JP2010156041A - Two-way shape-recovery alloy - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a two-way shape-recovery alloy which is inexpensive, has two-way operating properties, has a higher shape-recovery temperature than Ti-Ni alloys, has high accuracy of shape recovery, and has strength which enables the alloy to withstand repetitions of shape recovery. <P>SOLUTION: The two-way shape-recovery alloy comprises C<0.20 mass%, 13.0≤Mn≤30.00 mass%, 0.10≤Si≤6.00%, 0.05≤Cr≤12.00 mass%, 0.01≤Ni≤3.00%, and N<0.100 mass%, with the balance Fe with unavoidable impurities, wherein the contents of Mn, Si, Cr and Ni satisfy the following expression (1): 600≤33Mn+11Si+28Cr+17Ni≤1,050. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、双方向形状回復合金に関し、さらに詳しくは、実質的に塑性変形を利用することなく、相変態に伴う膨張と収縮を利用して、低温時の形状と高温時の形状とを可逆的に変化させることが可能な双方向形状回復合金に関する。   The present invention relates to a bidirectional shape recovery alloy, and more particularly, reversibly transforms a shape at a low temperature and a shape at a high temperature by utilizing expansion and contraction accompanying a phase transformation without substantially using plastic deformation. It relates to a bidirectional shape recovery alloy that can be changed in an automatic manner.

ある種の材料に対して低温で塑性変形を加えた後、これを高温に加熱すると、形状が塑性変形前の状態に戻る。このような現象を形状記憶効果といい、形状記憶効果を示す合金を形状記憶合金という。
形状記憶合金は、
(1)ピストンリングの張力を温度に応じて可変させるためのコイルエキスパンダ(特許文献1参照)、
(2)オイル流量を温度によりコントロールするシステム(特許文献2参照)、
(3)温度に対するセンサ機能を兼ね備えたアクチュエータや各種スイッチ部品、
などへの応用が期待されている。
When plastic deformation is applied to a certain material at a low temperature and then heated to a high temperature, the shape returns to the state before the plastic deformation. Such a phenomenon is called a shape memory effect, and an alloy showing the shape memory effect is called a shape memory alloy.
Shape memory alloys
(1) A coil expander for changing the tension of the piston ring according to the temperature (see Patent Document 1),
(2) System for controlling oil flow rate by temperature (see Patent Document 2),
(3) Actuator with various sensor functions for temperature and various switch parts,
Application to such as is expected.

形状記憶合金としては、従来から種々の材料が知られている。中でもTi−Ni系合金は、最も知られた形状記憶合金の1つであり、高温で形状記憶処理が施された状態で各種の用途に用いられている。TiNi系合金の形状記憶効果は、外力により双晶変形した低温相(マルテンサイト相)が高温相(オーステナイト相)に逆変態する際に、形状記憶処理した形状に戻る特性に由来する。
しかしながら、TiNi系合金は、材料コストが高いために、幅広い用途への展開が困難であるという問題がある。また、変態温度が室温近傍であるために、100℃以上の形状回復温度が要求される用途に適用できないという問題がある。
Conventionally, various materials are known as shape memory alloys. Among these, Ti—Ni alloys are one of the most well-known shape memory alloys, and are used for various applications in a state where the shape memory treatment is performed at a high temperature. The shape memory effect of the TiNi-based alloy is derived from the characteristic that when a low temperature phase (martensite phase) twin-deformed by an external force reversely transforms to a high temperature phase (austenite phase), the shape memory treatment returns to the shape.
However, the TiNi-based alloy has a problem that it is difficult to develop a wide range of uses because of high material costs. Further, since the transformation temperature is near room temperature, there is a problem that it cannot be applied to applications requiring a shape recovery temperature of 100 ° C. or higher.

これに対し、Fe−Mn−Si系合金に代表されるFe基形状記憶合金は、低廉であり、形状回復温度も高いという特徴がある。Fe基合金の形状記憶効果は、応力誘起イプシロンマルテンサイト変態(Ms点以上Md点以下の温度において塑性変形させることにより誘起されるγ(FCC)相→ε(HCP)相への変態)により生じたε相がγ相に逆変態する際に、加工前の形状に戻る特性に由来する。
しかしながら、Fe基形状記憶合金は、
(1)形状記憶効果がTiNi系形状記憶合金より劣る、
(2)Feを含むために耐食性や耐酸化性に劣る、
(3)焼鈍状態のまま塑性変形させると割れが発生しやすい、
などの問題がある。
On the other hand, Fe-based shape memory alloys represented by Fe-Mn-Si alloys are characterized by low cost and high shape recovery temperature. The shape memory effect of Fe-based alloys is the stress-induced epsilon martensitic transformation (transformation from the γ (FCC) phase to the ε (HCP) phase induced by plastic deformation at a temperature between the M s point and the M d point) This is due to the characteristic that when the ε-phase generated by the process reversely transforms into the γ-phase, it returns to the shape before processing.
However, Fe-based shape memory alloys
(1) The shape memory effect is inferior to the TiNi-based shape memory alloy.
(2) Since it contains Fe, it is inferior in corrosion resistance and oxidation resistance.
(3) Cracks are likely to occur when plastically deformed in the annealed state.
There are problems such as.

そこでこの問題を解決するために従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献3には、Mn:28.80%、Si:5.24%、Cr:0.20%、N:0.11%を含み残部がFeからなる含窒素鉄系形状記憶合金が開示されている。
同文献には、窒素を合金化させることによって、Fe−Mn系合金の形状記憶特性だけでなく、減衰特性を含む機械的特性が向上する点が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have heretofore been made.
For example, Patent Document 3 discloses a nitrogen-containing iron-based shape memory alloy containing Mn: 28.80%, Si: 5.24%, Cr: 0.20%, N: 0.11%, and the balance being Fe. It is disclosed.
This document describes that alloying nitrogen improves not only the shape memory characteristics of Fe—Mn alloys, but also mechanical characteristics including damping characteristics.

また、特許文献4には、所定の組成を有するFe−Mn−Si系合金を成形後、1000℃超〜1200℃未満の温度域で15分以上保持するFe−Mn−Si系形状記憶合金の製造方法が開示されている。
同文献には、このような方法により、MnやSiが濃化した微細な金属間化合物が粒界に析出することに起因する応力変形時の割れを抑制できる点が記載されている。
Patent Document 4 discloses an Fe-Mn-Si shape memory alloy that retains at least 15 minutes in a temperature range of more than 1000 ° C to less than 1200 ° C after forming an Fe-Mn-Si alloy having a predetermined composition. A manufacturing method is disclosed.
This document describes that by such a method, cracks during stress deformation caused by precipitation of fine intermetallic compounds enriched in Mn and Si at grain boundaries can be suppressed.

また、特許文献5には、所定の組成を有するFe−Mn−Si系合金をMd'点(加工誘起によってεマルテンサイト及びα'マルテンサイトが生成しない温度)以上700℃以下で加工し、Md'点+200℃以上の温度で焼鈍する鉄基形状記憶合金の製造方法が開示されている。
同文献には、
(1)Md'点以上の温度で加工することにより、加工性を害するεマルテンサイト及びα'マルテンサイトの生成を抑制できるので、加工限界を大幅に改善できる点、及び、
(2)Md'点+200℃以上で焼鈍することにより、加工により生じたγ相中の歪みの回復又はγ相の再結晶が生じ、形状記憶特性が向上する点、
が記載されている。
In Patent Document 5, an Fe—Mn—Si based alloy having a predetermined composition is processed at M d ′ point (temperature at which ε martensite and α ′ martensite are not generated by processing induction) to 700 ° C. A method for producing an iron-based shape memory alloy that is annealed at a temperature of M d 'point + 200 ° C. or higher is disclosed.
In the same document,
(1) By processing at a temperature equal to or higher than the M d ′ point, it is possible to suppress the generation of ε martensite and α ′ martensite that impair the workability, and thus the processing limit can be greatly improved.
(2) M d ′ point + annealing at 200 ° C. or higher causes recovery of strain in the γ phase caused by processing or recrystallization of the γ phase, thereby improving shape memory characteristics,
Is described.

さらに、特許文献6には、所定の組成を有するFe−Mn−Si系合金を熱処理し、表面に厚さ10μm以上のα相を形成させたFe−Mn−Si系形状記憶合金が開示されている。
同文献には、
(1)Fe−Mn−Si系合金を適切な雰囲気中で熱処理すると、表面に母相(γ相)よりもMn濃度が低い体心立方構造のα相が生成する点、及び、
(2)α相は、γ相よりも耐食性が高く、かつγ相との整合性も良好であるので、母相が変形しても剥離や亀裂が生じにくくなり、十分な耐食性が得られる点、
が記載されている。
Further, Patent Document 6 discloses an Fe—Mn—Si shape memory alloy obtained by heat-treating an Fe—Mn—Si alloy having a predetermined composition to form an α phase having a thickness of 10 μm or more on the surface. Yes.
In the same document,
(1) When the Fe—Mn—Si alloy is heat-treated in an appropriate atmosphere, an α phase having a body-centered cubic structure with a Mn concentration lower than that of the parent phase (γ phase) is generated on the surface; and
(2) The α phase has higher corrosion resistance than the γ phase and has good consistency with the γ phase, so that even if the matrix phase is deformed, peeling and cracking are less likely to occur, and sufficient corrosion resistance can be obtained. ,
Is described.

国際公開WO2004/090318号公報International Publication WO2004 / 090318 特開平11−264425号公報JP-A-11-264425 特表2000−501778号公報Special Table 2000-501778 特開平10−36943号公報JP 10-36943 A 特開平2−221321号公報JP-A-2-213321 特開平7−292448号公報JP 7-292448 A

一般に、形状記憶合金を変態温度以下で塑性変形させた後、これを変態温度以上に加熱すると、形状は塑性変形前の状態に戻る。しかしながら、これを再び変態温度以下に冷却しても、通常、低温で塑性変形させた後の形状には戻らない。このような高温相の形状のみを記憶する現象は、特に「一方向形状記憶効果」と呼ばれている。
一方、ある種の形状記憶合金をマルテンサイト状態で強加工したり、あるいはマルテンサイト状態で変形させた後に拘束加熱すると、低温相の形状も一部記憶させることができる。このような高温相の形状と低温相の形状の双方を記憶する現象は、特に「二方向形状記憶効果」と呼ばれている。例えば、部分的に集合組織を形成させたTiNi系合金は、二方向形状記憶効果を示すことが知られている。
Generally, after a shape memory alloy is plastically deformed at a transformation temperature or lower and then heated to a temperature higher than the transformation temperature, the shape returns to the state before plastic deformation. However, even if it is cooled below the transformation temperature again, it usually does not return to its shape after being plastically deformed at a low temperature. Such a phenomenon of storing only the shape of the high temperature phase is particularly referred to as “one-way shape memory effect”.
On the other hand, when a certain shape memory alloy is strongly processed in the martensite state or deformed in the martensite state and then restrained and heated, a part of the shape of the low temperature phase can also be stored. Such a phenomenon of memorizing both the shape of the high temperature phase and the shape of the low temperature phase is particularly called a “two-way shape memory effect”. For example, it is known that a TiNi alloy in which a texture is partially formed exhibits a two-way shape memory effect.

上述したコイルエキスパンダ、オイル流量コントロールシステム、アクチュエータなどの各種の用途において、形状記憶合金には、二方向の動作特性が必要となる場合が多い。そのため、一方向形状記憶効果を持つ形状記憶合金を二方向の動作特性が要求される素子に応用するためには、形状記憶合金と他の部品とを組み合わせて素子に二方向の動作特性を付与する必要がある。二方向の動作特性を付与する方法には、バネやおもりなどと組み合わせて二方向の動作特性を付与する方法(バイアス式)、2個以上の形状記憶部品を使用する方法(差動式)などが知られている。
しかしながら、他の部品と組み合わせて二方向の動作特性を付与する方法は、素子の小型化に限界がある。そのため、その適用分野は限られる。
In various applications such as the coil expander, oil flow control system, and actuator described above, the shape memory alloy often requires two-way operational characteristics. Therefore, in order to apply a shape memory alloy having a one-way shape memory effect to an element that requires two-way operation characteristics, the shape memory alloy and other parts are combined to give the element two-way operation characteristics. There is a need to. Two-way motion characteristics can be imparted in combination with a spring or weight, etc. (two-way motion characteristics) (bias type), two or more shape memory components (differential), etc. It has been known.
However, there is a limit to the miniaturization of the element in the method of imparting operational characteristics in two directions in combination with other components. Therefore, the application field is limited.

一方、従来知られている二方向形状記憶合金は、いずれも高価であり、再現性にも乏しいので、実用化例が少ない。また、従来のFe基形状記憶合金は、逆変態(ε→γ)により塑性加工後の形状から塑性加工前の形状に回復させる特性(すなわち、一方向形状記憶効果)を示すが、2方向形状記憶効果を示すものではない。
さらに、形状記憶合金を各種の用途に応用するためには、高い形状回復精度と、形状回復の繰り返しに耐え得る強度が求められる。
しかしながら、低廉であり、二方向の動作特性を持ち、形状回復温度がTiNi系合金より高く(具体的には、90〜100℃以上)、高い形状回復精度を持ち、しかも形状回復の繰り返しに耐えうる強度を持つ合金が提案された例は、従来にはない。
On the other hand, all of the conventionally known two-way shape memory alloys are expensive and poor in reproducibility, so that there are few practical examples. In addition, the conventional Fe-based shape memory alloy exhibits a characteristic (that is, a one-way shape memory effect) that recovers from a shape after plastic processing to a shape before plastic processing by reverse transformation (ε → γ). It does not indicate a memory effect.
Furthermore, in order to apply shape memory alloys to various applications, high shape recovery accuracy and strength that can withstand repeated shape recovery are required.
However, it is inexpensive, has bi-directional operating characteristics, has a higher shape recovery temperature than TiNi alloys (specifically, 90-100 ° C or higher), has high shape recovery accuracy, and can withstand repeated shape recovery. There has never been an example in which an alloy having a sufficient strength has been proposed.

本発明が解決しようとする課題は、低廉であり、二方向の動作特性を持ち、形状回復温度がTiNi系合金より高く、高い形状回復精度を持ち、しかも形状回復の繰り返しに耐えうる高い強度を持つ双方向形状回復合金を提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is low cost, bi-directional operating characteristics, higher shape recovery temperature than TiNi alloy, high shape recovery accuracy, and high strength that can withstand repeated shape recovery. The object is to provide a bidirectional shape recovery alloy.

上記課題を解決するために本発明に係る双方向形状回復合金は、
C<0.20mass%、
13.00≦Mn≦30.00mass%、
0.10≦Si≦6.00mass%、
0.05≦Cr≦12.00mass%、
0.01≦Ni≦3.00mass%、
N<0.100mass%
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、
次の(1)式を満たすことを要旨とする。
600≦33Mn+11Si+28Cr+17Ni≦1050 ・・・(1)
本発明に係る形状回復合金は、さらに、
(1)Mo、W、V、及びCoから選ばれるいずれか1以上の元素、並びに/又は、
(2)所定量のCu及び/若しくはAl+所定量のNi
をさらに含んでいても良い。
In order to solve the above problems, the bidirectional shape recovery alloy according to the present invention is
C <0.20 mass%,
13.00 ≦ Mn ≦ 30.00 mass%,
0.10 ≦ Si ≦ 6.00 mass%,
0.05 ≦ Cr ≦ 12.00 mass%,
0.01 ≦ Ni ≦ 3.00 mass%,
N <0.100 mass%
And the balance consists of Fe and inevitable impurities,
The gist is to satisfy the following equation (1).
600 ≦ 33 Mn + 111Si + 28Cr + 17Ni ≦ 1050 (1)
The shape recovery alloy according to the present invention further includes:
(1) One or more elements selected from Mo, W, V, and Co, and / or
(2) A predetermined amount of Cu and / or Al + a predetermined amount of Ni
May further be included.

Fe−Mn−Si系合金において、成分元素の含有量を最適化すると、冷却時にはマルテンサイト変態(γ→ε)による体積収縮が起こり、加熱時には逆変態(ε→γ)による体積膨張が起こる。この膨張・収縮に伴う形状変化は可逆的であり、その形状変化量は相対的に大きい。また、形状回復温度はTiNi系合金より高く(具体的には、90〜100℃以上)、形状回復精度も高い。
さらに、所定の組成を有するFe−Mn−Si系合金は、安価であり、形状回復の繰り返しに耐えうる強度も併せ持つ。特に、Mo等の置換型固溶強化元素やCu等の析出強化型元素を添加すると、強度がさらに向上する。
そのため、本発明に係る双方向形状回復合金は、二方向の動作特性が要求される各種機能部品に用いられることができる。
In the Fe—Mn—Si based alloy, when the content of the component elements is optimized, volume shrinkage occurs due to martensite transformation (γ → ε) during cooling, and volume expansion occurs due to reverse transformation (ε → γ) during heating. The shape change accompanying the expansion / contraction is reversible, and the amount of the shape change is relatively large. Further, the shape recovery temperature is higher than that of the TiNi-based alloy (specifically, 90 to 100 ° C. or higher), and the shape recovery accuracy is also high.
Furthermore, an Fe—Mn—Si alloy having a predetermined composition is inexpensive and has a strength that can withstand repeated shape recovery. In particular, when a substitutional solid solution strengthening element such as Mo or a precipitation strengthening element such as Cu is added, the strength is further improved.
Therefore, the bidirectional shape recovery alloy according to the present invention can be used for various functional parts that require two-way operation characteristics.

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 双方向形状回復合金]
本発明に係る双方向形状回復合金は、以下のような元素を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、しかも成分バランスが一定の条件を満たすものからなる。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。
なお、本発明において、「双方向形状回復」とは、実質的に塑性変形を利用することなく、主として相変態に伴う膨張と収縮を利用して、低温時の形状と高温時の形状とを可逆的に変化させることをいう。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Bidirectional shape recovery alloy]
The bidirectional shape recovery alloy according to the present invention contains the following elements, the balance being made of Fe and inevitable impurities, and the balance of components satisfying a certain condition. The kind of additive element, its component range, and the reason for limitation are as follows.
In the present invention, “bidirectional shape recovery” means that the shape at low temperature and the shape at high temperature are mainly utilized by utilizing expansion and contraction accompanying phase transformation without substantially using plastic deformation. Reversible change.

[1.1. 主構成元素]
(1) C<0.20mass%。
Cは、Fe中に侵入型元素として存在し、強力なオーステナイト形成元素である。また、通常の鋼では、焼入れ処理によりα'(BCT)相を形成し、強度向上に繋がる。しかしながら、FCC−BCT変態は、体積膨張を伴う変態である。また、この変態は、材料の冷却速度に強く依存し、冷却速度が変わるとベイナイト組織やフェライト組織となり安定した体積膨張が得られない。さらに、この変態により、双方向形状回復効果は得られない。
従って、双方向形状回復効果を発現させるためには、焼入れによりα'相を生成させないようにする必要がある。そのためには、C含有量は、0.20mass%未満である必要がある。C含有量は、さらに好ましくは、0.10mass%未満である。
[1.1. Main constituent elements]
(1) C <0.20 mass%.
C exists as an interstitial element in Fe and is a strong austenite forming element. Moreover, in normal steel, an α ′ (BCT) phase is formed by quenching, which leads to an improvement in strength. However, the FCC-BCT transformation is a transformation with volume expansion. Further, this transformation strongly depends on the cooling rate of the material, and when the cooling rate is changed, a bainite structure or a ferrite structure is formed and a stable volume expansion cannot be obtained. Furthermore, the bidirectional shape recovery effect cannot be obtained by this transformation.
Therefore, in order to exhibit the bidirectional shape recovery effect, it is necessary to prevent the α ′ phase from being generated by quenching. For that purpose, C content needs to be less than 0.20 mass%. The C content is more preferably less than 0.10 mass%.

(2) 13.00≦Mn≦30.00mass%。
Mnは、γ⇔εの双方向変態を安定的に実現するために必須となる添加元素である。Mnは、高温でオーステナイト形成元素として働く。低温では、含有量が多くなるほど、εマルテンサイトが生成しやすくなる。εマルテンサイトを生成させるためには、Mn含有量は、13.00mass%以上である必要がある。Mn含有量は、さらに好ましくは、15.00mass%以上である。
一方、Mn含有量が過剰になると、冷却時の変態温度が大きく低下し、−50℃でもオーステナイト相が安定相となる可能性がある。従って、Mn含有量は、30.00mass%以下である必要がある。Mn含有量は、さらに好ましくは、25.00mass%未満である。
(2) 13.00 ≦ Mn ≦ 30.00 mass%.
Mn is an additive element that is essential for stably realizing the bidirectional transformation of γ⇔ε. Mn works as an austenite forming element at high temperatures. At low temperatures, the greater the content, the more easily ε martensite is generated. In order to generate ε martensite, the Mn content needs to be 13.00 mass% or more. The Mn content is more preferably 15.00 mass% or more.
On the other hand, if the Mn content is excessive, the transformation temperature during cooling is greatly reduced, and the austenite phase may become a stable phase even at -50 ° C. Therefore, the Mn content needs to be 30.00 mass% or less. The Mn content is more preferably less than 25.00 mass%.

(3) 0.10≦Si≦6.00mass%。
Siは、積層欠陥エネルギーを低減し、γ相からε相への変態を促進する元素である。そのためには、Si含有量は、0.10mass%以上である必要がある。Si含有量は、さらに好ましくは、0.30mass%以上である。
一方、Si含有量が過剰になると、固溶強化が顕著となり、材料の延性低下を招く.従って、Si含有量は、6.00mass%以下である必要がある。Si含有量は、さらに好ましくは、4.00mass%以下である。
(3) 0.10 ≦ Si ≦ 6.00 mass%.
Si is an element that reduces stacking fault energy and promotes transformation from the γ phase to the ε phase. For that purpose, Si content needs to be 0.10 mass% or more. More preferably, Si content is 0.30 mass% or more.
On the other hand, when the Si content is excessive, the solid solution strengthening becomes remarkable and the ductility of the material is lowered. Therefore, the Si content needs to be 6.00 mass% or less. The Si content is more preferably 4.00 mass% or less.

(4) 0.05≦Cr≦12.00mass%。
Crは、γ相からε相への変態温度をコントロールする作用と、材料の耐食性を向上させる作用とを持つ。このような効果を得るためには、Cr含有量は、0.05mass%以上である必要がある。
一方、Crは高温でα安定化元素として作用するので、Cr含有量が過剰になると、熱処理後の組織をα'マルテンサイト組織化させる傾向がある。従って、Cr含有量は、12.00mass%以下である必要がある。
(4) 0.05 ≦ Cr ≦ 12.00 mass%.
Cr has the effect of controlling the transformation temperature from the γ phase to the ε phase and the effect of improving the corrosion resistance of the material. In order to acquire such an effect, Cr content needs to be 0.05 mass% or more.
On the other hand, Cr acts as an α-stabilizing element at a high temperature. Therefore, if the Cr content is excessive, the structure after heat treatment tends to form an α ′ martensite structure. Therefore, the Cr content needs to be 12.00 mass% or less.

(5) 0.01≦Ni≦3.00mass%。
Niは、その添加量を変えることで、熱処理時の組織変化を招くことなく変態温度を調節する作用を持つ。このような効果を得るためには、Ni含有量は、0.01mass%以上である必要がある。
一方、Niは、強力なオーステナイト形成元素であるので、Ni含有量が過剰になると、組織変化が生ずる。従って、Ni含有量は、3.00mass%以下である必要がある。
(5) 0.01 ≦ Ni ≦ 3.00 mass%.
Ni has the effect of adjusting the transformation temperature without causing a structural change during heat treatment by changing the amount of Ni added. In order to acquire such an effect, Ni content needs to be 0.01 mass% or more.
On the other hand, since Ni is a strong austenite forming element, when the Ni content is excessive, a structural change occurs. Therefore, Ni content needs to be 3.00 mass% or less.

(6) N<0.100mass%。
Nは、AlなどとN化合物を形成し、熱間加工性や冷間加工性に悪影響を与える。また、Nは、Fe中に侵入型元素として固溶し、強力なオーステナイト形成元素となる。N含有量が過剰になると、Cと同様に、変態挙動が変化し、焼入れ処理によりα'(BCT)相を形成する。
従って、双方向形状回復効果を発現させるためには、焼入れによりα'相を生成させないようにする必要がある。そのためには、N含有量は、0.100mass%未満である必要がある。N含有量は、さらに好ましくは、0.050mass%未満である。
(6) N <0.100 mass%.
N forms an N compound with Al or the like, and adversely affects hot workability and cold workability. Further, N dissolves in the form of interstitial elements in Fe and becomes a strong austenite forming element. When the N content becomes excessive, the transformation behavior changes like C, and an α ′ (BCT) phase is formed by quenching.
Therefore, in order to exhibit the bidirectional shape recovery effect, it is necessary to prevent the α ′ phase from being generated by quenching. For that purpose, N content needs to be less than 0.100 mass%. The N content is more preferably less than 0.050 mass%.

[1.2. 不可避的不純物]
不可避的不純物としては、具体的には、以下のようなものがある。
(1) P<0.050mass%。
Pは、不可避的に原材料より混入する。Pは、結晶粒界に偏析して材料の熱間加工性を低下させる元素である。そのため、P含有量は、0.050mass%未満とするのが好ましい。P含有量は、さらに好ましくは、0.010mass%未満である。
[1.2. Inevitable impurities]
Specific examples of inevitable impurities include the following.
(1) P <0.050 mass%.
P is inevitably mixed from the raw material. P is an element that segregates at the grain boundaries and reduces the hot workability of the material. Therefore, the P content is preferably less than 0.050 mass%. The P content is more preferably less than 0.010 mass%.

(2) S<0.100mass%。
Sは、不可避的に原材料より混入する。Sは、結晶粒界に偏析し、熱間加工性を阻害する。本発明においては、Mn含有量が多いので、Sが混入してもMnSを形成し、熱間加工性に与える影響は少ないが、Sは少ないほど良い。そのため、S含有量は、0.100mass%未満とするのが好ましい。S含有量は、さらに好ましくは、0.050mass%未満である。
(2) S <0.100 mass%.
S is inevitably mixed from the raw material. S segregates at the grain boundaries and inhibits hot workability. In the present invention, since the Mn content is large, even if S is mixed, MnS is formed and the influence on hot workability is small, but the smaller the S, the better. Therefore, the S content is preferably less than 0.100 mass%. The S content is more preferably less than 0.050 mass%.

(3) O<0.050mass%。
Oは、不可避的に鋼中に混入する。Oは、AlやSiと酸化物を形成し、熱間加工性や冷間加工性に悪影響を与える。そのため、O含有量は、0.050mass%未満とするのが好ましい。O含有量は、さらに好ましくは、0.020mass%未満である。
(3) O <0.050 mass%.
O is inevitably mixed in the steel. O forms an oxide with Al and Si and adversely affects hot workability and cold workability. Therefore, the O content is preferably less than 0.050 mass%. The O content is more preferably less than 0.020 mass%.

(4) Mo<0.10mass%。
(5) W<0.10mass%。
(6) V<0.05mass%。
(7) Co<0.10mass%。
Mo、W、V、及びCoは、いずれも不可避的に鋼中に混入するおそれがある。これらの元素は、変態温度や組織形態に大きく影響を与える元素ではないが、上記の値未満とするのが好ましい。
なお、これらの元素は、いずれも置換型固溶強化元素として機能する。このような場合には、上記の値以上を添加しても良い。この点については、後述する。
(4) Mo <0.10 mass%.
(5) W <0.10 mass%.
(6) V <0.05 mass%.
(7) Co <0.10 mass%.
All of Mo, W, V, and Co may inevitably be mixed into the steel. These elements are not elements that greatly affect the transformation temperature and the structure morphology, but are preferably less than the above values.
All of these elements function as substitutional solid solution strengthening elements. In such a case, more than the above value may be added. This point will be described later.

(8) Cu<0.10mass%。
Cuは、不可避的に原料より混入する元素である。Cu含有量が過剰になると、赤熱脆性を示し、その加工性を著しく劣化させる。加工性を維持するためには、Cu含有量は、0.10mass%未満とするのが好ましい。Cu含有量は、さらに好ましくは、0.05mass%未満である。
なお、所定量のNiを添加することを条件としてCuを積極的に添加し、Cuの2次析出による析出強化を行うこともできる。このような場合には、Cu含有量は、最大で1.00mass%まで許容される。この点については、後述する。
(8) Cu <0.10 mass%.
Cu is an element inevitably mixed from the raw material. When the Cu content is excessive, red hot brittleness is exhibited and the workability is remarkably deteriorated. In order to maintain workability, the Cu content is preferably less than 0.10 mass%. The Cu content is more preferably less than 0.05 mass%.
It is also possible to positively add Cu on the condition that a predetermined amount of Ni is added, and to perform precipitation strengthening by secondary Cu precipitation. In such a case, the Cu content is allowed up to 1.00 mass%. This point will be described later.

(9) Al<0.10mass%。
Alは、Siと同様、脱酸材として使用されるため、不可避的に混入する。Alは、Oと酸化物を形成し、熱間加工性や冷間加工性に悪影響を与える。そのため、Al含有量は、0.10mass%未満とするのが好ましい。
なお、所定量のNiを添加することを条件としてAlを積極的に添加し、AlNi金属間化合物の2次析出による強度向上を図ることもできる。このような場合には、Al含有量は、最大で1.00mass%まで許容される。この点については、後述する。
(9) Al <0.10 mass%.
Since Al is used as a deoxidizing material like Si, it is inevitably mixed in. Al forms an oxide with O and adversely affects hot workability and cold workability. Therefore, the Al content is preferably less than 0.10 mass%.
In addition, it is also possible to positively add Al on condition that a predetermined amount of Ni is added, and to improve the strength by secondary precipitation of the AlNi intermetallic compound. In such a case, the Al content is allowed up to 1.00 mass%. This point will be described later.

[1.3. 成分バランス]
本発明に係る双方向形状回復合金は、成分元素が上述した範囲にあることに加えて、次の(1)式を満たしている必要がある。
600≦33Mn+11Si+28Cr+17Ni≦1050 ・・・(1)
[1.3. Ingredient balance]
The bidirectional shape recovery alloy according to the present invention needs to satisfy the following formula (1) in addition to the component elements being in the above-described range.
600 ≦ 33 Mn + 111Si + 28Cr + 17Ni ≦ 1050 (1)

(1)式から求められる値は、合金の変態温度と相関があり、経験的に求められたものである。Mn、Si、Cr、及びNiの成分バランスを最適化すると、高温(300℃以上)でγ相、低温(−50℃以下)でε相を安定して確保することができる。
上述したように、Mnは、主にオーステナイト形成元素であると同時に、冷却後にε相を形成させる元素である。Siは、低温でγ相からε相の形成を促進するが、高温でα安定化元素として作用する。Crは、高温でα安定化元素として作用するが、γ相からε相への変態温度をコントロールする元素である。Niは、γ相からε相への変態温度をコントロールする元素である。
The value obtained from the formula (1) has a correlation with the transformation temperature of the alloy and is obtained empirically. By optimizing the component balance of Mn, Si, Cr, and Ni, it is possible to stably secure the γ phase at a high temperature (300 ° C. or higher) and the ε phase at a low temperature (−50 ° C. or lower).
As described above, Mn is mainly an austenite forming element and an element that forms an ε phase after cooling. Si promotes the formation of the ε phase from the γ phase at low temperatures, but acts as an α stabilizing element at high temperatures. Cr acts as an α-stabilizing element at high temperatures, but is an element that controls the transformation temperature from the γ phase to the ε phase. Ni is an element that controls the transformation temperature from the γ phase to the ε phase.

(1)式の値が小さくなるほど、加熱変態終了温度(Af点)が高くなる。Af点が高すぎると、逆変態(ε→γ)時にクリープ変形が生じ、形状回復精度が低下するおそれがある。高い形状回復精度を得るためには、Af点は400℃以下である必要がある。そのためには、(1)式の値は、600以上である必要がある。(1)式の値は、さらに好ましくは、700以上である。
一方、(1)式の値が高くなるほど、加熱変態開始温度(As点)が低くなる。(1)式の値が高くなりすぎると、As点が室温以下となり、TiNi系合金の形状回復温度より高い温度において形状回復させるのが困難となる。As点をTiNi系合金の形状回復温度より高くし、90〜100℃以上の温度において形状回復させるためには、(1)式の値は、1050以下である必要がある。(1)式の値は、さらに好ましくは、900以下である。
The smaller the value of equation (1), the higher the heat transformation end temperature ( Af point). If the Af point is too high, creep deformation may occur during reverse transformation (ε → γ), and the shape recovery accuracy may decrease. In order to obtain high shape recovery accuracy, the Af point needs to be 400 ° C. or lower. For that purpose, the value of the formula (1) needs to be 600 or more. The value of the formula (1) is more preferably 700 or more.
On the other hand, the higher the value of equation (1), the lower the heat transformation start temperature (A s point). When (1) the value is too high, A s point becomes room temperature or less, the difficult to shape recovery at a temperature higher than the shape recovery temperature of TiNi based alloy. The A s point higher than the shape recovery temperature of TiNi based alloy, in order to shape recovery at 90 to 100 ° C. or higher temperatures, (1) the value of the expression should be 1050 or less. The value of the formula (1) is more preferably 900 or less.

[1.4. 変態温度]
マルテンサイト変態(γ→ε)は、冷却変態開始温度(Ms点)で開始し、冷却変態終了温度(Mf点)で終了する。一方、逆変態(ε→γ)は、加熱変態開始温度(As点)で開始し、加熱変態終了温度(Af点)で終了する。
上述したように、(1)式の値を最適化すると、As点を90℃以上、あるいは100℃以上にすることができる。
[1.4. Transformation temperature]
The martensitic transformation (γ → ε) starts at the cooling transformation start temperature (M s point) and ends at the cooling transformation end temperature (M f point). On the other hand, reverse transformation (ε → γ) starts at the heating transformation start temperature (A s point) and ends at the heating transformation end temperature (A f point).
As described above, (1) to optimize the value of the expression, the A s point can be 90 ° C. or higher, or 100 ° C. or higher.

また、双方向形状回復効果を二方向の動作特性が要求される素子に応用する場合、可逆的な形状変化が狭い温度域で生じることが望ましい。すなわち、加熱変態終了温度(Af)と冷却変態開始温度(Ms)の差(Af−Ms)は、小さいほど良い。一般に、低合金鋼におけるAf−Msは、200〜300℃以上であるが、本発明に係る双方向形状回復合金においては、上述したMn、Siなどの変態温度に影響を与える成分元素を最適化することにより、Af−Msを200〜300℃以下にすることができる。加熱・冷却時のヒステリシスを小さくするためには、Af−Msは、150℃以下が好ましい。Af−Asは、さらに好ましくは、100℃以下である。
なお、変態温度は、膨張収縮曲線の傾きが変化する前後で接線を引き、その交点から求めることができる。
In addition, when the bidirectional shape recovery effect is applied to an element that requires two-way operation characteristics, it is desirable that the reversible shape change occurs in a narrow temperature range. That is, the smaller the difference (A f −M s ) between the heating transformation end temperature (A f ) and the cooling transformation start temperature (M s ), the better. Generally, A f -M s in a low alloy steel is 200 to 300 ° C. or more. However, in the bidirectional shape recovery alloy according to the present invention, component elements that affect the transformation temperature such as Mn and Si described above are included. By optimizing, A f −M s can be made 200 to 300 ° C. or less. In order to reduce the hysteresis during heating / cooling, A f −M s is preferably 150 ° C. or less. A f -A s is more preferably 100 ° C. or lower.
The transformation temperature can be obtained from the intersection point by drawing a tangent line before and after the slope of the expansion / contraction curve changes.

[1.5. 副構成元素]
本発明に係る双方向形状回復合金は、上述した元素に加えて、以下のいずれか1以上の元素をさらに含んでいても良い。
[1.5. Sub-constituent elements]
The bidirectional shape recovery alloy according to the present invention may further include any one or more of the following elements in addition to the elements described above.

[1.5.1. 置換型固溶強化元素]
(1) 0.10≦Mo≦2.00mass%。
(2) 0.10≦W≦2.00mass%。
(3) 0.05≦V≦1.00mass%。
(4) 0.10≦Co≦5.00mass%。
本発明に係る双方向形状回復合金において強度向上が望まれる場合、加熱⇔冷却による変態挙動に影響を与えない限りにおいて、置換型固溶強化元素を添加することができる。置換型固溶強化元素としては、Mo、W、V、及びCoがある。これらは、いずれか1種を添加しても良く、あるいは、2種以上を添加しても良い。
固溶強化を図るためには、Mo、W、V、及びCoの含有量は、それぞれ、上記の下限値以上とするのが好ましい。
一方、これらの元素の含有量が過剰になると、効果が飽和し、あるいは高コスト化するだけでなく、変態挙動に影響を与える場合がある。従って、これらの元素の含有量は、それぞれ、上記の上限値以下とするのが好ましい。
[1.5.1. Substitution-type solid solution strengthening element]
(1) 0.10 ≦ Mo ≦ 2.00 mass%.
(2) 0.10 ≦ W ≦ 2.00 mass%.
(3) 0.05 ≦ V ≦ 1.00 mass%.
(4) 0.10 ≦ Co ≦ 5.00 mass%.
When strength improvement is desired in the bidirectional shape recovery alloy according to the present invention, a substitutional solid solution strengthening element can be added as long as the transformation behavior due to heating and cooling is not affected. Examples of substitutional solid solution strengthening elements include Mo, W, V, and Co. Any one of these may be added, or two or more may be added.
In order to achieve solid solution strengthening, it is preferable that the contents of Mo, W, V, and Co are each not less than the above lower limit value.
On the other hand, if the content of these elements is excessive, the effect is saturated or the cost is increased, and the transformation behavior may be affected. Therefore, the content of these elements is preferably set to the upper limit value or less.

[1.5.2. 析出強化型元素]
(5) 0.10≦(Cu+Al)≦1.00mass%。
(6) Ni≧(Cu+Al)。
Cuを単独で添加すると、Cuが粒界に析出し、熱間加工性が低下する。しかしながら、Cuを添加すると同時に所定量のNiを添加すると、NiがCuの粒界への析出を抑制する。その結果、Cuが粒内において2次析出し、強度が向上する。
このような効果を得るためには、Cu含有量は、0.10mass%以上とするのが好ましい。一方、Cu含有量が過剰になると、熱間加工性が低下する.従って、Cu含有量は、1.00mass%以下とするのが好ましい。
また、熱間加工性を低下させることなく、析出強化を図るためには、Niは、Cuの等量以上の量を添加するのが好ましく、さらに好ましくは、Cuの2倍以上である。
[1.5.2. Precipitation strengthening element]
(5) 0.10 ≦ (Cu + Al) ≦ 1.00 mass%.
(6) Ni ≧ (Cu + Al).
When Cu is added alone, Cu precipitates at the grain boundary, and the hot workability decreases. However, when a predetermined amount of Ni is added at the same time as Cu is added, Ni suppresses precipitation of Cu at the grain boundaries. As a result, Cu is secondarily precipitated in the grains, and the strength is improved.
In order to obtain such an effect, the Cu content is preferably set to 0.10 mass% or more. On the other hand, when Cu content becomes excessive, hot workability will fall. Therefore, the Cu content is preferably 1.00 mass% or less.
In order to enhance precipitation strengthening without deteriorating hot workability, Ni is preferably added in an amount equal to or greater than that of Cu, and more preferably at least twice that of Cu.

同様に、Alを単独で添加すると、酸化物が多量に生成し、熱間加工性や冷間加工性が低下する。しかしながら、Alを添加すると同時に所定量のNiを添加すると、NiAl系金属間化合物が2次析出し、強度が向上する。
このような効果を得るためには、Al含有量は、0.10mass%以上とするのが好ましい。一方、Al含有量が過剰になると、熱間加工性や冷間加工性が低下する.従って、Al含有量は、1.00mass%以下とするのが好ましい。
また、熱間加工性や冷間加工性を低下させることなく、析出強化を図るためには、Niは、Alの等量以上の量を添加するのが好ましく、さらに好ましくは、Alの2倍以上である。
Similarly, when Al is added alone, a large amount of oxide is generated, and hot workability and cold workability are reduced. However, when a predetermined amount of Ni is added at the same time as Al is added, NiAl-based intermetallic compounds are secondarily precipitated and the strength is improved.
In order to obtain such an effect, the Al content is preferably 0.10 mass% or more. On the other hand, when the Al content is excessive, hot workability and cold workability are lowered. Accordingly, the Al content is preferably 1.00 mass% or less.
In order to enhance precipitation strengthening without reducing hot workability or cold workability, Ni is preferably added in an amount equal to or greater than that of Al, and more preferably twice that of Al. That's it.

さらに、所定量のNiを添加することを条件として、CuとAlを同時に添加し、CuとAlの双方により析出強化を図ることもできる。このような効果を得るためには、Cu及びAlの含有量は、総量で0.1mass%以上とするのが好ましい。
一方、熱間加工性や冷間加工性の低下を抑制するためには、Cu及びAlの含有量は、総量で1.00mass%以下とするのが好ましい。
Cu及びAlを同時に添加する場合においても、Niは、Cu及びAlの総量の等量以上の量を添加するのが好ましく、さらに好ましくは、Cu及びAlの総量の2倍以上である。
Furthermore, on the condition that a predetermined amount of Ni is added, Cu and Al can be added simultaneously, and precipitation strengthening can be achieved by both Cu and Al. In order to obtain such an effect, the total content of Cu and Al is preferably 0.1% by mass or more.
On the other hand, in order to suppress a decrease in hot workability and cold workability, the total content of Cu and Al is preferably 1.00 mass% or less.
Even when Cu and Al are added simultaneously, Ni is preferably added in an amount equal to or greater than the total amount of Cu and Al, and more preferably twice or more the total amount of Cu and Al.

[2. 双方向形状回復合金を用いた機能部品]
本発明に係る双方向形状回復合金は、実質的に塑性変形を用いることなく、γ⇔εの変態に伴う膨張・収縮を利用して、低温時の形状と高温時の形状とを可逆的に変化させる作用がある。
そのため、このような双方向形状回復合金は、
(1)高温での形状と低温での形状の変化を利用したスイッチやアクチュエータ、
(2)温度変化に伴う形状回復量をバネや梃子の原理を用いて増幅する機構を備えたアクチュエータ、
(3)形状回復温度100℃以上が要求されるスイッチやアクチュエータ、
(4)ピストンリグのエキスパンダ(例えば、特許文献1参照)、
(5)粘性流体継ぎ手装置のオイル供給機構に用いられる温度感応部材(例えば、特許文献2参照)、
などの機能部品に適用することができる。
[2. Functional parts using bidirectional shape recovery alloy]
The bidirectional shape recovery alloy according to the present invention reversibly changes the shape at a low temperature and the shape at a high temperature by utilizing expansion / contraction associated with the transformation of γ⇔ε substantially without using plastic deformation. There is an action to change.
Therefore, such a bidirectional shape recovery alloy
(1) Switches and actuators using changes in shape at high temperatures and shapes at low temperatures,
(2) an actuator having a mechanism for amplifying a shape recovery amount associated with a temperature change by using a spring or lever principle;
(3) Switches and actuators that require a shape recovery temperature of 100 ° C or higher,
(4) Piston rig expander (see, for example, Patent Document 1),
(5) a temperature sensitive member used in the oil supply mechanism of the viscous fluid coupling device (see, for example, Patent Document 2),
It can be applied to functional parts such as.

また、本発明に係る双方向形状回復合金は、そのままの状態で使用することもできるが、表面に、各種の表面処理を施した状態で使用しても良い。表面処理方法としては、例えば、窒化処理、PVD処理、CVD処理などがある。このような表面処理により、耐酸化性や耐摩耗性を付与することができる。
表面処理により耐摩耗性が付与された双方向形状回復合金は、相手材との接触環境下で使用される機能部品(例えば、コイルバネ、ピストンリングなど)に用いることができる。
Moreover, although the bidirectional | two-way shape recovery alloy which concerns on this invention can be used as it is, you may use it in the state which gave the surface various surface treatments. Examples of the surface treatment method include nitriding treatment, PVD treatment, and CVD treatment. Such surface treatment can impart oxidation resistance and wear resistance.
The bidirectional shape recovery alloy imparted with wear resistance by the surface treatment can be used for functional parts (for example, a coil spring, a piston ring, etc.) used in a contact environment with a counterpart material.

[3. 双方向形状回復合金の製造方法]
本発明に係る双方法形状回復合金は、所定の比率で配合された原料を溶解し、鋳造することにより製造することができる。鋳塊を所定の形状に鍛造した後、鍛造の影響を除くために溶体化処理(ST処理)+空冷を行うのが好ましい。溶体化処理温度は、700〜1200℃が好ましい。
また、析出強化型元素を添加している場合には、溶体化処理+空冷後、時効処理を行うのが好ましい。時効処理は、400℃以上600℃以下の温度において、0.5時間以上5時間未満行うのが好ましい。
[3. Production method of bidirectional shape recovery alloy]
The twin-method shape recovery alloy according to the present invention can be manufactured by melting and casting raw materials blended at a predetermined ratio. After forging the ingot into a predetermined shape, it is preferable to perform solution treatment (ST treatment) + air cooling in order to eliminate the influence of forging. The solution treatment temperature is preferably 700 to 1200 ° C.
Moreover, when the precipitation strengthening type element is added, it is preferable to perform an aging treatment after solution treatment + air cooling. The aging treatment is preferably performed at a temperature of 400 ° C. or higher and 600 ° C. or lower for 0.5 hour or more and less than 5 hours.

[4. 双方向形状回復合金の作用]
図1に、共析鋼(0.77mass%C)の温度変化及び相変態に伴う長さの変化を示す。
共析鋼は、室温近傍(A点)においてフェライト(α)相組織になっている。この共析鋼をオーステナイト(γ)相領域まで加熱すると、図1に示すように、共析鋼は、A→B→C→D線に沿って膨張→収縮→膨張する。また、共析鋼をγ相領域から室温まで徐冷すると、共析鋼は、D→E→F→A線に沿って収縮→膨張→収縮し、加熱前の形状に戻る。加熱時にB→C線に沿って収縮するのは、α→γ変態が生じるためである。また、冷却時にE→F線に沿って膨張するのは、γ→α変態が生じるためである。
[4. Action of bidirectional shape recovery alloy]
FIG. 1 shows the temperature change of eutectoid steel (0.77 mass% C) and the change in length accompanying the phase transformation.
The eutectoid steel has a ferrite (α) phase structure near room temperature (point A). When this eutectoid steel is heated to the austenite (γ) phase region, as shown in FIG. 1, the eutectoid steel expands, contracts, and expands along the line A → B → C → D. Further, when the eutectoid steel is gradually cooled from the γ phase region to room temperature, the eutectoid steel contracts, expands and contracts along the line D → E → F → A, and returns to the shape before heating. The reason for shrinkage along the B → C line during heating is that the α → γ transformation occurs. Further, the reason for expansion along the E → F line during cooling is that the γ → α transformation occurs.

一方、共析鋼をγ相領域から急冷すると、図1に示すように、破線(D−H線)に沿って収縮→膨張し、加熱前に比べて形状が変化する。また、急冷した共析鋼を再度加熱すると、共析鋼は、H→J→K→L→M→N→O線に沿って膨張及び収縮を繰り返し、最終的にはD点に達する。
急冷後の長さ(H点)が加熱前の長さ(A点)より長くなるのは、共析鋼をγ相領域からMs点以下の温度に急冷することによって、体積膨張を伴うマルテンサイト変態(γ(FCC)→α'(BCT)変態)が生じるためである。また、400℃以下の温度において熱膨張に伴う長さ変化以上の膨張又は収縮が生じるのは、温度の上昇とともにε−炭化物の生成、残留γの分解、及びθ−炭化物の生成が生じるためである。
On the other hand, when the eutectoid steel is rapidly cooled from the γ-phase region, as shown in FIG. 1, the eutectoid steel contracts and expands along the broken line (DH line), and the shape changes compared to before heating. Further, when the rapidly cooled eutectoid steel is heated again, the eutectoid steel repeatedly expands and contracts along the lines H → J → K → L → M → N → O, and finally reaches the D point.
The length after quenching (H point) is longer than the length before heating (A point) because the eutectoid steel is rapidly cooled from the γ phase region to a temperature below the M s point, thereby causing martensite with volume expansion. This is because site transformation (γ (FCC) → α ′ (BCT) transformation) occurs. In addition, the expansion or contraction exceeding the length change accompanying thermal expansion occurs at a temperature of 400 ° C. or less because the generation of ε-carbide, decomposition of residual γ, and the formation of θ-carbide occur with increasing temperature. is there.

一般に用いられるFe基合金は、このような熱処理により生ずるマルテンサイト変態やその逆変態を組織制御に積極的に用いている。
しかしながら、γ→α'変態は、冷却時に体積膨張を伴うため、冷却時に収縮することが求められる形状回復合金として使用することができない。
また、γ→α'変態は、材料の冷却速度に強く依存する。そのため、冷却速度が変わると、ベイナイト組織やフェライト組織となり、安定した体積膨張(すなわち、形状回復の再現性)が得られない。
さらに、加熱時のα→γ変態終了温度(Af点)は、700℃以上と高い。また、Af点と冷却時のγ→α'変態開始温度(Ms点)との差は、200〜300℃以上であり、加熱・冷却時のヒステリシスが大きい。
Generally used Fe-based alloys actively use martensitic transformation and its reverse transformation caused by such heat treatment for structure control.
However, since the γ → α ′ transformation is accompanied by volume expansion during cooling, it cannot be used as a shape recovery alloy that is required to shrink during cooling.
Further, the γ → α ′ transformation strongly depends on the cooling rate of the material. Therefore, when the cooling rate is changed, a bainite structure or a ferrite structure is formed, and stable volume expansion (that is, reproducibility of shape recovery) cannot be obtained.
Furthermore, the α → γ transformation end temperature (A f point) during heating is as high as 700 ° C. or higher. Further, the difference between the Af point and the γ → α ′ transformation start temperature (M s point) during cooling is 200 to 300 ° C. or higher, and the hysteresis during heating and cooling is large.

これに対し、本発明に係る双方向形状回復合金は、Fe−Mn−Si合金をベースとし、成分元素の含有量を最適化しているので、高温(300℃以上)から低温(−50℃以下)に冷却する際にγ(FCC)相からε(HCP)相への変態が起こり、α(BCC)相やα'(BCT)相が生成しない。γ→ε変態は、体積収縮を生じるので、冷却時には熱収縮に伴う形状変化以上の収縮を伴う。
一方、加熱時には、ε→γ変態が生じるので、熱膨張に伴う形状変化以上の膨張を伴う。しかも、この膨張・収縮に伴う形状変化は可逆的であり、形状を回復させるために塑性変形を必要としない。
On the other hand, the bidirectional shape recovery alloy according to the present invention is based on the Fe—Mn—Si alloy and the content of the component elements is optimized, so that the temperature is high (300 ° C. or higher) to low (−50 ° C. or lower). ), The transformation from the γ (FCC) phase to the ε (HCP) phase occurs, and neither the α (BCC) phase nor the α ′ (BCT) phase is generated. Since the γ → ε transformation causes volume shrinkage, it involves shrinkage more than the shape change accompanying heat shrinkage during cooling.
On the other hand, since the ε → γ transformation occurs during heating, the expansion is more than the shape change accompanying thermal expansion. Moreover, the shape change accompanying the expansion / contraction is reversible, and plastic deformation is not required to recover the shape.

また、本発明に係る双方向形状回復合金は、形状変化量が相対的に大きい。具体的には、成分元素を最適化することにより、加熱時の長さ変化率(ΔL/L0×100)は、0.3%以上、0.5%以上、あるいは0.7%以上となる。双方向形状回復合金の形状を最適化する(例えば、バネ形状とする)と、この形状変化量をさらに増幅させることができる。
また、冷却時の長さ変化率は、加熱時の長さ変化率と同等の値を示す。具体的には、加熱冷却サイクル1回当たりの長さの変化率は0.1%以下であり、形状回復率は極めて高い。さらに、加熱冷却サイクルを数百回繰り返しても、形状回復率の経時劣化が少ない。
Further, the bidirectional shape recovery alloy according to the present invention has a relatively large shape change amount. Specifically, by optimizing the component elements, the length change rate during heating (ΔL / L 0 × 100) is 0.3% or more, 0.5% or more, or 0.7% or more. Become. When the shape of the bidirectional shape recovery alloy is optimized (for example, a spring shape), the amount of change in shape can be further amplified.
Moreover, the length change rate at the time of cooling shows a value equivalent to the length change rate at the time of heating. Specifically, the rate of change in length per heating / cooling cycle is 0.1% or less, and the shape recovery rate is extremely high. Furthermore, even if the heating / cooling cycle is repeated several hundred times, the shape recovery rate does not deteriorate with time.

また、本発明に係る双方向形状回復合金は、Fe−Mn−Si合金をベースとしているので、その形状回復温度(As点)は、従来のTiNi系合金より高い。また、成分元素を最適化することにより、加熱冷却時のヒステリシス(Af−Ms)は、一般のFe基合金より小さくなる。
具体的には、(1)式を満足するように成分元素を最適化すると、As点は、90℃以上、あるいは100℃以上となる。同様に、(1)式を満足するように成分元素を最適化すると、Af−Msは、200℃以下、150℃以下、あるいは100℃以下となる。
Moreover, since the bidirectional shape recovery alloy according to the present invention is based on an Fe—Mn—Si alloy, its shape recovery temperature (A s point) is higher than that of a conventional TiNi alloy. Further, by optimizing the component elements, the hysteresis (A f −M s ) during heating and cooling becomes smaller than that of a general Fe-based alloy.
Specifically, optimizing the component elements so as to satisfy the expression (1), A s point becomes 90 ° C. or higher, or 100 ° C. or higher. Similarly, when the component elements are optimized so as to satisfy the expression (1), A f −M s becomes 200 ° C. or lower, 150 ° C. or lower, or 100 ° C. or lower.

さらに、本発明に係る双方向形状回復合金は、Fe−Mn−Si合金をベースとしているので、安価であり、形状回復の繰り返しに耐え得る強度も併せ持つ。特に、Mo等の置換型固溶強化元素やCu等の析出強化型元素を添加すると、強度がさらに向上する。
そのため、本発明に係る双方向形状回復合金は、二方向の動作特性が要求される各種機能部品に用いることができる。
Furthermore, since the bidirectional shape recovery alloy according to the present invention is based on an Fe—Mn—Si alloy, it is inexpensive and has strength that can withstand repeated shape recovery. In particular, when a substitutional solid solution strengthening element such as Mo or a precipitation strengthening element such as Cu is added, the strength is further improved.
Therefore, the bidirectional shape recovery alloy according to the present invention can be used for various functional parts that require bidirectional operation characteristics.

(実施例1〜28、比較例1〜10)
[1. 試料の作製]
表1及び表2に示す化学組成の材料(各50kg)を高周波加熱溶解炉で溶解し、鋳造した。得られた鋳塊を1200℃×24h均熱保持した後、800℃以上の温度でφ30まで鍛造し、徐冷した。鍛造条件の影響などを省くため、800℃×30minの溶体化処理+空冷を行った。
さらに、0.1mass%以上のCuを添加した実施例10〜13、及び0.1mass%以上のAlを添加した実施例14〜18については、溶体化処理+空冷後、時効処理を行った。時効温度は500℃、時効時間は1.5時間とした。
(Examples 1-28, Comparative Examples 1-10)
[1. Preparation of sample]
Materials having chemical compositions shown in Tables 1 and 2 (each 50 kg) were melted in a high-frequency heating melting furnace and cast. The obtained ingot was kept soaked at 1200 ° C. for 24 hours, then forged to φ30 at a temperature of 800 ° C. or higher and gradually cooled. In order to eliminate the influence of forging conditions, etc., a solution treatment at 800 ° C. for 30 minutes + air cooling was performed.
Furthermore, about Examples 10-13 which added 0.1 mass% or more of Cu, and Examples 14-18 which added Al of 0.1 mass% or more, the aging treatment was performed after solution treatment + air cooling. The aging temperature was 500 ° C., and the aging time was 1.5 hours.

Figure 2010156041
Figure 2010156041

Figure 2010156041
Figure 2010156041

[2. 試験方法]
[2.1. 変態温度及び長さ変化率]
示差熱膨張率測定装置を用いて、加熱・冷却時の変態温度(As、Af、Ms、Mf)、及び加熱変態時の長さ変化率(膨張率)を測定した。試験片形状はφ5×20mm、加熱時の昇温速度は10℃/min、冷却時の降温速度は10℃/minとした。
[2. Test method]
[2.1. Transformation temperature and length change rate]
Using a differential thermal expansion coefficient measuring apparatus, the transformation temperature (A s , A f , M s , M f ) during heating / cooling and the length change rate (expansion coefficient) during heating transformation were measured. The specimen shape was φ5 × 20 mm, the heating rate during heating was 10 ° C./min, and the cooling rate during cooling was 10 ° C./min.

[2.2. 組織]
−50℃で保持した試料についてX線回折を行い、相を同定した。X線には、CoのKα線を用いた。
[2.2. Organization]
The sample held at −50 ° C. was subjected to X-ray diffraction to identify the phase. For the X-ray, Co ray was used.

[2.3. 熱疲労試験]
平行部長さ40mmの試験片を用いて熱疲労試験を行った。試験片の平行部の内、歪測定部分(長さ15mmの領域)を加熱し、最高温度に達したところで試験片の両端を拘束した。この状態から冷却及び加熱を300サイクル繰り返し、温度変化と試験片に発生する応力との関係を調査した。最高温度は300℃、最低温度は50℃とした。また、加熱速度は平均250℃/minとし、冷却速度は平均83℃/minとした。
[2.4. 引張試験]
JIS 14A号(M18)試験片を用いて引張試験を行った。引張試験条件は、JIS Z2241に準じた。
[2.3. Thermal fatigue test]
A thermal fatigue test was performed using a test piece having a parallel part length of 40 mm. Of the parallel part of the test piece, the strain measurement part (region having a length of 15 mm) was heated, and both ends of the test piece were restrained when the maximum temperature was reached. From this state, cooling and heating were repeated for 300 cycles, and the relationship between the temperature change and the stress generated in the test piece was investigated. The maximum temperature was 300 ° C and the minimum temperature was 50 ° C. The heating rate was 250 ° C./min on average, and the cooling rate was 83 ° C./min on average.
[2.4. Tensile test]
A tensile test was performed using a JIS 14A (M18) test piece. The tensile test conditions conformed to JIS Z2241.

[3. 結果]
[3.1. 変態温度、長さ変化率、及び組織]
表3に、加熱変態時の長さ変化率(ΔL/L0×100)、Af−Ms、As、(1)式の値及び−50℃での組織を示す。
[3. result]
[3.1. Transformation temperature, length change rate, and structure]
Table 3 shows the rate of change in length (ΔL / L 0 × 100) during heating transformation, A f −M s , A s , the value of equation (1), and the structure at −50 ° C.

Figure 2010156041
Figure 2010156041

比較例1(JST)及び比較例2(NSC)は、(1)式の値が1050を超えているために、Asが低い。比較例3(JST−2)は、Crが過剰であり、かつ(1)式の値が1050を超えているために、Af−Msが600℃を超え、冷却時にα相が生成した。
比較例4(SUS304相当)は、Niが過剰であるために、−50℃においてもγ単相であった。比較例5(SUS420)、比較例6、及び比較例7は、いずれも成分バランスが適切でないために、α相が生成した。
比較例8は、(1)式の値が1050を超えているために、Asが低い。比較例9は、Crが過剰であるために、α'相が生成した。さらに、比較例10は、Nが過剰であるために、−50℃においてもγ単相であった。
Comparative Example 1 (JST) and Comparative Example 2 (NSC), to exceed the (1) the value of the expression is 1050, A s is low. In Comparative Example 3 (JST-2), since Cr is excessive and the value of the formula (1) exceeds 1050, A f -M s exceeds 600 ° C., and an α phase is generated during cooling. .
Comparative Example 4 (equivalent to SUS304) was a γ single phase even at −50 ° C. due to excessive Ni. In Comparative Example 5 (SUS420), Comparative Example 6, and Comparative Example 7, the component balance was not appropriate, so an α phase was generated.
Comparative Example 8, since it exceeds the (1) the value of the expression is 1050, A s is low. In Comparative Example 9, since the Cr was excessive, an α ′ phase was generated. Further, Comparative Example 10 was a γ single phase even at −50 ° C. because N was excessive.

これに対し、実施例1〜28は、成分が最適化されているので、いずれも−50℃においてε相を含み、α相及びα'相を含まない。加熱時の長さ変化率は、いずれも0.3%以上であった。Af−Msは、いずれも300℃以下であり、Asは、いずれも90℃以上であった。 On the other hand, since the components of Examples 1 to 28 are optimized, each includes an ε phase at −50 ° C., and does not include an α phase and an α ′ phase. The rate of change in length during heating was 0.3% or more. A f -M s was 300 ° C. or lower, and A s was 90 ° C. or higher.

図2に、実施例7の合金の加熱−冷却時の変態曲線を示す。図2より、加熱冷却時にγ⇔ε変態が生じ、これによって可逆的な形状変化が生じていることがわかる。
図3に、実施例及び比較例の合金のAf−MsとAsとの関係を示す。組織がε相又はε+γ相である実施例の合金は、Asが比較的低温側にあり、Af−Msも相対的に小さい。一方、α相又はα'相を含む比較例の合金は、Asが600℃以上になると同時に、Af−Msも大きくなる傾向が認められる。
In FIG. 2, the transformation curve at the time of the heating-cooling of the alloy of Example 7 is shown. From FIG. 2, it can be seen that the γ⇔ε transformation occurs during heating and cooling, thereby causing a reversible shape change.
Figure 3 shows the relationship between A f -M s and A s of the alloy of Examples and Comparative Examples. Alloy tissue is epsilon phase or epsilon + gamma phase embodiment, A s is relatively located on the low temperature side, A f -M s also relatively small. On the other hand, the alloy of the comparative example including the alpha phase or alpha 'phase and, at the same time A s is equal to or higher than 600 ℃, A f -M s also tended to increase.

[3.2. 熱疲労試験]
図4に、実施例2で得られた合金の1サイクル目、100サイクル目、及び300サイクル目における温度変化と試験片に発生する応力の関係を示す。
図4より、
(1)熱疲労試験中において、加熱変態温度(As、Af)及び冷却変態温度(Ms)は、ほぼ一定になっていること、
(2)発生応力も、繰り返し回数にかかわらず、ほぼ一定であること、
がわかる。
以上の結果から、本発明に係る合金は、双方向の形状回復合金として安定した特性を発揮することがわかった。
[3.2. Thermal fatigue test]
FIG. 4 shows the relationship between the temperature change in the first, 100th and 300th cycles of the alloy obtained in Example 2 and the stress generated in the test piece.
From FIG.
(1) During the thermal fatigue test, the heating transformation temperature (A s , A f ) and the cooling transformation temperature (M s ) are substantially constant,
(2) The generated stress is almost constant regardless of the number of repetitions.
I understand.
From the above results, it has been found that the alloy according to the present invention exhibits stable characteristics as a bidirectional shape recovery alloy.

[3.3. 引張試験]
表4に、引張試験の結果を示す。表4より、
(1)比較例中には強度の低い材料が含まれているのに対し、実施例1〜28の材料は、いずれも引張強度が800MPaを超えている、
(2)主構成元素に加えて、所定量のAl及び/又はCuを添加し、時効処理を行うと、引張強さがさらに向上する、
(2)主構成元素に加えて、所定量のMo、W、V、及び/又は、Coを添加すると、引張強さがさらに向上する、
ことがわかる。
[3.3. Tensile test]
Table 4 shows the results of the tensile test. From Table 4,
(1) While the comparative example contains a low-strength material, the materials of Examples 1 to 28 all have a tensile strength exceeding 800 MPa.
(2) In addition to the main constituent elements, when a predetermined amount of Al and / or Cu is added and an aging treatment is performed, the tensile strength is further improved.
(2) In addition to the main constituent elements, when a predetermined amount of Mo, W, V, and / or Co is added, the tensile strength is further improved.
I understand that.

Figure 2010156041
Figure 2010156041

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明に係る双方向形状回復合金は、温度変化を利用したスイッチやアクチュエータ、ピストンリングのエキスパンダ、粘性流体継ぎ手のオイル供給機構に用いられる温度感応部材などに使用することができる。   The bidirectional shape recovery alloy according to the present invention can be used for switches and actuators utilizing temperature changes, piston ring expanders, temperature sensitive members used in oil supply mechanisms for viscous fluid joints, and the like.

共析鋼(0.77mass%C)の温度変化及び相変態に伴う長さの変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the length accompanying the temperature change and phase transformation of eutectoid steel (0.77mass% C). 実施例7の合金の加熱−冷却時の変態曲線を示す図である。It is a figure which shows the transformation curve at the time of the heating-cooling of the alloy of Example 7. FIG. 実施例及び比較例の合金のAf−MsとAsとの関係を示す図である。It is a diagram showing the relationship between A f -M s and A s of the alloy of Examples and Comparative Examples. 実施例2で得られた合金の熱疲労試験の結果である。3 is a result of a thermal fatigue test of the alloy obtained in Example 2. FIG.

Claims (4)

C<0.20mass%、
13.00≦Mn≦30.00mass%、
0.10≦Si≦6.00mass%、
0.05≦Cr≦12.00mass%、
0.01≦Ni≦3.00mass%、
N<0.100mass%
を含み、残部がFe及び不可避的不純物からなり、
次の(1)式を満たす双方向形状回復合金。
600≦33Mn+11Si+28Cr+17Ni≦1050 ・・・(1)
C <0.20 mass%,
13.00 ≦ Mn ≦ 30.00 mass%,
0.10 ≦ Si ≦ 6.00 mass%,
0.05 ≦ Cr ≦ 12.00 mass%,
0.01 ≦ Ni ≦ 3.00 mass%,
N <0.100 mass%
And the balance consists of Fe and inevitable impurities,
A bidirectional shape recovery alloy that satisfies the following formula (1).
600 ≦ 33 Mn + 111Si + 28Cr + 17Ni ≦ 1050 (1)
加熱変態終了温度(Af点)と冷却変態開始温度(Ms点)の差(Af−Ms)が150℃以下であり、
加熱変態開始温度(As点)が100℃以上である請求項1に記載の双方向形状回復合金。
The difference (A f −M s ) between the heating transformation end temperature (A f point) and the cooling transformation start temperature (M s point) is 150 ° C. or less,
The bidirectional shape recovery alloy according to claim 1, wherein the heat transformation start temperature (A s point) is 100 ° C or higher.
0.10≦Mo≦2.00mass%、
0.10≦W≦2.00mass%、
0.05≦V≦1.00mass%、及び、
0.10≦Co≦5.00mass%
のいずれか1以上をさらに含む請求項1又は2に記載の双方向形状回復合金。
0.10 ≦ Mo ≦ 2.00 mass%,
0.10 ≦ W ≦ 2.00 mass%,
0.05 ≦ V ≦ 1.00 mass%, and
0.10 ≦ Co ≦ 5.00 mass%
The bidirectional shape recovery alloy according to claim 1 or 2, further comprising any one or more of:
0.10≦(Cu+Al)≦1.00mass%をさらに含み、
Ni≧(Cu+Al)である
請求項1から3までのいずれかに記載の双方向形状回復合金。
Further including 0.10 ≦ (Cu + Al) ≦ 1.00 mass%,
The bidirectional shape recovery alloy according to claim 1, wherein Ni ≧ (Cu + Al).
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