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M2052(制振合金)[編集]

この合金はMn73,Cu20,Ni5,Fe2(原子重量%) からなるMn合金である。振動負荷を受け、合金内に双晶活動 (発生・消失・移動) が起こることで振動エネルギーが熱エネルギーに変換され、制振性を発揮する。その他にも軟鋼並みの引張破壊強度を持つ、塑性加工から機械加工を始め鋳造などほとんどの成型加工が可能、弾性限度内において振幅が大きいほど制振性能は高い値を示すという特徴がある。[1],[2],[3],[4],[5]。

特徴[編集]

産業界において振動に関する課題は尽きない。産業機械や工作機械における床振動や内部振動、ビビり振動の除振、制振、防振対策は産業革命以来の課題である。チェーンソーやエアーハンマーの衝撃緩衝によるハクロー病対策、建築現場の粉砕機等の騒音は制音、減音、遮音対策も古くて新しい課題である。オーディオや測定器、電子機器は振動により発生する電磁誘導ノイズ注)1の対策、自動車や船舶、建築物の壁やダクトの伝達音の遮音、静音、減音も振動問題である。ドローン搭載カメラ映像のコンニャク現象は新しい振動問題と言える。これらの課題に対応するには色々な形状設計が必要になる。M2052の特徴である自由形状設計性と弾性限度内において振幅が大きいほど制振性能は高い値を示すという特徴は色々な分野の振動問題の対策に有効な要素となる。

歴史[編集]

M2052制振合金は双晶型に属す。双晶型でソノストンは70年ほど前に発明され軍事関係の船舶に今でも健在である。[1]M2052制振合金は独立法人物質・材料研究機構において1988~1995年にかけてMn合金の研究中に発明され特許登録された。[6]その後、1998年にブラックメタルとしてオーディオアクセサリーへの応用が始まり加工性が生かされてインシュレータ、ネジ、ワッシャ、粉体、シート材か開発されるに至っている。注)2[7]産業界において初めて応用例が登場したのは(株)セイシンエンジニアリングから発表されたツーリングスペーサTSシリーズと工作機械のマウントである。[8][9]M2052制振合金は使いやすく自由な形状の設計が可能でありながらまだ普及しているとは言えない状況である。そこには材料の製造組織とアプリケーション(使い方)の提案組織の連携に関する課題や、少量生産による原価高の解消に関する課題がある。最近の原材料価格もあるが、総需要が供給価格とバランスが取れるアプリケーションの提案と低価格化急務である。

製法[編集]

M2052制振合金はMn73,Cu20,Ni5,Fe2(原子重量%)の原料比率で坩堝内で溶解され合金化する。溶解はアルゴンガスを満たした真空誘導炉で行われ、インゴットとなる。次に鍛造によりビレットを作成し丸棒、板材、等の素材に加工する。溶解工程では不純物O,N,S,Cの管理が重要で、坩堝からのコンタミネーションや原材料Mn,Cu,Ni,Feの純度、等が管理ポイントである。

制振合金の分類[編集]

制振合金は制振機構の観点から(1)複合型(2)強磁性型(3)転移型(4)双晶型の4 つに分類される。制振性をもつ構造部材として古くから知られているのは複合型の鋳鉄であり、いまでも工作機械の母体・土台として活躍している。強磁性型のサイレンタロイ(Fe-12Cr-3Al、東芝)やセレナ (Fe-2.4Al-0.54Si、NKK)は良く知られている。 転移型のマグネシウム合金は軽量である。双晶型ではソノストン (Mn-37Cu-4.25Al-3Fe-1.5Ni、 ManganeseMarine 社)がソナー対策に軍事用船舶のスクリュウに利用されている。ソノストンに代表される双晶型制振合金の多くはMnとCuの合金が良く知られている。振幅依存性は 線形であり、制振性能は振幅に比例する特徴があるが成型加工の方法が限られ鋳物として利用している。M2052制振合金は双晶型に属し、制振性能は振幅に比例する特徴を持ちながら多くの加工方法で部品製造が可能である。[1]

M2052制振合金の特性[編集]

M2052制振合金以下の特性を持つ。1)制振特性は幅広い応力・周波数・温度に対応している。弾性領域であれば高振幅であるほど制振性は高い。周波数は < 0:01Hz~5MHz にまたがって振動を吸収できる。利用温度は、4.2K から375kと広い。2)強度は軟鋼程度であり、構造部材として機能する。3) 成型加工性が優れ、製品の形状・サイズは自由に選 択できる。4)制振性は対数減衰率で 0.2~0.3の量産実績を持つ。5)ヘリウム液化温度でも制振性は維持され、延性も失わない。

機械的性質[編集]

M2052は以下の機械的特性を持つ。

許容応力:引張り強度 540MPa(圧縮)、縦弾性率(3点曲げ)67.7GPa 、横弾性率注)3(引張り)17.8GPa、ポアソン比(引張り)0.338 弾性限 (引張り)300MPa、 耐力 0.2%(引張り)205MPa、 疲労限〔曲げ〕 (応力)160MPa 歪 5 × 10^5 、硬さ Hv 100~130、線膨張係数注)4(300K)22.4 × 10^ー6/deg、比熱注)5(300K)512.7J/Kg・K、熱伝導率注)6(300K)10W/m・K 磁性 常磁性/反強磁性 密度注)77.25gr/cm^3

振幅依存性[編集]

双晶型制振合金は振幅が大きくなる程双晶の発生数や移動が多くなる特性があり、その双晶活動のため振動吸収能力は増加する。[5]

周波数依存性[編集]

周波数帯による制振性能は0.01Hz~超音波領域まで一貫して測定したデータがない。発明者の記述した参考文献[1]図10は、75Hz~4.3kHzの領域で行った周波数掃引法に基づく測定結果であるが[10]、周波数が低くなる程、減衰特性は小さくなる。また、超音波域の 3~5MHz という高周波域においても0.7以上の対数 減衰率が得られ、ゴム並であったという結果もある [11]。

温度依存性[編集]

標準組成のM2052制振合金の制振性能は80℃を限界に高温域において特性が劣化する。[1]図8また、Mn,Cu,Ni,Feの組成を増減することで限界温度を高温シフトする研究が進んでいる。[1]図6

加工性[編集]

M2052制振合金は多様な成型加工が可能である。応用に必要な形状を得るための成型加工である鋳造、溶接、圧延、冷間鍛造、伸線、粉体製造、機械加工(切削、研削、等)プレス加工が可能である。

使い方と応用例[編集]

M2052制振合金は振動振動応力を直接受けることで振動エネルギーを吸収する。そのため、振動伝達経路に直接挟む(直列挿入)方法と振動伝達経路にダンパーとして置く(並列挿入)方法がある。また、並列挿入で金属板表面にシート材を張り付けることで制振鋼板のような複合型制振材料の機能を追加する方法もある。自由な形状を制作でき、振幅依存が単純で使いやすいM2052は応用できる範囲が広いと言える。然るに、地震のような大きなエネルギーを吸収できるわけではなく、また、ゴムや樹脂で十分な対策が可能である分野では採用されない。M2052制振合金は音響装置や画像装置の分野で応用が始まり、次第に加工機械のビビり対策、面粗度の向上対策の分野へと広がている。重複するが参考文献として公開特許、他

脚注[編集]

注)1フレミングの左手の法則で発生する信号ノイズ

注)2:写真1は粒径53μmの粉体、写真2は厚さ0・1mmのシート、写真3はΦ0.2mmの線材と線材を利用した網、写真4はツーリングスペーサ、写真5はマウント例

注)3:ポアソン比から算出

注)4:Al,Mg,Pb,Sn と同等

注)5:Fe,Ni,Ti と同等

注)6:Bi,Sb,Ti と同等

注)7:Cr,Fe,In,Sn,Zn と同等 磁性は、室温付近あるいはそれ以上では常磁

参考文献[編集]

[1]川原浩司 :日刊工業新聞社刊、工業材料,2004

[2] 杉本孝一 :鉄と鋼、60(1974),2203

[3] 三浦憲司 :制振材料(田中良平)日本規格協会(1992),33

[4]J.A.Hedley:MetalSci.J.,2(1968),129

[5]F.Yin,Y.Ohsawa,A.SatohandK.Kawahara: MaterialsTrans.JIM,39(1998),841

[6]発明者:川原浩司、出願人:独立法人物質・材料研究機構、特許2849698

[7]A&Vヴィレッジ、33 号(1998 年)~A&Vヴィレッジ、61 号(2003 年)[8][9]

[10]F.Yin,S.Takamori,Y.Ohsawa,A.SatohandK.Kawahara:Proc.onNoiseCont.Eng. p995,2001,Aug.,Netherland、

[11] 福原幹夫、殷福星、川原浩司 :physicastatussolidi

関連事項[編集]

外部リンク[編集]

M2052研究所