(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム又はマグネシウムからなる溶湯に発泡剤を添加して発泡させることにより発泡／多孔質金属を得るときに、前記発泡剤に、炭酸塩系化合物の粉末をフッ化物でコーテイングした発泡剤を採用し、フッ化物によりアルミニウム又はマグネシウムを覆う酸化膜を破壊し、炭酸塩系化合物から発生する二酸化炭素ガスにより気泡と母材との境界に酸化アルミニウム又は酸化マグネシウムからなる殻を生成させることを特徴とする発泡／多孔質金属の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は母材中に微細な気泡を含む発泡／多孔質金属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。
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。
【０００４】
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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
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強度が不十分である。
そこで、本発明の目的は強度の高い発泡／多孔質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。
【０００８】
【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は、アルミニウム又はマグネシウムからなる溶湯に発泡剤を添加して発泡させることにより発泡／多孔質金属を得るときに、発泡剤に、炭酸塩系化合物の粉末をフッ化物でコーテイングした発泡剤を採用し、フッ化物によりアルミニウム又はマグネシウムを覆う酸化膜を破壊し、炭酸塩系化合物から発生する二酸化炭素ガスにより気泡と母材との境界に酸化アルミニウム又は酸化マグネシウムからなる殻を生成させることを特徴とする。
【０００９】
フッ化物によりアルミニウム又はマグネシウムを覆う酸化膜を破壊させることにより、アルミニウム又はマグネシウムに対する発泡剤のぬれ性が高まり、発泡性を高めることができる。また、二酸化炭素ガスにより気泡と母材との境界に酸化アルミニウム又は酸化マグネシウムからなる殻を生成させれば、この殻が強化粒子となって、発泡／多孔質金属の強度を高める。
従って、請求項１によれば、発泡性が高く且つ強度の大きな発泡／多孔質金属を得ることができる。
【００１０】
【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。
図１（ａ）〜（ｅ）は本発明に係る発泡／多孔質金属の製造工程図である。
（ａ）において、ルツボ１１に７％珪素を含むＳｉ系アルミニウム合金１２を入れ、ヒータ１３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。
【００１１】
（ｂ）において、撹拌手段１４で溶湯１５を攪拌しつつ、溶湯１５にＣａやＭｇの粘度調整剤１６を投入して粘度を調整する。
（ｃ）において、溶湯１５にさらに炭酸塩系発泡剤１７を適量投入する。炭酸塩系発泡剤１７は、炭酸カルシウムや塩基性炭酸マグネシウムが好適である。
【００１２】
なお、塩基性炭酸マグネシウム（４ＭｇＣＯ3・Ｍｇ（ＯＨ2）・５Ｈ2Ｏ））は、以下の説明で便宜上、炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ3）に置き換えて説明する。
【００１３】
（ｄ）は発泡剤１７がガス化したために溶湯１５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１８を得る。
【００１４】
図２（ａ），（ｂ）は発泡／多孔質金属の組織イメージ図である。
（ａ）は、図１の製法で得た発泡／多孔質金属１８の組織イメージ図であり、アルミニウムからなる母材１９に、多数の二酸化炭素ガスの泡２１・・・（・・・は複数を示す。以下同じ）が含まれ、且つ、この泡２１・・・と母材１９との境界に酸化アルミニウムからなる殻２２・・・が介在していることを示す。
殻２２の生成は次の化学式で説明することができる。
【００１５】
【化１】
0003805694.tif 000002
【００１６】
すなわち、発泡剤にＣａＣＯ3（炭酸カルシウム）を使用すると、このＣａＣＯ3は、反応によりＣａＯとＣＯ2とが分れる。このときのＣＯ2が母材（Ａｌ）と反応して、Ａｌ2Ｏ3とＣとＣＯを生成し、このうちのＡｌ2Ｏ3が殻２２となる。
【００１７】
（ｂ）は、比較例１の発泡／多孔質金属１００の組織イメージ図である。この比較例１は、従来の技術で説明した通りに、発泡剤に水素化チタンを使用した。そのためにアルミニウムからなる母材１０１に、多数の水素ガスの泡１０２・・・が含まれた発泡／多孔質金属１００となる。水素はアルミニウムとの化合物を作らないので、泡１０２と母材１０１との境界に別の物質が出現することはない。
【００１８】
図３は発泡／多孔質金属の圧縮荷重を示すグラフである。
図２（ａ）に示す組成で且つ嵩比重が０．７（＝０．７ｇ／ｃｍ3）の発泡／多孔質金属から、２５ｍｍ×２５ｍｍ×２５ｍｍのテストピースを切出し、このテストピースを圧縮試験機に掛けたところ、変位と圧縮荷重の関係がグラフに示す通りとなり、グラフが平坦化したところの値が１２５０ｋｇであった。すなわち、「実施例１」の圧縮荷重は１２５０ｋｇであった。
【００１９】
また、図２（ｂ）に示す組成で且つ嵩比重が０．７（＝０．７ｇ／ｃｍ3）の発泡／多孔質金属から、２５ｍｍ×２５ｍｍ×２５ｍｍのテストピースを切出し、このテストピースを圧縮試験機に掛けたところ、変位と圧縮荷重の関係がグラフに示す通りとなり、グラフが平坦化したところの値が７７０ｋｇであった。すなわち、「比較例１」の圧縮荷重は７７０ｋｇであった。
【００２０】
比較例１の圧縮荷重が７７０ｋｇに対して、実施例１の圧縮荷重は１２５０ｋｇであるから、本発明に係る実施例１は、格段に強度が高まったと言える。
この理由を考察する。図２（ａ）に示した殻２２は、Ａｌ2Ｏ3で構成される。このＡｌ2Ｏ3はセラミックスの一種であり、硬い物質である。
【００２１】
定量的には、Ａｌ2Ｏ3の引張強さは３００〜４００Ｎ／ｍｍ2（３００〜４００ＭＰａ）と言われいる。これに対して、母材を構成するＡｌは、鋳造のままのアルミニウム鋳物と考えた場合には、１５０〜１９０Ｎ／ｍｍ2（１５０〜１９０ＭＰａ）の引張強さとなる。従って、殻２２・・・は周囲の母材より強度が高く、メタル・マトリックス・コンポジット（ＭＭＣ）の強化粒子として強度向上に大きく寄与する。
このために、実施例１が比較例１より格段に強度が高まったと考えられる。
【００２２】
上述の実施例１と比較例１との圧縮荷重比較では、嵩比重の合致した発泡金属からテストピースを切出した。すなわち、比較試験のために嵩比重を合せたが、多量の発泡金属を製造したところ、実施例ベースでの発泡金属の嵩比重（平均値）と、比較例ベースでの発泡金属の嵩比重（平均値）とに差があることが分かった。
【００２３】
図４は発泡剤の種類と発泡／多孔質金属密度の関係を示すグラフであり、ＣａＣＯ3を発泡剤としてＳｉ系アルミニウム合金を発泡させた発泡金属の平均値を実施例２とすれば、発泡／多孔質金属の密度（平均値）は、１．８Ｍｇ／ｍ3であった。
【００２４】
これに対して、ＴｉＨ2を発泡剤としてＳｉ系アルミニウム合金を発泡させた発泡金属の平均値を比較例２とすれば、発泡／多孔質金属の密度（平均値）は、１．１Ｍｇ／ｍ3であった。
【００２５】
グラフの右に白抜き矢印で示したように、発泡性は密度が小さいほど大きくなる。このことから、発泡性の点では比較例２より実施例２は劣ることになる。すなわち、実施例２は強度の点では比較例２より格段に優れているが、発泡性の点では劣る。しかし、強度と発泡性の両方に優れた発泡／多孔質金属が要求されることは必然であり、本発明者らは、強度と発泡性の両方に優れた発泡／多孔質金属を得るべく、研究を進めた。
【００２６】
酸素との結びつきが強いアルミニウムを発泡させる際にＴｉＨ2のＨ（水素）が強い還元作用を発揮して発泡を促し、一方、ＣａＣＯ3にはその作用が期待できないため、発泡性の差となって現われたと考え、本発明者らは、Ｈ（水素）を用いずにＨに近似した還元作用をＣａＣＯ3に付加する研究に着手し、そのための技術を確立するに至った。その経緯を以下に説明する。
【００２７】
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５（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３０に入れたＮａＦ水溶液３１を加熱手段３２で約４０℃まで加熱する。
【００２８】
（ｂ）において、ＮａＦ水溶液３１に発泡性粉末３３を入れる。この発泡性粉末３３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、前述した通りに、多孔性金属の強度向上を図ることができるからである。
【００２９】
（ｃ）において、撹拌手段３４にてＮａＦ水溶液３１と発泡性粉末３３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。
【００３０】
【化２】
0003805694.tif 000003
【００３１】
（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。
【００３２】
【化３】
0003805694.tif 000004
【００３３】
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。
【００３４】
（ｄ）において、濾紙等の濾材３５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３６を得る。
【００３５】
図６は本発明に係る発泡剤の模型図であり、発泡剤３６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３３と、この発泡性粉末３３の表面を覆うフッ化物コーティング層３７とからなる。フッ化物コーティング層３７は例えばＣａＦ2又はＭｇＦ2からなる。
【００３６】
以上の述べた構造の発泡剤３６を用いた発泡／多孔質金属の製造方法を次に説明する。なお、図１と同内容の図であるが、発泡剤が異なるので、再度説明する。
【００３７】
図７（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４１に７％珪素を含むＳｉ系アルミニウム合金４２を入れ、ヒータ４３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。
【００３８】
（ｂ）において、撹拌手段４４で溶湯４５を攪拌しつつ、溶湯４５にＣａやＭｇの粘度調整剤４６を投入して粘度を調整する。
（ｃ）において、溶湯４５にさらにフッ化物をコーティングした炭酸塩系発泡剤３６を適量投入する。
【００３９】
（ｄ）は発泡剤３６がガス化したために溶湯４５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４８を得る。
【００４０】
図８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７（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。
縦軸に○で示した実施例２及び△で示した比較例２は図４で説明したものを転記した。すなわち、実施例２はＣａＣＯ3でＳｉ系アルミニウム合金を発泡させることで得られた発泡／多孔質金属の密度は、１．８Ｍｇ／ｍ3であり、比較例２はＴｉＨ2でＳｉ系アルミニウム合金を発泡させることで得られた発泡／多孔質金属の密度は、１．１Ｍｇ／ｍ3であった。
【００４１】
これに対して、本発明による実施例３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分以内では実施例２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。
【００４２】
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。
【００４３】
処理時間を適正に延ばせば、図６に示すフッ化物コーティング層３７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。
【００４４】
図５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９（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５０に入れたＮａＦ水溶液５１へ発泡性粉末５３を入れる。
（ｂ）において、加熱手段５２で加熱しつつ、ＮａＦ水溶液５１と発泡性粉末５３とを攪拌する。この撹拌により次の反応が起こる。
【００４５】
【化４】
0003805694.tif 000005
【００４６】
【化５】
0003805694.tif 000006
【００４７】
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５０を加熱手段５２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３６を得る。この発泡剤３６の断面構造は図６で説明した通りである。
【００４８】
尚、フッ化物はＦ基を含む化合物であれば、その種類は問わない。
【００５１】
【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は、アルミニウム又はマグネシウムからなる溶湯に発泡剤を添加して発泡させることにより発泡／多孔質金属を得るときに、発泡剤に、炭酸塩系化合物の粉末をフッ化物でコーテイングした発泡剤を採用し、フッ化物によりアルミニウム又はマグネシウムを覆う酸化膜を破壊し、炭酸塩系化合物から発生する二酸化炭素ガスにより気泡と母材との境界に酸化アルミニウム又は酸化マグネシウムからなる殻を生成させることを特徴とする。
【００５２】
フッ化物によりアルミニウム又はマグネシウムを覆う酸化膜を破壊させることにより、アルミニウム又はマグネシウムに対する発泡剤のぬれ性が高まり、発泡性を高めることができる。また、二酸化炭素ガスにより気泡と母材との境界に酸化アルミニウム又は酸化マグネシウムからなる殻を生成させれば、この殻が強化粒子となって、発泡／多孔質金属の強度を高める。
従って、請求項１によれば、発泡性が高く且つ強度の大きな発泡／多孔質金属を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る発泡／多孔質金属の製造工程図
【図２】発泡／多孔質金属の組織イメージ図
【図３】発泡／多孔質金属の圧縮荷重を示すグラフ
【図４】発泡剤の種類と発泡／多孔質金属密度の関係を示すグラフ
【図５】本発明に係る発泡剤の共沈法工程図
【図６】本発明に係る発泡剤の模型図
【図７】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８】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９】本発明に係る発泡剤の蒸発法工程図
【符号の説明】
１５，４５…溶湯、１７…炭酸塩系発泡剤、１８，４８…発泡／多孔質金属、１９…母材、２１…泡（気泡）、２２…殻、３６，４６…フッ化物をコーティングした発泡剤、３７…フッ化物コーティング層、３７…発泡／多孔質金属。
【図１】
0003805694.tif 000007
【図２】
0003805694.tif 000008
【図３】
0003805694.tif 000009
【図４】
0003805694.tif 000010
【図５】
0003805694.tif 000011
【図６】
0003805694.tif 000012
【図７】
0003805694.tif 000013
【図８】
0003805694.tif 000014
【図９】
0003805694.tif 000015