群馬大学大学院生(Graduate Student, Gunma University)

Table 1 Types and amounts of gases in ADC12 aluminum alloydiecastings plates fabricated (cm3/100 gAl)7).

H2 N2 CH4 CO CO2 C2H4 C2H6 Total

84.5 1.9 26.0 23.1 44.5 13.5 ― 195.2

日本金属学会誌 第 74 巻 第 10 号(2010)697699寄書

発泡剤不使用の摩擦攪拌法によるアルミニウム合金

ダイカストを用いたポーラスアルミニウムの圧縮特性

半 谷 禎 彦1 加 藤 弘 規1, 宇都宮登雄2 北原総一郎3

1群馬大学大学院工学研究科機械システム工学専攻

2芝浦工業大学先端工学研究機構

3グンダイ株式会社

J. Japan Inst. Metals, Vol. 74, No. 10 (2010), pp. 697699 2010 The Japan Institute of MetalsLETTERS TO THE EDITOR

Compressive Properties of Porous Aluminum Fabricated by Friction Stir Processing Routewithout the Use of Blowing Agent Using Aluminum Alloy Die Castings

Yoshihiko Hangai1, Hiroki Kato1,, Takao Utsunomiya2 and Soichiro Kitahara3

1Department of Mechanical System Engineering, Graduate School of Engineering, Gunma University, Kiryuu 37685152Research Organization for Advanced Engineering, Shibaura Institute of Technology, Saitama 33785703Gundai Co., Ltd., Isesaki 3720854

Porous aluminum was fabricated without the use of a blowing agent by friction stir processing using the gases contained inADC12 aluminum alloy diecasting plates. The compressive properties of the obtained porous aluminum were investigated. Itwas shown that a compressive test specimen with a porosity of approximately 70 was obtained that had pores with a relativelysmall area and high sphericity. Porous aluminum fabricated without the use of a blowing agent exhibited brittle fracture at a rela-tively high plateau stress and high absorption energy compared with those of ALPORAS.

(Received July 2, 2010; Accepted July 22, 2010)

Keywords: porous metals, die casting, friction stir processing, aluminum, foam, compressive test

1. 緒 言

ポーラスアルミニウムは軽量性，衝撃吸収特性，防音性な

どに優れた素材として，自動車部材をはじめ，建材，鉄道車

両部材など多くの分野での応用が期待されている1)．

プリカーサ法は，クローズドセル型ポーラスアルミニウム

を作製する方法の一つとして広く利用され，粉末冶金

法1,2)，圧延接合法3)，圧縮ねじり加工による方法4)，摩擦攪

拌法(FSP 法)5)など多くの方法が開発されている．この中で

摩擦攪拌法では，発泡剤を利用する代わりに，アルミニウム

合金ダイカスト中に含まれるガス欠陥を利用してポーラスア

ルミニウムを作製することが可能である6,7)．そして，ダイ

カスト内部のガス量(ほぼプリカーサ中のガス量と等しい)の

増加に伴い，加熱発泡後に得られるポーラスアルミニウムの

気孔率も上昇することが示されている7)．ダイカストの利用

により発泡剤が不要となれば，ポーラスアルミニウムの低コ

スト化につながるとともに，リサイクル性の向上も期待でき

る．

本研究では，文献 7)において 60程度の気孔率が得られ

たアルミニウム合金ダイカストを用いて，ポーラスアルミニ

ウムの圧縮試験片を作製し，その機械的性質に関する基本的

な知見を得ることを目的とする．

2. 実 験 方 法

2.1 プリカーサ作製方法

実験に用いたダイカスト板材は ADC12 アルミニウム合金

により作製したもので，含有ガス量やガス成分を Table 1 に

示す．Fig. 1 に，本研究で実施した摩擦攪拌法の概略を示す．

FSP は大気中で行い，日立設備エンジニアリング株の FSW

装置 SHH204720 を用いた．ツールは SKH51 高速度工具

鋼製で，ショルダ径 17 mm，プローブ径 6 mm，プローブ

長さ 4.8 mm のネジ付きである．ツール回転速度は 1000

rpm，ツール移動速度は 100 mm/min，前進角は 3°とし

た．本研究では FSP 実施の際にマルチパス法8)を採用し，

698

Fig. 1 Schematic illustration of the manufacturing process of the precursorby FSP using aluminum alloy diecasting plates.

Fig. 2 Compressive test specimens of (a) ADC12porous aluminum fabricated in this study (20 mm×20 mm×20 mm) and (b) ALPORAS (Shinko WireCo., Ltd.) (25 mm×25 mm×25 mm).

698 日 本 金 属 学 会 誌(2010) 第 74 巻

以下のように行った．まず，Fig. 1(a)と(b)に示すように 2

枚のダイカスト板材の間に気孔形態安定剤粉末としてアルミ

ナ(aAl2O3，約 1 mm, 5 mass)をはさみ積層板とした．ア

ルミナは FSP 実施の際にツールが通る個所に散布した．次

に，大きなプリカーサを得るために，Fig. 1(c)に示すよう

に安定剤を散布した個所の右側部分から，ツールを FSP 方

向と垂直方向左側(後退側)に 1 回ごとに 5 mm ずらしなが

ら，4 回 FSP を行った(1～4 回目の FSP)．次に，Fig. 1(d)

に示すように，1～4 回目の FSP と同一個所に対して逆方向

から FSP を行った(5～8 回目の FSP)．これによりアルミニ

ウム合金は 2 回攪拌されることになり，安定剤や含有ガ

ス，気孔生成核をより均一にプリカーサ中に分散させられる

ものと思われる．更に，Fig. 1(c)と(d)の操作を同一個所に

対してもう一度行った．次に，Fig. 1(e)に示すように得ら

れた積層板を上下反対にし，その上からアルミナを散布しダ

イカスト板材を重ね 3 枚からなる積層板とした．その上で，

Fig. 1(c)と(d)と同様の操作を Fig. 1(f)と(g)のように行っ

た．このようにして得られた積層板の FSP による攪拌部か

ら，機械加工により 25 mm×25 mm×9 mm の大きさに切

り出しプリカーサとした．

2.2 発泡方法

プリカーサを 30 mm×30 mm×50 mm の鋼製の金型内に

入れ，あらかじめ 948 K(ADC12 アルミニウム合金の融点よ

りも高温)に保った電気炉に入れ，12 分間保持した後，炉か

ら取り出し空冷した．FSP を実施した積層板を 2 枚作製し，

1 枚の積層板から 1 つのプリカーサを切り出し，合計 2 つの

プリカーサを発泡させた．気孔率(発泡率)p()は，p＝(ri

－rf)/ri×100 により算出した．ここで，ri は発泡前のプリ

カーサの密度でありアルキメデス法により算出した．rf は発

泡後の圧縮試験片のポーラスアルミニウムの密度であり外形

寸法と重量により算出した．

2.3 圧縮試験方法9)

発泡後の ADC12 ポーラスアルミニウムから 20 mm×20

mm×20 mm の圧縮試験片を放電加工により切り出し圧縮試

験に供した．Fig. 2(a)に ADC12 ポーラスアルミニウム圧縮

試験片を示す．圧縮試験は，Fig. 2(b)に示す市販のアルポ

ラス(神鋼鋼線株，気孔率約 90)より作製した圧縮試験片

(25 mm×25 mm×25 mm)10)に対しても行った．圧縮試験

は株島津製作所精密万能試験機オートグラフ AG100 kNG

を用いて，クロスヘッド速度 5 mm/min で行った．その

際，ビデオ撮像により圧縮過程における圧縮試験片の変形挙

動を観察した．得られた圧縮応力と圧縮ひずみの関係より，

初期最大圧縮応力・プラトー応力・吸収エネルギー量を算出

した．

3. 実 験 結 果

作製した 2 つの ADC12 ポーラスアルミニウム圧縮試験片

の気孔率は 70.8と 71.2であり，発泡剤を用いることな

く水に浮くポーラスアルミニウムが得られた．Fig. 2(a)と

(b)から分かるように，気孔形態はアルポラスと比較して気

孔面積が小さく真円度の高い気孔により形成されていた．な

お，文献 7)において本研究と同じダイカスト板材を用いて

いたにも関わらず，気孔率に 10程度の差が認められた．

これは圧縮試験片作製のために，本研究ではスキン層を除去

したためと考えられる．

Fig. 3 に気孔率 71.2の試験片について得られた圧縮応

力と圧縮ひずみの関係を示す．初期最大圧縮応力に達した

後，一度減少しその後，わずかな上下動を繰返しながら圧縮

応力は徐々に増加する傾向を示している．この傾向は発泡剤

を用いて作製した ADC12 ポーラスアルミニウムと同様であ

る10)．Fig. 3 には，それぞれの圧縮過程における外観写真も

示している．ADC12 ポーラスアルミニウムは，圧縮が進む

とともに局所的な脆性的破損が起こり破片が脱落していた．

これらの傾向は，もう一つの ADC12 圧縮試験片(70.8)に

おいてもほぼ同様であった．このことから，圧縮応力の上下

動は圧縮過程において気孔セル壁の局所の脆性的破損が一つ

の要因であると考えられる．

本研究の 2 つの ADC12 ポーラスアルミニウムの初期最大

圧縮応力は 26.3 MPa と 29.7 MPa，プラトー応力は 34.1

MPa と 37.2 MPa，エネルギー吸収量は 18.1 MJ/m3 と 17.6

MJ/m3 であり，アルポラスと比較して非常に高いものであ

った．これらの圧縮特性は，気孔形態，添加物の種類や量，

合金種，相対密度など多くの要因が関わっていると考えられ

る．初期最大圧縮応力やプラトー応力の発現メカニズムに関

しては，今後更なる検討が必要であり，これらを解明するこ

699

Fig. 3 Relationship between compressive strain and compressive stress of ADC12 porous aluminum fabricated in this study andALPORAS.

699第 10 号 発泡剤不使用の摩擦攪拌法によるアルミニウム合金ダイカストを用いたポーラスアルミニウムの圧縮特性

とで種々の圧縮特性を有するポーラスアルミニウムを作製で

きるものと思われる．

4. 結 言

本研究では ADC12 アルミニウム合金ダイカストにより，

内部含有ガスを利用して発泡剤が不要なポーラスアルミニウ

ムを摩擦攪拌法により作製し，その圧縮特性について検討し

た．得られた結果を以下に示す．

アルミニウム合金ダイカストに含有する気体を利用す

ることで，発泡剤を使用せずに気孔率約 70，気孔面積が

小さく円形度が非常に高い ADC12 ポーラスアルミニウム圧

縮試験片を作製することができた．

得られた ADC12 ポーラスアルミニウムの初期最大圧

縮応力・プラトー応力・エネルギー吸収量は，純アルミニウ

ムによるアルポラスや発泡剤を用いて作製した ADC12 ポー

ラスアルミニウムよりも高いものであった．

ADC12 ポーラスアルミニウムは，圧縮過程において

脆性的な破損により破片が脱落した．これがプラトー領域に

おける圧縮応力の上下動の一因になると考えられる．

本研究の遂行に当たり，神鋼鋼線株式会社様よりアルポラ

スを御提供頂いた．また，元芝浦工業大学横田武男准教授に

は FSW，群馬大学大学院工学研究科齋藤勝男教授には発泡

実験，元群馬大学大学院工学研究科久米原宏之教授には試験

結果に対して有益なご助言をいただいた．

本研究の一部は，独新エネルギー・産業技術総合開発機構

(NEDO)平成 21 年度産業技術研究助成事業，(特非)北関東

産官学研究会(HiKaLo)平成 21 年度共同研究事業の助成の

もと行われた． ここに厚く感謝いたします．

文 献

1) J. Banhart: Prog. Mater. Sci. 46(2001) 559632.2) M. Kobashi, R. Sato and N. Kanetake: Mater. Trans. 47(2006)

21782182.3) K. Kitazono, E. Sato and K. Kuribayashi: Scr. Mater. 50(2004)

495498.4) S. Tsuda, M. Kobashi and N. Kanetake: Mater. Trans. 47

(2006) 21252130.5) Y. Hangai and T. Utsunomiya: Metall. Mater. Trans. A 40

(2009) 275277.6) Y. Hangai and T. Utsunomiya: Metall. Mater. Trans. A 40

(2009) 12841287.7) Y. Hangai, H. Kato, T. Utsunomiya, S. Kitahara, O. Kuwazuru

and N. Yoshikawa: J. Japan Inst. Metals 74(2010) 592597.8) Y. Hangai, T. Utsunomiya and M. Hasegawa: J. Mater. Process.

Technol. 210(2010) 288292.9) JISH7902: Method for compressive test of porous metals,

(Japanese Standards Association, 2008).10) T. Utsunomiya, K. Takahashi, Y. Hangai, S. Kawano, O.

Kuwazuru and N. Yoshikawa: J. JILM, (submitted).