(57)【要約】【課題】高強度高剛性でありかつ振動減衰能の優れた制振性複合体を提供する。【解決手段】炭素０．０５重量％以下、マンガン１５重量％以上、１８重量％未満、クロム９重量％以上、１５重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、４重量％未満、アルミニウム０．０１重量％以上、０．０５重量％未満、窒素０．０１重量％以下、残部鉄からなり、イプシロン・マルテンサイト相が１０％以上である高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金と異種高強度高剛性金属とを接合してなる制振性複合体によって上記課題を解決する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素０．０５重量％以下、マンガン１３重量％以上、１８重量％未満、クロム９重量％以上、１５重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、６重量％未満、アルミニウム０．０１重量％以上、０．０５重量％未満、窒素０．０１重量％以下、残部鉄及び不可避不純物からなり、イプシロン・マルテンサイト相が１０％以上であることを特徴とする高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金と異種高強度高剛性金属とを接合した制振性複合体。
【請求項２】
上記の高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金の素材に１０％以上、６０％以下の冷間加工を施すことによって得た、引張強度が７００ＭＰａ以上、１２００ＭＰａ以下、損失係数（η）が０．００５以上であることを特徴とする高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金と異種高強度高剛性金属とを接合した請求項１記載の制振性複合体。
【請求項３】
上記の異種高強度高剛性金属は、上記の高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金より高強度高剛性であることを特徴とする請求項１又は２記載の制振性複合体。
【請求項４】
高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金と異種高強度高剛性金属との接合面に垂直な横断面において、上記異種高強度高剛性金属の全横断面積に対する面積比率が１０％以上、７０％以下であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の高強度高剛性でかつ高振動減衰能を有する制振性複合体。
【請求項５】
高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金と異種高強度高剛性金属とが焼きばめ或いは冷やしばめによって接合されていることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の高強度高剛性でかつ高振動減衰能を有する制振性複合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、高強度高剛性でかつ高振動減衰能を有する制振性複合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来から、自動車、精密機器、電子機器、医療機器及び加工の分野で、振動や騒音を軽減する機能を持つ制振性材料の提供が求められている。これに応えるものとして制振性のある材料として、Ｍｎ−Ｃｕ合金、Ｍｇ−Ｚｒ合金、Ｍｇ−Ｎｉ合金、Ａｌ−Ｚｎ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金、Ｎｉ−Ｔｉ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金等が知られている。このような材料は、振動減衰能は優れているが、機械的性質が不良で特殊用途以外には使用が不可能であり、また高価な元素を多く含んでいるため合金材料に起因して価格上昇となり工業的用途が極めて制限されている。【０００３】  このような問題を解決するために、機械的強度が高く、振動減衰能を有する材料として、高強度高減衰能Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｎ合金及びその製造方法が開示されている。この特許には、Ｃｒ：９〜１５重量％、Ｍｎ：１８〜２６重量％、Ｆｅ：残部からなる素材を１０００〜１１５０℃の温度で溶体化熱処理した後に冷却し、１５〜８０％の冷間加工を加えることによって４０％以上のイプシロン・マルテンサイト相を発現させることを特徴とする高強度高減衰能Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｎ合金及びその製造方法が開示されている。上記Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｎ合金は、組成的にステンレス鋼をベースとしたものであり、従って、その機械的性質はステンレス鋼とほぼ同等であり、かつ、振動減衰能に優れているので、上記の問題点を解決する画期的な発明である（例えば、特許文献１参照）。【０００４】  また、特許文献１によって開示された技術によれば、マンガン組成を１８〜２６重量％と主張しているが、この材料を溶製する場合、マンガン成分が蒸発し易いため添加するマンガン合金の歩留まりが悪く、かつマンガンは溶製時に用いられる耐火物の溶損を促進させるという難点があるので、マンガン成分を可能な限り低くすることが製造コストの点で求められている。【０００５】  本出願人は、上記の問題を解決するために、炭素０．０５重量％以下、マンガン１３重量％以上、１８重量％未満、クロム９重量％以上、１５重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、６重量％未満、アルミニウム０．０１重量％以上、０．０５重量％未満、窒素０．０１重量％以下、残部鉄からなり、イプシロン・マルテンサイト相が１０％以上であることを特徴とする高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金を提案している（特許文献２参照）。【０００６】  一方、例えば、内径加工用ボーリングバーにおいて、加工穴深さが深いほど切削中の工具のたわみが大きくなりびびり振動が大きくなり、加工精度や加工効率が減退する。これを抑制する手段として、仕上面精度及び加工効率向上を目的として、ボーリングバーの内部に異種金属を接合、或いは、粘弾性体を封入する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。【０００７】  更にまた、例えば、ボールねじにおいて、長ストロークかつ高速作動が要求される場合、ねじ軸の固有振動数が低くなり高速運転に限界が生じる。この対策として、ねじ軸の中空穴に制振質量体を勘合させて高速作動によって発生する振動を吸収することができる静音高速ボールねじが提案されている（例えば、特許文献４参照）。【０００８】
【特許文献１】特許第３３７８５６５号公報
【特許文献２】特願２００６−１８０３９９
【特許文献３】特開２００５−２７９８１９
【特許文献４】特開平７−２９３６５９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】  しかしながら、特許文献２によって開示された技術は、制振性及び製造技術を解決しており、これを加工工具部材或いはボールねじに適用すると振動減衰能の点では有効であるが、部材としての材料の強度、剛性或いは耐摩耗性において単体では不十分である。この解決方法として、従来好適に使用されている部材と複合して制振性の機能を付加することによって、所望の高強度高剛性を維持した上で高振動減衰能の機能を持たせた高機能の切削、掘削加工用工具やボールねじの提供が求められている。【００１０】  また、特許文献３によって開示された技術によれば、内径加工用ボーリングバーにおいて、切削中のびびり振動を抑制し、仕上面精度及び加工効率向上を目的として、ボーリングバーに異種金属を接合したり或いは液体を封入する方法が提案されているが、この異種金属は制振性の機能がないので、びびり軽減効果は不十分である。また、液体封入の方法はその信頼性において不十分である。【００１１】  更にまた、特許文献４において、ボールねじの軸部に伝わる振動を制振性物体とねじ部材とを接合して振動を吸収させることによって、静音高速ボールねじを提案しているが、制振性物体を特定していないので、具体的対策技術にはならない。
【課題を解決するための手段】
【００１２】  本発明が提供する制振性複合体は、炭素０．０５重量％以下、マンガン１３重量％以上、１８重量％未満、クロム９重量％以上、１５重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、６重量％未満、アルミニウム０．０１重量％以上、０．０５重量％未満、窒素０．０１重量％以下、残部鉄及び不可避不純物からなり、イプシロン・マルテンサイト相が１０％以上である高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金と異種高強度高剛性金属とを接合してなることを特徴とする（以下、第１の発明という）。【００１３】  更に、本発明が提供する制振性複合体は、高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金の素材に１０％以上、６０％以下の冷間加工を施すことによって得た、引張強度が７００ＭＰａ以上、１２００ＭＰａ以下、ＪＩＳＧ０６０２に定められた試験方法によって測定した振動減衰能（以下、損失係数（η）という。）が０．００５以上である高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金と異種高強度高剛性金属とを接合してなることを特徴とする（以下、第２の発明という）。【００１４】  更に、本発明が提供する制振性複合体は、上記の高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金と該合金より高強度高剛性である異種高強度高剛性金属とを接合してなることを特徴とする（以下、第３の発明という）。【００１５】  更に、本発明が提供する高強度高剛性でかつ高振動減衰能を有する制振性複合体は、高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金と異種高強度高剛性金属との接合面に垂直な横断面において、上記異種高強度高剛性金属の全横断面積に対する面積比率が１０％以上、７０％以下であることを特徴とする（以下、第４の発明という）。【００１６】  更にまた、本発明が提供する高強度高剛性でかつ高振動減衰能を有する制振性複合体は、高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金と異種高強度高剛性金属とが焼きばめ或いは冷やしばめによって接合されていることを特徴とする（以下、第５の発明という）。
【発明の効果】
【００１７】  本発明は、高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金と高強度高剛性金属とを複合することによって、所望の高強度高剛性を維持した上で高振動減衰能の機能を持つ高機能の制振性複合体を提供し、例えば、切削、掘削加工用工具やボールねじ等の高機能化を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】  以下、本発明の実施形態を説明する。【００１９】（第１の発明の実施形態）
第１発明において、炭素含有量を０．０５重量％以下とするのは、振動減衰能を発現するγ／ε相間の相互作用に悪影響を及ぼす不純物元素、特に、炭素の上限を定めることによって振動減衰能の向上及び安定を計るためであり、炭素含有量が０．０５重量％を越えると振動減衰能を示す損失係数（η）が低下しかつ不安定になるためである。また、炭素と同様の影響を及ぼす窒素については、鋼中の窒素量を０．０１重量％以下にして、かつ、アルミニウム含有量を０．０１重量％以上、０．０５重量％以下とすることによって鋼中の窒素をＡｌＮの大きい介在物の形にすることによって、溶解製造時に大気中より不可避的に混入する固溶窒素による振動減衰能を低下させる害を無くすためである。即ち、アルミニウム含有量が０．０１重量％未満であると上記の鋼中窒素と結合するに必要なアルミニウム含有量が不足する場合がり、０．０５重量％を越えると過剰のアルミニウムによって合金の表面や内部にＡｌ２Ｏ３系の欠陥が発生しやすくなるためである。また、鋼中の窒素が０．０１重量％を越えると、これと結合するアルミニウム含有量が多く必要となるため、アルミニウムによるＡｌ２Ｏ３系の欠陥が増大するためである。【００２０】  この第１の発明を以下の実施例１によって更に詳しく説明する。
【実施例１】
【本発明例】
【００２１】組成が本発明の範囲内である、炭素０．０２重量％、マンガン１７重量％、クロム１２重量％、ニッケル３重量％、アルミニウム０．０３重量％、窒素０．００５重量％、残部鉄からなる組成を高周波溶解炉で溶解・鋳造し、５ｋｇのインゴットを得た。得られたインゴットを表面切削加工した後、１１００℃ｘ１時間加熱処理した後、熱間圧延によって板厚５．０ｍｍの板にした後に、酸洗によって表面の酸化層を除去した後に冷間圧延を行い１．０ｍｍの板を得て後、９００℃にて溶体化熱処理を行ったのち３０％の冷間加工の振動減衰能を付与する処理を行いこれを本発明例とした。
【比較例１】
【００２２】炭素０．０６重量％、マンガン１７重量％、クロム１２重量％、ニッケル３重量％、アルミニウム０．０３重量％、窒素０．００５重量％、残部鉄からなる合金を高周波溶解炉で溶解・鋳造し、５ｋｇのインゴットを得た。得られたインゴットを表面切削加工した後、１１００℃ｘ１時間加熱処理し熱間圧延によって板厚５．０ｍｍにした後に、酸洗によって表面の酸化層を除去した後に冷間圧延を行い１．０ｍｍの板を得て後、９００℃にて溶体化熱処理を行った後、３０％の冷間加工の振動減衰能を付与する処理を行いこれを比較例１とした。
【比較例２】
【００２３】炭素０．０２重量％、マンガン１７重量％、クロム１２重量％、ニッケル３重量％、アルミニウム０．００５重量％、窒素０．０１０重量％、残部鉄からなる合金を高周波溶解炉で溶解・製造し、５ｋｇのインゴットを得た。得られたインゴットを表面切削加工した後、１１００℃ｘ１時間加熱処理し熱間圧延によって板厚５．０ｍｍにした後に、酸洗によって表面の酸化層を除去した後に冷間圧延を行い１．０ｍｍの板を得て後、９００℃にて溶体化熱処理を行った後、３０％の冷間加工の振動減衰能を付与する処理を行いこれを比較例２とした。
【比較例３】
【００２４】炭素０．０６重量％、マンガン２２重量％、クロム１２重量％、ニッケル０．０１重量％、アルミニウム０．００５重量％、窒素０．０１０重量％、残部鉄からなる合金を高周波溶解炉で溶解製造し、５ｋｇのインゴットを得た。得られたインゴットを表面切削加工した後、１１００℃ｘ１時間加熱処理し熱間圧延によって板厚５．０ｍｍにした後に、酸洗によって表面の酸化層を除去した後に冷間圧延を行い１．０ｍｍの板を得て後、１０５０℃にて溶体化熱処理を行った後、３０％の冷間加工の振動減衰能を付与する処理を行いこれを比較例３とした。
【比較例４】
【００２５】比較例４として、同板厚の市販のＳＵＳ３０４の板を用いた。
【００２６】  表１．に各々の供試材の組成を示す。さらに、本発明材、比較材１、２、３及び４より試験片を採取して、振動減衰能を示す損失係数（η）を測定した結果を表２に示す。本発明材は良好な損失係数（η）を示す。これに対して、比較材１、２、３及び４は、圧延及び冷間加工のプロセスは同じであるが、損失係数（η）は大幅に低く、かつ、部位によりバラツキがある。比較材４は、当然のことながら市販品ＳＵＳ３０４なので振動減衰能は極めて低い。これは、比較材１の場合、炭素含有量が０．０６％と過大なためによるものである。また、比較材２の場合は、鋼の精錬過程で不可避的に混入溶解した固溶Ｎ（０．０１０重量％）がアルミニウムによって固定されていない為にγ／ε相間の振動減衰能効果を阻害しているものと考えられる。これに対して、本発明材は、全ての窒素（０．０１０重量％）はアルミニウムによってＡｌＮの大型の介在物となっているために、固溶窒素の害は無くなっている。また、比較材３の場合は、比較材２と同様に、固溶窒素がγ／ε相間の振動減衰能を阻害しているものと考えられる。以上の実施例は、本発明が、振動減衰能の安定に効果を発揮していることを示している。
【表１】
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【表２】
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【００２７】（第２の発明の実施形態）
第２の発明において、高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金の素材に１０％以上、６０％以下の冷間加工を施すのは、これによって引張強度が７００ＭＰａ以上１２００ＭＰａ以下及び損失係数（η）が０．００５以上にするためであり、引張強度が７００ＭＰａ未満、損失係数（η）が０．００５未満であると、制振性の良好な制振性複合体を製造できないためであり、また、６０％を越えると引張強度が１２００ＭＰａを越えて機械的性質が著しく劣化するためである。
【実施例２】
【００２８】  実施例２は、第２の発明の実施例である。
本発明になるＦｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金について、冷間加工率と損失係数（η）、引張強さ及び伸び値との関係を実験によって求めた。即ち、本発明になるＦｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金の素材に５、１０、２０、３０、５０、６０及び７０％の冷間加工を施し、損失係数（η）、引張強さ及び伸び値を測定した。その結果を表３．に示す。これによると、５％の冷間加工率では、損失係数（η）及び引張強さともに不十分である。１０〜６０％の冷間加工率では、損失係数（η）、引張強さ及び伸び値ともに良好である。７０％の冷間加工率では、伸び値が極めて悪くもはや材料としての延性を失っている。即ち、本発明になるＦｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金は、冷間加工率とともに損失係数（η）、引張強さが共に向上するという優れた材料特性を有することが明らかである。そして、用途に応じて最適の冷間加工率を選択することができる。
【表３】
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【００２９】（第３の発明の実施形態）
異種高強度高剛性金属とは、従来好適に使用されている材料で、該高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金によって振動減衰の機能を付与されるべき材料であり、超硬合金や耐摩耗性Ｃｒ−Ｍｏ鋼等である。【００３０】（第４の発明の実施形態）
図１及び２は、第４の発明に関する制振性複合体の形態、即ち、高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金（１１）と異種高強度高剛性金属（１２）の構成関係を示しているが、用途に応じて使分けることができる。図１は、切削加工用シャンクの略円形の断面である。異種高強度高剛性金属（１２）としては、ハイス或いは超硬合金を使い、高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金（１１）のシャンクに必要な剛性、強度の不足を補う役目を果している。図２は、例えば、ボールねじの軸部の断面を示しており、この場合の異種高強度高剛性金属（１２）としては、ねじ軸部表面は転動ボールに直接に接するので耐摩耗性に優れた、例えば、Ｃｒ−Ｍｏ鋼等が考えられる。即ち、軸芯部に制振性の優れた高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金（１１）を配することによって転動するボールによって発生する振動を有効に吸収し、かつねじ軸としての耐摩耗性は良好である。これらの両材料の接合方法は、焼きばめ或いは冷やしばめによって接合される。【００３１】  図３は、高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金（１１）と異種高強度高剛性金属（１２）を円柱状の横断面で接合した例である。この場合は、異種高強度高剛性金属（１２）は切削、掘削用超硬合金等の刃先部と考えることができる。この場合の接合方法は、溶接、ロー付け或いは圧接によって好適に施行できる。
【実施例３】
【００３２】  更に、実施例３は、第４の発明の実施例である。【００３３】  図１の場合について、制振性複合体を構成する該高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金（１１）と異種高強度高剛性金属（１２）としての超硬合金の構成比率を変えて機械的性質と損失係数（η）を測定した結果を表４に示す。基本的には用途に応じた所望の強度、剛性と振動減衰能とのバランスを勘案して最適な両者の構成比率を選択することが肝要である。望ましくは、１０％以上、７０％以下が推奨される。【００３４】  表４の備考欄に示した代表例について、パルス加振後の振動減衰曲線を図５に示す。
最適な構成比を選択することによって、高強度高剛性と高振動減衰能を兼備した合目的の制振性複合体を得ることができる。
【表４】
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【００３５】（第５の発明の実施形態）
第５の発明において、高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金と異種高強度高剛性金属とが焼きばめ或いは冷やしばめによって接合されていることを特徴とするのは、これによって接合時に発生する内部応力が、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金（１１）の金属組織中のイプシロン・マルテンサイトの振動減衰能を高める効果があるからである。即ち、焼きばめ或いは冷やしばめによって２種金属を接合するのは、熱変化によって発生する極めて大きい応力によってその接合力が維持されている。上記の接合方法が有効なのは、高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金における制振性の発現は、このような応力によって助長されるものであるからである。
【産業上の利用可能性】
【００３６】  本発明が提供する制振性複合体は、例えば、高強度高剛性と高振動減衰能を兼備した高機能の切削、掘削加工工具部材、ボールねじ等を提供する。図５〜７にそれらの具体的形態を示す。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】制振性複合材の構成１（外周：Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金、軸芯：高強度高剛性金属）
【図２】制振性複合材の構成２（外周：高強度高剛性金属、軸芯：Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金）
【図３】制振性複合材の構成３（支持部：Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金、刃先部：高強度高剛性金属）
【図４】パルス加振後の振動減衰曲線
【図５】切削工具の縦断面図
【図６】ボールねじのねじ軸部の縦断面図
【図７】掘削工具の縦断面図
【符号の説明】
【００３８】１１    Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金
１２    高強度高剛性金属
１３    刃先
１４    ワーク面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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