JP2010202944A - 中空鉄系ボール、およびそれを用いたボールブロックと積層パネル、ならびにそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量で圧縮強度が高く、かつ優れた断熱性，防振性，接着性を兼ね備えた中空鉄系ボール、およびその中空鉄系ボールを複数個接合したボールブロック、中空鉄系ボールを板材の間に複数個挟持した積層パネル、ならびにそれらの中空鉄系ボール，ボールブロック，積層パネルの製造方法を提供する。
【解決手段】中空鉄系ボールの表面に、鉄よりも貴な金属材料がコーティングされてなる中空鉄系ボールを使用し、該金属材料を介してボールを接合する。
【選択図】なし

Description

本発明は、鉄を主成分とし、接合が容易でかつ圧縮強度，低熱伝導性，防振性に優れた中空球体（以下、中空鉄系ボールという）、およびその中空鉄系ボールを複数個接合したブロック体（以下、ボールブロックという）、中空鉄系ボールを板材の間に複数個挟持した積層体（以下、積層パネルという）、ならびにそれらの中空鉄系ボール，ボールブロック，積層パネルの製造方法に関するものである。

近年、自動車等の車体の断熱性，防振性を改善するために、種々のエネルギー吸収材が開発されている。一方で車体の軽量化や高強度化の技術開発が促進されており、エネルギー吸収材にも軽量化や高強度化が求められている。
たとえば軽量なエネルギー吸収材として、特許文献１に示すような中空金属球の開発が進められている。ここでは、発泡スチロールの表面にバインダーを含んだ酸化鉄スラリーを塗布し、さらに乾燥した後、大気中で焼結、あるいは水素を含む還元雰囲気中で還元，焼結することで、中空金属球を製造する技術が開示されている。

また特許文献２には、加熱することによって溶融する材料を用いて中空金属球を接合する技術が開示されている。ここでは、中空金属球に接着材料を塗布し、さらに乾燥した後、外殻部材に充填して振動，加熱，冷却することによって、中空金属球で構成される構造体を作製している。
ところが、これらの従来の技術では、
(a)複数個の中空金属球で構成される構造体（たとえばエネルギー吸収材等）をさらに軽量化するためには、中空金属球の強度が不足している、
(b)複数個の中空金属球を接合するためには接着力が不足する、
(c)圧縮強度が高く、かつ優れた断熱性，防振性，接着性を兼ね備えた中空金属球は未だ開発されていない
等の問題があった。

上記の(a)については、中空金属球の製造工程で適量の銅，ニッケル，モリブデンを添加して強度を高める技術（特許文献１参照）が検討されているが、大幅な強度の向上は期待できない。
上記の(b)については、接着力を補強するために、周囲を全て覆う外殻の中に複数個の中空金属球を充填した構造体が検討されている。しかし、接着力が不十分であれば、外殻の内部で中空金属球が流動するので、構造体の強度向上を達成できない。また、積層パネルのような上下面を板材で拘束し側面を解放した構造体では、中空金属球が脱落するので、実用に供することはできない。

上記の(c)については、鉄鋼材料（たとえばステンレス鋼板等），ポリウレタンフォーム材，アルミハニカム材等の種々の材料を、それぞれの特性に応じて使い分けることによって、各材料の短所を補っている。しかし、在庫管理や工程管理が煩雑になり、その負荷が増大する。

特開2008-25015号公報 再公表特許WO2005/084854号公報

本発明は、軽量で圧縮強度が高く、かつ優れた断熱性，防振性，接着性を兼ね備えた中空鉄系ボール、およびその中空鉄系ボールを複数個接合したボールブロック、中空鉄系ボールを板材の間に複数個挟持した積層パネル、ならびにそれらの中空鉄系ボール，ボールブロック，積層パネルの製造方法を提供することを目的とする。

発明者らは、上記の(a)〜(c)の問題点を解決して、軽量で圧縮強度が高く、かつ優れた断熱性，防振性，接着性を兼ね備えた中空金属球を得る技術について、鋭意検討を重ねた。その結果、鉄を主成分とする中空球体（すなわち中空鉄系ボール）に関して、
(A)鉄を主成分とする中空鉄系ボールに銅を添加することによって強度を高める場合は、銅を２質量％程度添加すると強度の上昇は飽和する、
(B)中空鉄系ボールの銅含有量を２質量％程度とし、さらに中空鉄系ボールの表面に接合材として機能する金属材料を塗布して熱処理を施すことによって、大幅な強度の向上を達成できる、
(C)接合材として機能する金属材料として比較的融点の低い銅や錫を使用すると、中空鉄系ボールと接合材との接触面積が増大するので、接着力が向上する、
(D)中空鉄系ボールを圧縮すると、中空鉄系ボール同士の接触面積が増大するので、接着力が向上する
等の現象を見出した。本発明はこれらの知見に基づいてなされたものである。

すなわち本発明は、中空鉄系ボールの表面に、鉄よりも貴な金属材料がコーティングされてなる中空鉄系ボールである。
本発明の中空鉄系ボールにおいては、金属材料が、銅，錫およびこれらの合金から選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。金属材料の融点は、200〜1100℃であることが好ましい。

また本発明は、上記した中空鉄系ボールが、金属材料を介して複数個接合されてなるボールブロックである。
また本発明は、上記した中空鉄系ボールが、２枚の板材の間に複数個挟持されかつ金属材料を介して接合されてなる積層パネルである。
また本発明は、中空鉄系ボールの表面に鉄よりも貴な金属材料をコーティングする中空鉄系ボールの製造方法である。

また本発明は、上記の製造方法で得られた中空鉄系ボールを所定の型に複数個装入し、金属材料の融点以上に加熱後、冷却して、金属材料を介して複数個の中空鉄系ボールを接合するボールブロックの製造方法である。
本発明のボールブロックの製造方法においては、金属材料の加熱前、または加熱時に、中空鉄系ボールを圧縮することが好ましい。

また本発明は、上記の製造方法で得られた中空鉄系ボールを板材で複数個挟持し、金属材料の融点以上に加熱後、冷却して、複数個の中空鉄系ボールおよび／または板材が金属材料を介して接合する積層パネルの製造方法である。

本発明によれば、軽量で圧縮強度が高く、かつ優れた断熱性，防振性，接着性を兼ね備えた中空鉄系ボール、およびその中空鉄系ボールを複数個接合したボールブロック、中空鉄系ボールを板材の間に複数個挟持した積層パネルを得ることができる。

本発明で中空鉄系ボールの表面にコーティングする金属材料は、接合材として機能するものであり、鉄より貴な金属を使用する。その金属材料の融点が200℃未満では、中空鉄系ボールを使用する温度で金属材料が軟化するので、実用に供することができない。一方、1100℃を超えると、主成分である鉄の融点に近くなるので中空鉄系ボールが軟化して変形するばかりでなく、熱処理の燃料コストが増大する。したがって、中空鉄系ボールの表面にコーティングする金属材料の融点は200〜1100℃の範囲内が好ましい。より好ましくは350〜1100℃である。

その金属材料は、銅，錫およびそれらの合金の中から選ばれる１種または２種以上が好ましい。特に銅および銅合金は、中空鉄系ボールの主成分である鉄中に拡散し、微粒子として析出するので、析出硬化現象を発現し、中空鉄系ボールの強度の向上に寄与する。しかも、接合材として接着性にも優れている。
中空鉄系ボールの表面を金属材料でコーティングする方法は、特に限定しない。たとえば、金属粉末を塗布することによってコーティングを施すことができる。あるいは、電気メッキを行なうことによってコーティングを施すことができる。なお、電気メッキは、コーティング量の制御が容易であり、かつ大量の中空鉄系ボールに効率良くコーティングを施すことができるという利点を有する。

金属材料をコーティングした中空鉄系ボールを所定の型に充填し、次いで金属材料の融点以上に加熱する。この加熱処理は、大気中で行なっても良いが、水素雰囲気中で行なうと中空鉄系ボール表面の酸化を防止できるので好ましい。加熱処理によって金属材料が溶解すると、冷却して型から取り出す。このようにして、複数個の中空鉄系ボールが金属材料を介して接合したボールブロックを得ることができる。なお、中空鉄系ボールを充填する型の素材は、特に限定しない。ただし、加熱処理において中空鉄系ボールや金属材料と結合しない材料（たとえばセラミックス等）が好ましい。

あるいは、金属材料をコーティングした中空鉄系ボールを２枚の板材で挟持し、次いで金属材料の融点以上に加熱して金属材料を溶解し、その後、冷却する。この加熱処理は、大気中で行なっても良いが、水素雰囲気中で行なうと中空鉄系ボール表面の酸化を防止できるので好ましい。このようにして、複数個の中空鉄系ボール同士が金属材料を介して接合し、かつ中空鉄系ボールと板材が金属材料を介して接合した積層パネルを得ることができる。なお、中空鉄系ボールを挟持する板材の素材は、特に限定しない。ただし、加熱処理において形状や特性が変化せず、かつ中空鉄系ボールや金属材料と接合し易い材料が好ましい。

＜実施例１＞
酸化鉄，酸化銅，酸化ニッケルを混合したものにバインダーと水を加えてスラリー状態とし、これを球形（直径６mm）の発泡スチロールの表面にスプレー噴霧し、さらに乾燥して、発泡スチロールの表面に皮膜を形成した。次いで、大気中1000〜1200℃で焼結することによって、発泡スチロールを焼失させて、中空の金属酸化物の球体としたものを、水素雰囲気中で1000〜1200℃にて還元・焼結することで、中空鉄系ボールとした。中空鉄系ボールのFe，Cu，Niの含有量は表１に示す通りである。

得られた中空鉄系ボールの表面に、表1に示す金属材料をコーティングした。コーティングの方法は表１に示す通りである。次に、中空鉄系ボールをアルミナ製の型（直径50mm，高さ100mm）に充填して、表1に示す条件で加熱処理を施し、冷却した後、型から取り出してボールブロックとした。これを発明例１〜９とする。
一方、比較例１として、発明例と同様に作製した中空鉄系ボールの表面にエポキシ樹脂接着材をコーティングした。その中空鉄系ボールをアルミナ製の型（直径50mm，高さ100mm）に充填して、表1に示す条件で加熱処理を施し、冷却した後、型から取り出してボールブロックとした。

これらのボールブロックの圧縮試験を行なった。荷重−ストローク曲線プラトー領域の平均値を表1に示す。

表１から明らかなように、発明例では大きなプラトー荷重を実現でき、高強度化・軽量化に有利な形態となっている。
＜実施例２＞
酸化鉄，酸化銅を混合してFe含有量98質量％，Cu含有量２質量％となるように調整したものにバインダーと水を加えてスラリー状態とし、これを球形（直径６mm）の発泡スチロールの表面にスプレー噴霧し、さらに乾燥して、発泡スチロールの表面に皮膜を形成した。次いで、大気中1000〜1200℃で焼結することによって、発泡スチロールを焼失させて、中空の金属酸化物の球体としたものを、水素雰囲気中で1000〜1200℃にて還元・焼結することで、中空鉄系ボールとした。

得られた中空鉄系ボールの表面に、表２に示す金属材料をコーティングした。コーティングの方法は表２に示す通りである。表２中の相当厚（μｍ）は、コーティングした金属材料の厚さであり、コーティング前後の重量を測定し、これをバルク材の比重と中空鉄系ボールの直径とを用いて算出した値である。その中空鉄系ボールに、表２に示す条件で加熱処理を施した。これを発明例10〜15とする。

一方、比較例２として、発明例と同様に作製した中空鉄系ボールの表面にエポキシ樹脂接着材をコーティングした。その中空鉄系ボールに、表２に示す条件で加熱処理を施した。
これらの中空鉄系ボールの圧縮試験を行なった。その降伏荷重を表２に示す。

表２から明らかなように、発明例では大きな降伏荷重を実現でき、高強度化・軽量化に有利な形態となっている。
＜実施例３＞
酸化鉄，酸化銅を混合してFe含有量98質量％，Cu含有量２質量％となるように調整したものにバインダーと水を加えてスラリー状態とし、これを球形（直径６mm）の発泡スチロールの表面にスプレー噴霧し、さらに乾燥して、発泡スチロールの表面に皮膜を形成した。次いで、大気中1000〜1200℃で焼結することによって、発泡スチロールを焼失させて、中空の金属酸化物の球体としたものを、水素雰囲気中で1000〜1200℃にて還元・焼結することで、中空鉄系ボールとした。

得られた中空鉄系ボールの表面に、表３に示す金属材料をコーティングした。コーティングの方法は表３に示す通りである。次に、中空鉄系ボールをアルミナ製の型（直径50mm，高さ100mm）に充填し、さらに荷重を加えて圧縮した。さらに、表３に示す条件で加熱処理を施し、冷却した後、型から取り出してボールブロックとした。これを発明例16〜23とする。

一方、比較例３として、発明例と同様に作製した中空鉄系ボールの表面にエポキシ樹脂接着材をコーティングした。その中空鉄系ボールをアルミナ製の型（直径50mm，高さ100mm）に充填して、表３に示す条件で加熱処理を施し、冷却した後、型から取り出してボールブロックとした。
これらのボールブロックの圧縮試験を行なった。荷重−ストローク曲線プラトー領域の平均値を表３に示す。

表３から明らかなように、発明例では大きなプラトー荷重を実現でき、高強度化・軽量化に有利な形態となっている。
＜実施例４＞
発明例１，発明例13，比較例１と同じ中空鉄系ボールを、それぞれ２枚のステンレス鋼板（厚さ0.2mm）の間に充填し、さらに表４に示す条件で熱処理を施して積層パネル（全厚20mm）とした。これを発明例24，発明例25，比較例４とする。

一方、比較例５として、２枚のステンレス鋼板（厚さ0.2mm）でポリウレタンフォーム材を挟持した積層パネル（全厚20mm）を作製した。比較例６はアルミハニカム材（厚さ20mm），比較例７はステンレス鋼板（厚さ２mm）である。
これらの試験材の熱伝導特性，圧縮強度および振動の損失係数を調査した。その結果を表４に示す。なお振動の損失係数は、数値が大きいほど防振性が優れていることを示す。

表４から明らかなように、比較例の中には熱伝導特性，圧縮強度が発明例より高いものもあるが、振動の損失係数は発明例が比較例に比べて良好な数値を示しており、複合性能としては発明例の方が優れている。

軽量で圧縮強度が高く、かつ優れた断熱性，防振性，接着性を兼ね備えた中空鉄系ボールを得ることができ、その中空鉄系ボールを複数個接合したボールブロックあるいは中空鉄系ボールを板材の間に複数個挟持した積層パネルはエネルギー吸収材に好適であるから、産業上格段の効果を奏する。

Claims (9)

1. 中空鉄系ボールの表面に、鉄よりも貴な金属材料がコーティングされてなることを特徴とする中空鉄系ボール。
2. 前記金属材料が、銅、錫およびこれらの合金から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項１に記載の中空鉄系ボール。
3. 前記金属材料の融点が、200〜1100℃であることを特徴とする請求項１または２に記載の中空鉄系ボール。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の中空鉄系ボールが、前記金属材料を介して複数個接合されてなることを特徴とするボールブロック。
5. 請求項１〜３に記載のいずれか一項に記載の中空鉄系ボールが、２枚の板材の間に複数個挟持されかつ前記金属材料を介して接合されてなることを特徴とする積層パネル。
6. 中空鉄系ボールの表面に鉄よりも貴な金属材料をコーティングすることを特徴とする中空鉄系ボールの製造方法。
7. 請求項６で得られた中空鉄系ボールを所定の型に複数個装入し、前記金属材料の融点以上に加熱後、冷却して、前記金属材料を介して前記複数個の中空鉄系ボールを接合することを特徴とするボールブロックの製造方法。
8. 前記金属材料の加熱前、または加熱時に、前記中空鉄系ボールを圧縮することを特徴とする請求項７に記載のボールブロックの製造方法
9. 請求項６で得られた中空鉄系ボールを板材で複数個挟持し、前記金属材料の融点以上に加熱後、冷却して、前記複数個の中空鉄系ボールおよび／または前記板材が前記金属材料を介して接合することを特徴とする積層パネルの製造方法。