JP2005212220A - 制振材料 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、優れた振動減衰特性を備える制振材料を提供することを目的とするものである。
【解決手段】 Ａｌ含有量６〜１０重量％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、平均結晶粒径が３００〜７００μｍの範囲内にある合金シートの片面又は両面に、弾性高分子樹脂層を積層させることによって、複合制振材料を得る。
【選択図】なし

Description

本発明は、優れた振動減衰特性を有する制振材料、及びそれを用いた部材に関する。

近年、自動車や航空機などの輸送機器、エンジン部品等の動力機器、電気製品、精密機械、機械工具、工作機器等の各種分野において、振動・騒音対策として、制振材料が広く使用されている。制振材料とは振動のエネルギーを熱エネルギーに変える能力（減衰性能）に優れた材料のことをいい、この能力が大きいほど振動は速く減衰する。

従来の制振材料としては、損失係数の大きい弾性高分子樹脂（振動減衰特性を有する樹脂）と鋼板を重ね合わせた複合材料と、優れた振動減衰特性を備えている合金（制振合金）に大別される。

前者の制振材料では、所望の振動減衰特性を備えさせるために樹脂の厚みを厚く設計せざるを得なかったり、また、熱により樹脂が劣化してしまい、これによって振動減衰特性が著しく低下するという欠点があり、その用途は特定のものに限定されていた。

一方、後者の制振材料（制振合金）としては、Ａｌ−Ｃｒ合金、Ｍｎ−Ｃｕ合金、Ｃｕ合金、Ｍｇ合金等が知られているが、これらの制振材料の殆どが、機械的特性やコスト等の点で問題があり、実用には至っていない。なお、制振合金として、Ａｌの含有量が６〜１０重量％であって平均結晶粒径が３００〜７００μｍのＡｌ−Ｆｅ合金が開発されており（例えば、特許文献１参照）、その優れた振動減衰特性及び機械的特性から、各種分野での利用が試みられているが、当該制振合金の振動減衰特性をより一層増強する手法については、これまで報告されていない。

また、従来、振動減衰特性を有する樹脂と制振合金とを組み合わせた複合制振材料については一切報告されておらず、かかる複合制振材料が如何なる制振特性を備えるかについては一切知られていない。
特開２００１−５９１３９号公報

本発明は、従来の制振材料の問題点が解消されており、優れた振動減衰特性を備える制振材料を提供することを主な目的とするものである。

本発明者等は、上記課題を解決すべく、鋭意検討したところ、Ａｌ含有量６〜１０重量％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、平均結晶粒径が３００〜７００μｍの範囲内にある合金シートの片面又は両面に、弾性高分子樹脂層を積層させることにより得られる複合制振材料は、驚くべきことに、該合金シートと該弾性高分子樹脂層との相互作用により振動減衰特性が相乗的に向上しており、優れた振動減衰特性を有していることを見出した。また、当該複合材料は、優れた機械的強度に加えて、熱に対する耐性の点でも優れており、耐熱性が要求される分野、例えば車載用機器の部材やエンジン部品等の動力機器の部材等に好適に使用できることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて、更に検討を重ねることによって完成したものである。

即ち、本発明は、下記に掲げる制振材料及びそれを用いた部材である。
項１． Ａｌ含有量６〜１０重量％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、平均結晶粒径が３００〜７００μｍの範囲内にある合金シートの片面又は両面に、弾性高分子樹脂層が積層されてなることを特徴とする、複合制振材料。
項２． 弾性高分子樹脂が、アクリルゴム、アクリルニトリル−ブタジエン共重合体、ウレタンゴム、エチレン−酢酸ビニル共重合体、クロロプレンゴム、シリコンゴム、スチレン−ブタジエン共重合体、フッ素ゴム、メチルメタクリレート−ブタジエン−スチレン共重合体及び天然ゴムより成る群から選択される少なくとも１種の高分子を含むものである、項１に記載の複合制振材料。
項３． 弾性高分子樹脂が、アクリルニトリル−ブタジエン共重合体、シリコンゴム及び天然ゴムより成る群から選択される少なくとも１種の高分子を含むものである、項１に記載の複合制振材料。
項４． 弾性高分子樹脂層の厚み（ｔ_R）に対する合金シートの厚み（ｔ_M）の比率ｔ_M／ｔ_Rが１〜２０である、項１乃至３のいずれかに記載の複合制振材料。
項５． 項１乃至４のいずれかの複合制振材料からなる、車載用機器の部材。

以下に、本発明を詳細に説明する。前述する通り、本発明の複合制振材料は、特定の組成比と結晶粒径とを有するＡｌ−Ｆｅ合金シートの片面又は両面に、弾性高分子樹脂層が積層されてなることを特徴とするものである。

Ａｌ−Ｆｅ合金
本発明において使用するＡｌ−Ｆｅ合金は、強磁性材料であるので、その主な振動減衰機構は、磁壁の非可逆移動に伴う磁気・機械的履歴損失によるものと推測される。一般に、多結晶材料の金属組織中に存在する結晶粒界は、磁壁が移動する際の妨げになると考えられることから、結晶粒径が大きいほど磁歪も大きくなり、内部摩擦が増大するものと推測される。

本発明に使用するＡｌ−Ｆｅ合金は、Ａｌ含有率が６〜１０重量％であり、残余がFeおよび不可避的不純物(Ｓｉ ０．１重量％以下；Ｍｎ ０．１重量％以下、；その他Ｃ、Ｎ、Ｓ、Ｏなど併せて０．１重量％以下)からなる。また、その結晶の平均粒径が３００〜７００μｍの範囲内にあることを必須とする。

Ａｌ含有量が６〜１０重量％の範囲内であれば、内部摩擦を高く保持できる。内部摩擦を十分に高めるために、Ａｌ含有量を７〜９重量％とすることがより望ましい。

上記Ａｌ−Ｆｅ合金中の結晶の平均粒径が３００μｍよりも著しく小さい金属組織の状態では、上記の理由により、制振合金としての十分な内部摩擦が得られない。従って、合金素材に対し圧延加工などの塑性加工を行った後、７００℃以上の温度での焼きなまし熱処理により、結晶の平均粒径を３００μｍ以上に調整するとよい。しかしながら、高温での長時間の熱処理により、結晶の平均粒径が７００μｍを著しく上回ると、強度が低下する傾向がある。本発明に使用するＡｌ−Ｆｅ合金の振動減衰特性を更に一層向上させるためには、結晶の平均粒径を５００〜７００μｍとすることがより好ましい。

上記Ａｌ−Ｆｅ合金は、以下のようにして製造することができる。

まず、所望の合金中のＡｌ含有量が所定値となる割合に予め調整したＡｌとＦｅ素材とを、窒素および酸素の侵入を防止するために、０．１〜０．０１Ｐａ程度の減圧下で溶融した後、鋳型に流し込んで、Ａｌ−Ｆｅ合金鋳塊を得る。次いで、得られた合金鋳塊を圧延、鍛造などの塑性加工と機械加工により、所定の製品形状に仕上げる。

次いで、得られた塑性加工材を７００〜１０００℃程度の温度に３０分〜２時間程度保持して、焼き鈍し処理する。焼き鈍し処理時の温度および時間は、合金の組成、製品形状と関連する塑性加工条件などを考慮して、上記の範囲から適宜選択すればよい。

次いで、得られた焼き鈍し材を所定の保持温度から６００℃までの温度域における冷却速度を通常２０℃／分以下(好ましくは１０℃／分以下、さらに好ましくは１〜５℃／分程度)として、徐冷する。６００℃未満の温度域では、自然冷却(放冷)を行えば良い。

上記の様にして、塑性加工による内部歪みが除去され、結晶の平均粒径が３００〜７００μｍであるＡｌ−Ｆｅ合金が得られる。結晶の平均粒径は、合金組成に応じて、焼き鈍し処理時の温度および時間、徐冷速度などにより、制御することができる。例えば上記Ａｌ−Ｆｅ合金を再度、８５０〜９５０℃で１時間保持した後、９５０〜６００℃の温度域での冷却速度を５℃／分程度として徐冷することにより、結晶粒径５００〜７００μｍ程度の材料が得られる。この様な合金は、内部摩擦が大きいので、その制振性能はより一層改善される。

弾性高分子樹脂
本発明において、弾性高分子樹脂とは、弾性があり、振動減衰特性を有する高分子樹脂を意味する。本発明において使用される弾性高分子樹脂の種類については、特に制限されるものではないが、その一例として、アクリルゴム（ＡＣＭ）、アクリルニトリル−ブタジエン共重合体（ＮＢＲ）、ウレタンゴム（ＡＵ）、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、シリコンゴム（Ｓｉ）、スチレン−ブタジエン共重合体（ＳＢＲ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、メチルメタクリレート−ブタジエン−スチレン共重合体（ＭＢＳ）、及び天然ゴム（ＮＲ）等を挙げることができる。これらの弾性高分子樹脂のうち、本発明の複合制振材料の振動減衰特性を一層向上させるという観点から、好ましくものとしてアクリルニトリル−ブタジエン共重合体、シリコンゴム及び天然ゴムを、特に好ましいものとしてアクリルニトリル−ブタジエン共重合体及びシリコンゴムを挙げることができる。これらの弾性高分子樹脂は、１種単独で使用してもよいし、２種以上を任意に組み合わせて使用してもよい。

複合制振材料
本発明の複合制振材料は、上記Ａｌ−Ｆｅ合金のシートの片面又は両面に、上記弾性高分子樹脂の層を積層したものである。

本発明の複合制振材料に使用する上記Ａｌ−Ｆｅ合金のシートの厚みについては、複合制振材料の用途や必要とされる振動減衰特性等に応じて適宜設定することができる。該Ａｌ−Ｆｅ合金シートの厚みの一例として、０．１〜２０ｍｍ、好ましくは０．１〜１０ｍｍ、更に好ましくは０．１〜５ｍｍとなる範囲を挙げることができる。

また、本発明の複合制振材料に使用する上記弾性高分子樹脂の層の厚みについても、複合制振材料の用途や必要とされる振動減衰特性等を考慮して、適宜調整することができる。該弾性高分子樹脂層の厚みの一例として、０．０１〜２０ｍｍ、好ましくは０．０１〜５ｍｍ、更に好ましくは０．０１〜２ｍｍとなる範囲を挙げることができる。

特に、上記Ａｌ−Ｆｅ合金シートの厚み（以下、ｔ_Mと記す）と上記弾性高分子樹脂層の厚み（以下、ｔ_Rと記す）の比率として、ｔ_M／ｔ_Rが通常１〜２０、好ましくは１〜１０、更に好ましくは２〜８となる範囲を挙げることができる。かかる範囲内でＡｌ−Ｆｅ合金と弾性高分子樹脂とを組み合わせて使用することによって、得られる複合制振材料の振動減衰特性を一層相乗的に発揮させることができる。

本発明の複合制振材料の全体の厚みは、使用目的や求められる振動減衰特性等によって異なるが、例えば、０．１１〜４０ｍｍ、好ましくは０．５〜１５ｍｍ、更に好ましくは０．５〜１０ｍｍとなる範囲を挙げることができる。

本発明の複合制振材料は、上記Ａｌ−Ｆｅ合金シートの片面のみに上記弾性高分子樹脂層を設けた２層構造のものであってよいし、該Ａｌ−Ｆｅ合金シートの両面に該弾性高分子樹脂層を設けた３層構造、或いは該弾性高分子樹脂層の両面に該Ａｌ−Ｆｅ合金シートを設けた３層構造のものであってもよい。また、更に、このような多層積層構造のものの片面ないしは両面にさらに上記Ａｌ−Ｆｅ合金シート及び上記弾性高分子樹脂層が順次積層された４層以上の構造からなるものであってもよい。

上記Ａｌ−Ｆｅ合金シートの片面又は両面に上記弾性高分子樹脂の層を積層させるには、当該技術分野で公知の方法で行うことができる。具体的には、以下に列挙する方法を例示することができる。
（１）上記弾性高分子樹脂を高温で溶融した液体中に上記Ａｌ−Ｆｅ合金シートを浸漬し、次いで該合金シートを該溶融液から抜き取り、溶融した上記弾性高分子樹脂を該合金シートの表面に付着させ、これを冷却することにより、該合金シート上に該弾性高分子樹脂の層を固化固定する方法；
（２）上記Ａｌ−Ｆｅ合金シート上に上記弾性高分子樹脂を適当量添加し、これを加熱して該弾性高分子樹脂を該合金シート上で溶解させ、次いでこれを冷却することにより、該合金シート上に該弾性高分子樹脂の層を固化固定する方法；
（３）上記Ａｌ−Ｆｅ合金シートに、該合金シートと同形状に成形した上記弾性高分子樹脂のシートを、公知のバインダーを用いて、両者を接着する方法；
（４）上記Ａｌ−Ｆｅ合金シートに、該合金シートと同形状に成形した上記弾性高分子樹脂のシートをボルト等により両者を密着させる方法；及び
（５）バインダーやボルト等を使用せずに、上記Ａｌ−Ｆｅ合金シートと適宜成形した上記弾性高分子樹脂のシートとを、相互に積み重なった状態で、該制振性が求められる機器等に装着することによって、該合金シートと弾性高分子樹脂のシートを密着させる方法。

本発明の複合制振材料は、優れた振動減衰特性を備えており、熱に対する性能劣化も抑制されているので、多岐にわたる分野において利用することができる。例えば、自動車や航空機などの輸送機器、エンジン部品等の動力機器、電気製品、精密機械、機械工具、工作機器等の部材として使用され、これらの機器に制振性能を付与することができる。特に、熱に対する性能劣化が抑制されているという観点からは、高温環境に晒される車載用機器の部材（例えば、車載用ステレオのモータ部の部材等）やエンジン部品等の動力機器の部材（例えば、ヘッドカバー用のワッシャー等）としての使用を好適に挙げることができる。また、本発明の複合制振材料は、強い強度が要求される輸送機器の部材（例えば、ブレーキ用のシム）として、好適に使用される。

本発明の複合制振材料は、上記Ａｌ−Ｆｅ合金シートと上記弾性高分子樹脂とが有する振動減衰特性が相乗的に増強され、優れた振動減衰特性を備えている。

また、本発明の複合制振材料は、２種の制振材料から構成されるものであり、いずれか一方の制振材料では克服できなかった欠点が他方の制振材料の作用によって解消されている点においても優れている。例えば、本発明の複合制振材料は、上記Ａｌ−Ｆｅ合金又は弾性高分子樹脂のいずれか一方の制振材料のみでは克服できなかった周波数の振動に対しても制振効果を発揮し得る点で有利である。また、本発明の複合制振材料は、上記Ａｌ−Ｆｅ合金シートと上記弾性高分子樹脂の厚みを調整することによって、制振対象となる周波数の振動を制御（チューニング）できるので、制振対象となる振動に対してより適した制振特性を備えるように設計可能である点においても優れている。

また、本発明の複合制振材料は、弾性高分子樹脂と共に、耐熱性を備えているＡｌ−Ｆｅ合金が構成材料として使用されており、熱による制振性能の低下が抑制されているため、耐熱性が求められる分野を含む多岐にわたる分野で使用できる点でも有用である。
においても優れている。

更に、本発明の複合制振材料は、機械的強度に優れており、しかも低コストで製造できるため、実用的価値が極めて高く有用である。

以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例１
以下の方法に従って、複合制振材料を調製した。
＜Ａｌ−Ｆｅ合金シートの調製＞
ＦｅとＡｌ素材とを減圧条件下(０．０１Ｐａ)で溶解した後、鋳型に流し込んでAl含有率８重量％のＡｌ−Ｆｅ合金鋳塊を調製した。得られた鋳塊を圧延した後、機械加工により、シート状にした。次いで、このシートを７００℃で1時間保持した後、大気中で自然冷却することにより、Ａｌ−Ｆｅ合金シート（厚さ１ｍｍ、縦５０ｍｍ、横１００ｍｍ）を得た。斯くして得られたＡｌ−Ｆｅ合金シートは、平均結晶粒子径が３００〜４００μｍであった。

＜複合制振材料の調製＞
アクリルニトリル−ブタジエン共重合体（ＮＢＲ）を加熱して溶融させた液体中に、上記Ａｌ−Ｆｅ合金シートを浸漬させた後に、該液中からこれを抜き取り、上記Ａｌ−Ｆｅ合金シートの両面にＮＢＲを付着させた。次いで、これを冷却することによって、上記Ａｌ−Ｆｅ合金シートの両面にＮＢＲ層が積層されてなる制振複合材料を得た。斯くして得られた制振複合材料は、Ａｌ−Ｆｅ合金シート（厚さ１ｍｍ、縦５０ｍｍ、横１００ｍｍ）の両面に、厚さ０．５ｍｍのＮＢＲ層が形成されてなるものであった（該制振複合材料全体の厚さは、２ｍｍ）。

＜振動減衰特性の評価＞
上記のようにして得られた複合制振材料の振動減衰特性を評価するために、以下の方法により該複合制振材料の損失係数を測定した。なお、試験はｎ＝３で行った。
1)複合制振材料を細い糸でつり下げた。次いで、当該複合制振材料の中央付近（１〜３次モードの振動が卓越する位置）に、小型加速度計（φ５ｍｍ、高さ６．７ｍｍ、重量０．６５ｇ；ＮＰ２８１０型番、小野測器社製）を取り付けた。
2)小型インパルスハンマー（ＧＭ３１００型番、小野測器社製）により、複合制振材料を打撃し、加速度の自由減衰波形を計測した。
3)フーリエアナライザー（ＧＦ３２００型番、小野測器社製）により周波数分析を行い、固有振動数を把握し、固有振動数として把握された２４００Ｈｚの周波数における損失係数を下記式を用いて算出した。

この結果、上記複合制振材料の２４００Ｈｚの周波数における損失係数は０．０３１９であり、非常に高い値を示したことから、該複合制振材料が優れた振動減衰特性を備えていることが確認された。かかる損失係数は、上記複合制振材料を構成するＡｌ−Ｆｅ合金とＮＢＲとの相互の作用によって、振動減衰特性が相乗的に増強されていることを示している。

Claims (5)

1. Ａｌ含有量６〜１０重量％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、平均結晶粒径が３００〜７００μｍの範囲内にある合金シートの片面又は両面に、弾性高分子樹脂層が積層されてなることを特徴とする、複合制振材料。
2. 弾性高分子樹脂が、アクリルゴム、アクリルニトリル−ブタジエン共重合体、ウレタンゴム、エチレン−酢酸ビニル共重合体、クロロプレンゴム、シリコンゴム、スチレン−ブタジエン共重合体、フッ素ゴム、メチルメタクリレート−ブタジエン−スチレン共重合体及び天然ゴムより成る群から選択される少なくとも１種の高分子を含むものである、請求項１に記載の複合制振材料。
3. 弾性高分子樹脂が、アクリルニトリル−ブタジエン共重合体、シリコンゴム及び天然ゴムより成る群から選択される少なくとも１種の高分子を含むものである、請求項１に記載の複合制振材料。
4. 弾性高分子樹脂層の厚み（ｔ_R）に対する合金シートの厚み（ｔ_M）の比率ｔ_M／ｔ_Rが１〜２０である、請求項１乃至３のいずれかに記載の複合制振材料。
5. 請求項１乃至４のいずれかの複合制振材料からなる、車載用機器の部材。