專利名稱：多孔金屬制造方法
技術領域：
本發明涉及多孔金屬制造方法。
背景技術：
關于多孔金屬和它的制造方法是眾所周知的。例如美國專利5,181,549號說明書發表了在熔融的金屬原料中，在加壓條件下溶入氫氣或含有氫氣的的氣體，然后邊控制溫度和壓力邊使其冷卻凝固，以此來制造多孔金屬的方法。
可是在這種方法中存在有很大的問題，即，(1)為了得到具有優良性能的多孔金屬，作為原料要使用超高純金屬；(2)在作為原料的金屬中含有氧、氮、氫等夾雜物情況下，由于會殘存在多孔金屬中，對多孔金屬的性能有害，限制了它的應用范圍；(3)作為溶解在熔融金屬中的氣體，使用氫氣或含有氫氣的氣體，所以金屬的種類僅限于因吸附氫而不使性能惡化的金屬等。

發明內容
本發明人鑒于現有多孔金屬制造技術中上述的問題，研究結果發現，金屬原料在熔融前和熔融過程中，通過預先把金屬中含有的夾雜物含量減少到規定值以下，最終可以得到高質量的多孔金屬。
也就是本發明提供下述多孔金屬的制造方法。
1.具有下述工序的多孔金屬制造方法(1)把金屬保持在從常溫到低于金屬的熔點的溫度范圍，在減壓條件下放置在密閉的容器內，使金屬原料脫氣的工序；
(2)向上述密閉容器內送入氣體，在加壓的條件下使金屬原料熔融，同時使氣體溶解到熔融金屬中的工序；(3)控制上述密閉容器內的氣體壓力和熔融金屬溫度，同時使熔融金屬在鑄模內冷卻凝固，成為多孔金屬的工序。
2.上述第1項中的多孔金屬制造方法金屬從鐵、銅、鎳、鈷、鎂、鈦、鉻、鎢、錳、鉬、鈹，以及至少含有其中一種金屬的合金中選擇。
3.上述第1項中的多孔金屬制造方法工序(1)中的減壓條件為10-1Torr以下。
4.上述第3項中的多孔金屬制造方法工序(1)中的減壓條件為10-1～10-6Torr范圍。
5.上述第1項中的多孔金屬制造方法工序(1)中，使金屬材料保持在比金屬的熔點低50～200℃的溫度范圍。
6.上述第1項中的多孔金屬制造方法工序(2)和工序(3)中使用的氣體，為氫氣、氮氣、氬氣和氦氣中的至少一種。
7.上述第1項中的多孔金屬制造方法工序(2)中的加壓條件為0.1～10MPa的范圍內。
8.上述第7項中的多孔金屬制造方法工序(2)中的加壓條件為0.2～2.5MPa的范圍內。
9.上述第1項中的多孔金屬制造方法工序(3)中，從密閉容器向設有冷卻裝置的鑄模內裝入熔融金屬。
10.上述第1項中的多孔金屬制造方法工序(3)中，采用連續鑄造的方式使熔融金屬的冷卻凝固。
附圖簡要說明

圖1為表示根據本發明制造多孔金屬簡要過程的流程圖。
圖2為表示鐵-氮相轉變的狀態圖。
圖3為表示溶入氣體的熔融金屬在冷卻凝固過程中，固相和液相的氣體溶解特性的示意圖。
圖4為詳細表示在純鐵(99.99％)熔點附近氮氣溶入純鐵的溶解量的狀態圖。
圖5為表示采用不同分壓的氮氣-氬氣混合氣體加壓時，熔解純鐵(99.99％)，在鑄造時得到的多孔鐵材料中的氣孔率和氮氣/氬氣分壓比的關系的曲線圖。
圖6為表示采用不同分壓的氮氣-氬氣混合氣體加壓時，熔解純鐵(99.99％)，在鑄造時得到的多孔鐵材料中的氣孔率和氮氣分壓的關系的曲線圖。
圖7為表示采用不同分壓的氮氣-氬氣混合氣體加壓時，熔解純鐵(99.99％)，在鑄造時得到的多孔鐵材料中的氮含量和氮氣分壓的關系的曲線圖。
圖8為表示本發明使用的制造多孔金屬裝置概要的斷面圖。
圖9為簡要表示在底部設有冷卻裝置的鑄模的圖示。
圖10為簡要表示在內表面設有冷卻裝置的圓筒形鑄模的圖示。
圖11為簡要表示本發明中使用連續鑄造方式制造多孔金屬的裝置的斷面圖。
圖12為簡要表示用連續鑄造方法制造棒狀或長板狀多孔金屬材料的裝置的圖示。
圖13為簡要表示用連續鑄造方法制造棒狀或長板狀多孔金屬材料的裝置的圖示。
圖14(a)～(h)為表示用本發明的方法制造得到的各種形態的多孔金屬材料切下一部分的軸向視圖。
圖15為表示在0.8MPa的氫氣-氬氣混合氣體加壓條件下，在1250℃使其溶解而得到的4種多孔銅材料的氣孔率與氣體的分壓比關系的曲線圖。
圖16為表示在0.8MPa的氫氣-氬氣混合氣體加壓條件下，在1250℃使其溶解而得到的4種多孔銅材料氣孔分布狀態的電子化處理圖象(相當于光學顯微鏡照片)。
圖17為表示具有圖14(c)形狀的圓柱形多孔銅材料縱斷面的電子化處理圖象(相當于12.5倍的光學顯微鏡照片)。
圖18為表示在1.5MPa的氮氣-氦氣混合氣體加壓條件下，在1650℃使其溶解而得到的多孔普通鋼材料的氣孔率與氣體的分壓比關系的曲線圖。
圖19為表示在4種改變氣體分壓比的氮氣-氦氣混合氣體加壓條件下，在1650℃使其溶解而得到的多孔普通鋼材料的4種氣孔分布狀態的電子化處理圖象(相當于光學顯微鏡照片)。
圖20為表示在0.8MPa的氮氣-氦氣混合氣體加壓條件下，在1600℃使其溶解而得到的多孔鎳材料(氣孔率17％)的氣孔分布狀態的電子化處理圖象(相當于光學顯微鏡照片)。
圖21為表示在0.9MPa的氫氣-氬氣混合氣體加壓條件下，在1250℃使其溶解，得到圓筒形的多孔銅材料的電子化處理圖象(相當于光學顯微鏡照片)。
圖22為表示圖21的圓筒形多孔銅材料厚度方向氣孔形狀的電子化處理圖象(相當于光學顯微鏡照片)。
圖23為表示圖21的圓筒形多孔銅材料表面狀態的電子化處理圖象(相當于光學顯微鏡照片)。
圖24為表示在0.5MPa的氫氣-氬氣混合氣體加壓條件下，在1250℃使其溶解，得到圓筒形的多孔銅材料的電子化處理圖象(相當于光學顯微鏡照片)。
圖25為表示圖24的圓筒形多孔銅材料厚度方向氣孔形狀的電子化處理圖象(相當于光學顯微鏡照片)。
圖26為表示圖24的圓筒形多孔銅材料表面狀態的電子化處理圖象(相當于光學顯微鏡照片)。
圖27為表示在0.8MPa的氫氣-氬氣混合氣體加壓條件下，在1250℃使其溶解，得到的多孔銅圓筒體(直徑約100mm)斷面的電子化處理圖象(相當于光學顯微鏡照片)。
發明的實施方式在本發明中如圖1所示，首先把制造多孔材料的原料的金屬放在密閉結構的容器中，通過在減壓條件下從常溫保持到熔點以下溫度，使金屬原料脫氣[工序(1)]。
然后把脫氣后的金屬材料在用選定的氣體加壓的條件下加熱，使其熔融同時使氣體溶解到熔融金屬中[工序(2)]。
再根據金屬原料和加壓氣體的種類，通過邊控制密閉容器內氣體壓力和熔融金屬的溫度，邊使熔融金屬冷卻凝固，制成所需要的多孔金屬[工序(3)]。
作為金屬原料可以使用金屬鐵、銅、鎳、鈷、鎂、鋁、鈦、鉻、鎢、錳、鉬、鈹，以及至少含有其中一種金屬的合金。
也可以將由兩種以上單獨的金屬適當組合的金屬原料放在密閉容器中進行脫氣。或者作為金屬原料，可以把至少一種單獨的金屬和至少一種合金一起使用，也可以2種以上合金同時使用。在這樣的情況下，在后面介紹的熔融過程中，形成合金，最終得到多孔合金材料。
工序(1)中的減壓條件根據金屬原料的種類、金屬原料中含有的必須去除的夾雜成分(氧、氮、氫等)而不同，一般為10-1Torr以下，最好為10-1～10-6Torr范圍內。減壓不充分時，殘存的夾雜成分對多孔金屬的耐蝕性、抗化學藥品性、韌性等不利。另外進行過度減壓時，多孔金屬性能有一定改善，但裝置的制造成本和運行成本增加，這是不希望的。
在工序(1)中金屬原料的保持溫度為從常溫到低于金屬原料熔點(同時使用兩種以上金屬時，要低于最低的熔點)范圍內，希望比熔點低50～200℃左右。脫氣是在常溫把金屬原料裝入密閉容器內后，升高溫度，這樣容易操作。為了提高脫氣效果，希望在工序(2)開始前達到低于金屬原料熔點的盡可能高的溫度。在提高工序(1)的金屬原料保持溫度情況下，可以縮短后面要講的金屬熔融需要的時間。
在工序(1)中金屬保持的時間可根據金屬中夾雜物的種類和含量，以及要求脫氣的程度適當選定。
脫氣處理后的金屬原料在下面的工序(2)中在加壓條件下熔融。作為加壓用的氣體使用氫氣、氮氣、氬氣、氦氣中的至少一種。
如果特別要重視安全的話，加壓的氣體希望使用氮氣、氬氣、氦氣其中至少一種。為了更準確控制多孔金屬內的孔的尺寸和氣孔率，希望使用氮氣-氬氣混合物、氮氣-氦氣混合物或氮氣-氬氣-氦氣混合物。
在工序(2)的加壓條件下，部分氣體溶解在熔融金屬中。如圖2的金屬-氣體狀態圖所示，希望在熔融金屬中，能夠溶解包括在給定壓力下共晶點C3形成量的一定范圍含量的氣體。熔融金屬中氣體溶解量要考慮金屬的種類、氣體的種類和氣體的壓力、所需要的多孔金屬的孔的結構等來決定。
工序(2)中的加壓條件要根據金屬的種類、最終得到的多孔金屬中孔的形狀、孔徑、氣孔率等來決定，一般為0.1～10MPa左右，最好在0.2～2.5MPa左右。
雖然加壓用的氣體只要對最終得到的多孔金屬的特性無害，均可從上述的氣體中選擇，但是金屬和氣體之間有適宜的組合。這樣的組合有，例如鐵-氮氣/氬氣(所謂“氮氣/氬氣”是指氮氣和氬氣的混合物，以下相同)、鐵-氮氣/氦氣、鐵系合金(工業用純鐵、普通鋼、不銹鋼等)-氮氣/氬氣、鐵系合金(普通鋼、不銹鋼等)-氮氣/氦氣、銅-氬氣、銅-氫氣、銅-氫氣/氬氣、鎳-氮氣/氬氣等。
溶解了氣體的熔融金屬隨后送到工序(3)，被冷卻凝固。如圖3的示意圖所示，金屬中氣體溶解量在熔點的上下顯著不同。也就是熔融狀態的金屬雖然溶解大量的氣體，但隨溫度降低開始凝固的話，氣體溶解量急劇減少。因此通過適當控制熔融金屬的溫度和其氣氛的氣體壓力，同時在一定方向上使熔融金屬凝固，則在固相/液相界面附近的固相部分中，由于在液相部分中過飽和溶解的氣體析出可以形成氣泡。這樣的氣泡與金屬的凝固同時生成，所以在固相部分形成大量氣孔。在此工序(3)中如下所述，通過控制熔融金屬的冷卻速度或凝固速度，而且適當調整凝固氣氛的氣體組成(氮氣/非活性氣體的混合比)和氣體的壓力(壓力增加、保持等壓、或減小壓力)，能夠得到任意控制氣孔形狀、氣孔孔徑、氣孔率等的多孔金屬。
圖4為詳細地表示在2.3MPa的氮氣-氬氣混合氣體加壓條件下，純鐵(99.99％)中氮的溶解量(左側縱軸表示液相中的濃度，右側縱軸表示固相中的濃度)變化的曲線圖。
從圖4可以看出，在純鐵從熔融到凝固的過程中，液態鐵和固態鐵的氮的溶解度急劇而且不規則地變化。即使是固態鐵，隨溫度的降低，會發生從δ相經過γ相到α相順序的同素異構轉變，氮溶解量也要發生變化。利用這樣的氮溶解量的差，通過在γ相中析出的氮氣，可以在固態鐵中形成氣泡。作為加壓的氣體使用氮氣-非活性氣體的混合物、氫氣-氮氣混合物、氫氣-非活性氣體混合物、氫氣-氮氣-非活性氣體混合物代替氮氣的情況下，同樣也可以發現此現象，所以同樣能夠得到多孔鐵材料。此外作為金屬的種類，使用鋼等的鐵系合金、銅和銅合金、鎳和鎳合金，以及上述列舉的各種金屬和它們的合金的情況下，也發生同樣的現象，所以用同樣的方法能夠得到各種金屬的多孔材料。
一般，在一定壓力下制造多孔金屬時，認為在金屬-氣體系中的氣體原子濃度和氣孔形成的狀態(氣孔的分布、氣孔的直徑等)之間，有一定的相關關系。因此設想在圓筒形狀鑄模內，從圓周面方向冷卻溶解氣體的金屬(金屬-氣體系)，觀察得到的圓筒形金屬的斷面。此時適當進行冷卻的話，無論在什么位置的斷面都能得到幾乎相同的結果。
首先如圖2所示，氣體原子濃度C1比共晶成分C3低得多的情況下，在從溫度T1到TE的冷卻過程中，從鑄模內表面向中心方向形成一定厚度的無氣孔的金屬固態以后，在從溫度TE到更低溫度的冷卻過程中，在中心區域形成多孔金屬相(參照斷面C1)。
氣體原子濃度C2在共晶成分C3和C1之間的情況下，在從溫度T2到TE的冷卻過程中，從鑄模內表面向中心方向形成厚度更窄的無氣孔的金屬固態以后，在從溫度TE到更低溫度的冷卻過程中，在更寬的中心區域形成多孔金屬相(參照斷面C2)。
金屬-氣體系在具有共晶成分C3的情況下，由于在溫度TE時金屬開始凝固，同時形成氣孔，所以不形成無氣孔的固態金屬。因此氣孔直徑比較整齊(參照斷面C3)。
氣體原子濃度C4比共晶成分C3高的情況下，在從溫度T4到TE的冷卻過程中，在液相中形成的大的氣孔，在溫度TE時金屬開始凝固。在從溫度TE到更低溫度的冷卻過程中，形成小的氣孔。因此在這種情況下，形成含有不同大小氣孔的多孔金屬相，不形成無氣孔固態金屬。(參照斷面C4)。
圖5為表示采用氮氣-氬氣混合氣體加壓時制造的多孔純鐵(99.99％)的氣孔率變化示例的曲線圖。從圖5可以看出，在氬氣壓力一定的情況下，隨氮氣壓力的增加多孔材料的氣孔率增加。相反，在氮氣壓力一定的情況下，隨氬氣壓力的增加多孔材料的氣孔率降低。如3條虛線所示，多孔材料的氣孔率具有隨混合氣體總的壓力的增加而增加的傾向。
圖6為表示采用氮氣-氬氣混合氣體在一定的加壓壓力(2.1MPa)下，制造的多孔純鐵(99.99％)，氣孔率變化示例的曲線圖。從圖6可以看出，在壓力一定的條件下，隨氮氣分壓的增大多孔材料中的氣孔率增加。綜合圖5和圖6可以看出，氮氣對多孔材料中氣孔率的增加貢獻較大。用氮氣-氦氣混合氣體代替氮氣-氬氣使用的情況下，也能得到同樣的效果。
從圖5和圖6所示的結果可以看出，通過調整加壓氣氛氣體的成分，能夠控制多孔金屬的氣孔率。
圖7為表示采用氮氣-氬氣混合氣體在一定的加壓壓力(2.1MPa)下，制造的多孔純鐵(99.99％)中氮氣含量。隨氮氣分壓的提高，多孔材料中氮含量也隨之增加，氮氣分壓約1MPa時達到飽和。雖然在得到的多孔純鐵中的氮含量高，但是其中大部分濃縮在氣孔表面非常薄的表層，在純鐵內部僅僅在α相中分散含有微量的Fe4N。也就是如同得到的多孔材料包括氣孔表面的整個表面進行了氮化處理一樣，硬度明顯改善。這樣的多孔材料的整體盡管含有大量的氮，在它的內部僅有微量的Fe4N，這種特殊的性狀推測是由于隨著從液相向固相(δ相、γ相、α相)轉變，氮的溶解量產生微妙變化而得到的。
根據本發明得到的多孔金屬其他的各種性能(強度、韌性、切削性能、加工性能、焊接性能、振動衰減性能、高的比表面積等)也優良。例如本發明的多孔金屬材料與金屬原料相比，比強度(強度/重量)提高20～30％左右，維氏硬度大約提高3倍左右。
通過把根據本發明得到的鐵系多孔金屬再進行淬火處理，與淬火之前相比，其維氏硬度可以提高大約2倍左右。
圖8為表示本發明中使用的制造多孔金屬裝置示例的斷面圖。
圖8所示的裝置在上下方向設置有主要結構部分的金屬原料加熱熔解裝置1和熔融金屬冷卻凝固裝置2。
金屬原料加熱熔解裝置1設置有金屬熔解槽4、感應加熱線圈7、閉鎖裝置8、脫氣管31、進氣管9和排氣管10。在工序(1)中，把金屬原料裝入熔解槽4內以后，將閉鎖裝置8置于閉鎖位置，使熔解槽處于密閉狀態，然后啟動真空泵(圖中沒有表示)從脫氣管31抽出熔解槽4內的氣體，達到規定的減壓狀態。然后給感應加熱線圈7通電，在減壓條件下按規定的加熱曲線加熱金屬原料。通過在這樣的減壓條件下的加熱處理，使金屬原料中的氧、氮等雜質氣體成分大幅度減少。其結果最終得到的多孔金屬的氣體含量也大幅度降低。
然后從進氣管9向熔解槽4上部空間3-b內送入氣體，同時將從金屬原料放出的雜質成分氣體從排氣管10清除到熔解槽外。
在工序(2)中在關閉排氣管10的狀態下，從進氣管9向熔解槽4的上部3-b內送入規定的氣體，使熔解槽4內升壓到規定的壓力的同時或升壓以后，利用給感應線圈7通電使金屬溶解。工序(2)中加壓用的氣體和工序(1)中清除的氣體，成分可以相同也可以不同，從簡化供氣裝置和容易實施供氣操作的角度來看，希望成分相同。通過在這樣的加壓條件下的金屬的熔解，如圖3和圖4所示，大量的氣體溶解到金屬中。
然后提升閉鎖裝置8，經過溶解金屬注入口11，溶解了氣體的熔融金屬3-a裝入設置在熔融金屬冷卻凝固裝置2底部的鑄模5內，成為多孔金屬。在裝入熔融金屬之前，在熔融金屬冷卻凝固裝置2中，預先從供氣管12送入規定的氣體，在其內部保持規定的壓力。利用適當地開閉供氣管12和排氣管13，能夠容易地控制熔融金屬冷卻凝固裝置2內的氣體壓力。另一方面裝入設有冷卻機構6的鑄模5內的熔融金屬冷卻速度的控制，可以通過控制從進水管14提供水等冷卻介質(由于一般是使用水，所以下面就寫成“水”)的量和從排水管15排出的冷卻水量來實現。
如上所述，通過控制熔融金屬冷卻凝固裝置2內氣體壓力同時裝入鑄模5內的熔融金屬利用冷卻機構6從下部冷卻，在上方的液相和在下方的固相的界面附近，由于溶解在液相中的氣體產生大量氣泡，這些氣泡在固相中形成氣孔。其結果是能夠得到具有規定的氣孔形狀、氣孔率等的多孔金屬材料。
圖9為簡要表示圖8的裝置中使用的鑄模5和它的冷卻機構6示例的圖示。在此實施方式中，冷卻機構6本身作為鑄模5的底使用。這種情況下，從與熔融金屬3-a接觸的冷卻機構6的底部供給冷卻水，使熔融金屬急速冷卻。圖6表示在熔融金屬冷卻過程中在垂直方向上的氣孔形成的狀態，最終可以形成具有隨金屬凝固從下方向上方沿縱方向延伸的氣孔的多孔金屬3。
圖10是表示圖8裝置中使用的鑄模5和它的冷卻機構6的另一示例簡圖。在此實施方式中在鑄模5中間位置設置有冷卻機構6，在兩者之間的圓筒形空間裝入熔融金屬3-a。圖10表示熔融金屬在冷卻過程中形成橫向氣孔，最終能夠形成具有從圓筒內側向外側橫向延伸的氣孔的多孔金屬3。
圖11表示使用連續鑄造方法的多孔金屬裝置的示例的示意圖。
圖11所示的裝置在上下方向上設置有金屬原料加熱熔解裝置1和熔融金屬保存裝置2，在熔融金屬保存裝置2的橫方向上連接著連續鑄造裝置。金屬原料加熱熔解裝置1中的金屬原料的脫氣和溶解與圖8所示裝置中的情況同樣進行。
然后提起閉鎖裝置8，經過溶解金屬注入口11，把溶解有氣體的熔融金屬3-a裝入在熔融金屬保存裝置22底部設置的溶液保存容器19。在向溶液保存容器19裝入熔融金屬之前，啟動真空泵(圖中未表示)，從脫氣管31抽出氣體，使熔融金屬冷卻凝固裝置22內達到減壓狀態后，從供氣管17送入規定的氣體，保持其內部為規定的壓力。熔融金屬冷卻凝固裝置22的氣體壓力可通過適當開閉供氣管17和排氣管18很容易地進行控制。注入容納熔融金屬的容器19內的熔融金屬利用加熱器20保持在規定的溫度。
要注意的是，利用從進氣管16送入的氣體加壓的熔融金屬裝入鑄模21內，進行連續鑄造，最終形成長的多孔金屬。熔融金屬凝固過程中，液相/固相界面的氣體行為、金屬中氣孔形成的狀況等，幾乎與圖8所示裝置的情況相同。連續鑄造裝置主要由用冷卻機構25圍起的鑄模21的部分(在此部分中形成液相/固相界面)、根據需要設置的輔助冷卻機構26、與凝固的多孔金屬前端接觸的導向桿27、輥子28等組成。為了防止高溫的多孔金屬氧化、保護冷卻機構等，連續鑄造裝置被設置在密閉構件30內。為了調整密閉構件30內部非活性氣體壓力，密閉構件30設置有密封圈29、非活性氣體進氣管23和非活性氣體排氣管24。在圖11中，導向桿27向左移動，引導多孔金屬頭部到達密封圈29的位置時，密封圈29向內側移動，以與多孔金屬的外周面緊密接觸。然后導向桿27從密閉構件30外面取下來，隨后把多孔金屬依次拉出密閉構件30外。這樣就能夠得到尺寸長的多孔金屬。
圖12為表示為了制造長的多孔金屬使用的連續鑄造裝置另一示例的簡圖。在圖12中，省略了與金屬原料的脫氣和熔融相關的機械部分。在此裝置中，凝固過程中由于冷卻機構26的形狀和位置、冷卻速度、氣體壓力等的影響，金屬的液相/固相界面相對于金屬前進的方向傾斜形成，所以得到如圖所示具有傾斜方向的孔的多孔金屬。多孔金屬的形狀與鑄模內表面的形狀相對應，可以為圓柱形、線條形、平板形、棱柱形等的任何形狀。
圖13為表示為了制造棒狀以至線條狀的多孔金屬，使用的連續鑄造裝置的另一示例簡圖。在圖13中也省略了與金屬原料的脫氣和熔融相關的機械部分。在此裝置中，凝固過程中通過調整冷卻機構26的形狀和位置、冷卻速度、氣體壓力等，控制金屬的液相/固相界面相對于金屬前進的方向，可以得到具有如圖所示形態的孔的多孔金屬。
圖14(a)～(h)為表示利用連續鑄造方式的本發明的方法制造的多孔金屬切去一部分的示意的軸向視圖。例如(a)所示的多孔金屬是具有相當于圖2 C3斷面的圓柱形金屬，從圓柱的一端向另一端沿其橫斷面，金屬中的液相/固相界面以一定速度移動情況下制造的。(b)所示的多孔金屬是具有相當于圖2 C3斷面的圓柱形金屬，它可以在從圓柱的一端向另一端沿其橫斷面，使金屬中的液相/固相界面的移動速度間斷變化情況下來制造。(c)所示的多孔金屬是具有相當于圖2 C3斷面的圓柱形金屬，它可以在從圓柱的一端向另一端沿其橫斷面，使金屬中的液相/固相界面移動速度一定，氣體壓力間斷變化情況下來制造。(d)所示的多孔金屬是具有相當于圖2 C3斷面的圓柱形金屬，它可以在從圓柱的一端向另一端沿其橫斷面，使金屬中的液相/固相界面的移動速度和氣體壓力都間斷變化的情況下來制造。(e)所示的圓筒狀多孔金屬可以在像圖10所示的那樣，在鑄模的中間設置有冷卻裝置，使金屬中的液相/固相界面從圓筒的中心向四周沿橫斷面方向移動的情況下來制造。(f)所示的圓筒狀多孔金屬可以在鑄模的四周設置有冷卻裝置，使金屬中的液相/固相界面從圓筒的四周向中心沿橫斷面方向等速移動的情況下來制造。這種情況下通過開始時進行快速冷卻，在四周形成沒有氣孔的園環。(g)所示的圓筒形多孔金屬可以用如圖11所示的方法制造。(h)所示的斷面為長方形的多孔金屬可以使用具有長方形內表面的鑄模，用圖11所示的方法制造。
根據本發明，通過使用簡單的設備、簡易的方法，可以制造控制氣孔形狀、尺寸、氣孔率等的多孔金屬。
根據本發明，可以制造任何形狀的多孔金屬材料。
用連續鑄造方法實施本發明的情況下，可以制造大的長尺寸的多孔金屬材料。
根據本發明，與金屬原料相比，可以使得到的多孔金屬中夾雜物含量顯著減少。例如氧含量可以減少到1/20以下，氮含量可以減少到1/6以下。
在本發明中，金屬原料使用鐵或鐵合金，把氮氣作為加壓氣體成分使用的情況下，由于包括氣孔內表面在內的整個表面上形成氮化物相，硬度明顯提高。
本發明得到的多孔金屬材料重量輕、比強度(強度/重量)高、切削性能、焊接性能好。
根據本發明得到的多孔金屬材料，通過在它的氣孔部分填充或承載其他的材料，能夠制造具有特殊性能的新的復合材料。這種復合材料的例子有用多孔金屬作為載體以代替以前用的蜂窩狀載體的催化劑(汽車等處理排放氣體用的催化劑、除臭用的催化劑等)。
在本發明中，加壓氣體使用氮氣、氬氣、氦氣等不可燃氣體的情況下，可以顯著提高操作上的安全性。
根據本發明得到的多孔金屬由于具有特殊的結構和優良的特性，可以應用在廣泛的領域。這樣的領域的例子有吸附氫材料、防振材料、吸收沖擊材料、電磁波屏蔽材料、各種結構件中的零件和結構用的材料(汽車、船舶、飛機等運輸機械的發動機零件、火箭和噴氣發動機的陶瓷底座、宇航機械用的重量輕的鑲板、工作機械的零部件等)、醫療器械用的材料(例如移植片固定物材料等)、熱交換材料、吸音材料、氣液分離用材料、重量輕的零部件、凈化水和氣體的過濾器、自潤滑軸承材料、氣液反應時吹入氣體的材料等。根據本發明的多孔金屬不限于上述的用途，還可以有其他各種用途。實施發明的最佳方式下面表示本發明的最佳方式(實施例)，進一步說明本發明的特征。本發明并不限于以下的實施例，無須說明可以在本發明的范圍內進行各種修正、變形、變更等。實施例1使用圖8所示的裝置制造了多孔銅材料。
也就是把銅原料(純度99.99％)放在5×10-2Torr、1250℃條件下0.1小時后，在下面詳細敘述的加壓氣體的氣氛下，在1250℃熔融0.5小時。然后在相同的加壓條件下，把溶解有氣體的熔融銅注入圓筒狀鑄模(高100mm×內徑30mm)，利用設置在鑄模底部的水冷機構，從下方向上方凝固，得到圖14(c)所示結構的多孔銅圓柱體。
*加壓氣氛的氣體(表壓)
(a)0.2MPa H2+0.6MPa Ar(b)0.4MPa H2+0.4MPa Ar(c)0.6MPa H2+0.2MPa Ar(d)0.8MPa H2得到的4種多孔銅圓柱體(a)～(d)的氣孔率示于圖15。從圖15的結果可以看出，在等壓加壓條件下，隨氫氣的分壓升高，氣孔率增加。
圖16(a)～(d)分別表示上述4種多孔銅圓柱體(a)～(d)部分橫斷面的電子化處理圖象(相當于光學顯微鏡照片)。顯示出通過調整氬氣/氫氣分壓比，可以改變孔徑的大小。
圖17表示上述得到的多孔銅圓柱體(c)的部分垂直斷面的電子化處理圖象(相當于光學顯微鏡照片)。可以看出在垂直方向上形成了規則排列的長孔。
銅原料含有氧約157ppm和氮13ppm，而銅的多孔材料中的氧和氮分別減少到7ppm和2ppm。實施例2使用圖8簡要表示的裝置制造了多孔鐵材料。
也就是把鐵原料(純度99.99％)放在5×10-2Torr、1800℃條件下0.1小時后，在下面詳細敘述的加壓氣體的氣氛下，在1650℃熔融0.5小時。然后在相同的加壓條件下，把溶解有氣體的熔融鐵注入圓筒狀鑄模(高100mm×內徑30mm)，利用設置在鑄模底部的水冷機構，從下方向上方凝固，得到圖14(a)所示結構的多孔鐵圓柱體。
*加壓氣氛的氣體(表壓)
(a)0.3MPa N2+1.2MPa He(b)1.0MPa N2+1.0MPa He(c)1.0MPa N2+0.5MPa He(d)1.5MPa N2+0.5MPa He得到的4種多孔鐵圓柱體(a)～(d)的氣孔率示于圖18。從圖18的結果可以看出，在等壓加壓條件下，通過調整氮氣和氦氣的分壓可以控制氣孔率。
圖19(a)～(d)分別表示上述4種多孔鐵圓柱體(a)～(d)部分橫斷面的電子化處理圖象(相當于光學顯微鏡照片)。顯示出通過調整氬氣/氫氣分壓比，可以改變孔徑的大小。
此外得到的多孔鐵材料加熱到約1000℃后，投入到水中進行淬火，其維氏硬度提高到2.5～3倍。實施例3使用圖8簡要表示的裝置制造了多孔鎳材料。
也就是把鎳原料(純度99.99％)放在5×10-2Torr、1600℃條件下0.1小時后，在加壓氣體的氣氛下(0.6MPa N2+0.2MPa Ar)，在1600℃熔融0.5小時。然后在相同的加壓條件下，把溶解有氣體的熔融鎳注入圓筒狀鑄模(高100mm×內徑30mm)，利用設置在鑄模底部的水冷機構，從下方向上方凝固，得到圖14(a)所示結構的多孔鎳圓柱體。
圖20表示得到的多孔鎳圓柱體部分橫斷面的電子化處理圖象(相當于光學顯微鏡照片)。實施例4
用圖8簡要表示的裝置和圖10簡要表示的鑄模，制造多孔銅圓柱體(高100mm×內徑30mm)后，把它再加工后得到多孔圓柱體。
也就是把銅原料(純度99.99％)放在5×10-2Torr、1250℃條件下0.1小時后，在加壓氣體的氣氛下(0.3MPa H2+0.6MPa Ar)，在1250℃熔融0.5小時。然后在相同的加壓條件下，把溶解有氣體的熔融銅注入圓筒狀鑄模，通過從下面的冷卻面向上方凝固，制造了多孔圓柱體。然后把此圓柱體用鋼絲鉗加工成圖21所示外徑20mm×厚度1mm形狀的多孔銅圓柱體。
圖22表示得到的多孔銅圓柱體部分水平斷面的電子化處理圖象(相當于光學顯微鏡照片)。從此圖象中可以看出，形成了從圓柱體的內表面向外表面延伸的氣孔。
圖23表示圖22的多孔銅圓柱體部分外表面的電子化處理圖象(相當于光學顯微鏡照片)。從此圖象中可以看出，形成了大量從圓柱體的內表面通向外表面的氣孔。實施例5用圖8簡要表示的裝置和圖10簡要表示的鑄模，制造多孔銅圓柱體(高100mm×內徑30mm)后，把它再加工后得到多孔圓柱體。
也就是把銅原料(純度99.99％)放在5×10-2Torr、1250℃條件下0.1小時后，在加壓氣體的氣氛下(0.3MPa H2+0.2MPa Ar)，在1250℃熔融0.5小時。然后在相同的加壓條件下，把溶解有氣體的熔融銅注入圓筒狀鑄模，從底部冷卻，使其向圓柱形鑄模方向凝固，制造了多孔銅圓柱體。然后把此圓柱體用鋼絲鉗加工成圖24所示外徑22mm×厚度1mm形狀的多孔銅圓柱體。
得到的多孔銅呈現出即使是用肉眼觀察也能看出氣孔多到可以透過光線的程度。
圖25表示圖24的多孔銅圓柱體部分橫斷面的電子化處理圖象(相當于光學顯微鏡照片)。從此圖象中可以看出，形成了從圓柱體的內表面延伸到外表面的氣孔。
圖26表示圖24的多孔銅圓柱體部分外表面的電子化處理圖象(相當于光學顯微鏡照片)。從此圖象中可以看出，形成了大量從圓柱體的內表面通向外表面的氣孔。實施例6用圖8簡要表示的裝置和圖9簡要表示的鑄模，制造多孔銅圓柱體(內徑30mm×高100mm)。
也就是把銅原料(純度99.99％)放在5×10-2Torr、1250℃條件下0.1小時后，在加壓氣體的氣氛下(0.4MPa H2+0.4MPa Ar)，在1250℃熔融0.5小時。然后在相同的加壓條件下，把溶解有氣體的熔融銅注入圓筒狀鑄模，從底部冷卻面開始，使其向圓柱形鑄模的上方凝固，得到了圖14(c)所示形狀的多孔銅圓柱體。
從此圓柱體切下厚度3mm的園板試樣，放在白紙上，從上方照射光時，如圖27所示，可以看出形成大量孔徑一致的氣孔。
權利要求
1.一種多孔金屬制造方法，包括下述工序(1)通過把金屬原料放在在密閉容器內，在減壓條件下使其保持在常溫一直到低于金屬熔點的溫度區間內，對金屬原料進行脫氣的工序；(2)把氣體送入上述密閉容器，在加壓條件下使金屬原料熔解，同時使氣體溶解到熔融金屬中的工序；(3)通過控制上述密閉容器內的氣體壓力和熔融金屬的溫度，使熔融金屬冷卻凝固，形成多孔金屬的工序。
2.如權利要求1所述的多孔金屬制造方法，其特征為金屬從鐵、銅、鎳、鈷、鎂、鈦、鉻、鎢、錳、鉬、鈹，以及至少含有這些金屬其中一種的合金中選擇。
3.如權利要求1所述的多孔金屬制造方法，其特征為在工序(1)中的減壓條件為10-1Torr以下。
4.如權利要求3所述的多孔金屬制造方法，其特征為在工序(1)中的減壓條件為10-1～10-6Torr范圍。
5.如權利要求1所述的多孔金屬制造方法，其特征為在工序(1)中把金屬材料保持在比金屬的熔點低50～200℃溫度范圍。
6.如權利要求1所述的多孔金屬制造方法，其特征為在工序(2)和工序(3)中使用的氣體為氫氣、氮氣、氬氣、氦氣中的至少一種。
7.如權利要求1所述的多孔金屬制造方法，其特征為在工序(2)中的加壓條件為0.1～10MPa范圍。
8.如權利要求7所述的多孔金屬制造方法，其特征為在工序(2)中的加壓條件為0.2～2.5MPa范圍。
9.如權利要求1所述的多孔金屬制造方法，其特征為在工序(3)中把熔融金屬從密閉容器裝入設置有冷卻裝置的鑄模中。
10.如權利要求1所述的多孔金屬制造方法，其特征為在工序(3)中用連續鑄造方法使熔融金屬進行冷卻凝固。
全文摘要
本發明提供一種多孔金屬制造方法,此方法具有(1)通過把金屬原料放在在密閉容器內,從常溫一直到低于金屬熔點的溫度,對金屬原料進行脫氣的工序;(2)把氣體送入上述密閉容器,在加壓條件下使金屬原料熔融,同時使氣體溶解到熔融金屬中的工序;(3)通過邊控制上述密閉容器內的氣體壓力和熔融金屬的溫度,邊使熔融金屬冷卻凝固,形成多孔金屬的工序。
文檔編號C21C1/08GK1360641SQ00810115
公開日2002年7月24日 申請日期2000年7月10日 優先權日1999年7月9日
發明者中嶋英雄 申請人:中嶋英雄