(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造用金属材料と該金属材料に熱間加工により冶金的に接合した金属焼結体とからなる複合材料からなり、該金属焼結体は、六方晶窒化硼素粒子を含有し、かつ真密度に対する相対焼結密度が９５％以上の緻密な焼結体であり、該窒化硼素粒子の含有量と金属焼結体の結晶粒径の大きさの調整により減衰能を高めたことを特徴とする制振構造材料。
【請求項２】
構造用金属材料が軟鋼であり、金属焼結体が鉄焼結体であり、減衰能Ｑ-1が歪振幅ε＝３．０×１０-4において１．０×１０-2 以上であることを特徴とする請求項１記載の制振構造材料。
【請求項３】
金属焼結体中の六方晶窒化硼素の含有量が２〜７重量％であることを特徴とする請求項２記載の制振構造材料。
【請求項４】
構造用金属材料から作製した容器の内部に金属粉末と六方晶窒化硼素粉末との混合粉末を充填し、脱気した後容器を封止して成形体とし、該成形体を熱間加工することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の制振構造材料の製造方法。
【請求項５】
金属粉末と六方晶窒化硼素粉末との混合粉末からなる焼結体を予め製造し、これと構造用金属材料を一体に組み合わせて熱間加工することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の制振構造材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、優れた減衰能を有し、加工性および高強度を兼ね備えた金属製制振構造材料およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、家電、音響機器、事務機器、スチール家具など室内用品用の防振・防音材料や鉄道橋や道路など屋外用の遮音板が普及しつつある。また、高層建築の外階段やシャッターなどの建築構造物、船舶や航空機や自動車などの輸送機器の構造部材、工作機器や機械工具などの構造部材、またはエンジン部品などの動力機器の振動・騒音低減に対する社会的要請がますます高くなり、種々の制振材料が利用されつつある。
【０００３】
鋳鉄はその成分の黒鉛が振動を吸収するので、普通の構造用鋼より減衰能が高く（１〜４×１０-3）、古くから工作機械の本体として広く利用されてきた。しかし、軟らかい黒鉛の存在は逆に材料の強度、靭性の低下を招き強度特性を重視する所では使えない。
【０００４】
従来の鋳鉄に代わる新たな鉄合金系の制振材料としては、Ｃ：０．９〜２．０％、Ｓｉ：３．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下などを含み、大部分が焼戻しマルテンサイトと黒鉛からなる材料（特開平４−３２９８５０号公報）、ステンレス鋼粉末焼結材料（特開平１０−２８０１０９号公報）、鋼の降伏強度を小さくして振動吸収能を高める手段として、溶鋼中に六方晶窒化硼素（ｈ−ＢＮ）粉末を添加して製造した六方晶窒化硼素０．０１〜０．２５重量％を含有する極低降伏強度鋼（特開平６−２３５０４２号公報）などが知られている。
【０００５】
現在、一般に流通している制振材料は、損失係数の大きな樹脂を鋼板と重ねるか、もしくはサンドイッチした複合材料と、合金元素を添加して合金化によって材料そのものの減衰能を高めたものの二つに大きく分けられる。
【０００６】
前者は樹脂などを含んでいるため、使用温度に大きな制約があり、耐火性、溶接性、加工性、リサイクル特性においても問題が多い。一方、後者は、例えば、Ｍｎ−Ｃｕ合金、Ｍｇ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金などの減衰能Ｑ-1が１×１０-2以上のものが知られているが、強度・靭性が低く、また、溶接や加工によって減衰能が低下するなど問題も多い。また、近年、整合界面型の合金も幾つか報告されているが、加工性が悪く、広く利用されるまでには至っていない。
【０００７】
樹脂を用いない耐火性、耐水・耐油性に優れたサンドイッチ構造の制振材料としては、板厚１．６〜５０ｍｍの金属板間に０．１〜７．０ｍｍ厚の無機系制振材料（不純物の少ない純鉄系鋼板、片状黒鉛を含有した鋼板、Ｃｒ，Ａｌを含有する鋼板などの強磁性型制振材料、多孔性焼結金属板、石綿セメント板、石膏ボード、木毛セメント板、セラミック板など）を配置した厚手制振金属板が知られている（特開平４−２６７１４１号公報、特開平４−２７８３４３号公報、特開平４−３５５１２６号公報）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような、従来の代表的な制振材料は、その引張強度や疲労強度が低いので、構造材料としては厚く設計せざるを得ず、軽量化にとってもかなり問題がある。逆に、整合界面型制振材料のように高強度のものもあるが、加工性が悪くほとんど利用されていない。
【０００９】
複数の金属板の間に金属粉末を介在させて焼結することにより各金属板を接合した防振性、遮音性を有する金属複合板が知られている（特開昭５４−１３６５５４号公報）。この金属複合板は、一方の金属板に加えられた振動は、密でない焼結層によって減衰され他方の金属板に伝わる振動を少なくし、また、密でない焼結層はその空隙によって吸音、断熱などの効果を奏するようにしたものである。すなわち、焼結体の空洞によって振動を吸収するものである。しかし、このように密でない焼結層を介在させた場合、金属複合板の機械的強度が著しく低下し、伸びも低下して加工性も悪くなり、構造材料としては不適当である。
【００１０】
本発明者は、先に、粉末冶金を利用して外側は鋼で中心付近はフェライト組織と黒鉛の密な混合焼結組織からなる複合組織鋼板とその製造方法について報告した（「熱処理」，４０巻２号、８３〜８７頁、２０００年４月）。
この複合組織鋼板は、制振材料となり得るものであるが、その製造方法では、熱間圧延によって焼結層を形成する際に焼結温度を高くすると圧延中に黒鉛がオーステナイト中に固溶し、冷却過程で硬いセメンタイトが多量に析出して脆化するという問題があり、これを防ぐためには、圧延を７２７℃以下の低温にする必要があり、熱間加工によって緻密な焼結体を実用上容易に製造しにくく、強度、加工性が十分な複合組織鋼板を得がたいと言う欠点があった。
【００１１】
そこで、本発明は、従来の積層系制振材料や合金系制振材料の欠点を解消することを目的とし、優れた減衰能を有し、強度、加工性を兼備しており、さらに、溶接性、リサイクル性にも問題のない新規な金属製制振構造材料およびその製造法の提供を課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、粉末冶金を利用した複合組織の制振構造材料について鋭意研究を続けた結果、金属焼結体に六方晶窒化硼素（ｈ−ＢＮ）粒子を含有させた場合、その含有量と焼結条件次第で減衰能を向上させることができることを見出し、上記の課題を解決し、優れた減衰能を有し、かつ構造材料の機械的性質や加工性を低下させることのない制振構造材料を提供することに成功した。
【００１３】
すなわち、本発明は、構造用金属材料と該金属材料に熱間加工により冶金的に接合した金属焼結体とからなる複合材料からなり、該金属焼結体は、六方晶窒化硼素粒子を含有し、かつ真密度に対する相対焼結密度が９５％以上の緻密な焼結体であり、該窒化硼素粒子の含有量と金属焼結体の結晶粒径の大きさの調整により減衰能を高めたことを特徴とする制振構造材料である。
【００１４】
また、本発明は、構造用金属材料が軟鋼であり、金属焼結体が鉄焼結体であり、減衰能Ｑ-1が歪振幅ε＝３．０×１０-4において１．０×１０-2 以上であることを特徴とする上記の制振構造材料である。
【００１５】
また、本発明は、構造用金属材料が軟鋼であり、金属焼結体が鉄焼結体であり、減衰能Ｑ-1が歪振幅ε＝３．０×１０-4において１．０×１０-2 以上であり、金属焼結体中の六方晶窒化硼素粒子の含有量が２〜７重量％であることを特徴とする上記の制振構造材料である。
【００１６】
また、本発明は、構造用金属材料から作製した容器の内部に金属粉末と六方晶窒化硼素粉末との混合粉末を充填し、脱気した後容器を封止して成形体とし、該成形体を熱間加工することを特徴とする上記の制振構造材料の製造方法である。
【００１７】
また、本発明は、金属粉末と六方晶窒化硼素粉末との混合粉末からなる焼結体を予め製造し、これと構造用金属材料を一体に組み合わせて熱間加工することを特徴とする上記の制振構造材料の製造方法である。
【００１８】
上記の特開平６−２３５０４２号公報には溶鋼中に六方晶窒化硼素粉末を添加して製造した極低降伏強度鋼が開示されているが、これは、材料の降伏強度を低下させて制振性を高めており、この降伏強度低下の目的で六方晶窒化硼素を分散させている。しかし、六方晶窒化硼素粉末をこのように材料中に均一に分散させると材料はかなり脆くなる。このことを考慮して、六方晶窒化硼素の添加量を最大０．２５重量％としている。このように、降伏強度が低くなることで制振性をよくしたとしても、強度が低くなる分だけ材料を厚く設計せざるを得ず、軽量化は実現できないので、このような材料は振動を吸収することのみに重点をおいた所にしか使うことはできない。
【００１９】
また、近年振動を伴うところでは、疲労特性（繰り返し応力を受けることによる破壊・損傷に対する特性）が重視されるようになってきている。疲労亀裂は表面から発生し、次第に内部に伝播していくので、このように、表面に六方晶窒化硼素粉末などの柔らかい異物が存在すると、これが亀裂の発生源となり、疲労強度が低下する。構造用鋼のフェライト粒径を大きくして減衰能を高めた制振材料は、フェライト粒径を大きくしすぎると強度や靭性が著しく低下するので問題がある。
【００２０】
本発明の材料は、特に、高歪振幅域での減衰能が高いのが特徴である。従来の材料では、材料の結晶粒径を大きくするか、降伏強度を低くして減衰能を高めているものが多く、低強度のため、高歪振幅域では使用できない。また、鉄をマトリックスとする金属焼結層に黒鉛を分散させた場合は、歪振幅１．５×１０-4で減衰能は最大となりこれを越えると減少するが、六方晶窒化硼素粒子を分散させた場合、さらに高い歪振幅３．０×１０-4で最大となる。
【００２１】
【作用】
本発明において、金属焼結体に含有させる六方晶窒化硼素粒子は、焼結中に金属結晶の成長を抑制し金属マトリックスの減衰能Ｑ-1を小さくする働きをするので、金属結晶粒径を大きくして減衰能を大きくする場合には、好ましくない物質である。また、このような無機物質の含有量が多くなると焼結を困難にするという問題もある。しかし、六方晶窒化硼素粒子は変形しやすいという性質があり、その含有量の調整によって制振性が向上し、かつ焼結性や、焼結体と金属構造材料との冶金的接合にも悪影響を与えないことが分かった。このように、焼結体に六方晶窒化硼素粒子を含有させることにより、外側は本来の構造用材料と同じ強靭性を持ち、内部のみ減衰能の優れた組織とし、強度特性、加工性、制振性を兼備させ、上記のような強度特性の問題を解決できる。
【００２２】
窒化硼素には、閃亜鉛鉱型（ｃ−ＢＮ）、ウルツ鉱（ｗ−ＢＮ），六方晶層状型（ｈ−ＢＮ）の３種類があるが、六方晶層状型（ｈ−ＢＮ）は変形しやすい特性を有しており、それ以外のものでは、焼結体層に少量含有させても制振効果は乏しい。本発明において、六方晶窒化硼素粉末の粒径は１〜３０μｍが好ましい。３０μｍを超えると焼結体の強度が低下する。六方晶窒化硼素は高温でも安定であり、焼結体中に六方晶窒化硼素の形で存在する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明において、構造材料と金属焼結体の材料は同種でも異種でもよい。構造材料としては、従来から使用される鉄、鋼、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、チタン、これらを主成分とする合金などがあげられる。金属粉末としては、焼結によって構造材料に接合可能なものであれば、鉄、鋼、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、チタンなどの金属またはその合金を単独または混合して使用でき、その種類は限定されないが、構造材料と焼結体が接合可能であることが条件となる。したがって、例えば、構造材料が鋼の場合は鉄、構造材料がアルミニウム合金の場合はアルミニウムのように同一金属が望ましい。また、焼結を容易にするためには、構造材料よりも融点が低いものが好ましい。
【００２４】
本発明の制振構造材料をサンドイッチ状の構造とする場合は、構造材料同士を焼結体層で接合して積層し、複合金属板とする。積層数は２枚以上何枚でもよい。また、複合金属板の焼結体層の厚さは特に制限されず、強度特性、加工性の観点からは薄い方がよく、減衰能の点では厚い方が望ましく、どちらを優先するかによって焼結体層の厚さを決めるべきであるが、通常、複合金属板の厚さの０．０５〜２倍が好ましい。焼結体の厚さや組織を調整することにより、広い歪域で大きなＱ-1の値を有する制振材料を作成することができる。
【００２５】
本発明において、制振構造材料の焼結体は緻密であることが強度や伸び（加工性）の点で不可欠であり、焼結密度は、真密度に対する相対密度が９５％以上であれば開気孔のない密な焼結体であり、より好ましくは９８％以上とする。
【００２６】
金属粉の種類、粒度、六方晶窒化硼素粉末の粒度や含有量、焼結温度、焼結方法などは制振構造材料の使用目的、所望の減衰能などに応じて適宜選択することができる。
【００２７】
なお、本発明の制振構造材料を同一寸法の構造材料のみからなる材料と比較した場合、分散している六方晶窒化硼素の分だけ若干の強度低下がある。したがって、構造材料のみからなる材料と同レベルの強度を維持するには寸法を若干厚くしなければならないが、これは非常に僅かな増加であり実用上ほとんど問題にはならない。
【００２８】
焼結は、混合粉末を十分に脱気して、空気、その他のガスを含有しない状態で行う。焼結時にガスが存在すると焼結密度が低下する。金属構造材料との複合化は焼結と同時、または焼結後に熱間加工により行う。熱間加工としては、熱間圧延、熱間鍛造、ホットプレス（熱間単軸プレス：HP）、HIPを採用できる。熱間加工は、例えば、圧延ロールを使用した熱間圧延やＨＩＰ装置を用いて高温静水圧加圧処理する。六方晶窒化硼素は熱間加工中の高温においても安定であるから、金属構造材料に固溶しないので、構造材料として軟鋼を使用し、金属粉として純鉄を使用した場合、９００〜１０００℃の高い焼結温度で熱間圧延加工出来るので製造し易い。混合粉末中の六方晶窒化硼素粉末は、金属焼結体中に六方晶窒化硼素粒子として分散して存在する。
【００２９】
金属粉末と六方晶窒化硼素粉末との混合粉末からなる焼結体を予め製造し、これと構造用金属材料を一体に組み合わせて熱間加工する方法としては、高温高圧加工によって最初から緻密な焼結体を作製し、これを外側金属と接合する方法、もう一つは、常圧焼結のように圧力をかけずにあまり密でない焼結体をまず作製し、これを外側金属の間に挟んで高温高圧加工あるいは熱間加工することによって、焼結体の緻密化および焼結体と外側金属の接合を同時に行う方法がある。いずれも、最終的には、焼結体の真密度に対する相対密度が９５％以上の焼結体層を複合化した制振構造材料とすることができる。
【００３０】
緻密な焼結体を作成するために好適な方法としては、次の２つの方法が例示される。
（１）構造用金属材料から作成した容器、例えば、一端を溶接などで閉じたパイプ、の内部に金属粉末と六方晶窒化硼素粉末との混合粉末を充填し、脱気した後て封止して成形体とし、該成形体を構造用金属材料の融点以下の高温で熱間圧延することにより該混合粉末の焼結体層を形成するとともに該焼結体層と該容器の内面を冶金的に接合した積層構造の複合金属板とする。
（２）金属粉末と六方晶窒化硼素粉末との混合粉末を用いて予め焼結体を製造する。この焼結体と構造用金属材料を一体に組み合わせて熱間加工することにより両者を冶金的に接合する。
【００３１】
【実施例】
実施例１
鉄粉末（平均粒径：５μｍ、純度：９９．５重量％）に４重量％の六方晶窒化硼素（ｈ−ＢＮ）粉末（平均粒径：８．２μｍ、純度：９９．０重量％）を加えた混合粉末を一端を封じた肉厚１．０ｍｍ、内径１０ ｍｍ、長さ１２０ｍｍの軟鋼製の管の中に入れ、真空脱気した後、管の他端を溶接してカプセルを作成し、９５３℃で該カプセルを厚さ１．４ｍｍまで熱間圧延することによって外側は鋼で内側に六方晶窒化硼素粒子を分散させた鉄焼結体層を持つ複合鋼板を作成した。
【００３２】
得られた積層構造材料を厚さ：１．０ｍｍ、幅：１０ｍｍ、長さ：１５０ｍｍに加工・研削した。１．０ｍｍの厚さの上側１／３、下側１／３が構造用鋼、中心の１／３が焼結層であった。鉄焼結体の六方晶窒化硼素の体積率は１２Ｖｏｌ％（重量％をＶｏｌ％に換算）なので、結果的に複合鋼板中で鋼および鉄の占める割合（六方晶窒化硼素を除いた部分の割合）は９５．９Ｖｏｌ％ということになる。これを真空焼鈍によって表面硬さを約Ｈｖ１００にそろえて試験片とした。減衰能の評価は横振動法による減衰能で評価した。
【００３３】
図１に、減衰能Ｑ-1を示す。Ｑ-1（ε＝３．０×１０-4）は２×１０-2を超える。図２に、本実施例の制振構造材料のＱ-1を強磁性型のＦｅ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ａｌ系合金および整合界面型のＦｅ−Ｍｎ系合金のＱ-1と比較して示す。
【００３４】
本実施例の制振構造材料のＱ-1は、強磁性型合金のＱ-1よりかなり高い。一方、整合界面型合金と比べると、歪振幅ε＝２．０×１０-4まではほぼ同等であるが、本実施例の制振構造材料は、さらに高歪振幅域でも高い値を維持している。
【００３５】
本実施例の制振構造材料の引張強さは２９１ＭＰａであった。外側の軟鋼部の引張強さは３３０ＭＰａであり、若干低下している。制振構造材料中の鋼および鉄の占める部分のみの引張強さをそれらの割合から求めると３１６ＭＰａとなり、制振構造材料の引張強さと変わらない。
【００３６】
本実施例の制振構造材料の降伏強さは、２１６ＭＰａであった。これは、外側の軟鋼部の降伏強さ２０５ＭＰａと同等となっている。また、伸びは２５％であった。これは、外側の軟鋼部の伸び２６％と同等の値となっている。したがって、焼結による積層構造により複合板を形成しても加工性は低下しないといえる。
【００３７】
実施例２
鉄粉末に混合する六方晶窒化硼素（ｈ−ＢＮ）粉末の割合を２重量％とした以外は実施例１と同様の条件で積層構造材料を製造した。実施例１と実施例２とのフェライト粒径は同程度であった。本実施例の減衰能Ｑ-1を図１に示す。Ｑ-1（ε＝３．０×１０-4）は約１×１０-2であった。減衰能Ｑ-1はフェライト粒径が大きいほど大きくなるが、フェライト粒径は実施例１と同程度だったので、実施例１より減衰能Ｑ-1が小さい理由は、六方晶窒化硼素粒子の含有量の違いによるものと考えられる。
【００３８】
実施例３
鉄粉末に混合する六方晶窒化硼素（ｈ−ＢＮ）粉末の割合を６重量％とした以外は実施例１と同様の条件で積層構造材料を製造した。本実施例の減衰能Ｑ-1を図１に示す。Ｑ-1（ε＝３．０×１０-4）は約１．４×１０-2であった。実施例３では、六方晶窒化硼素粒子の量が多すぎてフェライト粒の成長が抑制されフェライト粒径は小さく、それによって六方晶窒化硼素粒子の効果が相殺されたために実施例１より減衰能Ｑ-1が小さくなったものと考えられる。
【００３９】
比較例１
鉄粉末に混合する窒化硼素粉末の割合を８重量％とした以外は実施例１と同様の条件で積層構造材料を製造した。窒化硼素粒子の量が多いために焼結が難しくなり、焼結部と外側の金属材料との接合もうまくいかず剥離が生じ，良好な複合材料は得られなかった。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、構造材料の厚みを増やさずに、優れた減衰能と強度と加工性を兼備する制振構造材料を提供することができるので、機械的強度を必要とする各種構造物の用途におけるニーズに応えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、各実施例の減衰能Ｑ-1を示すグラフである。
【図２】図２は、実施例１の制振構造材料（Ｆｅ−４重量％窒化硼素）のＱ-1を強磁性型のＦｅ−Ｃｒ系合金、Ｆｅ−Ａｌ系合金および整合界面型のＦｅ−Ｍｎ系合金のＱ-1と比較して示すグラフである。
【図１】
0003730535.tif 000002
【図２】
0003730535.tif 000003