JPH1088254A - ポーラス金属の製造方法 - Google Patents

ポーラス金属の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 強度、加工性、切削性も良好な金属のポーラ
ス材を提供する。 【解決手段】 等圧気体雰囲気下における金属−ガス系
状態図が共晶点を有する金属を、加圧されたガス雰囲気
下に溶融して凝固させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、ポーラス金属の
製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この発
明は、触媒材料、水素吸蔵合金、防震材料、衝撃緩衝
材、電磁波シールド材、自動車等の各種の機械部品、消
音器装置、フィルター、自己潤滑性ベアリング、熱交換
器、電解セル、液体分離器、ロケットジェットエンジン
のセラミックスサポート、宇宙材料の軽量パネル、水の
純化のための酸素処理器などに有用な、ポーラス金属の
製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】従来より、シラスポーラスガ
ラスや、セルメット、アルポラスなどの製品等として、
無機質や金属のポーラス(多孔質)材の各種のものが知
られており、これらのポーラス材の利用分野も多岐にわ
たっている。しかしながら、当然にもポーラスガラスは
金属に比べて強度や加工性、成形性が極端に劣り、また
発泡樹脂に金属を充填しているセルメットの場合や水素
ガスによる発泡法を利用しているアルポラスの場合は、
適用金属が限定され、多くの金属への応用は不可能とな
っている。
【0003】一方、粉末冶金焼結法や溶解鋳造プロセス
においてもポーラス(多孔質)な組織が生成されるが、
これらの場合には、ポーラス組織は、成形加工、圧延プ
ロセスにおけるクラックの発生源になるなどの理由で、
材料の機械的性質や機能的特性を著しく損なわせる有害
なものと扱われてきた。ポーラス(多孔質)材は、各種
の機械部品や軽量構造パネル、防震材、消音材、電磁波
シールド材、水素吸蔵合金、触媒、ベアリング、熱交換
器、電解セル等の広範囲な分野に応用され、さらに様々
な分野での用途の拡大が期待されているにもかかわら
ず、上記のとおり、特に金属ポーラス材としては、強
度、加工性、成形性などの点で、満足な結果が得られて
いないため、従来の製品では、その応用の範囲を広げる
ことができないでいる。
【0004】そこで、この発明は、以上のような従来技
術の問題点を解消し、加工性、成形性、切削性などに優
れた金属ポーラス材を実現することのできる、新しい手
法によるポーラス金属の製造方法を提供することを目的
としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、等圧気体雰囲気下における金属
−ガス系状態図が共晶点を有する金属を、加圧されたガ
ス雰囲気下に溶融して凝固させることを特徴とするポー
ラス金属の製造方法を提供する。
【0006】
【発明の実施の形態】この発明は、等圧気体雰囲気下に
おける金属−ガス共晶反応を利用して、ポーラス金属を
製造するものである。そして、この発明では、ポア
(孔)の形態、大きさを制御したポーラス金属を提供す
る。さらに詳しく説明すると、図1に示すように、ある
等圧下で金属−ガス系状態図が共晶点を有するとき、そ
の共晶反応(L(液体)→α+G(気体))により、気
体状のラメラ−組織が凝固過程中に金属内に生成され
る。このことによってポーラス金属が生成されることに
なる。つまり、この発明では、金属−ガス共晶反応とし
て、ガス原子が溶融状態の金属に溶け込み、固体状態の
金属には溶け込まないことを利用する。ガスを溶かし込
んだ溶融状態の金属を冷却すると、ガスは金属材料内部
で気泡となり、均一な大きさのポア(孔)をもつポーラ
ス金属が生成される。
【0007】実際には、この発明の製造法では、常圧か
ら高圧に至るまでに加圧されたガス雰囲気において金属
を溶融し、凝固する。この場合、溶融および凝固は、鋳
造法や、チョクラルスキー法、改良チョクラルスキー法
等の引き上げ法等により行うことができ、ガスについて
も、たとえば、水素や酸素、不活性ガス等の比較的取扱
いや入手が容易で、しかも金属との相関性が良好なガス
の任意のものが用いられる。もちろん、このガスの種類
の選択は、金属の種類との関係において、等圧気体雰囲
気下における金属−ガス系状態図が共晶点を持たねばな
らない。
【0008】水素および酸素は、利用されるガスとして
代表例として示されるもので、これらは単独で用いても
よいが、アルゴン(Ar)等の不活性ガスと混合して用
いることで、後述のように、ポア(孔)の制御を容易と
するという利点もある。図2(a)(b)(c)は、こ
の発明の製造法の方式として、鋳型への鋳造と引き上げ
による方法とを例示したものである。
【0009】たとえば鋳造法においては、たとえば図2
(a)(b)の装置が20気圧程度までの高圧ガス容器
内に置かれており、金属は、溶解るつぼ(2)内におい
て溶解用高周波コイル(1)で加熱されて溶融され、開
閉弁(3)を通じて、水冷却部(5)により冷却された
鋳型(4)内に鋳込まれる。そして冷却により、凝固さ
れてポーラス金属(6)が生成される。
【0010】また、引き上げ法においては、同様に、図
2(c)の装置が高圧ガス容器内に置かれており、金属
が溶解るつぼ(2)内で高周波コイル(1)によって溶
解され、引き上げ用金属棒(7)により引き上げられて
凝固されたポーラス金属が生成される。たとえばこのよ
うな方式において、ガスの種類やガス圧、あるいは凝固
速度を変えることによって、さらには、温度勾配を負荷
することによって共晶反応生成ガスに由来するポア
(孔)の形態や大きさを制御することができる。可能な
形態としては、図3に示すように(a)ランダム分布の
球状ポア、(b)中心方向に向いた針状ポア、(c)母
線と平行なハス状ポア、さらには、ハス状の不連続ポ
ア、渦巻き状ポア等々が例示され、これらのポアからな
る層は、非ポーラス層との多層構造とすることもでき
る。
【0011】これらのポアの形態については、透過型ポ
ーラス金属としての中心方向に向いた針状ポアや、母線
と平行なハス状ポア(貫通型)などを有するものは、血
液ろ過フィルター、空気浄化、触媒担体、構造材料の軽
量化、電池、電極、乳化製品の構造に利用され、非透過
型ポーラス金属としてのランダム分布のポア、母線と平
行なハス状ポア(不貫通型)、渦巻き状ポアなどを有す
るものは、構造材料の軽量化、吸音材、建材、音響機
器、電磁波シールド材に利用されることになる。
【0012】なお、ガスの圧力は、対象とする金属の種
類、目的とするポア(孔)の形状や大きさに応じて、た
とえば数気圧〜数十気圧等の範囲で適宜に選択されるこ
とになる。金属は、当然にも合金であってもよい。この
発明は、金属−ガス共晶反応を起こす金属または合金系
すべてに適用できる点で画期的であり、また、製造され
るポーラス金属は、共晶組織であるため、加工性、成形
性、切削性などに優れている。
【0013】さらに、種々の形態を有するポーラス金属
の複合化を行い、付加価値を高めることが考えられる。
たとえば、ポーラス金属に高温ガス浸炭などを施し、ポ
ア内壁の硬化や強化を図ること、ポア内部に異種材料を
充填して複合材料を作製することなどがあげられる。こ
のような処理を行うことにより、ポーラス化によって生
じるマイナスの効果としての劣化を阻止するばかりでは
なく、バルク材よりもさらに優れた特性を持つ材料を開
発することができる。
【0014】以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発
明の実施の形態について説明する。
【0015】
【実施例】
(実施例1)Ag−O系の等圧雰囲気下での状態図から
は、931℃でAg─Oの共晶点を有し、溶融状態で
は、Agは多量の酸素を吸収するが、931℃以下では
凝固して銀と酸素の2相に分離することと、銀中には室
温ではほとんど酸素が固溶しないことがわかる。
【0016】そこで、100気圧までの耐圧を持つ高圧
高周波溶解装置を用いて、図2(c)に沿った改良型チ
ョクラルスキー法によって0.1MPaから11MPa
までの酸素雰囲気中でAgの溶解・凝固を行った。自然
放冷で、0.1mm/sec〜1mm/sec程度の条
件とした。純銀(99.99%)を0.1MPa(1気
圧)の酸素下で溶解すると、るつぼの中の溶融銀面に
は、多数の斑点が見られる。これは酸素が吹き出してい
るために生じたものである。また、上方に引き上げつつ
ある凝固銀の棒状表面は、酸素が吹き出して凝固したざ
らざらな形跡を示していた。
【0017】同様にして、0.6MPaおよび1.1M
Paの酸素圧下で引き上げて銀試料を作製した。これら
の場合の試料を比較してみると、0.1MPaではAg
表面は比較的滑らかであるが、0.6MPaおよび1.
1MPaでは、溶岩石のように表面がでこぼこになって
いることが観察される。一方、比較のために、全圧が
1.1MPaとなるように、0.55MPaの酸素と
0.55MPaのアルゴンとの混合ガスの加圧雰囲気下
では、ほぼ同じ酸素圧でありながら、0.55MPaの
未反応のアルゴンガスが加圧された場合、インゴット表
面が滑らかになっていることが特筆される。これは、
0.55MPaの未反応のアルゴンガスが負荷されたこ
とによって、凝固時の酸素の吹き出しが抑制されたもの
と考えられる。
【0018】このようにして作製されたポーラス銀の試
料を放電加工機によって歪みを生じさせないようにして
切断した。図4および図5は、各々、0.1MPaの酸
素加圧下で製造したポーラス銀の上部分のロッドの横断
面と縦断面を走査電子顕微鏡によって観察したものであ
る。この図4および図5からもわかるように、引き上げ
方向、すなわち凝固方向にポアが成長しており、ポアは
直径200μmから数100μmに及ぶ大きなポアと直
径50〜100μm程度の小さいポアの2種類から成っ
ている。また、ポアの長さは250〜1500μmであ
った。ところが、0.55MPaの酸素と0.55MP
aのアルゴンとの混合ガスの下では、図6に、同様部位
の横断面の走査電子顕微鏡像を示したように、直径50
〜200μmの均一サイズのポアが生成されていること
がわかる。実用的にはポアのサイズが均一であることが
望まれるので、この1.1MPaの混合ガスの下での凝
固のほうがポーラス銀の生成には好ましいとも考えられ
る。
【0019】もちろん、この発明は、以上の例によって
限定されるものではない。細部において様々な態様が可
能である。
【0020】
【発明の効果】以上詳しく説明したとおり、この発明に
より、軽量化構造材料、宇宙航空材料、多孔性を利用し
た触媒、防震材、消音材、フィルター、ベアリング、熱
交換器、電解セル等への種々の広範な用途を開くことが
でき、金属質材料としての強度、加工性、切削性等の特
性にも優れた、新しいポーラス金属の製造が可能とな
る。
【0021】この製造においては、鋳造や引き上げ法等
の手段を用いることができ、簡便な製造が可能とされ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の基本原理としての金属−ガス系状態
図を例示した関係図である。
【図2】(a)(b)(c)は、各々、この発明の方法
のための装置として高圧容器内に取り付けられる装置を
例示した概略図である。
【図3】(a)(b)(c)は、各々、種々のポアの形
態について例示した概念図である。
【図4】0.1MPaの酸素下でのポーラス銀の上部分
のロッドの横断面を示した図面に代わる走査電子顕微鏡
写真である。
【図5】図4に対応する縦断面を示した図面に代わる走
査電子顕微鏡観察写真である。
【図6】0.55MPaの酸素と0.55MPaのアル
ゴンとの混合ガス下で作製されたポーラス銀の横断面を
示した図面に代わる走査電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
1 熔解用高周波コイル 2 熔解るつぼ 3 開閉弁 4 鋳型 5 水冷却部 6 試料 7 引き上げ用金属棒状試料

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 等圧気体雰囲気下における金属−ガス系
    状態図が共晶点を有する金属を、加圧されたガス雰囲気
    下に溶融して凝固させることを特徴とするポーラス金属
    の製造方法。
  2. 【請求項2】 鋳造法において溶融および凝固させる請
    求項1の製造方法。
  3. 【請求項3】 引き上げ法において溶融および凝固させ
    る請求項1の製造方法。
  4. 【請求項4】 ガスが水素、酸素または不活性ガスであ
    る請求項1ないし3のいずれかの製造方法。
  5. 【請求項5】 ガスが水素または酸素と不活性ガスとの
    混合ガスである請求項1ないし3のいずれかの製造方
    法。
  6. 【請求項6】 急冷凝固させる請求項1ないし5のいず
    れかの製造方法。
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