JPH05255813A - 加工性と制振性能に優れた高強度合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、合金の成分を調整することによ
り、加工性と制振性に優れた高強度合金を提供するもの
である。 【構成】 Ｍｎを１０〜２７重量％含むＦｅ合金で、実
使用段階でのミクロ組織がオーステナイトとイプシロン
マルテンサイトの混合もしくはこれに一部α′マルテン
サイトを含む混合組織であり、合金の振動損失係数が
０．００５以上であるような加工性と制振性に優れた高
強度合金。更に、Ｃｕ≦４．０、Ｃｒ≦７．０、Ｓｉ≦
４．０、Ｎｉ≦８．０重量％の１種もしくは２種以上、
またはＣを０．０００５〜０．２重量％含有する前記の
合金。 【効果】 自動車や他の構造物に適用することによって
振動、騒音を低減させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動車や他の構造物に適
用することによって振動、騒音を低減させることが可能
な加工性と制振性に優れた高強度合金に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】自動車や他の構造物における振動と騒音
の防止は環境上の問題であると共に、より快適な生活空
間確保への強い要望から、今後開発されるべき重要な技
術となっている。振動、騒音の防止は振動エネルギーの
反射（例えば隔壁材料の表面で音波を反射）と吸収の両
面から行うことができる。

【０００３】本発明が対象としているのは後者の場合で
あり、特に音源近傍での固体の振動エネルギーを吸収す
る材料の供給を目的としている。このような制振材料と
しては、複合型、強磁性型、転位型、双晶型、
等の合金材料と共に異種材料を組み合わせた複層型が
ある。は、ねずみ鋳鉄やＺｎ−Ａｌ合金等に見られる
ように、マトリックスと第２相界面での塑性流動や粘性
流動を利用するものであるが、一般に強度が低く、また
温度依存性も大きい。

【０００４】はサイレンタロイ（Ｆｅ−１２Ｃｒ−２
Ａｌ）に代表されるように、９０℃磁区壁の非可逆移動
過程による応力−歪曲線のヒステリシスを利用するもの
であるが、減衰がある応力振幅で最大を示し、利用時に
特別な注意が必要であり、また塑性加工により著しく特
性が劣化する。はＭｇやＭｇ−Ｚｒ合金に見られるよ
うに、不純物元素による弱く固着された転位の離脱によ
るヒステリシスを利用するものであるが、強度が低く、
塑性加工で特性が劣化する。は、熱弾性マルテンサイ
ト変態によって生じた内部双晶境界や一部特定の温度領
域においてはマルテンサイトとマトリックスの相境界が
移動することによるヒステリシスを利用するものである
が、一般に比較的低温域（高々１００℃以下）でのみこ
の効果が認められ、また塑性加工により著しく特性が劣
化する。一方鋼板と特殊な樹脂を複合化した樹脂複合鋼
板はの例であり、非常に高い減衰能を示すが、制振性
能をもたらす樹脂の特性として、加工性、溶接性、高温
での制振性能等は他の材料に劣る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、これま
でに開発された制振合金もしくは複合型の制振材料は制
振性能と材料強度とのバランスが必ずしも十分でなく、
例えば自動車用材料として現在非常に強く要望されてい
る車体軽量化に貢献するには至っていない。また、制振
性能を示す温度範囲、塑性加工条件、使用周波数条件等
に制約があることから、利用環境が著しく制限され、結
果的に実環境では十分に利用されるに至っていない。本
発明は、このような種々の課題を解決し、自動車や他の
構造物に適用することのできる、高強度で制振性能に優
れた合金を提供するためのものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記の種々
の課題を解決し、自動車や他の構造物に適用可能な、制
振性、加工性に優れた高強度合金を製造するためにこれ
までに行った実験の結果、使用環境下でのミクロ組織が
オーステナイトとイプシロンマルテンサイトの混合もし
くはこれに一部フェライトを含む混合組織の場合でかつ
特殊な成分条件の場合に優れた制振性能と加工性が両立
する高強度制振合金の製造が可能であることを見いだし
た。すなわち、本発明はこのような知見に基づいて完成
したものであって、Ｍｎを１０〜２７重量％含むＦｅ合
金で、実使用段階でのミクロ組織がオーステナイトとイ
プシロンマルテンサイトの混合もしくはこれに一部α′
マルテンサイトを含む混合組織であり、合金の振動損失
係数ηが０．００５以上であることを特徴とする、加工
性と制振性に優れた高強度合金を要旨とするものであ
る。上記本発明合金には、更にＣｕ≦４．０重量％、Ｃ
ｒ≦７．０重量％、Ｓｉ≦４．０重量％、Ｎｉ≦８．０
重量％の範囲内でこれらの合金の１種もしくは２種以上
を含有させてもよい。また上記本発明の各合金には、更
にＣを０．０００５〜０．２重量％を含有させることも
できる。

【０００７】

【作用】以下に本発明の作用の詳細を述べる。本発明は
従来技術に述べた〜のどの制振材料にも属さない新
しい機構により、従来の知見にない制振合金を提供する
ものである。Ｍｎを比較的大量に含有する鋼において
は、加熱によりオーステナイト（γ：ｂｃｃ構造の結
晶）化された後の冷却により、室温近傍に生成する相が
フェライト（α′：ｆｃｃ構造の結晶）及びイプシロン
マルテンサイト（ε：ｈｃｐ構造の結晶）の２種類が存
在することが知られている。Ｆｅ−Ｍｎ２元系では、Ｍ
ｎ＜１０重量％ではα′が主相となり、１０〜２７重量
％ではεの量がα′の量を上回り、それ以上のＭｎ添加
では室温においてもγが安定相として存在する。これら
の各相の存在割合はＭｎ以外の合金の種類と添加量によ
って大きく変化し、合金の特性を決定する重要な要因で
ある。γとεとが共存する合金の中で特にＦｅベースに
１０〜２７重量％のＭｎを添加した材料では加工の初期
段階でγからεへの変態による軟化に加えて、転位の移
動が容易なαに変態することで極めて低い降伏強度を有
し、積層欠陥エネルギーが低いことの影響としてγの高
い加工硬化と、γからε、α′への応力誘起変態塑性
（ＴＲＩＰ：Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕ
ｃｅｓ Ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ）の重畳効果として非常
に大きな延性を示すことが知られている。この特性は他
の合金（例えばＮｉ，Ｃｒ，Ｓｉ，Ｃｕ等）を適量添加
することで強調され、例えばＦｅ−Ｃ−Ｍｎ−Ｎｉ合金
では６０kgｆ／mm² 以上の破断強度で６０％以上の破断
伸びを示すような極めて良好な強度−延性バランスを示
す合金の設計が可能である。

【０００８】このような鉄系高Ｍｎ合金では、冷却中の
γからεへの変態と、昇温中のεからγへの変態が可逆
的に起こる成分系が存在する。このような合金におい
て、応力付加により変態が促進されることは上記のＴＲ
ＩＰ効果と同一であるが、γからεへの変態では体積収
縮が起こり、逆にεからγへの変態では体積膨張が起こ
ることから応力状態（引張、圧縮）の違いにより、初期
状態で存在したγからεへもしくはεからγへの変態が
可能となる。

【０００９】本発明はこの可逆的なγとεとの相遷移
（界面の移動）を利用したもので、固体振動による歪エ
ネルギーをγからε、及びεからγへの相遷移に伴うヒ
ステリシスにより吸収することを特徴としている。γか
らεへの変態開始温度（Ｍｓ）及びεからγへの変態開
始温度（Ａｓ）は同一成分のγとεが同一の自由エネル
ギーを持つ温度Ｔ₀ の上下に位置し、通常の場合Ａｓが
Ｍｓより高温に位置している。従って、上記のようなγ
とεの可逆的な相遷移を固体振動のような比較的小さな
応力で起こすためには、ＡｓとＭｓとのギャップがそれ
ほど大きくならないことが要求される。またこの種の材
料は塑性加工によってその変態挙動が影響されるもの
の、比較的軽度の加工（相当塑性歪で０．５程度以下の
歪領域）では変態温度自身を変化させるのみでγとεと
の可逆的な相遷移性を悪くすることはない。このことか
ら、本発明合金は塑性加工（プレス成形、鍛造、圧延、
引き抜き等）により利用部品の所定の形状に成形された
後も付加的な熱処理無しに良好な制振性能を維持するこ
とができる。しかしながら、これ以上の塑性加工が施さ
れた場合には、加工されたγが必要以上に安定化するこ
とによって上記のγとεの可逆的な相遷移が困難とな
る。このような場合には成形後に所定の熱処理を施すこ
とによって再度良好な制振性能を現出させられることは
他の制振材料と同様である。このγとεの可逆的相遷移
の現出のためには下記に示すような合金添加の範囲を満
足する必要がある。

【００１０】以下に本発明の構成要素の作用の詳細を示
す。 Ｍｎ：Ｍｎは本発明において最も重要な合金元素であ
り、本発明に示すミクロ組織を得ることのできる最も安
価な合金元素である。またＦｅベースの高Ｍｎ合金は非
常に低い降伏応力と、低い積相欠陥エネルギーに起因す
る大きな加工硬化挙動により、特筆すべき高延性（高加
工性）の達成も可能とする合金元素である。しかしなが
ら、１３重量％以下のＭｎの単独添加では室温における
ミクロ組織が本発明の範囲であるγ＋εもしくはγ＋ε
＋αとならず、他の合金添加元素であるＣｕ，Ｃｒ，Ｎ
ｉ，Ｓｉ，Ｃ等との複合添加の条件下でもＭｎ＜１０重
量％ではこのミクロ組織が達成できないのでこれをＭｎ
添加量の下限値とした。一方、全く他の合金元素を含ま
ないＦｅ−Ｍｎ２元系においても、Ｍｎが２７重量％を
超えると室温でγが十分に安定となり、γとεとの可逆
的相遷移の温度が実用上現出しなくなるのでこれをＭｎ
添加量の上限値とした。

【００１１】その他の合金元素添加は、本発明合金の加
工性及び強度向上に有利なばかりでなく、Ｍｎの添加量
との関係を適度に調整することで加工性の向上と制振性
能の向上を同時に達成することを可能にしている。以下
に各添加元素の添加理由について説明する。 Ｃｕ：Ｃｕはγの強度をそれほど上昇させないが、Ｍｓ
やＡｓを下げることによって合金中のＭｎ添加量との組
合せを最適にすることで合金の加工性を大きく向上さ
せ、同時に制振性能も向上させることができる。しかし
ながら、４重量％以上の添加はγ中の限界固溶量以上と
なって実製造上意味をなさないのみならず、製造工程に
おいて、再加熱処理した後に熱間加工を行う場合には熱
間での割れが多発することから、これをＣｕ添加の上限
とした。製造工程での熱間加工割れを十分に回避し、必
要な特性を得るためには望ましくは３．０重量％以下の
添加が望ましく、またＮｉとの複合添加を行うと熱間割
れの回避が容易になることから４重量％までのＣｕ添加
が有効となる。Ｆｅ−Ｍｎ合金にＣｕを単独添加し、合
金の変態挙動を調整し、上記の機構による制振性能を現
出できるようにするためには図１に示したような成分範
囲とすることが必要である。

【００１２】Ｃｒ：ＣｒはＣｕに比べてＭｓやＡｓへの
影響が穏やかであるのでＣｕよりも多量の添加が可能で
あるが、多量に添加し過ぎるとフェライトが主体となる
ので、７．０重量％以上の添加では上記の機構による制
振性能を付与することはできない。Ｃｒを添加すること
は鋼材の機械的特性、特に延性を著しく改善すると同時
に耐腐食性を向上させるので比較的大量の添加が望まし
い。しかし鋼材中にＣが必要以上に含有されている場合
には、Ｃｒの炭化物生成によって生成するＣｒ窮乏層起
因の応力腐食割れが起こることから、炭素濃度が例えば
０．０２重量％以上の場合には応力腐食割れが重要とな
る部材へはＣｒ添加量を５重量％以下に制限することが
望ましい。Ｆｅ−Ｍｎ合金にＣｒを単独添加し、合金の
変態挙動を調整し、上記の機構による制振性能を現出で
きるようにするためには図１に示したような成分範囲と
することが必要である。

【００１３】Ｓｉ：Ｓｉはγからεへの変態を遅らせる
ことを通じて鋼材の延性を著しく向上させると同時に鋼
板の強度を著しく向上させることができる。これは、Ｓ
ｉを添加することによってγ→ε変態の進行が遅れる
（高歪領域までγ→ε変態が持続する）ことに起因す
る。更にＭｓやＡｓへの影響が非常に小さいことから比
較的自由に添加量を決定できる。しかし、Ｓｉの添加量
が４．０重量％を超えると鋼材を著しく脆化することか
らこれをＳｉ添加量の上限とする。

【００１４】Ｎｉ：Ｎｉの添加はγを安定化させること
によって鋼材の強度を低下させるが、鋼材の延性を著し
く向上させることから、加工性の観点からは非常に有効
な添加元素である。しかしながら、８重量％以上の添加
では室温でεを残留させることができなくなり、上記の
機構による制振性能を現出できず、また大量の添加は鋼
材の製造コストを増加させることから８重量％を添加の
上限とした。Ｆｅ−Ｍｎ合金にＮｉを単独添加する場合
には、合金の変態挙動を調整し、上記の機構による制振
性能を現出できるようにするために図１に示したような
成分範囲とすることが必要である。

【００１５】図１はＦｅ−Ｍｎ合金にそれぞれＣｕ，Ｃ
ｒ，Ｎｉを単独添加した合金において制振性能を測定し
た結果、損失係数ηが０．００５以上になる領域を示し
たものである。Ｆｅ−Ｍｎ合金にＣｕを単独添加した場
合には、図１において曲線１と曲線Ｃｕ及び第３元素添
加量＝０（Ｘ軸）にて囲まれた領域でのみ損失係数ηが
０．００５以上になる合金が得られた。ＣｒやＮｉの単
独添加の場合にも曲線Ｃｒ、曲線Ｎｉで上記の曲線Ｃｕ
を置き換えた場合に、各々の場合で損失係数ηが０．０
０５以上になる領域を示している。

【００１６】以上のような合金元素を複合添加する場合
には、上記のごとく各元素の添加量を制限するのみなら
ず、これらの元素の組み合わせの結果が下記（１），
（２）式の条件を満足する範囲内に限定することで初め
て良好な制振性能の現出が可能であることが判明した。
すなわち、各元素の添加量を重量％で測定した場合に、
Ｍｎ当量を表現するＫ１と図１の曲線１を示すＫ２が

【数１】 の両式を満足する場合である。

【００１７】Ｃ：Ｃは固溶の状態ではγを安定化し、強
度を上げると共に、少量の添加では延性も増加させる。
０．０２重量％程度以上では延性の向上は飽和するもの
の、更なる添加は強度の上昇により全体としてみた強度
−延性のバランスを向上させる。しかしながら、固溶Ｃ
は室温もしくは室温よりも高温で時効現象を示し、γ中
に生成するε相の界面の移動を妨げることでγとεの可
逆的な相遷移を困難にし、結果として上記の機構による
制振性能を劣化させる。従ってＣを含有する場合にはＣ
起因の時効現象を起こさないような注意が必要である。
０．２重量％以下程度の少量のＣ添加の場合には使用前
に軽度の加工を与えることで上記の機構による制振性能
の現出が可能になるが、それ以上の量のＣを添加した場
合には注意深く時効を抑えても環境によっては使用中に
時効し、制振性能の劣化を招き、使用前の加工ではもは
や制振性能を改善することができなくなる。従ってこれ
をＣ添加量の上限とする。Ｃによる時効劣化を防ぐ意味
で炭素量を低下させることは有意義であるが、０．００
０５重量％以下にすることは製鋼段階における経済性か
ら大きな不利益をもたらす。従ってこれをＣ添加量の下
限値とした。しかしながら、鋼材に含まれるＣ原子を時
効しないように他の元素（例えばＴｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ｚ
ｒ，Ｍｏ等）によって炭化物としてＣを固着させること
は特に有効である。

【００１８】また以上の元素以外に、Ｐの添加は鋼材の
靭性を著しく低下させることから、望ましくは０．０４
重量％以下の添加が望ましく、高い機械特性と制振性能
の両立を期待する場合にはＰ＜０．００５重量％とする
ことが望ましい。ＮについてはＣと同様に時効劣化を起
こすので、望ましくは０．００５重量％以下の添加にと
どめることが望ましく、またＣの場合と同様に、特殊な
窒化物形成元素（例えばＴｉ，Ｎｂ，Ｂ，Ａｌ等）を添
加することによって窒化物の形でＮを固着することは制
振性能を高める上で有効である。

【００１９】本発明において、合金の振動損失係数ηは
高い程良好な制振性能を示すが、その値が０．００５以
下では従来の合金系と比べて特に大きな実用上の効果は
認められないことから、制振性能を期待する使用環境下
ではηの値としては最低０．００５以上が必要であるの
でこれを期待される制振性能の下限値とした。

【００２０】また上記の成分系の合金は鋳造まま、もし
くは圧延や鍛造等の熱間加工ままのみでなく、冷間加工
後焼鈍しても、また冷間加工無しに熱処理をしても良好
な制振性能と良好な加工性を示す。また、相当塑性歪で
０．５以下の加工を加えることで制振性能の劣化はな
く、相当塑性歪０．２以下ではむしろ制振性能は上昇
し、０．２〜０．５程度の相当塑性歪でも際だった制振
特性の劣化が認められない。従って、使用前に冷間もし
くは温間で、相当塑性歪０．２程度以下の加工を加える
ことは制振性能を上昇させる意味で望ましく、またそれ
以上の歪の場合でも、相当塑性歪で０．５程度以下の加
工であれば実用上問題ない。このような加工による制振
特性の向上は従来の制振合金では認められていない特性
であり、冷間もしくは温間でのプレス成形、ロール成
形、鍛造、圧延、引張り、圧縮、曲げ等の加工により最
終製品を製造する場合に特に適している。またショット
ブラストのような外力によっても加工の場合と同様な効
果が得られる。

【００２１】

【実施例】表１に示す化学成分（全て重量％にて表示）
の合金を用いて、最終板厚を２．５mmに熱延し、巻取り
処理ままもしくは７００℃〜１１００℃の範囲で熱処理
した合金（表２の第４列にＨＯＴと表示）、及び一部の
合金はその後１．０mm厚まで冷延した後に９００℃−１
分の焼鈍を行い、これらの合金の種々の特性を室温で調
査した。合金の機械的性質はＪＩＳ５号引張り試験片を
用いて１０mm／分の引張り速度で行ったものである。ま
た制振特性は損失係数ηを測定した。表１中のＡ〜Ｍは
本発明の対象となる合金成分を示し（表１の最終列に本
発明材と表示）、ＡＡとＢＢはＫ２の値が、ＣＣはＫ１
の値が、ＤＤはＣ量が、ＥＥとＦＦはＫ１の値が本発明
の範囲外となる比較例である。また表２中において、Ｔ
Ｓは破断速度（kgｆ／mm² ）を示し、Ｔ−Ｅｌ（％）は
破断伸びを示す。Ｐ．Ｓ．は制振性能測定前の予加工量
を示し、各数字は冷延によって与えた相当塑性歪の大き
さをあらわし、ＮＯＮは予加工無しである。さらにミク
ロ組織は制振性能測定前の合金のミクロ組織の構成を示
し、γはオーステナイト、εはイプシロンマルテンサイ
ト、α′はα′マルテンサイトを示す。これらの表から
明らかなように本発明合金は優れた加工性と制振特性を
兼ね備えていることがわかる。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】

【発明の効果】本発明は上記の実施例に示すごとく、こ
れまでの制振合金に無い新しい制振機構を利用すること
によって、塑性加工による制振性能の劣化の無い、加工
性に優れた高強度制振合金を供給することを可能にした
ものであり、自動車や他の構造物に適用することによっ
て、振動、騒音を低減させることを通じて、社会環境の
改善に大きく貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｆｅ−Ｍｎ合金において、Ｍｎ添加量とη≧
０．００５以上となるＣｕ，Ｃｒ，Ｎｉのそれぞれの添
加範囲を示す図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｍｎを１０〜２７重量％含むＦｅ合金
   で、実使用段階でのミクロ組織がオーステナイトとイプ
   シロンマルテンサイトの混合もしくはこれに一部α′マ
   ルテンサイトを含む混合組織であり、合金の振動損失係
   数ηが０．００５以上であることを特徴とする、加工性
   と制振性に優れた高強度合金。
2. 【請求項２】 Ｃｕ≦４．０重量％、Ｃｒ≦７．０重量
   ％、Ｓｉ≦４．０重量％、Ｎｉ≦８．０重量％の範囲内
   でこれらの合金の１種もしくは２種以上を含有すること
   を特徴とする請求項１記載の加工性と制振性に優れた高
   強度合金。
3. 【請求項３】 更にＣを０．０００５〜０．２重量％含
   有することを特徴とする請求項１または２記載の加工性
   と制振性に優れた高強度合金。