JPS6049703B2 - 通気性金属材料の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は通気性金属材料の製造方法に関し、さらに詳し
くは、溶剤可溶性無機化合物の焼結体を用いて、機能性
材料として優れた性質を有する気孔率の高い通気性金属
材料を製造する方法に関するものである。

一般に多孔質金属は、その中に含まれる気孔の存在形態
によつて独立気孔型と連続気孔型に分けられ、独立気孔
型は通気性がないが、連続気孔型゜は気孔が外気に通じ
ているため通気性を有している。

この連続気孔型の通気性金属は、高機能性材料として、
例えば食油軸受、フィルター、熱交換器、電極、触媒、
特殊物質の貯蔵用などに幅広く用いられている。従来、
通気性金属材料は主として金属粉末粒子を焼結すること
によつて製造されてきた。

しかしながら、この焼結法においては、得られた通気性
金属材料の気孔率は、金属粉末粒子の充てん率によつて
ほぼ規定されるのて４０％前後といつた低い値であるこ
と、該通気性金属材料を切削加工や塑性加工をすると、
必ず目詰りを生じ通気性を損ねるのて機械加工がほとん
ど不可能てあること、したがつて型成形品が最終製品形
状となるので、比較的単純形状製品しか得られないこと
などの欠点がある。ところで、気孔率の高い通気性金属
材料を得る方法として、金型に塩化ナトリウム粉末を充
填して、その上に低融点金属の溶湯をつぎ込み、該溶湯
を塩化ナトリウム粉末間隙中に圧入し、凝固させて金属
一塩化ナトリウム粒子複合体を作製し、次いでこの複合
体中の塩化ナトリウム粒子を水中で溶出させる方法（特
公昭３９−３６５鏝公報）が提案されている。

しかしながら、この方法においては、使用する低融点金
属が塩化ナトリウムの融点（８０ｒｃ）より低い融点を
有する金属であり、また得られた製品の形状については
、塩化ナトリウム粒子の圧縮が前提となるため、複雑形
状を有するものや大型なものが得られないなどの問題が
ある。

さらにこの方法においては、塩化ナトリウム粒子の予熱
温度が常に圧入される溶湯の凝固点以上に予熱されてい
るが、このことは以下に述べる理由で明らかなように、
実用的に溶湯を圧入する際の致命的欠陥となり、その特
許が出願されて約２咋が経過しているにもかかわらず鋳
造法による通気性金属が実用化されていない原因でもあ
る。加圧鋳造法により金属一無機塩粒子複合体を製造す
る場合、金属の溶湯が狭あいな粒子充てん層の間隙を縫
つて流れるためには、その凝固防止が必要である。

前記発明が粒子層の予熱温度を流入する金属溶湯の凝固
点以上に保持するのはこのためてある。しかし、この予
熱温度条件では以下のような問題を解決することができ
ない。すなわち、溶湯には数１０ｋ９／ｄ以上の静水圧
が負荷され．ているので、型とパンチのクリアランス部
や型に設けられた空気抜きから激しく飛散し、さらに加
圧を続けるとパンチは下降を続け、ついには粒子層を圧
縮し始めて粒子の破壊や塑性変形が起る。そこで、この
ような現象を避けるためには湯漏れ．と同時に加圧を停
止する必要があるが、加圧を停止すると加圧凝固の効果
が得られず、複合材内部に収縮巣が発生して良好な材質
が得られない。さらに凝固させるために鋳型外表面から
の強制冷却が必要となつて著しく作業性を阻害する。以
上の問題を一挙に解決する方法は粒子層温度を溶湯の凝
固点以下に保ち、粒子層及び型をヒートシンク（熱の逃
げ場）として利用することである。

ただし、低過ぎると先述のように溶湯の凝固が先行し圧
入することができない。このように加圧鋳造法により金
属一無機塩粒子複合体を製造する場合、粒子層の予熱温
度はある一定の温度（臨界温度）以上金属溶湯の凝固点
以下の範囲であることが必要十分条件である。

本発明者らは、このような事情に鑑み、加圧鋳造法によ
り金属一無機化合物粒子複合体を作成し、次いで該複合
体中の無機化合物粒子を溶剤で処理し、溶出させて気孔
率の高い通気性金属材料ノを製造する方法について鋭意
研究を重ねた結果、まず適当な溶剤で溶解する無機化合
物の焼結体を作成したのち、この焼結体を金属溶湯の凝
固点以下臨界温度以上に予熱し、次いで焼結体の空隙内
に金属溶湯を圧入し、これを冷却凝固させたのち、無機
化合物を溶解除去させることにより、５０％以上という
従来の焼結法ではとうてい得ることのできない高い気孔
率を有する通気性金属材料が経済的かつ安全に得られる
こと、さらに複雑な形状を有するものや大形状のものを
製造しうることを見出し、この知見に基づいて本発明を
完成するに至つた。すなわち、本発明は溶剤可溶性無機
化合物を、所定の形状に成形して焼結したのち、得られ
た焼結体をその融点未満であり、かつ式〔式中のＴＰは
焼結体の予熱温度（℃）、ＴＣは臨界予熱温度（゜Ｃ）
、ＴＭ，ＨＭ及びＤＭはそれぞれ溶融金属又は合金の凝
固点（℃）、凝固潜熱（Ｃａｌ／ｙ）及び密度（ｙ／ａ
ｌ）であり、ＶＰ，ＣＰ及びＤＰはそれぞれ溶剤可溶性
無機化合物粒子の空間を占める体積割合又は充てん率、
該粒子の比熱（Ｃａｌ／ｇ／゜Ｃ）及び密度（ｆ／ｄ）
である〕で表わされる温度範囲に予熱し、次いで該焼結
体の空隙部に溶融した金属又は合金を圧入し、凝固させ
たのち、溶剤で処理して前記無機化合物を溶出させるこ
とを特徴とする通気性金属材料の製造方法を提供するも
のである。

本発明の通気性金属材料の素材としては、通常の金属材
料に用いられている金属又は合金の中から任意に選ぶこ
とができる。

このようなものの例としては、鋳鉄、鉛、亜鉛、スズ、
アルミニウム、金、銀、銅、ニッケル及びこれらの合金
などを挙げることができる。また、本発明の通気性金属
材料を製造する際に使用される溶剤可溶性無機化合物と
しては、適当な溶剤例えば水、アルカリ、酸アルコール
、アセトン、ジメチルホルムアミドなどに溶解しうる無
機化合物を用いることができるが、好ましいものは水溶
性無機塩であり、特にアルカリ金属塩又はアルカリ土類
金属塩が好適である。

次に、本発明の通気性高気孔率金属材料の製造方法の好
適な実施態様について説明すると、まず塩化ナトリウム
や塩化カリウムなどのアルカリ金属塩、又は塩化バリウ
ムなどのアルカリ土類金属塩を溶解し、型に流し込んで
インゴットを得、このインゴットを破砕し分級して前記
金属塩粒子を得る。

次に使用目的に応じて所定のサイズを有する金属塩粒子
を所定の形状を有する耐熱性容器に充てんし、大気中で
該金属塩の融点直下において数時間熱処理し、金属塩の
焼結体を得る。第１図は焼結前の金属塩粒子１と空隙部
２のミクロ構造の模式図、第２図は焼結後の金属塩粒子
１″と空隙部２″のミクロ構造の模式図であつて、これ
らの図から分るように焼結前に点接触していた各粒子１
は、焼結後には面接触に変化している。この場合、熱処
理時間が長ければ長いほど各粒子間の接触面積割合は増
すが、長すぎると独立した空隙部が生成し始める状態、
いわゆる過焼結状態となつて、次の工程において溶融金
属を外部から圧入することができないので、過焼結状態
にならないように注意を要する。この過焼結にならない
ための金属塩焼結体における空隙率の下限は１５％であ
−リ、したがつて熱処理時間の調整によつて該焼結体の
空隙率を１５〜５０％の範囲に制御する。なお、第２図
において空隙部が独立しているようにみえるが、これは
二次元的に示されてあるためであつて、紙面の上下方向
で空隙部は連続しているもの．である。次に、第３図は
加圧鋳造装置の断面説明図であつて、前記のようにして
得られた金属塩焼結体を、加圧鋳造装置の金型３に装て
んし、電気又はガスによつて所定の温度に予熱したのち
、目的の−溶融金属又は合金４を該焼結体５の上部に注
ぎ、加圧用パンチ６で加圧して溶融金属又は合金を焼結
体空隙部に浸透させる。

この場合、圧入圧力は焼結体の空隙を流れる溶融金属又
は合金の流動抵抗よりも大きくする必要があるが、通常
３０ｋ９／ａｌ以上の圧力であれば十分である。また予
熱温度ＴＰは焼結体の融点未満であり、かつ次式（１）
で示される範囲内で選定される。ここでＴＣは臨界予熱
温度（℃）、ＴＭ，ＨＭ及びＤＭはそれぞれ溶融金属又
は合金の凝固点（℃）、”凝固潜熱（ＣａＩ／ｆｌ）及
び密度（ｆ／ａｌ）であり、ＶＰ，ＣＰ及びＤＰはそれ
ぞれ金属塩粒子の空間を占める体積割合又は充てん率、
該粒子の比熱（Ｃａｌ／ダ／℃）及び密度（ｙ／ｄ）で
ある。

次に、このようにして得られた金属塩と金属から成る複
合体を水洗し、金属塩のみを溶出して目的とする通気性
金属材料を得る。この場合、金属塩の水に対する溶解度
は比較的大きいので、流水のみでも十分であるが、超音
波洗浄仕上げを行うとさらに効果的である。第４図及び
第５図はこのようにして得れた通気性金属材料のミクロ
構造の模式図であつて、金属部７，７″と空隙部８，８
″から成つている。第４図は点接触している金属塩粒子
から得られた通気性金属材料で、第１図における素材と
空隙部を入れ替えた構造になつており、また第５図は面
接触している金属塩粒子から得られた通気性金属材料で
、第２図における素材と空隙部を入れ替えた構造になつ
ている。すなわち、通常の焼結金属をポジとすれば本発
明の通気性金属体はネガに相当するものであつて、この
ことは本発明品が５０〜８５％の高い気孔率を有する所
以てもある。なお、第１図のように金属塩粒子が点接触
していると、金属塩を溶出する工程において溶出に長時
間を要するが、本発明方法によると金属塩粒子は面接触
しているので、溶出時間は短かくてすむ。

しかし、この面接触が進行すると空隙率が減少するので
、使用目的によつて空隙率をあまり下げたくない場合は
面接触の割合を少なくすることもできる。本発明に用い
る溶剤可溶性無機化合物としては、アルカリ金属塩はア
ルカリ土類金属塩が好ましく、例えば塩化ナトリウム、
亜硝酸ナトリウム、又は塩化バリウムなどが好適であり
、また圧入金属としては融点が約１５００℃以下の金属
及び合金がすべて好ましく適用できる。

例えば、塩化金属として最高の融点（９６２′Ｃ）を有
する塩化バリウムを用いたときの各種金属における塩化
バリウム粒子の充てん率と臨界予熱温度との関係を表に
示す。

臨界予熱温度は金属塩の融点より低くなければならず、
したがつて表から判るように金属塩として塩化バリウム
を用いた場合、気孔率６０％の通気性ニッケルまで製造
可能である。

なお表における０の部分は臨界予熱温度が塩化バリウム
の融点以上なので、塩化バリウムを用いて製造すること
はできない。本発明方法によると、従来の焼結金属に比
べて気孔率が２〜３倍以上に達する高気孔率の通気性金
属材料を極めて容易に得ることができる。

さらに本発明方法は次の特徴を有している。すなわち、
（１）金属塩粒子のサイジングが容易であるので、最終
的に得られる通気性金属材料の気孔径を容易に制御しう
る。（２）金属塩粒子の形状を予めコントロールするこ
とによつて通気性金属材料の気孔の形状をコントロール
しうる。（３）金属塩焼結体に穴を開けたり、切り込み
を入れておくと、最終製品に棒、バイブ、仕切板などを
鋳括んだことと同じ効果を有する。もちろん予め用意し
た棒、バイブ、仕切用板および金網な″どを金属塩粒子
とともに充てんし、焼結してもよい。（４）低融点通気
性金属材料を得る場合は、低融点金属塩を用いることに
よつて、焼結に要するエネルギーを節約しう−る。（５
）金属塩の溶出が容易であつて、そのリサイクルが可能
である。（６）高融点の金属塩を用いることによつて、
多孔質鋳鉄の製造も可能である。（７）粉末治金法では
得られにくい通気性アルミニウムや通気性マグネシウム
が容易に製造できる。本発明の通気性高気孔率金属材料
は、その気孔率が５０〜８５％と従来品に比べて極めて
高く、したがつて表面積も極めて大きな画期的な通気性
材料であり、特に大きな表面積が要求される熱交換器、
フィルター、触媒などの用途に好適である。次に実施例
によつて本発明をさらに詳細に説明する。実施例１ 冫 亜硝酸ナトリウムを融解し、凝固させたのち破砕分
級して３５０〜５９０μの亜硝酸ナトリウム粒子を得た
。

この粒子を内径２５？、高さ３０ＴｆＵＴＬの黒鉛容器
にタップ充てんし、２７０℃で５時間大気中で熱処理し
て、亜硝酸ナトリウム焼結体を得た。この焼ｊ結体を内
径３０ｗｕｎ、高さ５−の鋳鉄製鋳型に装てんし、電気
炉て１５０゜Ｃに予熱した（臨界予熱温度１３５℃）。
この鋳型上部に融点２３２゜Ｃの純スズを注入し、３０
ｋ９／Ｃ！ｌの圧力で溶融スズをパンチで加圧した。こ
のようにして得られた亜硝酸ナトリウムとノスズの複合
体を水洗して、気孔率７４％の通気性多孔質スズを得た
。実施例２ 実施例１と同様にして１１９０〜１６８０μの塩化ナト
リウム粒子を用意し、これを内径３０７Ｔｒｍ１高さ１
００？の黒鉛容器にタップ充てんしたのち、８００℃で
３時間大気中で熱処理して塩化ナトリウムの焼結体を得
た。

これを内径３０醋、高さ１２０７７１７７！の鋳鉄製鋳
型に装てんし、４８０℃に予熱したのち（臨界予熱温度
４１０℃）、１２％Ｓｉ−Ｎ合金を実施例１と同じ方法
で圧入した。このようにして得られた複合体を水洗し、
さらに超音波洗浄器にかけて気孔率６０％の通気性多孔
質アルミニウム合金を得た。実施例３実施例２と同じ方
法によつて得られた塩化バリウム粒子焼結体を９５０℃
に予熱したのち（臨界予熱温度８０３℃）、純銅を実施
例２と同じ方法で圧入し、直径２９ｍｍ１高さ９０Ｔｎ
Ｉ！＆の通気性多孔質純銅を得た。

このものの気孔率は６９％であつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は焼結前の金属塩粒子のミクロ構造模式図、第２
図は焼結後の金属塩粒子のミクロ構造模式図、第３図は
加圧鋳造装置の模式図、第４図は点接触している金属塩
粒子から得られた通気性金属材料のミクロ構造模式図、
第５図は面接触している金属塩粒子から得られた通気性
金属材料のミクロ構造模式図である。 図中符号１，１″は金属塩、２，２″，８，８″は空孔
部、３は金型、４は溶融金属、５は金属塩焼結体、６は
加工用パンチ、７，７″は金属である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶剤可溶性無機化合物を、所定の形状に焼結して成
   形したのち、得られた焼結体をその融点未満で、かつ式
   Ｔ＾Ｍ＞Ｔ＾Ｐ＞Ｔ＾ＣただしＴ＾Ｃ＝Ｔ＾Ｍ−〔０．
   ２５Ｈ＾ＭＤ＾Ｍ〕／Ｖ＾ＰＣ＾ＰＤ＾Ｐ〔式中のＴ＾
   Ｐは焼結体の予熱温度（℃）、Ｔ＾Ｃは臨界予熱温度（
   ℃）、Ｔ＾Ｍ、Ｈ＾Ｍ及びＤ＾Ｍはそれぞれ溶融金属又
   は合金の凝固点（℃）、凝固潜熱（ｃａｌ／ｇ）及び密
   度（ｇ／ｃｍ＾３）であり、Ｖ＾Ｐ、Ｃ＾Ｐ及びＤ＾Ｐ
   はそれぞれ溶剤可溶性無機化合物粒子の空間を占める体
   積割合又は充てん率、該粒子の比熱（ｃａｌ／ｇ／℃）
   及び密度（ｇ／ｃｍ＾３）である〕で表わされる温度範
   囲に予熱し、次いで該焼結体の空隙部に溶融した金属又
   は合金を圧入し、凝固させたのち、溶剤で処理して前記
   無機化合物を溶出させることを特徴とする通気性金属材
   料の製造方法。 ２ 溶剤可溶性無機化合物が水溶性無機塩である特許請
   求の範囲第１項記載の方法。 ３ 水溶性無機塩がアルカリ金属塩又はアルカリ土類金
   属塩である特許請求の範囲第２項記載の方法。