JP4322665B2 - 金属／発泡金属複合部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属／発泡金属複合部品を製造する方法に関し、より詳細には、従来製造による成形片よりも軽量化された成形金属片を軽金属材料から製造する方法に関する。更に本発明は、本方法を用いて製造された成形片およびその軽金属構造体への使用に関する。

成形された金属片を、例えば、自動車工学、航空機構造、または他の技術的要求の高い応用分野で利用するために軽量化することは、経済面のみならず環境面においても非常に重要である。周知のように軽金属を使用することはもとより、発泡金属も注目を集めつつある素材である。この素材は軽量構造、高い剛性および圧縮強度、良好な制振性等に特徴があり、その製造方法は周知である。

発泡金属素材から部品を製造することは周知である。例えば、発泡アルミニウムの鋳造用芯材をアルミニウム材料で鋳ぐるむか、または成形片として部品内に挿入する。外被材および芯材または成形片は別々に製造された後、互いに接合される。このことは製造費用を増加させるだけでなく製造品質を低下させる原因ともなる。半製品状態の発泡性アルミニウムはアルミニウム噴霧粉を基材としており、これに発泡剤が添加されている。例えばＤＥ １９７ ４４ ３００ Ａ１によれば、加熱可能な密閉容器内において混合粉末の圧縮物を発泡剤の分解温度および／または金属の溶融温度よりも高い温度に加熱している。

この方法においては、粉末を圧縮することにより生成した成形片を、部品内の発泡充満されるべき領域に挿入した後、これを６５０℃以下で加熱することによって発泡させている。この方法には、外被材が許容限界を超える歪みに曝される可能性や、発泡過程が均一に進行しない可能性がある。また、金属の中空球を焼結させたり、芯材や充填体に溶融金属を浸透させて溶融物の固化後にこれを取り除くことによって発泡体を製造することも可能である。

ＪＰ ０３０１７２３６ ＡＡに記載されている方法によれば、溶融金属に気体を溶解させた後、これを急速に減圧することによって発泡過程を開始させており、それによって、空洞を有する金属物品を製造している。この発泡体は、溶融物を冷却することによって安定化される。

ＪＰ ０９２４１７８０ ＡＡに供されている教示によれば、噴出気体を制御下に放出させることによって発泡金属が得られる。そのために、まずは使用する発泡剤の分解温度未満の温度で金属を溶融する。次いで溶融金属中に発泡剤を分散させた後、今度は噴出気体を放出させるのに必要な温度を超える温度で基地を加熱することによって発泡金属を形成させている。

消失鋳型を用いた金属片の鋳造は、ＥＰ ０ ４６１ ０５２ Ｂ１により既に周知である。ＷＯ ９２／２１４５７ Ａ１には、研磨材を安定剤として用いて、溶融金属の表層下に気体を吹き込むことによって発泡アルミニウムを製造することが記載されている。

ダブリュ・シーレ（Ｗ．Ｔｈｉｅｌｅ）による「充填材を含むアルミニウムスポンジ−衝撃エネルギー吸収用圧縮性鋳造品（Ｆｕｅｌｌｓｔｏｆｆｈａｌｔｉｇｅｒ Ａｌｕｍｉｎｕｍｓｃｈｗａｍｍ−ｅｉｎ ｋｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅｒ Ｇｕｓｓｗｅｒｋｓｔｏｆｆ ｚｕｒ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｖｏｎ Ｓｔｏｓｓｅｎｅｒｇｉｅ，［Ｆｉｌｌｅｒ−ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｓｐｏｎｇｅ−ａ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅ ｃａｓｔ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ］）」，Ｍｅｔａｌｌ，１９７４年，第２８巻，第１号，ｐ．３９〜４２に発泡アルミニウムの製造が記載されている。無機軽量素材（例えば、膨潤粘土鉱物、膨潤粘土、ガラス発泡ビーズ、コランダム中空ビーズ等）を、容易に圧縮できる粗な床の形態にし、空洞の大きさ、形状、および位置が、予め定められた所望の値となるようにする。この軽量素材の床を金型に導入する。この床の中に存在する空間を金属で充填する。このようにして得られたアルミニウムスポンジは、機械特性が比較的劣っており、しかも床の素材を含んでいる。

ＤＥ １１ ６４ １０３ Ｂには、金属発泡体の製造方法が記載されている。この方法においては、熱分解によって気体を形成する固体材料を溶融金属と混合して、この固体材料を金属で湿潤させている。例えば、アルミニウムとマグネシウムとの溶融合金に粉末状の水素化チタンを６００℃の温度で添加する。次いで、このようにして形成された独立気泡型発泡体を金型に鋳込み、ここで冷却して固化させることができる。この場合も、使用されるのは明らかに独立気泡系ではなく、むしろ連続気泡系である。

ＧＢ ８９２９３４は、芯部を発泡金属とする、表層が閉じた通気性のない複雑な構造体の製造に関するものである。

ＤＥ １９８ ３２ ７９４ Ｃ１には、発泡金属で充填された中空形状を有する部分の製造方法が記載されている。この方法は、金型部分とマンドレルとを有する押出金型を備える押出機を用いて外被用素材から中空形状を有する部分を押出すステップと、マンドレルにより形成された中空形状を有する部分に供給管を通じて発泡材料から発泡金属を供給するステップとを含むものである。

日本特許０７１４５４３５ Ａの要約書には、発泡金属線の製造が記載されている。発泡剤を利用して炉内で溶融アルミニウムを発泡させ、これを連続運転する鋳造装置に供給する。発泡状態の溶融アルミニウムを上下のコンベアベルト対の間で冷却することによって連続条を得る。これを予め定められた方法で切断することにより発泡アルミニウム電線を形成する。別法として、発泡アルミニウムの電線または線条体の成形を、溝を有する線材とコンベアベルトとの間で発泡溶融アルミニウムを延伸することによって行ってもよい。このように、圧延または延伸によって溶融アルミニウムの電線が得られる。

ＥＰ ０ ６６６ ７８４ Ｂ１には、粒子状物質によって安定化された発泡金属（特にアルミニウム合金）の鋳造成形方法が記載されている。金属基と固体安定剤微粒子との複合体を、金属基の固相線温度を超えるように加熱して、金属複合体溶融物の表層下に気泡を放出させることによって、この金属複合体溶融物の表層に安定化された発泡液を形成させる。発泡金属の鋳造成形が特徴的であり、この安定化された発泡液を、発泡体の気泡を著しく押し潰すことなく、金型の形状に適合させるのに丁度よい圧力で金型に圧入した後、成形物を得るべく発泡体を冷却して固化させる。この場合、発泡体は可動板によって金型内に圧入される。発泡液を第１可動板によって金型内に押し込み、発泡成形物上に滑らかな表層を形成する。この発泡物品の内側に滑らかな表層を形成するべく金型内の発泡体の中に第２可動板を押し込む。ただしこの成形はローラを用いて行ってもよい。

発泡金属から鋳物を製造する更なるプロセスがＥＰ ０ ８０４ ９８２ Ａ２に記載されている。この場合、発泡は、鋳型の外側にある加熱可能な室内で行われる。この室内に導入される粉末冶金用出発物質の量は、その起泡力を完全に発揮した発泡段階における発泡金属の体積が、充填された鋳型の体積と実質的に一致する量である。室内の発泡金属を全て鋳型内に圧入すると、残留する起泡力による発泡は鋳型が完全に充満するまで継続される。この鋳型は砂またはセラミック鋳型である。室内に挿入された半製品が発泡を開始した後は、この発泡金属は例えばピストンによって単に鋳型内に圧入されるだけである。この発泡体が鋳型内に圧入される際に剪断変形が生じる。意図的に不均質にされた構造をもつ発泡体では鋳型は充満されない。

ＤＥ １９５ ０１ ５０８ Ｃ１には、軽量化と同時に剛性を向上させた中空形状を有する部分（例えば自動車のシャシ用部品）の製造方法が開示されている。これはアルミニウムダイカストから構成され、その空洞には発泡アルミニウムの芯材がある。一体的な発泡体芯材を粉末冶金によって製造した後、これをダイカスト金型の内壁に固定して、プレスダイカストによって金属で鋳ぐるむ。

ＤＥ ２９７ ２３ ７４９ Ｕ１には、少なくとも１つの発泡金属の芯材を備える自動車用の車輪が開示されており、この芯材は車輪の内側に向かって露出しており、鋳造壁面が車輪の外側に向いている。車輪を鋳造するために、永久鋳型内に発泡アルミニウムを含む発泡芯材が挿入される。この芯材は、鋳造により永久鋳型と発泡芯材との間に鋳物の外殻が形成されるように配されている。

ＤＥ １９５ ０２ ３０７ Ａ１には変形要素が記載されており、その筐体内には、エネルギー吸収手段として発泡アルミニウムを含む充填材が供されている。この筐体は、金属またはプラスチックから構成されていてもよい。この充填体は、筐体に対して材料同士を結合させることなく単に挿入されるだけの部分である。
ＤＥ １９７ ４４ ３００ Ａ１ ＪＰ ０３０１７２３６ ＡＡ（特開平３−１７２３６号公報） ＪＰ ０９２４１７８０ ＡＡ（特開平９−２４１７８０号公報） ＥＰ ０ ４６１ ０５２ Ｂ１ ＷＯ ９２／２１４５７ Ａ１ ＤＥ １１ ６４ １０３ Ｂ ＧＢ ８９２９３４ ＤＥ １９８ ３２ ７９４ Ｃ１ 日本特許０７１４５４３５ Ａ（特開平７−１４５４３５号公報） ＥＰ ０ ６６６ ７８４ Ｂ１ ＥＰ ０ ８０４ ９８２ Ａ２ ＤＥ １９５ ０１ ５０８ Ｃ１ ＤＥ ２９７ ２３ ７４９ Ｕ１ ＤＥ １９５ ０２ ３０７ Ａ１ 「充填材を含むアルミニウムスポンジ−衝撃エネルギー吸収用圧縮性鋳造品（Ｆｕｅｌｌｓｔｏｆｆｈａｌｔｉｇｅｒ Ａｌｕｍｉｎｕｍｓｃｈｗａｍｍ−ｅｉｎ ｋｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅｒ Ｇｕｓｓｗｅｒｋｓｔｏｆｆ ｚｕｒ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｖｏｎ Ｓｔｏｓｓｅｎｅｒｇｉｅ，［Ｆｉｌｌｅｒ−ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｓｐｏｎｇｅ−ａ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅ ｃａｓｔ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ］）」，Ｍｅｔａｌｌ，１９７４年，第２８巻，第１号，ｐ．３９〜４２

ニアネットシェイプの部品を製造する場合は、噴出する気体を溶解または吹込みによって溶融金属内に放出することは適さない。この気泡を吸収した溶融物を含む系が安定である時間は、成形用金型内で加工を行うには十分でないためである。

したがって、本発明の目的は、金属と発泡金属との複合部品を製造するための大量生産に好適な簡単な方法を提供することにある。

上記目的は、平坦または成形された金属片を金型のキャビティ内に導入して、キャビティの範囲の少なくとも一部をこの金属片によって定め、次いで、溶融金属と、室温で固体である発泡剤とを含む混合物をキャビティ内に導入してそこで発泡させる、金属／発泡金属複合部品の製造方法によって達成される。

驚くべきことに、気体を放出する固体発泡剤（例えば金属水素化物、特に軽金属水素化物）を用いて鋳造作業（例えば市販のプレスダイカスト機における）を行うと、キャビティ内において、または予め作製された平坦もしくは成形された金属物体の表面上で、特に発泡軽金属（例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む）が高い効率で得られることが見出された。本発明の方法によれば、発泡充満されるべきキャビティをなす金型内に液状またはペースト状の金属を圧入する。

これにより１またはそれ以上の面の上で形成される発泡金属の膨張は、この金型によって制限されるものであってもよいが、本方法中に発泡充満されるべきキャビティ内において形成される発泡体表面のうち少なくとも一部は予め挿入された金属片によって形成される。

本発明方法によって幅広い複合部品の製造が可能となる。該金属片は、空洞を有する多種多様な成形片であってもよく、金属構造体（例えば中空の支持体またはリム）に使用してもよい。したがって、例えば低圧または高圧鋳造プロセスなどの幅広い鋳造プロセスにも利用することが可能である。

挿入金属片が、発泡充満された金型キャビティの範囲の一部のみを定める状況下においては、例えばＵまたはＬ字型の部分を発泡金属で充填することが可能である。最も単純な場合においては、挿入金属片の上に本発明に従って発泡金属を発泡させて金属シートを形成してもよい。

金型キャビティ内に複数の金属シートを挿入して、これらを互いに離間させて配置すると、サンドイッチ構造の部品が簡単に製造できる。

ホットチャンバー法においては、金属は約１０^７Ｐａで溶融室から金型内に直接注入される。本発明に好ましいコールドチャンバー法においては、例えば、Ａｌ合金とＭｇ合金とを含む材料の場合は、まず溶融した材料を中間冷却室に圧入し、次いでそこから１０^８Ｐａを超える圧力で金型内に圧入する。鋳造性能はホットチャンバープロセスの方が優れるが、設備の消耗も早い。高圧鋳造の利点は、材料強度が良好であること、物体上に形成される（金型キャビティの内面上に形成される）鋳肌がきれいなこと、寸法精度が高いこと、複雑な形状の鋳物形成が可能であること、および稼動率が高いことにある。減圧下（金型内は真空）においては、これらの利点を一層際立たせることができる。

本方法には市販のリアルタイム制御ダイカスト機が有利である。本発明の好ましい実施態様においては、金属は非鉄金属および卑金属から選ばれ、特にマグネシウム、カルシウム、アルミニウム、ケイ素、チタン、および亜鉛、ならびにこれらの合金から選ばれる。しかしながら、鉄類および貴金属も、本発明を用いることにより、予成形された金属片に対して発泡させることが可能であり、それによって複合体片が形成される。本発明において合金という用語を用いる場合、この用語は、上述の金属を少なくとも３０重量％含有する合金を意味するものと理解されたい。本発明による好ましいプロセス手順は、所要量の溶融金属を射出スリーブまたは射出室内に導入するステップと、それを金型キャビティ内（発泡で埋めたい金属片が挿入されている）に導入するステップとを含み、溶融金属には発泡剤が添加されている。好ましい実施態様において、溶融金属および発泡剤は金型キャビティ内に一緒に導入され、金型または金型内に存在するキャビティが、定められた量の溶融物／発泡剤混合物によって完全または不完全に充填される。

更に好ましい実施態様においては、発泡剤は直接金型キャビティ内で溶融金属に接触されるのではなく、射出スリーブまたは射出室内で接触され、次いでこの混合物が、挿入金属体を含む金型キャビティ内に導入される。

発泡剤を、一方では射出スリーブもしくは射出室内に導入し、かつ／または、他方では金属片の挿入後に残留するキャビティ内もしくは挿入された金属片の内部空洞内に導入する際は、対象とする室内に溶融金属を導入する前、途中、および／または後にこれを行ってもよい。

但し本発明においては、発泡剤に由来する気体を流動可能な金属または金属合金から放出させることによって起こる発泡は、発泡充満されるべき金型キャビティ内でのみ実質的に起こることが重要である。この発泡充満されるべき金型キャビティは密閉金型をなしている。しかし、プレスダイカストまたはその類似方法に慣用されるような、気体を逃がすための揚がりを有していてもよい。次いで、発泡金属複合体物体（金型内に挿入された成形金属体に加えて金型キャビティ内で生成した発泡金属を含む）を突き出す。

更なる構成においては、発泡剤を射出スリーブ、射出室、または金型キャビティ内の溶融金属に直接添加し、この１回の添加ごとに１回の工程で、対応する発泡金属構造体を、予成形された未発泡金属体から製造する。この構造体の外面は、挿入金属片の表面であるか、または発泡体の形成過程において金型キャビティ内に新たに形成された表面のいずれかである。金型の壁面で新たに形成された発泡体の表面が滑らかなものであっても、その成形は容易に再現することができる。本方法に可能な吹き付け充填を用いれば、この新たな発泡体表層を異なる肉厚に設定することが容易である。壁面は全て閉じており、滑らかで通気性がなく、しかも均質である。通常、更に加工を加える必要はない。本方法において製造された金属複合体物体に形成される領域は、内側ほど多孔質となる密度勾配を有する。

発泡剤の分解温度は鋳造材料（溶融金属）の溶融温度に対応させる必要がある。分解の開始は溶融温度を１００℃超えただけで起こることが必要であり、溶融温度を約１５０℃超えてはならない。

通常、完成した成形物のなかの発泡構造部分を形成するように圧入される溶融金属または金属合金の溶融温度は、金型内に予め挿入されている金属の溶融温度未満である必要はない。それどころか、金属溶融物の溶融温度が挿入金属片の溶融温度を超える場合は、予成形された金属片と、形成された発泡構造部分との間に特に強い結合が形成される。

発泡剤の使用量は、所要の条件によって異なる。本発明の文脈の範囲内における発泡剤の使用量は、特に好ましくは、発泡金属の形成に使用する金属量（質量）を基準として、０．１〜１０重量％、特に０．２〜１重量％である。

気体を放出する発泡剤は室温下において固体であり、特に軽金属水素化物（例えば水素化マグネシウム）が挙げられる。本発明の文脈の範囲内においては、自己触媒的に製造された水素化マグネシウム（例えば、テゴ・マグナン（ＴＥＧＯ Ｍａｇｎａｎ）（登録商標）の名称で市販されている）が特に好ましい。しかし、従来技術において金属の発泡に既に使用されている、水素化チタン、炭酸塩、水和物、および／または揮発性物質も同様に用いてもよい。

以下の例示的な実施態様において本発明をより詳細に説明する。市販のダイカスト機にて一体的に発泡させた金属構造体を製造し、アルミニウム素材から自動車部品を製造した。このために、プレスダイカスト機の射出室を相当量の溶融金属で充填した。予め製造しておいた金属構造体（内部には金属製可動中子によって作製された空洞を有する）をプレスダイカスト機の金型キャビティ内に挿入した。

金型室内への挿入は、金型キャビティ内に通じるランナ（液状金属導入用の開口部）が金属空洞の位置で開口するように行った。プレスダイカスト機の閉じられた射出室内で液状金属に発泡剤として粉末形態の水素化マグネシウムを添加した。これと実質的に同時に、この発泡剤と溶融金属との混合物を金型キャビティ内に急速に圧入した（これにより、挿入された金属成形物内に存在する空洞内にも圧入さた）。キャビティは、定めれた量で不完全に充填された。乱流が生じることにより、残りの金型キャビティ内において発泡過程が促進されるような十分な混合が行われた。挿入金属片の内部空間において発泡構造体が形成された。この発泡構造体の金型壁面における表層は高密度で均質なものであった。この「射出」は、発泡体が形成される前に行い、発泡過程は金型キャビティ内でｉｎ ｓｉｔｕで進行させた。金型内では急速な発泡が起こった。予め形成されていた構造体内において得られた部品は、もとより挿入されていた金属構造体に対し強固に結合した発泡体を形成した。発泡充満されていない比較用断片と比較すると、発泡体による好ましい影響が（特に疲労特性に関し）認められた。

Claims (9)

1. 平坦または成形された金属片を金型キャビティ内に導入し、次いで溶融金属と室温で固体の発泡剤とを含む混合物を前記キャビティ内に導入してそこで発泡させる、金属／発泡金属複合部品を製造する方法であって、前記キャビティの範囲の少なくとも一部が前記金属片によって定められる、方法。
2. 前記キャビティが、定められた量で完全または不完全に充填され、かつ前記発泡が、非加熱の金型キャビティ内で起こる、請求項１に記載の方法。
3. 前記発泡剤が、射出スリーブまたは射出室内で前記溶融金属に接触され、次いで前記混合物が、発泡充満されるべき前記金型キャビティ内に導入される、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記発泡剤が、発泡充満されるべき前記キャビティ内に導入される、請求項１または２に記載の方法。
5. 発泡充満されるべき前記キャビティ内に前記溶融金属が導入される前、途中、および／または後に、前記発泡剤が前記キャビティ内に導入される、請求項４に記載の方法。
6. 前記金型内の発泡充満されるべき前記キャビティの範囲のうち、１つの面のみが前記挿入された金属片によって定められる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 発泡充満されるべき前記キャビティが、１を超える独立した空間を有し、かつこれらの空間が、１を超える射出ランナによって充填される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記溶融金属として、軽金属が使用される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 金属プレスダイカスト機が使用される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。