JP2614749B2 - 金属多孔質体の製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は金属多孔質体の製造法とりわけスラリーキャ
スティングを利用した金属多孔質体の製造法に関するも
のである。

〔従来の技術とその技術的課題〕

金属焼結体を製造する場合、従来一般にプレスにより
金属粉を圧縮成形して圧粉体を作り、これを加熱焼結す
る方法が採られている。しかしこの方法は、金型を用い
る関係から形状や寸法に制約があるとともに、製造コス
トが高くなる問題があった。複雑な形状については、熱
可塑性樹脂に金属粉を混合させて射出成形する方法が行
われているが、やはり寸法上の制約があるほか、偏析な
どの成形上の問題や、焼結性の低下などの問題があっ
た。しかも上記方法による場合、開気孔率が低く、流体
の通過、補集等性能を発揮させることができないという
問題があった。

金属粉により多孔質焼結体を得る場合、従来では金属
粉を加圧することなく黒鉛やセラミックの型に充填し、
還元雰囲気中で焼結する方法が採られている。この方法
によれば、多孔率30〜50％のものが得られるが、反面、
強度等の機械的性質が不十分になり、この理由から良好
な通気性を持つ大型、複雑形状の多孔質焼結体を得るこ
とが難しいという問題があった。

この対策として特開昭62−267402号公報には、金属粉
末とエチルシリケート加水分解物からなるバインダとの
混合試料をスリップキャストにより成形して乾燥したの
ち、この成形体を大気雰囲気中で酸化処理し、それによ
り金属粒子を膨脹して基地同士を連結させ、その後に還
元性雰囲気で焼結する活性化焼結方法が提案されてい
る。しかし、この先行技術は酸化処理という特別な工程
を必要とするため、コストが高くなるとともに生産能率
が低下するという問題があった。

本発明は前記のような問題点を解消するために創案さ
れたもので、その第１の目的は、フィルタ、真空成形等
の通気性を必要とする型、浮上定盤、空気軸受、流体噴
射電極、砥粒混合スラリ噴出用定盤、真空チャックなど
に好適な良好な気孔率と機械的性質を兼ね備え、大型、
複雑形状の多孔質焼結体をも簡単かつ安価に製造できる
方法を提供することにある。

また本発明の第２の目的は、自由面に垂直状に連続配
向の気孔を持ち、真空チャックなどに好適な表面多孔質
焼結体を簡単かつ安価に製造することができる方法を提
供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記第１の目的を達成するため本発明は、焼結材料と
して、基地金属粉とこれと同系統の材料からなる金属繊
維を主体とし、これに焼結温度において液相を形成して
他の成分に加散しつつ焼結が進行する低融点金属からな
る粉または繊維を添加した配合を使用し、該配合にバイ
ンタとしてエチルシリケート加水分解物を加えてスラリ
ー状試料を作成し、このスラリー状試料を型内に流し込
み成形して硬化物を得しめ、該硬化物を乾燥後、非被酸
化性雰囲気中で前記低融点金属からなる粉または繊維が
液相焼結する温度にて加熱、焼結する構成としたもので
ある。

また、第２の目的を達成するため本発明は、焼結温度
において液相を形成して他の成分に加散しつつ焼結が進
行する低融点金属からなる金属繊維を静電植毛で一方向
に整列させたプリフォームを型内に設置し、焼結可能な
一種又は複数種の金属粉にバインダとしてエチルシリケ
ート加水分解物を加えたスラリー状試料若しくは焼結可
能な一種又は複数種の金属粉と金属繊維にバインダとし
てエチルシリケート加水分解物を加えたスラリー状試料
を前記プリフォーム中に流し込み成形してプリフォーム
と一体化した硬化物を得しめ、該硬化物を非酸化性雰囲
気中で前記低融点金属からなるプリフォーム繊維が液相
焼結する温度にて加熱、焼結する構成としたものであ
る。

以下本発明を詳細に説明する。

本発明は、焼結材料として焼結可能な基地金属粉と、
これと同系統の材料からなる金属繊維を主体とし、これ
に焼結温度において液相を形成して他の成分に加散しつ
つ焼結が進行する低融点金属からなる粉または繊維を添
加した混合物を用い、これにバインダとしてエチルシリ
ケート加水分解物を加えてスラリー状試料を作る。

まず、前記基地金属粉ならびに金属繊維は、たとえば
Fe、Cu、Ni、Co、Alおよび各種合金を含み、これらのう
ちから一種もしくは複数種を選択して使用する。

金属繊維は長繊維でもよいが、ファイバーボールを形
成しやすいことを考えると、アスペクト比が50以下の短
繊維が実用的であり、その短繊維としては、細線を切断
したもの、ビビリ振動切削法により作成したものなど任
意である。金属繊維は、通常５〜50wt％の範囲で金属粉
に添加されるのが適当であり、これにより金属粉とバイ
ンダの分散が改善され、乾燥および焼結時のクラツク発
生が防止される。金属繊維は、基地材料としての金属粉
よりも高特性の繊維でもよいが、成形性および機能向上
の面から、基地金属粉と同系統の材質を用い、自己繊維
強化型とするのである。

また、本発明は焼結温度において液相を生成し、これ
が他の成分に加散しつつ焼結が進行するように多種の金
属粉または金属繊維を添加材として加える。このような
液相を生じて加散焼結が進行する場合、固溶体生成によ
る焼結の促進（活性化焼結）に加え、液相成分が固相粒
子に拡散することで気孔を生ずることになり、後記する
バインダ中の蒸発成分が肉厚を貫いて放散することによ
る気孔生成作用とあいまって気孔率の確保に役立つ。

液相が生ずる成分としては、銅、銅合金、錫などの低
融点材料が挙げられる。その添加量は概ね４〜20wt％が
適当である。たとえば、鉄粉に対し、銅粉を4wt％添加
して約835℃で焼結を行うと、銅は溶融し、液相を生じ
つつ鉄中に拡散・固溶し、銅の体積は消失して空隙を生
ずる。さらに1098℃においては、約８％の銅が溶融し、
液相を生じつつ鉄中に拡散・固溶し、空隙を生ずる。

液相を生ずる成分が繊維であれば、生じた気孔は一定
の長さと径を持ち、さらに互いに交差していれば、気孔
も連続気孔となる。繊維が消失したあとの気孔は、粒子
状の金属が消失した後に残る気孔と比べ、はるかに流体
（気体、液体）の抵抗ないし圧損が小さいため効果的で
ある。

次に、本発明は、バインダとして自硬性液体バインダ
とりわけエチルシリケート加水分解物を使用する。この
第１の理由は、触媒作用により急激なゲル化が起こり、
短時間のうちに流動状態から非流動状態に移行する性質
を持つからである。すなわち、これをバインダとして使
用すれば、硬化触媒の添加量を調整することによりエチ
ルシリケート加水分解物と金属粉末等を混合して得られ
たスラリー状試料を型内に流し込み成形するまでは、流
し込みやすい流動性を有し、成形後は速やかに成形体を
離型できる強度に固化されることができ、生産性が良く
なるからである。

また、第２の理由は、エチルシリケート加水分解物の
ゲル化体は、シリカ分が約20％、残り80％はエチルアル
コールであり、したがってこれをバインダとして成形し
た硬化体を乾燥されることによりエチルアルコール分が
蒸発し、その部分が微細な連成気孔となり、焼結体の気
孔生成に寄与できるからである。

一般にバインダ量は10〜30wt％の範囲から適当に選択
されるが、バインダ使用量はできるだけ少量とし、振動
を加えなければ流動化しない程度を基準とする。しか
し、作業性の面からスラリー状試料の流動性を良くする
にはバインダ量が多いほうが望ましい。しかしこの場合
は偏析が生じて形状不良を起しやすくなり、除去量が多
くなるためコスト的には好ましくない。なお、スラリー
状試料の作成に際して、必要に応じ消失性有機物を適量
添加してもよい。

次に本発明は、前記のように得られたスラリー状試料
を所望の型に流し込み、硬化させる。そして、その硬化
物を炉に装入して、非酸化性雰囲気にて加熱・焼結す
る。

流し込み成形のため形状や寸法の自由度が高く、平板
状だけでなく、筒状、曲面状その他各種３次元のものを
自由に形成できる。流し込み成形はバインダ量に応じて
真空混練注形、加振注形などが採用されるが、バインダ
量を多くした場合には重力注形でもよい。この場合に
は、型内のスラリー状試料をパンチ等により加圧するこ
とが効果的である。

すなわち、加圧により試料中の余剰バインダを系外に
流出除去することができ、混練中に混入した気泡を除去
できるため、形状不良の少ない成形体を得ることができ
る。加えて、金属粉同士の接触も大きくなるため、焼結
の促進も期待できる。しかし、過度に加圧することは、
粉体の塑性変形をもたらすので好ましくないとともに、
加圧機械の構造を高剛性にしたり、大型化する必要が生
じる。したがつて、一般には、加圧力は面圧約600kgf/c
m²以下の低加圧力が適当であり、下限は約3kgf/cm²であ
る。このような低圧流動加圧成形により欠陥の少ない成
形体を簡単な機械構造で、安価に製造できる。

乾燥は自然乾燥、真空乾燥など任意であり、焼結は水
素、アンモニア分解ガス、窒素ガスなどを用い、バッチ
炉、連続炉等の通常の焼結炉で実施すればよい。

以上が本発明の基本的手法であるが、さらに本発明は
次のような手法で連続配向気孔焼結体を製造する方法も
含む。すなわちこの方法は、金属粉と液相焼結する低融
点金属からなる繊維を一方向に配向させたプリフォーム
を利用し、これに焼結可能な一種又は複数種の金属粉に
バインダとしてエチルシリケート加水分解物を加えたス
ラリー状試料若しくは焼結可能な一種又は複数種の金属
粉と金属繊維にバインダとしてエチルシリケート加水分
解物を加えたスラリー状試料を流し込み成形するのであ
る。

この場合、金属繊維は長繊維、短繊維のいずれでもよ
いが、厚肉焼結体でない場合は開孔面積が大きいため短
繊維で足りる。金属繊維の配向方法は静電植毛を利用す
る。すなわち、第１図で例示するように、一対の平行電
極の下部電極上に焼結温度で液相を生成する成分からな
る繊維１を置き、予め上部電極３には接着剤５を塗布し
た基材４を設置しておく。基材４は消失性の有機物たと
えば紙、布、樹脂や木の薄い板などが用いられる。

そしてこの状態で下部電極２に高電圧をかける。これ
により電界が生じ、繊維１は分極して上部電極３側に−
電荷が、反対側に＋電荷が生じ、それぞれ電極吸引力を
受けて直立する。繊維１の下端が下部電極２と接触する
と、＋電荷が中和されて等電位となるため下部電極２か
らの吸引力がなくなり、上部電極からの吸引力により繊
維１は上部に飛しょうする。これにより飛しょうした繊
維１は接着剤５により固定され、配向繊維プリフォーム
となる。

この配向繊維プリフォームを型内に配置し、前記した
ものと同じスラリー状試料を流し込む。スラリー状試料
は配向繊維１に浸透し、この状態で硬化一体化する。そ
して、この硬化物を乾燥後、加熱、焼結する。これによ
り配向繊維は液相となって固相粒子に拡散（溶浸）し、
溶浸による空隙により一方向に配向した連続配向気孔が
生成される。この気孔径は配向繊維の太さにより自由に
設定できる。

〔実 施 例〕

次に本考案の実施例を比較例とともに示す。

比較例 金属粉として還元鉄粉（350メッシュピーク）、金属
繊維としてアスペクト比が50以下の鉄ファイバを用い、
還元鉄粉に対する金属繊維を0,5,10,20,30,50部の配合
として十分混合し、これにエチルシリケート加水分解物
を15,17,20部混合してスラリー状試料を作り、これを型
に流し込み、20×20×100mmの成形体を作った。乾燥に
より成形体中のアルコール分を除去したのち、水素雰囲
気中で1100〜1150℃、１〜３時間焼結した。

この結果を示すと第２図のとおりであり、還元鉄粉単
体に比べ、同系繊維を添加すると気孔率が増加すること
がわかる。注目すべき点として、金属繊維10％添加にお
いて、気孔率の増加とともに、強度の向上も認められ、
機械的性質も良くなつていることがあげられる。

実施例１ 比較例の基本配合に、さらに銅粉（350メッシュピー
ク）を4,8,20部添加したほか、他を実施例１と同じにし
て多孔質焼結体を得た。

この焼結体は、第３図のＰで示されており、銅粉添加
より第２図の比較例の場合よりも基地の強化が促進さ
れ、同一気孔率であっても強度が向上していることがわ
かる。

さらに、銅粉に代えて銅繊維を4,8,20％添加したほ
か、他を実施例１と同じにして多孔質焼結体を得た。第
３図のＦで示されるように、銅粉添加よりもさらに基地
の強化が促進されると同時に、同一銅添加量であって
も、添加銅の形状特性から銅粉の場合よりもさらに気孔
率が向上している。

これら実施例において、成形時にスラリー状試料にパ
ンチで加圧力を加えてみた。この影響を第４図に示す。
この図から、流動性がよくしかも余分なバインダを除去
でき、より完全な成形体が得られることがわかる。な
お、実施例１と実施例２の方法により、300×300×50mm
という大型の多孔質焼結体を製造できることが確認され
た。

実施例２ アスペクト比が50以下の銅ファイバを静電植毛法（UP
法）により一方向に配向させてプリフォームを得た。

一方、鉄粉（350メッシュピーク）100〜50部、鉄ファ
イバ０〜50部、銅ファイバ0,4,8,20部の配合物にエチル
シリケート加水分解物を混合してスラリー状試料を作つ
た。

前記プリフォームを型内に設置し、スラリー状試料を
注形、固化させて50mmφ、120mmφ×30mmの円盤状成形
体を得た。乾燥により成形体中のアルコール分を除去し
たのち、水素雰囲気中で1150℃×１時間焼結した。

このときの成形体の組織と焼結後組織は第５図（ａ）
（ｂ）、第６図（ａ）（ｂ）のとおりであり、プリフォ
ームの銅ファイバの溶浸により、表面に垂直に配向した
連続気孔が形成されていることがわかる。この実施例の
焼結体は、たとえば吸着盤等に使用した場合、接触面の
開孔面積が大きいため良好な吸着力を示す同時に、良好
な導電性を備え、かつ気孔径が小さいため被吸着材に対
するダメージも小さくでき、たとえばシリコンウエハ等
の鏡面研削用真空チャック類に好適である。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明によるときには、焼結材料とし
て、基地金属粉とこれと同系統の材料からなる金属繊維
を主体とし、これに焼結温度において液相を形成して他
の成分に加散しつつ焼結が進行する低融点金属からなる
粉または繊維を添加した配合を使用し、該配合にバイン
ダとしてエチルシリケート加水分解物を加えてスラリー
状試料を作成し、このスラリー状試料を型内に流し込み
成形して硬化物を得しめ、該硬化物を乾燥後、非被酸化
性雰囲気中で前記低融点金属からなる粉または繊維が液
相焼結する温度にて加熱、焼結する工程としており、基
地金属粉に同系統の繊維を添加したことで充填が緻密化
されることにより強度が向上するとともに、繊維の添加
によって金属粉とバインダの分散が改善されて気孔率が
向上し、しかも、焼結温度において液相を形成する低融
点金属からなる粉または繊維を添加しているため、加
熱、焼結時にそれら粉または繊維が溶解固溶するため焼
結が促進されて基地の強化が促進され、それと同時に液
相成分が固相粒子に拡散することにより空間（気孔）が
生成されるため、気孔率が向上し、それにより気孔率と
強度の双方が良好な焼結体とすることができ、しかもい
ちいち酸化処理といった特別な工程を介在させずに実現
できるため、コストと製造能率を向上することができる
というすぐれた効果が得られる。

また、本発明は、焼結温度において液相を形成して他
の成分に加散しつつ焼結が進行する低融点金属からなる
金属繊維を静電植毛で一方向に整列させたプリフォーム
を使用してこれを型内に設置し、焼結可能な一種又は複
数種の金属粉にバインダとしてエチルシリケート加水分
解物を加えたスラリー状試料若しくは焼結可能な一種又
は複数種の金属粉と金属繊維にバインダとしてエチルシ
リケート加水分解物を加えたスラリー状試料を前記プリ
フォーム中に流し込み成形してプリフォームと一体化し
た硬化物を得しめ、該硬化物を非酸化性雰囲気中で前記
低融点金属からなるプリフォーム繊維が液相焼結する温
度にて加熱、焼結するようにしているため、プリフォー
ムを構成する一方向に整列させた低融点金属の静電植毛
繊維層にスラリー状試料が浸透し、この状態で硬化一体
化し、それを加熱焼結することにより一方向に整列させ
た静電植毛繊維が液相となって固相粒子に溶浸するため
配向気孔が創成され、表面に垂直に配向した連続気孔を
持つ多孔質焼結体を簡単に製造することができる。そし
て、気孔径も配向繊維の太さにより自在に設定すること
ができるため、大型真空チャックなどを安価に量産する
ことができるものとすることができるというぐれた効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明におけるプリフォーム製作法を示す説明
図、第２図は本発明の比較例としての金属多孔質焼結体
の強度と気孔率の関係を示すグラフ、第３図は本発明に
よる多孔質焼結体の強度と気孔率の関係を示すグラフ、
第４図はスラリー状試料の成形時に成形圧を加えた場合
の影響を示すグラフ、第５図（ａ）はプリフォームを用
いた場合の未焼結段階の組織写真、第５図（ｂ）は同じ
くその平面的組織写真、第６図（ａ）は焼結体の組織写
真、第６図（ｂ）は同じくその平面的組織写真である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中川 威雄 神奈川県川崎市中原区市ノ坪223―４ (56)参考文献 特開 昭62−267402（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】焼結材料として、基地金属粉とこれと同系
   統の材料からなる金属繊維を主体とし、これに焼結温度
   において液相を形成して他の成分に加散しつつ焼結が進
   行する低融点金属からなる粉または繊維を添加した配合
   を使用し、該配合にバインタとしてエチルシリケート加
   水分解物を加えてスラリー状試料を作成し、このスラリ
   ー状試料を型内に流し込み成形して硬化物を得しめ、該
   硬化物を乾燥後、非被酸化性雰囲気中で前記低融点金属
   からなる粉または繊維が液相焼結する温度にて加熱、焼
   結することを特徴とする金属多孔質体の製造法。
2. 【請求項２】焼結温度において液相を形成して他の成分
   に加散しつつ焼結が進行する低融点金属からなる金属繊
   維を静電植毛で一方向に整列させたプリフォームを型内
   に設置し、焼結可能な一種又は複数種の金属粉にバイン
   ダとしてエチルシリケート加水分解物を加えたスラリー
   状試料若しくは焼結可能な一種又は複数種の金属粉と金
   属繊維にバインダとしてエチルシリケート加水分解物を
   加えたスラリー状試料を前記プリフォーム中に流し込み
   成形してプリフォームと一体化した硬化物を得しめ、該
   硬化物を非酸化性雰囲気中で前記低融点金属からなるプ
   リフォーム繊維が液相焼結する温度にて加熱、焼結する
   ことを特徴とする金属多孔質体の製造法。