JP2004346389A - 形状記憶合金製鋳造部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】正確な形状記憶温度を持つ均質な形状記憶合金製鋳造部材を比較的低コストで製造する。
【解決手段】ＴｉとＮｉなどの原料粉末を精密に混合し、燃焼合成反応装置を用いて、燃焼合成法によって原料混合粉末から化合物へ合成する。得られた形状記憶合金から鋳造にて所定形状の形状記憶合金製鋳造部材を製造する。
この製造方法では、燃焼合成方法によって製造した形状記憶合金を溶解して用いるため重力偏析が起こり難く、正確な形状記憶回復温度を持つ均質な形状記憶合金製鋳造部材を製造することが可能となる。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、形状記憶合金製鋳造部材の製造方法と、この方法によって得られる鋳造部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】Ｔｉ−Ｎｉ系形状記憶合金の製造方法としては、たとえば次のような製造工程によって製造する方法が知られている。
溶解→鍛造→圧延→伸線→冷間加工→形状記憶処理→検査→出荷
上記のＴｉ−Ｎｉ合金の溶解は、主に高周波真空誘導溶解炉、アーク溶解炉、プラズマ溶解炉が用いられ、原料としてはスポンジＴｉ、Ｎｉペレットなどを使用し、１３５０〜１５００℃の加熱により行うのが一般的である。その後、鍛造・熱間圧延を経て最終冷間加工で素材（例えば、板材や線材等）にする。通常、この素材を製品形状に拘束或いは加工し、出来上がったものを、形状記憶効果あるいは超弾性を出現させるために形状記憶処理が施される。たとえば中温処理と呼ばれる形状記憶処理は、通常３００〜６００℃の温度範囲で数分間〜１時間程度加熱保持後、冷却するというものである。
【０００３】
また、形状記憶合金製の部材の製造方法としては、特許文献１に開示の方法が知られている。特許文献１に開示の方法では、形状記憶合金の原料（ＴｉとＮｉ）を溶解してインゴットにする。そして、このインゴットを溶融し、その溶湯を鋳型に鋳込む。鋳込み終了後、鋳型ごと熱処理炉に入れて熱処理（すなわち、形状記憶熱処理）を行い、熱処理が終了すると鋳型を除去する。この方法では、安定して超弾性効果を有する鋳造部材を製造するために、鋳型に拘束した状態で形状記憶熱処理を施している。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１０６８８０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】前者のように、難加工材に属する形状記憶合金の素材（板材や線材）をさらに加工して所望の製品形状を得ていたのでは、近年の厳しいコストダウンの要請に応えられない。一方、後者の鋳造による方法では、最終製品に近い形状のものを直接得ることはできるが、Ｔｉ原料とＮｉ原料とを溶解炉を用いて溶解したＴｉＮｉ系合金は比重差によって偏析を起こし易く、正確な形状記憶回復温度を持つ均質な材料を得ることが難しかった。また、この方法では鋳型ごと熱処理を行うため、熱処理用の特殊な鋳型を使用しなければならなかった。
【０００６】
本発明は上述した実情に鑑みてなされたもので、その目的は、形状記憶合金製鋳造部材を比較的低コストで製造するとともに、その品質の向上を図ることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用と効果】上記課題は、前記各請求項に記載された発明により解決される。請求項１に記載の発明は、金属材料粉末から燃焼合成方法によって製造したＴｉＮｉ系合金を所定形状に鋳造することを特徴とする。
ここで、上記「ＴｉＮｉ系合金」は、ＴｉとＮｉを主成分とする合金を意味する。したがって、上記「ＴｉＮｉ系合金」には、ＴｉとＮｉと不可避的不純物からなるＴｉＮｉ合金のみならず、このＴｉＮｉ合金にその他さまざまな元素（例えば、Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｖ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｂ，Ｃｕ，Ｎｂ等）を加えたものが含まれる。
この製造方法では、金属材料粉末から燃焼合成方法によって製造した形状記憶合金を溶解して用いる。この場合、溶解法によって製造した形状記憶合金を用いた場合と比べて明らかに重力偏析が起こり難くなる。このことは本願発明者が研究の過程で得た知見に基づいており原理は未だ解明されていないが、これにより、重力偏析の影響が少なく正確な形状記憶回復温度を持つ均質な形状記憶合金製鋳造部材を製造することが可能となる。また、この方法では、従来と異なり鋳型ごと熱処理を行う必要はないため、熱処理用の特殊な鋳型を必要としない。
【０００８】
また、上記の製造方法によって得られる形状記憶合金製鋳造部材（請求項２）は、安定した品質の好ましいものとなる。なお、最終製品に近い形状のものを鋳造するため、その後の加工も容易に行うことができ、製造コストを低くすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態に係る形状記憶合金製鋳造部材の製造方法について説明する。製造工程は、燃焼合成工程と鋳造工程とに大別される。
［燃焼合成工程］ 図１は燃焼合成反応を説明する模式図である。先ず、目的の組成比になるように金属粉末原料を精密に混合する。配合比は、Ｔｉ４８−５２ａｔ％、残りＮｉ程度とし、所定の変態温度になるように設定する。次いで、燃焼合成反応装置を用いて、燃焼合成法によって原料混合粉末から化合物へ合成する。すなわち、図１に模式的に示すように、燃焼合成反応装置内で原料混合粉末の一端を、放電あるいは電熱線の通電等の点火手段にて強熱する。強熱された点火点は着火温度に到達し、これによって化学反応が始まる。化学反応によって生成熱が生じるため、化学反応が行われる合成層に隣接して生成熱によって加熱されて加熱層が形成される。この生成熱が周りに伝播し連鎖反応を起こすとともに加熱層と合成層が連続的に形成され、最終的に全体が化合物（合金）となるのである。このとき、原料は巨視的には溶解されることなく、不純物の極めて少ない金属間化合物が焼結された状態でできあがる。
なお、燃焼合成法の詳細な手順は、例えば、特許１８１６８７６号に開示されている。
【００１０】
［鋳造工程］ 鋳造方式としては、砂型鋳造、ロストワックス、シェルモールド、遠心鋳造など一般によく知られた方法を用いることができる。これらの中から製品の形状寸法や量産性を加味して選択することになる。上記の燃焼合成法によって得られた合金を溶解して鋳込む。その後、冷却し凝固させた後、離型をして鋳型より取出す。この間、特別な熱処理を要しない。
【００１１】
［記憶処理工程］ 鋳型から取り出した部材を３００〜６００℃の範囲内で数分間〜数時間程度記憶処理をすることによって、その部材に超弾性、もしくは形状記憶特性を付与する。この方法では、あえて拘束型を必要とせず、フリーな状態で形状記憶熱処理させることができる。なお、鋳型から取り出した形状を変形・変更させて形状記憶処理をさらに施す場合には、当然のことながら拘束型を用いて熱処理を施してもよい。
【００１２】
上記のようにして得られた形状記憶合金製鋳造部材の適用例は、従来の形状記憶合金の応用分野として知られているものと同じである。たとえば、歯科医療に用いる義歯固定用のクラスプが挙げられる。また、その他の適用例としては、上述したクラスプ以外にも、骨折治療に用いる生体用インプラントや接合用ステープルに適用することもできる。とくに、製品の形状が複雑で途中機械加工が必要なものには鋳造が極めて有効であるので、製造コストを低くすることができる。なお、センサーやソケットなどの種々の産業用部材とか、めがねフレームなどにも使用できる。
【００１３】
【実施例】次に、実施例を説明する。まず、形状記憶効果が得られるようにＮｉ粉末とＴｉ粉末の組成比（Ｎｉ５０．１ａｔ％，Ｔｉ４９．９ａｔ％）を調整し、燃焼合成法によりＮｉＴｉ系合金を合成した。そして、このＮｉＴｉ系合金を用いて精密鋳造法により複数本の直線材（直径Φ１．９ｍｍ，長さ４０ｍｍ）を製作した（以下、試験片１という）。
また、超弾性効果が得られるようにＮｉ粉末とＴｉ粉末の組成比（Ｎｉ５０．７ａｔ％，Ｔｉ４９．３ａｔ％）を調整し、燃焼合成法によりＮｉＴｉ系合金を合成した。そして、このＮｉＴｉ系合金を用いて精密鋳造法により複数本の直線材（直径Φ１．９ｍｍ，長さ４０ｍｍ）を製作した（以下、試験片２という）。
試験片１および試験片２はともに鋳型から取り外した状態で直線形状となった。また、試験片１については、鋳型より取り外した状態のままで（すなわち、形状記憶熱処理を施さなくても）形状記憶効果が得られた。
【００１４】
次に、上述した試験片１および試験片２に、必要とされる変態点および曲げ強度を得るために熱処理条件を変えて形状記憶熱処理を施した。具体的な熱処理条件は、４６０℃で６０分保持後・水冷の条件で行った。なお、この形状記憶熱処理は、試験片１および試験片２を拘束することなくフリーの状態で行った。形状記憶熱処理後の試験片１および試験片２はともに変形することなく直線形状となった。
【００１５】
形状記憶熱処理後の試験片１および試験片２に対して、室温２０℃の環境のもとで押曲げ法による金属材料曲げ試験（ＪＩＳ Ｚ ２２４８）を行った。具体的には、試験片をΦ１０ｍｍの２つの支え（２つの支えの間隔２６ｍｍ）に載せ、その中央部に半径１０ｍｍの押し棒を当て、押し棒による曲げ角度が９０度になるまで荷重を加えた。
試験片１は押し棒の荷重を除去すると曲がった状態となった。曲がった試験片１に対して加熱すると、試験片１は元の直線形状となった。これによって、試験片１に形状記憶効果が付与されていることが確認された。一方、試験片２は押し棒の荷重を除去すると直線形状に戻った。これによって、試験片２に超弾性効果が付与されていることが確認された。
上記の曲げ試験は、同一試験片に対して繰り返し行われ（本例では１０回）、全て上記と同様の結果が得られた。
【００１６】
なお、複数本の試験片１のそれぞれについて上述した形状記憶効果が確認され、複数本の試験片２のそれぞれについて上述した超弾性効果が確認された。したがって、鋳造法を用いても安定して形状記憶効果と超弾性効果を付与できることが確認された。
【００１７】
以上、本発明のいくつかの実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃焼合成反応を説明する模式図である。

Claims (2)

1. 金属材料粉末から燃焼合成法によって製造したＴｉＮｉ系合金を所定形状に鋳造することを特徴とする形状記憶合金製鋳造部材の製造方法。
2. 請求項１に記載された製造方法によって製造された形状記憶合金製鋳造部材。

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