JPH08325660A

JPH08325660A - 多孔質アルミニウム焼結材

Info

Publication number: JPH08325660A
Application number: JP7156778A
Authority: JP
Inventors: Hiroo Wakiyama; 裕夫脇山; Hiroyoshi Kikuchi; 宏佳菊地; Takeshi Sakai; 武志坂井
Original assignee: NDC Co Ltd; Nippon Dia Clevite Co Ltd
Current assignee: NDC Co Ltd; Nippon Dia Clevite Co Ltd
Priority date: 1995-05-31
Filing date: 1995-05-31
Publication date: 1996-12-10
Also published as: US5788737A

Abstract

(57)【要約】【目的】アルミニウムまたはその合金の粉末粒子間の
孔隙が連通されて連通孔が形成され、高速電車、自動車
や産業機器からの騒音を効果的に吸音できる上に、機械
的特性に優れ、多孔性と十分な濾過面積が必要とされる
濾過材や、吸着材等に好適な多孔質アルミニウム焼結材
を提案する。【構成】アルミニウムまたはその合金から成るベ−ス
粉末１、１の間に、無限に屈曲する連通孔を形成する孔
隙３が形成される多孔質アルミニウム焼結材において、
ベ−ス粉末１、１の間は、アルミニウムより高融点を持
ってアルミニウムとの間で共晶反応する共晶元素を共晶
点以上含み残部が実質的にアルミニウムからなり、しか
も、組織が過共晶組織からなる橋絡部２によって、互い
に連絡され結合される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は多孔質アルミニウム焼結
材に係り、詳しくは、アルミニウムまたはその合金の粉
末粒子の間に孔隙が形成され、この孔隙が連通されて連
通孔が形成される多孔質アルミニウム焼結材であって、
高速電車、自動車や産業機器からの騒音を効果的に吸音
できる上に、機械的特性に優れ、多孔性と十分な濾過面
積が必要とされる濾過材や、吸着材等に好適な多孔質ア
ルミニウム焼結材に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、種々の金属多孔質材が提案さ
れている。金属多孔質材は、多数の孔隙を有する構造を
持つところから、この構造的特性を利用して、騒音など
を吸収する吸音材、溶液中に溶存する溶存物などを濾過
する濾過材、更に、多数の孔隙の内壁面に悪臭物などを
吸着する吸着材などに利用されている。

【０００３】これら金属多孔質材のうちで、きわめて容
易に製造でき安価で経済性に優れるところから、アルミ
ニウム（以下、Ａｌという）やその合金（以下、Ａｌ合
金という。）の金属板に多数の真直ぐな貫通孔を形成し
た多孔質材、所謂、パンチングメタルが提案されてい
る。

【０００４】パンチングメタルは、多数の貫通孔を音が
通る間に、音の持つエネルギ−が失なわれるため、ある
程度の吸音効果が達成できる。

【０００５】また、パンチングメタルは、Ａｌ又はＡｌ
合金の板材から成るため、所望の機械的強度を持ち、そ
の上で、所望の形状に加工し易く、軽量である。このた
め、広く一般に用いられている。

【０００６】しかし、パンチングメタルで吸音される範
囲は、低周波数、例えば、１００Ｈｚ程度の音に限ら
れ、高周波数、例えば、５００Ｈｚ又はそれ以上の音は
吸収できない。

【０００７】最近の産業の発達から、種々の騒音源が生
れている。ちなみに、所謂、新幹線で代表される高速電
車乃至高速鉄道は、きわめて速い速度で走行するため、
走行にともなって高周波数（例えば、５００〜２０００
Ｈｚ）の音が発生し、新しい騒音源になっている。

【０００８】高速道路網の発達、整備の上から、高速自
動車により、新しい騒音源が生まれ、更に、住宅の密集
のため、マンションなどの騒音、公会堂やイベントホ−
ルなどからの騒音などの問題が発生する。

【０００９】このように発生する騒音は、きわめて周波
数の高い音が混在し、この騒音を除去するのには、従来
例のパンチングメタルなどではその目的が達成できな
い。

【００１０】このところから、金属多孔質材、なかで
も、ＡｌまたはＡｌ合金の粉末を焼結した多孔質Ａｌ焼
結材から成る吸音材が提案されている（特公昭５６−１
８６４６号公報ならびに特公昭５６−１１３７５号公報
参照）。

【００１１】この多孔質Ａｌ焼結材は、Ａｌ粉末に対し
Ａｌ−Ｃｕ合金粉末を添加し、実質的に無加圧状態で成
型してから、水素雰囲気中において、Ａｌ粉末の融点よ
り１０℃以下低い温度で焼結し、Ａｌ粉末間に孔隙を残
して、容積比で孔隙率３０％以上の孔隙を形成して成る
ものである。

【００１２】骨格を成すＡｌ粉末に介在するＡｌ−Ｃｕ
合金粉末は、通常、融点の低い共晶組成（Ｃｕ３３％内
外）のものが用いられる。このＡｌ−Ｃｕ合金粉末は、
焼結時に加熱溶融されると、骨格を成すＡｌ粉末間に拡
散し消失し、その部分に孔隙が形成される。

【００１３】しかし、焼結前に加圧し圧粉体を形成する
と、例えば、３０％程度に孔隙率を高めることがむづか
しく、この程度の孔隙率がないと、吸音材としての機能
が発揮できないと考えられる。

【００１４】このため、焼結前にほとんど加圧すること
がなく、焼結材としての機械強度などの機械的性質を左
右する圧粉体を形成することができない。

【００１５】このため、従来例の多孔質Ａｌ焼結体は機
械的強度などが劣り、更に、骨格を成するＡｌ粉末相互
間の直接結合に依存して一体に焼結されるために、焼結
材の機械的強度などの機械的性質は焼結条件に左右さ
れ、高い歩留りのもとで、機械的性質に優れかつ均一な
Ａｌ焼結体を得ることができない。

【００１６】このように従来例の多孔質Ａｌ焼結材は、
Ａｌ粉末間に形成される孔隙が連らなって形成される連
通孔が無限に屈曲し、しかも、その長さは無限大に近い
ほど長い。このため、金属多孔質材として代表的な所謂
パンチングメタルに較べると、従来例の多孔質Ａｌ焼結
材は、例えば、１０００Ｈｚ内外のような高い周波数の
音でも高い吸音率で吸音でき、材質もＡｌ又はその合金
であるため、きわめて軽量で、用途も広い。

【００１７】しかし、このような利点があるのにも拘ら
ず、従来例の多孔質Ａｌ焼結材は引張り強度、靭性、曲
げ強度が劣り、これを用いて曲げその他の加工ができな
い欠点を持っている。

【００１８】なお、吸音材として、Ａｌなどの多孔質焼
結材のほかに、グラスウ−ルと呼ばれるガラス繊維や、
高炉スラグを処理してスラグウ−ル、更に、Ａｌやその
合金に発泡などの処理をほどこしたＡｌ繊維などが用い
られている。

【００１９】これら吸音材は多数の空所を持つとともに
各空所には空気などが存在するため、吸音効果は良好で
ある。しかし、定形性がほとんどなく、施工作業のとき
や、使用による経事変化によって、繊維が飛び易く、健
康などの面からも好ましくない。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記欠点の解
決を目的とし、具体的には、Ａｌまたはその合金の粉末
粒子の間に形成される孔隙が連続的に連らなって成る多
数の連通孔を具える多孔質Ａｌ焼結材において、これら
粉末粒子間の結合部の機械的強度を高めると共に、曲げ
などの機械的加工性にもすぐれる多孔質Ａｌ焼結材を提
案する。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る多孔質Ａｌ
焼結材においては、（ａ）、この焼結材の骨格は、Ａｌ粉末粒子またはＡｌ
合金粉末粒子のほかに、これら粉末粒子の間を連絡する
橋絡部から構成する。（ｂ）、この橋絡部は、ＡｌのほかにＡｌと共晶反応す
る元素（以下、共晶元素という。）とから成って、この
共晶元素を共晶組成より過剰に含んだ過共晶組織から構
成する。（ｃ）、Ａｌと共晶反応する共晶元素は、Ｓｉ、Ｎｉ、
ＭｎまたはＣｕのうちの１種または１種以上とする。（ｄ）、橋絡部は、初晶として凝固する硬い共晶元素と
Ａｌの金属間化合物を中心として、その周囲にＡｌリッ
チな固溶体と共晶元素ならびにＡｌの化合物との共晶組
織が凝固されて囲む組織であって、この組織の共晶組織
が連続する構造から成っている。

【００２２】すなわち、本発明に係る多孔質Ａｌ焼結材
は、アルミニウムまたはその合金から成るベ−ス粉末の
間に、無限に屈曲する連通孔を形成する孔隙が形成され
る多孔質Ａｌ焼結材において、ベ−ス粉末の間は、融点
を持ってアルミニウムとの間で共晶反応する共晶元素を
共晶点以上含み残部が実質的にアルミニウムからなり、
しかも、組織が過共晶組織からなる橋絡部によって、互
いに連絡され結合されることを特徴とする。

【００２３】そこで、これら手段たる構成ならびにその
作用について、図面によって更に具体的に説明すると、
次の通りである。

【００２４】なお、図１は、本発明の一つの実施例に係
る多孔質Ａｌ焼結材の構造の一部を拡大して示す説明図
である。

【００２５】図２は、図１に示す多孔質Ａｌ焼結材の橋
絡部の組織を模式的に示す説明図である。

【００２６】図３は、図２に示す橋絡部の一つの組織に
おいて初晶組織や共晶組織の析出態様を断面で示す説明
図である。

【００２７】図４は、比較例の橋絡部の一つの組織にお
いて図３と同様に示す初晶組織と共晶組織の析出態様を
断面で示す説明図である。

【００２８】図５は、図２に示す橋絡部の長さ方向の共
晶元素の濃度分布を、図４に示す比較例の橋絡部と併せ
て、示すグラフである。

【００２９】図６は、図２に示す橋絡部の焼結前の状態
を示す説明図である。

【００３０】図７は、ＡｌとＡｌと共晶反応する共晶元
素との状態図である。

【００３１】まず、図１において、符号１はＡｌまたは
Ａｌ合金の粉末粒子（以下、ベ−ス粉末という。）２は
これらベ−ス粉末１を連結する橋絡部、３はベ−ス粉末
２の間に形成される孔隙を示す。

【００３２】図１に示すように、ベ−ス粉末１の間には
孔隙３を形成し、これら孔隙３は連通して無限に屈曲す
る連通孔を形成する一方、ベ−ス粉末１の間は積極的に
橋絡部２によって連結して一体化する。このようにベ−
ス粉末１間を直接接触させて結合させることなく、橋絡
部２を介在させ、橋絡部２について、次の通りに構造的
に改善をはかると、機械的強度が高められるほか、靭性
も向上する。

【００３３】すなわち、橋絡部２はほとんど液相焼結を
利用して形成される。橋絡部２は、図１に示すように連
結させるＡｌやＡｌ合金のベ−ス粉末１より細く、ベ−
ス粉末１に比べると、機械的強度が不足し、更に、端部
の結合部分は応力の集中も受け易い。このため、橋絡部
２が脆弱であると、その他の部分、つまり、ベ−ス粉末
１がどのように強化されていても焼結材全体としては機
械的特性の向上は望めない。

【００３４】そこで、本発明に係るＡｌ焼結材では、機
械的特性を向上させる上から、Ａｌ若しくはＡｌ合金の
ベ−ス粉末同士を結合させるために、橋絡部２を形成
し、この橋絡部２の機械的特性を向上させる。

【００３５】換言すると、Ａｌと共晶反応する共晶元素
またはそれを含む合金を添加して橋絡部２を形成し、そ
れの凝固組織が焼結体の特性、特に、ベ−ス粉末１同士
を結合させている橋絡部２の特性に大きな違いを及ぼす
という新規事実に着目して、本発明は成立する。

【００３６】更に詳しく説明すると、溶質する共晶元素
が同じであって、Ａｌとの量的な組合わせで、亜共晶と
過共晶では初晶と共晶の組合わせが相違する。すなわ
ち、図７はＡｌと共晶元素（一般的にＭと示す）の状態
であって、共晶元素ＭをＣｕとして、例えば、Ａｌ−Ｃ
ｕ合金系では、亜共晶組成（仮りに、図７のｃ組成とす
る。）だとすると、図４に示すように、初晶として、Ａ
ｌリッチで柔らかい結晶２１が最初に凝固析出する。そ
の次に、この結晶２１の周囲にＡｌリッチの固溶体２２
とＣｕＡｌ₂のような金属間化合物２３から成る共晶が
凝固し、柔らかい初晶２１の周囲がこのような共晶組成
によっておおわれる。

【００３７】一方、過共晶組成（仮りに、図７のｄ組成
とする。）だとすると、最初に、初晶として、ＣｕＡｌ
₂のような金属間化合物２３が凝固し、その次に、その
周囲に、ＣｕＡｌ₂のような金属間化合物２３とＡｌリ
ッチな固溶体２２とから成る共晶が凝固析出する（図３
参照）。

【００３８】この場合、上記のような凝固析出に関与す
る共晶元素は、Ａｌより高融点でかつアルミと共晶反応
する元素は、より高融点である。このため、焼結時に、
Ａｌが軟化する高温時でもＡｌより硬く、高強度であ
る。

【００３９】従って、図４に示すような亜共晶の橋絡部
であると、凝固中心よりその周囲が硬くなるのに対し、
図３に示すような過共晶の橋絡部２であると、凝固中央
よりその周囲の方が柔らかくなる。

【００４０】更に、両者の共晶部分を比べると、本発明
のように過共晶組成時の共晶の方が、亜共晶組成の共晶
よりも硬いＣｕＡｌ₂などの金属間化合物の相が共晶部
分に占める割合が多くなり、橋絡部２は硬質高強度とな
る。

【００４１】従って、本発明のように、過共晶組成とし
て橋絡部２を構成した場合には、多孔質Ａｌ焼結材は強
度は確保されかつ大きい変形は周囲に連続した靭性のあ
る共晶組織が柔軟に受け持ち、曲げなどの加工性も向上
する。

【００４２】図５は共晶元素の橋絡部の長さ方向の濃度
分布を示し、なかでも、（イ）は本発明のような過共晶
組成、（ロ）は比較例の亜共晶組成を示す。図５に示す
ように過共晶組成の方が亜共晶組成に比べ溶質する共晶
元素が高濃度のため降伏強さは大きく、かつ、液相焼結
時濃度勾配が大きくなる。このため、Ａｌやその合金の
ベ−ス粉末１は、本発明のような過共晶の場合には進
み、ベ−ス粉末１との結合強度も向上する。

【００４３】本発明では、Ａｌ若しくはその合金のベ−
ス粉末相互間を結合させている橋絡部２がＡｌより高融
点でかつＡｌと共晶反応する共晶元素の過共晶組織を有
する組織に構成とする。更に具体的に示すと、焼結が共
晶温度以上で行なわれると、機械的強度に優れる共晶元
素が凝固核として最初に凝固して中心部を形成し、次
に、その中心部を包むように周囲に共晶組織が凝固析出
する。この共晶組織は、核になる中心部よりも靭性に富
む。

【００４４】また、このように機械的強度に優れる中心
部を共晶組織が集合して、橋絡部が形成され（図２参
照）、個々の各組織において、それぞれの共晶組織は別
の共晶組織と連続的に結合している。このため、橋絡部
全体は靭性に富む共晶の基地中に硬度・強度に優る初晶
が微細に散在する理想的な組織となる。

【００４５】多孔質Ａｌ焼結材において橋絡部がこのよ
うな組織形態を有するため、強度は、ベ−ス粉末より高
く靭性も確保でき、曲げ加工性問題も解決される。

【００４６】そこで、Ａｌより高融点でかつＡｌと共晶
反応する元素、つまり、橋絡部形成に関与する共晶元素
については、表１に示すＳｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｕが好ま
しい。

【００４７】また、これら共晶元素はベ−ス粉末に対し
て単味で添加するのに較べて、Ａｌとの合金粉として添
加するのが望ましい。このようにＡｌとの合金粉として
添加すると、焼結時の液相焼結によって、先にのべた組
織の橋絡部が形成できる。

【００４８】

【表１】

【００４９】このように橋絡部をＡｌとの合金粉として
添加し、この合金粉を液相焼結させて形成する場合に
は、次の組成のＡｌ合金粉を用いるのが好ましい。

【００５０】共晶元素の下限は、表１に示すような共晶
点の組成になるが、上限は、共晶の一つとしてＡｌと固
溶体を形成する限度から決められる。

【００５１】例えば、Ｓｉの融点はＡｌの融点６６０℃
より高い１４３０℃である。Ａｌとの間で１１．７％Ｓ
ｉ組成で５７７℃の共晶反応を示す。したがって、Ａｌ
との間でＳｉは共晶点の１１．７％以上含まれているこ
とが必要で、Ｓｉは１５．０％以上含まれていることが
好ましい。更に、上限としては、Ｓｉのみでは高融点で
あり、液相焼結にならないのでＳｉ１００％は含まな
い。

【００５２】また、Ｃｕの共晶点は３３％であるが、５
２．５％Ｃｕをこえると、共晶の一つとしてＡｌとの固
溶体が形成できず、とくに、これを超すと硬質の金属間
化合物が形成され、共晶組織が金属間化合物同志のもの
となって好ましくない。

【００５３】すなわち、共晶組織において、金属間化合
物同志の共晶は硬質であるが粘性がなく、破断に対して
は脆弱である。

【００５４】これに対し、本発明は、橋絡部として、一
部が靭性に富むＡｌ固溶体から成る共晶組織であり、こ
の組織が得られないと、本発明の目的が達成されない。

【００５５】過共晶範囲内での組成は焼結材に必要とさ
れる機械的特性により任意に選定される。例えば、機械
的強度が曲げ加工性より重視される平板状材料では共晶
元素の含有量の多い過共晶組成は適するし、逆に、強度
より曲げ加工性が重視される小物の筒状焼結材では共晶
成分に近い過共晶組成が選ばれる。

【００５６】この目的から云って、Ｓｉは１５〜８０
％、Ｎｉ６〜４２％、Ｍｎ３〜２０％、Ｃｕ３５〜５２
％が好ましい。

【００５７】また、共晶元素をＡｌ合金として配合する
場合に、その配合量は必要とされる孔隙率によって選定
される。配合量が多くなれば液相量が増加し、焼結が進
むので空隙率は少なくなる傾向を示す。この点、橋絡部
が仮りに亜共晶組成で構成する場合には、強度が劣るた
めに、強度を確保するには橋絡部を太くする必要があ
り、配合量を多くしなければならない。このようにする
と、液相量が過大になって、吸音材や濾過材等に必要な
通気性のある孔隙率の確保が困難となる。

【００５８】

【実施例】次に、実施例について説明する。

【００５９】表２に示す組成、粒度、配合量で、ベ−ス
粉末と共晶元素を含む橋絡形成用Ａｌ合金粉末を混合
し、その後、表３に示す焼結条件で焼結した。

【００６０】その結果、表３に示す特性を持つ多孔質Ａ
ｌ焼結材を得た。

【００６１】なお、表２ならびに表３の試料番号２１、
２２、２３の各焼結材は比較例である。とくに、試料番
号２１はＡｌ−Ｃｕ合金が共晶組成であり、２２は亜共
晶組成であり、２３は過共晶の上限を超えた組成のもの
である。

【００６２】

【表２】

【００６３】

【表３】

【００６４】このように得られたＡｌ焼結材について、
機械的特性、孔隙率、吸音率をしらべたところ、表３に
示す通りであった。

【００６５】曲げ性は、所定の外径の丸棒に巻きつけた
時の２．５ｍｍ厚の焼結材に割れの発生しない最小曲率
を示し、小さいほど曲げ加工性が優れる事を示す。

【００６６】吸音率は、焼結材の背後に５０ｍｍの空気
層を配置して１０００〜１６００Ｈｚの音の垂直入射吸
音率を示す。

【００６７】試料番号１、２、３は比較例の試料番号２
１、２２、２３と比べて引張り強度と吸音率が向上し、
曲げ加工性が著しく向上している。

【００６８】試料番号４は比較例の試料番号２１、２
２、２３と比べて引張り強度が著しく向上し、曲げ加工
性と吸音率は同等以上を確保している。

【００６９】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明に係
るＡｌ焼結材では、Ａｌ又その合金のベ−ス粉末の間を
連絡結合する橋絡部を形成し、この橋絡部がＡｌより高
融点でかつＡｌと共晶反応する共晶元素を共晶点以上含
んだ過共晶組織から成っている。

【００７０】このため、このＡｌ焼結材であると、機械
的強度が確保でき、従来問題とされていた曲げ加工性が
向上させることができ、更に、橋絡部そのものを細くで
きるために、孔隙率を高めることができる。したがっ
て、高速電車や自動車などや産業機器の吸音材や濾過
材、吸着材等に好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一つの実施例に係る多孔質Ａｌ焼結材
の構造の一部を拡大して示す説明図である。

【図２】図１に示す多孔質Ａｌ焼結材の橋絡部の組織を
模式的に示す説明図である。

【図３】図２に示す橋絡部の一つの組織において初晶組
織や共晶組織の析出態様を断面で示す説明図である。

【図４】比較例の橋絡部の一つの組織において図３と同
様に示す初晶組織と共晶組織の析出態様を断面で示す説
明図である。

【図５】図２に示す橋絡部の長さ方向の共晶元素の濃度
分布を、図４に示す比較例の橋絡部と併せて、示すグラ
フである。

【図６】図２に示す橋絡部の焼結前の状態を示す説明図
である。

【図７】ＡｌとＡｌと共晶反応する共晶元素との状態図
である。

【符号の説明】

１ベ−ス粉２橋絡部３孔隙

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウムまたはその合金から成るベ
−ス粉末の間に、無限に屈曲する連通孔を形成する孔隙
が形成される多孔質アルミニウム焼結材において、前記ベ−ス粉末の間は、アルミニウムより高融点を持っ
てアルミニウムとの間で共晶反応する共晶元素を共晶点
以上含み残部が実質的にアルミニウムからなり、しか
も、組織が過共晶組織からなる橋絡部によって、互いに
連絡され結合されることを特徴とする多孔質アルミニウ
ム焼結材。
【請求項２】前記共晶元素が、１１．７％をこえて１
００％未満のＳｉ、５．７％をこえて４２．０％以下の
Ｎｉ、２．０％をこえて２５．３％以下のＭｎまたは３
３．０〜５２．５％のＣｕのうちの１種または１種以上
から成ることを特徴とする請求項１記載の多孔質アルミ
ニウム焼結材。
【請求項３】前記過共晶組成が、前記共晶元素とアル
ミニウムの化合物からなる中心部とその周囲をかこむ共
晶組成とからなる単位組織の集合から成って、この共晶
組成の一つは、前記共晶元素がアルミニウムに固溶した
固溶体から成ることを特徴とする請求項１または２記載
の多孔質アルミニウム焼結材。
【請求項４】前記各単位組織において、周囲の共晶組
織が各単位組織間で結合し連結されて成ることを特徴と
する請求項１、２または３記載の多孔質アルミニウム焼
結材。