JP2009101418A - 接合材とその製造方法及び交通輸送手段の構体 - Google Patents

Abstract

【課題】強度や剛性などを維持しつつ軽量化を図ることができる接合材とその製造方法及び交通輸送手段の構体を提供する。
【解決手段】接合材３は、鉄道車両などの交通輸送手段の構体に使用される。接合材３は、金属３ａと金属３ｂとを接着材層３ｃによって接合したサンドイッチ構造の合せ板材（クラッド材）である。金属３ａは、アルミニウム合金、チタン合金又はステンレス鋼などの合金板材（バルク材）である。アルミニウム合金としては、展伸用アルミニウム合金が好ましく、強度と耐食性に優れ時効硬化により所定の強度を得ることができる6000系アルミニウム合金などの熱処理型合金が特に好ましい。金属３ｂは、マグネシウム合金であり、押し出し加工がされたマグネシウム合金押し出し材である。接着剤層３ｃは、塗布後に加熱処理する場合にはエポキシ接着剤などの強力接着剤が好ましい。
【選択図】図２

Description

この発明は、第１及び第２の金属を接合した接合材とその製造方法、交通輸送手段の構体及び鉄道車両の構体に関する。

従来の鉄道車両では、軽量化を図るために高強度鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金及び繊維強化プラスティック（ＦＲＰ）が使用されており、特にアルミニウム合金やＦＲＰは、新幹線などの高速車両に使用されている（例えば、特許文献１，２参照）。アルミニウム合金(A6061,AN01)は、押し出し性、中強度、溶接性に優れた軽量金属材料である。ＦＲＰは、炭素繊維と高分子とが複合した複合材料であり優れた強度特性を示す。ＦＲＰは、強度と剛性が優れているが、アルミニウム合金は中空押し出し材を使用したダブルスキン構体工法（トラス状の構体）によって作成すると優れた剛性を示す。このため、現在の高速車両の構体は、ＦＲＰを一体成形して製造するか、中空押し出し材を使用したダブルスキン工法によって製造されている。

特開平11-020685号公報

特開平09-066830号公報

鉄道車両では、軽量化をより一層図るためにＦＲＰを構体に適用することが考えられているが、ＦＲＰによる構体の製造方法が複雑でありコストが非常に高くなるという問題がある。一方、マグネシウム合金は、ＦＲＰ程度の密度であり、アルミニウム合金と比べて軽量の金属材料である。しかし、マグネシウム合金単体では、強度、剛性、き裂伝播抵抗が低いため、鉄道車両の構体にマグネシウム合金を適用するためには課題がある。このため、マグネシウム合金を適用する場合には、最適な鉄道車両の構体素材と工法を検討する必要があるとともに、素材の作成方法について検討する必要がある。

この発明の課題は、強度や剛性などを維持しつつ軽量化を図ることができる接合材とその製造方法及び交通輸送手段の構体を提供することである。

この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、第１の金属（３ａ）と第２の金属（３ｂ）とを重ね合わせて接合した接合材であって、前記第１の金属は、アルミニウム合金、チタン合金又はステンレス鋼であり、前記第２の金属は、マグネシウム合金であり、前記第１又は前記第２の金属の少なくとも一方は、空隙部を有する軽量構造体であり、前記第１の金属と前記第２の金属とが固相接合されていることを特徴とする接合材である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の接合材において、前記軽量構造体は、発泡構造体又はハニカム構造体であることを特徴とする接合材である。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の接合材の製造方法であって、前記第１の金属と前記第２の金属とを固相接合する固相接合工程を含むことを特徴とする接合材の製造方法である。

請求項４の発明は、請求項１又は請求項２に記載の接合材の製造方法であって、前記第１の金属と前記第２の金属とを固相接合する固相接合工程を含むことを特徴とする接合材の製造方法である。

請求項５の発明は、請求項３に記載の接合材の製造方法において、前記固相接合工程は、圧力１０ＭＰａで圧接して温度２５０°Ｃで２時間〜６時間加熱する工程であることを特徴とする接合材の製造方法である。

請求項５の発明は、請求項１又は請求項２に記載の接合材を備える交通輸送手段（１）の構体（２）である。

この発明によると、強度や剛性などを維持しつつ軽量化を図ることができる。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して、この発明の第１実施形態について詳しく説明する。
図１は、この発明の第１実施形態に係る接合材を備える交通輸送手段の構体の断面図である。
交通輸送手段１は、電車や気動車などの鉄道車両である。構体２は、交通輸送手段１の主構造である。構体２は、図１に示すように、乗客などの重量を支持し車体の床部分や台枠を構成する床構え２ａと、この床構え２ａの両縁に固定され車体の側面部分を構成する一対の側構え２ｂ，２ｃと、この一対の側構え２ｂ，２ｃの上縁に固定され車体の屋根部分を構成する屋根構え２ｄと、車両の両端部分を構成する図示しない妻構えなどから構成されている。構体２は、例えば、接合材３によって形成された車外面板と室内面板とをトラスやリブで結合したダブルスキン構体である。

図２は、この発明の第１実施形態に係る接合材の断面図である。
接合材３は、金属３ａ及び金属３ｂを接合した部材である。接合材３は、図２に示すように、金属３ａと、金属３ｂと、接着剤層３ｃとから構成されており、金属３ａと金属３ｂとを重ね合わせて接合したサンドイッチ構造の合せ板材（クラッド材）である。接合材３は、例えば、従来の鉄道車両の構体を構成する板材と同じ厚さに形成して、金属３ｂと金属３ａとを略同じ厚さに形成することができる。

金属３ａは、アルミニウム合金、チタン合金又はステンレス鋼などの合金板材（バルク材）である。アルミニウム合金には、Al-Mg-Si系合金である6000系アルミニウム合金や、Al-Cu-Mg系合金である高力アルミニウム合金（ジュラルミン）などがある。アルミニウム合金としては、例えば、圧延や押し出しなどの塑性加工を施して板材や形材などを容易に作製でき展延性に優れた展伸用アルミニウム合金が好ましく、強度と耐食性に優れ時効硬化により所定の強度を得ることができる6000系アルミニウム合金などの熱処理型合金が特に好ましい。チタン合金としては、例えば、Ti-Al系をベースとするTi-5Al-2.5Sn合金などのような耐熱性に優れたα型合金や、焼入状態で加工性が良く析出硬化によって強度レベルを著しく上昇させることが可能なTi-13V-11Cr-3Alなどのβ型合金や、α型合金とβ型合金との中間的な性質を示すTi-6Al-4V合金などのα＋β型合金などが好ましい。ステンレス鋼は、耐食性を目的として12〜32％クロム(Cr)を添加した鉄基合金であり、鉄（Fe）以外の合金元素の総量が50％を超えない合金である。ステンレス鋼としては、耐食性に優れ成形加工が容易なオーステナイト系ステンレス鋼や、耐食性と耐磨耗性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼などが好ましい。

金属３ｂは、マグネシウム合金であり、押し出し加工がされたマグネシウム合金押し出し材である。マグネシウム合金は、アルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)、マンガン(Mn)、ジルコニウム(Zr)、希土類元素などのうち一つ以上を加えて合金として使用される。接合材３は、強度や剛性が高い金属３ａを車外側に向け、強度や剛性が金属３ａに比べて低い金属３ｂを車内側に向けることが好ましい。

接着剤層３ｃは、金属３ａと金属３ｂとを接合する部材である。接着剤としては、例えば、エポキシ系やイソシアナート系のような二液接着剤（反応型接着剤）や、エポキシ系やフェノール系などの熱硬化性接着剤や、空気中の水分によって高速でアニオン重合して硬化するα−シアノアクリラート型の瞬間接着剤などが好ましい。接着剤層３ｃは、塗布後に加熱処理する場合にはエポキシ接着剤などの強力接着剤によって形成することが好ましく、塗布後に加熱処理しない場合にはエポキシ接着剤以外の他の接着剤によって形成することもできる。

次に、この発明の第１実施形態に係る接合材の製造方法を説明する。
マグネシウム合金を押し出し加工して板状の金属３ｂを形成するとともに、アルミニウム合金、チタン合金又はステンレス鋼を押し出し加工して板状の金属３ａを形成する。次に、金属３ａ，３ｂのいずれか一方又は双方の表面に強力接着剤を塗布して接着剤層３ｃを形成し、金属３ａと金属３ｂとを接合してサンドイッチ工法によって接合材３が製造される。エポキシ系接着剤によって接着剤層３ｃを形成する場合には、金属３ａと金属３ｂとを接着する接着工程後に温度４０°Ｃで２時間又は温度６０°Ｃで１時間熱処理する熱処理工程を行う。その結果、接着剤層３ｃが固化して金属３ａと金属３ｂとが完全に固着処理される。

この発明の第１実施形態に係る接合材とその製造方法には、以下に記載するような効果がある。
(1) この第１実施形態では、金属３ｂがマグネシウム合金である。その結果、従来の鉄道車両の構体に比べて車両の重量が軽減するため、車両に種々の機能を有する装置や設備を搭載することができる。また、この第１実施形態では、金属３ａがアルミニウム合金、チタン合金又はステンレス鋼であり、金属３ｂがマグネシウム合金である。このため、鉄道車両の構体２としての強度、剛性及びき裂伝播抵抗を向上させることができる。

(2) この第１実施形態では、金属３ａと金属３ｂとが接着剤層３ｃによって接着されている。その結果、金属３ａと金属３ｂとを接着剤層３ｃから剥離することができるため、リサイクル性を向上させることができる。

（第２実施形態）
図３は、この発明の第２実施形態に係る接合材の断面図である。以下では、図１及び図２に示す部材と同一の部材については、同一の番号を付して詳細な説明を省略する。
図３に示す接合材４は、金属３ａと金属３ｂとが固相接合されている。固相接合は、溶融することなく固相のままで圧接する溶接方法である。固相接合には、例えば、金属材料を密着させて素材の融点以下の温度条件で塑性変形をできるだけ生じない程度に加圧し、接合面間に生ずる原子の拡散を利用して接合する拡散接合などが含まれる。このような固相接合では、板状の金属３ａと板状の金属３ｂとに加わる圧力が高いとこれらが塑性変形するため、適切な接合圧力を検討する必要がある。この第２実施形態では、金属３ａと金属３ｂとを圧力１０Ｍｐａで圧接して温度２５０°Ｃで２時間〜６時間加熱する固相接合工程によって、金属３ａと金属３ｂとを直接接合し接合材４を製造する。この第２実施形態には、第１実施形態と同様の効果がある。

（第３実施形態）
図４は、この発明の第３実施形態に係る接合材の断面図である。
図４に示す接合材５は、金属３ａが空隙部３ｄを有する発泡構造体（軽量構造体）である。金属３ａは、厚さが１ｍｍ程度の板状部３ｅと板状部３ｆとの間に空隙部３ｄが形成された板状の発泡金属材であり、空隙部３ｄ及び板状部３ｅ，３ｆは一体に形成されている。金属３ａは、立体網状構造を有し気孔率が著しく大きい金属多孔体であり、溶融金属中にガス発生物質を加えたり発泡樹脂の骨格の周りに金属を付けて焼結したりして製造される。この接合材５は、金属３ａ自体のせん断強度レベルが低いため、金属３ａと金属３ｂとを固相接合によって接合すると接合時の圧力により変形し製造が困難である。このため、この第３実施形態では、エポキシ系の強力接着剤などによって金属３ａと金属３ｂと接合し接合材５を製造することが好ましい。この第３実施形態では、第１実施形態の効果に加えて、金属３ａに空隙部３ｄが形成されているためより一層軽量化を図ることができるとともに、防音効果や振動吸収効果を向上させることができる。

（第４実施形態）
図５は、この発明の第４実施形態に係る接合材の断面図である。
図５に示す接合材６は、金属３ｂが空隙部３ｄを有する発泡構造体である。金属３ｂは、板状部３ｇと板状部３ｈとの間に空隙部３ｄが形成された板状の発泡金属材である。この第４実施形態には、第３実施形態と同様の効果がある。

（第５実施形態）
図６は、この発明の第５実施形態に係る接合材の断面図である。
図６に示す接合材７は、金属３ａ，３ｂが空隙部３ｄを有する発泡構造体である。この第５実施形態には、金属３ａ，３ｂの双方に空隙部３ｄが形成されているため、第３実施形態及び第４実施形態に比べてより一層軽量化を図ることができるとともに、防音効果や振動吸収効果をより一層向上させることができる。

（第６実施形態）
図７は、この発明の第６実施形態に係る接合材の断面図である。
図７に示す接合材８は、金属３ａが空隙部３ｄを有するハニカム構造体（軽量構造体）である。金属３ａは、隙間なく配列された断面形状が六角形のコア部３ｉと、このコア部３ｉの両側に固定され厚さが１ｍｍ程度の板状部３ｊ，３ｋとから構成されたハニカム材であり、コア部３ｉ内には空隙部３ｄが形成されている。この接合材８は、金属３ａがハニカム構造体であるため低圧力の負荷で長時間の処理が望まれるが、ハニカム材である金属３ａとバルク材である金属３ｂとを貼り合わせる接着剤層３ｃの強度が低下する可能性がある。このため、この第４実施形態では、第３実施形態と同様にエポキシ系の強力接着剤などによって金属３ａと金属３ｂとを接合して接合材８を製造することが好ましい。この第４実施形態では、第３実施形態の効果に加えて、金属３ａがハニカム構造体であるため強度を向上させることができる。例えば、従来の鉄道車両の構体を構成するアルミニウム合金などのハニカム材の厚さを半分に薄くして、この薄くした分と同じ厚さのマグネシウム合金を貼り付けて軽量化を図ることができる。

（第７実施形態）
図８は、この発明の第７実施形態に係る接合材の断面図である。
図８に示す接合材９は、金属３ｂが空隙部３ｄを有するハニカム構造体である。金属３ｂは、隙間なく配列された断面形状が六角形のコア部３ｍと、このコア部３ｍの両側に固定された板状部３ｎ，３ｐとから構成されたハニカム材であり、コア部３ｍ内には空隙部３ｄが形成されている。この第７実施形態には、第６実施形態と同様の効果がある。

（第８実施形態）
図９は、この発明の第８実施形態に係る接合材の断面図である。
図９に示す接合材１０は、図７に示す金属３ａの板状部３ｋを省略して、金属３ａのコア部３ｉと金属３ｂとが接着剤層３ｃによって接合されている。この第８実施形態では、図５に示す金属３ａの板状部３ｋを省略してこの金属３ａの厚さを薄くした分だけ金属３ｂの厚さを厚くすることができるため、第４実施形態に比べて接合材１０の軽量化を図ることができる。

（第９実施形態）
図１０は、この発明の第９実施形態に係る接合材の断面図である。
図１０に示す接合材１１は、図８に示す金属３ｂの板状部３ｎを省略して、金属３ｂのコア部３ｍと金属３ａとが接着剤層３ｃによって接合されている。この第９実施形態には、第８実施形態と同様の効果がある。

（第１０実施形態）
図１１は、この発明の第１０実施形態に係る接合材の断面図である。
図１１に示す接合材１２は、金属３ａ，３ｂが空隙部３ｄを有するハニカム構造体である。この第１０実施形態には、金属３ａ，３ｂの双方に空隙部３ｄが形成されているため、第６実施形態及び第７実施形態に比べてより一層軽量化を図ることができる。

（第１１実施形態）
図１２は、この発明の第１１実施形態に係る接合材の断面図であり、図１２（Ａ）は接合前の状態を示す断面図であり、図１２（Ｂ）は接合後の状態を示す断面図であり、図１２（Ｃ）は図１２（Ａ）のXII-XIIC線で切断した状態を示す断面図であり、図１２（Ｄ）は図１２（Ａ）のXII-XIID線で切断した状態を示す断面図である。
図１２に示す接合材１３は、金属３ａが空隙部３ｄと凸部３ｑとを有する軽量構造体であり、金属３ｂが空隙部３ｄと凸部３ｒとを有する軽量構造体である。金属３ａには、所定の間隔をあけて断面形状が四角形の凸部３ｑが形成されており、金属３ｂには凸部３ｑと等間隔に断面形状が四角形の凸部３ｒが形成されている。この接合材１３は、図１２（Ｂ）に示すように、凸部３ｑ，３ｒの先端部に接着剤層３ｃを形成して、凸部３ｑと凸部３ｒとが互い違いになるように金属３ａと金属３ｂとが接合されており、凸部３ｑと凸部３ｒとの間には空隙部３ｄが形成されている。この第１１実施形態では、金属３ａ，３ｂの双方に空隙部３ｄが形成されており、この空隙部３ｄが間隔をあけて接合材１３内に形成されているため、接合材１３の軽量化を図ることができる。

（第１２実施形態）
図１３は、この発明の第１２実施形態に係る接合材の断面図であり、図１３（Ａ）は接合前の状態を示す断面図であり、図１３（Ｂ）は接合後の状態を示す断面図であり、図１３（Ｃ）は図１３（Ａ）のXIII-XIIIC線で切断した状態を示す断面図であり、図１３（Ｄ）は図１３（Ａ）のXIII-XIIID線で切断した状態を示す断面図である。
図１３に示す接合材１４は、金属３ａ，３ｂが空隙部３ｄを有する軽量構造体（ハニカム構造体）である。金属３ａには、所定の間隔をあけてコア部３ｉが形成されており、金属３ｂにはコア部３ｉと等間隔にこのコア部３ｉと嵌合するコア部３ｍが形成されている。この接合材１４は、図１３（Ｂ）に示すように、コア部３ｉ，３ｍの側面及び先端面に接着剤層３ｃを形成して、コア部３ｉとコア部３ｍとが互い違いになるように金属３ａと金属３ｂとが接合されている。この第１２実施形態では、コア部３ｉの側面とコア部３ｍの側面とが接着剤層３ｃによって接合されているため、接着面積が広くなり金属３ａと金属３ｂとを強固に接合することができる。

（他の実施形態）
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
(1) この実施形態では、鉄道車両の構体２に接合材３〜１４を適用した場合を例に挙げて説明したが、自動車、船舶、航空機などの他の交通輸送手段の構体についてもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、二種類の金属３ａ，３ｂを接合した場合を例に挙げて説明したが、二種類以上の金属を積層して接合した接合材についてもこの発明を適用することができる。さらに、この実施形態では、金属３ａと金属３ｂとを接着剤や固相接合によって接合した場合を例に挙げて説明したが、金属３ａと金属３ｂとをろう付けしたり、ボルトなどによる締結やスポット溶接などによって固定したりすることもできる。

(2) この実施形態では、金属３ａと金属３ｂとの厚さを同じにした場合を例に挙げて説明したが、金属材料の価格、剛性、加工の容易性などを考慮して任意の金属材料を組み合わせることができる。また、この第３実施形態〜第７実施形態及び第１０実施形態では、板状部３ｆ，３ｇ，３ｋ，３ｎを薄くしているが、接着剤に代えて固相接合が可能なように板状部３ｆ，３ｇ，３ｋ，３ｎを厚くしてもよい。この場合に、せん断強度などが十分であるときには、板状部３ｆ，３ｇ，３ｋ，３ｎと接合する相手側の金属の厚さを薄くすることもできる。さらに、この第３実施形態〜第１０実施形態では、発泡構造体又はハニカム構造体とバルク材との組合せを例に挙げて説明したが、金属３ａ，３ｂのいずれか一方を発泡構造体にして他方をハニカム構造体にすることもできる。

この発明の第１実施形態に係る接合材を備える交通輸送手段の構体の断面図である。 この発明の第１実施形態に係る接合材の断面図である。 この発明の第２実施形態に係る接合材の断面図である。 この発明の第３実施形態に係る接合材の断面図である。 この発明の第４実施形態に係る接合材の断面図である。 この発明の第５実施形態に係る接合材の断面図である。 この発明の第６実施形態に係る接合材の断面図である。 この発明の第７実施形態に係る接合材の断面図である。 この発明の第８実施形態に係る接合材の断面図である。 この発明の第９実施形態に係る接合材の断面図である。 この発明の第１０実施形態に係る接合材の断面図である。 この発明の第１１実施形態に係る接合材の断面図であり、（Ａ）は接合前の状態を示す断面図であり、（Ｂ）は接合後の状態を示す断面図であり、（Ｃ）は（Ａ）のXII-XIIC線で切断した状態を示す断面図であり、（Ｄ）は（Ａ）のXII-XIID線で切断した状態を示す断面図である。 この発明の第１２実施形態に係る接合材の断面図であり、（Ａ）は接合前の状態を示す断面図であり、（Ｂ）は接合後の状態を示す断面図であり、（Ｃ）は（Ａ）のXIII-XIIIC線で切断した状態を示す断面図であり、（Ｄ）は（Ａ）のXIII-XIIID線で切断した状態を示す断面図である。

符号の説明

１ 交通輸送手段（鉄道車両）
２ 構体
３〜１４ 接合材
３ａ 金属（第１の金属）
３ｂ 金属（第２の金属）
３ｃ 接着剤層
３ｄ 空隙部
３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈ，３ｊ，３ｋ，３ｎ，３ｐ 板状部
３ｉ，３ｍ コア部

Claims (5)

1. 第１の金属と第２の金属とを重ね合わせて接合した接合材であって、
   前記第１の金属は、アルミニウム合金、チタン合金又はステンレス鋼であり、
   前記第２の金属は、マグネシウム合金であり、
   前記第１又は前記第２の金属の少なくとも一方は、空隙部を有する軽量構造体であり、
   前記第１の金属と前記第２の金属とが固相接合されていること、
   を特徴とする接合材。
2. 請求項１に記載の接合材において、
   前記軽量構造体は、発泡構造体又はハニカム構造体であること、
   を特徴とする接合材。
3. 請求項１又は請求項２に記載の接合材の製造方法であって、
   前記第１の金属と前記第２の金属とを固相接合する固相接合工程を含むこと、
   を特徴とする接合材の製造方法。
4. 請求項３に記載の接合材の製造方法において、
   前記固相接合工程は、圧力１０ＭＰａで圧接して温度２５０°Ｃで２時間〜６時間加熱する工程であること、
   を特徴とする接合材の製造方法。
5. 請求項１又は請求項２に記載の接合材を備える交通輸送手段の構体。

Images