JP2004204245A - Ｔｉ−Ｓｃ系形状記憶合金 - Google Patents

Abstract

【課題】生体用として忌避されることの多いＮｉを合金の構成元素から除いた新規なＴｉ基形状記憶合金を提供すること。
【解決手段】Ｔｉ−Ｓｃ系形状記憶合金は、Ｔｉ−Ｓｃ−Ｘ合金であって、前記合金は、１ａｔ％≦Ｓｃ≦３０ａｔ％、１ａｔ％≦Ｘ≦１５ａｔ％（但し、Ｘ＝Ｖ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａの内の一種若しくは数種の組み合わせ）、Ｔｉ残部及び不可避不純物からなる組成を備えている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規形状記憶合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＴｉＮｉ合金をはじめとする形状記憶合金はマルテンサイト変態の逆変態に付随して顕著な形状記憶効果及び超弾性を示すことはよく知られている。なかでもＴｉＮｉ合金は生活環境温度近傍で優れた機能を持つことから、電子レンジダンパー、エアコン風向制御、炊飯器蒸気調圧弁、建築用の換気口、携帯電話アンテナ、眼鏡フレームなど幅広い分野で使用されている。
【０００３】
また、医療への応用は他の金属に例を見ない、優れたバネ特性（超弾性）から歯列矯正線、ガイドワイヤ、カテ−テルに使用され、更には血管拡張器具（ステント）への実用化が進んでいる。
【０００４】
しかし、生体と直接接触する生体材料において、Ｎｉは忌避されており、ＴｉＮｉ合金に替わるＮｉフリー合金の出現が待望されている。これらの要請を受け、近年、Ｔｉ基合金によるＮｉフリー化の研究が盛んに行われるようになって来ている（例えば、特許文献１の「生体用形状記憶合金」、特許文献２の「高弾性変形能を有するチタン合金およびその製造方法」、参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３２９３２５号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２００２−２４９８３６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、生体との直接的な接触、即ち、メガネフレーム、ネックレス或いはインプラントヘのＮｉ含有合金の応用は、Ｎｉイオン溶出に起因するアレルギー性などが懸念されている。
【０００８】
そこで、本発明の技術的課題は、生体用として忌避されることの多いＮｉを合金の構成元素から除いた新規なＴｉ基形状記憶合金を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ＴｉとＳｃを基本とした合金に第三元素（Ｘ：Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ）の一種若しくは数種の組み合わせからなる）を添加することで、Ｎｉを含まない良好な形状記憶合金が得られる。
【００１０】
即ち、本発明において、前記Ｔｉ−Ｓｃ−Ｘ合金の組成は、１ａｔ％≦Ｓｃ≦３０ａｔ％、１ａｔ％≦Ｘ≦１５ａｔ％（但し、Ｘ＝Ｖ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａの内の一種若しくは数種の組み合わせ）、Ｔｉ残部及び不可避不純物からなる構成である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
まず、本発明について更に詳しく説明する。
【００１２】
本発明のＴｉ−Ｓｃ−Ｘ系形状記憶合金は、１ａｔ％≦Ｓｃ≦３０ａｔ％、１ａｔ％≦Ｘ≦１５ａｔ％（但し、Ｘ＝Ｖ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａの内の一種若しくは数種の組み合わせ）、Ｔｉ残部及び不可避不純物からなる組成を備えている。
【００１３】
次に、本発明の形状記憶合金の製造の具体例について、各工程に沿って説明する。
【００１４】
（Ｉ）合金の作製
アルゴンアーク溶解によって種々の合金を作製した。溶解はアルゴン雰囲気中で水冷銅ハースと非消耗型タングステン電極を用いたアーク溶解炉で行い、ボタンインゴットを作製した。
【００１５】
また、溶解前にＴｉゲッターを３分間溶解し、残存する不純物酸素などを取り除いた。次に、合金成分の偏析を少なくするため、インゴットの天地を逆転させ溶解、凝固を６回繰り返し行った。作製したインゴットは真空雰囲気中で１０００℃×２４時間の均質化処理を行い、炉冷した。
【００１６】
（ＩＩ）塑性加工
前述の均質化がなされたインゴットから厚さ２〜３ｍｍの板材を切り出し後、０．４ｍｍまでの圧延加工を行い、試料片を得た。
【００１７】
（ＩＩＩ）形状記憶熱処理
最終熱処理として、上記の試料片を真空封入した石英管中に入れ１０００℃で１時間、熱処理を行い、氷塩水中に焼入れた。
【００１８】
（ＩＶ）形状記憶特性の評価
（ｉ）操作：
上記試験片を用いて次のように、簡易曲げ試験を行なった。まず、ドライアイスアルコール漕中（約−７０℃）で、厚さ０，４ｍｍの板材を半径８ｍｍの円柱に巻きつけた。このとき加えた曲げ歪みは、約２．５％である。試験片を漕中から取り出し、ライターで加熱し、形状回復の有無を調べた。
【００１９】
（ｉｉ）結果
（イ）Ｓｃの効果：
Ｔｉ合金のβ安定化元素としてＳｃを初めとしてＶ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａなどがよく知られている。本発明では、これらの元素の中でＳｃが形状記憶効果に不可欠であり、且つ他のβ安定化元素の共存も必須であることがわかった。即ち、Ｔｉ‐Ｓｃ合金ではＳｃ量に関係なく顕著な形状記憶効果は示さない。またＴｉ―Ｘ合金では、Ｘの量および組み合わせによっても顕著な形状記憶効果は示さない。Ｓｃは、Ｔｉに全率固溶し、その量とともにヤング率を低下させる効果があるが、合金強度、経済性を考えると３０ａｔ％が限度で、好ましくは２〜１０ａｔ％である。
【００２０】
（ロ）Ｘ元素効果（Ｘ＝Ｖ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ）：
Ｔｉ−Ｓｃ−Ｘ合金の形状記憶効果は、Ｘ元素の一種を含有する場合に限らず複数によっても得られる。しかし、その含有量が過度になると徐々に特性が劣化し１５ａｔ％が限度と見られる。また、Ｘは、１ａｔ％未満ではその顕著な添加効果は認められない。
【００２１】
Ｖ，Ｎｂ，ＴａのＶａ属元素では、Ｎｂ１〜１５ａｔ％、Ｔａ１〜１５ａｔ％、Ｖ１〜１０ａｔ％の一種もしくは数種であると良い。Ｚｒ，ＨｆはＴｉと同属の元素であり、全率固溶し弾性変形能を妨げないが、経済性、強度からそれぞれ１〜１５ａｔ％が適量である。
【００２２】
Ｃｒ，ＭｏはＴｉ合金の強度、加工性を向上させる元素であるが、１０ａｔ％を越えると特にＭｏにおいて、過度の固溶強化がおこり、延性に欠けるようになるため、好ましくは、それぞれ１〜１０ａｔ％である。
【００２３】
ＴｉＮｉ形状記憶合金は、不可避元素の他、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｂ、Ｗ、Ｃｕ、Ａｇなど数％添加しても形状回復温度に影響を及ぼすものの、本質釣な形状記憶効果は喪失しないことが知られている、本発明合金においても同様に、１，２ａｔ％の添加元素によってもその効果は失われない。
【００２４】
（ハ）Ｔｉ−Ｓｃ−Ｍｏ合金：
本発明合金中のＴｉ−Ｓｃ−Ｍｏ合金の例でその形状記憶効果の詳細を示した。下記表１に示す合金を前述した（Ｉ）〜（ＩＶ）の手順によって形状記憶特性を調べた。また、下記表２にドライアイスアルコール漕中変形後のライター加熱による形状回復の是非を示した。尚、表２において、○印は５０％以上回復、△印については５０％未満回復、×印は顕著な回復が見られないことをそれぞれ示している。
【００２５】
更に詳細な形状記憶効果について調べる為に、Ｎｏ．５，６，７，８合金の室温変形後の加熱温度を変えてその挙動を調べた。
【００２６】
図１はＳｃの添加量と形状回復温度との関係を示している。また、図２はＴｉ−Ｓｃ−Ｍｏ合金の形状回復挙動を示す図であり、（ａ）はＴｉ６Ｍｏ４Ｓｃ（Ｔｉ−６ａｔ％Ｍｏ−４ａｔ％Ｓｃ）合金、（ｂ）はＴｉ６Ｍｏ７Ｓｃ（Ｔｉ−６ａｔ％Ｍｏ−７ａｔ％Ｓｃ）合金の変形前、室温変形後、加熱後の状態を夫々示している。
【００２７】
図１及び図２に示すように、形状回復時の回復温度はＳｃの添加量の増加に伴い低下した。Ｔｉ６Ｍｏ４Ｓｃでは、およそ３００℃で形状回復するが、Ｓｃの増加により、Ｔｉ６Ｍｏ７Ｓｃでは１００℃（沸騰水）で回復することが明らかとなった。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【表２】

【００３０】
【発明の効果】
以上に述べた通り、本発明の合金は、高温作動型形状記憶合金として防災用アクチュエータとして、或いは生体に有害な元素を含まない為に、新しい生体用部品として利用することが可能であるＴｉ−Ｓｃ系形状記憶合金を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｔｉ６Ｍｏに対するＳｃの含有量と形状回復温度の関係を示す図である。
【図２】図２はＴｉ−Ｓｃ−Ｍｏ合金の形状回復挙動を示す図であり、（ａ）はＴｉ６Ｍｏ４Ｓｃ合金、（ｂ）はＴｉ６Ｍｏ７Ｓｃ合金を夫々示している。

Claims (1)

1. Ｔｉ−Ｓｃ−Ｘ合金であって、前記合金は、１ａｔ％≦Ｓｃ≦３０ａｔ％、１ａｔ％≦Ｘ≦１５ａｔ％（但し、Ｘ＝Ｖ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａの内の一種若しくは数種の組み合わせ）、Ｔｉ残部及び不可避不純物からなる組成を備えていることを特徴とするＴｉ−Ｓｃ系形状記憶合金。

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