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明細書 :クラッシュボックスおよびその製造法

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2013-217401 (P2013-217401A)
公開日 平成25年10月24日(2013.10.24)
発明の名称または考案の名称 クラッシュボックスおよびその製造法
国際特許分類 F16F   7/12        (2006.01)
B60R  19/34        (2006.01)
F16F   7/00        (2006.01)
C22F   1/00        (2006.01)
C22F   1/057       (2006.01)
FI F16F 7/12
B60R 19/34
F16F 7/00 K
C22F 1/00 631A
C22F 1/00 691B
C22F 1/057
請求項の数または発明の数 6
出願形態 OL
全頁数 17
出願番号 特願2012-086523 (P2012-086523)
出願日 平成24年4月5日(2012.4.5)
発明者または考案者 【氏名】塚本 英明
【氏名】渡辺 義見
【氏名】佐藤 尚
【氏名】小宮 良樹
出願人 【識別番号】304021277
【氏名又は名称】国立大学法人 名古屋工業大学
審査請求 未請求
テーマコード 3J066
Fターム 3J066AA02
3J066AA22
3J066BA03
3J066BB01
3J066BC10
3J066BF02
3J066BG04
要約 【課題】軽量で高い衝撃エネルギー吸収率をもつクラッシュボックスを提供する。
【解決手段】必要な位置を必要な方向に必要な量だけ材料強度を変化させたクラッシュボックスであって、新しい材料の概念としての傾斜機能材料であるアルミニウムとジュラルミンとの傾斜機能接合材を利用し、傾斜機能接合材に熱処理を施し、傾斜機能接合材の界面近傍での組成に傾斜を持たせることにより、必要な位置を必要な方向に必要な量だけ材料強度を変化させる。
【選択図】図1
特許請求の範囲 【請求項1】
必要な位置を必要な方向に必要な量だけ材料強度を変化させることを特徴とするクラッシュボックス。
【請求項2】
アルミニウムとジュラルミンとの接合材を利用することにより必要な位置を必要な方向に必要な量だけ材料強度を変化させることを特徴とするクラッシュボックス。
【請求項3】
アルミニウムとジュラルミンとの接合材に熱処理を施し界面近傍での組成に傾斜を持たせることにより必要な位置を必要な方向に必要な量だけ材料強度を変化さることを特徴とするクラッシュボックス。
【請求項4】
アルミニウムとジュラルミンとの接合材に、熱処理(400oCで2時間保持しその後炉冷)を施し、塑性加工をしたものを成形した後、さらに別の熱処理(500oCで2時間保持し水冷)を施すことにより必要な位置を必要な方向に必要な量だけ材料強度を変化させることを特徴とするクラッシュボックス。
【請求項5】
アルミニウムとジュラルミンとの接合材に熱処理を施し界面近傍での組成に傾斜を持たせることにより必要な位置を必要な方向に必要な量だけ材料強度を変化させることを特徴とするクラッシュボックスの製造方法。
【請求項6】
アルミニウムとジュラルミンとの接合材に、熱処理(400oCで2時間保持し炉冷)を施し、塑性加工をしたものを成形した後、さらに別の熱処理(500oCで2時間保持し水冷)を施すことにより必要な位置を必要な方向に必要な量だけ材料強度を変化させることを特徴とするクラッシュボックスの製造方法。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、航空機・自動車分野における衝撃吸収構造体(クラッシュボックス)に傾斜機能材料のアイデアを適用することにより、軽量および高衝撃エネルギー吸収率を達成するものである。
【背景技術】
【0002】
クラッシュボックスは、航空機・自動車分野において衝撃吸収構造体として重要な役割を担っている。ここで、クラッシュボックスとは,通常、自動車の車両前後のバンパーレインフォースメントとメインフレームの間に配置され、 部材軸方向に作用した衝撃荷重によって塑性座屈変形を生じることにより衝撃エネルギーを吸収する。自動車には省燃費化を図るための軽量化と衝突安全性の向上が求められており,搭載される衝撃吸収用のクラッシュボックスにおいても軽量で優れた衝撃エネルギー吸収性能を実現するための技術開発が活発に行われている。このクラッシュボックスに関しては構造設計のみならず、材料設計が重要となる。これまでに行われてきたクラッシュボックスの開発は、主にその座屈形式の改善や構造的に衝撃エネルギーをより多く吸収するように設計したもの(特許文献1、特許文献2、特許文献3)、また、材料そのものを替えることにより軽量化、高強度化、高エネルギー吸収率化を計っているものがある(特許文献4(繊維強化複合材料の適用)、特許文献5(鋼の歪時効)、特許文献6(粒子分散複合材料))がある。
しかしながら、経済性、環境適応性の面からクラッシュボックスに求められる軽く、高い衝撃エネルギー吸収率を得るために、材料と構造の両面から設計・開発する方法についてこれらの文献には記載されていない。
【先行技術文献】
【0003】

【特許文献1】特開2012-7649号公報
【特許文献2】特開2011-6319号公報
【特許文献3】特開2010-1950681号公報
【特許文献4】特開2009-107408号公報
【特許文献5】特開2006-142905号公報
【特許文献6】特開2005-308133号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明は、軽量で高い衝撃エネルギー吸収率をもつクラッシュボックスを 提供することを課題としている。
本発明では、クラッシュボックスに新しい材料の概念“傾斜機能材料”を適用することにより、今までにない軽量かつ高衝撃吸収性能をもつクラッシュボックスを開発する。ここで、傾斜機能材料とは材料内の組成をある方向に変化させたものである。図1にその微視構造の模式図を示す。このようにミクロ的には幾つかの異なる性質の材料(物質)からできているという点でミクロ的不均質性を有し、マクロ的にも組成、ミクロ組織、性質が傾斜しているということで不均質材料である。このような材料では、材料そのものを設計することが必要不可欠で、先の構造設計と併せてこの材料設計を行えば、これまでにない高性能なクラッシュボックスを開発することが可能となる。
【0005】
図2に示したのが、傾斜機能材料のアイデアを応用した高衝撃エネルギー吸収型クラッシュボックスの模式図である。クラッシュボックスの破壊が進む方向に材料強度を傾斜化させることが可能であり、例えばアルミニウム合金ベースのクラッシュボックスを考えた場合、その先端部分と底面部分とで異なる熱処理を施すことにより強度を変化させることができる。これにより衝撃があたる部分(先端部分)をやわらかく、根元(底面)部分を硬くしその間の強度を傾斜化することにより、多くの衝撃エネルギーを吸収することができる。本発明では、これに加えてクラッシュボックスを構成する材料そのものを接合材とし、その界面での組成を傾斜化することにより、その衝撃エネルギー吸収性能をさらに高める。ここでは、材料の軽量化に優れたアルミニウムベースの接合材を採用する。具体的には、耐食性に優れ、延性に富んでいる純アルミニウムを外側に、また、高強度であるジュラルミンを内側に配したアルミニウム/ジュラルミン接合材を作製し、熱処理によりその接合界面での組成の傾斜化を行う。本発明では、この接合材をベースにクラッシュボックスを塑性加工(深絞り)で作製し、衝撃エネルギーを効率よく吸収しかつ構造材としての強度を合わせ持つ新しい概念のクラッシュボックスの作製を提供する。

【課題を解決するための手段】
【0006】
請求項1に記載の発明は、必要な位置を必要な方向に必要な量だけ材料強度を変化させて性能を向上させたことを特徴とするクラッシュボックスの提供にある。これまでのクラッシュボックスにはない新たな概念“組成・組織・性質の傾斜化”を導入することにより、軽量、耐衝撃性に優れたクラッシュボックスを提案する。
【0007】
請求項2に記載の発明は、アルミニウムとジュラルミンとの接合材を利用することにより必要な位置を必要な方向に必要な量だけ材料強度を変化させて性能を向上させたことを特徴とするクラッシュボックスの提供にある。ここでは、軽量化に有利なアルミニウムおよびその合金からなる接合材を用いることを特徴とする。
【0008】
請求項3に記載の発明は、アルミニウムとジュラルミンとの接合材に熱処理を施し界面近傍での組成に傾斜を持たせることにより必要な位置を必要な方向に必要な量だけ材料強度を変化させて性能を向上させたことを特徴とするクラッシュボックスにある。ここでは、熱処理による材料の傾斜化を特徴とする。
【0009】
請求項4に記載の発明は、アルミニウムとジュラルミンとの接合材に、熱処理(400oCで2時間保持しその後炉冷)を施し、塑性加工をしたものを成形した後、さらに別の熱処理(500oCで2時間保持し水冷)を施すことにより必要な位置を必要な方向に必要な量だけ材料強度を変化させて性能を向上させたことを特徴とするクラッシュボックスにある。
【0010】
請求項5に記載の発明は、アルミニウムとジュラルミンとの接合材に熱処理を施し界面近傍での組成に傾斜を持たせることにより必要な位置を必要な方向に必要な量だけ材料強度を変化させて性能を向上させることを特徴とするクラッシュボックスの製造方法にある。
【0011】

請求項6に記載の発明は、アルミニウムとジュラルミンとの接合材に、400oCで2時間保持その後炉冷するという熱処理を施すことにより、塑性加工を容易にし成形を行った後、さらに別の熱処理(500oCで2時間保持し水冷)を施し必要な位置を必要な方向に必要な量だけ材料強度を変化させて性能を向上させることを特徴とするクラッシュボックスの製造方法にある。ここでは、成形後、500oCで2時間保持し、その後水冷を行う熱処理を行うことにより所望の性質を得ている。
【発明を実施するための形態】
【0012】
まず実施形態1として、有限要素解析によりクラッシュボックスに傾斜機能材料を用いた場合の優位性を抽出し、その後、実施形態2として実際に傾斜機能材料クラッシュボックスを作製した。


【0013】
作製に関しては、アルミニウムベースの接合材を熱間圧延のもとで作り、これに深絞り加工を施すことにより、クラッシュボックスの構造体を作製する。その際、適切な熱処理を加え、熱処理が接合材の層間における組成の傾斜分布にどのような影響を与えるか、また、深絞りによるクラッシュボックスの成形性にどのような影響を与えるかを考慮した。

【0014】
(実施形態1)
図3は、傾斜機能材料クラッシュボックスに単軸衝撃力を負荷した場合の変形を有限要素解析した例である。ここでは、直方型(断面は正方形)のクラッシュボックスの長手方向にマクロ的な強度特性が傾斜している場合を考える。傾斜特性は2段階となっている。解析に供した材料は、超ジュラルミンA2024で、弾性率、ポアソン比および密度はそれぞれ73.1GPa、0.33、2780kg/m3である。計算に用いた、焼きなまし温度に対する最大引張応力、降伏応力、破壊までの歪量の値を表1に示す。













【0015】
【表1】
JP2013217401A_000003t.gif




【0016】
この計算例からわかるように傾斜機能材料クラッシュボックスは、均質材料クラッシュボックスとは破壊様式が大きく異なっており、衝撃吸収エネルギーもかなり高くなっている。このように傾斜機能材料を用いることにより高性能なクラッシュボックスの製造が可能となった。本解析では、クラッシュボックスの長さ方向の強度特性の傾斜しか考えていないが、必要な位置を必要な方向に必要な量だけ材料強度を変化させるという傾斜機能化により耐衝撃特性を向上させることができる。
(実施形態2)
実施形態2では、アルミニウム合金をベースにした傾斜機能接合材をクラッシュボックスの作製に使用した。図4(a),(b)は、熱間圧延でアルミニウムとジュラルミンの板を接合した後そのままのもの(非熱処理材)の光学顕微鏡写真、図4(c),(d)は熱間圧延接合後400oCで2時間熱処理したあと炉冷したもの(熱処理1)の光学顕微鏡写真、図4(e),(f)は熱間圧延接合後500oCで2時間熱処理したあと、水冷したもの(熱処理2)の光学顕微鏡写真である。これらの図からわかるように、熱処理を施すことによって界面近傍での原子拡散により境界面が不明確になっている。図5はこれに対応したマイクロビッカース硬さ試験の結果である。この図より組成の変化に併せて硬さも変化していることがわかる。図6は2層接合材、図7は6層接合材の界面近傍の走査型電子顕微鏡(SEM)写真(反射電子像)でエネルギー分散X線分光法(EDS)によるCu(銅)の分布も併せて示している。この図からわかるように、ジュラルミン中に含まれている銅がアルミニウム側に拡散して界面近傍での銅濃度が傾斜分布しており、これが先の光学顕微鏡写真の熱処理による境界面が不明確になる現象(図4)および硬さが境界面において徐々に変化している(図5)理由である。また、熱処理1を施したものは、ジュラルミンの硬さが低くなっており、熱処理2を施したものはジュラルミンの硬さが非常に高くなっている。そこで、この性質を用いて、熱間圧延した接合材に熱処理1を施したものを、塑性加工によりクラッシュボックスの形に成形し、その後熱処理2を施すことにより、必要な強度を得ることができる。このような接合材の非熱処理材、熱処理1材、熱処理2材に深絞りによる塑性加工を施したときの様子を図8に示す。この図より明らかなように、熱処理1を行ったものに関してのみ、深絞りが可能であった(深絞り速度40mm/sec)。したがって、熱処理1を行った後、クラッシュボックスの成形を行い、その後クラッシュボックスに熱処理2を施すことにより必要とする強度、耐衝撃性能を得ることができる。
本発明は、自動車の衝撃吸収体としてのクラッシュボックスへの適用を想定したものである。従来のクラッシュボックスと異なり、材料設計、構造設計を同時に行うことができ、必要な位置を必要な方向に必要な量だけ材料強度を変化させて性能の向上を図ることができる。自動車以外の乗り物への適用も可能である。さらに、様々な方向から外力に対しても最適なクラッシュボックスを設計、開発することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】傾斜機能材料の模式図である。
【図2】傾斜機能材料のアイデアを応用した高衝撃エネルギー吸収型クラッシュボックスの模式図である。
【図3(a)】傾斜機能材料クラッシュボックスに単軸衝撃荷重を加えた場合の変形に関する有限要素解析例である。傾斜機能材料クラッシュボックスの降伏応力比の長さ方向の変化である。
【図3(b)】傾斜機能材料クラッシュボックスに単軸衝撃荷重を加えた場合の変形に関する有限要素解析例である。均質材料(A)クラッシュボックスの降伏応力比の長さ方向の変化である。
【図3(c)】傾斜機能材料クラッシュボックスに単軸衝撃荷重を加えた場合の変形に関する有限要素解析例である。均質材料(D)クラッシュボックスの降伏応力比の長さ方向の変化である。
【図3(d)】傾斜機能材料クラッシュボックスに単軸衝撃荷重を加えた場合の変形に関する有限要素解析例である。傾斜機能材料クラッシュボックスの典型的な破壊様式である。
【図3(e)】傾斜機能材料クラッシュボックスに単軸衝撃荷重を加えた場合の変形に関する有限要素解析例である。均質材料(A) クラッシュボックスの典型的な破壊様式である。
【図3(f)】傾斜機能材料クラッシュボックスに単軸衝撃荷重を加えた場合の変形に関する有限要素解析例である。均質材料(D) クラッシュボックスの典型的な破壊様式である。
【図3(g)】傾斜機能材料クラッシュボックスに単軸衝撃荷重を加えた場合の変形に関する有限要素解析例である。500kgの衝撃荷重を初速度時速60kmでクラッシュボックスに与えた場合の単位重さ当りの衝撃吸収エネルギー (kJ/kg)である。
【図4(a)】熱間圧延により作製した2層および6層アルミニウム/ジュラルミン接合板の光学顕微鏡写真である。2層材、熱間圧延後そのままのもの(非熱処理)である。
【図4(b)】熱間圧延により作製した2層および6層アルミニウム/ジュラルミン接合板の光学顕微鏡写真である。6層材、熱間圧延後そのままのもの(非熱処理)である。
【図4(c)】2層材、熱間圧延後400oCで2時間保持したあと炉冷したもの(熱処理1)である。
【図4(d)】6層材、熱間圧延後400oCで2時間保持したあと炉冷したもの(熱処理1)である。
【図4(e)】2層材、熱間圧延後500oCで2時間保持したあと、水冷したもの(熱処理2)である。
【図4(f)】6層材、熱間圧延後500oCで2時間保持したあと、水冷したもの(熱処理2)である。
【図5(a)】熱間圧延により作製した2層および6層アルミニウム/ジュラルミン接合板のマイクロビッカース硬さ分布である。2層材、熱間圧延後そのままのもの(非熱処理)である。
【図5(b)】熱間圧延により作製した2層および6層アルミニウム/ジュラルミン接合板のマイクロビッカース硬さ分布である。6層材、熱間圧延後そのままのもの(非熱処理)、
【図5(c)】熱間圧延により作製した2層および6層アルミニウム/ジュラルミン接合板のマイクロビッカース硬さ分布である。2層材、熱間圧延後400oCで2時間保持したあと炉冷したもの(熱処理1)、
【図5(d)】熱間圧延により作製した2層および6層アルミニウム/ジュラルミン接合板のマイクロビッカース硬さ分布である。6層材、熱間圧延後400oCで2時間保持したあと炉冷したもの(熱処理1)である。
【図5(e)】熱間圧延により作製した2層および6層アルミニウム/ジュラルミン接合板のマイクロビッカース硬さ分布である。2層材、熱間圧延後500oCで2時間保持したあと、水冷したもの(熱処理2)である。
【図5(f)】熱間圧延により作製した2層および6層アルミニウム/ジュラルミン接合板のマイクロビッカース硬さ分布である。6層材、熱間圧延後500oCで2時間保持したあと、水冷したもの(熱処理2)である。
【図6(a)】2層アルミニウム/ジュラルミン接合板における接合面近傍のSEM写真(2次電子像)およびエネルギー分散型X線分光分析(EDS)により調べたCuの分布である。SEM写真、熱間圧延後そのままのもの(非熱処理)である。
【図6(b)】2層アルミニウム/ジュラルミン接合板における接合面近傍のSEM写真(2次電子像)およびエネルギー分散型X線分光分析(EDS)により調べたCuの分布である。Cu分布(EDS)、熱間圧延後そのままのもの(非熱処理)である。
【図6(c)】2層アルミニウム/ジュラルミン接合板における接合面近傍のSEM写真(2次電子像)およびエネルギー分散型X線分光分析(EDS)により調べたCuの分布である。SEM写真、熱間圧延後400oCで2時間保持したあと炉冷したもの(熱処理1である。
【図6(d)】2層アルミニウム/ジュラルミン接合板における接合面近傍のSEM写真(2次電子像)およびエネルギー分散型X線分光分析(EDS)により調べたCuの分布である。Cu分布(EDS)、熱間圧延後400oCで2時間保持したあと炉冷したもの(熱処理1)である。
【図6(e)】2層アルミニウム/ジュラルミン接合板における接合面近傍のSEM写真(2次電子像)およびエネルギー分散型X線分光分析(EDS)により調べたCuの分布である。SEM写真、熱間圧延後500oCで2時間保持したあと、水冷したもの(熱処理2)である。
【図6(f)】2層アルミニウム/ジュラルミン接合板における接合面近傍のSEM写真(2次電子像)およびエネルギー分散型X線分光分析(EDS)により調べたCuの分布である。Cu分布(EDS)、熱間圧延後500oCで2時間保持したあと、水冷したもの(熱処理2)である。
【図7(a)】6層アルミニウム/ジュラルミン接合板における接合面近傍のSEM写真(2次電子像)およびエネルギー分散型X線分光分析(EDS)により調べたCuの分布である。SEM写真、熱間圧延後そのままのもの(非熱処理)である。
【図7(b)】6層アルミニウム/ジュラルミン接合板における接合面近傍のSEM写真(2次電子像)およびエネルギー分散型X線分光分析(EDS)により調べたCuの分布である。Cu分布(EDS)、熱間圧延後そのままのもの(非熱処理)である。
【図7(c)】6層アルミニウム/ジュラルミン接合板における接合面近傍のSEM写真(2次電子像)およびエネルギー分散型X線分光分析(EDS)により調べたCuの分布である。SEM写真、熱間圧延後400oCで2時間保持したあと炉冷したもの(熱処理1)である。
【図7(d)】6層アルミニウム/ジュラルミン接合板における接合面近傍のSEM写真(2次電子像)およびエネルギー分散型X線分光分析(EDS)により調べたCuの分布である。Cu分布(EDS)、熱間圧延後400oCで2時間保持したあと炉冷したもの(熱処理1)である。
【図7(e)】6層アルミニウム/ジュラルミン接合板における接合面近傍のSEM写真(2次電子像)およびエネルギー分散型X線分光分析(EDS)により調べたCuの分布である。SEM写真、熱間圧延後500oCで2時間保持したあと、水冷したもの(熱処理2)である。
【図7(f)】6層アルミニウム/ジュラルミン接合板における接合面近傍のSEM写真(2次電子像)およびエネルギー分散型X線分光分析(EDS)により調べたCuの分布である。Cu分布(EDS)、熱間圧延後500oCで2時間保持したあと、水冷したもの(熱処理2)である。
【図8(a)】2層および6層アルミニウム/ジュラルミン接合板に塑性加工(深絞り、直径25mm)を施した場合の様子である。2層材、熱間圧延後そのままのもの(非熱処理)である。
【図8(b)】2層および6層アルミニウム/ジュラルミン接合板に塑性加工(深絞り、直径25mm)を施した場合の様子である。6層材、熱間圧延後そのままのもの(非熱処理)である。
【図8(c)】2層および6層アルミニウム/ジュラルミン接合板に塑性加工(深絞り、直径25mm)を施した場合の様子である。2層材、熱間圧延後400oCで2時間保持したあと炉冷したもの(熱処理1)である。
【図8(d)】2層および6層アルミニウム/ジュラルミン接合板に塑性加工(深絞り、直径25mm)を施した場合の様子である。6層材、熱間圧延後400oCで2時間保持したあと炉冷したもの(熱処理1)である。
【図8(e)】2層および6層アルミニウム/ジュラルミン接合板に塑性加工(深絞り、直径25mm)を施した場合の様子である。2層材、熱間圧延後500oCで2時間保持したあと、水冷したもの(熱処理2)である。
【図8(f)】2層および6層アルミニウム/ジュラルミン接合板に塑性加工(深絞り、直径25mm)を施した場合の様子である。6層材、熱間圧延後500oCで2時間保持したあと、水冷したもの(熱処理2)である。
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3(a)】
2
【図3(b)】
3
【図3(c)】
4
【図3(d)】
5
【図3(e)】
6
【図3(f)】
7
【図3(g)】
8
【図4(a)】
9
【図4(b)】
10
【図4(c)】
11
【図4(d)】
12
【図4(e)】
13
【図4(f)】
14
【図5(a)】
15
【図5(b)】
16
【図5(c)】
17
【図5(d)】
18
【図5(e)】
19
【図5(f)】
20
【図6(a)】
21
【図6(b)】
22
【図6(c)】
23
【図6(d)】
24
【図6(e)】
25
【図6(f)】
26
【図7(a)】
27
【図7(b)】
28
【図7(c)】
29
【図7(d)】
30
【図7(e)】
31
【図7(f)】
32
【図8(a)】
33
【図8(b)】
34
【図8(c)】
35
【図8(d)】
36
【図8(e)】
37
【図8(f)】
38