JP2009155719A5 - - Google Patents

Description

制振性鋼管及びその製造方法

本発明は、自動車の排ガス用部品、自動車構造材料或いは各種産業機械等に用いられる振動吸収性能に優れた制振性鋼管及びその製造方法に関するものである。

近年、騒音規制が社会的な要請として取上げられ、これに伴い騒音の発生源である自動車や産業機械或いは一般構造材に制振鋼板が使用されるようになった。制振鋼板とは、鋼板の持つ強度、靭性、加工性等の長所を損なわずに、機能複合化或いは合金化により制振機能を付与した鋼板であり、構造部材を兼ねる制振材料である。

機械、構造物の支柱や動力伝達などの軸は、軽量化をはかる目的で、重量の少ない割に高い剛性が得られる等の理由で、しばしば管状体が使用される。これらの支柱や軸は、その機械等が振動する場合に共振を起こす結果、振動を増幅したり、騒音を発生し易いなどの欠点がある。しかも、これらの支柱や軸は、構造上機械等と強固に結合されている場合が多いので、ゴム等の振動絶縁物を介して機械等と結合することが構造上不可能な場合が多い。したがって、これらの支柱や軸を構成する管状体自体が振動を吸収・抑制することが望ましい。

振動吸収能のある材料としては、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、振動吸収能は優れているが、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た価格上昇となり工業的用途が極めて制限されている。

これに対して、鋼板／粘弾性樹脂／鋼板で構成される三層構造から成る複合型制振鋼板が提案されているが、これを管状に加工する時に内外の鋼板に寸法の差異が生じるため粘弾性樹脂部にずれが発生して剥離などを起こすので、上記の目的には使用できない（特許文献１参照）。

また、管状体内部に特殊な粘弾性樹脂を非連続的に配置した制振性に優れた鋼管が提案されているが、粘弾性樹脂は温度依存性が大きいので、温度によって剛性が変化し、その使用可能温度範囲が狭いという欠点がある（特許文献２参照）。

さらに、固有振動数の異なる２層の金属管を密着させて、その接触面において振動にずれが発生して、振動エネルギーが摩擦エネルギーとして消耗され、制振効果を発揮するという複合２重管が提案されているが、加工が複雑となり、また、内外の管の密着性を制御する必要がある等の製造技術上の難しさがあるため製造コストが高くなる等の欠点がある（例えば、特許文献３参照）。

一方、機械的強度が高く、振動吸収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と類似したものであり、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、振動吸収能が優れている（特許文献４参照）。

しかしながら、特許文献４によって開示された技術によれば、マンガン含有量を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、振動吸収能を損なわない範囲で可能な限りマンガン含有量を低くすることが製造コストの点で求められている。更に、マンガン含有量が高い鉄鋼の場合、冷間加工硬化性を著しく上げるので、成形加工の観点からも振動吸収能を損なわない範囲で可能な限りマンガン含有量を低く抑えることが求められている。

特公昭４５−３４７０３ 特開平７−１７８８５８ 特開平６−３１８５２ 特許第３３７８５６５号

前述したように、自動車の排ガス用部品、自動車構造材料或いは各種産業機械等に用いられる振動吸収性能に優れた制振性鋼管を実現するために様々な試みがなされている。即ち、特許文献１、或いは、特許文献２に示されるように、粘弾性樹脂との複合効果によって制振性を発現させるものであるが、複合管の特性が使用する粘弾性体の特性に規制され、その管成形方法や使用温度等の点で必ずしも前述の目的を満足していない。また、特許文献３によって提案されている複合２重管は、製造技術が複雑なので、加工コストが大きいという欠点がある。さらに、特許文献４に示される制振性材料は、上記の欠点を克服した一体型制振性鋼管を製造できるが、鋼組成の点で製造コストが高くなるという問題点がある。

本発明者は、上記の問題を解決すべく鋭意研究開発を進めた結果、材料自身が振動吸収能を有しかつ量産可能な材料及びその製造方法を見出し、また、その鋼管が最も効果的に振動吸収能を発揮できる使用条件を見出し、以下の発明に至った。

本発明が提供する制振性鋼管は、マンガン１３重量％以上、１８重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、６重量％未満、クロム９重量％以上、１５重量％未満、その他元素及び残部鉄からなり、イプシロン・マルテンサイト相が１０％以上である組成の鋼を成形してなることを特徴とする（以下、「第１の発明」という）。

本発明が提供する制振性鋼管は、第１の発明の組成分に加えて、炭素０．０５重量％以下、アルミニウム０．０１重量％以上、０．００５重量％未満、窒素０．０１重量％以下を含有することを特徴とする（以下、「第２の発明」という）。

更に、本発明が提供する制振性鋼管は、第１又は第２の発明の制振性鋼管であって、引張強度が７００ＭＰａ以上、１５００ＭＰａ以下、そして、ＪＩＳＧ０６０２に定められた方法によって測定した損失係数（以下、「損失係数（η）」という。）が０．００５以上、０．３０以下であることを特徴とする（以下、「第３の発明」という）。

本発明が提供する制振性鋼管は、第１乃至３の発明の制振性鋼管であって、鋼管の断面積Ｓ（ｍｍ ^２ ）及び固定端間の長さＬ（ｍｍ）から数式１によって求められる形状指標Ｆから数式２によって求められる共振周波数ｆｎが、該鋼管の使用環境における加振振動数と重ならないように調整してなることを特徴とする（以下、「第４の発明」という）。
［数式１］
Ｆ＝Ｓ／Ｌ ^２ （１）
［数式２］
ｆｎ＝１．０×１０ ^５ ×Ｆ （２）

本発明の制振性鋼管の製造方法は、第１乃至４の発明の鋼管を成形加工する最終工程において、８００℃以上、１０００℃未満で溶体化熱処理を行い、しかる後、断面積比で１０％以上、５０％以下の冷間加工を施すことを特徴とする（以下、「第５の発明」という）。

本発明は、材料自体が優れた振動吸収性能を有しかつ量産可能な材料を成形加工した制振性鋼管及びその製造方法を提供するものであり、自動車の排ガス用部品、自動車構造材料或いは各種産業機械等に応用できるので工業的意義は大きい。

以下に、実施例によって本発明の最良の実施形態について説明する。

鋼管用素材としての鋼板の化学組成について検討するために、真空溶解法によって溶製し、表１に示す化学組成の５ｋｇ鋼塊を得た。なお、表１に示す組成以外の元素は、シリコン、燐、硫黄等の不純物元素及び残鉄分である。得られた鋼塊を表面切削加工した後、１１００℃ｘ１時間加熱処理し、さらにこれを熱間圧延によって板厚３．０ｍｍの熱延板を得た。しかる後に、酸洗によって表面の酸化層を除去し、冷間圧延を行い１．０ｍｍの板を得て後、９５０℃にて溶体化熱処理を行ったのち３０％の冷間加工の振動吸収能を付与する処理をして、０．７ｍｍの試験材を得た。表１に示す試験材を用いて、制振性の指標となるε―Ｍｓ相の面積率（％）、冷間加工性の指標となる０．２％耐力、制振性を示す損失係数（η）及び耐食性を測定した。その結果を表２に示す。

実施例１は、ニッケル含有量を０．０１重量％以上、６重量％未満とすることによってマンガン含有量を１３重量％以上、１８重量％未満とすることが出来、これによって振動吸収能を発現するγ／ε相間の相互作用効果を維持しつつ、且つ、合金の溶製を容易にすることによって製造コストを低減できることを示している。本発明者は、制振性を発揮することのできるオーステナイト相の安定化作用をするニッケル含有量とマンガン含有量との関係を検討した結果、オーステナイト安定指標としてＡ値＝Ｍｎ（％）＋Ｎｉ（％）の関係を見出した。即ち、表１及び表２の結果から、このＡ値が、１８以上になる様にニッケルを添加することが望ましい。これによって、耐火物の溶損による溶製コストを上げたり、加工硬化による冷間加工性を阻害するマンガン成分の一部をニッケル成分に置換することができる。ここで、ニッケル含有量が０．０１重量％未満の場合は上記のγ相を安定させる効果が不十分であり、また、６重量％以上では製造コストを不必要に上げるので得策ではない。これによってマンガン含有量を１３重量％以上、１８重量％未満に低く抑えることができる。また、クロム９重量％以上、１５重量％未満としたのは、本材料の用途に必要な耐食性を付与するためであり、９重量％未満の場合耐食性が不十分であり、１５重量％以上では不必要に添加することになりコストが不必要に上がるためである。また、マンガン含有量を１３重量％以上、１８重量％未満としたのは、マンガン含有量が１３重量％未満であると振動吸収能発現が不十分なとなるためであり、また、マンガン含有量が１８重量％を越えると加工硬化性の指標となる０．２％耐力が９５０ＭＰａ以上となり冷間加工性が低下し加工費が高くなるのを避けるためである。

実施例１のサンプル（Ｎｏ．１−１）を用いて、冷間圧延によって２ｍｍの板を得た。これを電縫によって５０ｍｍ径及び７０ｍｍ径ｘ２ｍｍ肉厚ｘＬｍｍ管長さの電縫管を作成した。これを９５０℃ｘ１ｍｉｎの条件で溶体化熱処理を行った後、引抜加工によって３０ｍｍ径及び５０ｍｍｘ１．８ｍｍ肉厚ｘＬｍｍの鋼管を作成した。この時の冷間加工率は管断面積表示で４５％であった。この各々の鋼管の長さＬを２００、３００、４００、５００、６００及び７００ｍｍに切断して、振動測定を行った。測定方法は、鋼管が水平になるように２本の糸で吊り下げ、鋼管の一端を加振して、他方端に受振装置を取付けて、加振周波数―振動伝達率の関係（周波数応答関数）を測定した。一方、管強度の評価は、図１に示すような３点曲げによって一定荷重での管の曲がり寸法を測定する方法によった。その結果をまとめて表３に示す。形状指標Ｆ値は、Ｆ＝πＲ／ｄ／Ｌ^２で表される指標である。ここで、Ｒは、管外径（ｍｍ）、ｄは管肉厚（ｍｍ）、Ｌは管長さ（ｍｍ）である。図２は、加振周波数―振動伝達率の関係（周波数応答関数）の例を示す。

本発明者は、多くの実験により、材料の形状指標Ｆ（＝断面積／（長さ）^２）とその材料の固有振動数ｆｎとの関係は、一般式として（３）式のように表すことができることを見出している。ここで、本発明の鋼管の場合は上記の様にＦ＝πＲ・ｄ／Ｌ^２となる。ここで、（３）式の比例定数ｋは、材料の組成及びその製造工程によって定まるものであり、本発明の材料では、ｋ＝１．０ｘ１０^５（±１０％）であることが判明している。そして、（３）式における定数ｋは、ヤング率や比重、損失係数（η）等のような材料そのものの物性によるものである。従って、（３）式の定数１．０ｘ１０^５は、本発明の材料にのみ適用するものであり、ＳＵＳ３０４或いはＳＵＳ４３０や普通鋼においては実験、測定の上決定されなければならない。

表３に記載されている固有振動数は、（２）式によって求めた。自動車の排気管や補強管が使われている振動環境は、２００〜４００Ｈｚと言われており、この振動領域に於ける振動伝達率が０．１〜０．５程度になるような固有振動数となる材料寸法を設定することによって良好な振動吸収能を得ることができる。ここで、図２は、本発明の材料について、その形状によって変えられる５０、１００及び２００Ｈｚの固有振動数を持つ形状についての周波数応答関数を示しており、上記の使用振動環境、２００〜４００Ｈｚにおける振動伝達率が０．１〜０．５程度であることを示している。そして、（２）式を適用することによって、材料指標Ｆ値が０．００２以下にすることによって、上記の振動環境で良好な振動吸収能を発揮することが判る。表３に於ける振動吸収能評価はこのような観点で評価したものである。一方、使用目的によって材料そのものに要求される強度は異なるので、Ｆ値の下限はそれによって定めることが必要である。例えば、表３のサンプルＮｏ．２−５、２−６及び２−１２は、振動吸収能は良好であるが、自動車補強材としての耐曲げ管強度が不十分なために、総合評価で△印評価とした。この領域は、本発明である制振性鋼管の特許請求の範囲内である。

実施例３は、振動吸収能を害する炭素及び窒素の制御方法に関するものである。真空溶解法によって溶製し、表４に示す５ｋｇの鋼塊を得た。なお、表４に示す組成以外の元素は、シリコン、燐、硫黄等の不純物元素及び残鉄分である。得られた鋼塊を表面切削加工し、１１００℃ｘ１時間加熱処理した後、熱間圧延によって板厚３．０ｍｍの熱延板を得た。しかる後に、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、９５０℃にて溶体化熱処理を行ったのち３０％の冷間加工の振動吸収能を付与する処理をして、０．７ｍｍの試験材を得た。表３に示す試験材を用いて、制振性を示す損失係数（η）を測定した。その結果を表５に示す。

実施例３は、振動吸収能を害する炭素及び窒素の制御方法に関するものであり、表４を基に、振動吸収能を発現するγ／ε相間の相互作用に悪影響を及ぼす不純物の制御方法について述べる。炭素については、炭素含有量を０．０５重量％以下とするのは、炭素含有量の上限を定めることによって振動吸収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％を超えると固溶炭素が多くなるため振動吸収能を示す損失係数（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の振動吸収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Ａｌ_２Ｏ_３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、これと結合するための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Ａｌ_２Ｏ_３系の欠陥が増大するためである。

実施例１，２及び３より明らかなように、本発明は、上記の第１、第２又は第３の発明に記載の条件を設定することによって、安定した振動吸収能を有する制振性鋼管をより安価かつ安定して提供することができる。

実施例４として、実施例１におけるサンプル（Ｎｏ．１−１）を用いて、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、実施例１のサンプル（Ｎｏ．１−１）に９５０℃ｘ５ｍｉｎの溶体化熱処理を行った後に、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５．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％以上、５０％以下の冷間加工率では、損失係数（η）、引張強さ及び伸び値ともに良好である。そして、５０％を越える冷間加工率では、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、実施例３によると、引張強度が７００ＭＰａ以上、１５００ＭＰａ以下、かつ、損失係数（η）が０．００５以上、０．３０以下の条件の特性が最適材料特性である。さらに、用途に応じて最適の冷間加工率を選択することによって損失係数（η）と材料特性の最適化が可能である。

実施例４から明らかなように、制振性ばねの引張強度が７００ＭＰａ以上１５００ＭＰａ以下及び損失係数（η）が０．００５以上、０．３０以下としたのは、引張強度が７００ＭＰａ未満、損失係数（η）が０．００５未満であると、良好な振動吸収能が得られないためであり、また、引張強度が１５００ＭＰａ以下、又は、損失係数（η）が０．３０以下としたのは、これを越えると機械的性質特に延性が劣化するために、材料の靱性の劣化が生じるためである。

実施例５は、表６をもって説明する。即ち、本発明が提供する制振性ばねの製造方法は、その成形加工の最終工程において、８００℃以上、１０００℃未満で溶体化熱処理を行い、しかる後に断面積比で１０％以上、５０％以下の冷間加工を施す工程は、所望の振動吸収能を発現させるための重要な工程である。即ち、溶体化熱処理において、８００℃以上、１０００℃未満の温度に規定したのは、８００℃未満であると溶体化熱処理の効果が不十分であり、また、１０００℃を越えると結晶組織が粗大化して加工割れが起こり易くなるばかりでなく不必要なエネルギーを必要とし得策ではない。更に、冷間加工が、１０％未満の時には所望の振動吸収能の発現が得られない為であり、また、冷間加工が５０％を越えると材料の延性が劣るためである。

以上に、本発明の実施形態を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、発明思想を逸脱しない範囲で各種の変更が可能であり、これらは本発明とみなすことは云うまでもない。

鋼管の強度を評価する方法を示した図。 周波数応答関数の例を示した図。

符合の説明

１０１：押込みアンビル
１０２：サンプル
１０３：支えのスパン
２０１：固有振動数が５０Ｈｚの周波数応答関数
２０２：固有振動数が１００Ｈｚの周波数応答関数
２０３：固有振動数が２００Ｈｚの周波数応答関数

Claims (5)

1. マンガン１３重量％以上、１８重量％未満、ニッケル０．０１重量％以上、６重量％未満、クロム９重量％以上、１５重量％未満、その他元素及び残部鉄からなり、イプシロン・マルテンサイト相が１０％以上である組成の鋼を成形してなることを特徴とする制振性鋼管。
2. 炭素０．０５重量％以下、アルミニウム０．０１重量％以上、０．０５重量％未満、窒素０．０１重量％以下を含有する組成の鋼を成形してなることを特徴とする請求項１記載の制振性鋼管。
3. 引張強度が７００ＭＰａ以上、１５００ＭＰａ以下、損失係数（η）が０．００５以上、０．３０以下である鋼を成形してなることを特徴とする請求項１又は２の何れかに記載した制振性鋼管。
4. 

   求められる形状指標Ｆから数式２によって求められる共振周波数ｆｎ（Ｈｚ）が、該鋼管の使用環境における加振振動数と重ならないように調整してなることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の制振性鋼管。
   ［数式１］
   

   

   ［数式２］
   

   
5. 鋼板を管状に成形加工する最終工程において、８００℃以上、１０００℃未満で溶体化熱処理を行い、しかる後、断面積比で１０％以上、５０％以下の冷間加工を施すことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載した制振性鋼管の製造方法。