塑性加工を活用した圧粉焼結による傾斜機能ポーラス金属の創製
群馬大学 大学院理工学府 知能機械創製部門
准教授 半谷禎彦（平成 24 年度一般研究開発助成 AF- 2012011）
キーワード：ポーラスアルミニウム，傾斜機能材料，粉末冶金法

１．緒言

どから，簡便で生産コストを低く抑えられることが期待さ

ポーラスアルミニウムは，多気孔構造を有する超軽量なれる．しかしながら，混合粉末の焼結には，従来，雰囲気素材であり，その構造から優れた衝撃吸収特性を有する全体を加熱する加熱炉が用いられ焼結に長い時間を要す

1-3)るため，更なる生産性・省エネルギー性の向上が望まれて．そのため自動車用部材として用いることで安全性の向上及び軽量化に伴う燃費向上が期待されている4, 5)．ポいる．

ーラスアルミニウムの機械的特性は気孔形態によって異著者らは，摩擦攪拌接合11, 12)や摩擦圧接13)等の摩擦発熱なることが知られている．本研究では，ポーラスアルミニ

現象を粉末の焼結に利用し，雰囲気全体の加熱が不要な摩ウム内で気孔率を変化させた傾斜機能ポーラスアルミニ

擦粉末焼結（friction powder sintering）法を試みていウムの作製を試みる．

る14-17)．本手法は，あらかじめ金属板にあけておいた穴にポーラス金属を作製する方法には様々な手法が提案さ混合した金属粉末と NaCl 粉末を投入し，その上から回転れている6, 7)．オープンセル型ポーラス金属の作製方法のしたツールを押込み，その際に生じる摩擦熱および押込荷一つに焼結スペーサー法（sintering and dissolution

重により混合粉末を焼結する．その後，NaCl を水中で除process）がある8-10)．焼結スペーサー法は，まずアルミニ去してポーラス金属を得るものである．本手法は焼結で必ウム粉末とスペーサーとなる塩化ナトリウム（NaCl）粉末

要な個所に限定して摩擦熱を発生させるため，省エネルギを混合・焼結する．焼結体を水洗し，NaCl を溶解除去すーな手法である．また，通常の加熱炉を用いるものなどとることで，気孔を生成しポーラスアルミニウムを作製する

比較して，短時間のプロセスで焼結できるため，生産性おものである．混合した NaCl の形状が，ほぼそのまま気孔よび省エネルギー性に優れた手法であることが期待され形状となる．また，混合するアルミニウム粉末と NaCl 粉る．

末の体積の割合が，ほぼそのまま作製するポーラスアルミ

本研究では，摩擦粉末焼結法により傾斜機能ポーラスアニウムの気孔率（試料全体に対する気孔の体積率）となる．

ルミニウムの作製を試みる．気孔率が 60%と 80%となるよ

そのため，焼結スペーサー法は気孔形態を容易に制御できうに，アルミニウム粉末と NaCl 粉末の割合を調整し，そる．更に，NaCl は安価で人体に無害であることや，水へれぞれの混合粉末を順番に投入することで，傾斜機能ポーの溶解度が高く常温の水で容易に溶解除去できることなラスアルミニウムが作製できることが期待される．作製し(a)

Al and NaCl
Vf = 60 %Cuplate(b)

Al and NaCl
Vf = 80 %Cuplate(c)

WCTool(d)(e)(f)

Fig. 1. Schematic of FPS process for fabricating porous aluminum. (a) A mixture of Al and NaCl powders with aNaCl volume fraction of Vf = 60% is placed in the hole. (b) A mixture of Al and NaCl powders with a NaCl volume
fraction of Vf = 80% is placed in the hole. The mixture is (c) sintered, (d) machined and then (e) leached. (f)Obtained porous aluminum.

た傾斜機能ポーラスアルミニウムは X 線 CT により気孔形の中心軸と無酸素銅にあけた穴の中心が一致するように態を観察し，傾斜機能化の確認を行う．その上で，作製しした．ツールの回転数は 1000 rpm，押込速度は 1 mm/min，た傾斜機能ポーラスアルミニウムの気孔率と圧縮特性と押込量はツール先端が無酸素銅板や粉末に接触した位置の関係について調査する．

（高さ）から 3 mm とした．ツールを 3 mm 押し込んだ後，10 s そのままの位置で保持し，その後ツールを上昇させ２．実験方法
２．１

た．この焼結したものから機械加工により円柱形状圧縮試

試料作製方法験片を切り出した（Fig.1(d)）．その後，Fig.1(e)に示す

摩擦粉末焼結法の概略図を Fig.1 に示す．まず，アルミように圧縮試験片を水中に静かに浸漬することで，NaClニウム粉末（株式会社高純度化学研究所，純度 99.9%，粒を除去し，ポーラスアルミニウムを得た（Fig.1(f)）．

径 20 μm 以下）と NaCl 粉末（株式会社高純度化学研究所，２．２

純度 99.9%，粒径 425-500 μm に整粒）を気孔率が 60%と得られた圧縮試験片の気孔形態は X 線 CT を用いて観察気孔形態観察方法

80%となるように混合した．NaCl 粉末は混合前に 433 K にした．株式会社島津製作所のマイクロフォーカス X 線 CT，保たれた電気炉内で 30 min 保持し，水分の除去を行った．

SMX-225CT を用いて行った．X 線源はタングステンであり，この混合粉末を Fig.1(a)，(b)に示すように無酸素銅板に圧縮試験片全体をコーンビーム CT 撮像した．撮像条件は，あらかじめあけておいた穴（ϕ = 13 mm）に順番に投入しX 線管電圧 80 kV，X 線管電流 30 μA，画像サイズ 512×た．この際，無酸素銅板の下に厚さ 3 mm の SS400 バック

512 pixel とした．

プレートを敷いた．無酸素銅は熱伝導性に優れるため，ツ取得した全ての断層画像に対して 2 値化処理を行い，アールの押込みによりツールと銅板や混合粉末との接触にルミニウムと気孔を分離し気孔率を算出した．この画像処より発生した摩擦熱を混合粉末の底部まで迅速に伝える

理には，WinROOF（三谷商事株式会社）を用いた．

ことができる．また，同じく比較的熱伝導性に優れるアル２．３

ミニウムを使用する場合と比べると，銅の方が融点が高い得られたポーラスアルミニウムの圧縮特性はため，回転ツール走査時に板の軟化が起こりにくく，よりJIS-H-7902 ポーラス金属の圧縮試験方法18)を参考にした

大きな摩擦熱と高い押込荷重を発生させることができ，焼静的圧縮試験により取得した．圧縮試験は，株式会社島津15)

圧縮試験方法結性を向上できる ．次に，Fig.1(c)に示すように上から製作所の精密万能試験機オートグラフ AG-100kNG を用い先端が平坦な超硬ツール（ϕ = 16 mm の中実棒）を回転さて，圧縮速度（クロスヘッド速度）1 mm/min で行った．

せながら押し込み，混合粉末を焼結した．この際，ツール同時にビデオ撮影することで，変形挙動の外観観察も行った．圧縮ひずみは，クロスヘッド変位を初期の圧縮試験片高さで除することで求めた．

条件Ⅰ

条件Ⅱ
３．実験結果Fig.2 に作製した傾斜機能ポーラスアルミニウムを示す．条件Ⅰは，上部が気孔率 80%，下部が気孔率 60%層である．条件Ⅱは，上部が気孔率 60%，下部が気孔率 80%層である．作製した傾斜機能ポーラスアルミニウムは水洗時崩れを生じることなく，焼結が十分行われていると考えら
れる．

5 mm

作製条件

Fig.

2.

80%

60%

60%
条件Ⅰ

80%
条件Ⅱ

Functionally

gradedporousaluminum

Fig.

3.

Cross-sectional

X-ray

CT

imagesofcompression test specimen with porosity of 60% andfunctionally graded porous aluminum. White part80%.

indicates aluminum and black part indicates pores

Compressive stress, σ (MPa)5Hight, mm

43210200
傾斜機能ポーラスAl
気孔率 60%
気孔率 80%1501001st plateau
region5000204060
Compressive strain, ε(%)

40 60 80 100
Porosity, %Fig. 4.

Distribution of porosity evaluated from X-ray

CT images for height direction of porous aluminum.

2nd plateau
regionFig. 6.

80

Stress-strain curves of functionally gradedporous aluminum during static compression test.

Fig.3 に気孔率 60%と 80%の層における高さ方向中部付Fig.5 に作製した傾斜機能ポーラスアルミニウムの圧近断面の X 線 CT 画像を示す．白い部分がアルミニウム母縮変形挙動を示す．上部を気孔率 80%として圧縮試験を実材であり，内部の黒い部分が気孔である．X 線 CT 画像か施している．上部の気孔率が高く低強度部と考えられる気ら，NaCl が水洗により除去されたことが確認できる．ま孔率 80%層から変形が開始している．また，気孔率 80%層た，Fig.3 の両者を比較してわかるように，ポーラスアルが変形している際に，気孔率 60%層はほとんど変形していミニウム内で気孔率が変化している．更に，気孔率に関わないことが分かる．気孔率 80%層が緻密化すると，次に下らず NaCl の形状が反映された気孔形状が観察され，それ部の気孔率が低く高強度部と考えられる気孔率 60%層のぞれの層の断面全体でほぼ均一な気孔分布となっている変形が開始する様子が観察される．

ことが分かる．これらのことから，摩擦粉末焼結法によりFig.6 に作製した傾斜機能ポーラスアルミニウムの圧傾斜機能ポーラスアルミニウムの作製が可能であること

縮応力— ひずみ線図を示す．2 段階のプラトー領域が発現がわかった．なお，圧縮試験片の上部では回転ツールの影していることが分かる．Fig.5 の変形挙動と比較すると，響で，若干，気孔が回転し引き伸ばされたような形状が確

第一プラトー領域は気孔率 80%層が変形することにより認された．しかしながら，この形状が観察されるのはごく発現し，第二プラトー領域は気孔率 60%層が変形すること表面近傍のみであり，他の断面では NaCl の形状が反映さにより発現していることが分かる．そこで，傾斜機能ポーれた気孔形状が観察された．この傾向は条件Ⅰ，条件Ⅱにラスアルミニウム中に占める各領域の割合および変形開関わらず観察された．

始点を決めることで単体ポーラスアルミニウムの応力—

Fig.4 に圧縮試験片高さ位置と X 線 CT 断層画像から算出した気孔率の関係を示す．若干ばらつきが見られるもの

ひずみ線図を補正すると，傾斜機能ポーラスアルミニウムの各領域とほぼ重なることがわかる．の，高さ方向の真ん中辺りで，急激に気孔率が変化する個所が観察される．それと同時に，他の部分では，高さ方向４．結言にほぼ一定の気孔率を有していることがわかる．以上から，以上のことから，気孔率を変化させた傾斜機能ポーラス

摩擦粉末焼結法を用いて作製したポーラスアルミニウム

アルミニウムにより，破壊の制御の可能性が示唆された．

では，意図した気孔率の試験片を作製できることが分かる．

また，各領域が変形する時にその変形層の気孔率のみで作

ε = 10%ε = 20%ε = 30%ε = 40%ε = 50%ε = 60%5 mm
Fig. 5.

Deformation behavior of functionally graded porous aluminum during static compression test.

製された単体ポーラスアルミニウムの圧縮特性が発現し

10) 袴田昌高, 馬渕守: 軽金属 62 (2012) 313.ていると考えられる．

11) 溶接学会編: 摩擦攪拌接合-FSW のすべて-, (2006),

謝 辞
本研究は，公益財団法人天田財団の平成 24 年度一般研産報出版.

究開発助成（AF-2012011）のもと行われました．ここに厚12) 藤井英俊: 金属 83 (2013) 5.

く感謝いたします．

13) 摩擦圧接協会編: 摩擦接合技術, (2006), 日刊工業新参考文献聞社.

1) L. J. Gibson: Annu. Rev. Mater. Sci. 30 (2000) 191.

14) Y. Hangai, H. Yoshida, N. Yoshikawa: Metall.

2) 小橋眞: 軽金属 55 (2005) 327.

Mater. Trans. A 43 (2012) 802.

3) 金武直幸, 小橋眞: 軽金属 62 (2012) 122.

15) Y. Hangai, H. Yoshida, O. Kuwazuru, N.

4) J. Banhart: Int. J. Veh. Des. 37 (2005) 114.

Yoshikawa: Mater. Trans. 54 (2013) 1057.

5) 三好鉄二, 濱田猛, 金橋秀豪: R&D 神戸製鋼技報 5716) Y. Hangai, K. Zushida, H. Fujii, R. Ueji, O.

(2007) 95.

Kuwazuru, N. Yoshikawa: Mater. Sci. Eng. A 585

6) J. Banhart: Prog. Mater. Sci. 46 (2001) 559.

(2013) 468.

7) 中嶋英雄監修: マクロおよびナノポーラス金属の開発

17) 半谷禎彦, 圖子田幸佑, 桑水流理, 吉川暢宏: 日本機最前線, (2011), シーエムシー出版.

械学会論文集 81 (2015) 14.

8) Y. Y. Zhao, D. X. Sun: Scr. Mater. 44 (2001) 105.
9) M. Hakamada, Y. Yamada, T. Nomura, Y. Q. Chen,H. Kusuda, M. Mabuchi: Mater. Trans. 46 (2005) 2624.

18) 日本工業規格: JIS-H-7902 ポーラス金属の圧縮試験方法, (2008), 日本工業標準調査会.