JP2017155271A

JP2017155271A - ポーラス構造体の製造中間体及びポーラス構造体の製造方法

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Publication number: JP2017155271A
Application number: JP2016038384A
Authority: JP
Inventors: 進補鈴木; Shinsuke Suzuki; 智徳吉田; Tomonori Yoshida; 大輝武藤; Daiki Muto
Original assignee: Waseda University
Current assignee: Waseda University
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2017-09-07
Anticipated expiration: 2036-02-29
Also published as: JP6829373B2

Abstract

【課題】方向性気孔が確実に形成され、高い強度を有するポーラス構造体を得る。【解決手段】中間体作製工程Ｓ１では、複数の棒状部材を配列させた状態で溶湯に浸漬し、各棒状部材の周囲に溶湯を充填した後溶湯を冷却して中間体を作製する。中間体は、棒状部材の部分に孔が形成された構造体部と、孔内の棒状部材からなる。塑性加工工程Ｓ２では、孔内に棒状部材が入った中間体に対して塑性加工を施して構造体部の強度を高くする。塑性加工後、除去工程Ｓ３で棒状部材が除去されて構造体部がポーラス構造体となる。【選択図】図３

Description

本発明は、ポーラス構造体の製造中間体及びポーラス構造体の製造方法に関するものである。

内部に多数の気孔が形成されたポーラス金属が知られており、さらに内部に存在している気孔（ポア）を一方向に整列させるように形成した、ロータス金属等と称されるポーラス金属が知られている。このポーラス金属は、気孔が一方向に整列されるように形成されているため、軽量かつ高剛性という観点から、例えば自動車や航空機の構造材料として期待されている。また、ポーラス金属は、断熱材料や吸音材料などとしても注目されている。

ポーラス金属の製造方法としては、浮遊帯溶融法を用いた特許文献１の製造方法が知られている。特許文献１の製造方法では、水素等のガス雰囲気下で、棒状金属を連続的に移動させる。この棒状金属の移動方向の上流側に加熱手段を設けるとともに、下流側に冷却手段を設けて、棒状金属を部分的に順次加熱溶融した後に順次冷却凝固させている。これにより、棒状金属の溶融部分にガスを溶解させた後、そのガスが溶解した溶融部分を凝固させて、ガスの溶解度の差によって気泡を発生させる。そして、冷却位置の移動によって、発生した気泡を冷却位置の移動方向に成長させて、一方向に延びた方向性気孔を棒状金属に形成する。

一方、出願人は、パイプを用いたポーラス金属を含むポーラス構造体の製造方法を特許文献２において提案している。この特許文献２の製造方法は、例えば、ポーラス金属の基材となる溶湯がパイプ内に侵入しないようにしながら、パイプを溶湯に浸漬させる。そして、パイプが浸漬した溶湯を凝固させることで、パイプの外壁と基材とを一体化させてポーラス金属を作製する。この製造方法によれば、パイプの中空部を方向性気孔としてポーラス金属を製造するため、パイプの内径や配列を適宜変えることによって、ポーラス金属における方向性気孔の大きさ（気孔の長さや気孔径等）、断面形状を含む気孔の形状、配列（気孔同士の間隔や並び方等）、気孔率を容易に所望のものにすることができる。

国際公開第０３／０７０４０１号特開２０１３−２２６５９４号公報

ところで、特許文献１のように浮遊帯溶融法によるポーラス金属の製造方法では、棒状金属を溶融したときと冷却したときとのガスの溶解度の差によって発生する気泡から気孔を形成している。このため、気孔の大きさ、気孔の形状、配列、気孔率を制御することが難しい。一方、特許文献２のように、パイプを溶湯に浸漬してポーラス金属を形成する手法では気孔の大きさ、気孔の断面形状、配列、気孔率を制御することは容易である。しかしながら、基材とパイプとの間で融点の差が必要であるために、基材とパイプとで異なる材料を用いる必要がある。このため、ポーラス金属の物理的特性がパイプの材料の影響を受けてしまい、例えば必要とする強度が得られないことがある。また、溶損しないように肉厚が大きいパイプが用いられるとともに、隣接した各パイプは、間隔をあけておく必要があるから、実際に気孔となるパイプの中空部同士を近づけるには限界があった。このためポーラス金属の気孔率を十分に高くできない。そして、鋳造で作製されたポーラス金属では、塑性加工を行わないと十分な強度が得られないが、塑性加工を行うと気孔が潰れてしまうという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、方向性気孔が確実に形成され、高い強度を有するポーラス構造体が容易に得られるポーラス構造体の製造中間体及びポーラス構造体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、複数の方向性気孔を有するポーラス構造体の製造方法において、配列された複数の棒状部材のそれぞれの周囲の空間を無機材料の溶湯で充たし、この溶湯を凝固させることによって、棒状部材と棒状部材のそれぞれが内部に入った複数の孔が形成された無機材料の構造体部とを有する製造中間体を得る中間体作製工程と、製造中間体に塑性加工を施す塑性加工工程と、塑性加工工程を経た製造中間体から棒状部材を除去する除去工程とを有するものである。

また、本発明は、複数の方向性気孔を有するポーラス構造体の製造中間体において、無機材料で形成された構造体部と、方向性気孔となる構造体本体部の各孔内に配された棒状部材とを備えるものである。

本発明のポーラス構造体の製造方法によれば、複数の棒状部材の周囲の空間を無機材料の溶湯で充たした後に溶湯を凝固させた製造中間体に塑性加工を施してから棒状部材を除去して、方向性気孔を有するポーラス構造体を製造するから、塑性加工を施す際に棒状部材で方向性気孔となる孔の潰れが防止されるので、方向性気孔が確実に形成され、高い強度を有するポーラス構造体を容易に得ることができる。

本発明のポーラス構造体の製造中間体によれば、この製造中間体に塑性加工を施すことによって、塑性加工した際の方向性気孔となる孔の潰れが防止されるので、この製造中間体を用いて、方向性気孔が確実に形成され、高い強度を有するポーラス構造体を容易に得ることができる。

ポーラス構造体の一例を示す斜視図である。製造中間体の一例を示す説明図である。ポーラス構造体の製造工程を示すフローチャートである。中間体作製工程を説明する説明図である。ＥＣＡＥ法により塑性加工する加工装置の概略を示す説明図である。除去工程による棒状部材の状態を示す説明図である。鋳型内に棒状部材を配してから注湯する例を示す説明図である。製造中間体を連続的に製造する連続鋳造装置を示す断面図である。双ロール鋳造法で製造中間体を連続的に製造する双ロール鋳造装置を示す説明図である。双ロール鋳造法で製造された板状の製造中間体とポーラス構造体を示す斜視図である。セミソリッドスラリーを用いて製造中間体を作製する例を示す説明図である。径の異なる気孔を径毎に円形に配列したポーラス構造体の例を示す説明図である。径の異なる気孔を径毎に矩形に配列したポーラス構造体の例を示す説明図である。気孔をハニカム配列としたポーラス構造体の例を示す説明図である。気孔の断面形状の大きさを変化させたポーラス構造体の縦断面を示す断面図である。

図１において、本実施形態で製造するポーラス構造体１０は、複数の気孔１２を有する。各気孔１２は、それぞれ方向性を有する、すなわち所定の方向に延びた孔であって、方向性気孔である。この例では、ポーラス構造体１０は、円柱形状であり、その軸心方向（Ｘ方向）に各気孔１２が延びている。各気孔１２は、ポーラス構造体１０の両端部に開口した貫通孔として形成されている。また、この例では、複数の気孔１２は、Ｎ行Ｍ列（Ｎ、Ｍはいずれも１以上の整数）で正方格子状に配列されている。各気孔１２は、ポーラス構造体１０の軸心方向に垂直な断面（横断面）形状が円形であり、その径が軸心方向に一定になっている。

上記ポーラス構造体１０の形状や、気孔１２の数、配列、断面形状や大きさは、一例であり、これらはポーラス構造体１０の用途や必要とする特性等に応じたものとすることができる。また、ポーラス構造体１０は、気孔１２の一方の端部が閉じたものであってもよい。

図２に示すように、上記ポーラス構造体１０の製造中間体（以下、単に中間体という）１４は、ポーラス構造体１０に対応する構造体部１５と、棒状部材１６とを有している。この中間体１４は、後述する中間体作製工程Ｓ１（図３参照）で作製される。構造体部１５は、複数の孔１７を有しており、この孔１７内に棒状部材１６が入っている。塑性加工工程Ｓ２（図３参照）後に、棒状部材１６を除去した構造体部１５がポーラス構造体１０になり、孔１７が気孔１２となる。この例では、中間体１４から断面形状を変えることなくポーラス構造体１０を作製するため、中間体１４とポーラス構造体１０との形状は同じである。もちろん、中間体１４を変形させてポーラス構造体１０を作製してもよい。棒状部材１６は、孔１７を形成する中子として機能するとともに、塑性加工工程Ｓ２において孔１７が潰れることを防止する潰れ防止材としても機能する。

上記ポーラス構造体１０の製造方法について、以下説明する。図３に示すように、上記ポーラス構造体１０の製造工程Ｓは、中間体作製工程Ｓ１、塑性加工工程Ｓ２、除去工程Ｓ３を順番に行う。中間体作製工程Ｓ１は、充填工程Ｓ１ａと冷却工程Ｓ１ｂとを含み、ポーラス構造体１０の中間体１４を作製する。塑性加工工程Ｓ２は、中間体１４に塑性加工を施して、ポーラス構造体１０の強度を向上させる工程である。除去工程Ｓ３は、塑性加工工程Ｓ２を経た中間体１４から棒状部材１６を除去してポーラス構造体１０を得る工程である。

中間体作製工程Ｓ１の充填工程Ｓ１ａは、複数の棒状部材１６の個々の周囲の空間をポーラス構造体１０の材料（以下、構造体材料という）を溶融した溶湯で充たす工程である。冷却工程Ｓ１ｂは、各棒状部材１６の周囲の溶湯を冷却して凝固させる工程である。

例えば、中間体作製工程Ｓ１は、図４に示す鋳造装置２０を用いて行う。鋳造装置２０は、鋳型２１、ホルダ２２、昇降器２３等で構成される。鋳型２１には、構造体材料を溶融した溶湯２５が貯留される。ホルダ２２は、配列された複数の棒状部材１６の上端部を保持する。昇降器２３は、ホルダ２２を図４Ａに示す保持位置と、図４Ｂに示す浸漬位置との間で移動する。保持位置は、ホルダ２２に保持された棒状部材１６を鋳型２１内の溶湯２５の液面から上方に離した位置であり、浸漬位置は、ホルダ２２に保持された棒状部材１６を鋳型２１内の溶湯２５に浸漬する位置である。

充填工程Ｓ１ａでは、図４Ａに示すように、保持位置にあるホルダ２２に複数の棒状部材１６をＮ行Ｍ列の正方格子状に配列させた状態に保持させた後、図４Ｂに示すように、ホルダ２２を浸漬位置に移動して鋳型２１内の溶湯２５に各棒状部材１６を浸漬する。これにより、隣接した棒状部材１６同士の間の空間を含め各棒状部材１６の周囲の空間が溶湯２５で充たされる。なお、この例では、棒状部材１６の下端面を鋳型２１の底部に密着させることで、貫通した孔１７を有する中間体１４を形成する。中間体１４の端部を切り落として孔１７を貫通孔とする場合や、気孔１２を貫通孔としない場合には、棒状部材１６の下端面を鋳型２１の底部から離した状態にすればよい。

充填工程Ｓ１ａの後、冷却工程Ｓ１ｂを行う。この冷却工程Ｓ１ｂでは、溶湯２５に各棒状部材１６を浸漬した状態のまま、冷却器２７によって鋳型２１を介して溶湯２５を冷却し、構造体材料を凝固させる。これにより、複数の孔１７を有する構造体部１５が形成されるとともに、各孔１７内に棒状部材１６が配された上記中間体１４が得られる。凝固後、ホルダ２２を保持位置に上昇させて、鋳型２１から中間体１４を取り出す。このようにして、ポーラス構造体１０の中間体１４が作製される。

ポーラス構造体１０を作製するための構造体材料は、溶融した状態となって棒状部材１６の周囲の空間を充たすことができ、また塑性加工が可能な無機材料であれば特に限定されない。このような無機材料は、金属でも非金属でもよい。例えば、アルミニウム、マグネシウム、チタン、ニッケル、金、銀、銅、鉛、モリブデン、亜鉛、鉄等の金属あるいはこれら主体とする金属や、これら金属成分を所定の割合で含有した合金を構造体材料としてもよい。また、シリコンのような非金属を主体とする材料や成分として含む構造体材料であってもよい。

上記棒状部材１６は、この例では、ポーラス構造体１０の円柱状の気孔１２と同じ径の円柱形状となっている。気孔１２の形状は、孔１７の形状と同じであり、孔１７の形状は棒状部材１６の形状と同じになるから、所望とする気孔１２の形状と同じ形状の棒状部材１６を用いればよい。例えば、横断面の形状が矩形の気孔１２を形成する場合には、横断面の形状が矩形の角柱形状の棒状部材１６を用いればよい。棒状部材１６の形状は、特に限定されず多角形や楕円形、星形など様々な横断面の形状の柱体とすることができ、これにより様々な形状の気孔１２を形成することができる。また、横断面の形状及び大きさが棒状部材１６の軸心方向で変化してもよく、例えば円錐形状や雄ねじ状の棒状部材１６とすることもできる。

ホルダ２２に保持する棒状部材１６の位置によって中間体１４の孔１７の位置となり、孔１７の位置がポーラス構造体１０での気孔１２の位置になる。したがって、ホルダ２２に保持する棒状部材１６の位置により気孔１２の位置を制御できる。そして、ホルダ２２に保持する棒状部材１６の配列は、中間体１４の孔１７の配列となり、気孔１２の配列を決めるため、所望とする気孔１２の配列に応じた配列とする。すなわち、ホルダ２２に保持する棒状部材１６の配列を変更することによって、複数の気孔１２が所望とする配列、すなわち所望とする各気孔１２の間隔及び並べ方のポーラス構造体１０を得ることができる。また、棒状部材１６の本数の増減によって、気孔１２の数を増減できる。

さらに、隣接する棒状部材１６同士の間隔を増減すれば、それに応じてポーラス構造体１０の隣接する気孔１２同士の間隔も増減することができる。これにより、所望とする気孔１２の密度や気孔率のポーラス構造体１０を作製でき、気孔１２の密度、気孔率の制御が自在になる。例えば、径の小さい円柱形状の棒状部材１６を用い、隣接する棒状部材１６同士の間隔を小さくすることで、気孔１２の密度と気孔率の高いポーラス構造体１０を作製できる。

従来の中空なパイプを溶湯に浸漬してポーラス構造体を作製する手法では、前述のように、パイプの溶損を防止するために肉厚なパイプを用いる必要がある。また、この従来手法では、隣接した各パイプの肉厚な壁部の厚みの他、パイプの間に構造体材料が入る隙間が必要である。結果的に気孔同士の間隔が大きくなり気孔の密度、気孔率を高めることが難しかった。しかしながら、本実施形態のように棒状部材１６を用いた製造手法では、棒状部材１６は、最終的に除去されてポーラス構造体１０の一部とはならないから、棒状部材１６同士の間隔を小さくして多数の棒状部材を密に配置することが可能であり、より高い気孔１２の密度及び気孔率が実現する。

棒状部材１６としては、溶湯２５に浸漬したときに棒状部材１６が形状を維持し、塑性加工工程Ｓ２において孔１７が潰れることを防止する潰れ防止材として機能し、かつ除去工程Ｓ３において孔１７から棒状部材１６の除去が可能であれば、特に限定されない。棒状部材１６が形状を維持する点については、棒状部材１６が溶融したり、昇華したりしないことが必要である。したがって、溶湯２５の温度をＴ、棒状部材１６の材料の融点または昇華点をＴｐとしたときに、「Ｔ＜Ｔｐ」を満たすようにすればよい。なお、棒状部材１６の材料が固液共存相を経て完全に溶融する場合には、固相線温度を棒状部材１６の材料の融点とする。

潰れ防止材として機能させる観点からは、棒状部材１６に例えば変形し難い材料を用いたり、棒状部材１６を硬く変形し難い構造等とすることが好ましい。孔１７から棒状部材１６を除去するために、例えば棒状部材１６が脆性破壊される材料を選択することができる。また、棒状部材１６の材料は、例えば酸やアルカリによって溶解される材料であってもよい。なお、構造体材料を変質させたり劣化させたりしないという観点からは、棒状部材１６の材料として構造体材料と反応し難い材料を選択することが好ましい。

上記のような条件を満たす棒状部材１６としては、炭素、ガラス、アルミナ等を用いて棒状に加工したものを挙げることができる。

中間体作製工程Ｓ１に続いて、塑性加工工程Ｓ２が行われる。塑性加工工程Ｓ２では、ポーラス構造体１０の強度を高めるために、中間体作製工程Ｓ１で得られる中間体１４に対して塑性加工を施す。すなわち、塑性加工工程Ｓ２では、中間体１４に応力を与えて塑性変形させ、中間体１４を加工硬化させる。塑性加工の手法としては、鍛造、圧延、引抜き、押出し、プレス等の周知の加工法を用いることができる。

この例では、中間体１４の断面形状を塑性変形の前後で変えることなく、強ひずみを与えて加工硬化させるＥＣＡＥ(Equal-channel Angular Extrusion)法によって塑性加工を行う。このＥＣＡＥ法では、図５に一例を示すように、通路３１が屈曲するがその通路３１の断面寸法が変わらないダイス３２が用いられる。通路３１内に一方の開口３１ａから中間体１４を挿入し、この中間体１４をパンチ３３で押し込み、他方の開口３１ｂから押し出す。これにより、通路３１の屈曲部で中間体１４をせん断変形させて塑性加工する。例えば、中間体１４を通路３１に複数回通すことにより、中間体１４の構造体部１５に高い強度を付与する。

上記塑性加工の際には、孔１７内に棒状部材１６が入った状態で行うため、構造体部１５がせん断変形しても、孔１７は、潰れることはなく、当初の形状を保持する。このように中間体１４の孔１７を形成するために使用した棒状部材１６を潰れ防止材としているので、効率良く塑性加工を施すことができ、孔１７から棒状部材１６を取り出して、その孔１７に新たに潰れ防止材を挿入する等の工程が不要である。

上記のように中間体１４の塑性変形の前後で横断面の形状が変化しないＥＣＡＥ法を用いれば、気孔１２となる孔１７は、塑性変形の前の配列、横断面の形状及び大きさを維持する。このため、棒状部材１６の配列、横断面の形状及び大きさがそのままポーラス構造体１０における気孔１２の配列、横断面の形状及び大きさとなるので、所望とする配列、形状及び大きさの気孔１２を有するポーラス構造体１０を作製する上で有利である。

塑性加工工程Ｓ２に続いて除去工程Ｓ３を行う。この除去工程Ｓ３では、塑性加工工程Ｓ２を経た中間体１４の孔１７から棒状部材１６を除去する。そして、孔１７から棒状部材１６を除去された構造体部１５がポーラス構造体１０となる。棒状部材１６の除去の手法は、棒状部材１６の材料や塑性加工工程Ｓ２による棒状部材１６の破壊状態等に応じて適宜選択することができる。例えば、棒状部材１６の材料が炭素、ガラス、アルミナのように容易に脆性破壊される材料である場合には、例えば、図６に示すように、先端が鋭利な棒状の器具３４を中間体１４の孔１７内の棒状部材１６に繰り返し突き刺して砕き、棒状部材１６を取り除くことができる。また、棒状部材１６を、酸やアルカリによって溶解して除去してもよい。塑性加工工程Ｓ２によって棒状部材１６が細かく破壊されている場合では、孔１７内を水湯で洗浄したりすることで除去してもよい。

得られるポーラス構造体１０は、上記のように塑性加工を施しているため強度が高くなっている。このポーラス構造体１０の気孔１２は、棒状部材１６が孔１７に入った状態の中間体１４に対して塑性加工を施しているので潰れておらず、所望とする形状及び大きさになっている。また、ＥＣＡＥ法により中間体１４に塑性加工を施しているから、棒状部材１６と同じ配列で気孔１２が形成されたポーラス構造体１０が得られる。

上記のように、孔１７に棒状部材１６を残した状態の中間体１４に対して塑性加工を行うので、潰れ防止材を孔１７に別途充填する等の孔１７を潰さないようにする工程が必要なく、気孔１２の潰れがなく気孔１２が確実に形成され、高い強度を有するポーラス構造体１０を容易に得ることができる。

実際に行った実験では、構造体材料としてアルミニウム合金（Ａ６０６１）を、棒状部材として炭素棒をそれぞれ用いて円柱形状の中間体を形成し、その中間体をＥＣＡＥ法による塑性加工を施してから炭素棒を除去したところ、気孔が潰れていないポーラス構造体が得られることを確認している。また、そのポーラス構造体の気孔の配列、形状、大きさは、炭素棒の配列、形状、大きさと同じであることも確認している。なお、棒状部材が入っていない中間体と同等のポーラス構造体（銅製）にＥＣＡＥ法による塑性加工を施した場合には、気孔の潰れが生じ、またポーラス構造体自体が変形することを確認している。

上記では、鋳型２１に予め注湯した溶湯２５に、棒状部材１６を浸漬することによって、棒状部材１６の周囲の空間を溶湯２５で充たす例について説明したが、棒状部材１６の周囲の空間に溶湯２５を充たす手法はこれに限るものではない。例えば、図７に示すように、鋳型２１内に各棒状部材１６を配した後に、溶湯２５を鋳型２１内に注湯してもよい。図７に示す例では、鋳型２１の底部に置かれたホルダ３６で棒状部材１６を起立した状態に保持している。なお、上述の鋳造装置２０を用いて、棒状部材１６を保持したホルダ２２を浸漬位置に移動してから、溶湯２５を鋳型２１内に注湯してもよい。さらに、鋳型２１内で、各棒状部材１６を水平方向に配して、溶湯２５を鋳型２１内に注湯してもよい。

次に中間体を連続鋳造する例について説明する。図８において、連続鋳造装置４０は、長尺な中間体４１を作製する。この連続鋳造装置４０は、鋳型４３、冷却ブロック４４、るつぼ４５、ダミーバー４６等を備えている。鋳型４３は、上端及び下端がそれぞれ開口した筒状である。この鋳型４３の外周面に冷却ブロック４４が設けられている。冷却ブロック４４は、冷却水循環器４７から供給される冷却水が内部を循環することによって、鋳型４３を冷却する。

るつぼ４５は、溶湯４８を貯留する。このるつぼ４５は、底面に設けた開口に鋳型４３の上端部が嵌合しており、貯留した溶湯４８が鋳型４３内に流入するようになっている。るつぼ４５の外周には、ヒーター５１と断熱材５２とが配置され、るつぼ４５及び溶湯４８を所定の温度に維持している。ダミーバー４６は、初期状態では鋳型４３の内部に配されて鋳型４３の内部を塞いでいる。鋳造時には、ダミーバー４６は、鋳型４３の内部を下方に連続的に一定の速度で移動し、図示されるように鋳型４３から抜け出して移動する。これにより、鋳型４３によって冷却された溶湯４８が凝固した状態で鋳型４３の下方に抜き出される。

上記ダミーバー４６の上面に、複数の棒状部材５４の一端がそれぞれ固定される。各棒状部材５４としては、長尺なものが用いられる。これら棒状部材５４は、作製する中間体４１の孔と同じ配列にしてダミーバー４６に固定される。棒状部材５４は、ダミーバー４６の下方への移動によって溶湯４８内に順次に引き込まれる。各棒状部材５４は、保持具（図示省略）によって鉛直状態を維持する。

なお、符号５５ａ、５５ｂ、５５ｃは、例えばＫ型熱電対で構成された温度センサであり、連続鋳造装置４０内の温度、るつぼ４５内の溶湯４８の温度、及び棒状部材１の下部最末端の温度を測定する。

上記連続鋳造装置４０を用いて中間体４１を連続鋳造する場合には、まず鋳型４３内にダミーバー４６を配してから、ダミーバー４６の上面に各棒状部材５４を作製すべき中間体４１の孔と同じ配列で固定する。次に、るつぼ４５に溶湯４８を注湯するとともに、ダミーバー４６の下方への移動を開始する。

るつぼ４５への注湯によって、るつぼ４５内の溶湯４８が鋳型４３内に流入して、るつぼ４５及び鋳型４３内の各棒状部材５４の周囲の空間が溶湯４８で充たされる。ダミーバー４６の下方への移動によって、鋳型４３に流入した溶湯４８は、冷却された鋳型４３に接触して急冷されることによって外周面（鋳型４３側）から順次に凝固しながら、その凝固した部分が下方に移動する。一方、ダミーバー４６の下方への移動によって各棒状部材５４が下方に移動すると、移動した長さだけ棒状部材５４の新たな部分が溶湯４８内に引き込まれ、それらの周囲の空間が溶湯４８で充たされる。そして、ダミーバー４６の下方へのさらなる移動によって、棒状部材５４が溶湯４８内にさらに引き込まれるとともに、溶湯４８が凝固した部分は鋳型４３を抜け出る。結果として、棒状部材５４の周囲に構造体材料が凝固した中間体４１が得られる。

ダミーバー４６の下方への移動にともなって、鋳型４３で冷却されて溶湯４８が凝固した部分が鋳型４３から連続的に送り出される。これにより長尺な中間体４１が連続的に作製される。得られた中間体４１に最初の例と同様に塑性工程、除去工程が施されて、ポーラス構造体が得られる。

上記図８の例は、連続鋳造法のうちバッチ式のいわゆる半連続鋳造法であるが、全連続鋳造法によっても同様に中間体を作製することができる。

図９は、双ロール鋳造法を用いて板状の中間体を形成する例を示している。図９において、双ロール鋳造装置６０は、一対の鋳造ロール６１と、一対のサイド堰６２とを備えている。一対の鋳造ロール６１は、それらの間に所定幅の隙間Ｇを形成した状態で水平に並べて配されている。各鋳造ローラ６１は、駆動機構（図示省略）によって等速で回転駆動され、それらの外周面が上方から隙間Ｇに向かって移動する。一対のサイド堰６２は、各鋳造ロール６１を軸方向に挟むように対向した状態で、各鋳造ロール６１の端面の上部にそれぞれ面接触している。これにより、各鋳造ロール６１の外周面と各サイド堰６２によって、隙間Ｇの上方に貯留部６３が形成される。貯留部６３は、注湯部（図示省略）から供給される溶湯６４を貯留する。

また、双ロール鋳造装置６０には、貯留部６３を通って隙間Ｇに複数の棒状部材６５を鉛直状態で送り込む供給部（図示省略）が設けられている。棒状部材６５は、鋳造ローラ６１の回転軸方向（図９の紙面垂直方向）に一列に並ぶように配列された状態で、隙間Ｇに供給される。

上記の構成により、一対の鋳造ロール６１が回転されると、それら鋳造ロール６１の各外周面上に形成される凝固殻が、隙間Ｇ付近で互いに接触を開始して溶融接合され、隙間Ｇから下方に送り出される。このときに、各棒状部材６５は、貯留部６３を通って隙間Ｇに進むことにより、その周囲の空間が溶湯６４で充たされた状態になる。そして、各棒状部材６５の周囲の溶湯６４が凝固して凝固殻を形成する。隙間Ｇから送出された凝固殻は、冷却水ノズル（図示省略）からの冷却水が吹き付けられることでさらに冷却され、棒状部材６５が内部に配された状態で溶湯６４が凝固する。これにより、板状の中間体６７が作製される。

上記中間体６７の構造体部６７ａは、図１０Ａに示すように、棒状部材６５の軸心方向に延びた板状になっている。この構造体部６７ａは、棒状部材６５が入った複数の孔６７ｂが形成されており、複数の孔６７ｂが一列に並んだ状態に配列されている。このように作製された中間体６７は、塑性加工が施された後に、孔６７ｂから棒状部材６５が除去されることで、図１０Ｂに示すように、板状のポーラス構造体６８となる。ポーラス構造体６８は、複数の気孔６８ａが一列に並んだ状態に配列された板状になっている。

なお、ポーラス構造体の中間体を作製する手法については、例えばヘズレット（Hazelett）法や、プロペルチ（Properzi）法のような従来から知られている鋳造方法を用いることもできる。

上記の各例では、ポーラス構造体の中間体を作製する際に、構造体材料を液体状態とした溶湯を用いたが、本発明は、これに限らず、溶湯に代えて構造体材料を固液共存状態としたセミソリッドスラリーを用いて作製してもよい。図１１は、セミソリッド鋳造方法によってポーラス構造体の中間体を作製する一例を示している。この例では、溶湯７１をセミソリッド化する傾斜冷却盤７２が設けられている。溶湯７１は、構造体材料を完全に溶融することで液体状態としたものであり、構造体材料としては、固液共存状態を取り得る合金が用いられている。傾斜冷却盤７２は、例えばその裏面側に傾斜冷却盤７２を冷却する水路（図示省略）が設けられている。

溶湯７１は、傾斜冷却盤７２上を流れて鋳型７３に注湯される。これにより、溶湯７１は、傾斜冷却盤７２を流下している間に冷却され、初晶が液中に存在する固液共存状態のセミソリッドスラリー７４となり、このセミソリッドスラリー７４が鋳型７３に注湯される。セミソリッドスラリー７４を注湯した後、例えば最初の例と同様に、ホルダ７６に所定の配列で保持させた複数の棒状部材７７を鋳型７３内のセミソリッドスラリー７４に浸漬し、各棒状部材７７の周囲をセミソリッドスラリー７４で充填する。鋳型７３内のセミソリッドスラリー７４がそのまま冷却されて凝固され、中間体が作製される。このように、ポーラス構造体の中間体がセミソリッドスラリー７４から作製される。作製された中間体は、塑性加工が施された後に、孔から棒状部材が除去されることで、ポーラス構造体となる。

上記のように溶湯としてセミソリッドスラリー７４を用いる場合には、そのセミソリッドスラリー７４の温度を、液体状態とした溶湯の温度よりも低くすることができる。このため、棒状部材７７への熱負荷を低減できる。このことは、棒状部材７７の溶損を防止する上で効果的があるとともに、棒状部材７７として融点（または固相線温度）のより低い材料を選択可能にする効果があり、棒状部材７７の材料の選択肢を広げることができる。

上記の例では、セミソリッドスラリーとして、液体状態から温度を下げることで半凝固状態としたスラリーを用いたが、セミソリッドスラリーとして、固体状態の構造体材料の温度を上げることで半溶融状態としたスラリーを用いてもよい。さらに、傾斜冷却盤を用いてセミソリッドスラリーを作製する例について説明したが、これに限定するものではなく、機械的撹拌や電磁撹拌など他のセミソリッドスラリーの作製手法を用いることも可能である。さらに、固液共存状態であれば粒状化したセミソリッドスラリーに限らず、単に固液共存温度域で保持した状態なども可能である。

上記のいずれの連続鋳造によって中間体を作製する場合でも、またセミソリッドスラリーを用いて作製する場合でも、最初の例と同様に、作製された中間体から、方向性気孔が確実に形成され、高い強度を有するポーラス構造体が容易に得られる。

上記では、各棒状部材の径を同じにして、各気孔の径が同じポーラス構造体を作製する例について説明したが、本発明はこれに限らず、形の異なる複数種類の棒状部材を用いて気孔の径が異なるポーラス構造体を作製してもよい。また、前述のように、棒状部材の断面形状、棒状部材の配列、棒状部材の密度を変えることにより、所望とする断面形状の気孔、気孔の配列、気孔率を有するポーラス構造体を作製することができる。

例えば、図１２は、ポーラス構造体８１に径が異なる４種類の気孔８１ａ〜８１ｄを形成した例を示している。円柱形状のポーラス構造体８１には、その中心に最も径が大きな気孔８１ａが形成されている。残りの３種類の径の気孔８１ｂ〜８１ｄは、外側ほど径が小さくなるようにして径ごとに円周状に並べてあり、気孔８１ａを中心に同心円状に配列されている。気孔８１ｂ〜８１ｄは、いずれも周方向に等間隔に並んでいる。

図１３は、角柱形状のポーラス構造体８２に径が異なる３種類の気孔８２ａ〜８２ｃを形成した例を示している。このポーラス構造体８２では、その中央部に径が最も大きな２個の気孔８２ａがポーラス構造体８２の１つの側面に平行な方向に並べて設けられている。気孔８２ａを矩形状に囲むように中間の径を有する気孔８２ｂが矩形状に並べて配され、さらに気孔８２ｂを矩形状に囲むように最小の径の気孔８２ｃが並べて配されている。

図１４は、ハニカム構造としたポーラス構造体８３の例を示している。このポーラス構造体８３には、正六角柱の複数の気孔８３ａを形成してあり、隣り合う各気孔８３ａの周面が互いに平行になるようにしてハニカム配列されている。なお、図１４の例では、気孔８３ａの形状を正六角柱としているが、その他の形状、例えば円柱形状であってもよい。

図１２〜１４のいずれの例においても、棒状部材を残した状態の中間体に対して塑性加工を行うので、孔を潰さないようにする工程を必要とすることなく、気孔が確実に形成され、高い強度を有するポーラス構造体が容易に得られる。ＥＣＡＥ法による塑性加工のように、中間体の断面形状を塑性変形の前後で変えない塑性加工法を用いる場合には、形成すべき気孔の断面形状と同じ大きさ及び形状の棒状部材を形成すべき気孔と同じに配列して中間体を作製し、その中間体からポーラス構造体を作製すればよい。例えば、図１２のポーラス構造体８１を作製する場合には、最も外径の大きな棒状部材を中心に配し、この棒状部材を中心にして、外側ほど外径が小さくなるようにして他の棒状部材を開口径ごとに円状に配列する。また、図１４のポーラス構造体８３を作製する場合には、正六角柱の棒状部材を用い、隣接する棒状部材の周面が互いに平行になるように配列すればよい。

さらに、上記の各例では、横断面の形状が変化しない気孔を有するポーラス構造体を作製する例について説明したが、前述のようにポーラス構造体の気孔の横断面形状が変化してもよい。例えば、図１５にポーラス構造体８５の縦断面を示すように、ポーラス構造体８５の各気孔８６は、内径が一定な管状部８６ａと、内径が管状部８６ａよりも大きい球形をした球形部８６ｂとを有している。このようなポーラス構造体８５を作製する場合には、管状部８６ａに対応した部分が円柱形状とされ、球形部８６ｂに対応した部分が球状にされた棒状部材を用いて中間体を作製することができる。

上記の各例では、ポーラス構造体に形成される複数の気孔のそれぞれが軸心方向（長手方向）に方向性を持つ例について説明したが、気孔の方向性、すなわち延びる方向はこれに限定されるものではない。例えば、複数の気孔が放射状になるように形成することもできる。

１０，６８ポーラス構造体
１２，６８ａ気孔
１４，４１，６７製造中間体
１６，５４，６５，７７棒状部材
１７，６７ｂ孔
２５，４８，６４溶湯
７４セミソリッドスラリー

Claims

複数の方向性気孔を有するポーラス構造体の製造方法において、
配列された複数の棒状部材のそれぞれの周囲の空間を無機材料の溶湯で充たし、この溶湯を凝固させることによって、前記棒状部材と前記棒状部材のそれぞれが内部に入った複数の孔が形成された前記無機材料の構造体部とを有する製造中間体を得る中間体作製工程と、
前記製造中間体に塑性加工を施す塑性加工工程と、
前記塑性加工工程を経た前記製造中間体から前記棒状部材を除去する除去工程と
を有することを特徴とするポーラス構造体の製造方法。
前記塑性加工工程は、ＥＣＡＥ法によって前記製造中間体ワークにせん断変形を与えることを特徴とする請求項１に記載のポーラス構造体の製造方法。
前記溶湯として固液共存状態のセミソリッドスラリーを用いることを特徴とする請求項１または２に記載のポーラス構造体の製造方法。
前記棒状部材は、炭素、ガラスまたはアルミナのいずれかで形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のポーラス構造体の製造方法。
複数の方向性気孔を有するポーラス構造体の製造中間体において、
無機材料で形成された構造体部と、
前記方向性気孔となる前記構造体本体部の各孔内に配された棒状部材と
を備えることを特徴とするポーラス構造体の製造中間体。
前記棒状部材は、炭素、ガラスまたはアルミナのいずれかで形成されていることを特徴とする請求項５に記載のポーラス構造体の製造中間体。