JP2000328155A

JP2000328155A - エネルギー吸収特性に優れた発泡金属

Info

Publication number: JP2000328155A
Application number: JP11138487A
Authority: JP
Inventors: Kenji Azuma; 健司東; Tetsuji Miyoshi; 鉄二三好; Masao Ito; 雅夫伊藤
Original assignee: Shinko Wire Co Ltd
Current assignee: Kobelco Wire Co Ltd
Priority date: 1999-05-19
Filing date: 1999-05-19
Publication date: 2000-11-28

Abstract

(57)【要約】【課題】先行技術と同じ成分、質量及び体積を有しな
がら、飛躍的にエネルギー吸収特性を向上させることが
可能な改良された発泡金属材料の提供。【解決手段】発泡金属の密度と同成分金属の密度の比
で表される相対密度が０．２０以下の発泡金属体であっ
て、平均気泡粒径が３．７ｍｍ以下である衝撃吸収特性
に優れた発泡金属である。また、アルミニウムまたはア
ルミニウム合金からなり、その溶融金属に対して増粘剤
として０．２〜５重量％のカルシウムが、発泡剤として
重量１〜３％の水素化チタンがそれぞれ用いられてな
る、相対密度が０．２０以下の発泡金属体であって、平
均気泡粒径が３．７ｍｍ以下であるエネルギー吸収特性
に優れた発泡金属である。

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
を主材料としたエネルギー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、即ち人を移
動させる乗り物、あるいは人が存在する所を移動する無
人輸送機、その他道路の衝撃吸収材等あらゆる衝撃エネ
ルギー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】従来の衝撃エネルギー吸収材としては、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
は衝撃吸収特性に優れているがリサイクル性が悪く、環
境問題に対する関心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材料でそ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、本出願人によって提案さ
れてなる特公平 1− 51528号公報、特願平10−109497
号、特願平10−161883号等に基づく先行技術がある。こ
れらの先行技術はいずれも衝撃吸収特性がより優れてい
て、しかも低コストが図れるという特徴を有する発泡金
属の構成に関するものである。

【０００６】しかして本発明は、上述する先行技術の発
明に対して類似する成分、質量及び体積を有しながら、
飛躍的に衝撃吸収特性を向上させることが可能な改良さ
れた発泡金属材料を提供することをその目的とするもの
である。

【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。
ここに本発明者等は、発泡金属体の気泡サイズに着目
し、相対密度（発泡金属の密度／同成分金属の密度）が
同一であっても、気泡粒径を微細化することで圧縮応力
を向上させることができて優れた衝撃吸収特性を備えさ
せ得ることを見出したのである。即ち、初期の圧縮応力
及びエネルギー吸収量などの衝撃吸収特性は、相対密度
の範囲、気泡粒径の大小によって調製することができ、
特に平均気泡粒径を３．７ｍｍ以下にすることで大きく
向上し得ることを知見するに至ったものである。

【０００８】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、本発明に
係る請求項１の発明は、発泡金属の密度と同成分金属の
密度の比で表される相対密度が０．２０以下の発泡金属
体であって、平均気泡粒径が３．７ｍｍ以下であること
をことを特徴とするエネルギー吸収特性に優れた発泡金
属である。

【０００９】また、本発明に係る請求項２の発明は、ア
ルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、その溶融
金属に対して増粘剤として０．２〜５重量％のカルシウ
ムが、発泡剤として重量１〜３％の水素化チタンがそれ
ぞれ用いられてなる、相対密度が０．２０以下の発泡金
属体であって、平均気泡粒径が３．７ｍｍ以下であるこ
とをことを特徴とするエネルギー吸収特性に優れた発泡
金属である。

【００１０】また、本発明に係る請求項３の発明は、重
量％で、Ｃｕ：０．１〜７％、Ｃａ：０．２〜５％、Ｚ
ｎ：０．１〜１０％、Ｍｇ：０．１〜２０％、Ｔｉ：
０．１〜５％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、相対密度が０．２０以
下の発泡金属体であって、平均気泡粒径が３．７ｍｍ以
下であることを特徴とするエネルギー吸収特性に優れた
発泡金属である。

【００１１】また、本発明に係る請求項４の発明は、重
量％で、Ｃｕ：０．１〜７％、Ｃａ：０．２〜５％、Ｚ
ｎ：０．１〜１０％、Ｍｇ：０．１〜２０％、Ｔｉ：
０．１〜５％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
てなる、相対密度が０．２０以下の発泡金属体であっ
て、平均気泡粒径が３．７ｍｍ以下であることを特徴と
するエネルギー吸収特性に優れた発泡金属である。

【００１２】

【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。本発明に係る発泡金属とは、構造材料とし
て用いられる金属及び合金並びにこれらにセラミック、
金属間化合物などの粒子やウィスカーなどを含んだ複合
材料の発泡体である。これら発泡体の気泡粒径を制御
し、平均気泡粒径を３．７ｍｍ以下にすることにより優
れた衝撃吸収特性を得ることができる。

【００１３】前述する各先行技術では、製法、製造寸法
の点で平均気泡粒径を３．８ｍｍよりも小さくすること
が実質的に難しい点があった。このような点に鑑みて、
製造条件を変更することにより、微細な気泡粒径で０．
４ｍ³の容積の気泡を持つ発泡金属を製造することが可
能で、かつ、ミクロ組織のアスペクト比（気泡膜厚／エ
ッジ長さ）を大きくすることができるに至ったのであ
る。これまでは、発泡成型の際、通常の液体であれば表
面張力によって気泡におけるセルエッジに液体金属が引
き寄せられ、セル膜厚が非常に薄くなり、強度には大き
く寄与しないと考えられていた。

【００１４】しかし、本発明に係る発泡金属は、何れも
固液２相域で非常に粘性が高いので表面張力による液体
金属の流れが非常に遅いことから、気泡粒径が小さい本
発明の材料では膜厚が薄くなる過程で凝固するため、気
泡粒径が大きい材料に対し、膜厚とエッジ長さのアスペ
クト比を大きくすることを可能とし、セル膜を強度面で
大きく寄与し得るようにした。その結果、同成分で同相
対密度であるにもかかわらず、気泡を微細化することに
よりエネルギー吸収特性を向上できることを知見するに
至った。

【００１５】ところで、３．８ｍｍ以上であっても気泡
粒径が小さい方がエネルギー吸収量は大きくなるが、
３．７ｍｍ以下に対し、その効果は小さい。気泡粒径が
３．７ｍｍ以下になるとエネルギー吸収量は飛躍的に向
上し、例えば、後述する実施例に示されるアルミニウム
合金では４．０ｍｍを３．０ｍｍに細粒化することでエ
ネルギー吸収量は３７％向上することが分かった。従っ
て、平均気泡粒径の上限を３．７ｍｍとした。一方、相
対密度に関しては、０．２を超えると圧縮変形量が５０
％以下でも材料の緻密化により、変形応力が高くなり、
変形能が低下するので、これを上限とした。

【００１６】次に、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０．２％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、均質下で相対密度が０．２
以下の発泡体を得るのが困難となる。従って、その上限
を５％とする。

【００１７】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７％とする。

【００１８】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０．２以下の相対密度を得るのが困難となる。従っ
て、その上限を２０％とする。

【００１９】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０．２以下
の相対密度を得るのが困難となる。従って、その上限を
１０％とする。

【００２０】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５％とする。

【００２１】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。

【００２２】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、０．２以下の相対密度の均質な発泡金
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１
００μｍとする。

【００２３】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、これまでの発泡金属と比較して、同重量、同成
分、同体積でありながら、優れたエネルギー吸収量を示
す。

【００２４】

【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。本発明に係るエネルギー
吸収材料は自動車、列車、中小型船舶（漁船、モーター
ボート、水上バイクなど）等の輸送機の前部、側面部や
後部などに配設され、上記輸送機などが衝突時に衝突エ
ネルギーを吸収し得るようになっている。後記の「表
１」に実施例と比較例の化学成分を示す。なお、エネル
ギー吸収試験は圧縮試験で行った。この場合の圧縮試験
に用いたサンプルは５０mm×５０mm×５０mmである。本
実施例のサンプルの作製は、「表１」の化学成分を持つ
合金の１６０〜２００ｋｇを大気溶解し、４〜７分間攪
拌することで粘性を増加させた後、７００℃の大気溶解
炉内に配置される４６０mm×２０５０mm×６５０mmの鋳
型に注湯した。

【００２５】実施例１（発明材１、以下に同じ）の場
合、工業用純アルミ（９９．７％以上）１６０ｋｇを大
気中にて６８０℃で溶解し、２．９ｋｇのカルシウムを
添加し、大気中で５分間溶湯を攪拌し、増粘した。この
増粘後の溶湯を７００℃の大気溶解炉中の前記鋳型に注
湯した後、２．５ｋｇの水素化チタンを添加し、２分間
攪拌した後、攪拌機を取り除き、鋳型を７００℃の大気
溶解炉内で４分間保持した後、炉から鋳型を出し、強制
空冷にて１時間空冷した後、鋳型から発泡体を取り出し
た。圧縮試験用サンプルは、発泡体の各位置から採取し
た。このときの圧縮試験の結果を「図１」と「表２」と
に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】本発明の発泡金属は、「表１」におけるサ
ンプル番号が１，４，６，８，１２および１４の６種で
あって、見掛け密度が同じ９種の比較材２，３，５，
７，９，１０，１１，１３および１５に対して、２１〜
３３％の平均粒径の細粒化てエネルギー吸収量が２０％
向上している。また、図１に見掛け密度が同じ実施例１
（太線曲線１）と比較例３（細線曲線３）とにおける圧
縮変形率と圧縮応力との関係が比較示されるように、６
０％までの範囲の圧縮変形に対し本実施例の方が衝撃吸
収特性の点で優れていることが分かる。

【００２９】従って、見掛け上同じサイズ、同じ重量の
部品、例えば自動車のバンパーに適用したとすれば、衝
突などで発生する衝撃を吸収する際に、２０％を超える
細粒化で２０％以上多く衝突エネルギーを吸収し、衝撃
を緩和させることが可能である。また、本発明材１は比
較材５に対して、平均粒径が４．５０ｍｍ→３．２１ｍ
ｍと２９％小さくすることで、ほぼ同じエネルギー吸収
量を示し、重量を約７％低減することができる。

【００３０】

【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、相対密度が０．２０以下で、かつ、平
均気泡粒径が３．７ｍｍ以下の発泡金属体としてなるこ
とによって、衝撃エネルギー吸収材料として用いた場
合、これまでの発泡金属に対し、同重量、同成分及び同
体積でありながら優れたエネルギー吸収能を発揮させる
ことが可能であって、エネルギー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。

フロントページの続き (72)発明者伊藤雅夫尼崎市中浜町10番地１神鋼鋼線工業株式会社内Ｆターム(参考） 3J066 AA02 AA23 BA01 BB01 BC03 BD07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発泡金属の密度と同成分金属の密度の比
で表される相対密度が０．２０以下の発泡金属体であっ
て、平均気泡粒径が３．７ｍｍ以下であることをことを
特徴とするエネルギー吸収特性に優れた発泡金属。
【請求項２】アルミニウムまたはアルミニウム合金か
らなり、その溶融金属に対して増粘剤として０．２〜５
重量％のカルシウムが、発泡剤として重量１〜３％の水
素化チタンがそれぞれ用いられてなる、相対密度が０．
２０以下の発泡金属体であって、平均気泡粒径が３．７
ｍｍ以下であることをことを特徴とするエネルギー吸収
特性に優れた発泡金属。
【請求項３】重量％で、Ｃｕ：０．１〜７％、Ｃａ：
０．２〜５％、Ｚｎ：０．１〜１０％、Ｍｇ：０．１〜
２０％、Ｔｉ：０．１〜５％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、相対密
度が０．２０以下の発泡金属体であって、平均気泡粒径
が３．７ｍｍ以下であることを特徴とするエネルギー吸
収特性に優れた発泡金属。
【請求項４】重量％で、Ｃｕ：０．１〜７％、Ｃａ：
０．２〜５％、Ｚｎ：０．１〜１０％、Ｍｇ：０．１〜
２０％、Ｔｉ：０．１〜５％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
％均一に分散してなる、相対密度が０．２０以下の発泡
金属体であって、平均気泡粒径が３．７ｍｍ以下である
ことを特徴とするエネルギー吸収特性に優れた発泡金
属。