鉄合金、鉄合金部材およびその製造方法
【課題】制振部材に用いられる加工性に優れた鉄合金、および、この鉄合金からなり優れた制振性を示す鉄合金部材を提供する。
【解決手段】本発明の鉄合金は、全体を１００％としたときに、３〜８％のＣｒと、３〜８％のＧａと、０．２〜１．１％のＮｉと、残部がＦｅと不可避不純物および／または改質元素とからなることを特徴とする。
【解決手段】本発明の鉄合金は、全体を１００％としたときに、３〜８％のＣｒと、３〜８％のＧａと、０．２〜１．１％のＮｉと、残部がＦｅと不可避不純物および／または改質元素とからなることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制振材料として用いられる鉄合金、その鉄合金からなる鉄合金部材およびその鉄合金部材の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械的に可動する可動部を有する装置や機器などは、その可動部が加振源となって、各部に多かれ少なかれ振動を生じることが多い。このような振動は様々な騒音の原因となったり、疲労強度の劣化に繋がったり、などして好ましくない。そこで、この振動を抑制する制振材が種々用いられている。たとえば、強度や剛性などの機械的特性があまり要求されず、使用環境（たとえば使用雰囲気）が穏やかな部材であれば、振動を吸収し易い樹脂材や、その樹脂を部分的に用いた素材（たとえば鋼板間に樹脂材を挟持した制振鋼板）が制振材として用いられる。
【０００３】
しかし、強度などの機械的特性が要求され、高温雰囲気で使用される部材には、そのような制振材を安易に用いることはできず、金属材料からなる制振材が用いられることが多い。これまでにも、強度などの機械的特性、耐熱性さらには加工性などに優れると共に比較的原料コストが安価な鉄合金が提案されており、具体例として下記の特許文献１および特許文献２が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５７−２９５５６号公報
【特許文献２】特開平５−２５５８１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、タングステンおよびクロムを含むＦｅ−Ｗ−Ｃｒ合金にニッケル（Ｎｉ）を添加することで、制振性はあまり向上しないが、耐食性、機械的強度および加工性が向上するとしている。一方で、特許文献２では、マンガン（Ｍｎ）を１０〜２７質量％含むＦｅ−Ｍｎ合金にＮｉを添加すると、延性が向上して加工性の観点から非常に有効であるとしている。
【０００６】
ところで、これらの特許文献には、どのような領域で制振性に優れる鉄合金なのか、ほとんど明記されていない。本発明者の調査によれば、これらの鉄合金は、比較的大きな歪振幅域または低周波域における制振性を意図したものと思われる。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものである。制振部材に用いられる加工性に優れた鉄合金、および、この鉄合金からなり優れた制振性を示す鉄合金部材を提供することを目的とする。また、この鉄合金部材の製造方法を併せて提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述のように、特許文献１および特許文献２では、Ｎｉの添加が延性（加工性）の向上をもたらすと述べている。しかし、本発明者等の研究によれば、Ｆｅ−Ｃｒ合金にＮｉを添加すると、延性は向上しても制振性が低下することがわかった。本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、Ｆｅ−Ｃｒ合金に対しＮｉとともにガリウム（Ｇａ）を添加することで、延性を向上させることを目的にＮｉを添加しても、高周波域かつ低歪振幅領域での制振性が悪化しないことを新たに見出した。
【０００９】
たとえば、図１は、Ｆｅ−５Ｃｒ−ｘＧａ−ｙＮｉ合金（単位：質量％、ｘ＝０または５、ｙ＝０、０．５または１）について、高周波域および低歪振幅域における室温での損失係数と室温での伸びとを示すグラフである。なお、合金の作製手順および評価方法は後述する。Ｆｅ−５Ｃｒ合金にＧａを５質量％添加すると、制振性は大きく向上するが、延性は大きく低下する。Ｆｅ−５Ｃｒ合金にＧａとともにＮｉを添加することで、Ｇａの添加による制振性の向上を損なうことなく、延性を向上できることがわかった。
【００１０】
そして、上記の成果を発展させることで以下に述べる本発明を完成するに至った。すなわち、本発明の鉄合金は、制振部材に用いる加工性に優れた鉄合金であって、全体を１００質量％としたときに（以下単に「％」という。）、３〜８％のクロム（Ｃｒ）と、３〜８％のガリウム（Ｇａ）と、０．２〜１．１％のニッケル（Ｎｉ）と、残部が鉄（Ｆｅ）と不可避不純物および／または改質元素とからなることを特徴とする。
【００１１】
なお、図１に示す損失係数は中央加振法により求めた（図２参照）。すなわち、試験片（鉄合金部材）の中央を種々の周波数で加振したときの加振周波数（ｆ０）に対する、試験片の端部で測定した測定周波数（ｆ１、ｆ２）の差分（Δｆ＝ｆ２−ｆ１）の割合（η＝Δｆ／ｆ０＝（ｆ２−ｆ１）／ｆ０）である。具体的な測定方法は後述する。
【００１２】
本発明者が本発明の鉄合金からなる部材（鉄合金部材）の制振性について調査研究したところ、その鉄合金部材は、低周波域においても振動を効果的に低減することがわかった。たとえば、８０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下の低周波域において、歪振幅が５×１０−５以上５×１０−４以下の減衰性を指標する損失係数（η）が０．０４以上、０．０５以上、０．０６以上さらには０．０７以上ともなることがわかった。また、上述のように、低歪振幅（たとえば１×１０−６〜１×１０−５）の振動をも効果的に低減することがわかった。
【００１３】
ちなみに、振動減衰能を示す指標として、本明細書で主に用いた損失係数ηの他に、対数減衰率δや比減衰能Ｗ等がある。これらは相互に関係があり、δ＝πηまたはＷ＝２πηという関係式により、関連付けられる。従って、振動減衰能の指標が異なる場合でも、それら関係式を用いて換算することにより相互に比較することは可能である。
【００１４】
そして本発明の鉄合金では、このような優れた制振性が、低温域や常温域で安定していることはもちろんのこと、高温域でも（低くとも３００℃程度まで）安定しており、制振性の高温安定性が高い。したがって、本発明の鉄合金は従来以上に多種多様な部材へ利用可能である。
【００１５】
ところで、本発明の鉄合金（「鉄合金部材」を含めて、適宜単に「鉄合金」という。）が上記のような優れた制振性を発現するメカニズムや理由は必ずしも定かではないが、現状では次のように考えられる。
【００１６】
先ず、制振性は、振動エネルギーが制振材内部で部分的に吸収されるなどして低下し、振動の伝達が阻害される現象である。ちなみに、吸収された振動エネルギーは主に熱エネルギーに変換されて外部に放出される。このような振動エネルギーの低減メカニズム（制振メカニズム）として、磁壁（磁区の境界）の移動により振動を吸収する強磁性型、金属結晶の転位の運動により振動を吸収する転位型、マルテンサイト的変態で生成した双晶の運動により振動を吸収する双晶型、マトリクス（Ｆｅなど）と柔らかい分散粒子（黒鉛など）の界面付近の粘性流動により振動を吸収する複合型などがあるといわれている。
【００１７】
本発明の鉄合金は、複数の制振メカニズムが融合して優れた制振性を発現していると思われるが、その成分組成からして主に、磁壁の移動によって振動が吸収される強磁性型であると思われる。もっとも、塑性加工を加えた本発明の鉄合金は、さらに、転位の運動によっても振動を吸収すると考えられる。
【００１８】
上記した本発明の鉄合金は、塑性加工などが施されて所望形状が付与された部材（鉄合金部材）の他、加工前の素材（鉄合金素材）をも含む。その用途は必ずしも限定されていないが、上記のような優れた制振性から明らかなように、制振材料として好適であることは当然である。そして、本発明の鉄合金からなる鉄合金素材は延性が高いため、プレス成形、鍛造、圧延などの通常の塑性加工の他、組成によっては深絞り、引き抜き、などの強加工も可能であり、所望形状の鉄合金部材が得られる。なお、本発明の鉄合金の延性および鉄合金部材の制振性の程度は、施される加工や部材の用途に応じて、適切な組成範囲の元で適宜選択されるとよい。
【００１９】
また、本明細書中でいう「改質元素」は、Ｆｅ、Ｃｒ、ＧａおよびＮｉ以外であって、鉄合金の特性改善に有効な元素である。改善される特性の種類は問わないが、制振性、軟磁性、強度、靱性、延性、高温安定性などがある。改質元素の具体例として、Ｃｕ、Ｍｎ、などがある。各元素の組合せは任意である。これらの改質元素の含有量は限られず、また、通常その含有量は微量である。
【００２０】
「不可避不純物」は、原料粉末中に含まれる不純物や各工程時に混入する不純物などであって、コスト的または技術的な理由などにより除去することが困難な元素である。本発明に係る鉄合金の場合であれば、たとえば、炭素（Ｃ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）等がある。なお当然ながら、改質元素や不可避不純物の組成は特に限定されない。
【００２１】
また、本発明は、上述した鉄合金または鉄合金部材のみならず、その製造方法としても把握できる。すなわち、本発明の鉄合金からなる鉄合金部材の製造方法は、全体を１００％としたときに３〜８％のクロム（Ｃｒ）と３〜８％のガリウム（Ｇａ）と０．２〜１．１％のニッケル（Ｎｉ）と残部が鉄（Ｆｅ）と不可避不純物および／または改質元素とからなる鉄合金素材に再結晶温度以上で塑性加工を施す熱間加工工程と、
前記熱間加工工程後の鉄合金素材を前記再結晶温度以上の焼鈍温度に加熱した後に徐冷する焼鈍工程と、
を備え前記鉄合金素材を所望形状にした制振部材が得られることを特徴とする。
【００２２】
なお、特に断らない限り、本明細書でいう「ａ〜ｂ」は下限ａおよび上限ｂを含む。また、本明細書に記載した下限および上限は任意に組み合わせて「ｃ〜ｄ」のような範囲を構成し得る。
【００２３】
本明細書でいう「鉄合金」または「鉄合金部材」はその形態を問わない。特に鉄合金は、たとえば、バルク状、板状、棒状、管状などの素材であってもよいし、最終的な形状またはそれに近い構造部材自体であってもよい。
【００２４】
また、それらの素材となる鉄合金素材は、溶製材でも焼結材でもよいが、溶製材であれば、緻密で安定した品質の素材が安価で得られる。一方、焼結材であれば、（ニア）ネットシェイプにより最終製品形状に近い状態の鉄合金素材が得られる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の鉄合金は、高延性を示し加工性に優れる。また、本発明の鉄合金からなる鉄合金部材は、優れた制振性を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】Ｆｅ−５Ｃｒ−ｘＧａ−ｙＮｉ合金（単位：質量％）について、損失係数および伸びを示すグラフである。
【図２】制振性を指標する損失係数の算出方法を示す説明図であって、中央加振法を説明する。
【図３】Ｆｅ−５Ｃｒ−５Ｇａ−ｙＮｉ合金（単位：質量％）について、損失係数および伸びを示すグラフである。
【図４】制振性を指標する損失係数の算出方法を示す説明図であって、片持ち梁法を説明する。
【図５】Ｆｅ−５Ｃｒ−５Ｇａ合金（単位：質量％）の金属組織を示す図面代用写真である。
【図６】Ｆｅ−５Ｃｒ−５Ｇａ−０．２Ｎｉ合金（単位：質量％）の金属組織を示す図面代用写真である。
【図７】Ｆｅ−５Ｃｒ−５Ｇａ−０．３Ｎｉ合金（単位：質量％）の金属組織を示す図面代用写真である。
【図８】Ｆｅ−５Ｃｒ−５Ｇａ−０．５Ｎｉ合金（単位：質量％）の金属組織を示す図面代用写真である。
【図９】Ｆｅ−５Ｃｒ−５Ｇａ−０．７Ｎｉ合金（単位：質量％）の金属組織を示す図面代用写真である。
【図１０】Ｆｅ−５Ｃｒ−５Ｇａ−１Ｎｉ合金（単位：質量％）の金属組織を示す図面代用写真である。
【図１１】Ｆｅ−５Ｃｒ−５Ｇａ−２Ｎｉ合金（単位：質量％）の金属組織を示す図面代用写真である。
【図１２】Ｆｅ−５Ｃｒ−５Ｇａ−３Ｎｉ合金（単位：質量％）の金属組織を示す図面代用写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
発明の実施形態を挙げて本発明をより詳しく説明する。なお、以下の実施形態を含め、本明細書で説明する内容は、本発明に係る鉄合金のみならず、鉄合金部材およびその製造方法にも適宜適用される。このため、下記から選択される構成は、いずれの発明にも、また、カテゴリーを越えて、重畳的または任意的に、上述した本発明の構成に付加可能である。たとえば、鉄合金の組成に関する構成であれば、鉄合金部材は勿論、その製造方法にも関連する。また、製造方法に関する構成のように見えても、プロダクトバイプロセスとして理解すれば、鉄合金に関する構成ともなり得る。なお、いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。
【００２８】
＜合金組成＞
本発明の鉄合金、鉄合金部材および鉄合金素材（以下、単に「鉄合金」という。）は、主成分であるＦｅと、Ｃｒ、ＧａおよびＮｉからなる。具体的には、本発明の鉄合金は、全体を１００質量％としたときに（以下単に「％」という。）、３〜８％のＣｒと、３〜８％のＧａと、０．２〜１．１％のＮｉと、残部がＦｅと不可避不純物および／または改質元素とからなる。改質元素および不可避不純物については前述した通りである。
【００２９】
ＣｒおよびＧａは、鉄合金の少なくとも制振性を向上させるのに有効な元素である。
【００３０】
Ｃｒを添加した鉄合金は、磁気特性が高く、優れた制振性を示す。しかし、Ｃｒ含有量が３％未満では磁気特性の向上効果が小さく、十分な制振性が得られない。好ましいＣｒ含有量は、４％以上、４．５％以上、４．９％以上さらには４．９５％以上である。ただし、Ｃｒ含有量が過多では、高温（たとえば７５０℃以上）にしてもγ相が生成せずα相が安定化する。そのため、Ｃｒ含有量が過多では、高温環境下においてα相が粗大化して延性が低下する。また、Ｃｒが過多ではコスト高になる。そのため、Ｃｒ含有量は８％以下とする。好ましいＣｒ含有量は、７％以下、６％以下、５．５％以下、５．１％以下さらには５．０５％以下である。
【００３１】
そして、ＣｒとともにＧａを含むことで、制振性が相乗的に向上したものと考えられる。しかし、Ｇａ含有量が３％未満では磁気特性の向上効果が小さく、十分な制振性が得られない。好ましいＧａ含有量は、４％以上、４．５％以上、４．９％以上さらには４．９５％以上である。ただし、Ｇａ含有量が過多では、延性を低下させる。また、Ｇａは非常に高価であるため、添加量が多すぎるとコスト高に繋がる。そのため、Ｇａ含有量は８％以下とする。好ましいＧａ含有量は、７％以下、６％以下、５．５％以下、５．１％以下さらには５．０５％以下である。
【００３２】
Ｎｉは、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｇａ合金に少量添加することで、延性が向上する。Ｎｉを添加することで、常温ではＣｒ２ＦｅＮｉ化合物からなるσ相がα相の他に生成され、高温ではγ相が安定化する。つまり、介在物の微細分散および相変態を用いた結晶粒微細効果により、延性が向上する。この効果は、Ｎｉが少量でも添加されていれば得られる効果であるが、Ｎｉ含有量は０．２％以上、好ましくは０．２５％以上さらには０．３％以上である。しかし、Ｎｉ含有量が過多ではコスト高となるだけでなく制振性が低下するので好ましくない。そのため、Ｎｉ含有量は１．１％以下、好ましくは０．９％以下、０．７％以下さらには０．６５％以下である。特に、Ｎｉ含有量を０．５％以上１．０％以下とすると、優れた加工性と高い制振性が両立するため好ましい。
【００３３】
＜金属組織＞
本発明の鉄合金は、結晶粒微細効果に起因する高延性により、加工性に優れる。加工前の鉄合金（鋳放しの状態の合金素材）または熱間加工後の合金素材において、結晶粒の平均粒径が７００μｍ以下、６００μｍ以下さらには５０μｍ以上５００μｍ以下であるとよい。これら結晶粒は、α相およびσ相からなる。なお、結晶粒径の測定は、断面の各種顕微鏡写真より算出することができる。具体的には、顕微鏡写真から複数個の結晶粒の最大径（粒子を２本の平行線で挟んだとき平行線の間隔の最大値）を測定し、それらの算術平均値を平均粒径とすればよい。
【００３４】
加工性の観点では、結晶粒径は小さい方が望ましい。しかし、結晶粒径が大きい方が、制振性は高くなる。したがって、本発明の鉄合金からなる制振部材においては、結晶粒の平均粒径が９０〜４００μｍさらには１００〜３００μｍであるとよい。なお、これら結晶粒は、α相およびσ相からなる。
【００３５】
＜製造方法＞
＜１．合金素材＞
合金素材は、上述した組成を有するものであれば、溶製材でも焼結材でもよい。もっとも、酸化物等の介在によって鉄合金の制振性、機械的特性などが低下し得るので、鉄合金素材は酸化防止雰囲気さらには真空雰囲気で鋳造や焼結されたものであるのが好ましい。
【００３６】
＜２．塑性加工＞
本発明の製造方法に係る塑性加工として、熱間加工工程と冷間加工工程がある。
【００３７】
熱間加工工程は、鉄合金素材を再結晶温度（７５０℃程度）以上に加熱した状態で塑性加工を施す工程である。再結晶温度以上に加熱するとγ相が生成されるとともに加工の応力負荷により、結晶粒はさらに微細化する。このような塑性加工として、たとえば、熱間圧延、熱間鍛造などが挙げられる。この熱間加工工程を行う温度（熱間温度）は、再結晶温度以上であるが、たとえば、７５０〜１１００℃さらには８５０〜１０５０℃であると好ましい。
【００３８】
冷間加工工程は、鉄合金素材をその再結晶温度未満の冷間温度で塑性加工を施す工程である。このような冷間加工には、鉄合金部材の仕様に応じて、打ち抜き、曲げ、絞りなど多種多様な加工がある。冷間加工工程は、さらに結晶粒が微細化した熱間加工工程後の鉄合金素材（後述の焼鈍工程前）に対して行われるのが好ましい。しかし、本発明の鉄合金であれば鋳放しの状態であっても３０％以上さらには４０％以上の高い延性を示すため、鋳放し材に直接冷間加工を行ってもよい。熱間加工工程後に行われる冷間加工工程は、鉄合金素材を最終的な製品（鉄合金部材）の形状かそれに近い形状とする工程である。この場合の冷間加工工程は、本発明の製造方法に必須の工程ではないが、仕様の定まった鉄合金部材を安価に量産する場合に有効な工程である。
【００３９】
これらの熱間加工工程や冷間加工工程で行う加工度は、鉄合金素材のサイズや最終的な鉄合金部材のサイズにより異なるため一概に特定できないが、その加工度は鉄合金の制振性にも影響することが解っている。これは、加工度が増加することによって、鉄合金素材または鉄合金部材中に導入される加工歪や転位などが増加し、また、結晶粒径も小さくなって、振動エネルギーを吸収する磁壁の移動性や転位密度などが変化するためと考えられる。熱間加工工程の加工度を指標するものとして、たとえば、圧下率（加工後の厚さの変化分／加工前の厚さ）がある。本発明の鉄合金では、たとえば、この圧下率を５０〜９０％さらには６０〜８０％とするとよい。
【００４０】
＜３．焼鈍工程＞
焼鈍工程は、塑性加工後の鉄合金素材を、その再結晶温度以上の焼鈍温度に加熱した後に徐冷する工程である。これにより、それ以前の塑性加工で導入された加工歪や転位などが除去または減少され得る。また、結晶粒が成長して大きくなることで、制振性が向上する。この焼鈍温度は、前述した熱間温度と同様、再結晶温度以上であるが、たとえば、７５０〜１１５０℃さらには８５０〜１１００℃であると好ましい。また、加熱時間は、３０分〜１．５時間さらには４５分〜６０分が好ましい。
【００４１】
焼鈍温度から鉄合金素材を徐冷することにより焼鈍工程が完了し、制振性に優れた鉄合金部材が得られる。冷却速度が１０００℃／分を超える（たとえば水冷または油冷する）と、制振合金部材に歪が入るなどして制振性が低下するため望ましくない。そのため、空冷または加熱炉を用いた炉冷などで行うとよい。冷却速度は、１〜２０℃／分さらには１．５〜１０℃／分であるのが望ましい。
【００４２】
＜制振合金部材＞
制振部材に係る具体例を挙げると、内燃機関の振動部位に介在させる振動緩衝体がある。より具体的には、エンジンのオイルパンをシリンダブロックへ固定するボルトに介在させるワッシャ、燃料用インジェクタとシリンダヘッドとの間に介在させるワッシャ、エンジンの排気熱を遮蔽するインシュレータやそれを固定するボルトに介在させるワッシャの他、オイルパン、吸気パイプ、ヘッドカバーなどである。
【００４３】
なお、本発明の鉄合金部材は耐熱性（制振性の高温安定性）に優れるので、高温となるエンジンの各種部材に使用しても、３００℃程度までなら、その制振性はほとんど低下しない。
【００４４】
本発明の鉄合金部材は、上述したような制振性の他に、ベースがＦｅであるから、強度、剛性、靱性、伸びなど、各種の機械的特性にも優れる。たとえば、引張強度は３７０ＭＰａ程度、０．２％耐力は２６０ＭＰａ程度であり、十分に高強度である。
【００４５】
このように各種の機械的特性に優れるので本発明の鉄合金は構造部材としても十分利用可能である。従って、従来の構造部材を本発明の鉄合金部材で置換すれば、前述した制振性をも併せもたせることが可能となる。
【実施例】
【００４６】
実施例および比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００４７】
《試験片の製造》
（１）鉄合金素材の溶製
原料として純Ｆｅ、純Ｇａ、純Ｎｉおよび純Ｃｒの鋳塊を用意して、表１に示す種々の合金組成に配合した。これらの配合原料をアルミナ製坩堝に入れて高周波真空溶解炉で溶解した。この溶解は、０．１〜０．５ｔｏｒｒ（１３．３２２〜６６．６６１Ｐａ）まで排気した後、１００ｔｏｒｒ（１３３３２．２Ｐａ）までＡｒガスを導入し、さらにその脱ガス後に５００ｔｏｒｒ（６６６６１Ｐａ）までＡｒガスを導入した雰囲気で行った。このときの溶解温度は１５３０℃とし、一度の溶解で５ｋｇの溶湯を調製した。こうして得られた鉄合金溶湯をアルゴンガス雰囲気の下、鋳鉄製の鋳型へ注湯し、自然冷却により凝固させた。こうして、φ７０ｍｍ×１３０ｍｍの円柱形状の試験片素材（鉄合金素材）を得た。
【００４８】
（２）熱間加工工程
これらの試験片素材に対して、大気雰囲気の下で熱間圧延（塑性加工）を施した（熱間加工工程）。この圧延前には、予め１０００℃×１時間の加熱（予熱）を行っておいた。（圧延前の厚さ−圧延後の厚さ）／（圧延前の厚さ）で表される圧延時の圧下率は、７５％とした。
【００４９】
（３）焼鈍工程
熱間圧延後の試験片素材を、大気雰囲気の加熱炉中に入れて１０５０℃で６０分加熱した後、６時間かけて常温まで炉冷した。冷却速度は、約５．４℃／ｍｉｎであった。
【００５０】
以上の工程を経て、制振性評価用の板状試験片（幅１０ｍｍ×長さ１６０ｍｍ×厚さ３ｍｍ）を得た。
【００５１】
《測定》
（Ｉ）金属組織の観察
鉄合金素材（試験片素材）の断面を、金属顕微鏡を用いて観察した。結果を図５〜図１２に示した。また、これらの顕微鏡写真より、結晶粒径を測定した。結晶粒径は、顕微鏡写真から１０個程度の結晶粒の最大径（粒子を２本の平行線で挟んだとき平行線の間隔の最大値）を測定し、それらの算術平均値を求めた。結果を表１に示した。Ｎｉ含有量が多いほど、結晶粒が小さくなることがわかった。
【００５２】
（II）延性の評価
引張試験を行い、鉄合金素材（試験片素材）の伸びを測定した。伸びの測定は、ＪＩＳＧ０５６７に準じて２５℃において試験を行った。結果を、表１、図１および図３に示した。
【００５３】
（III）制振性の評価
熱処理後の板状試験片（表１の＃０１〜＃１８）の損失係数を測定した。損失係数の測定は、片持ち梁法により行ったが、＃０１、＃１１、＃１４および＃１６は中央加振法による測定も行った。以下に、測定方法を説明する。
【００５４】
（片持ち梁法）
片持ち梁法は、試験片の一端部を万力で固定して所定の自由長をもつ片持ち梁とし、自由振動を発生させて歪減衰曲線を測定する方法である。片持ち梁法の説明図を図４に示す。測定条件として、他端から８０ｍｍの位置に歪みゲージを接着し、自由長を１３０ｍｍとし、他端部をハンマーで加振して自由振動を発生させた。付与した振動は、周波数：１００Ｈｚ、歪振幅：１×１０−４、であった。そして、歪ゲージに接続した動歪計からの信号をオシロスコープにより検出し、歪減衰曲線を得た。
【００５５】
歪減衰曲線の概略を図４の右下に示す。損失係数の算出は、減衰自由振動波形から応答変位の振幅を読み取り、図４の式を用いてηを算出した。結果を表１および図３に示した。
【００５６】
（中央加振法）
中央加振法は、試験片の中央を三角治具で支持して、その三角治具に所定の振動を付与し、試験片に伝達された振動の周波数を測定する方法である。本実施例で付与した振動は、周波数は１０００〜１００００Ｈｚ（ランダムノイズ）、歪振幅は５．５×１０−６とした。
【００５７】
周波数を変化させて前記の周波数域内における周波数応答関数を求めた。その周波数応答関数から半値幅法により損失係数を算出した。この算出方法の概要を図２に示した。測定結果を図１に示したが、このグラフに示した損失係数は、周波数が２０００Ｈｚ付近について解析したものである。
【００５８】
つまり、図１に示した損失係数は、高周波数域（１０００〜１００００Ｈｚ）における低歪振幅域（１×１０−６〜１×１０−５）での損失係数である。＃１４（Ｆｅ−５Ｃｒ−５Ｇａ−０．５Ｎｉ）は、高周波数域かつ低歪振幅域であっても、損失係数が０．０１以上の高い制振性を示した。また、＃１６（Ｆｅ−５Ｃｒ−５Ｇａ−１Ｎｉ）は、損失係数は＃１４よりも低かったが、強加工に供しても十分な延性を示した。
【００５９】
図３に示した損失係数は、周波数：１００Ｈｚで歪振幅：１×１０−４の条件の下で測定および解析された結果である。Ｎｉの添加により伸びは向上し、Ｎｉ添加量が０．２〜２％では４０％以上の伸びを示した。一方、Ｎｉの添加により制振性は低下する傾向にあり、２％以上で大きく低下したが、Ｎｉを１．１％程度まで添加しても、制振性が大きく低下することはないと予測される。
【００６０】
また、図３に測定結果を示した各試験片は、その金属組織を図５〜図１２に示した。図３、図５〜図１２および表１から明らかなように、Ｎｉを添加することで結晶粒の粒径は小さくなり、その結果伸びが高くなる傾向にあった。
【００６１】
図３に示した以上の結果は、低周波数域かつ高歪振幅域での制振性である。しかしながら、＃１４および＃１６が高周波数域かつ低歪振幅域において優れた制振性を示した（図１）ことから、＃１２〜＃１６は、高周波数域かつ低歪振幅域においても０．００７以上の優れた制振性を示すと考えられる。
【００６２】
なお、本実施例には、ＣｒおよびＧａの含有量がそれぞれ５％の合金を示したが、それぞれの含有量が４．５〜５．５％程度であれば、同様の結果が得られると推測される。また、それぞれの含有量が３〜８％の範囲にあれば、制振性および伸びに対して同様の傾向を示すと推測される。
【００６３】
【表１】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制振材料として用いられる鉄合金、その鉄合金からなる鉄合金部材およびその鉄合金部材の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械的に可動する可動部を有する装置や機器などは、その可動部が加振源となって、各部に多かれ少なかれ振動を生じることが多い。このような振動は様々な騒音の原因となったり、疲労強度の劣化に繋がったり、などして好ましくない。そこで、この振動を抑制する制振材が種々用いられている。たとえば、強度や剛性などの機械的特性があまり要求されず、使用環境（たとえば使用雰囲気）が穏やかな部材であれば、振動を吸収し易い樹脂材や、その樹脂を部分的に用いた素材（たとえば鋼板間に樹脂材を挟持した制振鋼板）が制振材として用いられる。
【０００３】
しかし、強度などの機械的特性が要求され、高温雰囲気で使用される部材には、そのような制振材を安易に用いることはできず、金属材料からなる制振材が用いられることが多い。これまでにも、強度などの機械的特性、耐熱性さらには加工性などに優れると共に比較的原料コストが安価な鉄合金が提案されており、具体例として下記の特許文献１および特許文献２が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５７−２９５５６号公報
【特許文献２】特開平５−２５５８１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、タングステンおよびクロムを含むＦｅ−Ｗ−Ｃｒ合金にニッケル（Ｎｉ）を添加することで、制振性はあまり向上しないが、耐食性、機械的強度および加工性が向上するとしている。一方で、特許文献２では、マンガン（Ｍｎ）を１０〜２７質量％含むＦｅ−Ｍｎ合金にＮｉを添加すると、延性が向上して加工性の観点から非常に有効であるとしている。
【０００６】
ところで、これらの特許文献には、どのような領域で制振性に優れる鉄合金なのか、ほとんど明記されていない。本発明者の調査によれば、これらの鉄合金は、比較的大きな歪振幅域または低周波域における制振性を意図したものと思われる。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものである。制振部材に用いられる加工性に優れた鉄合金、および、この鉄合金からなり優れた制振性を示す鉄合金部材を提供することを目的とする。また、この鉄合金部材の製造方法を併せて提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述のように、特許文献１および特許文献２では、Ｎｉの添加が延性（加工性）の向上をもたらすと述べている。しかし、本発明者等の研究によれば、Ｆｅ−Ｃｒ合金にＮｉを添加すると、延性は向上しても制振性が低下することがわかった。本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、Ｆｅ−Ｃｒ合金に対しＮｉとともにガリウム（Ｇａ）を添加することで、延性を向上させることを目的にＮｉを添加しても、高周波域かつ低歪振幅領域での制振性が悪化しないことを新たに見出した。
【０００９】
たとえば、図１は、Ｆｅ−５Ｃｒ−ｘＧａ−ｙＮｉ合金（単位：質量％、ｘ＝０または５、ｙ＝０、０．５または１）について、高周波域および低歪振幅域における室温での損失係数と室温での伸びとを示すグラフである。なお、合金の作製手順および評価方法は後述する。Ｆｅ−５Ｃｒ合金にＧａを５質量％添加すると、制振性は大きく向上するが、延性は大きく低下する。Ｆｅ−５Ｃｒ合金にＧａとともにＮｉを添加することで、Ｇａの添加による制振性の向上を損なうことなく、延性を向上できることがわかった。
【００１０】
そして、上記の成果を発展させることで以下に述べる本発明を完成するに至った。すなわち、本発明の鉄合金は、制振部材に用いる加工性に優れた鉄合金であって、全体を１００質量％としたときに（以下単に「％」という。）、３〜８％のクロム（Ｃｒ）と、３〜８％のガリウム（Ｇａ）と、０．２〜１．１％のニッケル（Ｎｉ）と、残部が鉄（Ｆｅ）と不可避不純物および／または改質元素とからなることを特徴とする。
【００１１】
なお、図１に示す損失係数は中央加振法により求めた（図２参照）。すなわち、試験片（鉄合金部材）の中央を種々の周波数で加振したときの加振周波数（ｆ０）に対する、試験片の端部で測定した測定周波数（ｆ１、ｆ２）の差分（Δｆ＝ｆ２−ｆ１）の割合（η＝Δｆ／ｆ０＝（ｆ２−ｆ１）／ｆ０）である。具体的な測定方法は後述する。
【００１２】
本発明者が本発明の鉄合金からなる部材（鉄合金部材）の制振性について調査研究したところ、その鉄合金部材は、低周波域においても振動を効果的に低減することがわかった。たとえば、８０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下の低周波域において、歪振幅が５×１０−５以上５×１０−４以下の減衰性を指標する損失係数（η）が０．０４以上、０．０５以上、０．０６以上さらには０．０７以上ともなることがわかった。また、上述のように、低歪振幅（たとえば１×１０−６〜１×１０−５）の振動をも効果的に低減することがわかった。
【００１３】
ちなみに、振動減衰能を示す指標として、本明細書で主に用いた損失係数ηの他に、対数減衰率δや比減衰能Ｗ等がある。これらは相互に関係があり、δ＝πηまたはＷ＝２πηという関係式により、関連付けられる。従って、振動減衰能の指標が異なる場合でも、それら関係式を用いて換算することにより相互に比較することは可能である。
【００１４】
そして本発明の鉄合金では、このような優れた制振性が、低温域や常温域で安定していることはもちろんのこと、高温域でも（低くとも３００℃程度まで）安定しており、制振性の高温安定性が高い。したがって、本発明の鉄合金は従来以上に多種多様な部材へ利用可能である。
【００１５】
ところで、本発明の鉄合金（「鉄合金部材」を含めて、適宜単に「鉄合金」という。）が上記のような優れた制振性を発現するメカニズムや理由は必ずしも定かではないが、現状では次のように考えられる。
【００１６】
先ず、制振性は、振動エネルギーが制振材内部で部分的に吸収されるなどして低下し、振動の伝達が阻害される現象である。ちなみに、吸収された振動エネルギーは主に熱エネルギーに変換されて外部に放出される。このような振動エネルギーの低減メカニズム（制振メカニズム）として、磁壁（磁区の境界）の移動により振動を吸収する強磁性型、金属結晶の転位の運動により振動を吸収する転位型、マルテンサイト的変態で生成した双晶の運動により振動を吸収する双晶型、マトリクス（Ｆｅなど）と柔らかい分散粒子（黒鉛など）の界面付近の粘性流動により振動を吸収する複合型などがあるといわれている。
【００１７】
本発明の鉄合金は、複数の制振メカニズムが融合して優れた制振性を発現していると思われるが、その成分組成からして主に、磁壁の移動によって振動が吸収される強磁性型であると思われる。もっとも、塑性加工を加えた本発明の鉄合金は、さらに、転位の運動によっても振動を吸収すると考えられる。
【００１８】
上記した本発明の鉄合金は、塑性加工などが施されて所望形状が付与された部材（鉄合金部材）の他、加工前の素材（鉄合金素材）をも含む。その用途は必ずしも限定されていないが、上記のような優れた制振性から明らかなように、制振材料として好適であることは当然である。そして、本発明の鉄合金からなる鉄合金素材は延性が高いため、プレス成形、鍛造、圧延などの通常の塑性加工の他、組成によっては深絞り、引き抜き、などの強加工も可能であり、所望形状の鉄合金部材が得られる。なお、本発明の鉄合金の延性および鉄合金部材の制振性の程度は、施される加工や部材の用途に応じて、適切な組成範囲の元で適宜選択されるとよい。
【００１９】
また、本明細書中でいう「改質元素」は、Ｆｅ、Ｃｒ、ＧａおよびＮｉ以外であって、鉄合金の特性改善に有効な元素である。改善される特性の種類は問わないが、制振性、軟磁性、強度、靱性、延性、高温安定性などがある。改質元素の具体例として、Ｃｕ、Ｍｎ、などがある。各元素の組合せは任意である。これらの改質元素の含有量は限られず、また、通常その含有量は微量である。
【００２０】
「不可避不純物」は、原料粉末中に含まれる不純物や各工程時に混入する不純物などであって、コスト的または技術的な理由などにより除去することが困難な元素である。本発明に係る鉄合金の場合であれば、たとえば、炭素（Ｃ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）等がある。なお当然ながら、改質元素や不可避不純物の組成は特に限定されない。
【００２１】
また、本発明は、上述した鉄合金または鉄合金部材のみならず、その製造方法としても把握できる。すなわち、本発明の鉄合金からなる鉄合金部材の製造方法は、全体を１００％としたときに３〜８％のクロム（Ｃｒ）と３〜８％のガリウム（Ｇａ）と０．２〜１．１％のニッケル（Ｎｉ）と残部が鉄（Ｆｅ）と不可避不純物および／または改質元素とからなる鉄合金素材に再結晶温度以上で塑性加工を施す熱間加工工程と、
前記熱間加工工程後の鉄合金素材を前記再結晶温度以上の焼鈍温度に加熱した後に徐冷する焼鈍工程と、
を備え前記鉄合金素材を所望形状にした制振部材が得られることを特徴とする。
【００２２】
なお、特に断らない限り、本明細書でいう「ａ〜ｂ」は下限ａおよび上限ｂを含む。また、本明細書に記載した下限および上限は任意に組み合わせて「ｃ〜ｄ」のような範囲を構成し得る。
【００２３】
本明細書でいう「鉄合金」または「鉄合金部材」はその形態を問わない。特に鉄合金は、たとえば、バルク状、板状、棒状、管状などの素材であってもよいし、最終的な形状またはそれに近い構造部材自体であってもよい。
【００２４】
また、それらの素材となる鉄合金素材は、溶製材でも焼結材でもよいが、溶製材であれば、緻密で安定した品質の素材が安価で得られる。一方、焼結材であれば、（ニア）ネットシェイプにより最終製品形状に近い状態の鉄合金素材が得られる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の鉄合金は、高延性を示し加工性に優れる。また、本発明の鉄合金からなる鉄合金部材は、優れた制振性を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】Ｆｅ−５Ｃｒ−ｘＧａ−ｙＮｉ合金（単位：質量％）について、損失係数および伸びを示すグラフである。
【図２】制振性を指標する損失係数の算出方法を示す説明図であって、中央加振法を説明する。
【図３】Ｆｅ−５Ｃｒ−５Ｇａ−ｙＮｉ合金（単位：質量％）について、損失係数および伸びを示すグラフである。
【図４】制振性を指標する損失係数の算出方法を示す説明図であって、片持ち梁法を説明する。
【図５】Ｆｅ−５Ｃｒ−５Ｇａ合金（単位：質量％）の金属組織を示す図面代用写真である。
【図６】Ｆｅ−５Ｃｒ−５Ｇａ−０．２Ｎｉ合金（単位：質量％）の金属組織を示す図面代用写真である。
【図７】Ｆｅ−５Ｃｒ−５Ｇａ−０．３Ｎｉ合金（単位：質量％）の金属組織を示す図面代用写真である。
【図８】Ｆｅ−５Ｃｒ−５Ｇａ−０．５Ｎｉ合金（単位：質量％）の金属組織を示す図面代用写真である。
【図９】Ｆｅ−５Ｃｒ−５Ｇａ−０．７Ｎｉ合金（単位：質量％）の金属組織を示す図面代用写真である。
【図１０】Ｆｅ−５Ｃｒ−５Ｇａ−１Ｎｉ合金（単位：質量％）の金属組織を示す図面代用写真である。
【図１１】Ｆｅ−５Ｃｒ−５Ｇａ−２Ｎｉ合金（単位：質量％）の金属組織を示す図面代用写真である。
【図１２】Ｆｅ−５Ｃｒ−５Ｇａ−３Ｎｉ合金（単位：質量％）の金属組織を示す図面代用写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
発明の実施形態を挙げて本発明をより詳しく説明する。なお、以下の実施形態を含め、本明細書で説明する内容は、本発明に係る鉄合金のみならず、鉄合金部材およびその製造方法にも適宜適用される。このため、下記から選択される構成は、いずれの発明にも、また、カテゴリーを越えて、重畳的または任意的に、上述した本発明の構成に付加可能である。たとえば、鉄合金の組成に関する構成であれば、鉄合金部材は勿論、その製造方法にも関連する。また、製造方法に関する構成のように見えても、プロダクトバイプロセスとして理解すれば、鉄合金に関する構成ともなり得る。なお、いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。
【００２８】
＜合金組成＞
本発明の鉄合金、鉄合金部材および鉄合金素材（以下、単に「鉄合金」という。）は、主成分であるＦｅと、Ｃｒ、ＧａおよびＮｉからなる。具体的には、本発明の鉄合金は、全体を１００質量％としたときに（以下単に「％」という。）、３〜８％のＣｒと、３〜８％のＧａと、０．２〜１．１％のＮｉと、残部がＦｅと不可避不純物および／または改質元素とからなる。改質元素および不可避不純物については前述した通りである。
【００２９】
ＣｒおよびＧａは、鉄合金の少なくとも制振性を向上させるのに有効な元素である。
【００３０】
Ｃｒを添加した鉄合金は、磁気特性が高く、優れた制振性を示す。しかし、Ｃｒ含有量が３％未満では磁気特性の向上効果が小さく、十分な制振性が得られない。好ましいＣｒ含有量は、４％以上、４．５％以上、４．９％以上さらには４．９５％以上である。ただし、Ｃｒ含有量が過多では、高温（たとえば７５０℃以上）にしてもγ相が生成せずα相が安定化する。そのため、Ｃｒ含有量が過多では、高温環境下においてα相が粗大化して延性が低下する。また、Ｃｒが過多ではコスト高になる。そのため、Ｃｒ含有量は８％以下とする。好ましいＣｒ含有量は、７％以下、６％以下、５．５％以下、５．１％以下さらには５．０５％以下である。
【００３１】
そして、ＣｒとともにＧａを含むことで、制振性が相乗的に向上したものと考えられる。しかし、Ｇａ含有量が３％未満では磁気特性の向上効果が小さく、十分な制振性が得られない。好ましいＧａ含有量は、４％以上、４．５％以上、４．９％以上さらには４．９５％以上である。ただし、Ｇａ含有量が過多では、延性を低下させる。また、Ｇａは非常に高価であるため、添加量が多すぎるとコスト高に繋がる。そのため、Ｇａ含有量は８％以下とする。好ましいＧａ含有量は、７％以下、６％以下、５．５％以下、５．１％以下さらには５．０５％以下である。
【００３２】
Ｎｉは、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｇａ合金に少量添加することで、延性が向上する。Ｎｉを添加することで、常温ではＣｒ２ＦｅＮｉ化合物からなるσ相がα相の他に生成され、高温ではγ相が安定化する。つまり、介在物の微細分散および相変態を用いた結晶粒微細効果により、延性が向上する。この効果は、Ｎｉが少量でも添加されていれば得られる効果であるが、Ｎｉ含有量は０．２％以上、好ましくは０．２５％以上さらには０．３％以上である。しかし、Ｎｉ含有量が過多ではコスト高となるだけでなく制振性が低下するので好ましくない。そのため、Ｎｉ含有量は１．１％以下、好ましくは０．９％以下、０．７％以下さらには０．６５％以下である。特に、Ｎｉ含有量を０．５％以上１．０％以下とすると、優れた加工性と高い制振性が両立するため好ましい。
【００３３】
＜金属組織＞
本発明の鉄合金は、結晶粒微細効果に起因する高延性により、加工性に優れる。加工前の鉄合金（鋳放しの状態の合金素材）または熱間加工後の合金素材において、結晶粒の平均粒径が７００μｍ以下、６００μｍ以下さらには５０μｍ以上５００μｍ以下であるとよい。これら結晶粒は、α相およびσ相からなる。なお、結晶粒径の測定は、断面の各種顕微鏡写真より算出することができる。具体的には、顕微鏡写真から複数個の結晶粒の最大径（粒子を２本の平行線で挟んだとき平行線の間隔の最大値）を測定し、それらの算術平均値を平均粒径とすればよい。
【００３４】
加工性の観点では、結晶粒径は小さい方が望ましい。しかし、結晶粒径が大きい方が、制振性は高くなる。したがって、本発明の鉄合金からなる制振部材においては、結晶粒の平均粒径が９０〜４００μｍさらには１００〜３００μｍであるとよい。なお、これら結晶粒は、α相およびσ相からなる。
【００３５】
＜製造方法＞
＜１．合金素材＞
合金素材は、上述した組成を有するものであれば、溶製材でも焼結材でもよい。もっとも、酸化物等の介在によって鉄合金の制振性、機械的特性などが低下し得るので、鉄合金素材は酸化防止雰囲気さらには真空雰囲気で鋳造や焼結されたものであるのが好ましい。
【００３６】
＜２．塑性加工＞
本発明の製造方法に係る塑性加工として、熱間加工工程と冷間加工工程がある。
【００３７】
熱間加工工程は、鉄合金素材を再結晶温度（７５０℃程度）以上に加熱した状態で塑性加工を施す工程である。再結晶温度以上に加熱するとγ相が生成されるとともに加工の応力負荷により、結晶粒はさらに微細化する。このような塑性加工として、たとえば、熱間圧延、熱間鍛造などが挙げられる。この熱間加工工程を行う温度（熱間温度）は、再結晶温度以上であるが、たとえば、７５０〜１１００℃さらには８５０〜１０５０℃であると好ましい。
【００３８】
冷間加工工程は、鉄合金素材をその再結晶温度未満の冷間温度で塑性加工を施す工程である。このような冷間加工には、鉄合金部材の仕様に応じて、打ち抜き、曲げ、絞りなど多種多様な加工がある。冷間加工工程は、さらに結晶粒が微細化した熱間加工工程後の鉄合金素材（後述の焼鈍工程前）に対して行われるのが好ましい。しかし、本発明の鉄合金であれば鋳放しの状態であっても３０％以上さらには４０％以上の高い延性を示すため、鋳放し材に直接冷間加工を行ってもよい。熱間加工工程後に行われる冷間加工工程は、鉄合金素材を最終的な製品（鉄合金部材）の形状かそれに近い形状とする工程である。この場合の冷間加工工程は、本発明の製造方法に必須の工程ではないが、仕様の定まった鉄合金部材を安価に量産する場合に有効な工程である。
【００３９】
これらの熱間加工工程や冷間加工工程で行う加工度は、鉄合金素材のサイズや最終的な鉄合金部材のサイズにより異なるため一概に特定できないが、その加工度は鉄合金の制振性にも影響することが解っている。これは、加工度が増加することによって、鉄合金素材または鉄合金部材中に導入される加工歪や転位などが増加し、また、結晶粒径も小さくなって、振動エネルギーを吸収する磁壁の移動性や転位密度などが変化するためと考えられる。熱間加工工程の加工度を指標するものとして、たとえば、圧下率（加工後の厚さの変化分／加工前の厚さ）がある。本発明の鉄合金では、たとえば、この圧下率を５０〜９０％さらには６０〜８０％とするとよい。
【００４０】
＜３．焼鈍工程＞
焼鈍工程は、塑性加工後の鉄合金素材を、その再結晶温度以上の焼鈍温度に加熱した後に徐冷する工程である。これにより、それ以前の塑性加工で導入された加工歪や転位などが除去または減少され得る。また、結晶粒が成長して大きくなることで、制振性が向上する。この焼鈍温度は、前述した熱間温度と同様、再結晶温度以上であるが、たとえば、７５０〜１１５０℃さらには８５０〜１１００℃であると好ましい。また、加熱時間は、３０分〜１．５時間さらには４５分〜６０分が好ましい。
【００４１】
焼鈍温度から鉄合金素材を徐冷することにより焼鈍工程が完了し、制振性に優れた鉄合金部材が得られる。冷却速度が１０００℃／分を超える（たとえば水冷または油冷する）と、制振合金部材に歪が入るなどして制振性が低下するため望ましくない。そのため、空冷または加熱炉を用いた炉冷などで行うとよい。冷却速度は、１〜２０℃／分さらには１．５〜１０℃／分であるのが望ましい。
【００４２】
＜制振合金部材＞
制振部材に係る具体例を挙げると、内燃機関の振動部位に介在させる振動緩衝体がある。より具体的には、エンジンのオイルパンをシリンダブロックへ固定するボルトに介在させるワッシャ、燃料用インジェクタとシリンダヘッドとの間に介在させるワッシャ、エンジンの排気熱を遮蔽するインシュレータやそれを固定するボルトに介在させるワッシャの他、オイルパン、吸気パイプ、ヘッドカバーなどである。
【００４３】
なお、本発明の鉄合金部材は耐熱性（制振性の高温安定性）に優れるので、高温となるエンジンの各種部材に使用しても、３００℃程度までなら、その制振性はほとんど低下しない。
【００４４】
本発明の鉄合金部材は、上述したような制振性の他に、ベースがＦｅであるから、強度、剛性、靱性、伸びなど、各種の機械的特性にも優れる。たとえば、引張強度は３７０ＭＰａ程度、０．２％耐力は２６０ＭＰａ程度であり、十分に高強度である。
【００４５】
このように各種の機械的特性に優れるので本発明の鉄合金は構造部材としても十分利用可能である。従って、従来の構造部材を本発明の鉄合金部材で置換すれば、前述した制振性をも併せもたせることが可能となる。
【実施例】
【００４６】
実施例および比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００４７】
《試験片の製造》
（１）鉄合金素材の溶製
原料として純Ｆｅ、純Ｇａ、純Ｎｉおよび純Ｃｒの鋳塊を用意して、表１に示す種々の合金組成に配合した。これらの配合原料をアルミナ製坩堝に入れて高周波真空溶解炉で溶解した。この溶解は、０．１〜０．５ｔｏｒｒ（１３．３２２〜６６．６６１Ｐａ）まで排気した後、１００ｔｏｒｒ（１３３３２．２Ｐａ）までＡｒガスを導入し、さらにその脱ガス後に５００ｔｏｒｒ（６６６６１Ｐａ）までＡｒガスを導入した雰囲気で行った。このときの溶解温度は１５３０℃とし、一度の溶解で５ｋｇの溶湯を調製した。こうして得られた鉄合金溶湯をアルゴンガス雰囲気の下、鋳鉄製の鋳型へ注湯し、自然冷却により凝固させた。こうして、φ７０ｍｍ×１３０ｍｍの円柱形状の試験片素材（鉄合金素材）を得た。
【００４８】
（２）熱間加工工程
これらの試験片素材に対して、大気雰囲気の下で熱間圧延（塑性加工）を施した（熱間加工工程）。この圧延前には、予め１０００℃×１時間の加熱（予熱）を行っておいた。（圧延前の厚さ−圧延後の厚さ）／（圧延前の厚さ）で表される圧延時の圧下率は、７５％とした。
【００４９】
（３）焼鈍工程
熱間圧延後の試験片素材を、大気雰囲気の加熱炉中に入れて１０５０℃で６０分加熱した後、６時間かけて常温まで炉冷した。冷却速度は、約５．４℃／ｍｉｎであった。
【００５０】
以上の工程を経て、制振性評価用の板状試験片（幅１０ｍｍ×長さ１６０ｍｍ×厚さ３ｍｍ）を得た。
【００５１】
《測定》
（Ｉ）金属組織の観察
鉄合金素材（試験片素材）の断面を、金属顕微鏡を用いて観察した。結果を図５〜図１２に示した。また、これらの顕微鏡写真より、結晶粒径を測定した。結晶粒径は、顕微鏡写真から１０個程度の結晶粒の最大径（粒子を２本の平行線で挟んだとき平行線の間隔の最大値）を測定し、それらの算術平均値を求めた。結果を表１に示した。Ｎｉ含有量が多いほど、結晶粒が小さくなることがわかった。
【００５２】
（II）延性の評価
引張試験を行い、鉄合金素材（試験片素材）の伸びを測定した。伸びの測定は、ＪＩＳＧ０５６７に準じて２５℃において試験を行った。結果を、表１、図１および図３に示した。
【００５３】
（III）制振性の評価
熱処理後の板状試験片（表１の＃０１〜＃１８）の損失係数を測定した。損失係数の測定は、片持ち梁法により行ったが、＃０１、＃１１、＃１４および＃１６は中央加振法による測定も行った。以下に、測定方法を説明する。
【００５４】
（片持ち梁法）
片持ち梁法は、試験片の一端部を万力で固定して所定の自由長をもつ片持ち梁とし、自由振動を発生させて歪減衰曲線を測定する方法である。片持ち梁法の説明図を図４に示す。測定条件として、他端から８０ｍｍの位置に歪みゲージを接着し、自由長を１３０ｍｍとし、他端部をハンマーで加振して自由振動を発生させた。付与した振動は、周波数：１００Ｈｚ、歪振幅：１×１０−４、であった。そして、歪ゲージに接続した動歪計からの信号をオシロスコープにより検出し、歪減衰曲線を得た。
【００５５】
歪減衰曲線の概略を図４の右下に示す。損失係数の算出は、減衰自由振動波形から応答変位の振幅を読み取り、図４の式を用いてηを算出した。結果を表１および図３に示した。
【００５６】
（中央加振法）
中央加振法は、試験片の中央を三角治具で支持して、その三角治具に所定の振動を付与し、試験片に伝達された振動の周波数を測定する方法である。本実施例で付与した振動は、周波数は１０００〜１００００Ｈｚ（ランダムノイズ）、歪振幅は５．５×１０−６とした。
【００５７】
周波数を変化させて前記の周波数域内における周波数応答関数を求めた。その周波数応答関数から半値幅法により損失係数を算出した。この算出方法の概要を図２に示した。測定結果を図１に示したが、このグラフに示した損失係数は、周波数が２０００Ｈｚ付近について解析したものである。
【００５８】
つまり、図１に示した損失係数は、高周波数域（１０００〜１００００Ｈｚ）における低歪振幅域（１×１０−６〜１×１０−５）での損失係数である。＃１４（Ｆｅ−５Ｃｒ−５Ｇａ−０．５Ｎｉ）は、高周波数域かつ低歪振幅域であっても、損失係数が０．０１以上の高い制振性を示した。また、＃１６（Ｆｅ−５Ｃｒ−５Ｇａ−１Ｎｉ）は、損失係数は＃１４よりも低かったが、強加工に供しても十分な延性を示した。
【００５９】
図３に示した損失係数は、周波数：１００Ｈｚで歪振幅：１×１０−４の条件の下で測定および解析された結果である。Ｎｉの添加により伸びは向上し、Ｎｉ添加量が０．２〜２％では４０％以上の伸びを示した。一方、Ｎｉの添加により制振性は低下する傾向にあり、２％以上で大きく低下したが、Ｎｉを１．１％程度まで添加しても、制振性が大きく低下することはないと予測される。
【００６０】
また、図３に測定結果を示した各試験片は、その金属組織を図５〜図１２に示した。図３、図５〜図１２および表１から明らかなように、Ｎｉを添加することで結晶粒の粒径は小さくなり、その結果伸びが高くなる傾向にあった。
【００６１】
図３に示した以上の結果は、低周波数域かつ高歪振幅域での制振性である。しかしながら、＃１４および＃１６が高周波数域かつ低歪振幅域において優れた制振性を示した（図１）ことから、＃１２〜＃１６は、高周波数域かつ低歪振幅域においても０．００７以上の優れた制振性を示すと考えられる。
【００６２】
なお、本実施例には、ＣｒおよびＧａの含有量がそれぞれ５％の合金を示したが、それぞれの含有量が４．５〜５．５％程度であれば、同様の結果が得られると推測される。また、それぞれの含有量が３〜８％の範囲にあれば、制振性および伸びに対して同様の傾向を示すと推測される。
【００６３】
【表１】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
全体を１００質量％としたときに（以下単に「％」という。）、
３〜８％のクロム（Ｃｒ）と、
３〜８％のガリウム（Ｇａ）と、
０．２〜１．１％のニッケル（Ｎｉ）と、
残部が鉄（Ｆｅ）と不可避不純物および／または改質元素とからなることを特徴とする制振部材に用いる加工性に優れた鉄合金。
【請求項２】
Ｎｉを０．３〜０．７％含む請求項１に記載の鉄合金。
【請求項３】
請求項１または２に記載の鉄合金からなる鉄合金部材であって、
５×１０−５以上５×１０−４以下の歪振幅域、８０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下の周波数域での制振性を指標する損失係数が０．０５以上の制振部材であることを特徴とする鉄合金部材。
【請求項４】
全体を１００％としたときに３〜８％のクロム（Ｃｒ）と３〜８％のガリウム（Ｇａ）と０．２〜１．１％のニッケル（Ｎｉ）と残部が鉄（Ｆｅ）と不可避不純物および／または改質元素とからなる鉄合金素材に再結晶温度以上で塑性加工を施す熱間加工工程と、
前記熱間加工工程後の鉄合金素材を前記再結晶温度以上の焼鈍温度に加熱した後に徐冷する焼鈍工程と、
を備え前記鉄合金素材を所望形状にした制振部材が得られることを特徴とする鉄合金部材の製造方法。
【請求項５】
前記鉄合金素材は、平均粒径が７００μｍ以下の結晶粒からなる請求項４に記載の鉄合金部材の製造方法。
【請求項６】
さらに、前記焼鈍工程前に、前記鉄合金素材を前記再結晶温度未満の冷間温度で塑性加工を施す冷間加工工程を備える請求項４または５に記載の鉄合金部材の製造方法。
【請求項７】
前記鉄合金素材は、真空中で溶製した溶製材である請求項４〜６のいずれかに記載の鉄合金部材の製造方法。
【請求項１】
全体を１００質量％としたときに（以下単に「％」という。）、
３〜８％のクロム（Ｃｒ）と、
３〜８％のガリウム（Ｇａ）と、
０．２〜１．１％のニッケル（Ｎｉ）と、
残部が鉄（Ｆｅ）と不可避不純物および／または改質元素とからなることを特徴とする制振部材に用いる加工性に優れた鉄合金。
【請求項２】
Ｎｉを０．３〜０．７％含む請求項１に記載の鉄合金。
【請求項３】
請求項１または２に記載の鉄合金からなる鉄合金部材であって、
５×１０−５以上５×１０−４以下の歪振幅域、８０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下の周波数域での制振性を指標する損失係数が０．０５以上の制振部材であることを特徴とする鉄合金部材。
【請求項４】
全体を１００％としたときに３〜８％のクロム（Ｃｒ）と３〜８％のガリウム（Ｇａ）と０．２〜１．１％のニッケル（Ｎｉ）と残部が鉄（Ｆｅ）と不可避不純物および／または改質元素とからなる鉄合金素材に再結晶温度以上で塑性加工を施す熱間加工工程と、
前記熱間加工工程後の鉄合金素材を前記再結晶温度以上の焼鈍温度に加熱した後に徐冷する焼鈍工程と、
を備え前記鉄合金素材を所望形状にした制振部材が得られることを特徴とする鉄合金部材の製造方法。
【請求項５】
前記鉄合金素材は、平均粒径が７００μｍ以下の結晶粒からなる請求項４に記載の鉄合金部材の製造方法。
【請求項６】
さらに、前記焼鈍工程前に、前記鉄合金素材を前記再結晶温度未満の冷間温度で塑性加工を施す冷間加工工程を備える請求項４または５に記載の鉄合金部材の製造方法。
【請求項７】
前記鉄合金素材は、真空中で溶製した溶製材である請求項４〜６のいずれかに記載の鉄合金部材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−２４１４３８（Ｐ２０１１−２４１４３８Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１３９９５（Ｐ２０１０−１１３９９５）
【出願日】平成２２年５月１８日（２０１０．５．１８）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１８日（２０１０．５．１８）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
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