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摩擦現象を利用した発泡金属コアサンドイッチパネルの
日本金属学会誌 第 74 巻 第 10 号(2010)662 667 摩擦現象を利用した発泡金属コアサンドイッチパネルの 新しい作製技術の開発 權 湧 宰1 重 松 一 典2 斎 藤 尚 文2 1韓国蔚山大学先端素材工学部 2独立行政法人産業技術総合研究所サステナブルマテリアル研究部門 J. Japan Inst. Metals, Vol. 74, No. 10 (2010), pp. 662 667 2010 The Japan Institute of Metals Development of New Production Technology for Foam Metal Core Sandwich Panel Using Friction Phenomena Yong Jai Kwon1, Ichinori Shigematsu2 and Naobumi Saito2 1School of Materials Science and Engineering, University of Ulsan, Ulsan 680749, Korea 2Materials Research Institute for Sustainable Development, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Nagoya 4638560 The surface region of electricdischargemachined aluminum foams was modified by the frictionsurfacemodifying and rolling (FSMR) process. A new surface was successfully obtained through the FSMR process, which was considerably smoother and denser than that of the unprocessed aluminum foam. In the FSMR process, the amount and morphology of the residual pores are mainly dominated in the surface of metallic foams by the friction surface modification (FSM) process stage. The smoothest surface, however, was formed for the frictionsurfacemodified and rolled (FSMRed) aluminum foam, which was attributed to the additional rolling process after the FSM process. This result demonstrates that the FSMR process is a very effective technology in controlling the surface morphology of the metallic foams through the cell structure control of the surface region. For the FSMRed aluminum foam, the highest average bonding strength, yield strength and toughness were obtained, which were nearly equivalent to 1.4, 2 and 1.6 times the values of the unprocessed aluminum foam, respectively. This result shows that, in the FSMR process, the additional rolling process after the FSM process is very effective in enhancing the bonding characteristics of the metallic foams by smoothening the surface. In addition, the abovementioned bonding characteristics were remarkably increased with the decrease in the surface roughness, suggesting the surface morphology is a very important parameter in controlling the bonding characteristics of the metallic foams. The experimental results revealed that the FSMR process is a very effective technology for the improvement of the bonding characteristics of the metallic foams through the control in the surface morphology. (Received March 30, 2010; Accepted July 1, 2010) Keywords: metallic foam, sandwich panel, friction phenomena, surface modification, cell structure, aluminum foam, surface morphology, mechanical properties, bonding strength, toughness して挟み込んだサンドイッチパネルが用いられている1,2) ． 1. 緒 言 特に，発泡金属材料をコア材として用いた場合には，ハニカ ムコアサンドイッチパネルに比べて成形性や耐水性が優れる 多孔質金属材料は，多量の開気孔あるいは閉気孔を含むセ などの特性を示す8)．一方，閉気孔を有する多孔質高分子コ ル構造を形成しているため，軽量性，衝撃吸収性，吸音性， アサンドイッチパネルの場合においては，比較的高い断熱性 断熱性などが優れている17) ．さらに，多孔質高分子材料に を示すが，室温においてもクリープ現象が起こるという問題 比べて，比強度が高い，熱伝導率が優れる，融点が高い，リ 点がある9)．そこで最近，発泡金属材料がハニカムコアおよ サイクルが容易であるなどの多様で有益な特性を有してい び多孔質高分子コアの代替材料として注目されている． る．そこで近年，自動車，医療，建築，土木などの多くの産 Fig. 1 は，サンドイッチパネルにおける代表的な破壊モー 業分野で，多孔質金属材料が注目され，研究および開発が活 ド，すなわち( a )スキン材とコア材間の剥離，( b )局部的な 発に行われてきている． へこみ，(c)スキン材の破壊，(d)スキン材のしわおよび(e) 特に，多孔質金属材料の軽量性とともに高剛性および高強 コア材の破壊を示す10)．特に，(a)スキン材とコア材間の剥 度が求められる場合においては，高剛性および高強度を有す 離モードにおいては，スキン材とコア材間の接合強度を向上 る二枚のスキン材の間に多孔質金属材料をコア材として挿入 することにより，サンドイッチパネルの破壊を防ぐことが可 能であることを示している．そこで，著者らはスキン材とコ Mater. Trans. 50(2009) 879884 に掲載 ア材間の接合強度を向上するために，高速回転する工具との 第 10 号 摩擦現象を利用した発泡金属コアサンドイッチパネルの新しい作製技術の開発 663 Fig. 1 Schematic representation showing various failure modes in sandwich panels: (a) bond failure, (b) core indentation, (c) face yielding, (d) face wrinkling and (e) core yielding. 摩擦現象および圧延プロセスを利用して多孔質金属材料の表 面 を 改 質 で き る 新 し い プ ロ セ ス ( Friction Surface Modifying and Rolling (FSMR) Process)を開発した． Fig. 2 は， FSMR プロセスの原理および本研究における 実験方法の模式図を示す． FSMR プロセスは大きく二つの 工程となっている．すなわち，第 1 工程が高速回転する表 面改質用工具との摩擦現象を利用して発泡金属材料の表面領 域 を 改 質 す る 摩 擦 表 面 改 質 プ ロ セ ス ( Friction Surface Modification ( FSM ) process )であり，第 2 工程が表面改質 した発泡金属材料の表面形状を制御するための圧延プロセス である．Fig. 2(a)は，1 回の FSM プロセスを行う場合を示 す．このプロセスでは，まず発泡金属材料を固定した後，高 Fig. 2 Schematic representation showing the basic principle and experimental procedure of the frictionsurfacemodifying and rolling (FSMR) process in this study: (a) the friction surface modification (FSM) process by the highspeed rotating tool, (b) the FSM process with three passes and (c) the rolling process. The surfacemodified zone and the unprocessed zone are labeled SMZ and UZ, respectively. And then, X, Z and Y represent the tool traverse direction, the tool rotation axis direction, and the width direction of the metallic foam, respectively. 速回転する表面改質用工具を発泡金属材料の深さ方向に挿入 し，発泡金属材料の表面に沿って移動させる．この間，高速 回転している工具と発泡金属材料との摩擦現象により摩擦熱 が発生し，発泡金属材料の温度が上昇するとともに軟化す る．また，このように軟化した発泡金属材料は高速回転して いる工具により塑性変形される．その結果，発泡金属材料の 表面付近のセル構造が局部的に潰されることにより緻密化お よび平坦化が起こり，表面改質領域(Surface Modified Zone; SMZ )が形成される． FSM プロセスは， Fig. 2(b )に示した 2. 実 験 方 法 ように，必要に応じてマルチパスで行うことが可能である． 次に，表面改質した発泡金属材料を Fig. 2(c)に示したよう 供試材料としては，主に閉気孔から構成されたアルミニウ に圧延することにより表面をより平坦化することが可能であ ムフォーム(ALPORAS，神鋼鋼線工業株式会社)を用いた． る．このような FSMR プロセスを利用して表面付近のセル アルミニウムフォームは，溶融アルミニウムの粘性を向上さ 構造や表面形状を制御した発泡金属材料をサンドイッチパネ せるためにカルシウムを少量添加し，水素化チタン( TiH2 ) ルのコア材として用いると，接合部におけるスキン材との接 を発泡剤として用いて作製したものであった11) ． FSMR プ 触面積が増加するため，コア材である発泡金属材料とスキン ロセスを利用してアルミニウムフォームを加工する前に，放 材間の接合強度の増加が期待できる． 電加工機を利用してアルミニウムフォームの表面付近を切断 そこで本研究では， FSMR プロセスを利用してアルミニ し，アルミニウムフォームの作製，切断あるいは取扱いの際 ウムフォームの表面付近を改質するとともに，表面改質した に発生した表面の欠陥や不均一性などを除去するとともに， アルミニウムフォームの表面形状や接合特性などを調べた． 加工前のアルミニウムフォームの表面形状を一定に保持し た．アルミニウムフォームの形状は， Fig. 2 ( a )に示したよ うに，長さ 100 mm，幅 30 mm および厚さ 25 mm の直方体 664 日 本 金 属 学 会 誌(2010) 第 74 巻 であった．表面改質用工具は，材質が焼入れした工具鋼 ために約 0.01 MPa の圧力下および室温にて 24 時間保持し SKD61 であり，直径 15 mm の円柱状であった．Kwon ら12) た．この際，接合部の大きさは 30 mm 縦幅×15 mm 横幅で は，FSM プロセスにおいて表面改質用工具の回転速度およ あった．引張試験は，室温下にてクロスヘッドの速度を 1 び移動速度をそれぞれ 820～2400 rpm および 50～300 mm/ mm/min と一定とし行った． min に変化させ，アルミニウムフォームの表面形状および機 械的特性などの変化を調べた．その結果，工具の回転速度お よび移動速度をそれぞれ 1390 rpm および 100 mm/min とし た場合において，もっとも平坦で押込み強度の高い加工部が 実験結果および考察 3. 3.1 供試材料の特性 得られたと報告した．そこで本研究においても， FSM プロ Fig. 4 は，供試材料であるアルミニウムフォームの典型的 セスにおける工具の回転速度および移動速度をそれぞれ なセル構造を示す．アルミニウムフォームは，約 91の気 1390 rpm および 100 mm/min とした．また，工具の押込み 孔率および約 0.24×103 kg/m3 の見かけ密度を示した．供試 深さをアルミニウムフォームの表面から 2.6 mm とし，工具 材料のセル構造を調べるために，放電加工機を利用して供試 の回転軸(Z 軸)を工具の移動方向(X 軸方向)に対して 10 度 材料を切断し研磨した後，画像解析を行った結果，閉気孔の 傾け，大気中および室温下にて実験を行った． Fig. 2 ( b )に 約 70 が直径約 1 mm から 4 mm の範囲で分布し，平均直 示したように，それぞれのアルミニウムフォームについて 径が約 2.4mm であった．また，セル壁の厚さは主に 100 FSM プロセスを約 7.5 mm の間隔で 3 回ずつ行った．その mm から 250 mm の範囲で分布し，平均厚さが約 190 mm で 後， Fig. 2 ( c )に示したように，アルミニウムフォームの厚 あった． さが約 20 mm になるように，圧延加工を行った． FSM プロセスの前後および圧延後のアルミニウムフォー ムの表面形状の変化を調べるために，レーザ変位計( LC 3.2 表面形状 Fig. 5 は，(a)受入れ材，(b)放電加工材，(c)FSM プロセ 株 キーエンス)を利用して 2 次元表面粗さ分布の測定 2450， ス加工材および( d ) FSMR プロセス加工材の表面外観を示 を行った．本研究においては， FSMR プロセスを利用して す．(a)受入れ材の場合には，切断，サイジングあるいは取 アルミニウムフォームの片面だけを加工したため，両面にお 扱いの際にセル壁が座屈または崩壊され，セルの構造が明確 ける表面形状に相違があった．そこで，アルミニウムフォー には観察されなかった．一方，(b)放電加工材の場合には， 試験法13) 損傷を受けた表面層が除去されることにより(a)受入れ材に に従わず，Fig. 3 に示したような方法を用いた．すなわち， 比べてセルの構造がより明確に観察された．そこで本研究に ムの接合特性評価には， ASTM C297 / C297M 04 厚さ約 0.4 mm の工業用両面接着テープ( HJ 0240 ，日東電 おいては，受入れ材の表面欠陥や不均一性などを除去すると 株 )を利用して，アルミニウムフォームを 6061 工 T6 アルミ ともに，加工前のアルミニウムフォームの表面形状を一定に ニウム合金である厚さ約 5 mm の T 型アングルバーに接合 保つために，放電加工機を利用して受入れ材の表面層を除去 した．その後，引張試験を行う前に，接合強度を向上させる した後， FSM および FSMR プロセスにてアルミニウムフ ォームの表面を加工することにした．(c)FSM プロセス加工 材の場合には，加工前の表面状態である(b)放電加工材とは まったく異なる新しい形状の表面が形成された．すなわち (c)FSM プロセス加工材の場合には，気孔が若干残留してい Fig. 3 Schematic representation showing the tensile test for the specimens bonded between the aluminum foam and the T type aluminum alloy angle bar by adhesive. Fig. 4 Optical macrograph showing a typical cell structure of the aluminum foam used as the starting material in this study. 第 10 号 摩擦現象を利用した発泡金属コアサンドイッチパネルの新しい作製技術の開発 665 Fig. 5 Surface appearances of the (a) asreceived, (b) electricdischargemachined, (c) frictionsurfacemodified, and (d) frictionsurfacemodified and rolled aluminum foams. (c) and (d) show a similar surface region before and after rolling. るが，(b)放電加工材に比べてより平坦で緻密な表面層が形 くなっていた．一方，(b)FSM および(c)FSMR プロセス加 成されたことが分かる．このような表面層は，FSM プロセ 工材の場合には，(a)未加工材に比べて明らかに平坦な表面 ス中にアルミニウムフォームの表面付近のセル壁材と高速回 が形成されたことが分かる．特に，(c)FSMR プロセス加工 転している工具との摩擦により，セル壁材が崩壊および緻密 材において最も平坦な表面が形成されたことから，FSM プ 化することに形成されたと考えられる．一方，(d)FSMR プ ロセス後の圧延加工は，前述したように，残留気孔の量や形 ロセス加工材の場合には，表面における残留気孔の量や形状 状には大きな影響を及ぼさなかったが，表面の平坦化には有 において大きな変化は現れず，(c)FSM プロセス加工材と似 効であることが分かる．これらの結果から， FSMR プロセ たような表面形状が得られた．すなわち， FSM プロセス後 スがアルミニウムフォームの表面形状の制御に非常に有効で の圧延加工は， FSM プロセス加工材の残留気孔の量や形状 あることが明らかである． に大きな影響を及ぼさないことが分かる．このような結果か ら， FSMR プロセスにおいて，アルミニウムフォームの加 工表面における残留気孔の量や形状は主に FSM プロセスに て決まると考えられる． 3.3 機械的特性 Fig. 8 は，アルミニウムフォームと 6061 T6 アルミニウ ムの T 型アングルバーとの接合体を用いて引張試験を行う Fig. 6 は，(a)未加工材(放電加工材)，(b)FSM および(c) ことにより得られた荷重変位曲線を示す．いずれの場合に FSMR プロセス加工材における 2 次元表面粗さの分布を示 おいても破断は接着剤と SMZ の間で起こった．また，アル す．また Fig. 7 は，平均表面粗さを示す．(a)未加工材の場 ミニウムフォームの厚さは引張試験前後において大きな変化 合には， Fig. 5 ( b )に示したように，表面に放電加工により は認められなかった．この結果から，アルミニウムフォーム 形成された開気孔が多量に存在するため，表面がもっとも粗 は引張試験中に大きな変形が起こらなかったと考えられる． 666 日 本 金 属 学 会 誌(2010) 第 74 巻 Fig. 7 Average surface roughness of the unprocessed (i.e., electricdischargemachined), frictionsurfacemodified, and frictionsurfacemodified and rolled aluminum foams. The error bars represent the standard deviations of the measured surface roughness. Fig. 8 Loaddisplacement curves during the tensile test of the bonded specimens of the aluminum foam and the Ttype aluminum alloy angle bar. The dashedtwo dotted, broken and solid lines represent the (a) unprocessed (i.e., electricdischarge machined), (b) frictionsurfacemodified, and (c) friction surfacemodified and rolled aluminum foams, respectively. Fig. 6 Twodimensional surface roughness distributions of the (a) unprocessed (i.e., electricdischargemachined), (b) frictionsurfacemodified, and (c) frictionsurfacemodified and rolled aluminum foams. また，荷重変位曲線はいずれの場合においても同じような Fig. 9 Average bonding strength, yield strength and toughness for the tensile tests of the bonded specimens of the aluminum foam and the Ttype aluminum alloy angle bar. The positive and negative error bars represent the maximum and minimum values, respectively. 傾向を示した．すなわち，荷重は降伏点まで急激に増加した 後，変位量の増加とともに徐々に増加し，最大値に到達し た．その後，荷重は破断に至るまで急激に減少した． および FSMR プロセス加工材は，未加工材(放電加工材)よ Fig. 9 は，それぞれの接合体の引張試験における平均接合 り高い平均接合強度，降伏強度および靭性を示した．このよ 強度，降伏強度および靭性を示す．ここで，靭性は破断まで うな結果から， FSM および FSMR プロセスが接合特性の の荷重変位曲線を積分することにより求められた14)．FSM 向上に非常に有効であることが明らかとなった．特に， 第 10 号 摩擦現象を利用した発泡金属コアサンドイッチパネルの新しい作製技術の開発 667 FSMR プロセス加工材の場合には，平均接合強度，降伏強 とともに，平均接合強度，降伏強度および靭性が増加した． 度および靭性においてそれぞれ未加工材の約 1.4 倍，2 倍お このような結果から，アルミニウムフォームの表面形状は接 よび 1.6 倍である最も高い値を示した．これらの結果から， 合特性に影響を及ぼす重要なパラメーターであることが明ら FSMR プロセスにおける圧延加工は接合特性の向上に非常 かとなった． に有効であることが分かる．また，アルミニウムフォームの FSMR プロセスは，アルミニウムフォーム表面層の 表面における平均粗さの減少とともに，平均接合強度，降伏 平坦化および緻密化による接合特性の向上に非常に有効であ 強度および靭性が増加したことから，アルミニウムフォーム ることが明らかとなった． の表面形状は接合特性に影響を及ぼす重要なパラメーターで あることが明らかとなった．以上の結果から， FSMR プロ 本研究は，2010 年蔚山大学研究費の支援を受けました． セスはアルミニウムフォーム表面層の平坦化および緻密化に よる接合特性の向上に非常に有効であることが明らかとなっ 文 献 た． 結 4. 言 本研究では， FSMR プロセスを利用してアルミニウムフ ォームの表面付近を改質するとともに，表面改質したアルミ ニウムフォームの表面形状や接合特性などを調べ，次のよう な結果が得られた． FSMR プロセス加工により，加工前の放電加工材よ り平坦で緻密な新しい表面層を有するアルミニウムフォーム の作製が可能であった． アルミニウムフォームの加工面における粗さ分布を調 べた結果， FSMR プロセスがアルミニウムフォームの表面 形状の制御に非常に有効であることが明らかとなった． FSMR プロセスにおける圧延加工は，FSM プロセス 加工後の残留気孔の量や形状には大きな影響を及ぼさなかっ たが，加工面の平坦化および接合特性の向上には非常に有効 であった． アルミニウムフォームの接合特性を調べた結果， FSMR プロセス加工材は平均接合強度，降伏強度および靭 性においてそれぞれ未加工材の約 1.4 倍， 2 倍および 1.6 倍 である最も高い値を示した． アルミニウムフォームの表面における平均粗さの減少 1) L. J. Gibson and M. F. Ashby: Cellular Solids: Structures and Properties, 2nd ed., (Cambridge University Press, Cambridge, 1997). 2) M. Ashby, N. Fleck, H. Wadley, J. Hutchinson and L. Gibson: Metal Foams: A Design Guide, (ButterworhHeinemann, Boston, 2000). 3) J. Banhart: Prog. Mater. Sci. 46(2001) 559632. 4) F. Yi, Z. Zhu, F. Zu, S. Hu and P. Yi: Mater. Charact. 47(2001) 417422. 5) C. M. Moran, J. A. Ross, C. Cunningham, M. Butler, T. Anderson, D. Newby, K. A. A. Fox and W. N. McDicken: Ultrasound Med. Biol. 32(2006) 421428. 6) Z. Xie, T. Ikeda, Y. Okuda and H. Nakajima: Mater. Sci. Eng. A 386(2004) 390395. 7) W. Jiejun, L. Chenggong, W. Dianbin and G. Manchang: Compos. Sci. Technol. 63(2003) 569574. 8) O. Kesler and L. J. Gibson: Mater. Sci. Eng. A 326(2002) 228 234. 9) T. M. McCormack, R. Miller, O. Kesler and L. J. Gibson: Int. J. Solids Struct. 38(2001) 49014920. 10) A. G. Evans, J. W. Hutchinson, N. A. Fleck, M. F. Ashby and H. N. G. Wadley: Prog. Mater. 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