KR20150117637A - 제진합금 - Google Patents

Abstract

적어도 Cr, Ni 중 어느 하나를 함유하는 Fe-Mn-(Cr, Ni)-Si계의 제진합금, 또는 Al을 더 함유하는 제진합금이며, 성분 조성으로서 5질량%≤Mn≤28질량%, 0질량%≤Cr≤15질량%, 0질량%≤Ni<15질량%, 0질량%<Si<6.5질량%, 0질량%≤Al<3질량%, 잔부 Fe 및 불가피 불순물을 함유하고, [%Ni]+0.5[%Mn]>0.75[%Cr]+1.125[%Si]+2[%Al], 또한 37<[%Mn]+[%Cr]+2[%Ni]+5[%Al]<45(식 중 [%Ni], [%Mn], [%Cr], [%Si], [%Al]은 Ni, Mn, Cr, Si, Al의 질량%를 의미한다)의 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다.
이것에 의해, Fe-Mn-(Cr, Ni)-Si계 합금에 있어서 내력과 반복 인장 압축 변형 후의 응력 진폭을 저하시키고, 또한 파단 반복수를 증가시켜서 장주기 지진동 후도 정비가 필요없이 사용 가능하며, 또한 양산 가능한 탄소성 댐퍼용의 제진합금을 제공할 수 있다.

Description

제진합금{DAMPING ALLOY}

본 발명은 저응력으로 탄소성 변형이 가능하며, 또한 피로 특성이 우수한 제진합금에 관한 것이다.

2011년 3월 11일에 발생한 동일본 대지진 재해와 그 후의 활발한 지진 활동에 의해, 거대 재해에 대한 방재 의식이 일찌기 없을 만큼으로 높아져 있다. 특히, 토카이·토난카이·난카이 지진이나 수도 직하형 지진 등, 거대 지진의 발생이 예측되는 지역에 대도시권이 포함되어 있기 때문에, 재해 예측이나 방재 체제의 강화 정비와 아울러, 건축 구조물을 지진의 피해로부터 지키는 제진·면진 기술 등의 공업적 감재 대책에도 최대한의 노력이 이루어지고 있다.

제진 댐퍼는 바람이나 지진에 의해 건물에 입력되는 진동 에너지를 흡수하여 진동이 구조물 본체에 미치지 못하도록 하는 제진장치이다. 지금까지 제안, 개발되어 있는 제진 댐퍼를 크게 구별하면, 점성 댐퍼(특허문헌 1), 점탄성 댐퍼(특허문헌 2), 납 댐퍼(특허문헌 3), 탄소성 댐퍼(특허문헌 4) 등이 있다.

그 중에서도, 특히 지진시에 있어서의 구조물의 흔들림을 저감하는 제진 댐퍼로서는, 저항복점 강을 사용한 탄소성 댐퍼가 성능, 비용, 메인터넌스성에 있어서 뛰어나기 때문에 최근 특히 보급이 진행되고 있다.

이 탄소성 댐퍼는 댐퍼용의 심재로서 사용되는 합금의 소성 변형에 의해 건물에 입력되는 지진 에너지를 주로 열 에너지로서 흡수하여 건물의 진동을 저감하는 기능을 갖는 것이다.

제진 댐퍼의 성능에는 심재가 되는 제진합금의 소성 변형 특성이 중요한 영향을 끼친다. 이 소성 변형 특성은 구조물 본체보다 조기에 소성 변형시키기 위해서 제진합금의 항복응력 또는 내력은 낮은 것이 바람직하다. 또한, 지진 발생 후 댐퍼용의 심재 자체는 반복하여 탄소성 변형되어 버리기 때문에 장기 사용의 관점으로부터는 반복 경화에 의한 기계적 성질의 변화나 금속 피로가 과제이다.

반복 경화는 제진 댐퍼로서의 작동 개시 강도가 상승하는 등, 제진 기능을 현저하게 손상시키는 원인이 되고, 또한 금속 피로가 진행되면 최종적으로는 피로 파단에 의한 제진장치 자체의 손괴에 조차 이르는 것이다. 이러한 상황을 피하기 위해서 반복 경화율이 낮고, 피로 수명이 긴 제진합금이 기대되고 있다.

현재 가장 널리 사용되고 있는 제진합금은, 항복응력, 또는 0.2% 내력을 100∼225㎫ 정도까지 의도적으로 저하시킨 저항복점 강이지만, 항복응력이 낮은 타입일수록 탄소성 변형에 있어서의 초기의 반복 경화율이 높고, 또한 피로수명은 당연 구조물의 기둥·빔과 같은 주골격에 사용하는 강재보다 뛰어나고는 있지만, 피로 특성에 현저한 차가 없고, 명확한 우위성이 있다고는 말하기 어렵다.

따라서, 종래의 저항복점 강 제진 댐퍼는 저변형 진폭(소진폭)으로 다수의 반복에 노출되는 바람 흔들림에 대해서는 심재를 소성화시키지 않는(탄성 범위) 것에 그치고, 지진시만 소성화하도록 설계하는 등, 피로 손상에 배려한 설계를 부득이하게 해 왔다.

또한, 대지진 후에는 반복 경화에 의한 성능 변화나 누적 피로 손상의 문제 때문에, 경우에 따라서는 점검·교환을 필요로 할 경우가 있다. 그 결과, 재해 복구기간이나 비용이 발생하게 된다.

또한, 최근 초고층 빌딩 등에 있어서는 지진시에 건물이 공진하고, 비교적 큰 변형의 흔들림이 장시간 계속되는, 소위 장주기 지진동 문제에 주목이 모이게 되고, 구조물의 내진 안전성의 확보의 관점으로부터도 보다 피로 수명이 긴 제진합금에 대한 요청이 높아지고 있다.

한편, NbC를 포함하는 Fe-Mn-Si계 형상기억합금이 구조물의 제진합금으로서 이용 가능한 것이 발명자들에 의해 개시되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1을 참조).

이것은 지진 후에 잔류하는 소성 변형을, 가열에 의한 형상기억효과로 제거하여 초기의 형상을 회복할 수 있는 것에 착안한 발명이다. 또한, 인장 압축 소성 변형에 의한 합금의 금속 조직 변화가 FCC형 결정(면심입방격자 구조)의 γ오스테나이트상과 HCP형 결정(육방최밀충전 구조)의 ε마텐자이트상의 사이에서 가역적으로 이루어지기 때문에, 반복 경화율이 낮고, 피로 수명도 긴 등, 제진합금으로서의 다른 효과도 발견되었다(예를 들면, 비특허문헌 1을 참조).

통상, 형상기억효과를 이용하기 위해서는 댐퍼 부재를 가열하는 기구가 필요하지만, 상기 제안에 의하면 그러한 가열 기구를 설치하지 않더라도, 적어도 반복 변형에 의한 경화율이 낮고, 피로 수명이 김으로써 장주기 지진동에 대하여도 유효하게 작동하는 고성능의 제진합금으로서 사용 가능하다.

Fe-Mn-Si계 형상기억합금이 거의 그대로의 조성으로 제진합금으로서도 유효한 것은 특허문헌 5에서 시사되는 것이지만, 그 후의 연구의 진전에 의해 형상기억합금으로서의 적정 성분 범위와, 제진합금으로서의 적정 성분 범위는 완전하게 일치하고 있는 것은 아닌 것도 명확하게 되어 왔다.

특허문헌 5에 있어서, 형상기억 특성을 개선시키기 위해서 NbC를 첨가한 합금은 진폭 1%의 반복 인장 압축 변형에 대한 응력 진폭이 650㎫ 이상으로 매우 높다. 탄소성 댐퍼용의 심재는 구조물 본체보다 먼저 탄소성 변형되지 않으면, 구조물 본체를 보호하는 진동 흡수 효과는 발휘할 수 없다.

즉, 강도가 건물 등의 구조물 본체보다 낮지 않으면 안된다. 따라서 재료 강도가 높은 소재를 댐퍼용의 심재에 사용하면, 댐퍼의 단면적을 작게 해서 구조물의 강도를 상회하지 않도록 할 필요가 있다.

그런데, 단면적이 작은 댐퍼는 압축 변형시에 좌굴의 위험성이 높아지므로, 댐퍼로서의 넓은 적용 가능 범위를 확보하기 위해서는 댐퍼용의 심재는 어느 정도재료 강도가 낮은 쪽이 유리하다.

이 문제를 해결하기 위해서, 발명자들은 더욱 검토를 진행하여 NbC 등의 석출물을 포함하지 않는 Fe-30Mn-6Si 형상기억합금을 베이스로, Al 첨가에 의한 소성변형 특성의 제어를 시도했다.

그 결과, Al을 1∼3질량% 포함하는 합금이 진폭 1%의 반복 인장 압축 변형에 대하여 300㎫ 정도의 낮은 응력 진폭에서 작동 가능한 제진합금으로서 유용한 것이 개시되어 있다(예를 들면, 특허문헌 6을 참조).

한편, 비특허문헌 2에 의하면 Fe-30Mn-6Si 형상기억합금에의 1질량%를 초과하는 Al의 첨가는 형상기억효과를 거의 소실시켜 버리는 것이며, 이 것 때문에도 형상기억합금과 제진합금의 최적 성분 범위가 반드시 일치하지 않는 것은 명확하다.

또한, 탄소성 댐퍼용의 심재는 기존의 양산 제철 설비를 사용해서 저비용으로 생산할 수 있는 것도 구조물의 내진화를 조기에 진행시키기 위한 중요한 요청이다. 특허문헌 6에서 개시되어 있는 공지의 제진합금은, Mn을 30질량%로 고농도로 포함하기 때문에 아크로 용해 등 일반 강재가 생산되는 설비에서 만드는 것이 어렵다.

그 이유는, Mn의 비점이 2010℃로 Fe의 3070℃에 비교해서 매우 낮고, 또한 Fe보다 산화물을 생성하기 쉽기 때문에, Mn의 증발이나 산화에 의한 Mn 수율의 저하, 용해로 내화물과의 반응 등을 피할 수 없어 조업적으로도, 비용적으로도 곤란을 수반하기 때문이다. 따라서, 경제적, 또한 기술적인 요청으로부터, Fe-Mn-Si계 제진합금을 양산화, 실용화하기 위해서는 Mn 함유량을 더욱 낮게 한 합금 개발이 필수적이다.

또한, Fe-Mn-Si계 형상기억합금에 있어서는 내식성 개선을 위해서 Cr이나 Ni로 Mn의 일부를 치환한 성분계가 공지이지만(예를 들면, 비특허문헌 3을 참조), 이것은 동시에 Mn의 함유량을 저하시키기 때문에 Cr나 Ni에 의한 치환이 유효한 것을 시사하는 것이다.

그러나, Cr이나 Ni로 Mn을 치환한 형상기억합금의 피로 특성에 대해서는 지금까지 개시도 시사도 되어 있지 않다. 상술한 바와 같이, 형상기억합금의 적정 성분 범위와 제진합금의 적정 성분 범위는 반드시 일치하지는 않는다. 따라서, 제진합금으로서의 Fe-Mn-Cr-Ni-Si계의 최적 성분 범위는 불분명하다. 비특허문헌 4에 의하면, Cr나 Ni를 첨가한 Fe-Mn-Si계 합금에는 δ페라이트상, 실리사이드, α'마텐자이트상 등의 제 2상이 형성되기 쉽지만, 이들 제 2상이 피로 특성에 끼치는 영향도 불분명하다.

한편, Fe-Mn계 오스테나이트강의 피로 특성에 대관해서는 최근 활발히 연구되고 있다. 이것은 강도 연성 밸런스에 뛰어난 새로운 자동차용 강판으로서 주목받고 있다, TWIP(Twinning Induced Plasticity:쌍정유기소성)강에 있어서, γ오스테나이트상의 쌍정 변형이 피로 특성에도 양호한 영향을 주는 것이 인식되어 있기 때문이다(예를 들면, 비특허문헌 5을 참조).

Fe-Mn-Cr-Ni계 합금의 피로 특성도 같은 관점으로부터 조사되고, 피로 특성과 조직의 관계가 일부 공지화되어 있다(예를 들면, 비특허문헌 6을 참조). 그러나, 이것들 Fe-Mn 합금이나 Fe-Mn-Cr-Ni 합금의 소성 변형 조직은 변형 쌍정, α'마텐자이트상, ε마텐자이트상, 적층 결함, 전위 등이 조합된 복잡한 것이며, 피로 특성과 조직의 관계가 충분하게 해명되었다고는 말할 수 없는 상황이다.

발명자들에 의한 지금까지의 실험·연구의 결과, ε마텐자이트가 피로 특성의 개선에 효과적인 것이 해명되어 있지만, TWIP강이나 Fe-Mn-Cr-Ni계 합금에서는 ε마텐자이트가 피로 특성에 끼치는 영향에 대해서는 거의 해명되어 있지 않다. 또한, TWIP강을 비롯한 오스테나이트계 구조강은, 통상 구조 재료로서 항복 강도가 되도록이면 놓아지도록 성분 설계되어 있어, 탄소성 댐퍼용의 심재에는 적합하지 않다.

또한, ε마텐자이트상을 이용하는 제진합금으로서 Fe-Mn-Cr-Si-Al-C 합금이 개시되어 있다(예를 들면, 특허문헌 7을 참조). 그러나, 이 제진합금은 변형 전의 상태에서 γ오스테나이트상 중에 ε마텐자이트상을 15% 이상 포함함으로써 탄성변형역에 있어서의 내부마찰을 향상시킨 것이며, 탄소성 변형에 대한 피로 특성은 개시되어 있지 않다.

변형 전의 상태에서 이미 ε마텐자이트상을 포함하는 것이나, γ오스테나이트상을 고용 경화시키는 성질이 매우 강한 탄소를 포함하기 때문에 고강도이며, 탄소성 댐퍼용의 심재에는 적합하지 않다. 따라서, 제진합금에 요구되는 저내력, 저응력 진폭이며 또한 피로 수명을 증가시키기 위한 성분에 대해서는 개시도 시사도 되어 있지 않다.

이상에 서술한 바와 같이, 건축 구조물의 제진장치에 있어서의 탄소성 댐퍼용의 심재로서, 주로 지진으로부터 구조물을 지키는 목적으로 사용되는 제진강 또는 제진합금에 요구되는 성질은, 저내력, 저반복 경화율, 대변형에서 피로 수명이 긴(파단 반복수가 큰) 것이다. 그러나, 이것들 모두의 성질을 밸런스 좋게 구비하는 탄소성 댐퍼용의 심재로서의 제진합금은 존재하지 않았다.

일본 특허공개 평 5-263858호 공보 일본 특허공개 평 2001-146855호 공보 일본 특허공개 평 5-106367호 공보 일본 특허공개 평 5-26274호 공보 일본 특허공개 2006-194287호 공보 일본 특허공개 2008-56987호 공보 일본 특허공개 2011-214127호 공보

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본 발명은 상기와 같은 배경으로부터 종래의 문제점을 해소하고, Fe-Mn-(Cr, Ni)-Si계 합금에 있어서 내력과 반복 인장 압축 변형 후의 응력 진폭을 저하시키며, 또한 파단 반복수를 증가시켜서 장주기 지진동 후에도 정비가 필요없이 사용 가능하며, 또한 양산 가능한 탄소성 댐퍼용의 제진합금을 제공하는 것을 과제로 하고 있다.

즉, 본 발명의 제진합금은 이하를 특징으로 하고 있다.

첫번째, 적어도 Cr, Ni 중 어느 하나를 함유하는 Fe-Mn-(Cr, Ni)-Si계의 제진합금, 또는 Al을 더 함유하는 제진합금이며, 성분 조성으로서 5질량%≤Mn≤28질량%, 0질량%≤Cr≤15질량%, 0질량%≤Ni<15질량%, 0질량% <Si<6.5질량%, 0질량%≤Al<3질량%, 잔부 Fe 및 불가피 불순물을 함유하고, [%Ni]+0.5[%Mn]>0.75[%Cr]+1.125[%Si]+2[%Al], 또한 37<[%Mn]+[%Cr]+2[%Ni]+5[%Al]<45(식 중 [%Ni], [%Mn], [%Cr], [%Si], [%Al]은 Ni, Mn, Cr, Si, Al의 질량%를 의미한다)의 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다.

두번째, 상기 제 1 발명의 제진합금에 있어서, 10질량%≤Mn≤20질량%, 2질량%≤Ni≤10질량%을 함유하는 것을 특징으로 한다.

세번째, 상기 제 1 또는 제 2 발명의 제진합금에 있어서, 2질량%≤Si≤6질량%을 함유하는 것을 특징으로 한다.

네번째, 상기 제 1 내지 제 3 중 어느 하나의 발명의 제진합금에 있어서, 소성 가공 및 용체화 열처리를 실시한 후의 합금의 금속 조직은 15체적% 미만의 ε마텐자이트상(HCP 구조), 잔부가 γ오스테나이트상(FCC 구조)만으로 이루어지고, 이 상태로부터 또한, 진폭 1%의 인장 압축 변형을 100사이클 이상 반복한 후의 상태는 50체적% 미만의 ε마텐자이트상, 3체적% 미만의 α'마텐자이트상, 잔부가 γ오스테나이트상인 것을 특징으로 한다.

다섯번째, 상기 제 1 내지 제 4 중 어느 하나의 발명의 제진합금에 있어서, 내력이 280㎫ 이하, 진폭 1%의 인장 압축 변형을 100사이클 이상 반복한 후의 응력 진폭이 400㎫ 이하, 또한 파단 반복수가 2000사이클 이상인 것을 특징으로 한다.

(발명의 효과)

본 발명의 제진합금은 Mn의 첨가량을 28질량% 이하로 하고 있으므로, 종래의 Fe-30Mn-Si-Al계 제진합금과 비교해서 제조도 용이하다. 특히 Mn의 첨가량을 20질량% 미만으로 한 것에 대해서는, 종래의 Fe-30Mn-Si-Al계 제진합금이 진공 유도 가열로에서만 용해할 수 있었던 것에 대해, 아크로 용해할 수 있는 가능성도 있어 대폭적인 비용 저하가 예상된다.

또한, 종래의 탄소성 댐퍼용의 저항복점 강과 비교하여 파단 반복수가 거의 1수치 길고, 장주기 지진동에 대하여도 사용 가능하게 할 수 있다.

또한, 본 발명에서 규정한 조건의 제진합금은 내력이 280㎫ 이하, 진폭 1%의 인장 압축 변형을 100회 이상 반복한 후의 응력 진폭이 400㎫ 이하이며, 파단 반복수 2000사이클 이상이고, 종래의 NbC를 포함하는 Fe-Mn-Si계 형상기억·제진합금에 비교하여 내력이나 응력 진폭이 낮아 저강도 레벨에서 작동 가능한 탄소성 댐퍼용의 제진합금으로서, 제진 부재에의 적용 가능 범위가 넓은 것으로 할 수 있다.

도 1은 실시예 2(4S)의 인장 압축 변형 제 1 사이클째의 응력과 변형의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 2는 실시예 및 비교예의 합금의 반복 인장 압축 변형에 의한 응력 진폭의 변화를 나타낸 그래프이다.

통상, 제진합금이란 주로 탄성 변형역에 있어서의 내부 마찰을 높이고, 금속재료로서의 고강도를 양립시켜서 공작기계, 정밀기기, 자동차 등에 있어서의 기계진동을 흡수하는 구조 재료를 가리키는 것이다.

한편, 이것과 구별하기 위해서, 주로 지진동에 대책하는 제진(制振)에는 「제진(制震)」의 글자가 할당되는 경우도 있지만, 지진 외에 바람의 흔들림 등에 의한 일상 진동의 억제도 구조물용의 제진 댐퍼에서는 중요하기 때문에, 최근에는 「제진(制振)」의 표기가 주류가 되고 있다.

이 동향에 따라, 본 발명에서도 「제진(制振)」의 표기를 사용하지만, 그 주대상은 지진시의 구조물에 대한 진동의 억제이다. 그러나, 바람의 흔들림 등에 의한 비교적 미소한 진동의 억제도 그 효과 중에 포함하는 것으로 한다.

본 발명의 제진합금은 Fe-Mn-(Cr, Ni)-Si계 합금에 있어서, Mn, Cr, Ni, Si의 함유량을 조절함으로써 탄소성 변형이 γ오스테나이트상과 ε마텐자이트상의 상호변환에 의해 가역적으로 진행하는 상황을 만들어 내고, 또한 α'마텐자이트상의 형성 등의 불가역적 변형을 억제하여 내력이 280㎫ 이하, 진폭 1%의 반복 인장 압축 변형 후의 응력 진폭이 400㎫ 이하이며, 또한 파단 반복수가 2000사이클 이상인 제진합금이다.

오스테나이트계 철기 합금에 있어서의 소성 변형 기구는, 일반적인 금속의 소성 변형 기구인 격자 전위의 미끄럼 운동 이외에, 격자 전위가 2개의 부분 전위와 그 사이에 끼워진 적층 결함으로 분해되어 운동하는 확장 전위의 미끄럼 운동, 쌍정변형, ε마텐자이트 변태, α'마텐자이트 변태 등의 다양한 형태를 취하고, 통상 복수의 소성 변형 기구가 동시에 발현된다.

본 발명의 제진합금에서는 인장 압축 소성변형에 의한 구조변화가 γ오스테나이트상과 ε마텐자이트상의 2방향 마텐자이트 변태에 의해서 가역적으로 진행되는 상태를 만들어 냄으로써, 반복 경화의 억제와 파단 반복수의 증가를 도모한다.

그것을 위해서는, 변형 전의 상태가 γ오스테나이트 단상이고, 소성 변형 기구는 주로 ε마텐자이트 변태에 의해 진행하는 것이 바람직하다. 그 때, ε마텐자이트 변태에 따라 불가피적으로 동시 발생하는 쌍정 변형, 격자 전위 미끄럼, 확장 전위 미끄럼은 일부 포함되어 있어도 좋지만, α'마텐자이트 변태는 합금을 현저하게 경화시키므로 발생을 억제하지 않으면 안된다.

Fe-Mn-(Cr, Ni)-Si계 합금의 소성 변형 기구에 중심적인 영향을 끼치는 필수첨가원소는 Mn이다. Mn은 철기 합금에 있어서 γ오스테나이트상을 안정화시킴과 아울러 적층 결함 에너지를 저하시켜서 γ오스테나이트상으로부터 ε마텐자이트상으로의 마텐자이트 변태가 생기기 쉬운 상태를 만들어 내는 작용이 있다.

따라서, 인장 압축 소성 변형시에 변형 유기γ로부터 ε마루텐사이트 변태와 이 역변태를 교대 발생시키고, 또한 α'마텐자이트상의 형성을 억제하여 피로 특성을 개선할 수 있다.

또한, Mn의 오스테나이트 안정화 작용은 일부 Ni로 대체가 가능하며, 적층 결함 에너지의 저하 작용은 일부 Cr로 대체 가능하다.

본 발명에서는 용해 비용을 저감하기 위해서 Mn의 대체 첨가원소로서 Cr 또는 Ni를 반드시 포함하는 것으로 한다. 또한, Fe-Mn-Si 형상기억합금의 제진 특성 개선 효과를 갖는 Al도 Mn 대체 원소로서 첨가해도 좋다.

Mn, Cr, Ni, Al이 소성 변형 기구에 끼치는 효과는 동등의 효과를 주는 Mn의 질량%로 대표시킬 수 있다. 본 발명에서는 이것을 Mn당량([%Mn]eq)이라 정의하고, Mn당량을 각 성분 원소의 함유량(질량%)을 이용하여 이하의 식(1)으로 나타낸다.

Mn당량([%Mn]eq)=[%Mn]+[%Cr]+2[%Ni]+5[%Al] (1)

또한, 식 중의 [%Mn], [%Cr], [%Ni], [%Al]은 제진합금의 화학 성분으로서의 Mn, Cr, Ni, Al의 질량%를 의미한다.

또한, 본 발명에서는 γ오스테나이트상-ε마텐자이트상 사이의 2방향의 마텐자이트 변태를 발현시키기 위한 Mn당량의 범위는, 이하 식(2)으로 나타내는 조건으로 한다.

37<[%Mn]eq<45 (2)

Mn당량이 37질량% 이하로 되면, ε마텐자이트상의 열역학적 안정성이 매우 높아지기 때문에, 한번 변형 유기된 ε마텐자이트상은 그 후 역방향으로 변형되어도 γ오스테나이트상으로 역변태하지 않게 된다.

그 결과, 반복 인장 압축 변형에 의해 ε마텐자이트상의 체적률은 단조롭게 증가하고, 체적률이 50체적% 이상으로 되면 형성된 ε마텐자이트상끼리가 서로 충돌하는 개소에서 균열 발생 확률이나 균열 확산 속도가 상승해서 파단 반복수가 저하한다.

또한, Mn당량이 30질량% 이하로 되면, 용체화 열처리 온도로부터 실온으로 냉각된 시점에서 이미 체적률이 15체적% 이상인 ε마텐자이트상이 형성되고, 그 후의 변형 유기ε마텐자이트상의 형성에 대한 저해 요인이 되기 때문에 파단 반복수가 저하한다.

또한, Mn당량이 45질량% 이상으로 되면 적층 결함 에너지가 상승해서 ε마텐자이트가 형성되지 않게 된다.

한편, 또 하나의 필수 첨가원소인 Si는 Mn당량에는 거의 영향을 주지 않지만, γ오스테나이트상과 ε마텐자이트상의 2방향 마텐자이트 변태의 가역성을 향상시켜서 파단 반복수를 개선시키는 것이 실험에 의해 명확해졌다. Si는 무첨가에서도 약 2000사이클의 파단 반복수를 달성할 수 있지만, Si 첨가는 더욱 파단 반복수를 비약적으로 증가시켜 4질량% 부근에서 가장 효과를 발휘한다.

그러나, Si를 과도하게 첨가하면 파단 반복수를 저하시키고, 특히 6.5질량% 이상 첨가하면 합금이 현저하게 경화되어 반복 인장 압축 변형의 응력 진폭이 상승하는 등의 문제가 생길 경우가 있다.

Mn, Cr, Ni, Si의 첨가량에 대해서는, 변형 전의 금속 조직이 γ오스테나이트 단상으로 되도록 오스테나이트 안정화 원소인 Ni, Mn의 총량과, 페라이트 안정화 원소인 Cr, Si, Al의 총량의 밸런스 조정이 중요하다. 페라이트 안정화 원소 농도가 높고, 오스테나이트 안정화 원소 농도가 낮아질수록 δ페라이트상이 형성되기 쉽고, 페라이트 안정화 원소 농도와 오스테나이트 안정화 원소 농도가 함께 낮을 경우에는 α'마텐자이트상이 형성되기 쉬워진다.

발명자들의 실험의 결과, 본 발명의 합금계에 있어서 1000℃, 1시간, 용체화 열처리 후 수냉했을 경우에, δ페라이트상 형성을 억제해서 γ오스테나이트 단상을 얻기 위해서 성분 원소의 첨가량이 만족해야 할 조건은, 이하 식(3)으로 주어지는 것이 판명되었다.

[%Ni]+0.5[%Mn]>0.75[%Cr]+1.125[%Si]+2[%Al] (3)

또한, 식 중의 [%Ni], [%Mn], [%Cr], [%Si], [%Al]은 제진합금의 화학 성분으로서의 Ni, Mn, Cr, Si, Al의 질량%를 의미한다.

이상의 각 조건 이외에, 제조상의 제약 등에 의해 Mn, Cr, Ni, Si, Al의 각 성분 원소의 첨가량은 한정된다. 이하에 상세하게 설명한다.

<Mn>

Mn은 오스테나이트 안정화와 적층 결함 에너지 저하의 두가지 효과를 갖는 필수 첨가원소이지만, 30질량%인 Mn을 첨가하는 특허문헌 6의 제진합금에서는 Mn의 증발이나 산화에 의한 Mn 수율의 저하, 용해로 내화물과의 반응 등을 피할 수 없어 실용화 가능한 비용에서의 용해가 곤란하다.

본 발명에서는 용해 비용을 저하시키기 위해서, Cr 또는 Ni의 첨가에 의해 Mn의 첨가량을 28질량% 이하로 한다. 또한 Mn의 첨가량을 20질량% 미만으로 하면 양산화에 적합한 아크로 용해에 의해 합금을 제작하는 것도 가능하다.

한편, Mn의 첨가량이 10질량% 미만으로 되면 적층 결함 에너지 저하에 효과가 있는 Cr과, 오스테나이트 안정화 원소인 Ni는 양쪽을 다량으로 첨가하지 않으면 안되어, 용해 비용은 저하하지만 재료 비용이 상승한다.

또한, Mn의 첨가량이 5질량% 미만으로 되면 Cr 및 Ni의 첨가량을 어떻게 조정해도 피로 특성에 유해한 α'마텐자이트상의 형성을 피할 수 없다. 이상으로부터, 본 발명에서는 Mn의 첨가량을 5질량%≤Mn≤28질량%, 더욱 바람직하게는 10질량%≤Mn≤20질량%로 한다.

<Cr>

Cr은 γ오스테나이트상의 적층 결함 에너지를 저하시키고, ε마텐자이트상으로의 마텐자이트 변태를 촉진하여 본 발명의 제진합금의 피로 특성을 향상시키는 원소이다. 또한, 내식성이나 내고온산화성의 향상에도 더욱 기여한다. 그러나, Cr의 첨가량이 15질량% 이상으로 되면 다른 성분을 어떻게 조정해도 α'마텐자이트상의 형성을 억제하는 것이 어렵게 되고, 또한 Si와 저융점의 금속간 화합물을 형성하기 때문에 합금의 용제가 곤란하게 된다. 이상으로부터, 본 발명에서는 Cr의 첨가량은 0질량%≤Cr≤15질량%의 범위로 한다.

<Ni>

Ni는 Mn의 오스테나이트 안정화 작용을 대체하는 원소이다. 특히 Mn의 첨가량을 20질량% 미만으로 할 경우에는 오스테나이트 안정화 원소로서의 Ni를 2질량% 이상 첨가시키지 않으면, 변형 전의 상태로서 γ오스테나이트 단상이 얻어지지 않게 된다.

한편, Ni의 첨가량이 15질량% 이상으로 되면 Si와 저융점의 금속간 화합물을 형성하기 때문에 합금의 열간 가공성을 열화시킨다.

또한, 재료 비용의 관점으로부터는 고가의 원소인 Ni는 10질량% 미만인 것이 바람직하다. 이상으로부터, 본 발명에서는 Ni의 첨가량을 0질량%≤Ni<15질량%, 더욱 바람직하게는 2질량%≤Ni≤10질량%의 범위로 한다.

또한, 상기 Cr, Ni에 대해서는 적어도 어느 한쪽은 본 발명의 제진합금에 함유되고, 양자가 모두 0질량%로 되는 일은 없다.

<Si>

Si는 Fe-Mn-Si계 형상기억합금의 필수 원소이고 그 성분 범위는 3.5∼8질량%로 되어 있지만, 공업적으로 이용 가능한 합금의 Si 농도 범위는 5∼6질량% 이하이다.

한편, 본 발명의 제진합금에 있어서도 Si는 파단 반복수 개선을 위해서 중요한 역활을 하는 원소이지만, 최적 성분 농도는 형상기억합금과 다르다. 발명자들에 의한 실험·연구의 결과, 본 발명에서는 파단 반복수를 2000사이클 이상으로 하기 위해서, Si의 첨가량을 0질량%<Si<6.5질량%, 더욱 바람직하게는 2질량%≤Si≤6질량%의 범위로 한다.

<Al>

Al은 Mn당량에 계수 5로 영향을 주는 원소이므로, Mn의 대체 원소로서 첨가해도 좋다. 그러나, 페라이트 안정화 원소이기도 하기 때문에 과잉으로 Al을 첨가하면 δ페라이트상이 형성되기 쉬워진다. 대기 중에서 열처리하면 질소와 친화성이 높은 Al이 질화물을 형성해서 합금을 취화시킬 가능성도 있다.

이와 같이, Al은 미량으로도 Mn당량의 조정에 유효한 한편으로, 과잉 첨가했을 경우에는 폐해도 있기 때문에 첨가량은 0질량%≤Al<3질량%의 범위로 한다.

<기타>

본 발명에서는 상기 이외에, Mn 대체 효과가 있는 원소로서 Co, Cu, C, N을 첨가해도 좋다. 그러나, Co, Cu의 첨가는 재료 비용의 상승으로 연결되므로, 본 발명에서는 Co<0.2질량%, Cu<2질량%의 범위로 한다.

또한, C와 N은 합금을 고용 경화시키는 기능이 있고, 항복 강도를 상승시켜서 탄소성 댐퍼용의 심재로서의 성능을 손상하기 때문에, 첨가량의 상한을 각각 C<0.1질량%, N<0.08질량%의 범위로 한다.

또한, 철기 모상 중에 고용하는 격자간 원소 C와 N을 제거할 목적으로, C나 N과의 친화성이 높은 Nb, Ta, V, Ti, Mo 등의 원소를 첨가해서 탄화물이나 질화물을 형성시키는 것은 해당 분야에서 널리 행해지고 있다.

본 발명의 제진합금에 있어서는 내력이나 반복 인장 압축 변형에 있어서의 응력 진폭을 저하시키기 위해서, 격자간 원소 C나 N에 의한 모상의 고용 강화의 영향을 되도록이면 작게 할 필요가 있다. 그래서, 본 발명에 있어서도 종래의 방법을 적용하여 고용 C나 고용 N의 제거를 위해서 Nb, Ta, V, Ti, Mo를 첨가해도 좋다.

단, 각 원소의 첨가량이 지나치게 많으면 형성되는 탄화물이나 질화물의 석출 경화에 의해 도리어 내력이나 응력 진폭이 증가한다. 이것을 피하기 위해서, 본 발명에서는 Nb<0.05질량%, Ta<0.05질량%, V<0.05질량%, Ti<0.05질량%, Mo<0.05질량%의 범위로 한다.

변형 전의 상태는 γ오스테나이트 단상이 바람직하지만, 소량이면 ε마텐자이트상이 포함되어도 좋다. 변형에 의해 ε마텐자이트 변태가 유기되기 쉬운 상태로 조정된 합금은 환경의 온도 변화나 가공의 영향 등에 의해, 의도하지 않게 ε마텐자이트상이 형성될 경우가 있다.

이들 의도하지 않게 형성된 ε마텐자이트상은, 통상 결정학적 방위가 그 후 변형 유기된 ε마텐자이트상과는 달리, 변형 유기 ε마텐자이트상의 성장에 대한 장벽으로 되므로 그 체적률은 15체적% 미만으로 한다.

본 발명의 제진합금의 인장 압축 소성 변형은, 주로 γ오스테나이트상으로부터 ε마텐자이트상으로의 마텐자이트 변태와 그 역변태가 교대로 발생함으로써 행하여진다. 인장 변형시에 유기된 ε마텐자이트상은 변형 방향이 압축으로 반전되면 γ오스테나이트상으로 역변태한다.

한편, 압축 변형은 인장 유기된 ε마텐자이트상의 역변태와 동시에, 인장 변형시와는 다른 결정 방위의 새로운 ε마텐자이트상을 발생한다. 이 압축 유기 ε마텐자이트상도 변형이 다시 인장으로 반전되면 γ오스테나이트상으로 역변태한다. 이와 같이 인장 유기 ε과 압축 유기 ε가 인장 압축의 반복에 의해 교대로 발생·소멸을 반복함으로써 인장 압축 변형의 반복에 의한 ε마텐자이트상의 누적 체적률 증가가 작은 것이, 본 발명의 제진합금이 피로 특성이 우수한 이유이다.

그러나, 변형 진폭이나 사이클수가 증가함에 따라 ε마텐자이트상의 체적률은 서서히이기는 하지만 증가해 가고, 50체적% 이상으로 되면 균열 발생 확률이나 균열 확산 속도가 증대해서 파단에 이를 경우가 있다. 따라서, 진폭 1%의 인장 압축 변형에 대하여 파단 반복수를 2000사이클 이상으로 하기 위해서는, 2000사이클 변형한 후의 ε마텐자이트의 체적률을 50체적% 미만으로 하는 것이 바람직하다.

또한, α'마텐자이트상은 합금을 경화시키기 때문에 그 체적률은 3체적% 미만으로 해야 한다. α'마텐자이트상의 체적률이 3체적% 이상으로 되면, 경화함으로써 응력 진폭이 증대하고, 응력 진폭의 증대는 새로운 α'마텐자이트상 변태를 연쇄적으로 유기하기 때문에 응력 레벨 상승에 의한 댐퍼 성능의 저하 뿐만 아니라 파단 반복수의 저하로도 연결된다.

본 발명의 제진합금의 내력은 280㎫ 이하로 한다. 내력이 이것보다 높아지면 댐퍼의 작동 개시 강도를 최적화하기 위한 댐퍼용의 심재의 단면적이 지나치게 작아져서 탄소성 변형시에 좌굴하기 쉬워진다. 좌굴을 피하기 위해서는 좌굴 보강 지그를 설치하지 않으면 안되지만, 좌굴 보강 지그의 설치는 댐퍼 부재의 제조 비용을 상승시켜 버린다.

또한, 인장 압축 변형을 반복하면 반복 경화에 의해 응력 진폭이 증대하지만, 장기 사용의 관점으로부터는 진폭 1%의 인장 압축 변형을 100회 이상 반복한 후의 응력 진폭을 400㎫ 이하로 하는 것이 바람직하다.

응력 진폭이 400㎫를 초과하면, 대지진 발생 후에는 댐퍼용의 심재의 항복 강도가 상승해서 건물 본체의 강도를 상회하고, 그 후의 지진에 있어서 댐퍼로서 작동하는 것이 어렵게 된다. 본 발명의 제진합금은 장주기 지진동에도 대응 가능한 제진 댐퍼용의 심재로서, 고층 빌딩 등의 제진장치에 사용하는 것을 목적으로 하는 것이기 때문에, 파단 또는 좌굴에 이르는 최종 반복수는 2000사이클 이상으로 한다.

실시예

이하에, 실시예에 의거하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 물론 본 발명은, 이들 예에 의해서 조금도 한정되는 것은 아니다.

표 1에 나타내는 실시예 1∼6 및 비교예 1∼8의 각 배합 화학 성분의 합금을, 진공 유도 용해로에 의해 각각 10㎏ 제작하고, 1100℃에서 열간 단조 및 열간 압연을 실시한 후, 아르곤 분위기 중에서 1000℃, 1시간 가열 후 수냉해서 잉곳으로 했다. 또한, 표 1의 각 성분의 첨가량은 질량%를 나타낸다.

표 1 중, 실시예 및 비교예의 배합 성분의 특징의 이해를 쉽게 하기 위해서, 실시예 1∼6은 기호 2S, 4S, 6S, 2A, 25M8N, 25M15C로서도 나타내고, 비교예 1∼8은 기호 0S, 8S, 5M, 25M, 2N, 15N, PRE, 30M1A로서도 나타내고 있다.

실시예 1∼6 및 비교예 1∼8의 각 잉곳으로부터, 선반가공에 의해 평행부 직경 8㎜에서의 저사이클 피로 시험편을 제작하고, 실온 대기 중 0.1Hz의 삼각파, 진폭 1%의 변형 제어 저사이클 피로 시험을 행하였다.

도 1은 실시예 2(4S)의 인장 압축 변형 제 1 사이클째에 있어서의 응력과 변형의 관계를 나타낸 것이다. 변형 없슴의 상태 O로부터 인장 변형을 증가해 가면, 탄성 변형 OA에 계속해서 소성 변형을 일으켜 인장 변형 1%의 B점에 이른다.

그 후 변형이 압축으로 반전되면, 인장 변형의 감소에 비례해서 인장 탄성 응력이 저하하는 탄성 변형부 BC에 계속해서 인장 소성 변형도 감소해 가서 D점에서 변형 제로가 된다.

또한, 압축 변형이 진행되면 압축 소성 변형이 발생한다. 압축 변형이 -1%의 E점에 도달하면 변형은 다시 압축으로부터 인장으로 변하고, 탄성 변형 EF, 소성 변형 FG로 계속해서 제 1 사이클이 종료된다. 제 2 사이클째는 점선으로 나타낸 GB'의 곡선을 따라 시작하고, 이후 제 1 사이클과 같은 변형을 반복한다.

1사이클의 변형에서 응력-변형 곡선이 그리는 면적과 같은 일 에너지가 열 에너지로 변환되어서 흡수되어, 진동을 감쇠한다.

인장 변형시, 소성 변형이 개시되는 점을 0.2% 내력에 의해 평가했다. 또한, 인장 압축 변형에 있어서의 응력 진폭을 도 1에 나타낸 바와 같이 인장측의 최대 응력으로부터 구했다. 같은 평가를 모든 실시예 1∼6 및 비교예 1∼8의 합금에 대해 행하였다. 또한 도 2는, 실시예 1(2S), 실시예 2(4S), 실시예 3(6S) 및 비교예 1(0S), 비교예 3(5M), 비교예 4(25M), 비교예 5(2N), 비교예 7(PRE), 비교예 8(30M1A)의 합금에 대한 반복 인장 압축 변형에 의한 응력 진폭의 변화를 나타낸 것이다.

대부분의 합금은, 초기 10사이클에서 반복 경화를 나타낸 후 대략 안정된 응력 진폭을 나타낸다. 그러나, 5M은 10사이클 후도 반복 경화를 나타냈다. 또한, PRE는 초기 경화가 작고, 10사이클부터 200사이클에 걸쳐서 현저한 경화를 나타낸 후, 안정된 응력 진폭으로 되었다. 반복 인장 압축 변형에 의한 응력 진폭의 변화를 평가하기 위해서, 제 100 사이클째의 응력 진폭(σa)을 구하고, 이하 식(4)에 의해 경화율을 계산했다.

경화율(H)=(σa100-σa1)/σa1 (4)

이것들의 결과로부터 구해진 내력, 제 1 사이클 응력 진폭, 제 100 사이클 응력 진폭, 경화율, 최종 반복수를 표 2에 나타낸다.

실시예 1∼6(2S, 4S, 6S, 2A, 25M8N, 25M15C)은 모두 내력이 280㎫ 이하, 제 100 사이클의 응력 진폭이 400㎫ 이하이고, 최종 반복수가 2000사이클 이상이다. Si를 첨가하지 않는 비교예 1(0S)은 파단 반복수가 2000을 조금 밑돌았다.

Si를 본 발명의 성분 범위보다 다량으로 첨가한 비교예 2(8S)는 압연 균열 때문에 시료 제작을 할 수 없었다. 균열 발생은 저융점의 금속간 화합물 형성에 기인한다고 생각된다.

Mn당량을 31까지 저하시킨 비교예 3(5M)은 반복 경화가 현저하고, 파단 반복수도 1000 이하이었다. 반복 경화는 변형 유기된 α'마텐자이트상에 기인한다고 생각된다.

Mn당량을 51까지 증가시킨 비교예 4(25M)는 변형에 의해 ε이 형성되지 않게 되기 때문에 파단 반복수가 1000 이하이었다.

발명재보다 Ni의 첨가량을 저하시켜서 2질량%로 하고, 그 결과 Mn당량이 29까지 저하한 비교예 5(2N)는 반복 경화가 현저하게 높고, 파단 반복수도 1000 이하이었다. 이것은 50체적% 이상의 ε마텐자이트상과 α'마텐자이트상의 형성 때문이라고 생각된다.

Ni를 15질량%로 실시예보다 고농도로 포함하는 비교예 6(15N)은 열간 압연시에 균열이 발생하여 시험편의 제작을 할 수 없었다. 이것은 Ni가 Si와의 저융점 금속간 화합물을 형성했기 때문이라고 생각된다.

비교예 7(PRE)은 특허문헌 5에서 개시되어 있는 NbC 석출물 첨가형의 제진합금이다. 파단 반복수가 3000사이클 이상으로 우수하지만, 응력 진폭이 620㎫로 매우 높다.

비교예 8(30M1A)은 특허문헌 6에서 개시되어 있는 Al 첨가 제진합금이다. 파단 반복수가 2000 이상이고 응력 진폭도 낮지만, Mn이 30질량%나 포함되기 때문에 양산화에 적합하지 않다.

이들 결과로부터, 본 발명에서 규정한 조건의 실시예 1∼6의 제진합금은 조건에서 벗어난 비교예 1∼8의 합금에 비하여 내력과 반복 인장 압축 변형 후의 응력 진폭을 저하시키고, 또한 파단 반복수를 증가시켜서 장주기 지진동 후에도 정비가 필요없이 사용 가능하고, 또한 양산 가능한 제진합금인 것이 확인되었다.

(산업상의 이용 가능성)

본 발명의 제진합금을 사용함으로써 지진, 바람의 흔들림 등에 의한 건축 구조물의 진동을 억제하는 탄소성 댐퍼로서, 저응력으로 작동하고, 반복 대지진에 노출되어도 정비가 필요없이 사용 가능한 저비용 제진장치를 제조하는 것이 가능하게 된다.

장주기 지진동과 같이 진폭이 큰 흔들림이 장시간 계속되어도 제진 성능을 손상할 일이 없는 고성능 댐퍼로서, 특히 고층빌딩의 제진에 이용 가능하다. 또한, 건축 구조물로서는 화학플랜트, 발전소, 홀, 타워, 연료탱크, 고가철도·도로, 교량, 파이프라인, 터널, 풍력발전설비 등의 모든 형태에 있어서, 대변형에 의해 반복 변형되는 개소의 진동 억제에 효과를 발휘하는 것이 기대된다.

Claims (5)

1. 적어도 Cr, Ni 중 어느 하나를 함유하는 Fe-Mn-(Cr, Ni)-Si계의 제진합금, 또는 Al을 더 함유하는 제진합금이며, 성분 조성으로서 5질량%≤Mn≤28질량%, 0질량%≤Cr≤15질량%, 0질량%≤Ni<15질량%, 0질량%<Si<6.5질량%, 0질량%≤Al<3질량%, 잔부 Fe 및 불가피 불순물을 함유하고, [%Ni]+0.5[%Mn]>0.75[%Cr]+1.125[%Si]+2[%Al], 또한 37<[%Mn]+[%Cr]+2[%Ni]+5[%Al]<45(식 중 [%Ni], [%Mn], [%Cr], [%Si], [%Al]은 Ni, Mn, Cr, Si, Al의 질량%를 의미한다)의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 제진합금.
2. 제 1 항에 있어서,
   10질량%≤Mn≤20질량%, 2질량%≤Ni≤10질량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 제진합금.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   2질량%≤Si≤6질량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 제진합금.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   소성 가공 및 용체화 열처리를 실시한 후의 합금의 금속 조직은 15체적% 미만의 ε마텐자이트상(HCP 구조), 잔부가 γ오스테나이트상(FCC 구조)만으로 이루어지고, 이 상태로부터 또한, 진폭 1%의 인장 압축 변형을 100사이클 이상 반복한 후의 상태는 50체적% 미만의 ε마텐자이트상, 3체적% 미만의 α'마텐자이트상, 잔부가 γ오스테나이트상인 것을 특징으로 하는 제진합금.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   내력이 280㎫ 이하, 진폭 1%의 인장 압축 변형을 100사이클 이상 반복한 후의 응력 진폭이 400㎫ 이하, 또한 파단 반복수가 2000사이클 이상인 것을 특징으로 하는 제진합금.

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