JPH11302765A

JPH11302765A - 衝撃吸収性に優れた発泡金属

Info

Publication number: JPH11302765A
Application number: JP10109497A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Miyoshi; 鉄二三好
Original assignee: Shinko Wire Co Ltd
Current assignee: Kobelco Wire Co Ltd
Priority date: 1998-04-20
Filing date: 1998-04-20
Publication date: 1999-11-02

Abstract

(57)【要約】【課題】衝撃吸収特性により優れていて、しかも低コ
ストが図れる発泡金属材料の提供。【解決手段】重量％で、Ｃｕ：０．１〜５．７％、Ｃ
ａ：０．１〜５％、Ｚｎ：０．１〜１０％、Ｍｇ：０．
１〜１５％、Ｔｉ：０．１〜３％からなる群の１種又は
２種以上を含みその合計が３％以上で残部がアルミニウ
ム及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金で、発
泡率が８０％以上である発泡金属。さらに、平均粒径１
００μｍ以下のセラミック粒子が重量％で１〜３０％均
一に分散して添加されて発泡金属が構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム合金
を主材料とした衝撃吸収性に優れた発泡金属に関し、自
動車、鉄道車両、船舶等の輸送機械や道路の衝撃吸収材
等あらゆる衝撃吸収関係の部材に適用される発泡金属に
関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車、鉄道車両、船舶等の輸送機械
は、移動中に他の輸送機械、側壁、動物、人などと衝突
する可能性がある。従って、高速移動する輸送機械に
は、衝突による衝撃力から輸送機械内部の乗員、構造体
を保護するため、先端部等に衝撃を吸収する部材が配備
されている。例えば、自動車のバンパーやサイドメンバ
ー等が挙げられる。

【０００３】従来の衝撃吸収材としては、自動車のバン
パーやサイドメンバーの場合は、高強度鋼板や発泡ウレ
タン等が用いられている。しかし、高強度鋼板では、衝
撃吸収エネルギーは大きいが衝突時の初期加速度が高い
ことから、乗員に肉体的損傷を与える可能性が高い。ま
た、衝突される側が人や動物の場合は、致命傷につなが
る危険性が非常に高い。一方、発泡ウレタンは衝撃特性
に優れているがリサイクル性が悪く、環境問題が高まっ
てきている現今では、製品寿命が約１０年程度の自動車
の部材としては適しているとはいえない。

【０００４】近年では、衝撃吸収材としてリサイクル性
の良好な発泡金属が採用される傾向にある。この衝撃吸
収材料は角柱等の形状の軸芯方向を衝突方向に一致させ
るように配置し、衝突時に圧縮応力を受けて圧壊するこ
とにより衝突エネルギーを吸収し、乗員や構造体への衝
撃を減少させるようにしたものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記発
泡金属では圧縮変形量を大きくして衝突エネルギーを十
分吸収するようにしたのでは軸芯方向の部材長が大きく
なるために、圧縮応力を受けると座屈が生じ易い。一旦
座屈を生じると当然であるが衝撃吸収性が悪くなる。こ
の問題を解決するべく、特開平 8− 68436号公報等に挙
示される先行技術がある。これらの先行技術はいずれも
複数種の発泡金属をサイズ或いは密度を変えて組合せて
一体化したものであり、従って、製作工程が多く、構造
複雑で高コストになる問題点がある。

【０００６】本発明は、このような従来の衝撃吸収材が
有する問題点の解消を図るために成されたものであり、
本発明の目的は、衝撃吸収特性により優れていて、しか
も低コストが図れる発泡金属材料を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するため以下に述べる手段を採用したものである。
即ち、本発明は、アルミニウム合金およびそれにセラミ
ック粒子を分散させた発泡金属に関するものであって、
この種の発泡金属について本発明者等によって研究、検
討を鋭意重ねた結果、特にアルミニウム合金の強化元素
であるＭｇ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｔｉ及びＣａについて、これ
らを適正量添加することで発泡金属のセル壁を強化し、
衝撃吸収量を向上させ、かつ塑性変形量を適正の範囲に
コントロールすることで、発泡金属を圧縮変形する際
に、セル壁が塑性変形から破断に転じて、高い加工硬化
を生じないことが判明したものである。

【０００８】その結果、圧縮変形時の降伏応力を低くす
ることが可能となり、破断後も隣接するセル壁に圧縮応
力を伝達することができるため、従来の発泡体よりも圧
縮変形能が高く、人や動物等の生物弱者に衝突した際の
衝撃応力を最小限にとどめ得ることを知見するに至っ
た。また、セラミック粒子を分散させていると圧縮変形
の際に金属とセラミックの界面で亀裂を生じ、発泡金属
の圧縮変形能を高め得ることも見出した。そして、この
成分を持つアルミニウム合金ならびにそれにセラミック
粒子を分散させた発泡金属の発泡率を８０％以上にする
ことで圧縮変形時の降伏応力を低くし、６０％以上の高
い圧縮変形能を実現し得たものである。

【０００９】このような特徴が発揮されてなる本発明
は、以下に述べるような構成を有する。即ち、その一つ
は、重量％で、Ｃｕ：０．１〜５．７％、Ｃａ：０．１
〜５％、Ｚｎ：０．１〜１０％、Ｍｇ：０．１〜１５
％、Ｔｉ：０．１〜３％からなる群の１種又は２種以上
を含みその合計が３％以上で残部がアルミニウム及び不
可避的不純物からなるアルミニウム合金で、発泡率が８
０％以上であることを特徴とする衝撃吸収性に優れた発
泡金属である。

【００１０】また本発明の今一つは、重量％で、Ｃｕ：
０．１〜５．７％、Ｃａ：０．１〜５％、Ｚｎ：０．１
〜１０％、Ｍｇ：０．１〜１５％、Ｔｉ：０．１〜３％
からなる群の１種又は２種以上を含みその合計が３％以
上で残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなるア
ルミニウム合金に、平均粒径１００μｍ以下のセラミッ
ク粒子が重量％で１〜３０％均一に分散していて、発泡
率が８０％以上であることを特徴とする衝撃吸収性に優
れた発泡金属である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を具体的
に説明する。ここで、本発明に関する添加元素について
説明する。Ｃａは、発泡金属の製造時における溶湯の粘
性を増加させ、かつ気泡を安定化させて、発泡体を均質
にする作用を有する。その効果を得るためには、少なく
とも０．１％以上必要であるが、過度に添加すると、溶
湯の粘性を過度に高め、溶湯の流動性を著しく低下さ
せ、発泡剤の分散が困難となり、均質下で８０％以上の
発泡率を得るのが困難となる。従って、その上限を５％
とする。

【００１２】Ｃｕは、強度向上に有効な元素であり、適
度に延性を低下させる。その効果を得るためには少なく
とも０．１％以上必要であるが、過度に添加すると脆弱
になり、自動車等に搭載した場合、長期の振動による劣
化や破壊の可能性がある。また、均一に発泡率を高くす
るのが困難となり、また、気泡粒径を大きくさせる特性
があるので、その上限を５．７％とする。

【００１３】Ｍｇは、強度向上に有効な元素であり、ま
た、発泡金属の製造時に溶湯の粘性を増加させ、かつ気
泡を安定化させて、発泡体を均質にする作用を有する。
その効果を得るためには、少なくとも０．１％以上必要
であるが、過度に添加すると、溶湯の粘性を過度に高
め、溶湯の流動性を著しく低下させ、発泡剤の分散が困
難となり、また、気泡が粗くなり易くなるので、均質下
で８０％以上の発泡率を得るのが困難となる。従って、
その上限を１５％とする。

【００１４】Ｚｎは、Ｍｇと共存した際に強度向上に有
効な元素でもあるが、凝固収縮する作用があり、セル壁
の一部に膜厚の薄い部分を形成させ、圧縮変形能を高め
る作用がある。しかし、過度に添加すると発泡金属の気
泡粒径の安定化を阻害し、気泡が粗くなって８０％以上
の発泡率を得るのが困難となる。従って、その上限を１
０％とする。

【００１５】Ｔｉは、強度向上及び延性の制御に有効な
元素である。その効果を引き出すためには、少なくとも
０．１％以上必要であるが、過度に添加すると、溶湯の
流動性を低下させ、晶出することにより発泡金属を脆く
するのでその上限を３％とする。

【００１６】これらの元素は単独で添加しても効果を示
すが、複合添加することの相乗効果により、強度と延性
を制御し、変形能の高い発泡金属が得られる。しかし
て、目的の変形能を得るには、Ｃａ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｎ
及びＴｉの１種又は２種以上の合計が少なくとも３％以
上必要である。

【００１７】次に、セラミック粒子に関しては、このセ
ラミック粒子を分散させていると圧縮変形の際に金属と
セラミックの界面で亀裂を生じ、発泡金属の圧縮変形能
を高める作用がある。この効果を有効に利用するには少
なくとも１％以上必要であるが、過度に添加すると、均
一な分散が困難となり、溶湯の粘性を増加させ、発泡剤
の分散を阻害し、発泡率８０％以上の均質な発泡金属を
得るのが困難となるのでその上限を３０％とする。ま
た、セラミック粒子は粗い方が分散させやすいが、発泡
金属の気泡を粗くする。従って、平均粒径の上限を１０
０μｍとする。

【００１８】これらの成分から構成される発泡金属は、
発泡率が高いほど圧縮変形能は高くなる。圧縮変形時の
降伏応力を低く抑えて６０％以上の高い変形能を得るに
は発泡率を少なくとも８０％以上にする必要がある。こ
のように発泡率を８０％以上にすることで圧縮変形時の
降伏応力を低くし、６０％以上の高い圧縮変形能を有す
る衝撃吸収特性の優れた発泡金属を得ることができる。

【００１９】以上述べたような各元素を含ませることに
より、本発明の発泡金属は衝撃吸収材料として用いられ
た際、最大６０％以上の圧縮変形を利用して衝撃力を吸
収し、保護すべき乗員や構造体あるいは歩行者等に与え
る衝撃力を減少させ、損傷を極力抑制することが可能と
なる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例について添付図面およ
び表を参照しながら説明する。本発明に係る試料（サン
プル）は全て３０kgの合金に発泡剤として水素化チタン
を用い、粘性を増加させる目的および一部のサンプルは
セラミック粒子を分散させる目的で１０分間大気中で強
攪拌した。この溶湯を３００mm×６００mm×６５０mmの
６８０℃の鋳型に注湯し、発泡剤である水素化チタンを
鋳型内で添加して、２分間強攪拌し、鋳型内で発泡させ
た。５分後、鋳型を炉内から取り出し強制空冷にて冷却
凝固させた。これを切断し、試験用サンプルを採取し
た。なお、比較例としてのサンプルについても同様であ
る。それらサンプルの化学成分および発泡率を後記「表
１」に示す。

【００２１】なお、発泡率は、（合金の密度−サンプル
の見掛け密度）／合金の密度×１００（％）である。ま
た、圧縮試験サンプルは８０mm×８０mm×２００mm高さ
のものを２０mm／min の速度で圧縮試験した。圧縮試験
の結果は図１および図２に示される。

【００２２】本発明の発泡金属は、「表１」におけるサ
ンプル番号が１，３，５，８，１２および１３の６種で
あって、９種の比較材２，４，６，７，９，１０，１
１，１４および１５に対して、図１、２を参照すれば明
らかなように、低い応力で変形しはじめ、その変形量が
大きいことが判る。即ち、衝突時の変形応力が低いた
め、衝撃力をより小さくすることが可能であることを意
味する。

【００２３】これに対して、比較材２は、発泡率が７８
％しかないため、降伏応力が高く、変形量も５０％程度
で変形能が小さい。比較材４は、Ｍｇ添加量が多いた
め、気泡が粗く不均一となったことから、降伏応力が高
くなり変形能が低下している。また、比較材６および７
は、ＣｕおよびＣａが多いため、比較材４と同様の傾向
を示した。比較材９は、Ｃａ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｎおよび
Ｔｉの合計が３％未満であるため、本発明材とは圧縮変
形時の破壊形態が異なり、局所的には延性破壊が多いた
め、降伏応力が高く、変形能が６０％未満で高くない。

【００２４】

【表１】

【００２５】比較材１０は、Ｚｎが多いため、８０％以
上の発泡率の発泡金属を得ることができなかった。比較
材１１は、Ｔｉ添加量が多いため、均質な発泡金属が得
られなく、降伏応力が高く、かつ変形能も低い。

【００２６】セラミック粒子を添加した本発明材１２お
よび１３は良好な圧縮変形を示した。一方、同成分の合
金に３１％のセラミック粒子を添加した比較材１４は、
同条件で製造した場合、気泡が不均一となり、良好な変
形能を得ることができなかった。また、比較材１５は、
本発明材１２のセラミック粒子の平均粒径４４μｍに対
して１２２μｍと粗くしただけであるが、気泡粒径が粗
く不均一になったため、降伏応力が高く、かつ変形能が
低くなっている。

【００２７】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に記載されるような効果を奏する。即ち、
本発明によれば、発泡金属のセル壁を強化し、衝撃吸収
量を向上させることができるので、従来の発泡体よりも
圧縮変形能が高く、かつ、人や動物等の生物（弱者）に
衝突した際の衝撃応力をできるだけ小さくすることが可
能であって、衝撃吸収特性に優れた発泡金属材料を低コ
スト下に提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る発明材試料および比較材
試料についての圧縮変形率−圧縮応力線図である。

【図２】本発明の実施例に係る発明材試料および比較材
試料についての圧縮変形率−圧縮応力線図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＣ２２Ｃ 21/06 Ｃ２２Ｃ 21/06 21/10 21/10 32/00 32/00 ＱＦ１６Ｆ 7/12 Ｆ１６Ｆ 7/12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃｕ：０．１〜５．７％、Ｃ
ａ：０．１〜５％、Ｚｎ：０．１〜１０％、Ｍｇ：０．
１〜１５％、Ｔｉ：０．１〜３％からなる群の１種又は
２種以上を含みその合計が３％以上で残部がアルミニウ
ム及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金で、発
泡率が８０％以上であることを特徴とする衝撃吸収性に
優れた発泡金属。
【請求項２】重量％で、Ｃｕ：０．１〜５．７％、Ｃ
ａ：０．１〜５％、Ｚｎ：０．１〜１０％、Ｍｇ：０．
１〜１５％、Ｔｉ：０．１〜３％からなる群の１種又は
２種以上を含みその合計が３％以上で残部がアルミニウ
ム及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金に、平
均粒径１００μｍ以下のセラミック粒子が重量％で１〜
３０％均一に分散していて、発泡率が８０％以上である
ことを特徴とする衝撃吸収性に優れた発泡金属。