JP2008150705A - PtTi系高温形状記憶合金 - Google Patents

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Abstract

【課題】高温で形状記憶効果および擬弾性効果を発現し、1000℃〜1200℃の温度域で化学プラント、エンジン等の高温機器への適用を可能とするPtTiおよびPtTiIr高温形状記憶合金の提供。
【解決手段】Pt−42〜63at%Ti合金およびまたは該合金のPtの一部が50at%未満のIrで置換された合金を、変態温度以上で1時間以上均質化熱処理を施し、その後変態温度以下に直接焼き入れし、その温度で1時間以上保持する。
【選択図】図5

Description

この出願の発明は、PtTiあるいはIr添加したPtTi高温形状記憶合金に関するものである。
従来、形状記憶合金としては主にTiNiが知られているが、室温付近の温度で使用されている。化学プラント、エンジン等に使用される高温センサーやアクチュエイター等として使用するためには、高温で動作する形状記憶合金が必要である。そこで、TiNiに高融点金属を添加する等、高温形状記憶合金の開発が行われている(たとえば、特許文献1参照)。
特開平8−60277号公報
だが、形状記憶効果が発現する温度を上昇させることは容易ではなく、そのため高温で応力を負荷後に除荷することにより歪みが回復する超弾性あるいは擬弾性効果を発現させることも困難である。
本発明は、このような実情に鑑み、擬弾性効果を発現させることができるPtTi系高温形状記憶合金を提供することを目的とする。
本発明1のPtTi系高温形状記憶合金は、変態温度以上で1時間以上均質化熱処理を施し、その後変態温度以下に直接焼き入れし、その温度で1時間以上保持したものであることを特徴とする。
発明2は、発明1のPtTi系高温形状記憶合金において、Irが添加され、Ptの一部がIrで置換されてなることを特徴とする。
発明3は、発明2のPtTi系高温形状記憶合金において、Pt−50at%Ti合金にIrが50at%未満添加され、Ptの一部がIrで置換されてなることを特徴とする。
この出願の発明のPtTiおよびIr添加PtTi高温形状記憶合金によれば、形状記憶効果の発現温度の高いPtTiおよびIr添加PtTi高温形状記憶合金が実現する。
また、変態点温度以下で応力を負荷後除荷することにより、歪みが回復する擬弾性効果が発現する。
以下、実施例を示しつつ、この出願の発明のPtTiおよびIr添加PtTi高温形状記憶合金についてさらに詳しく説明する。
この出願の発明のIr添加PtTi高温形状記憶合金におけるPtTi合金は、高温でB2構造、低温でB19構造をとり、形状記憶効果に深い関係を持つマルテンサイト変態を起こす。このマルテンサイト変態に基づいて、PtTi合金では、1000℃付近で形状記憶効果が発現する。そして、PtTi合金にIrを添加することにより形状記憶効果の発現温度が上昇し、1200℃付近で形状記憶効果が発現する。このことから、Irが添加されたPtTi合金は、1000℃〜1200℃の温度域で使用可能な高温形状記憶合金といえる。化学プラント、エンジン等に使用される高温センサーやアクチュエイター等の材料としての適用が有望視される。
この出願の発明のIr添加PtTi高温形状記憶合金では、Ti量は42〜63at%に限定される。これは、上記の範囲内でPtTi合金はB2単相となり、それ以外の範囲では他の相が出現し、マルテンサイト変態に影響を及ぼすからである。
添加されるIrは、PtTi合金のPtを一部置換して固溶する。Irの添加量は、Pt−50at%Ti合金の場合、50at%未満である。50at%のIrの添加は、IrTi合金となり、B2→単斜晶系相の相転移を起こし、マルテンサイト変態を起こさない。上記合金に、変態温度以上で1時間以上均質化熱処理を施し、その後変態温度以下に直接焼き入れし1時間以上保持することにより、擬弾性が発現する。
Pt−50at%Ti合金にIrを12.5, 25, 37.5, 42, 46at%添加してPtを置換した合金を作製し、Pt−50at%Ti合金及びIr−50at%Ti合金と比較した。1250℃で24時間熱処理した後、氷塩水中に入れて急冷した。
熱処理後の供試材の室温における結晶構造をX線回折により調べた。その結果を示したのが、図1のX線回折パターンである。Irの添加量が増えるにしたがい、B19が多少歪んだ構造に変化するが、高温のB2相からB19をベースとした他の相に変態していることが確認される。
供試材について示差熱分析を行った。図2は、その結果を示したチャートである。IrTi合金を除く全ての合金について吸熱反応が確認される。相変態が起こっていることが明らかにされる。変態温度は、Irの添加により上昇しており、Pt−46at%Ir−50at%Ti合金では1250℃に達している。Irの添加により、形状記憶効果がより高温において得られることが確認される。
以上のIr添加PtTi合金の典型的な組織を示したのが図3の透過電子顕微鏡像である。この透過電子顕微鏡像は、Pt−37.5at%Ir−50at%Ti合金のものであるが、透過電子顕微鏡像にはマルテンサイト変態した合金にしばしば観測されるマルテンサイト組織が認められる。
図4は、Pt−12.5at%Ir−50at%Ti合金に圧縮歪みを与え、その後の熱膨張及び収縮を測定したチャートである。縦軸のTMSは温度上昇下降時の伸び・収縮長さを意味している。
圧縮歪みを与えることによりマルテンサイト変態が誘起される。この状態で試料を加熱すると、変態点で逆変態が起こり、高温相に変化する。マルテンサイト変態により導入されている変態歪みは大きく、変態点で歪みが解放されるため、試料は瞬時に大きく伸びる(1300K付近)。高温相になった後冷却すると、再び変態点でマルテンサイト変態を起こすが、収縮のみが認められ、また、はじめの長さには戻らない。このような現象からマルテンサイト変態による形状記憶回復が示唆される。
図5はPt−12.5at%Ir−50at%Ti合金に異なる熱処理を施した後に、900℃で応力負荷−除荷圧縮試験を施した応力歪み曲線である。
(a)処理:変態温度以上で1時間熱処理後、0℃の氷塩水に焼き入れてマルテンサイト相を生成させたものである。
(b)処理:変態温度以上で1時間熱処理後、変態温度以下である900℃に焼き入れ、1時間熱処理し、マルテンサイト相を生成させたものである。
(a)処理ではマルテンサイトヴァリアント再配列がはっきりと現れ、除荷後に変態温度以上にあげることにより、2%の歪み回復を示した。(図5(a)参照)
一方、(b)処理では、16%もの歪みを与えた後に、除荷すると、歪みが100%回復した。これは再配列したマルテンサイトのヴァリアントが除荷により元の状態に戻る「擬弾性効果」である。(図5(b)参照)
図6に(a)Pt−50at%Tiおよび(b)Pt−37.5Ir−50Ti合金に、前記実施例1の(b)処理を施し、圧縮試験を施したときの応力歪み曲線を示す。組成が変わっても擬弾性効果が発現することがわかる。
図7に前記実施例1の(b)処理した合金の900℃における繰り返し試験の結果を示す。繰り返し試験の回数が増えるたびに、歪み量を増大させているが、5回の繰り返し試験で16%もの歪みをかけても歪みが100%回復している様子がわかる。
図8はPt−25Ir−50Tiに前記実施例1の(b)処理を施した合金の1000℃における繰り返し圧縮試験の結果を示す。この組成においても、応力負荷−除荷圧縮試験により、歪みが回復し、また複数回歪み回復を示すことが明らかである。
図9はPt-50Tiに前記実施例1の(b)処理を施した合金の910℃における繰り返し圧縮試験の結果を示す。繰り返し試験の回数が増えるたびに、歪み量を増大させているが、この組成においても、最大16%まで歪みをかけても歪みが100%回復している様子がわかる。
図10はPt-50Tiに前記実施例1の(b)処理を施した合金の910℃における繰り返し圧縮試験の結果を示すが、この図では16%の歪みを与えてから除荷した試料に再び10%の歪みを与え、除荷する試験を繰り返し行った結果を示している。5回繰り返しても塑性変形することなく、擬弾性効果が繰り返し発現していることが明らかである。
図11はPt-50Tiに前記実施例1の(b)処理の900℃を200℃に変え、変態点温度以上で1時間熱処理後、変態温度以下である200℃に焼き入れ、1時間熱処理し、マルテンサイト相を生成させた場合の繰り返し圧縮試験の結果を示す。最大14%まで歪みをかけても歪みが100%回復している様子がわかる。
また最後のカーブは14%歪みを与え除荷した後、再び8%の歪みを与えたものであるが、除荷後に歪みがすべて回復している。同様に8%歪みを与えた左から3番目のカーブと比較すると歪みの回復が完全であるため、繰り返し応力を加えることにより、擬弾性効果がより明瞭に現れる事も明らかである。
もちろん、この出願の発明は、以上の実施例によって限定されるものではない。PtTiおよびIr添加PtTi合金の作製条件等の細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。
以上より明らかなとおり、本発明の形状記憶合金は、200から900℃の広い温度範囲で擬弾性効果を示すものである。
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、高温で形状記憶効果および擬弾性効果を発現する高温機器への適用を可能とするPtTiおよびIr添加PtTi高温形状記憶合金が提供される。
熱処理後の供試材の室温におけるX線回折パターンである。 供試材について示差熱分析を行った結果のチャートである。 Ir添加PtTi合金の典型的な組織を示した透過電子顕微鏡像である。 Pt−12.5at%Ir−50at%Ti合金に圧縮歪みを与え、その後の熱膨張及び収縮を測定したチャートである。 実施例2における熱処理(a)、熱処理(b)による挙動の違いを示すグラフ 実施例3の応力負荷−除荷圧縮試験の結果を示すグラフ 実施例4の応力負荷−除荷圧縮試験の結果を示すグラフ 実施例5の応力負荷−除荷圧縮試験の結果を示すグラフ。 実施例6の応力負荷−除荷圧縮試験の結果を示すグラフ 実施例6の応力負荷−除荷圧縮試験の結果を示すグラフ 実施例7の応力負荷−除荷圧縮試験の結果を示すグラフ。

Claims (3)

  1. Pt−42〜63at%Ti合金からなるPtTi高温形状記憶合金であって、変態温度以上で1時間以上均質化熱処理を施し、その後変態温度以下に直接焼き入れし、その温度で1時間以上保持したものであることを特徴とするPtTi高温形状記憶合金
  2. 請求項1に記載のPtTi高温形状記憶合金において、Irが添加され、Ptの一部がIrで置換されてなることを特徴とするPtTi高温形状記憶合金
  3. 請求項2に記載のPtTi高温形状記憶合金において、Pt−50at%Ti合金にIrが50at%未満添加され、Ptの一部がIrで置換されてなることを特徴とするPtTi高温形状記憶合金。
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