を得ることができる。なお、単位体積当りの孔の体積総和が同じであれば、実施例は従来例の５倍の数の小孔が多孔性金属に分散することとなる。
【００４４】
図６（ａ）において、ＣａＣＯ3をＭｇＣＯ3に変更した場合には、（ｃ）においてＣＯ2の泡の表面をＭｇＯが覆い、ＭｇＯがバリヤの役割を果す。
従って、発泡性粉末は炭酸塩系化合物であれば、同様に孔の小径化が達成できる。
【００４５】
尚、発泡／多孔質金属はアルミニウム合金を原則とするが、金属（含む合金）であれば種類は問わず、例えばマグネシウム合金、鉄系合金、ステンレス鋼などが挙げられる。
また、フッ化物はＦ基を含む化合物あり、その種類は問わない。
【００４６】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１の発泡剤は、発泡性粉末にフッ化物をコーティングしただけのものであるから、廉価であり、且つＨ基を含まぬ発泡性粉末を用いた場合には、水素爆発の危険も無い。
【００４７】
また、発泡性粉末が炭酸塩系化合物であれば、溶融金属中で炭酸塩系化合物は炭酸ガス（ＣＯ2）と残渣とに分解し、残渣はＣＯ2の泡の表面を囲むバリヤの役割を果し、泡同士の合体を阻止し、泡が成長することを防止する。この結果、金属中に小径で多数個の孔が存在し、多孔性金属の剛性が高まる。
【００４８】
従って、請求項１によれば、水素爆発の虞れがないとともに強度の高い多孔性金属を提供することができる。
【００４９】
請求項２の製造方法では、発泡性粉末にフッ化物水溶液を接触処理する時間を４０〜４５分に設定した。４０〜４５分の接触処理時間であれば、大きな発泡性と作業時間の短縮化との双方を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る発泡剤の共沈法工程図
【図２】本発明に係る発泡剤の模型図
【図３】本発明の発泡剤を用いた発泡／多孔質金属の製造工程図
【図４】発泡／多孔質金属の密度と処理時間との関係を調べたグラフ
【図５】本発明に係る発泡剤の蒸発法工程図
【図６】本発明に係る気泡の成長を示す模式図
【図７】従来の気泡の成長を示す模式図
【符号の説明】
１３…発泡性粉末、２０…発泡剤、２１…フッ化物コーティング層、３７…発泡／多孔質金属。
【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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