JP3542754B2 - 形状記憶合金 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、ニオブ炭化物含有の形状記憶合金とその製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、ニオブ炭化物を含有し、トレーニングなしに充分に良好な形状記憶作用を示すことのできるＦｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系の新しい形状記憶合金とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
形状記憶合金は、アクチュエーター機構や継手機構、スイッチ機構、あるいは各種分野でその形状復元性による機能材料等として注目され、その応用が様々に進められている合金である。
【０００３】
この形状記憶合金については、これまでにも各種の組成からなるものが検討されてきており、このうちの一種として、Ｆｅ，ＭｎおよびＳｉを組成主成分とするＦｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系（さらにはＦｅ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｃｒ−Ｎｉ系を含めて）の形状記憶合金がわが国において開発されている。
【０００４】
このＦｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系の形状記憶合金は、わが国においてはじめて見出されたものとして注目されるものである。
しかしながら、残念にも、このＦｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系合金はいまだに実用化されていないのである。その最大の原因は、この合金は、トレーニングといわれる特殊な加工熱処理をしなければ充分な形状記憶の作用効果を示さないことである。トレーニングとは、室温で２〜３％の変形を施した後に、逆変態点以上の６００℃近傍で加熱するという処理を数回以上繰り返すことである。
【０００５】
このため、従来のＦｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系形状記憶合金については、このような面倒で負担の大きなトレーニングが必要とされるとの理由から実用的な展望が拓かれないでいた。
【０００６】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの従来のＦｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系形状記憶合金の問題点を解消し、トレーニングという特殊処理を施さなくても、充分に良好な形状記憶効果をもたらすことのできる、改善された新しいＦｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系形状記憶合金を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、組成成分（重量％）として、Ｍｎ：５〜４０、Ｓｉ：３〜１５、Ｃｒ：１〜２０、ＮｂおよびＣ、残部がＦｅと不可避的不純物を含有するＦｅ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｃｒ系形状記憶合金において、ニオブ炭化物が組織の体積率で０．１〜１．５％含まれていることを特徴とする形状記憶合金を提供する。
【０００８】
また、この出願の発明は、第２には、組成成分（重量％）として、Ｍｎ：５〜４０、Ｓｉ：３〜１５、Ｃｒ：１〜２０、Ｎｉ：０．１〜２０、ＮｂおよびＣ、残部がＦｅと不可避的不純物を含有するＦｅ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｃｒ−Ｎｉ系形状記憶合金において、ニオブ炭化物が組織の体積率で０．１〜１．５％含まれている形状記憶合金を提供し、第３には、ニオブと炭素の組成比（原子比）が、Ｎｂ／Ｃ≧１である上記の形状記憶合金を提供する。
【０００９】
そして、この出願の発明は、第４には、請求項１ないし３のいずれかの発明の形状記憶合金の製造方法であって、ニオブおよび炭素添加による溶製後の合金を、１０００〜１３００℃の範囲の温度で均一熱処理した後に、４００〜１０００℃の範囲で時効処理し、ニオブ炭化物を析出させることを特徴とするニオブと炭素を含有する形状記憶合金の製造方法を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴を有するものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１１】
なによりも、この発明の形状記憶合金では、組成主成分としてＦｅ，ＭｎおよびＳｉを含有し、さらには必要に応じてＣｒもしくはＣｒとＮｉをも主成分とするＦｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系の形状記憶合金において、その合金の組織にはニオブ炭化物が含まれていることを特徴としている。このニオブ炭化物の組織中への含有によって、この発明の形状記憶合金では、従来のようなトレーニングという、面倒で負担の大きな特殊処理を一切必要とすることなしに、良好な形状記憶の作用効果を発現させることが可能となる。
【００１２】
合金の組成中に、ニオブ（Ｎｂ）と炭素（Ｃ）が含まれているというだけではこの発明の効果は得られないのであって、ニオブ炭化物の存在、すなわち母相（オーステナイト）中の析出物としての存在が欠かせないのである。
【００１３】
結晶組織の体積率では、０．１〜１．５％の割合でニオブ炭化物が含有されていることが望ましい。さらには、体積率で０．３〜１．０％の範囲であることが適当である。
【００１４】
体積率０．１％未満では、トレーニングを必要としないとのこの発明の効果は期待できない。また、１．５％を超える場合には、合金の切削加工性が低下し、実用性の観点で好ましくないものとなる。
【００１５】
形状記憶合金としての化学組成（重量％）については、一般的には次のように考慮することができる。
＜Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ＞
Ｍｎ：１５〜４０
Ｓｉ： ３〜１５
Ｆｅ：残部
＜Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｃｒ＞
Ｍｎ：５〜４０
Ｓｉ：３〜１５
Ｃｒ：１〜２０
Ｆｅ：残部
＜Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｃｒ−Ｎｉ＞
Ｍｎ：５〜４０
Ｓｉ：３〜１５
Ｃｒ：１〜２０
Ｎｉ：０．１〜２０
Ｆｅ：残部
そして、さらに、
Ｃｕ：≦３
Ｍｏ：≦２
Ａｌ：≦１０
Ｃｏ：≦３０
Ｎ：≦５０００（ｐｐｍ）
等を考慮することができる。もちろん不可避的不純物の混入は許容されることになる。
【００１６】
これらの化学組成において、ニオブ炭化物が組織に含有されるこの発明の形状記憶合金では、化学組成（重量％）としては、たとえば
Ｎｂ：０．１〜１．５
Ｃ：０．０１〜０．２
程度を目安とすることができる。ただ、いずれの場合であっても、ニオブおよび炭素によるニオブ炭化物は前記のとおり体積率で０．１〜１．５％で存在することが好ましく、また、ニオブと炭素との原子比Ｎｂ／Ｃは、１以上、より好ましくは原子比が、１．０〜１．２で存在することが適当である。
【００１７】
以上のようなこの発明のニオブ炭化物を含有するＦｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系形状記憶合金は、所定の元素原料とともにニオブおよび炭素の微量添加による溶製後に、１０００〜１３００℃の範囲の温度での均一熱処理を施し、その後、４００〜１０００℃の範囲の温度での時効処理で、ニオブ炭化物を時効析出させることにより製造することが適当である。
【００１８】
より適当には、均一化熱処理は、１１５０〜１２５０℃の温度で５〜２０時間行うこと、また時効処理は、７００〜９００℃の温度で０．５〜５時間行うことが例示される。
【００１９】
そこで以下に実施例を示し、この発明についてさらに詳しく説明する。
【００２０】
【実施例】
＜実施例１＞
溶製により、次の３種の化学組成（重量％）の合金を製造した。
【００２１】
▲１▼ Ｆｅ−２８Ｍｎ−６Ｓｉ−５Ｃｒ−０．４７Ｎｂ−０．０６Ｃ
▲２▼ Ｆｅ−１５Ｍｎ−５Ｓｉ−９Ｃｒ−５Ｎｉ−０．４７Ｎｂ−０．０６Ｃ
▲３▼ Ｆｅ−１４Ｍｎ−６Ｓｉ−９Ｃｒ−５Ｎｉ−０．４７Ｎｂ−０．０６Ｃ
これら３種の合金▲１▼▲２▼▲３▼に対し、１２００℃の温度で１０時間均一化処理し、その後、８００℃の温度で２時間時効処理した。
【００２２】
この時効処理後の合金▲１▼▲２▼▲３▼のいずれのものにもニオブ炭化物の存在が確認された。その体積率は約０．５％であった。
図１は、時効処理後の合金▲１▼について、ニオブ炭化物の析出物の存在を示した電子顕微鏡写真である。写真中の約２０ｎｍの大きさの黒いコントラストのものが析出物である。図２（Ａ）は、これを証明する電子回析像で、矢印で示した弱い強度をもつ回析斑点がニオブ炭化物からのものである。図２（Ｂ）は、回析像のキーダイアグラムを示したものである。
【００２３】
また、比較のために、Ｆｅ−２８Ｍｎ−６Ｓｉ−５Ｃｒ合金（合金▲４▼）を溶製により製造し、上記と同様の均一化処理のみ施した。このニオブと炭素を含まない合金▲４▼の場合には、ニオブ炭化物の存在は当然のことであるが全く確認されていない。
【００２４】
以上の時効処理後の合金▲１▼▲２▼▲３▼並びに比較のための合金▲４▼について、これらの曲げ試験による形状記憶効果を評価した。試験のためのテストビースは、厚さ０．６ｍｍ、４ｍｍ×３０ｍｍの板状体とした。
【００２５】
図３はその結果を示したものであって、曲げによる歪みを４％と６％とした場合の形状記憶回復率を示してある。合金▲１▼▲２▼▲３▼のいずれのものも６０％以上、特に合金▲１▼においては９０％以上の回復率が得られている。
【００２６】
一方、比較合金▲４▼については４０％の回復率しか得られなかった。組織を変更して各種の比較合金についても検討したが、いずれも最大で５０％の回復率しか得られなかった。
＜実施例２＞
実施例１と同様にして、この発明の合金
▲１▼：Ｆｅ−２８Ｍｎ−６Ｓｉ−５Ｃｒ−ＮｂＣ
（ＮｂＣ 体積率０．５％）
▲２▼：Ｆｅ−１５Ｍｎ−５Ｓｉ−９Ｃｒ−５Ｎｉ−ＮｂＣ
（ＮｂＣ 体積率０．５％）
を製造し、また比較のための合金
▲４▼：Ｆｅ−２８Ｍｎ−６Ｓｉ−５Ｃｒ
を用意した。
【００２７】
これらの合金▲１▼、▲２▼、▲４▼について実施例１と同じ形状のテストピートにおいて、引っ張り試験による形状記憶効果を評価した。図４は、その結果を示したものである。横軸は引っ張り歪みを、縦軸は形状回復率を示している。
【００２８】
この発明の合金▲１▼、▲２▼が良好な形状回復効果を示すことが確認される。
また、図５は、形状回復応力を形状回復歪みに対してプロットした図である。前歪みは２〜５％の場合を示している。この図５は、横軸に示す歪みだけ形状が回復したときに発生する応力（回復力）を縦軸に示している。そして、符号のＡ〜Ｅは次のものの場合を示している。
【００２９】
Ａ：前歪み２．１％の合金▲１▼
Ｂ：前歪み４．１％の合金▲１▼
Ｃ：前歪み５．５％の合金▲１▼
Ｄ：前歪み５．０％の合金▲２▼
Ｅ：前歪み３．１％の合金▲４▼（比較例）
図５より、この発明の合金▲１▼、▲２▼の場合には、従来の比較例合金▲４▼に比べてはるかに大きな回復力が得られていることがわかる。
【００３０】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、この出願の発明によって、従来のようなトレーニングという複雑な加工熱処理を施す必要はなく、時効熱処理のみで、容易に形状記憶効果を発現させることができる。トレーニング処理を必要とする従来の合金とは異っていかなる形状の合金部品等にも適用できる。たとえば締結部材（水道管やガス管、石油油送管等の）として使用でき、溶接による締結の必要がなくなり、溶接した場合に生じる溶接部の弱体化や腐食の危険性を避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１におけるこの発明の合金の組織を例示した図面に代わる電子顕微鏡写真である。
【図２】ＡおよびＢは、図１に対応してニオブ炭化物の存在を示した図面に代わる電子回析写真と、キーダイアグラムである。
【図３】曲げ試験の結果を示した図である。
【図４】引っ張り試験の結果を示した図である。
【図５】形状回復応力を形状回復歪みとの関係で示した図である。

Claims (4)

1. 組成成分（重量％）として、Ｍｎ：５〜４０、Ｓｉ：３〜１５、Ｃｒ：１〜２０、ＮｂおよびＣ、残部がＦｅと不可避的不純物を含有するＦｅ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｃｒ系形状記憶合金において、ニオブ炭化物が組織の体積率で０．１〜１．５％含まれていることを特徴とする形状記憶合金。
2. 組成成分（重量％）として、Ｍｎ：５〜４０、Ｓｉ：３〜１５、Ｃｒ：１〜２０、Ｎｉ：０．１〜２０、ＮｂおよびＣ、残部がＦｅと不可避的不純物を含有するＦｅ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｃｒ−Ｎｉ系形状記憶合金において、ニオブ炭化物が組織の体積率で０．１〜１．５％含まれていることを特徴とする形状記憶合金。
3. ニオブと炭素の組成比（原子比）が、Ｎｂ／Ｃ≧１である請求項１または２の形状記憶合金。
4. 請求項１ないし３のいずれかの形状記憶合金の製造方法であって、ニオブおよび炭素添加による溶製後の合金を、１０００〜１３００℃の範囲の温度で均一熱処理した後に、４００〜１０００℃の範囲で時効処理し、ニオブ炭化物を析出させることを特徴とするニオブと炭素を含有する形状記憶合金の製造方法。

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