JP2011214127A - 制振・免震ダンパー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 寒冷地においても使用できる低温靭性を有し、地震等により建築構造物等に作用する振動エネルギーを吸収し、かつ、その振動を速やかに収斂させることのできる制振・免震ダンパー装置を提供する。
【解決手段】
炭素０．００１〜０．１０重量％以下、シリコン０．１〜３．０重量％、マンガン５．０〜１８．０未満重量％、クロム０．０１〜２０．０重量％、アルミニウム０．００１〜０．１重量％、残部鉄を含んでなる鋼であって、積層欠陥エネルギーＳＦＥ（ｍＪ／ｍ^２）を２０以下の条件を満たす化学組成になるように溶製し、所定の熱処理条件、冷却条件及び冷間加工条件を満たす製造方法によってε−Ｍｓ相が１０〜５０体積％とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、寒冷地においても使用できる低温靭性を有し、地震等により建築構造物等に作用する振動エネルギーを吸収し、かつ、その振動を速やかに収斂させることのできる制振・免震ダンパー装置に関する。

従来から、地震等により建築構造物等に作用する振動エネルギーを吸収するための免震ダンパー装置として、鋼棒ダンパー、オイルダンパー、粘性ダンパー、鉛ダンパー、ゴム積層ダンパー等が提案されている。鋼材を利用した免震ダンパー装置として、例えば、特開２００１−２３４２８５（特許文献１）や特開２００６−１９４２８４（特許文献２）が提案されている。

特許文献１で提案された免震ダンパー装置は、低温靭性にすぐれた振動吸収能を有するが、地震によって揺れ始めた振動を早期に収斂される制振機能はない。特許文献２は、材料に形状記憶合金を使用して地震の初期振動を吸収させ、その結果塑性変形した形状を付加的加熱によって復元させるものであり、現実的装置とはなり難い。
ゴム積層ダンパーは、地震の鉛直方向の振動吸収機能が不十分である。特に高層建築物の場合、例え横揺れであっても建築物に働くモーメントにより免震ダンパー装置には鉛直成分の引張応力が発生するので、積層ダンパーはこの引張応力に対する耐力が極めて低いので地震に対する基本的機能が不十分である。
鉛ダンパーは、環境問題から使用できない。
上記の背景から、寒冷地においても使用できる低温靭性を有し、地震等により建築構造物等に作用する振動エネルギーを吸収し、かつ、その振動を速やかに収斂させることのできる制振・免震ダンパー装置が求められている。

一方、金属系の制振性材料としては、鋳鉄、Ｍｎ−Ｃｕ合金、Ｍｇ−Ｚｒ合金、Ｍｇ−Ｎｉ合金、Ａｌ−Ｚｎ合金、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｔｉ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金等が知られている。
これらを制振・免震ダンパー装置の観点から見れば、鋳鉄やＭｇ系合金は強度が低いという欠点がある。Ｍｎ−Ｃｕ系合金は高い強度が得られないという欠点がある。Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ合金は歪によって減衰能が低下するという欠点がある。
これらの材料は、振動減衰能は比較的優れているが、高価な元素を多く含んでいるため合金材料の価格上昇となり上記のような建築構造物への用途は限られている。

上記の問題を解決するために、例えば、特許文献３によれば、機械的強度が高く、振動減衰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組成比９〜１５重量パーセント、Ｍｎ重量パーセント１８〜２６重量％、残部鉄からなり、イプシロン・マルテンサイト相が４０％以上である高強度高減衰能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をベースとしたものである。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、制振性に優れているので制振性の観点からは上記の問題点を解決するひとつの発明である。

しかしながら、特許文献３によって開示された技術によれば、イプシロン・マルテンサイト相が ４０％以上である高強度高減衰能Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｎ合金は、このような金属組織では低温靭性を発揮し得ない。また、特許文献３によって開示された技術では、マンガン重量パーセント１８〜２６重量％と開示されているが、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、マンガンは鋼の溶製時に用いられる耐火物の溶損を著しく増大させるという難点があるので、溶製コストが高くなるために上記の工業的用途が極めて制限されるという問題点がある。また、マンガン組成比が １８〜２６重量％と高いので冷間加工コストが高くなるという問題点がある。

一方、本発明者らは、特許文献４に示すように、振動減衰能のある材料として、炭素重量パーセント０．０５重量％以下、マンガン重量パーセント１３〜１８重量％、クロム重量パーセント９〜１５重量％、ニッケル重量パーセント０．０１〜６．０重量％、アルミニウム重量パーセント０．０１〜０．０５重量％、窒素重量パーセント０．０１重量％以下、残部鉄からなる材料を冷間加工によって、マトリックスであるオーステナイト相（以下、「γ−相」という。）中にイプシロン・マルテンサイト相（以下、「ε−Ｍｓ相」という。）を１０体積％以上生成させることを特徴とする高強度高減衰能Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ合金を提案している。
しかしながら、特許文献４においては、冷間加工による方法によって高強度高減衰能合金を推奨しているが、これは振動減衰能が安定して得られないばかりか、母材の低温靭性を著しく低下させるので、上記記載の用途には使用できない。

特許文献４においては、ニッケル重量パーセント０．０１〜６．０重量％添加することによって、マンガン重量パーセント１３〜１８重量％とマンガン量を少なくすることができることが開示されている。この技術は、ニッケル添加によってマンガン成分を低くすることで製造コストを低減するための対策技術ではあるが、高価なニッケルを添加して冷間加工性を向上しようとするものであり、原料コストに立てば、むしろ、コストが嵩むこととなる技術であり、総合的製造コストの原理原則に立ち返って検討し直すことが必要である。

特許文献５によって開示された技術によれば、炭素重量パーセント０．０１〜０．２５重量％、シリコン重量パーセント０．０１〜０．５重量％、マンガン重量パーセント１５〜４０重量％、クロム重量パーセント０．５〜１０重量％の主要な化学組成を特許の構成要件として、 ε−Ｍｓ相の体積パーセントを特定の範囲とすることによって低温靭性等の特性に優れた高マンガン鋼材を提案されている。しかしながら、特許文献５におけるマンガン重量パーセントは、１５〜４０重量％と高いため熱間加工及び冷間加工においてコスト高となり製造技術的に問題がある。そして、特許文献５は、鋼の制振性発現に関するものではない。

本発明者らは、上記の課題を解決するために検討した結果、制振性に優れた鋼として、熱処理或いは冷間加工によってε−Ｍｓ相が生成し易い度合いを示す積層欠陥エネルギーＳＦＥ（ｍＪ／ｍ^２）（数式５、非特許文献１参照）（以下、「ＳＦＥ」という。）に着目し、マンガンの効果をシリコンの微量添加によって一部置換えることによってマンガン重量パーセントの低減ができることを見出し、その効果を実証する知見を得て特許文献６として出願している。

特開２００１−２３４２８５号公報 特開２００６−１９４２８４号公報 特開２００２−１２１６５１号公報 特開２００７−３２１２４３号公報 特開２００７−１２６７１５号公報 特願２００８−２７８８２９号公報

Ｐｉｃｋｅｒｉｎｇ：Ｐｒｏｃ．Ｃｏｎｆ．Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌｓ，Ｇｏｔｈｅｎｂｕｒｇ，Ｓｅｐｔ．（１９８４）

本発明は、寒冷地においても使用できる低温靭性を有し、地震等により建築構造物等に作用する振動エネルギーを吸収し、かつ、その振動を速やかに収斂させることのできる制振・免震ダンパー装置を提供することを目的とする。

本願発明に係る制振・免震ダンパー装置を構成する制振性鋼は、
炭素、シリコン、マンガン、クロム、アルミニウム、及び、鉄を含んでなる制振性鋼であって、
炭素、シリコン、マンガン、クロム、アルミニウム、及び、残部鉄の合計重量を基準として、
シリコンの重量パーセント［％Ｓｉ］を０．１〜３．０［％］として、
マンガンの重量パーセント［％Ｍｎ］を５．０〜１８．０［％］に低減することにより、
Ｘ線回折法によって測定されたイプシロン・マルテンサイト相の体積パーセント［ε−Ｍｓ相］が、数式（１）を満足することを特徴とする。
［数式１］
１０［体積％］ ≦ ［ε−Ｍｓ相］ ≦ ５０［体積％］ （１）

本願発明に係る制振・免震ダンパー装置を構成する制振性鋼は、
炭素、シリコン、マンガン、クロム、アルミニウム、及び、残部鉄の合計重量を基準として、
炭素の重量パーセント［％Ｃ］を０．００１〜０．１０［％］、
シリコンの重量パーセント［％Ｓｉ］を０．０１〜３．０［％］、
マンガンの重量パーセント［％Ｍｎ］を５．０〜１８．０［％］、
クロムの重量パーセント［％Ｃｒ］を０．０１〜２０．０［％］
アルミニウムの重量パーセント［％Ａｌ］を０．００１〜０．１０［％］
残部を鉄の重量パーセント［％Ｆｅ］として含むことを特徴とする。

本願発明に係る制振・免震ダンパー装置を構成する制振性鋼は、
片持ち梁法によって測定した制振性を表す損失係数（η）（以下、「η」という。）が、数式（２）を満足することを特徴とする。
［数式２］
０．００５ ≦ η ≦ ０．１０ （２）

本願発明に係る制振・免震ダンパー装置を構成する制振性鋼は、
日本工業規格（ＪＩＳ Ｚ ２２４２：２００５ 金属材料のシャルピー衝撃試験方法）に規定する試験方法に従って行われるシャルピー試験（Ｃｈａｒｐｙ Ｔｅｓｔ）において、低温靭性の尺度であるシャルピー試験における５０％破面遷移温度（℃）
（以下、「ｖＴｒｓ」という。）が、
数式（３）を満足することを特徴とする。
［数式３］
ｖＴｒｓ ≦ −４０℃ （３）

本願発明に係る制振・免震ダンパー装置を構成する制振性鋼は、
炭素、シリコン、マンガン、クロム、アルミニウム、及び、残部鉄の合計重量を基準として、
炭素の重量パーセント［％Ｃ］を０．００１〜０．１０［％］、
シリコンの重量パーセント［％Ｓｉ］を０．０１〜３．０［％］、
マンガンの重量パーセント［％Ｍｎ］を５．０〜１８．０［％］、
クロムの重量パーセント［％Ｃｒ］を０．０１〜２０．０［％］
アルミニウムの重量パーセント［％Ａｌ］を０．００１〜０．１０［％］
鉄の重量パーセント［％Ｆｅ］として含んでなる鋼を、
第１工程として、９５０〜１２００℃で、１〜５時間、加熱する工程、
第２工程として、加工仕上がり温度７５０〜９５０℃で、熱間加工する工程、
第３工程として、７００〜９５０℃で、１〜６０分間、熱処理する工程、
第４工程として、５００℃から２０℃までの温度領域を、１０〜５０（℃／秒）の冷却速度で急速冷却する工程、
第５工程として、必要に応じて、冷間加工率１〜２０％の冷間加工を施す工程
を含んで構成される工程によって製造されることを特徴とする。

本願発明に係る制振・免震ダンパー装置を構成する制振性鋼は、
炭素の重量パーセント［％Ｃ］、シリコン重量パーセント［％Ｓｉ］、マンガン重量パーセント［％Ｍｎ］、クロム重量パーセント［％Ｃｒ］、ニッケルの重量パーセント［％Ｎｉ］及び窒素のパーセント［％Ｎ］によって、
数式（４）によって計算される積層欠陥エネルギー（ＳＦＥ）（ｍＪ／ｍ^２）が、
数式（５）を満足することを特徴とする。
［数式４］
ＳＦＥ（ｍＪ／ｍ^２）＝２５．７＋２×［％Ｎｉ］＋４１０×［％Ｃ］−０．９×［％Ｃｒ］−７７×［％Ｎ］−１３×［％Ｓｉ］−１．２×［％Ｍｎ］ （４）
［数式５］
−２０（ｍＪ／ｍ^２）≦ ＳＦＥ ≦ ２０（ｍＪ／ｍ^２） （５）

本願発明に係る制振・免震ダンパー装置は、
制振・免震ダンパー装置を構成する制振性鋼部材の断面積Ｓ（ｍｍ^２）及び長さＬ（ｍｍ）によって、数式（６）によって表わされる形状ファクタＦ（−）が、数式（７）を満足する制振性鋼によって構成されることを特徴とする。
［数式６］
Ｆ＝ Ｓ／Ｌ^２ （６）
［数式７］
０．０００１ ≦ Ｆ ≦ ０．０１ （７）

本発明は、寒冷地においても使用できる低温靭性を有し、地震等により建築構造物等に作用する振動エネルギーを吸収し、かつ、その振動を速やかに収斂させることのできる制振・免震ダンパー装置を提供することができる。本発明に係わる装置を設置することにより地震等による建造物の被害を軽減できる技術を提供するので、社会生活の安心・安全面への貢献効果が大きい。

以下に、本発明に係わる、寒冷地においても使用できる低温靭性を有し、地震等により建築構造物等に作用する振動エネルギーを吸収し、かつ、その振動を速やかに収斂させることのできる制振・免震ダンパー装置について具体的に説明する。
図１は、本発明に係わる制振・免震ダンパー装置の１例である。

本発明の請求項１記載事項において、シリコン重量パーセント０．１〜３．０重量％、マンガン重量パーセント５．０〜１８．０重量％としている。
これは、良好な制振性発現能を持ちながら、微量のシリコンを添加することによってマンガン量を低く抑えることができることを示してしいる。
即ち、請求項６記載事項において、熱処理或いは冷間加工によってε−Ｍｓ相が生成し易い度合いを示す積層欠陥エネルギーＳＦＥ（ｍＪ／ｍ^２）（数式４）の関係式において、マンガンの項は−１．２×［％Ｍｎ］であり、シリコンの項は−１３×［％Ｓｉ］であることから、シリコンはマンガンの約十倍のＳＦＥの低減効果があることを示している。
即ち、ＳＦＥを２０ｍＪ／ｍ^２以下に保持した上で、微量の０．１〜３．０重量％のシリコン添加によってマンガン添加量を５．０〜１８．０重量％と少なく抑えられている。

本発明の請求項１記載事項において、Ｘ線回折法によって測定されたε−Ｍｓ相の体積パーセントが１０〜５０体積％であることを開示している。
これは、本発明の基本的な制振発現の必要条件である金属組織、ε−Ｍｓ相の定量的表現であり、１０体積％未満では制振性が不十分となるためであり、５０体積％を超えるとε−Ｍｓ相が相互に絡みあって逆に上記の制振性を低下させ、また、低温靭性を低下させるためである。好ましくは、ε−Ｍｓ相体積パーセントが２０〜４０体積％である。

本発明の請求項２記載事項において、クロム０．０１〜２０．０重量％としている。
これは、本発明の基本となるγ−相生成に関するものである。
図２に、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｎ−Ｎｉ鋼の状態図を示した。
図２から明らかなように、クロムが２０．０重量％を超える領域ではオーステナイト相（γ−相）とフェライト相（α−相）の２相が生成するので、クロムを２０．０重量％以下、好ましくは、１５．０％以下とする。
クロムの下限については、積層欠陥エネルギーＳＦＥ（ｍＪ／ｍ^２）（数式１）を２０ｍＪ／ｍ^２以下とする条件を満たす範囲を設定することによって、クロムとマンガンの相乗効果によって効果的にγ−相を生成させる領域を広くとることができる。
ここで、特許文献４との比較で、ニッケルのγ−相生成の役割をマンガン及びクロムが効果的に果しているので、制振性発現の観点からは高価なニッケルは必ずしも必要なくなっている。
即ち、本発明に於いては制振性発現以外の必要がない限りニッケルの意図的な添加の必要はない。

また、本発明の請求項２記載事項において、炭素重量パーセントを０．１０重量％以下とするのは、振動減衰能を発現するγ相／ε−Ｍｓ相間の相互作用に悪影響を及ぼす固溶元素、特に、炭素の上限を定めることによって振動減衰能の向上及び安定を計るためであり、炭素重量パーセントが０．１０重量％を越えると振動減衰能を示す損失係数（η）が低下しかつ不安定になるためである。
炭素と同様の影響を及ぼす窒素は、溶解製造時に大気中より０．０２０〜０．１００重量％程度不可避的に混入して振動減衰能を低下させるものであるが、アルミニウムを０．０１〜０．１０重量％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制振性を阻害する作用をなくするためである。
即ち、アルミニウムが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、０．１０重量％を越えると過剰のアルミニウムによって鋼材の表面や内部にＡｌ_２Ｏ_３系の欠陥が発生しやすくなる危険があるためである。

本発明の請求項３記載事項において、片持ち梁方式によって測定された制振性鋼の損失係数（η）が０．００５〜０．１０であることを開示しているが、これは制振性に優れた鋼材としての基本的な条件である。
ここで、本発明になる鋼の振動減衰能は振動歪依存性が大きいので、損失係数（η）測定方法は、振動歪みを約１０^−４以上にする必要があるため、これを可能にする方法として片持ち梁方式を選択した。
測定値においては、損失係数（η）が０．００５未満であると制振性に優れた鋼としての振動減衰機能が不十分となるためであり、０．１０を超えるための製造条件では鋼材の機械的性質が上記記載の用途に適さなくなるためである。

本発明の請求項４記載事項において、ＪＩＳによって規定された低温靭性の尺度であるシャルピー試験における５０％破面遷移温度（ｖＴｒｓ）（℃）が−４０℃以下としている。本発明に係わる制振性鋼の５０％破面遷移温度（ｖＴｒｓ）（℃）が−４０℃を超えると、寒冷地での制振・免震ダンパー装置への使用が出来ないためである。

本発明の請求項５記載事項において、請求項２で規定される化学組成を有する鋼を、１〜５時間、９５０〜１２００℃に加熱する第１工程、仕上げ温度７５０〜９５０℃にて熱間加工する第２工程、常温で冷間加工する第３工程、７００〜９５０℃で１〜６０分間熱処理する第４工程、５００℃から２０℃までの温度領域を１０〜３０℃／ｓｅｃで急速冷却する第５工程及び、更に必要に応じて常温で１〜３０％の範囲で冷間加工を施す第６工程を含んで構成される制振性に優れた鋼の製造方法を開示している。
ここで、重要な工程は、第４工程、第５工程及び第６工程である。
第４工程において、熱処理温度を７００〜９５０℃としたのは、７００℃未満の温度では冷間加工歪除去及びオーステナイト化が不十分であるために制振性発現が不十分となるためであり、９５０℃を超えるとオーステナイト結晶粒が粗大化して機械的性質が不良となるためである。
第５工程においては、γ−相からε−Ｍｓ相への相転移に於いて、効果的に熱誘起ε−Ｍｓ相を生成させるために５００℃から常温までの冷却速度が重要であり、これを１０〜５０℃／ｓｅｃとした。１０℃／ｓｅｃ未満の冷却速度では熱誘起ε−Ｍｓ相の生成が不十分となる為である。
第６工程において、この鋼を更に１〜２０％の冷間加工を施すことによってε−Ｍｓ相の体積パーセントを増大させること又は冷間加工によって鋼のばね性を上げる製造方法を開示している。これは、用途によって必要な制振性や機械的性質或いは硬さを得るために必要に応じて選択することができる。
ここで、冷間加工率を１〜２０％としたのは、２０％を超えると生成するε−Ｍｓ相の体積パーセントが５０体積％を超えるために逆に有効なε−Ｍｓ相の振動が阻害されるので制振性が低下し、更に、低温靭性が低下するためである。

本発明の請求項７記載事項において、制振・免震ダンパー装置を構成する制振性鋼のばね部の断面積Ｓ（ｍｍ^２）及び長さＬ（ｍｍ）によって、数式（６）によって表わされる形状ファクタＦ（−）が、０．０００１〜０．０１としている。
これは、Ｆが０．０００１未満であると、１〜１０Ｈｚの地震に対して共振現象が起る恐れがある。Ｆを０．０００１以上としたのは、これを回避するためである。
Ｆが０．０１を超えると地震の振動を十分吸収できないばかりか、制振性能を発揮するに必要な歪量である１０^−４を確保出来ないためである。

本発明は、製造コストを抑制して、良好な低温靭性と制振性を併せ持つ制振性鋼を提供し、該鋼によって構成される制振・免震ダンパー装置を提供するものである。
該鋼の使用目的によっては、材料強度、ばね性、加工性、耐腐食性等の低温靭性と制振性能以外の特性を付与する必要がある場合には、本発明の基本要件である化学組成以外に、例えば、元素記号表示で云えば、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｕ、Ｃｏ、ＲＥＭ、Ｚｒ、Ｂ或いはＣａ等の元素を適宜添加することができるが、これらは本発明の範囲内である。

以下、本発明を実験例によって説明する。

［実験例１］
実験例１として、表１に示す組成の鋼を溶製した。
ここで、表１に記載されていない元素について説明すると、窒素は、溶製時に不可避的に侵入するもので０．００８〜０．１００％の範囲とした。
リン（Ｐ）及び硫黄（Ｓ）はいずれも０．０１％以下であった。
ニッケル（Ｎｉ）は、意図的には添加しなかった。
溶製した鋼を１０００℃で２時間加熱し、仕上げ温度８５０℃で熱間加工して１１ｍｍ厚の熱延板とした。これを、真空中にて８００℃、１時間の熱処理を行い常温の油中に急速冷却した。この時、５００℃から常温までの冷却速度は２０℃／秒であった。これを、さらに必要なばね性を付与するために１０％の冷間圧延加工を施した。
この材料の積層欠陥エネルギーＳＦＥ（ｍＪ／ｍ^２）を数式４によって計算した。
鋼中のε−Ｍｓ相の体積％をＸ線回折法によって求め、更に片持ち梁方式によって損失係数（η）を測定した。この測定方法は一端をクランプで固定し振動部のサイズは１０ｍｍ角ｘ３００ｍｍ長であり固定部を３Ｇ（３ｘ９８０ｍｍ／ｓｅｃ^２）の加速度で衝撃を与え自由減衰時間及び振動周波数を測定して損失係数（η）を求めた。この時の振動歪は１０^−４レベルであった。低温靭性の評価指標であるシャルピー試験における５０％破面遷移温度（ｖＴｒｓ）（℃）を測定した。
表１に、総合評価として優良（◎ ）、良好（○ ）及び不可（×）の記号を付した。

以下、表１について詳述する。
本発明例１〜１２は、シリコンを本発明の推奨範囲内である０．５〜１．０重量％を添加した例である。
ここで、本発明例１〜３は、ＳＦＥ値は、１０ｍＪ／ｍ^２以下でありε−Ｍｓ相体積％は、本発明範囲内であるので損失係数（η）及び低温靭性は極めて良好である。
特に、本発明例３においては、シリコンを０．８重量％添加しているので、クロムが６．０重量％でもＳＦＥの条件を満たせば、極めて良好な損失係数（η）と低温靭性を示すことが確認できた。
次に、本発明例４〜１２は、ＳＦＥ値が２０ｍＪ／ｍ^２以下でありε−Ｍｓ相体積％は本発明の請求範囲内であるので、損失係数（η）及び低温靭性共に良好である。
特に、クロムについては、ＳＦＥの条件を満足する範囲である、７．０重量％（本発明例５、７及び９）、或いは、５．０重量％（本発明例１２）においても良好な制振性発現が確認された。
比較例１及び２については、ＳＦＥ、ε−Ｍｓ相体積％及び損失係数（η）の指標からの判断では、良好（○）であるが、マンガン重量％が２２．０及び１９．０重量％と高いために材料が硬く冷間加工性が不良のために量産に当たっては製造コストが高くなるので総合評価は不可となるものであり、これは実験例３の項において詳述する。
比較例３は、シリコン無添加のために制振性が不良である。
比較例４は、シリコン量が過大のため、材料が硬く加工コストが高くなるので実生産ができない。
比較例５は、マンガン量が不足しているため制振性が不良である。
比較例６は、クロム量が過大のため、母相がγ−相とα−相の２相域となっているために、ε−Ｍｓ相の生成量が少ないので損失係数（η）が不十分である。

［実験例２］
実験例２は、本発明の請求項５に関するものである。
即ち、制振性を発現するε−Ｍｓ相を効果的に生成させ、かつ、良好な低温靭性を持つ鋼を得るための製造条件に関するもので、本発明の主要な要件を実証するものである。
表１に記載した本発明例１の材料を用いた。
これを１０００℃で２時間加熱し、仕上げ温度８５０℃で熱間加工して１０ｍｍ厚の熱延鋼板とした。これを、真空中で８００℃ｘ１時間の熱処理を行った。これらを表２の処理条件で冷却或いは冷間加工を行った。表２に、これらの機械的性質、損失係数（η）及びシャルピー試験の５０％破面遷移温度（ｖＴｒｓ）（℃）の測定結果を示す。総合評価は、使用用途の観点からの評価であり、制振性として損失係数（η）、低温靭性としてシャルピー試験の５０％破面遷移温度（ｖＴｒｓ）（℃）及びばね性として機械的性質を総合した評価である。総合評価は、優良（◎）、良好（○）及び不可（×）で表示した。

表２について詳細に説明する。
試験Ｎｏ．１−１〜１−５は、８００℃で熱処理後に油中に急速冷却した場合である。
試験Ｎｏ．２−１〜２−５は、８００℃で熱処理後に徐冷した場合である。
冷間加工によって引張強さが上昇するのでばね性は向上すが、低温靭性は冷間加工に敏感に劣化する。制振性は、急冷＋軽冷間加工の条件が良い。即ち、試験Ｎｏ．１−２及び１−３に示すように、８００℃で熱処理ご油中に急冷して、５及び１０％の冷間加工した場合は、ばね性、制振性及び低温靭性とも満足しているので、寒冷地でも使用できる制振・免震ダンパー装置用鋼材であることが実証された。
一方、８００℃で熱処理後に徐冷した場合は、最適な条件を見出し難い。

［実験例３］
実験例３は、本発明に係わる冷間加工性の評価に関するものである。
表３は、本発明例１（Ｍｎ：１６％）、本発明例８（Ｍｎ：８％）、比較例１（Ｍｎ：２２％）及びＳＵＳ３０４（Ｍｎ：１％）のマンガン（Ｍｎ）含有量の異なる鋼について、試験圧延機（ワークロール径８５ｍｍφの４段圧延機）によって、２．０ｍｍから約０．０３ｍｍ厚までの冷間圧延における中間熱処理回数と熱処理が必要となるまでの冷間圧延率を測定したものである。
本発明例１及び８は、２．０ｍｍから約０．０３ｍｍまでに中間熱処理回数は３回であり、次の中間熱処理までの平均冷間圧延率は６３〜７０％である。
これに対して、比較例１（Ｍｎ：２２％）は、９回の中間熱処理が必要となり、次の中間熱処理までの平均冷間圧延率は、３５％である。これは、冷間加工のコストが実生産における圧延コストが過大となるために実用化が阻害されていることが明白に示されている。
本発明例１及び８は、ＳＵＳ３０４と同等の冷間加工性であることが確認され、実生産可能との総合評価である。

［実験例４］
本発明になる鋼をその制振性能を効果的に発揮させるには、その制振・免震ダンパー装置の１次共振周波数を、適用する振動環境に適するようにした構造にする必要がある。
そこで、本発明者らは、本発明になる鋼について、箔、板及び棒の単純な断面積の様々な寸法と１次共振周波数との関係を図３に示す実験によって求めた。図４は、１次共振周波数を求めるための周波数応答関数の１例である。サンプル（振動部）の横断面積Ｓ（ｍｍ^２）、長さをＬ（ｍｍ）から数式６によって求められる形状ファクタＦと１次共振周波数ｆｎとの関係を試行錯誤によって求めた。
結果を図５に示す。
これによって、下記の実験式（数式８）の関係が求められた。
即ち、ｆｎ＝ＣｘＦの関係にあることが分かった。ただし、数式８に於ける係数（Ｃ）は、本発明になる制振性に優れた鋼にのみ適用されるものであり、他の材料では別途測定しなければならない。また上記の関係は、Ｆが０．０００１〜１．０の広い範囲で適用できることが確認された。
［数式８］
ｆｎ（Ｈｚ）＝１．０×１０^５×Ｆ （８）

［実験例５］
実験例５は、本発明の請求項７に関するものである。
制振・免震ダンパー装置を設計するに当たり留意すべきことは、該装置を構成する制振性鋼の振動部寸法をその使用環境及び想定した地震の振動に適合させることが重要である。
表１に記載の本発明例１の材料を用いて、１０ｍｍφの棒状のサンプルを作成した。
図３に示すような片持ち梁方式で振動部長さを５０ｍｍ〜１０００ｍｍ長さに変化させて、その各々について、固定部に５Ｈｚ及び１０Ｈｚの振動を付加して共振現象を計測した。損失係数（η）は、固定部に衝撃加振を与えて自由減衰時間軸波形から求めた。
表４に結果を示す。総合評価を○（良好）及び×（不可）で示した。
Ｆ値が０．０００１に近くなると、３Ｈｚ及び１０Ｈｚの連続加振に対して共振現象が観察される。即ち、共振現象を確実に回避するには、制振・免震ダンパー装置を構成する制振鋼の振動部のＦ値を０．０００１以上にして鋼材の振動部の共振周波数を予想される地震の振動周波数より余裕代をもって３倍程度高く設定する必要があることが判明した。
良好な制振性を発現させるためには、振動歪量を１０^−４以上にする必要がある。
５〜１０Ｈｚ程度の加振に対しては、Ｆ値を０．０１以下にすることによって、加振によって十分な振幅が得られるような条件設定をすることによって本発明の効果を発揮できることが判明した。

本発明は、寒冷地においても使用できる低温靭性を有し、地震等により建築構造物等に作用する振動エネルギーを吸収し、かつ、その振動を速やかに収斂させることのできる制振・免震ダンパー装置を提供することができる。本発明に係わる装置を設置することにより地震等による建造物の被害を軽減できる技術を提供するので、社会生活の安心・安全の面への貢献効果が大きい。
本発明により、制振性にすぐれた鋼を製造するためには必須な元素であるマンガンの組成比を顕著に低減することが実現できることから、製造コストを顕著に低減することを可能としたので産業上の利用価値が高い。

制振・免震ダンパー装置の例 Ｆｅ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｎｉ鋼の状態図 １次共振周波数測定のための実験方法 周波数応答関数の測定例 形状ファクタＦと１次共振周波数との関係

Claims (7)

1. 炭素、シリコン、マンガン、クロム、アルミニウム、及び、鉄を含んでなる制振性鋼において、
   炭素、シリコン、マンガン、クロム、アルミニウム、及び、残部鉄の合計重量を基準として、
   シリコンの重量パーセント［％Ｓｉ］を０．１〜３．０［％］として、
   マンガンの重量パーセント［％Ｍｎ］を５．０〜１８．０［％］に低減することにより、
   Ｘ線回折法によって測定されたイプシロン・マルテンサイト相の体積パーセント［ε−Ｍｓ相］が、数式（１）を満足することを特徴とする、
   優れた低温靭性、及び、優れた制振性を併せ有する制振性鋼によって構成される制振・免震ダンパー装置。
   ［数式１］
   １０［体積％］ ≦ ［ε−Ｍｓ相］ ≦ ５０［体積％］ （１）
2. 炭素、シリコン、マンガン、クロム、アルミニウム、及び、残部鉄の合計重量を基準として、
   炭素の重量パーセント百分率［％Ｃ］を０．００１〜０．１０［％］、
   シリコンの重量パーセント［％Ｓｉ］を０．０１〜３．０［％］、
   マンガンの重量パーセント［％Ｍｎ］を５．０〜１８．０［％］、
   クロムの重量パーセント［％Ｃｒ］を０．０１〜２０．０［％］
   アルミニウムの重量パーセント［％Ａｌ］を０．００１〜０．１０［％］
   残部を鉄の重量パーセント［％Ｆｅ］として含む
   ことを特徴とする制振性鋼によって構成される請求項１に記載した制振・免震ダンパー装置。
3. 片持ち梁法によって測定した制振性を表す損失係数（η）が、数式（２）を満足することを特徴とする制振性鋼によって構成された請求項１又は２に記載した制振・免震ダンパー装置。
   ［数式２］
   ０．００５ ≦ η ≦ ０．１０ （２）
4. 日本工業規格（ＪＩＳ Ｚ ２２４２：２００５ 金属材料のシャルピー衝撃試験方法）に規定する試験方法に従って行われるシャルピー試験（Ｃｈａｒｐｙ Ｔｅｓｔ）において、低温靭性の尺度であるシャルピー試験における５０％破面遷移温度（ｖＴｒｓ）が、数式（３）を満足することを特徴とする制振鋼によって構成された請求項１乃至３の何れかに記載した制振・免震ダンパー装置。
   ［数式３］
   ｖＴｒｓ ≦ −４０℃ （３）
5. 炭素、シリコン、マンガン、クロム、アルミニウム、及び、残部鉄の合計重量を基準として、
   炭素の重量パーセント［％Ｃ］を０．００１〜０．１０［％］、
   シリコンの重量パーセント［％Ｓｉ］を０．０１〜３．０［％］、
   マンガンの重量パーセント［％Ｍｎ］を５．０〜１８．０［％］、
   クロムの重量パーセント［％Ｃｒ］を０．０１〜２０．０［％］
   アルミニウムの重量パーセント［％Ａｌ］を０．００１〜０．１０［％］
   鉄の重量百分率［％Ｆｅ］として含んでなる鋼を、
   第１工程として、９５０〜１２００℃で、１〜５時間、加熱する工程、
   第２工程として、加工仕上がり温度７５０〜９５０℃で、熱間加工する工程、
   第３工程として、７００〜９５０℃で、１〜６０分間、熱処理する工程、
   第４工程として、５００℃から２０℃までの温度領域を、１０〜５０（℃／秒）の冷却速度で急速冷却する工程、
   第５工程として、必要に応じて、冷間加工率１〜２０％の冷間加工を施す工程
   を含んで構成される請求項１乃至４の何れかに記載した制振性鋼の製造方法。
6. 炭素の重量パーセント［％Ｃ］、シリコン重量パーセント［％Ｓｉ］、マンガン重量パーセント［％Ｍｎ］、クロム重量パーセント［％Ｃｒ］、ニッケルの重量パーセント［％Ｎｉ］及び窒素の重量パーセント［％Ｎ］によって、
   数式（４）によって計算される積層欠陥エネルギー（ＳＦＥ）（ｍＪ／ｍ^２）が、
   数式（５）を満足することを特徴とする制振鋼によって構成された、
   請求項１乃至４に記載された制振・免震ダンパー装置。
   ［数式４］
   ＳＦＥ（ｍＪ／ｍ^２）＝２５．７＋２×［％Ｎｉ］＋４１０×［％Ｃ］−０．９×［％Ｃｒ］−７７×［％Ｎ］−１３×［％Ｓｉ］−１．２×［％Ｍｎ］ （４）
   ［数式５］
   −２０（ｍＪ／ｍ^２）≦ ＳＦＥ ≦ ２０（ｍＪ／ｍ^２） （５）
7. 制振・免震ダンパー装置を構成する制振性鋼の振動部の断面積Ｓ（ｍｍ^２）及び長さＬ（ｍｍ）によって、数式（６）によって表わされる形状ファクタＦ（−）が、数式（７）を満足することを特徴とする制振性鋼によって構成された請求項１乃至４の何れかに記載された制振・免震ダンパー装置。
   ［数式６］
   Ｆ＝ Ｓ／Ｌ^２ （６）
   ［数式７］
   ０．０００１ ≦ Ｆ ≦ ０．０１ （７）