JPH06500359A - 隔離された気孔を有する軽量金属とその製造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 隔離された気孔を有する軽量金属とその製造技術分野 この発明は隔離された粒子−安定化気孔を有す軽量ガス−金属複合材料、詳細に は軽量アルミニウム複合材料、及びその製造方法に関す。

軽量発泡金属は高い強度一対一重量比を有し、耐力材及び断熱材として非常に有 効である。金属泡は高い衝撃エネルギー吸収能力、低い熱導電率、良好な電気導 電率及び高い吸音特性により特徴づけられる。

背景技術 発泡金属は以前に、例えば米国特許第２．８９５．８１９号、３．３００．　２ ９６号及び３．２９７，４３１号において説明されている。一般に、このような 泡は溶融金属にガス−発生化合物を添加することにより製造される。ガスが発生 すると溶融金属は膨張し、発泡される。発泡後、得られた物体は冷却され、発泡 塊は固化され、これにより発泡金属固体が形成される。ガス−形成化合物として は、米国特許第２．９８３，５９７号に説明されている水素化チタン、水素化ジ ルコニウム、水素化リチウムなどの金属水素化物が可能である。

軽量発泡金属の製造における最近の展開については、１９９０年１１月２７日に 認められた、ジン（Ｊｉｎ）の米国特許第４，９７３．３５８号に説明されてい る。

この特許の中では、金属マトリクスと細かく分割された固体安定剤粒子の複合物 が金属マトリクスの液相温度以上で加熱され、ガスの泡が溶融金属複合物中にそ の表面下に放出され、これにより、溶融金属複合物の表面上に発泡溶融物が形成 されていた。この泡が冷却されると、多くの閉鎖セルを有する固体発泡金属を形 成する。この泡のセルは大きく、セル間の非常に薄い壁を有する多角構造を有し ていた。適用力により脆いセル構造を破壊してしまい易いため、液体状態のこの ような泡は形鋳造及び成形に合わない。例えば、このような材料を空の鋳型に整 合させて充填することは困難である。スパチュラあるいは同様の手段を静かに急 いで使ってもその泡を壊してしまう傾向がある。

本発明の目的は、その構造の完全性を破壊することなく、成形手順に共すること のできる軽量ガス−金属複合材料を製造することである。

発明の開示 本発明によれば、金属マトリクス及び細かく分割された安定剤粒子の複合物を金 属マトリクスの液相温度以上で加熱する。溶融金属複合材料をその後、渦が形成 されるように激しく混合する。溶融金属複合材料の表面上のガスは、渦の作用に より、その溶融複合材料中に引き込まれる。そのガスは、混合が持続する間、引 き込まれ、熱溶融金属複合材料は糊状のあるいは粘性の軟度を有する発泡材料の 形になる。上記ガスはこの発泡粘性材料中に、小さな隔離気孔の形で、分散する 。

この発泡粘性金属複合材料は、まだその金属の液相温度以上である場合、米国特 許第４，９７３．３５８号に説明されている安定化された液体泡とは非常に異な った様式の挙動を示す。このように、本発明の熱発泡粘性材料は外力の適用に対 し崩壊しない。これは複合材料が時間を拡張されて（例えば、７２時間まで）溶 融状態で静置された後でさえも、そうである。材料内部では、実在する力は主に 流体静力学的なものであり、無視できる剪断力が生じるだけであると考えられる 。しかしながら、表面上では、剪断力は非常に強く、多孔質構造は破壊される。

その結果得られるものは、内部が多孔質で外表面が滑らかな製品である。

液体あるいは固体に普通に適用される通常技術のどれもが、専ら、この発明の小 気孔３相混合物の成形に使用することができる。例えば、通常液体を用いたとき にだけ使用されるダイカストを使用することができる。チキン押出しあるいはチ キン鍛造などのチキソトロピー成形技術（Ｍ、ＣｏＦｌｅｍｉｎｇｓ、流鋳造（ Ｒｈｅｏｃａｓｔｉｎｇ）、　４２４１−４２４３ページ、材料化学と工学辞典 、１９８６年ベルガモン社（Ｐｅｒｇａｍｏｎ　Ｐｒｅｓｓ）よりＭ、Ｂ、　Ｂ ｅｖｅｒにより発行）を使用することもできる。　また、この発明の発泡または 膨張させた金属製品は固化することができ、発泡構造を破壊せずに成形製品を製 造するために再溶融することができることは驚くに値する。

本発明の製品においては、気孔は一般に球形で、マトリクス中に広く分布して′ する。これらの気孔は１０−５００ミクロンの範囲の直径を有し、気孔間にかな りのマトリクス材料があるようにマトリクスを通してかなり均一に間隔があけら れている。典型的な構造においては、大きな気孔間のマトリクス中に小さな直径 の気孔を有するように、大きな直径の気孔が広い間隔をおいて配置されている。

気孔間の距離は平均少なくとも５０ミクロンで、典型的には１００ミクロン以上 である。気孔間にかなりの金属複合物が存在することが、この発明の重要な特徴 である。このように、製品は約０．３から≦１の相対密度（Ｐ本／Ｐｓ）を有す ることが好ましい。ここで２本は多孔質材料の密度を示し、Ｐｓは固体複合材料 の密度を示す。

非常に様々な耐火材料が、細かく分割された固体安定材粒子として使用できる。

このような粒子の主な必要条件は、金属マトリクス中に組み込まれ、分散させる ことができ、金属マトリクス中への溶解あるいはそのマトリクスとの広範囲の化 学結合により形あるいは同一性を失うのではなく、組み込まれたときに少なくと も実質的にはその元の状態を維持することができることである。

適当な固体安定剤材料の例としては、アルミナ、ニホウ化チタン、ジルコニア、 炭化珪素、窒化珪素などがあげられる。泡中の粒子の体積部は典型的には２５％ 以下であり、約５から１５％の範囲であることが好ましい。粒子の大きさはかな り広い範囲のものが可能であり、例えば、約０．　１から５０μｍである。しか し、一般には粒子の大きさは約０．　５から２５μｍの範囲であろう。約１から ２０μｍの範囲の粒子の大きさが好ましい。

金属マトリクスは、溶融状態で、渦混合により混合することが可能な様々な金属 から構成されることができる。これらの例としては、アルミニウム、マグネシウ ム、鋼、亜鉛、鉛、ニッケル、銅及びこれらの合金をあげることができる。特に 興味深いのは、標準精錬、鋳造あるいは他のアルミニウム合金であり、例えばア ルミニウム協会（ＡＡ）が指定する６０６１，２０２４．７０７５．７０７９゜ Ａ３５６という名で市販されている合金である。

気孔を形成するガスは、典型的には、空気、二酸化炭素、酸素、不活性ガスなど からなるグループから選択することができる。簡単に手に入ることから、空気が 通常好ましい。

混合は、渦を生成することのできる手段ならどれを用いても行うことができる。

例えば、機械的な羽根車あるいは電磁混合システムを使用することができる。

本発明の製品を成形する場合、安定化側粒子は気孔の気−液界面に接着すること がわかっている。これは、この状態の総エネルギーが個々の液−蒸気及び液−固 体状態の表面エネルギーよりも低いために起きる。気孔の外面周辺に粒子が存在 すると、発泡軽量材料を安定化する傾向がある。

この発明の製品は、寸法許容差を充たすように成形される軽量金属鋳造物が必要 とされる、例えば自動車産業用部品、産業に広く適用することができる。

図面の簡単な説明 本発明を実行するための方法及び装置について、添付の図面を参照して実施例に より、以下により詳細に説明する。

図１は渦混合を実行するための装置の概略を示したものである：図２は本発明の 鋳造軽量アルミニウム複合材料の断面を１０倍したものである図３は１００倍に 拡大した、図２の材料の顕微鏡写真である；図４は本発明による他の鋳造軽量ア ルミニウム複合材料の断面を４倍に拡大したものである； 図５は図４の生成物の一部の断面を２５倍に拡大したものである。

本発明を実行するための最良の様式 図１に示したシステムにおいては、るつぼ３５は羽根車３７を有する回転可能な 軸を含む。この特定の実施例においては、るつぼの直径は３２ｃｍであり、羽根 車の翼は約７６ｍｍｘ１２７ｍｍの長方形である。

操作中は、溶融金属複合物がレベル３８まで充たされる。それから、羽根車を高 速で回転し、渦３９を発生させる。ガスのブランケットを溶融渦表面上に供給す ると、ガスは溶融物中に引き込まれ、結局、発泡多孔質材料が形成される。発泡 はるつぼが実質的に充たされているまで継続される。その時点で、混合をやめ、 その材料をるつぼから取り出し、所望の形に成形する。

以下の例は制限するものではなく、本発明のある好ましい実施例を説明する。

実施例１ 図１のるつぼを用いて、Ａ３５６アルミニウム合金を溶融し、１５容量％の炭化 ケイ素粉末をこれに添加した。その後、るつぼを排気し、アルゴン雰囲気を溶融 物の表面上に提供した。

６５０−７００℃の温度の溶融金属複合材料を用いて、羽根車を９００ｒｐｍで 回転した。１０分の混合の後、溶融複合材料は膨張を開始した。発泡がるつぼの 頂点まで達すると、羽根車を止め、発泡した、粘性溶融材料サンプルを収集して 、サンプル鋳型中で鋳造した。鋳造物を切断し、顕微鏡検査を行った。その結果 を図２及び３の顕微鏡写真に示す。

この発泡材料は、非常に小さく、球形で、かなり均一に分布した気孔を有するこ とがわかった。発泡金属複合材料のバルク密度は１−１．５ｇ／ｃｃの範囲であ り、気孔の大きさの平均は約２５０ミクロンであり、気孔間の平均距離は約１０ ０ミクロンであった。

実施例２ 図１の装！を用いて、１５容量％のアルミナ粉末により強化された６０６１アル ミニウム合金を溶融した。７１０℃の温度の溶融金属複合材料を用いて、羽根車 を８０Ｏｒｐｍで回転した。１５分の混合の後、溶融複合材料は発泡を始め、粘 性溶融材料を形成した。この発泡した、粘性溶融材料をサンプル鋳型中で鋳造し た。固化させた鋳造物を切断し、顕微鏡検査を行った。図２及び３の顕微鏡写真 と同様の外観を有することがわかった。

実施例３ また、図１の装置を用いて、８．５重量％の珪素と１０容量％の炭化珪素粒子を 含むアルミニウム合金を溶融した。

６８０℃の温度の溶融金属複合材料を用いて、羽根車を１１００Ｏｒｌ）で回転 した。約１５分の混合の後、溶融複合材料は発泡を始めた。その材料が発泡を完 了すると、発泡した、粘性溶融材料を２０ｃｍＸ２０ｃｍＸ２．５ｃｍの大きさ のセラミック鋳型中で鋳造した。固化した軽量板を約１０分で形成し、これを切 断し、顕微鏡検査を行った。４倍に拡大したものを図４に示す。鋳造操作中に破 壊されず、徐々に冷却しても合体しなかった、一様に分布した球形の気孔が存在 していることがわかる。２５倍に拡大したものを示す図５から、溶融金属層は、 ドレンの結果、底に形成され、厚さはたった約１ｍｍであることがわかる。

０Ｘ Ｉ○ＯＸ 国際調査報告 フロントページの続き

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. １．隔離された粒子安定化気孔を含む軽量のガス金属榎合材料を製造する方法で あって、該方法が、 金属マトリクスと細かく分割した固体安定化剤粒子を、該金属マトリクスの液相 線温度以上で加熱し溶融金属複合材料を形成する工程と、該溶融金属複合材料を 、渦が形成されるように混合し、渦により溶融複合物中にガスが引き込まれるよ うに混合を継続して、発泡した、粘性溶融複合材料を形成する工程と、 該発泡した材料を該溶融物の固相線温度以下で冷却し、それ全体に多くの小さな 隔離された、粒子安定化された気孔が一様に分布した軽量固体金属生成物を形成 する工程とを含む軽属ガスー金属複合材料製造方法。
2. ２．安定化剤粒子は２５容量％以下の量で金属マトリクス複合材料中に存在して いる、請求１記載の方法。
3. ３．安定化剤粒子の大きさは約０．１から５０μｍの範囲である請求項２記載の 方法。
4. ４．安定化剤粒子は、その大きさが約０．５から２５μｍの範囲にあり、複合材 料中に約５から１５容量％の量で存在している、請求項３記載の方法。
5. ５．安定化粒子はセラミックあるいは金属間化合物粒子である、請求項３記載の 方法。
6. ６．安定化剤粒子は、金属酸化物、炭化物、窒化物あるいはホウ化物である請求 項３記載の方法。
7. ７．安定化剤粒子はアルミナ、ニホウ化チタン、ジルコニア、炭化珪素及び窒化 珪素からなる群から選択される、請求項３記載の方法。
8. ８．混合は、発泡溶融金属復金材料が糊状あるいは粘性軟度を有するまで継続さ れる、請求項３記載の方法。
9. ９．発泡粘性溶融複合材料は、形造られた軽量金属生成物に成形される、請求項 １記載の方法。
10. １０．固体金属生成物は再溶融され、成形された、軽量金属生成物に形成される 、請求項１記載の方法。
11. １１．成形はダイカストあるいはチキソトロピー成形を含む、請求項９または１ ０記載の方法。
12. １２．チキソトロピー成形は、チキン押出しあるいはチキン鍛造である、請求項 １１記載の方法。
13. １３．金属マトリクスはアルミニウムあるいはその合金である、請求項１記載の 方法。
14. １４．安定化された、軽量金属体体中に分布する、細かく分割された固体安定化 剤粒子を有する金属マトリクスを含み、 またその中に分布する、多くの閉じた、隔離された気孔を有し、マトリクスに含 まれる安定化剤粒子はそのマトリクス金属と閉じた気孔との界面に隣接して濃縮 される軽量金属体。
15. １５．気孔は球形で、その大きさは１０−５００ミクロンの範囲にある、請求項 １４記載の金属体。
16. １６．気孔は、約５０から１００ミクロンの平均距離でそれぞれ互いに間隔があ けてある請求項１５記載の金属体。
17. １７．金属体は滑らかな外表面と、上記間隔のある気孔を有する中心部とを有す る請求項１６記載の金属体。
18. １８．安定化剤粒子が、金属マトリクス複合対中に２５容量％以下の量で存在す る、請求項１６記載の金属体。
19. １９．安定化剤粒子はその大きさが約０．１から５０ミクロンである、請求項１ ８記載の金属物体。
20. ２０．安定化剤粒子はセラミックあるいは金属間化合物粒子である、請求項１９ 記載の金属体。
21. ２１．金属マトリクスはアルミニウムあるいはその合金である、請求項２０記載 の金属体。
22. ２２．安定化剤粒子は金属酸化物、炭化物、窒化物あるいはホウ化物である、請 求項２１記載の金属物体。
23. ２３．約０．３から約１の相対密度を有する、請求項１４記載の金属体。