JP5035825B2

JP5035825B2 - 制震合金

Info

Publication number: JP5035825B2
Application number: JP2006234817A
Authority: JP
Inventors: 孝宏澤口; 一行小川; 武丕児菊池
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2026-08-31
Also published as: JP2008056987A

Description

本発明は、鉄（Ｆｅ）−マンガン（Ｍｎ）−アルミニウム（Ａｌ) −シリコン（Ｓｉ）よりなる制震合金に関する。

上記制震合金は、特許文献１、非特許文献１及び非特許文献２に示すように従来知られた実用性が期待される制震合金ではあるが、その制震性能を左右する、応力振幅を出来るだけ小さくすることが要求されている。
特許文献１及び非特許文献１は、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系合金が建築構造物の制震ダンパーとして利用可能であることを示すものである。
非特許文献２、Ｆｉｇ．１３〜１６などに示されるように、従来の鋼材制震ダンパー（低降伏点鋼またはＬＹＰ）は、すべり変形、すなわち転位の運動により地震エネルギーを吸収するものであるから、変形の繰り返しにより、最大応力が上昇したり下降したりするが、制震特性の安定性の観点からは、この値は一定であることが望ましい。非特許文献１、Ｆｉｇ．１によれば、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系合金は繰り返し変形に対する加工硬化・加工軟化が小さく、制震特性が安定しているという長所がある。さらに、非特許文献２，Ｆｉｇ．２４〜２６によれば、歪み振幅±１％に対するＬＹＰの疲労寿命は１０００サイクル以下であるが、発明者らの最近の実験（未公開情報）によれば、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系合金は疲労寿命も歪み振幅±１％の振動に対して１万サイクル以上と、従来のステンレス系材料やＬＹＰより一桁以上長い。
しかし、上記文献中に示されたデータでは、±１％の振動に対する応力振幅が±５００ＭＰａであり、文献２、ＴＡＢＬＥ４及びＦｉｇ．１３〜１６に示されたＬＹＰの応力振幅（±１３０〜３００ＭＰａ）よりも大きい。制震ダンパーは建物本体よりも先に非弾性変形して地震のエネルギーを吸収しなければならないから、応力振幅を小さくすることが課題である。

特開２００６−１９４２８７ＳｃｒｉｐｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ，５４，１８８５−１８９０，２００６／０３／１５，ＴａｋａｈｉｒｏＳａｗａｇｕｃｈｉ，ＰｕｓｐｅｎｄｕＳａｈｕ，ＴａｋｅｈｉｋｏＫｉｋｕｃｈｉ，ＫａｚｕｙｕｋｉＯｇａｗａ，ＳｅｔｓｕｏＫａｊｉｗａｒａ，ＡｔｓｕｍｉｃｈｉＫｕｓｈｉｂｅ，ＭａｓａｈｉｋｏＨｉｇａｓｈｉｎｏ，ＴａｋａｔｏｓｈｉＯｇａｗａ．ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＡＴＥＲＩＡＬＳＩＮＣＩＶＩＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ，１０，１４３−１５２，１９９８，Ｅ．Ｓａｅｋｉ，Ｍ．Ｓｕｇｉｓａｗａ，Ｔ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ，Ａ．Ｗａｄａ．

本発明は、上記従来技術では得られることのない応力振幅の小さい合金を提供することを目的とする。

本発明の制震合金は、マンガン（Ｍｎ）を３０質量％、アルミニウム（Ａｌ)を１〜３質量％、シリコン（Ｓｉ）を３〜４質量％、炭素（Ｃ）を０．０１質量％以下含有し、残部が鉄（Ｆｅ）及び不可避的不純物よりなることを特徴とする構成を採用した。

上記構成により、従来には全く望むことが出来なかった応力振幅が±３２０ＭＰａ以下
とすることができ、制震性に対する信頼をますことができた。

高周波真空誘導炉を用い、表１に示す五種類の合金を溶製した。実施例１はＡｌを１質量％、実施例２はＡｌを２質量％および実施例３は３質量％含む合金も作製した。
また、本発明の性能を比較するため前記特許文献１に示した合金と同様なものを比較例１とし、Ａｌ無添加の合金を比較例２として作製した。
その後、図１の製造工程フローに従って各種測定用試験片を作製し、低サイクル疲労試験に供した。
熱間鍛造・圧延は、加工温度が８００℃以下とならないよう、１０００℃での加熱と加工を交互に繰り返し行った。均一化・溶体化熱処理は、試料をステンレス箔中に真空封入し、アルゴン雰囲気中で熱処理を行うことにより、表面の酸化と表面からのマンガン欠損を防いだ。
このようにして、加工条件を同じにし、かつ、出来るだけ加工環境による影響を受けないようにして試験片を加工した。

表２は、前記各実施例と比較例をひずみ振幅±０．２％の振動を与えたときの応力振幅と疲労硬化についての測定結果である。
表３は、前記各実施例と比較例をひずみ振幅±１．０％の振動を与えたときの応力振幅と疲労硬化についての測定結果である。

表２より、ひずみ振幅±０．２％の振動に対する応力振幅は、実施例１〜３および比較例１〜２の間に大きな差異はなく、３６７〜４６９ＭＰａの範囲の値を示した。
しかし、ひずみ振幅が±１．０％まで増加すると、比較例１および２では、応力振幅が、それぞれ、１０１６ＭＰａおよび９０６ＭＰａまで急増するのに対し、Ａｌを１〜２質量％添加した実施例１および２では、６１３および６００ＭＰａという低い値を示した。Ａｌを３質量％添加した実施例３では、圧縮側の応力が６３４ＭＰａとやや大きく、さらなるＡｌ添加による応力振幅の変化が増加傾向に転じていることを示唆しているが、比較例１および２と比較して十分低い値であった。
すなわち、応力振幅を最小化させるＡｌの最適成分範囲は１〜３質量％であると考えられる。
比較例１および２が±１．０％の振動に対して極めて高い応力振幅を示したのは、これらの合金が高い加工硬化を示すことと、段階的にひずみ振幅を増加させながら繰り返し変形した事による累積疲労硬化が組み合わされた結果であると考えられる。一方、実施例１〜３では、加工硬化や累積疲労硬化が低いため、±１．０％もの大きな振動に対しても低い応力振幅を示した。
このような差異は、中小規模の地震に複数回曝された後、Ｍ８クラスの大規模地震が発生した場合のダンパーとしての性能に顕著に現れる。すなわち、比較例１，２の場合、加工硬化や疲労硬化の累積結果として、応力振幅が高くなり、ダンパーとしての性能が劣化してしまうのに対し、実施例１〜３の合金では±３００ＭＰａ程度の低応力振幅を維持できるため、振動減衰効果を十分発揮することが可能である。

Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系制震合金の用途としては、建築の免震構造に用いる制震ダンパー（非特許文献１）が提案されてきた。

試験片の製造工程フロー各実施例と比較例2をひずみ振幅±０．２％の振動を与えたときの応力振幅を示すグラフ。

Claims

鉄（Ｆｅ）−マンガン（Ｍｎ）−アルミニウム（Ａｌ) −シリコン（Ｓｉ）よりなる制震合金であって、マンガン（Ｍｎ）を３０質量％、アルミニウム（Ａｌ)を１〜３質量％、シリコン（Ｓｉ）を３〜４質量％、炭素（Ｃ）を０．０１質量％以下含有し、残部が鉄（Ｆｅ）及び不可避的不純物よりなることを特徴とする制震合金。