JPH1046209A - 多孔質アルミニウム焼結材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明は、アルミニウムまたはその合金の
粉末を原料として、単位容積中に占める孔隙又は空隙の
割合、つまり、孔隙率が大きく、例えばフィルタ−、吸
音材、触媒担体、核沸騰材、吸着材、熱交換器などとし
て広く利用できる多孔質Ａｌ焼結材を高い効率で連続的
に製造できる製造方法を提案する。 【解決手段】 アルミニウム粉末とアルミニウム合金粉
末とを混合した原料粉末１中のアルミニウム合金粉末中
には、アルミニウムと反応してアルミニウムの融点より
低い融点の共晶組成を生成する共晶成分が含まれ、この
原料粉末１に６０ｇ／ｃｍ²若しくはそれ以上の圧力を
かけ、非酸化性雰囲気で６００〜６６０℃の温度に少な
くとも１分以上保って加熱焼結する。

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
材の製造方法に係り、詳しくは、アルミニウム（以下、
単にＡｌという。）またはその合金の粉末を原料とし
て、単位容積中に占める孔隙又は空隙の割合（以下、単
に孔隙率という。）が多い多孔質Ａｌ焼結材を高い効率
で連続的に製造できる製造方法に係る。

【０００２】

【従来の技術】金属、セラミック、合成樹脂その他の多
孔質材は産業上種々な分野で利用されている。例えばフ
ィルタ−、吸音材、触媒担体、核沸騰材、吸着材、熱交
換器などとして広く利用され、その利用範囲はきわめて
広い。

【０００３】このように利用範囲が広い多孔質材は、素
材別にみると、セラミック、金属、プラスチック、その
他などに分けられ、用途によって素材が選択されてい
る。更に、製造方法の相違やそれにともなう構造の差か
らみると、種々の多孔質材が提供されている。

【０００４】これら多孔質材の中で、Ａｌ材から成るも
のは、軽量で加工が容易で、その上、十分な機械的強度
を持っており、きわめて広い利用範囲を持っている。Ａ
ｌ材から成るものとして知られている多孔質材の一つ
は、一般に所謂パンチングメタルと云われているもの
で、Ａｌ板の上に多数の貫通孔を形成して多孔質化をは
かったものである。

【０００５】これに対し、Ａｌ材から成る多孔質材の他
は、焼結材から成るものであって、この多孔質材は、Ａ
ｌ粉末粒子間に形成される孔隙が立体的に結合され、無
限に長い流路を持つ構造を持っている。

【０００６】このため、Ａｌ材から成る多孔質焼結体
は、パンチングメタルから成るものに較べると、きわめ
て広い濾過面積を持っていることから、液体などの濾過
に良好な効果が発揮できるほか、消音、吸音などの効果
がみとめられ、消音材、防音材として、産業機材、建
物、道路、更に、高速電車、例えば、新幹線の防音壁な
どに用いられている。

【０００７】このようにＡｌ多孔質焼結材は、消音材ま
たは吸音材としても広く利用され、きわめて広い用途を
持っているのにも拘らず、原料のＡｌ粉末がきわめて酸
化し易いことから、焼結手法による製造は非常に難しい
と云われている。

【０００８】すなわち、銅を素材とする場合には、予
め、焼結前にグリ−ンコンパクトなる加圧体を成形しな
くとも、単に加熱するのみで銅粉末相互間が融着でき容
易に多孔質材が製造できる。しかし、Ａｌやその合金の
粉末は、非酸化性雰囲気、なかでも、還元性雰囲気中で
加熱しただけでは、Ａｌ粉末粒子の表面には硬くかつ高
融点のアルミナ質皮膜におおわれているため、一体に焼
結できず、工業的製品として多孔質材を製造することは
不可能であると云われている。

【０００９】この理由は、Ａｌそのものが非常に酸化し
やすい金属であり、ほとんど酸素を含まない非酸化性雰
囲気中で焼結してもその中に含まれる微量の酸素と結合
し、Ａｌの粉末の表面には、厚くかつ硬い酸化皮膜が生
成し、この酸化皮膜の介在によってＡｌ粉末粒子の間を
互いに融着させることが困難であるからである。

【００１０】このところから、先に、本出願人は、特公
昭５６−１８６４６号公報ならびに特公昭５６−１１３
７５号公報に示す方法を提案し、この方法によって、こ
のような困難な条件が存在するＡｌ又はその合金の粉末
粒子において、十分に高い孔隙率を保ってＡｌやその合
金の粉末を焼結することを行なった。

【００１１】この方法は、実質的にＡｌから成るＡｌ粉
末に対し、例えば、Ｃｕ等の成分がＡｌと共晶する程度
に含まれるＡｌ合金粉末を混合し、Ａｌ合金の融点は共
晶組成で最も低くなるところを利用し、Ａｌ合金粉末を
溶融し、Ａｌ合金粉末の間を結合して焼結する方法であ
る。

【００１２】この方法は、Ａｌ粉末を焼結することによ
って多孔質材を製造することはむづかしい若しくはほと
んど不可能とさえ云われている問題を解決し、その途を
開いたものであり、このようにして製造されたＡｌ多孔
質焼結材は、フィルタ−や吸音材として市場に供せられ
ている。

【００１３】しかしながら、この方法は、Ａｌ粉末を原
料とする多孔質焼結材の製造について、一つの途を開い
たものと云っても、Ａｌ粉末粒子間の結合がそれに配合
するＡｌ合金粉末にのみ依存しているため、得られる多
孔質焼結材の機械的特性、例えば、曲げなどに問題があ
り、工業的に安定して製造する面から云っても、改善す
べき点が多く、その点の改善が強く望まれている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
ところに沿って成立したものであって、具体的には、Ａ
ｌ粉末を原料とし、焼結によりＡｌ多孔質焼結材を製造
するに当って、Ａｌ多孔質焼結材を効率的に製造でき、
しかも、製造されるＡｌ多孔質焼結材は機械的性質にす
ぐれる製造方法を提供する。

【００１５】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明方法
は、アルミニウム粉末とアルミニウム合金粉末とを混合
した原料粉末を焼結して多孔質アルミニウム材を製造す
る際に、この原料粉末中のアルミニウム合金粉末中に
は、アルミニウムと反応してアルミニウムの融点より低
い融点の共晶組成を生成する共晶成分が含まれ、この原
料粉末を炭素質または黒鉛質の成形型内に実質的に加圧
力を加えることなく散布し、その後、この成形型内の原
料粉末に６０ｇ／ｃｍ²若しくはそれ以上の圧力をかけ
るとともに、非酸化性雰囲気で６００〜６６０℃の温度
に少なくとも１分以上保って加熱焼結することを特徴と
する。

【００１６】そこで、これら手段たる構成ならびにその
作用について詳しく説明すると、次の通りである。

【００１７】まず、Ａｌは酸化しやすく、表面のアルミ
ナ質酸化皮膜は焼結を阻害し、焼結が難しい。このた
め、Ａｌ粉末より少なくとも５℃程度以上低い融点を有
するＡｌ合金粉末を添加配合する。

【００１８】なかでも、このＡｌ合金粉末としては、共
晶成分としてＳｉ、Ｃｕ、ＭｎまたはＮｉを配合でき、
これら共晶成分のうちの一種または二種以上を配合する
ことができる。

【００１９】共晶成分の配合量としては、共晶組成で最
も低い融点が生成できるが、実用的に云って、少なくと
も５℃程度の融点の低下をみることができれば、亜共晶
組成や過共晶組成の生成するいずれの範囲にも共晶成分
は配合できる。

【００２０】このようにＡｌ合金粉末を配合して焼結す
ると、Ａｌ粉末同志、Ａｌ粉末とＡｌ合金粉末とは、互
いに強固に結合し、結合部が強固な多孔質材が得られ
る。

【００２１】また、ＡｌまたはＡｌ合金粉末の粒径は一
定の粒径の範囲、なかでも、Ａｌ粉末とＡｌ合金粉末の
粒径が一定の関係に保つことが好ましい。この関係がな
いと、焼結反応がスム−スにいかない。特に、Ａｌ粉末
の周辺に、Ａｌ合金粉末が附着させる状態にし、このよ
うな関係に原料粉末の粒径があるようにすることが必要
である。

【００２２】また、Ａｌ又はその合金の粉末は一定の範
囲の圧力で加圧しながら一定の時間温度管理をしなが
ら、焼結する。このように焼結しないと、工業的に効率
良く多孔質アルミ材を製造することは非常に難しい上、
更に、多孔質焼結材の機械的強度が低下し、孔隙が均一
に分散して形成できない。

【００２３】このような条件で連続で焼結すると、高効
率生産を目指し商業ベ−スで多孔質Ａｌ焼結材を製造で
きる。

【００２４】Ａｌ粉末やＡｌ合金粉末の酸素に対する親
和力は非常に大きい。通常、還元雰囲気であっても、Ａ
ｌ粉末やＡｌ合金粉末の表面には加熱により表面に強力
な酸化Ａｌの被膜が生成し、原料粒子間は互いに融着出
来ない。

【００２５】これは多孔質焼結材を製造する際に問題と
なることであり、とくに、Ａｌ粒子間に孔隙を形成する
多孔質焼結材では、焼結前に加圧によりグリ−ンコンパ
クトを形成することはさけなければならないため、アル
ミナ質の酸化Ａｌの皮膜の介在は問題となる。

【００２６】従って、Ａｌの多孔質材を焼結という方法
によって製造することは技術的に最近までは不可能とさ
れ、高度な技術と精度の高い条件を整えないと製造不可
能であった。

【００２７】本発明ではこの点を徹底的に究明し、工業
生産の可能性を見出したものである。

【００２８】まず、Ａｌ粉末とＡｌ合金粉末との関係で
ある。すなわち、添加すべきＡｌ合金粉末においてＡｌ
とその中の共晶成分とは共晶組成か、または亜共晶組
成、過共晶組成でＡｌアルミの融点より低くなくてはな
らない。

【００２９】添加すべき共晶組成の金属はＡｌと焼結反
応する初期には共晶合金を生成し、その溶融点が低下す
るような濃度勾配を持った濃度となるような濃度の共晶
成分の金属を選定する必要がある。

【００３０】この点、単独でこの条件を満足する金属成
分としてＡｌより融点の低い鉛、錫、亜鉛等が一応考え
られる。しかし、これら金属成分では多孔質Ａｌ材の製
造は難しい。この理由は、この低融点金属成分では耐食
性や機械的強度の劣化が伴われるからである。基本的な
条件としてはなるべくＡｌに近い溶融点の共晶合金が好
ましいことが研究の結果判明した。

【００３１】したがって、この範囲はＡｌより５℃〜１
２０℃低い範囲であることが分かり、このところから云
うと、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕなどが好ましい。

【００３２】また、Ａｌ自身も溶融点近傍で活性化され
た状態でないと製品としての強度も強く、多孔質性も兼
ね備えた製品とはならない。

【００３３】本発明において、Ａｌ合金粉末中の共晶成
分の濃度も一定の範囲にあることが好ましい。

【００３４】すなわち、Ａｌと共晶成分が反応して液状
の共晶組成のものを生成させる必要がある。

【００３５】例えば、Ａｌ−Ｓｉの合金を使用するに際
しては共晶点は１１．７％Ｓｉ−Ａｌであり、使用する
共晶合金は１１．７％以上のＳｉ％を有する合金、例え
ば２７％Ｓｉ−Ａｌ合金を使用すれば、液状の共晶組成
が生成し、多孔質アルミ材の製造が可能である。

【００３６】更に詳しく説明すると、初期の反応とし
て、まずＡｌとこの合金が溶融点近くでＳｉ２０％以上
の組成の合金が生成し、次第にＳｉ％が低下して一番低
い１１．７％Ｓｉの液相が生成する。この液相がＡｌ粒
子間の架橋反応の主柱となり、多孔質材の生成が促進さ
れる。

【００３７】また、Ｃｕ−Ａｌ合金を添加する場合、Ｃ
ｕ−Ａｌ合金では、３３％Ｃｕ−Ａｌが共晶組成である
から、３３％以上のＣｕ合金を使用する必要があり、例
えば、５２％Ｃｕ−Ａｌ合金を使用する。

【００３８】更に、耐食性、加工性をあげるために、添
加元素としてこの液相反応を生成しない金属を添加する
ことも出来る。その例としてはＮｉ、Ｍｎ等が挙げられ
る。前者は加工性、後者は耐食性の向上のためである。

【００３９】次に、Ａｌ粉末に対し、Ａｌ合金粉末は径
が小さいものを用いる必要がある。

【００４０】その径の比率は１：０．５〜１：０．０１
とする。

【００４１】０．５より大であると、焼結の際に架橋反
応が進まず多孔質材の製造が困難である。径の最下限の
０．０１は本来小さい程良いが、経済的にこれ以上に粉
砕する意味がない。例えば、Ａｌ−Ｓｉ合金の場合で
は、１００〜３００μの粒径のＡｌ粉末に対しＡｌ−Ｓ
ｉ合金は１２５μ〜５μのものを使用する。

【００４２】Ａｌ−Ｃｕ合金の例では同じ粒径のＡｌ粉
末に対し径１５０μ〜５０μのＡｌ−Ｃｕ合金粉末を用
いるのが好ましい。

【００４３】このような原料を用いて次に焼結工程に入
るが、この工程で重要なのは還元性雰囲気、加圧力、温
度カ−ブである。

【００４４】焼結時に加圧するのは焼結の促進と一定の
板寸法にするためのほか、気孔度若しくは孔隙率を調整
することである。

【００４５】すなわち、焼結性向上の上からは加圧力を
高めるのが好ましい。しかし、加圧力があまりに大であ
ると、気孔度若しくは孔隙率が低下し、多孔質材ができ
ない。これに反し、あまりに小であると焼結が進行せず
に一定の板寸法に調整することが出来ない。

【００４６】このところから、本発明者はこの点につい
て研究したところ、焼結時に寸法精度が保持される程度
に加圧するときの下限を求めたところ、その下限は６０
ｇ／ｃｍ²であった。６０ｇ／ｃｍ²以下ではその効果が
ない。更に、孔隙率が３０％以上確保でき、形成される
孔隙が均一になるためには、加圧力は５００ｇ／ｃｍ²
以下が好ましい。加圧することによりＡｌ粉末の粒子表
面を活性化することによりＡｌ粉末と添加するＡｌ合金
との焼結反応の促進をはかり、粒子を互いに引っぱりあ
う力を抑制でき、これにより目的とする形状の多孔質材
を製造できる。

【００４７】このように加圧する場合、最も能率の良い
のは板を成形型内に原料粉末を入れ、この成形型を層状
に重ね各々の自重で下に位置する原料粉末を加圧する方
法が最も高能率となる。

【００４８】具体的には、図１に示す。図１に示すよう
に原料粉末１を入れた成形型２を順次に積み重ねる。こ
の様に重ねて単位ロットとし、連続的に焼結炉に入れて
焼結する。このような方法をとると、最も経済的であ
り、全体にわたって焼結時に所定の加圧力が与えられ
る。焼結時の雰囲気は非酸化性雰囲気、なかでも、露点
でいえば−４０℃以下となるように還元性雰囲気の制御
を行なうことが望ましい。

【００４９】すなわち、重ねて焼結を行なうと、全体に
わたって原料粉末の温度を厳密に均一に保持することが
でき、上記雰囲気で６６０℃〜６００℃の温度に少なく
ともＡｌ粉末と添加するＡｌ合金粉末が１分以上保持さ
れる。

【００５０】

【実施例】

実施例１ Ａｌ（純度＝９９．８％、粒径１００〜３００μ）の粉
末を用い、Ａｌ−Ｃｕ合金（５２％Ｃｕ−Ａｌ、粒径１
５０〜５０μ）の粉末をＣｕが３％重量パ−セントとな
るように混合させ、これをカ−ボン製の成形型の上に散
布し、還元雰囲気（水素２０％−窒素、露点−６０℃）
中で６３０℃に５分間保持し、１００℃以下に冷却させ
取り出した。

【００５１】この際の加圧力は２００ｇ／ｃｍ²であっ
て、孔隙率又は気孔率４５％の多孔質Ａｌ焼結材が製造
できた。

【００５２】実施例２ Ａｌ粉末（純度＝９９．８％、粒径１００〜３００μ）
を用い、Ａｌ−Ｓｉ粉末（２６％Ｓｉ−Ａｌ、粒径１２
５μ〜４μ）をＳｉとして１％重量パ−セントとなるよ
うに混合させ、これをカ−ボン製の成形型の上に散布
し、加圧力２５０ｇ／ｃｍ²の状態で還元雰囲気（水素
２０％−窒素）中で６３０℃に１分間保持し、１００℃
以下に冷却させ取り出した。Ａｌ粒子間の孔隙は１００
〜２００μでお互いに連続した孔となった多孔質Ａｌ焼
結材が製造できた。

【００５３】実施例３ Ａｌ粉末（純度＝９９．８％、粒径１００〜３００μ）
を用い、Ａｌ−Ｓｉ粉末（２６％Ｓｉ−Ａｌ、粒径１２
５μ〜４μ）をＳｉとして１％重量パ−セントとなるよ
う、さらに、Ｍｎ粉末（粒径４〜７０μ）を重量パ−セ
ントで１．４％となるよう、混合させ、これをカ−ボン
成形製の型の上に散布し、加圧力６０ｇ／ｃｍ²の状態
で還元雰囲気（水素２０％−窒素）中で６３０℃に５分
間保持し、１００℃以下に冷却させ取り出した。耐食性
として塩水噴霧試験（ＪＩＳ Ｚ２３７１による）を
２，０００時間実施したところ白錆の発生は殆ど見られ
なかった。

【００５４】実施例４ Ａｌ粉末（純度＝９９．８％、粒径１００〜３００μ）
を用い、Ａｌ−Ｃｕ合金（５２％Ｃｕ−Ａｌ、粒径１５
０〜５０μ）の粉末をＣｕが０．４％重量パ−セントと
なるよう、さらに、Ｎｉ粉末（３〜７０μ）を１％とな
るように混合させ、これをカ−ボン製の成形型の上に散
布し、還元雰囲気（水素２０％−窒素）中で６３０℃に
５分間保持し、１００℃以下に冷却させ取り出した。こ
の加圧力は１００ｇ／ｃｍ²とした。このようにして得
られた多孔質Ａｌ焼結材は曲げ加工性が非常に良好でＲ
＝２５ｍｍまで丸め加工が可能であった。

【００５５】

【発明の効果】本発明は、Ａｌ粉末に、Ａｌと反応して
Ａｌの融点より低い融点の共晶組成を生成する共晶成分
が含まれるＡｌ合金を配合し、この原料粉末を炭素質ま
たは黒鉛質の成形型内に実質的に加圧力を加えることな
く散布し、その後、この成形型内の原料粉末に６０ｇ／
ｃｍ²若しくはそれ以上の圧力をかけるとともに、非酸
化性雰囲気で６００〜６６０℃の温度に少なくとも１分
以上保って加熱焼結するものである。

【００５６】このようにして製造されると、容易かつ連
続的に多孔質Ａｌ焼結材が製造でき、得られる多孔質Ａ
ｌ焼結材は、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】本発明方法を実施する実施例の説明図である。

【符号の説明】

１ 原料粉末 ２ 成形型

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウム粉末とアルミニウム合金粉
   末とを混合した原料粉末を焼結して多孔質アルミニウム
   材を製造する際に、 この原料粉末中の前記アルミニウム合金粉末中には、ア
   ルミニウムと反応してアルミニウムの融点より低い融点
   の共晶組成を生成する共晶成分が含まれ、この原料粉末
   を炭素質または黒鉛質の成形型内に実質的に加圧力を加
   えることなく散布し、その後、この成形型内の原料粉末
   に６０ｇ／ｃｍ²若しくはそれ以上の圧力をかけるとと
   もに、非酸化性雰囲気で６００〜６６０℃の温度に少な
   くとも１分以上保って加熱焼結することを特徴とする多
   孔質アルミニウム焼結材の製造方法。
2. 【請求項２】 前記アルミニウム粉末に対して前記アル
   ミニウム合金粉末の粒径を小さくす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の製造方法。
3. 【請求項３】 前記アルミニウム粉末に対し前記アルミ
   ニウム合金粉末は粒径比で１対０．５から１対０．０１
   に調整することを特徴とする請求項１記載の多孔質アル
   ミニウム焼結材の製造方法。
4. 【請求項４】 前記段積みを、前記カ−ボン製型内の原
   料粉末に６０ｇ／ｃｍ²以上の圧力がかかるよう、行な
   うことを特徴とする請求項１記載の多孔質アルミニウム
   焼結材の製造方法。
5. 【請求項５】 前記成形型内の原料粉末に６０ｇ／ｃｍ
   ²若しくはそれ以上の圧力をかけて６００〜６６０℃の
   温度に少なくとも１分以上保って加熱焼結する際に、前
   記成形型を上下に段積みして加圧す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の製造方法。
6. 【請求項６】 前記アルミニウム合金粉末中には、前記
   共晶成分としてＳｉ、Ｃｕ、ＭｎまたはＮｉのうちから
   選ばれた１種または２種以上の成分を含ませて成ること
   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
   の製造方法。
7. 【請求項７】 前記非酸化性雰囲気は還元性雰囲気とす
   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
   焼結材の製造方法。