JP2000017395A - Ｆｅ系形状記憶合金及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】優れた加工性、耐食性を持ち、かつ低廉な形状
記憶合金及びその製造方法を提供する。 【解決手段】１５〜３５重量％のＮｉと１．５〜１０重
量％のＳｉと、残部Ｆｅ及び不可避不純物とからなる合
金を８００℃以上の温度で液体化処理し、さらに２００
〜６００℃で時効処理したことを特徴とした記憶合金で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は鉄系形状記憶合金及
びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】形状記憶合金はその特異的な機能によ
り、工業、エネルギー及び医療の各分野での実用化が進
められている。形状記憶現象及び超弾性現象（擬弾性現
象ともいう）は熱弾性マルテンサイト変態を起こす合金
に現れるものである。このような合金として、Ｎｉ−Ｔ
ｉ、Ｎｉ−Ａｌ、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ
等の非鉄系合金と、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｔｉ、Ｆｅ−Ｍ
ｎ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ等の鉄系
合金が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、現実に実用化
されているのは主に非鉄系合金であり、鉄系形状記憶合
金にはまだ解決されていないさまざまな問題がある。例
えば、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｔｉ系では、応力誘起変態に
よる形状記憶効果が生じるが、Ｍｓ点が２００Ｋ以下と
低く、実用化しにくい。また、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃ系では、
逆変態中に炭化物が生成し、形状記憶特性が低下してし
まうので、実用化には問題がある。Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系
は比較的良好な形状記憶特性を示しているが、冷間加工
性が悪く、加工にコストがかかる問題と、耐食性が不充
分であるという問題があるため、実用できる分野が限ら
れている。

【０００４】一方、鉄系形状記憶合金には共通的な特徴
として、コストが低く、磁性を示す等の利点があるた
め、より実用的な鉄系形状記憶合金の開発が望まれてい
る。

【０００５】従って、本発明の目的は、これらの問題を
解決し、優れた加工性、耐食性を持ち、かつ低廉な形状
記憶合金及びその製造方法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を鑑み鋭意研究
の結果、本発明者らは特定成分範囲のＦｅ−Ｓｉ−Ｎｉ
系合金が形状記憶特性を示すことを発見し、本発明を完
成した。

【０００７】すなわち、本発明の形状記憶合金は、１５
〜３５重量％のＮｉと、１．５〜１０重量％のＳｉと、
残部Ｆｅ及び不可避不純物とからなることを特徴とす
る。

【０００８】本発明の形状記憶合金はさらにＣｏ、Ｂ
ｅ、Ｃｕ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、
Ｃ、Ｂ、Ｃｒ、Ｍｎからなる群より選ばれた一種又は二
種以上を含有することができる。

【０００９】また、上記形状記憶合金を製造する本発明
の方法は、上記組成の鉄合金を８００℃以上の温度で保
持した後急冷することを特徴とする。

【００１０】さらに、上記形状記憶合金を製造する本発
明の方法は、上記組成の鉄合金を８００℃以上の温度で
保持した後急冷し、さらに２００〜６００℃で時効処理
することを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】[1] 形状記憶合金の組成 本発明の形状記憶合金は、Ｎｉ１５〜３５重量％と、Ｓ
ｉ１．５〜１０重量％とを含み、残部Ｆｅと不可避的不
純物からなる。この合金は８００℃以上の温度で焼入れ
を行うと、板状マルテンサイト組織が生成され、安定か
つ良好な形状記憶特性が得られる。

【００１２】Ｎｉ元素を含有することにより、マルテン
サイト変態温度を下げて、母相（ｆｃｃ相）を安定化さ
せることができる。Ｎｉ元素の添加量が１５重量％未満
では板状マルテンサイト組織が生成されず、３５重量％
を超えると、マルテンサイト変態温度が低下し、変態が
現れなくなるため、形状記憶特性が得られない。好まし
いＮｉ元素の含有量は２０〜３２重量％である。

【００１３】Ｓｉ元素は母相の積層欠陥エネルギーを低
下させ、板状マルテンサイト組織を生成しやすくする。
またＮｉ₃ Ｓｉ相の析出により母相を強化する作用があ
る。Ｓｉ元素の含有量はＮｉ元素の組成によって変化す
るが、好ましいＳｉ元素の含有量は４〜９重量％であ
る。

【００１４】本発明の形状記憶合金において、さらにＣ
ｏ元素を３０重量％以下含有することが好ましい。Ｃｏ
元素を含有することにより、母相の剛性率を低下させる
とともに、変態歪みを減少させ、形状記憶特性を向上さ
せることができる。しかし、Ｃｏ元素の含有量が３０重
量％を超えると、冷間加工性が低下するので好ましくな
い。特に好ましいＣｏ元素の含有量は０．０１〜１５重
量％である。

【００１５】上記成分以外に、本発明の形状記憶合金は
さらにＢｅ、Ｃｕ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ａｌ、
Ｚｒ、Ｃ、Ｂ、Ｃｒ及びＭｎからなる群より選ばれた一
種又は二種以上を含有することができる。これらの元素
の含有量は総計で０. ００１〜１５重量％であるのが好
ましく、０．００１〜１２重量％がより好ましく、０．
００１〜１０重量％が特に好ましい。これらの元素は、
結晶粒を微細化して形状記憶合金の強度を上げる効果を
発揮する。しかし、これら元素の含有量が１５重量％を
超えると脆化するため好ましくない。

【００１６】Ｂｅ、Ｃｕは固溶強化により母相の強度を
上げ、形状記憶特性を向上させる効果を有する元素であ
る。Ｂｅ、Ｃｕの好ましい含有量は１重量％以下であ
る。

【００１７】Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂは
母相の積相欠陥エネルギーを低下させ、板状マルテンサ
イト組織を生成しやすくする。またＮｉとの金属間化合
物相の析出により母相を強化する作用がある。Ｔｉ、Ｚ
ｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂの好ましい含有量は１０重量％
以下である。Ａｌの好ましい含有量は５重量％以下であ
る。

【００１８】Ｂは通常Ｔｉと複合添加し、結晶組織を微
細化する効果がある。Ｂの好ましい含有量は１重量％以
下である。

【００１９】Ｃはマルテンサイトの結晶構造を変化さ
せ、変態歪みを減少させ、形状記憶特性を向上させると
ともに、Ｍｓ点を低下させる効果を有し、高価なＮｉと
置換させる代替元素として有効である。Ｃの好ましい含
有量は１重量％である。Ｃは通常Ｔｉと複合添加し、Ｔ
ｉＣの形で結晶組織内に存在し、結晶粒を微細にする効
果を有する。

【００２０】Ｃｒは耐摩耗性及び耐食性を維持するのに
有効な元素である。Ｃｒの好ましい含有量は１０重量％
以下である。

【００２１】ＭｎはＭｓ点を低下させる効果を有し、高
価なＮｉと置換させる代替元素として有効である。Ｍｎ
の好ましい含有量は５重量％以下である。

【００２２】[2] 形状記憶合金の製造方法 (a) 鉄合金の成形 上記組成の鉄合金を溶解鋳造し、熱間圧延、冷間圧延、
プレス等の加工で所望形状に成形する。本発明の組成を
有する鉄合金は熱間加工及び冷間加工性に富み、極細
線、箔等各種形状に容易に成形することができる。

【００２３】(b) 溶体化処理 次に、８００℃以上、好ましくは９００〜１２００℃の
温度で加熱し、オーステナイト化を行う。加熱処理後、
５０℃／秒以上の速度で急冷し、マルテンサイトの組織
を得る。冷却速度が５０℃／秒未満であると、α相又は
σ相の析出が生じてしまい、形状記憶性が得られない。
好ましい冷却速度は２００℃／秒以上である。

【００２４】本発明の形状記憶合金において、溶体化処
理のみでも形状記憶特性が得られる。しかし、下記の時
効処理を行うことにより、Ｎｉ₃ Ｓｉ等の析出相が現
れ、母相が強化されるとともに、形状記憶特性が向上す
るので好ましい。

【００２５】(c) 時効処理 時効処理の温度は２００〜６００℃である。加熱温度は
２００℃未満であると、Ｎｉ₃ Ｓｉ等の析出が不十分で
あり、時効処理の効果が得られない。逆に加熱温度が６
００℃以上であると、安定相であるα相又はσ相が析出
するので好ましくない。

【００２６】時効処理時間は形状記憶合金の組成及び時
効処理温度により異なるが、１分間以上が好ましく、３
０分間〜１００時間が特に好ましい。時効処理時間が１
分間未満では時効の効果が得られないが、時効処理時間
があまり長くてもα相が出現しやすくなり、形状記憶特
性が消失する。

【００２７】[3] 形状記憶合金の特性 本発明の形状記憶合金は、板状マルテンサイト組織を有
し、優れた形状記憶特性と超弾性を有する。本発明の形
状記憶合金の形状回復率は２０％以上であり、特に時効
処理した場合、形状回復率は６０％以上である。また、
降伏応力（０．２％耐力）は２００ＭＰａ以上である。

【００２８】

【実施例】実施例１ 表１に示す試料No. １〜１０の組成を有する鉄合金を溶
解し、平均１４０℃／分の冷却速度で凝固して鋳塊を得
た後、熱間圧延及び冷間圧延により直径０．２ｍｍ、長
さ２００ｍｍの板材を得た。得られた板材を１１００℃
で１０分熱処理した後、氷水中へ焼き入れして溶体処理
を行い、そして４００℃の温度で表１に示す時間の時効
処理を行い、形状記憶合金の板材を得た。

【００２９】 表１ 形状記憶合金の組成（重量％）及び時効処理時間 試料No. Fe Ni Si その他 時効処理時間 1 残部 28 7.5 0 2 残部 25 7.5 3 時間 3 残部 27 7 30 分間 4 残部 28 6.5 Co:10 0 5 残部 28 6.5 Co:10 6 時間 6 残部 27 6.5 Co:10 70 時間 7 残部 27.5 6.2 Co:15 60 時間 8 残部 28 6.5 Co:10, Cr:0.5 69 時間 9 残部 28 6.4 B:0.01 15 時間 10 残部 27 6.8 Cr:10 6 時間

【００３０】得られた板材に対してそれぞれ以下の試験
を行い、機能特性の測定を行った。

【００３１】(1) 硬さ マイクロビッカーズ硬度計を用いて硬さをそれぞれ測定
した。測定結果を表２に示す。

【００３２】(2) 形状回復率 得られた板材を液体窒素中において直径１０ｍｍの丸棒
に巻きつけ、液体窒素から取り出した後、曲がった曲率
半径Ｒ₀ を測定した。次に曲がった板材を６００℃に加
熱し、形状回復を起こさせた後、板材の曲率半径Ｒ₁ を
測定し、次式: 形状回復率（％）＝１００×（Ｒ₁ −Ｒ₀ ）／Ｒ₁ により形状回復率を計算した。形状回復率を表２に示
す。

【００３３】(3) 引張試験 JIS Z 2241に従って線材の引張試験を行い、引張強さ、
破断伸び及び降伏応力（０．２％耐力）を求めた。測定
結果を表３に示す。

【００３４】表２ 形状記憶合金の機能特性試料No. 硬さ（Hv） 形状回復率(%) 1 173 5 2 187 28 3 211 29 4 193 31 5 225 48 6 271 72 7 288 95 8 297 93 9 214 50 10 202 42

【００３５】 表３ 形状記憶合金の引張試験の結果試料No. 引張強さ(MPa) 破断伸び（％） 0.2 ％耐力(MPa) 1 418 64 159 2 456 62 215 3 528 61 296 4 469 66 269 5 560 57 356 6 612 53 403 7 601 48 398 8 625 43 432 9 545 60 371 10 532 63 302

【００３６】表２及び表３からわかるように、試料No.
１〜１０のいずれも形状記憶特性を示した。そのうち、
Ｃｏ元素を含有する試料No. ４〜８はＣｏを含有しない
他の試料よりも高い形状回復率を示した。

【００３７】試料No.1で得られた板材のミクロ組織を光
学顕微鏡で観察した。図１は試料No.1のミクロ組織の光
学顕微鏡写真である。図１から板状マルテンサイト組織
が生成されていることがわかる。

【００３８】実施例２ 表１に示す試料No. ４及び６の組成を有する鉄合金を実
施例１と同じ方法で板材に成形し、実施例１と同じ条件
で焼入れした後、４００℃の温度でそれぞれ０、５分
間、１０分間、３０分間、７２時間の時効処理を行っ
た。得られた鉄合金の形状回復率を実施例１と同じ方法
で測定し、図２にプロットした。

【００３９】図２からわかるように、溶体化処理したま
までも両試料の形状回復率は２０％又はそれ以上であ
り、形状記憶特性を示している。時効処理時間が長くな
るにつれて、形状回復率が著しく向上した。

【００４０】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の形状記憶合
金はＦｅ−Ｎｉ−Ｓｉ基合金からなるため、材料のコス
トが低い上、加工性、耐食性に優れ、多様な形状に安価
に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の試料No. １で得られた形状記憶合金
線材の結晶組織を示す光学顕微鏡写真である。

【図２】実施例２における時効処理時間と形状回復率と
の関係を示すグラフである。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １５〜３５重量％のＮｉと、１．５〜１
   ０重量％のＳｉと、残部Ｆｅ及び不可避不純物とからな
   ることを特徴とする形状記憶合金。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の形状記憶合金におい
   て、さらに３０重量％以下のＣｏを含有することを特徴
   とする形状記憶合金。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の形状記憶合金に
   おいて、さらにＢｅ、Ｃｕ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔ
   ｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｃ、Ｂ、Ｃｒ、Ｍｎからなる群より選
   ばれた１種以上を合計で０. ００１〜１５重量％含有す
   ることを特徴とする形状記憶合金。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の形状記
   憶合金において、前記組成の鉄合金を８００℃以上の温
   度で溶体化処理してなることを特徴とする形状記憶合
   金。
5. 【請求項５】 請求項１〜３のいずれかに記載の形状記
   憶合金において、前記組成の鉄合金を８００℃以上の温
   度で溶体化処理し、さらに２００〜６００℃で時効処理
   してなることを特徴とする形状記憶合金。
6. 【請求項６】 １５〜３５重量％のＮｉと、１．５〜１
   ０重量％のＳｉと、残部Ｆｅ及び不可避不純物とからな
   る鉄合金を８００℃以上の温度で溶体化処理することを
   特徴とする形状記憶合金の製造方法。
7. 【請求項７】 １５〜３５重量％のＮｉと、１．５〜１
   ０重量％のＳｉと、残部Ｆｅ及び不可避不純物とからな
   る鉄合金を８００℃以上の温度で溶体化処理し、さらに
   ２００〜６００℃で時効処理することを特徴とする形状
   記憶合金の製造方法。
8. 【請求項８】 請求項６又は７に記載の形状記憶合金の
   製造方法において、前記鉄合金はさらに３０重量％以下
   のＣｏを含有することを特徴とする形状記憶合金の製造
   方法。
9. 【請求項９】 請求項６〜８のいずれかに記載の形状記
   憶合金の製造方法において、前記鉄合金はさらにＢｅ、
   Ｃｕ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｃ、
   Ｂ、Ｃｒ、Ｍｎからなる群より選ばれた１種以上を合計
   で０. ００１〜１５重量％含有することを特徴とする形
   状記憶合金の製造方法。