JP4048251B2

JP4048251B2 - 多孔質金属体の製造方法、多孔質金属体および多孔質金属体構造物

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Publication number: JP4048251B2
Application number: JP2007503634A
Authority: JP
Inventors: 吉宏多田
Original assignee: University of Tokushima NUC
Current assignee: University of Tokushima NUC
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2006-02-10
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2026-02-10
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Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質金属体の製造方法、多孔質金属体および多孔質金属体構造物に関する。本発明における多孔質金属体は、その多孔質機能を活かせる分野、用途であれば、いかなる技術分野にも適用できるものである。
【背景技術】
【０００２】
多孔質金属体の製造方法の従来技術として、特許文献１に記載の製法がある。
この従来技術は、図１７に示すように、金属粉末と粉末状の塩を混合し(101)、その混合物を塩の溶融温度よりは低く、金属粉末の溶融温度よりは高い温度で加熱して金属粉末を溶融させ(102)、塩粉末の間に溶融金属が充填されるように上記混合物を加圧・成形し(103)、さらに上記成形体（104）から塩を水洗いして溶出させて(105)、多孔質金属体を得るようにした製法である。
【０００３】
この従来技術は、食塩粒子で構成された一種の鋳型に溶湯を浸透させて多孔体を得る古くからの鋳造による多孔体の製造方法を母体技術として、予め金属粉と食塩とを混合しておくことによって注湯工程を省くと共に、湯回り不良による巣や粗大気孔の発生の防止特性を改善したものである。
しかしながら、この従来技術には、つぎのような問題がある。
１）前記従来技術では、気孔組織は３次元的な網目状となり、基本的に等方性である。よって、一方向に連続した気泡を形成することは不可能である。
２）前記従来技術では、塩粒子が連続していることが必須となる。もし連続していないと、金属粉末が溶融したときに浮力のため偏析すると考えられ、概ね５０体積％以下の気孔率の多孔質金属体を得るには、適用困難となるものである。
３）前記従来技術により得られる多孔質金属体の寸法は鋳型の大きさによって決定されるため、長尺または幅広製品の製造は実際上困難である。
４）前記従来技術では、空気透過層や真空排気設備を備えた特殊な鋳型と特殊な設備を必要とするので、設備費が高くなる。
５）前記従来技術では鋳型全体を加熱することから、このエネルギー消費量が大きくなり、製造コストが高くなる。
以上の理由により現実に採用するには制約の多いものである。
特許文献１特開２００２‐１２９２０４号
［発明の開示］
［発明が解決しようとする課題］
本発明は上記事情に鑑み、製造設備が簡便でエネルギー消費量が少なく安価に多孔質金属体を製造できる製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は多孔質の金属体、とくに一方向に連続して延伸したたくさんの気孔を有する金属多孔質体およびそれを用いた構造物を提供することを目的とする。
［課題を解決するための手段］
第１発明の多孔質金属体は、金属粉末と気孔形成媒体粉末を混合して混合物を得る混合工程と、前記混合物を延伸して成形物を得る延伸成形工程と、前記成形物から気孔形成媒体を溶解除去する媒体除去工程を順に実行することにより得られた延伸成形物であって、該延伸成形物の断面内で互いに独立した気孔が、押出し方向に延びて多数の連続気孔が形成されていることを特徴とする。
第２発明の多孔質金属体は、第１発明において、前記延伸成形工程として、前記混合物を押出し加工法により延伸させる押出し成形工程を用いて得られた押出し成形物であって、該押出し成形物の断面内で互いに独立した気孔が、押出し方向に延びて多数の連続気孔が形成されていることを特徴とする。
第３発明の多孔質金属体は、第１発明において、前記延伸成形工程として、前記混合物を圧延加工法により延伸させる圧延成形工程を用いて得られた圧延成形物であって、該成形物の内部に圧延方向に延びた多数の気孔が形成されていることを特徴とする。
第４発明の多孔質金属体は、第１発明において、前記延伸成形工程を、前記金属粉末および前記気孔形成媒体粉末の融点未満の温度に加熱した状態で行うことを特徴とする。
第５発明の多孔質金属体は、第１発明において、前記混合工程と前記延伸成形工程との間に、前記混合物を加圧して圧粉体を得る加圧工程を行うことを特徴とする。
［発明の効果］
第１発明によれば、金属粉末と気孔形成媒体粉末を混合して延伸して成形することにより、金属粉末と気孔形成媒体粉末が同時に延び、延伸する間に金属粉末が互いに結合して一体化すると共に、気孔形成媒体粉末も延伸した状態で金属体中に存在する状態となるので、ついで気孔形成媒体粉末を洗い流せば、延伸方向に気孔が延びた多孔質金属体を製造できる。また、製法上つぎの利点がある。
１）延伸成形を用いるので長尺製品の製造に対して制約がほとんどない。
２）製造のための特別な装置や設備を何ら必要とせず、汎用の押出し設備や圧延設備がそのまま使用できる。
そして、得られた多孔質金属体は、圧延方向に延伸した連続気孔を多数有するので、連続気孔が必須となる部材や軽量の構造材として利用できる。
第２発明によれば、金属粉末と気孔形成媒体粉末を混合して押出し成形することにより、金属粉末と気孔形成媒体粉末が同時に延び、延伸する間に金属粉末が互いに結合して一体化すると共に、気孔形成媒体粉末も延伸した状態で金属体中に存在する状態となるので、ついで気孔形成媒体粉末を洗い流せば、一方向にたくさんの気孔が連続して延びた多孔質金属体を製造できる。また、製法上つぎの利点がある。
１）押出し成形を用いるので長尺製品の製造に対して制約がほとんどなく、連続押出し技術によれば長さは事実上無制限である。
２）製造のための特別な装置や設備を何ら必要とせず、汎用の押出し設備がそのまま使用できる。
そして、得られた多孔質金属体は、圧延方向に延伸した連続気孔を多数有するので、連続気孔が必須となる部材や軽量の構造材として利用できる。
第３発明によれば、金属粉末と気孔形成媒体粉末を混合して圧延成形することにより、金属粉末と気孔形成媒体粉末が同時に延び、延伸する間に金属粉末が互いに結合して一体化すると共に、気孔形成媒体粉末も延伸した状態で金属体中に存在する状態となるので、ついで気孔形成媒体粉末を洗い流せば、一方向にたくさんの気孔が連続して延びた多孔質金属体を製造できる。また、製法上つぎの利点がある。
１）圧延成形を用いるので長尺製品の製造に対して制約がほとんどなく、連続圧延技術によれば長さは事実上無制限である。
２）製造のための特別な装置や設備を何ら必要とせず、汎用の圧延設備がそのまま使用できる。
そして、得られた多孔質金属体は、押出し方向に延伸した連続気孔を多数有するので、長い連続気孔が必須となる部材や軽量の構造材として利用できる。
第４発明によれば、加熱下で延伸成形することにより金属粉末も気孔形成媒体粉末も軟化するので、延伸成形が容易に行え、しかも金属粉末が溶融する程の高温に加熱する必要はないのでエネルギー消費量が少なくなり、製造コストが安くなる。
第５発明によれば、混合物を圧密することで、粉末の密度差による分離を防げるので、次工程でのハンドリングを容易に行える。
［発明を実施するための最良の形態］
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る製造方法の工程図である。図２の（Ａ）図は押出し加工時の新生面発生原理の説明図、（Ｂ）図は金属体中の気孔形成媒体粒子の説明図である。
（基本原理）
本発明における多孔質金属体は、図１に示すように、金属粉末Ｍと気孔形成媒体粉末Ｐを混合して混合物ＭＰを得る混合工程Ｉと、この混合物ＭＰを延伸して成形物Ｇを得る延伸成形工程ＩＩＩと、この成形物Ｇから気孔形成媒体を溶解除去する気孔形成媒体除去工程ＩＶを順に実行して製造するものである。なお、延伸成形とは、混合物ＭＰを加圧して、一方向に塑性変形を加える成形法をいい、これには圧延成形や押出し成形などがある。
また、本発明では、延伸成形工程を混合物を押出し加工法により延伸させる押出し成形、あるいはロール圧延等の圧延成形で行うことが好ましい。押出し成形やロール圧延等の圧延成形であれば、長尺金属材に長手方向に連続した気孔を有する多孔質金属体の製造がより容易となる。また、連続押出し成形や粉末圧延等の圧延成形であれば、成形長さに事実上制限がないので、自由な長さを持つ長尺金属材が長手方向に連続した気孔を有する多孔質金属を製造できる。
さらに、本発明では、押出し成形または圧延成形を行う延伸成形工程ＩＩＩにおいて、金属粉末および気孔形成媒体粉末の融点未満の温度に加熱した状態で行うことが好ましい。
なお、本発明は、前記混合工程Ｉと前記延伸成形工程ＩＩＩとの間に、前記混合物を加圧して圧粉体Ｆを得る加圧工程ＩＩを行ってもよい。
本発明では、金属粉末Ｍと気孔形成媒体粉末Ｐを混合し、好ましくは加熱下で押出しあるいは圧延することにより、金属粉末と気孔形成媒体粉末が同時に延伸することになる。そして、延伸する間に金属粉末が互いに結合して一体化すると共に、気孔形成媒体粉末も延伸した状態で延伸された金属体中に存在する状態となるので、ついで延伸した気孔形成媒体を洗い流すことにより、押出しあるいは圧延方向に延伸した多数の気孔を有する多孔質金属体を製造できる。
以下に本発明の多孔質金属体、多孔質金属体構造物およびそれらの製法を詳細に説明する。
（金属材料）
１）種類
本発明が適用可能な金属は、つぎの性質を有するものであればよい。
（ａ）金属粉末が延伸成形工程で塑性変形して個々の粉末の表面積が増大して、新生面を生じて金属的に結合できること。このため、延性材料に限られ、脆性な金属材料は好ましくない。
（ｂ）金属粉末同士を結合するための延伸加工が、気孔形成媒体の融点未満の温度域でできること。
（ｃ）その加工温度で、気孔形成媒体も延伸すること。
上記（ａ）〜（ｃ）の条件を満たす金属なら、どのような金属粉末にも本発明を適用できるが、代表例としては、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、錫、銅およびこれらの合金が挙げられる。
２）粒度
金属材料は粉末の状態で用いられる。これは気孔の発生源となる気孔形成媒体粉末とまんべんなく混合させるためである。
金属粉末の粒度は、主として気孔形成媒体との混合のしやすさと延伸加工時の金属粉末の結合のしやすさの点から求められ、押出し成形あるいは圧延成形が可能なら、上限も下限もとくに制約はない。ただし、気孔形成媒体の粒径との差異に応じて気孔組織が変化するので、好ましい粒径は、気孔形成媒体の粒径との関係で相対的に定まる。なお、ここでいう粒径は、ふるいの目開き寸法である。
【００１１】
（気孔形成媒体）
１）気孔形成媒体の種類
気孔形成媒体は圧延加工中に金属体中に分散して存在しつつ押出し・圧延方向に延びていき、溶出後に気孔を形成するための媒体として用いられる。よって、金属体中に粒状あるいは棒状に延びて存在し、かつ水で溶出させることが可能であるなら、どのような媒体を用いてもよい。このような気孔形成媒体の代表例としては、塩化ナトリウム（NaCl、いわゆる食塩）、塩化カリウム（KCl）などがある。
２）粒度
気孔形成媒体粉末の粒度は、つぎの条件から求めるとよい。
第１に成形後の気孔の孔径の観点から好適範囲が求められるが、これも延伸の程度に左右されるため、絶対値で定められるものでなく、種々の条件に合わせて好適値を求めればよい。
第２に気孔形成媒体粉末の粒径は、金属粉末の粒径との関係からも好適範囲が求められる。すなわち、気孔形成媒体の粒子が金属粒子に比べて小さいと、金属粉末同士の結合が生じにくいので、金属粉末の結合のしやすさの点から気孔形成媒体粒子の下限値が定まる。一方、金属粒子が小さく気孔形成媒体粒子が大粒であればきれいに気孔が孤立するが、気孔形成媒体粒子が大きすぎると、微細気孔を形成しにくくなる。よって、形成したい気孔の数や大きさから、金属粒子の大きさを勘案して定めればよい。
ただし、取扱いの容易さ等から、気孔形成媒体として塩（ＮａＣｌまたはＫＣｌ）を用いる
場合はその粒径は一般的に、１〜１０，０００μｍの範囲が好ましく、より好ましいのは、１
０〜３，０００μｍである。なお、ここでいう粒径は、ふるいの目開き寸法である。
（混合工程Ｉ）
本発明では、最初の工程において、金属粉末Ｍに気孔形成媒体粉末Ｐが混合される。混合割合については、基本的には気孔の数および／または体積率・面積率を多くしたければ気孔形成媒体粉末Ｐの割合を多くし、気孔の数および／または体積率・面積率を少なくしたければ気孔形成媒体粉末Ｐの割合を少なくすればよい。要するに、気孔の数は気孔形成媒体粉末の配合割合に比例するので、望ましい気孔数によって取捨選択することとなる。要するに、用途に基づいて要求される性能によって添加量の下限が左右されるのであるが、一般的には気孔形成媒体の配合範囲は２０〜７０体積％で、この範囲は最適範囲に該当する。
つぎに、金属粉末に対する気孔形成媒体配合率の上下限は、つぎのように考えられる。気孔形成媒体配合量の上限は、第１義的には金属の種類には依存しないが、金属および気孔形成媒体に微粉末を用いる場合は、主として金属粉末間の接合の難易を背景として金属の種類の影響が相対的に増すものと思われる。下限については、金属の種類による影響はない。
（加圧工程ＩＩ）
次工程の延伸成形を熱間で行う場合に備え、金属・気孔形成媒体の混合物ＭＰの予熱時のハンドリングを容易にするため、予め金型を用いて室温で圧粉して柱状やその他任意の形状に固化している。このように一旦圧密しておけば、混合粉末ＭＰの密度差による分離を防ぐことができ、ハンドリングを容易に行えることになる。
但し、この工程ＩＩは可能であれば省略して混合物ＭＰを直接押出しまたは圧延をしても何ら問題なく、この意味で、加圧工程ＩＩは、不可欠な工程ではない。
（延伸成形工程ＩＩＩ）
１）延伸工程の意義
この延伸成形工程ＩＩＩは、本発明において、最も重要な工程である。この工程ＩＩＩにおいて、金属・気孔形成媒体粉末の混合物ＭＰまたは圧粉体Ｆを熱間または冷間で押出しまたは圧延により延伸する。押出しまたは圧延により金属粒子を覆っていた酸化膜が破れて金属粒子が互いに結合し一体化した金属体になろうとする。このとき金属体中に点在する気孔形成媒体は金属体中で延伸された状態となるので、この気孔形成媒体を水で洗って溶出させるとその跡が気孔となる。
この押出しまたは圧延成形は、金属粒子を一体的に結合する操作としての技術的意義を有するので、その技術的意義を達成できるなら、どのような押出しまたは圧延を行ってもよい。なお、気孔は押出しまたは圧延方向に長く延びて成形されることになる。
押出し成形をする場合は、一方向に更に長く延びた気孔を形成するのにより好都合となる。以下に、押出し成形について詳述する。
２）押出し成形
金属・気孔形成媒体の混合物ＭＰまたは圧粉体Ｆを熱間または冷間で公知の押出し技術によって押出すと、図２（Ａ）に示すように、金属・気孔形成媒体粉末が繊維状に長く延伸する。この場合、金属粉末Ｍは延伸しながら、粒子を覆っていた酸化膜が破れて互いに結合し一体化した金属体になろうとする。一方、図２（Ｂ）に示すように、金属体中に点在する気孔形成媒体粉末Ｐは延伸しながら一体化していく金属の中で繊維状に延びて存在することになる。この長く延びた気孔形成媒体は気孔形成の媒体となるものである。なお、気孔形成媒体に塩（ＮａＣｌまたはＫＣｌ）を用いた場合、押出しに際して塩が延性的に塑性変形して延びているのか、あるいは細かく脆性的に割れながら金属の流線の間で繊維状に再配列しているだけなのか、は正確に区別できない。
押出し成形技術としては、公知の押出し技術を用いたどのような方法を用いてよい。押出しダイを構成するコンテナやダイの形状口径などは、得ようとする多孔質金属体の仕様に合わせて任意に設定すればよい。また、連続押出しや静水圧押出し等の加工法も任意に採用すればよい。
３）延伸中の金属の挙動
((金属新生面))
アルミニウムをはじめとして金属粉末表面は酸化膜に覆われている。一般に酸化物の結合状態はイオン結合，共有結合または両者が混じり合ったような状態であって金属結合ではないので、この酸化膜を介して金属粉末同士が押し付けられている場合には、たとえ高圧力で押し付けたとしても金属粉末同士の結合は達成できない。粉末間に金属結合を起こさせるためには、この酸化膜を破壊して新鮮な汚染されていない金属表面（新生面という）を露出させ、この新生面同士が高圧の下で相互の原子間力の作用する距離まで押し付けられることが必要である。新生面の発生には酸化膜を割って表面積を増す操作が必要で、例えば粉末を潰す、延ばすなどの操作を要するが、剪断変形が加わるとより効果的である。
((冷間と熱間))
温度は必須ではなく十分な新生面発生と表面同士の接近が図られるならば室温でも接合を達成できる（冷間接合）。よって、本発明では冷間の押出し加工も含むものである。但し、高温になるほど接触面間の金属結合が進みやすくなるので、加熱する方が有効である。とくに、その金属材料の再結晶温度以上の加熱が効果的である（再結晶以上での塑性加工を熱間加工という）。このため、本発明では熱間加工をとくに好ましい方法として採用している。
((押出し加工))
押出し加工は、高い圧力と粉末粒子表面積の拡大に加えて、大きな剪断変形が作用するため、金属粉末の固化には好適な加工法である。また、熱間押出しには、高い温度という金属結合を促進する因子が加わるため、金属粉末の固化成形加工には最も適した加工法である。とくにアルミ粉末表面の酸化膜（酸化アルミニウム）は強固で、常用金属ではアルミ粉末は最も固化しにくい粉末の一つとされているが、本発明で熱間押出しを好ましい加工法として採用しているのは、気孔形成媒体の延伸もあるが、金属粉末の結合を図るためでもある。
４）押出し比
押出し加工に伴う一つのパラメータとして、押出し比がある。押出し比とは、コンテナ（密閉容器）内の断面積Ａ_０の素材の一端を押して、断面積Ａ_１の孔を持つダイから押出すとき、Ｒ＝Ａ_０/Ａ_１をいう。
押出し加工の間、金属粉末は新生面が発生することにより、金属粉末同士が一体化する。この場合の新生面発生率（金属粒子が延びて表面の酸化被膜が破れて新しい金属表面ができた率）は、ダイス角や孔形状によっても左右されるが、主に押出し比によって決まる。そして、概ね新生面発生率７０％以上であれば多孔質金属体が製造可能である（ただし、金属の種類により、これ以下でも、これ以上でも製造可能なものがあり、あくまでも目安である）。また、この条件を満たす限り、用いる押出しダイの押出し比も任意に設定できる。したがって、後述する実施例では、押出し比6.9と17.6で行い、前者を多くの場合で用いたが、これが最適値という意味ではない。
なお、押出し比の上限は、押出し工具の耐圧、押出し圧力（主として加工される素材の変形抵抗と押出し比により決まる単位面積当りの所用圧力をいう）およびプレスの力量によって定まるので、本発明において本質的なものではない。一方、押出し比の下限は、金属粉末同士の結合を達成するため、金属粉末の種類や性状、押出し温度、さらには気孔形成媒体の配合割合にもよるが、熱間での押出しでは目安として概ね３程度以上の押出し比が必要である。
５）押出し温度
本工程の押出し加工は、冷間でも熱間でも行えるが、熱間で行う場合の押出し温度は、気孔形成媒体粒子と金属粒子が共に延伸し、あわせて金属粒子同士が接合する条件であればよいので、その範囲になるように加熱される。例えば、気孔形成媒体に食塩を用いる場合、食塩（NaCl）の融点は800℃であり、アルミニウム（Al）の融点は６６０℃であるので、押出し温度としては３００〜５００℃、その中でも４５０℃は好適温度の一例であるが、これに限られるものではない。
製造上の便宜からは、押出し温度を上げると、金属も気孔形成媒体も軟化するので
、押出しは容易になる。
６）金属粉末と気孔形成媒体粉末の強度混合物ＭＰあるいは圧粉体Ｆを押出す際に、金属粉末と気孔形成媒体粉末の強度（変形抵抗）が近ければ近いほど共に一様に変形して延びやすくなり、逆に強度の差異が大きくなるほど一方の軟質粉末だけしか延びなくなる。金属と気孔形成媒体の強度比が１：１〜１：３以内であれば、金属・気孔形成媒体の配合率に係わらず概ね両粉末共にほぼ一様な変形をするので、上記範囲内が好ましく、１：１に近ければ近いほど好ましい。これに近ければ近いほど、金属と気孔形成媒体が一緒に延びる。
（気孔形成媒体除去工程ＩＶ）
本発明の最後の工程ＩＶとして、押出し成形後の成形物Ｇを水洗いする。すなわち、水に浸漬して粒子から延伸した状態となっている気孔形成媒体を溶解除去する。
気孔形成媒体が塩の場合、水洗いの際に、流水、静止水のいずれを用いても、脱塩特性にほとんど影響しない。ただし、塩を溶かし出すので、静止水では、塩の全量が溶け出しても飽和濃度に比べて十分に低い濃度であるように十分な量の水を使うのは自明である。流水も静止水も脱塩速度があまり変らないのは、ごく表層部を除けば、細孔内の塩に対しては静止水が作用しているのと同じ状態になるためと考えられる。
このようにして、食塩が除去された後は長い空洞となるので、その空洞が長い気孔となる。もちろん、この長い気孔は断面内にたくさん生じており、かつ長手方向にはいくつかの気孔が順につながって連続したものが多数存在することになる。
（得られた多孔質金属体の特質）
本発明で製造された多孔質金属体は、押出し方向あるいは圧延方向に延びた多数の気孔を有し、それぞれの気孔は何個分かの気孔が順次つながることになり、高い連続性と通気性を有している。なお、断面内で気孔が一様に分布するだけでなく、段階的または傾斜的に気孔密度が変化するように分布させたものも本発明の多孔質金属体に含まれる。気孔形成媒体に食塩を用いた場合、食塩添加率が概ね３０体積％以下の条件では食塩粒子の合体の機会が相対的に低下するので、数個分つながった後に行き止まりになることも生じるが、食塩添加率が高い場合には複数の食塩粒子の合体によって、長い気孔が形成され、気孔が行き止まりになる確率は非常に低い。したがって、多くの気孔は押出し方向に連続した気孔となる。
いま、一つの概算として、１辺ａの立方体の食塩粒子が押出し（押出し比Ｒ）に際して等方的に変形するものと仮定すれば、押出し前後でのこの食塩粒子の体積一定の条件より、１辺ａ／√Ｒの正方形断面（これを気孔径とする）で長さａＲの孔となる。
ａに食塩の平均粒径を当てはめれば、これらはおよそ次のような値となる。
Ｒ＝６．９のとき：
食塩（平均粒径４１７．５μｍ）
気孔径≒１６０μｍ、１個の食塩粒子が形成する気孔の長さ≒２．９ｍｍ
食塩（平均粒径４６７．０μｍ）
気孔径≒１８０μｍ、１個の食塩粒子が形成する気孔の長さ≒３．２ｍｍ
Ｒ＝１７．６のとき：
食塩（平均粒径４１７．５μｍ）
気孔径≒１００μｍ、１個の食塩粒子が形成する気孔の長さ≒７．４ｍｍ
食塩（平均粒径４６７．０μｍ）
気孔径≒１１０μｍ、１個の食塩粒子が形成する気孔の長さ≒８．２ｍｍ
この試算から分るように、一つの気孔が相当長く形成されるので、幾つかの気孔がつながると、ほとんどの場合、連続気孔となるのである。
（製造方法の利点）
本発明は、上記のように多数の連続気孔を有する金属体が得られることのほかに、つぎのような製造技術上の利点がある。
１）押出し方向あるいは圧延方向に長い気孔を形成できる。とりわけ押出し成形または圧延成形を用いた場合は、長尺製品の製造に対してて制約がほとんどなく、連続押出し技術や粉末圧延技術によれば、得られる多孔質金属体もその内部の気孔の連通長さは事実上無制限である。
２）多孔質金属体の製造のための特別な装置や設備を何ら必要とせず、汎用の押出し設備または圧延設備がそのまま使用できるので、設備投資が少なくてすむ。
３）押出し工具または圧延工具の耐圧強度と金属粉末同士の結合、気孔形成媒体の伸延が可能な加熱条件でよく、金属粉末を溶融させないのでエネルギー消費量が少なくなり、製造コストが安くなる。
４）気孔径および気孔形状を金属粉末と気孔形成媒体の性状および配合率ならびに押出し条件または圧延条件によって制御可能であり、多種多様の多孔質金属体を精度よく製造できる。
５）気孔率、つまり同一断面内における連続気孔の数は、気孔形成媒体の配合率等を変化させることにより制御可能であって、気孔率を小さくも大きくも自在に変動させることができる。
６）上記実施形態は、断面内で一様に気孔が分布する多孔体を形成するものであったが、その原理からして、つぎのような高次の組織を有する多孔体を高い制御性のもとで製造可能である。
・圧粉体作成の段階でその高さ方向または半径方向に気孔形成媒体配合量を変化させることで、長手方向または半径方向に多孔率が段階的に又は傾斜的に変化する多孔質金属体
・圧粉体作成の段階でその高さ方向または半径方向に金属粉と気孔形成媒体の粒径を変化させることで、長手方向または半径方向に気孔径が変化する多孔質金属体・上記２つを組み合わせて、多孔率および気孔径の断面内分布を意図的に変化させた多孔質金属体
（多孔質金属体構造物）
本発明により得られる多孔質金属体構造物としては、棒状や筒状、板状などに成形できる。棒状と筒状の場合は、断面が円形の外、角形であってもよく、楕円や多角形なでの任意の形状を採用できる。また、板状は幅と厚さは任意に設定できる。
さらに、多孔質金属体と通常の無孔質金属体との複合品とすることも可能である。これらの多孔質金属体構造物は、必要に応じて切削加工、研削加工などの除去加工、あるいは塑性加工法を用いて、二次成形して形状方法を付与することも可能である。
図１７は金属粉末としてアルミニウムを用いた多孔質金属体構造物の作成例を示し、（Ａ）は丸棒（多孔率２５体積％）、（Ｂ）は複合管（外材：純アルミニウムパイプ（無孔質）、内材：多孔材（多孔率７５体積％））、（Ｃ）は丸棒（多孔率５０体積％）、（Ｄ）は丸棒（多孔率７５体積％）である。
図（Ａ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、種々の多孔率を有する棒材が得られるので、要求される強度や要求される通気度などのファクターにより選択して用いることが可能である。
【００１９】
図１８〜図２０は、前記図１７の（Ｂ）に示すアルミニウム製パイプとの複合管の各実施形態を示している。
図１８は複合管の一例（サンドイッチ型）である。同図の写真は直径１６mmの押出し材の横断面で、脱塩および研磨を施していない状態を撮影したものである。構造的には、外側と内側の２本のアルミニウムパイプ（無孔質金属体）で中間部の多孔質金属部を挟んだものである。多孔部はAl粉末−７５体積％食塩で、中央の孔部には塩を充填して潰れないようにして押出し加工を行った。図１８のように無孔質のアルミニウムパイプとアルミニウム粉末とを同時に押出し加工するには、製作したい複合管と同じ構成で寸法だけ大きい内外２本のアルミニウムパイプ（無孔質またはアルミニウム粉末の圧粉体）間にはAｌ粉末と塩の混合粉末又はその圧粉体を挿入し、内管の穴部には塩粉末又はその圧粉体を挿入した複合ビレットを使用すれば可能である。押出し過程で、多孔質金属部と無孔質金属部は金属結合を生じて一体化するので、一体化のための接着や溶接など不要である。脱塩すれば、内外周をアルミミニウムパイプ（無孔質）でサンドイッチされた管になる。多孔質金属体部と無孔質部の配置および多孔質金属体部の多孔率は目的に応じて自由に組み合わせて良い。例えば、内管の替りに中実棒材を用いれば、内外のアルミミニウムパイプ（無孔質）の間に、アルミニウム多孔質金属部が挟まれた中実棒材になる。図１８の中央部の塩に替えてAlと塩の混合粉又はその圧粉体を用いれば、４層構造の組み合せになる。
図１９は複合管の他の例（外面被覆型）を示している。すなわち、本実施形態は、アルミニウム製パイプを用いた複合管の別の例である。製造方法は図１８と同じであるが、この例では内側にアルミミニウムパイプ（無孔質）を用いていない。外側のみアルミミニウムパイプ（無孔質）で被覆したものである。アルミニウムパイプ（無孔質）と多孔質金属部の配置を内外逆にした内面被覆型の複合管も全く同様に製造できる。
図２０は図１８の複合管を斜めに切断したときの組織（研磨後、脱塩したもの）の写真である。同図から分るように、７５体積％のアルミ多孔部は、内外周のアルミミニウムパイプ（無孔質）と接合して完全に一体化している。
上記複合管の各実施形態はパイプ状であるが、中空でない棒状も可能であり、断面形状も丸だけではなく、角や自由な形状が可能である。圧延加工を用いれば、平板状の多孔質金属体と無孔質金属体を積層した複合部材の製作が可能である。また、これに適当な塑性加工法を二次加工として適用して曲面形状を含む種々の形状を付与することや、切削加工により種々の形状を付与することも可能である。
【００２０】
［実施例］
下記の条件で、金属としてアルミニウムを用い、気孔形成媒体として塩（NaClまたはKCl）を用いた多孔質金属体を製造した。
（使用材料）
Ａ．アルミニウム粉末の粒度分布と組成
【表１】
純アルミニウム粉（アルミ＋106μｍ粉）
【表２】
純アルミニウム粉（アルミ-45μｍ粉）
Ｂ．食塩の粒度分布と組成
【表３】
食塩（略号Ｃ）
【表４】
食塩（略号Ｓ）
【００２１】
（製造プロセスと条件）
金属として純アルミニウム（アルミ＋106粉）を用い、気孔形成媒体は食塩（NaCl）を用いた。アルミニウム粉末と食塩粉末を食塩配合率３０〜７０体積％で混合した。得られた混合物ＭＰを金型を用いて150MPaで加圧し、直径４１mm×高さ４２mmの圧粉体Ｆを作成した。圧粉体Ｆを押出し装置に詰め、熱間押出しを行った。押出し条件は、押出し比6.9、押出し温度450℃である。押出し成形で得られた成形物Ｇを、水に浸漬して食塩を溶解除去した。この脱塩時間は１８時間である。
この実施例に基づき、以下の事項が分る。
【００２２】
（食塩配合率と多孔率、脱塩時間との関係）
図３に示すように、食塩配合率と多孔率との関係は、比例的であり、食塩配合率が高いほど多孔率が高くなり、食塩配合率が低いと多孔率も低くなる。ここでいう「多孔率」とは、多孔材の見かけ体積に対する気孔の体積割合のことである。
食塩配合率と脱塩時間は反比例の関係にあり、食塩配合率が高いほど脱塩時間は短く、食塩配合率が低いほど脱塩時間が長くなる。
【００２３】
（食塩添加率と脱塩後の多孔率の関係）
図４（押出し温度450℃，押出し比6.9であり、白丸は食塩Ｃを黒丸は食塩Ｓを用いた場合を示す。）に示すように、食塩配合率と多孔率の関係はほぼ線形である。完全にアルミニウムに囲まれた食塩は除かれないために多孔率は食塩添加量よりもわずかに低くなるが、食塩の種類に係わらず、多孔率の再現性・制御性は良好である。
【００２４】
（添加した食塩量に対する脱塩率の変化）
図５（押出し温度450℃，押出し比6.9）に示すように、アルミニウムの体積割合が多くなるにつれて脱塩されずに残留する食塩の割合が増加する。粒度分布が広い食塩Ｃは食塩Ｓよりも脱塩率が高い。
【００２５】
（押出しによるアルミニウムの繊維組織）
図６（450℃押出し材の縦破面）に示すように、押出しにより、アルミ粉と食塩粒子は共に延伸して繊維状組織を呈する。
【００２６】
（押出し比によるアルミの延伸状況の比較）
図７（食塩Ｃ−６０体積％，450℃押出し材の縦破面および研磨面）に示すように、繊維組織は押出し比6.9の場合よりも押出し比17.6の場合が均質である。すなわち、高押出し比の場合ほど細かく均一性が向上する傾向にある。
【００２７】
（食塩配合量による押出し方向に垂直な断面における気孔組織の変化）
図８（食塩Ｃ，450℃押出し材，押出し比6.9）に示すように、気孔の分布は食塩配合率３０体積％，４０体積％，５０体積％，６０体積％，７０体積％の全てにおいて均一である。
【００２８】
（食塩の種類による気孔形状と組織の変化）
図９（450℃押出し材，押出し比6.9）に示すように、粒径の分布が広い食塩Ｃでは高配合率になるにつれて複数の食塩粒子が合体しやすく、不規則な気孔形状になりやすい。相対的に純度が高く粒径が大きく粒度の揃っている食塩Ｓでは、配合率６０体積％でも４角形状の気孔となり、食塩粒子の合体が少ないことがうかがえる。
【００２９】
（食塩の種類と配合率による平均気孔経（等価円径）の変化）
図１０に示すように、押出し比と食塩の平均粒径から求まる気孔径が食塩ＣとＳに対してそれぞれ約160μｍ、約180μｍであることから、食塩配合率が増加するにつれて食塩同士が合体しやすくなることがわかる。その結果、図９のように高い食塩配合率では気孔は、押出し方向に垂直な断面では複雑な形状を示すが、長くつながることにもなる。
【００３０】
（押出し温度よる気孔形状と組織の変化）
図１１（食塩Ｃ−６０体積％，押出し比6.9）に示すように、実験した300−500℃の範囲では、いずれの場合にもアルミ粉末と塩粉末はともに繊維状に延伸し、脱塩により一方向に連通した気孔組織が得られた。
【００３１】
（押出し温度による平均気孔径（等価円径）の変化）
図１２に示すように、気孔径には押出し温度に対して緩やかに変化するが、測定精度を考えれば大きな変化はない。
【００３２】
（高押出し比で得られる放射状の気孔組織）
図１３（押出し比17.6，押出し温度450℃）の（Ａ）〜（Ｆ）に示すように、押出し条件に応じて、様々な気孔組織を得ることが出来る。ただし、この放射状組織は押出しの際のダイとの摩擦条件にも依存するので、押出し比を高めることだけの効果ではない。
【００３３】
（アルミ粉末の粒径による気孔組織の変化）
図１４（食塩Ｓ−５０体積％，押出し比6.9，押出し温度450℃）において、（Ａ）図はアルミ＋106μｍ粉の気孔組織、（Ｂ）はアルミ−45μｍ粉の気孔組織を示す。（Ａ）（Ｂ）両図から分るように、アルミ粉と食塩の粒径および粒度分布に応じて、様々な気孔組織を得ることが出来る。
【００３４】
（多孔体の通気抵抗測定結果）
図１５（アルミ＋105μｍ粉，押出し温度450℃，押出し比6.9）に示すように、多孔率が0.35以上からは、通気性は非常に高いことがわかる。
【００３５】
（多孔体の硬さ測定結果）
図１６（アルミ＋105μｍ粉，押出し温度450℃，押出し比6.9）に示すように、押出し方向に垂直な断面における硬さは、ほぼ複合則に従って変化している。
【００３６】
（上記以外の食塩を用いた実施例）
金属粉末はアルミニウム粉で、気孔形成媒体は食塩であるが、略号Ｓの食塩と同組成で、平均粒径がそれの約1/3の159ミクロンのものである（略号ＳＳとする）。
脱塩後の多孔率は、各試料２個それぞれで以下のとおりで再現性は良好である。
28.4％ , 28.4％（SS塩配合率３０体積％）
38.1％ , 38.4％（同４０体積％）
48.6％ , 48.9％（同５０体積％）
58.6％ , 58.0％（同６０体積％）
69.7％ , 69.4％（同７０体積％）
【００３７】
（食塩以外の塩を用いた実施例）
金属粉末はアルミニウム粉で、気孔形成媒体は塩化カリウム（KCl）である。
下記条件で押出し成形を用いた。
・KCl配合率３０体積％，４０体積％，５０体積％，６０体積％および７０％体積
アルミ粉は＋106ミクロン
・押出し条件 450℃，押出し比6.9
結果は、押出しに何ら問題なかったが、脱塩時に解れやすいことが判明した。食塩に比較してKClが柔らかいためにアルミ粉末間に入り込んでアルミ表面を覆いやすく、このためにアルミ粉末の結合が妨げられやすいことが要因と考えられる。
脱塩後の多孔率は、各試料２個それぞれで以下のとおりで再現性は良好である。
27.5％ , 28.6％（KCl配合率３０体積％）
37.4％ , 37.9％（同４０体積％）
48.5％ , 48.6％（同５０体積％）
59.2％ , 59.1％（同６０体積％） ※
69.6％ , 69.2％（同７０体積％） ※
※ KCl６０体積％と７０体積％では、脱塩時にほぐれやすい。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明により得られる一方向に延伸した気孔を有する金属多孔質体は、連通性・通気性を有し流体の流動に対する圧力損失が小さいため、フィルタその他の濾材として好適である。また、高い多孔率を有するため、見かけ上一層軽量なものとなっている。この多孔質体を利用すれば、従来になく各部材の軽量化を図れ、例えば軽量で高剛性な部材等も容易に得られる。さらに、上記軽量化に加えて、多孔性であることを利用して、従来になく高性能な衝撃吸収体、断熱材、防音材、消音材、防震材を作成することが可能である。
本発明の製造技術は非常に単純で容易であり、環境への排出物は食塩のみで環境負担は極めて小さいという利点がある。
【図面の簡単な説明】
［図１］本発明における多孔質金属体製造方法の工程図である。
［図２］（Ａ）図は押出し加工時の新生面発生原理の説明図、（Ｂ）図は金属体中の気孔成形媒体粉末（食塩粒子）の説明図である。
［図３］食塩配合率と多孔率、脱塩時間との関係を示すグラフである。
［図４］食塩添加率と脱塩後の多孔率の関係を示すグラフである。
［図５］添加した食塩量に対する脱塩率の変化を示すグラフである。
［図６］押出しによるアルミニウムの繊維組織を示す実体顕微鏡写真である。
［図７］押出し比によるアルミニウムの延伸状況の比較を示す実体顕微鏡写真である。
［図８］食塩配合量による押出し方向に垂直な断面における気孔組織の変化を示す実体顕微鏡写真である。
［図９］食塩の種類による気孔形状と組織の変化を示す実体顕微鏡写真である。
［図１０］食塩の種類と配合率による平均気孔経（等価円径）の変化を示すグラフである。
［図１１］押出し温度よる気孔形状と組織の変化を示す実体顕微鏡写真である。
［図１２］押出し温度による平均気孔径（等価円径）の変化を示すグラフである。
［図１３］高押出し比で得られる放射状の気孔組織を示す実体顕微鏡写真である。
［図１４］アルミニウム粉末の粒径による気孔組織の変化を示す実体顕微鏡写真である。
［図１５］多孔質金属体の通気抵抗測定結果を示すグラフである。
［図１６］多孔質金属体の硬さ測定結果を示すグラフである。
［図１７］多孔質金属体構造物の四例の写真である。
［図１８］多孔質金属体構造物の一例である複合管（サンドイッチ型）の写真である。
［図１９］多孔質金属体構造物の他の例である複合管（外面被覆型）の写真である。
［図２０］図１８の複合管を斜めに切断した断面の写真である。
［図２１］従来の多孔質金属体の製造方法の工程図である。
［符号の説明］
Ｍ金属粉末
Ｐ気孔形成媒体粉末
ＭＰ混合物
Ｆ圧粉体
Ｇ成形物

Claims

金属粉末と気孔形成媒体粉末を混合して混合物を得る混合工程と、
前記混合物を延伸して成形物を得る延伸成形工程と、
前記成形物から気孔形成媒体を溶解除去する媒体除去工程を順に実行することにより得られた延伸成形物であって、
該延伸成形物の断面内で互いに独立した気孔が、押出し方向に延びて多数の連続気孔が形成されている
ことを特徴とする多孔質金属体。
前記延伸成形工程として、前記混合物を押出し加工法により延伸させる押出し成形工程を用いて得られた押出し成形物であって、
該押出し成形物の断面内で互いに独立した気孔が、押出し方向に延びて多数の連続気孔が形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の多孔質金属体。
前記延伸成形工程として、前記混合物を圧延加工法により延伸させる圧延成形工程を用いて得られた圧延成形物であって、該成形物の内部に圧延方向に延びた多数の気孔が形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の多孔質金属体。
前記延伸成形工程を、前記金属粉末および前記気孔形成媒体粉末の融点未満の温度に加熱した状態で行う
ことを特徴とする請求項１記載の多孔質金属体。
前記混合工程と前記延伸成形工程との間に、
前記混合物を加圧して圧粉体を得る加圧工程を行う
ことを特徴とする請求項１記載の多孔質金属体。