JP2014152355A - 高温形状記憶合金、超弾性合金及びこれらの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 TiAuに第三元素を添加することにより高温強度を向上させ、高温で大きな形状回復又は超弾性を示す高温形状記憶合金又は超弾性合金及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 高温形状記憶合金又は超弾性合金であって、Tiが48〜52原子%、Hf、Zr、Ta、Nb、V、Mo、Wのうちの1種以上が0.1〜22原子%、残部がAuと不可避不純物からなり、300℃〜600℃までの温度範囲で形状回復を示すこと又は400℃以上で超弾性を示すことを特徴とする。
【選択図】図2

Description

本発明は、300℃から600℃までの温度範囲で形状回復を示す高温形状記憶合金及びその製造方法に関する。また、本発明は、400℃以上で超弾性を示す超弾性合金及びその製造方法に関する。
TiNiに代表される形状記憶合金は、動力を必要とせず温度変化を感知して動作するアクチュエイター等として利用されている。この形状記憶効果は、形状記憶合金のマルテンサイト変態温度に関連して発現するものであるが、従来材のTiNi系形状記憶合金のマルテンサイト変態温度が低いため、室温近傍から100℃程度の温度範囲でしか使用できないのが現状である。また、TiNiに代表される超弾性合金は、同じ応力で大きな歪みを得ることができることから、ガイドワイヤーや眼鏡フレームなどの医療材料等として利用されている。超弾性も、マルテンサイト変態に関係して起こる現象であるが、通常の金属材料が塑性変形するような大きな歪みをかけても、応力を取り除けば変形が元に戻り、また、ある一定の応力で大きな歪みを得ることができるという特徴がある。しかし、この現象が利用できるのは100℃以下である。
一方、自動車エンジンやジェットエンジン等、高温部で使用するアクチュエイター等の部品には、高温で動作する形状記憶合金又は超弾性合金が必要である(例えば、特許文献1参照)。
これまで、TiNiにZr、HfやPd等を添加することにより、形状記憶効果に関連するマルテンサイト変態温度を上昇させる試みが行われてきた。
特許文献2には、Zr含有量が6.5〜30原子%、Ni含有量が40〜50%、残部がTiからなる組成を有するTi-Zr-Ni系形状記憶合金薄膜が開示されている。
特許文献3には、MTi(100−A−B)の組成を有し、XはHf又はHfとZrであり、Mは本質的にNi並びにCu、Au、Pt、Fe、Mn、V、Al、Pd、Sn及びCoからなる群から選択される1種以上の元素であり、Aは50原子%より大きく51原子%までであり、Bは4から49原子%である高変態温度形状記憶合金が開示されている。
特許文献4には、(Ni+Pt+Y)Ti(100−y)の組成を有し、xが49〜55原子%の範囲であり、その中でPtが10〜30原子%の範囲であり、YはAu、Pd、Cuの1種以上の元素であって、0〜10原子%の範囲であり、さらに(Ni、Pt)Ti型の微細な析出物が生成する高温形状記憶合金が開示されている。
特許文献5には、Tiが50〜52原子%であり、Ptが10〜25原子%であり、5原子%以下のAu、Pd、Cuを1種以上含み、2原子%以下のCを含み、残部がNiであり、Ti(Ni、Pt)型の析出物が生成する高温形状記憶合金が開示されている。
特許文献6には、Au濃度が44から48mol%。Zr濃度が2から10mol%、残りTiである(Ti、Zr)Au金属間化合物にされていることを特徴とするTi-Au径形状記憶合金が開示されている。
非特許文献1には、Au50Ti50の形状記憶効果について述べられている。
非特許文献2には、Au50Ti50に第三元素Fe、Co、 Ni、 Cu、Ru、Rh、 Pd、Ag、Ir、Pt を添加した場合のマルテンサイト変態挙動について述べている。
これらのこれまで開発されてきた高温形状記憶合金は、マルテンサイト変態温度が300℃以下のものが多く、なかにはそれ以上のマルテンサイト変態温度を示す合金も示されているが、これらについては回復率が明確に示されておらず、実際に回復を起こすかどうかは明らかではなかった。例えば、特許文献2では、マルテンサイト変態終了温度が200℃以下であった。
特許文献3では、MTi(100−A−B)の組成を有し、XはHf又はHfとZrであり、Mは本質的にNi並びにCu、Au、Pt、Fe、Mn、V、Al、Pd、Sn及びCoからからなる群から選択される1種以上の元素であると記載されているが、Mは本質的にNiであり、実施例もNi-Ti-Hfについてしか記述されておらず、実際にCu、Au、Pt、Fe、Mn、V、Al、Pd、Sn及びCoをNiのかわりに使用して、同様の形状記憶効果が得られるのかは明らかではない。また、Niは単独でも1種以上の前記他の金属とあわせても、42〜50原子%であるのが好ましいとの記載しかない。
また、マルテンサイト変態温度が300℃以上を示す合金もNi−(21〜31)Ti-(20〜30)Hf合金等5種類ほど示されているが、これらも含めて示されている合金が、実際に形状回復を起こすかどうかの記述は一切なく、これらの合金が高温形状記憶合金として機能するかどうかについての開示もない。
後述するように、高温で変形すると、永久歪みが残り形状回復が難しくなることから、高温形状記憶合金として機能するかどうかについては、回復率を見るまでわからず、マルテンサイト変態温度だけでは判断できない。
特許文献4では、100%の回復率を示すが、マルテンサイト変態温度が300℃以下であった。
特許文献5では、マルテンサイト変態温度が100〜400℃の間であるとあるが、マルテンサイト変態温度が400℃以上を超えると永久歪みが残る塑性変形のため、形状回復率が小さくなり、ほとんど回復を示さなくなった。また、実施例としてあげられている100%の回復率を示す合金のマルテンサイト変態温度は300℃以下であった。
特許文献6では、室温で変形後、変態温度以上に加熱することにより100%の回復を示すことが示され、300から600℃に亘る高温領域での形状記憶機能が発揮される、と示されているが、高温で変形した後の形状回復については何も示されていない。そこで、高温で変形すると永久歪みが残り、形状回復が難しくなることから、高温形状記憶合金として機能するかどうかは、回復率をみるまではわからない。
非特許文献1には、Au50Ti50の形状記憶効果について述べられており、500℃で変形後、変態温度以上に加熱することにより、100%回復したのは0.8%の変形を与えたときのみで、それ以上の変形では完全には回復しなかった。
非特許文献2には、Au50Ti50に第三元素Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt を添加した場合のマルテンサイト変態挙動について述べており、すべての添加元素において変態温度が下がることが明らかにされているが、添加による形状記憶効果については何も述べられておらず、これらの合金が形状記憶合金、又は超弾性合金として可能性があるかどうかについては不明である。
形状記憶合金は、マルテンサイト相を有する材料が変形後、マルテンサイト変態温度以上に加熱されることによって、マルテンサイト相から母相であるオーステナイト相へと変態して形状が回復する。そのため、高温で形状回復を起こすためには、マルテンサイト変態温度を高くする必要がある。
超弾性は、オーステナイト相が安定な温度域で応力を負荷、除荷することにより、応力によって誘起されるマルテンサイト相が生成することによって起こる。このため、通常の金属材料が塑性変形するような大きな歪みをかけても、弾性的に歪みが回復する。また、応力誘起マルテンサイト相が生成している間、同じ応力で大きな歪みを得ることができる。
しかし、高いマルテンサイト変態温度近傍で変形、形状回復を繰り返すと、高温でマルテンサイト相が変形されるため、しばしば永久に歪みが入る塑性変形を起こす。塑性変形を起こすと、永久歪みの分、形状が回復しないため回復率や超弾性が減少する。
以上のことから、高温形状記憶合金を開発するためには、マルテンサイト変態温度を上昇させ、変態温度近傍での材料の強度を向上させる必要がある。
従来の高温形状記憶合金は、マルテンサイト変態温度が室温近傍であるTiNiに別の元素を添加し、TiNiで起こるマルテンサイト変態を利用しているため、200℃以上の変態温度を示す合金は少なかった。TiAuは500℃で回復を示すが、その回復歪みは小さく、アクチュエイターなどで利用するためには大きな回復が必要である。
特開2009−203982号公報 特開2002−285275号公報 特開平5?43969号公報 米国特許第7749341号 米国特許第7501032号 特開平9−165633号公報
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本発明は、従来の高温形状記憶合金における上記の問題を解決するためになされたものであり、TiAuに第三元素を添加することにより高温強度を向上させ、高温で大きな形状回復を示す高温形状記憶合金又は超弾性合金及びその製造方法を提供することを課題としている。
本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。
第1に、Tiが48〜52原子%、Hf、Zr、Ta、Nb、V、Mo、Wのうちの1種以上が0.1〜22原子%、残部がAuと不可避不純物からなり、300℃〜600℃までの温度範囲で形状回復を示すことを特徴とする。
第2に、上記の高温形状記憶合金において、300℃以上における変形後、マルテンサイト変態温度以上に加熱することにより80%以上の回復率を示す。
第3に、Tiが48〜52原子%、Hf、Zr、Ta、Nb、V、Mo、Wのうちの1種以上が0.1〜22原子%、残部がAuと不可避不純物からなり、400℃以上で超弾性を示すことを特徴とする。
第4に、上記の超弾性合金において、変態温度以上で変形することにより2%以上の超弾性を示すことを特徴とする。
第5に、上記の高温形状記憶合金又は超弾性合金において、合金の結晶構造が、マルテンサイト変態温度以下ではB19型斜方晶であることを特徴とする。
第6に、上記の高温形状記憶合金又は超弾性合金において、高温形状記憶合金の結晶構造がマルテンサイト変態温度以上ではB2型立方晶であって、冷却によりマルテンサイト変態によりB19型斜方晶に変化することにより、ミクロ組織がマルテンサイト双晶組織となり、該マルテンサイト双晶組織が体積率で90%以上存在することを特徴とする。
第7に、上記の高温形状記憶合金又は超弾性合金の製造方法であって、溶製した前記形状記憶合金の原料を、真空容器中に不活性ガスとともに封入した状態で、マルテンサイト変態温度以上であるB2型立方晶領域で、600℃以上で、その合金の液相を生じる温度から100℃を下回る温度域で、0.5時間以上保持する溶体化処理を施した後、0℃以下の冷媒に入れて焼き入れすることを特徴とする。
本発明の合金は、TiとAuで構成され、Tiが48〜52原子%の範囲であるTiAu系金属間化合物をベースに、Hf、Zr、Ta、Nb、V、Mo、Wのうちの1種以上を0.1〜22原子%以下添加することにより、高温における強度を改善し、300〜600℃までの温度範囲で変形後、変態温度以上に加熱することにより、形状回復を示す高温形状記憶合金とすることができる。また、400℃以上の変態温度以上で変形することにより2%以上の超弾性を示す。
Ti-Auの二元状態図である。 Ti-50Au-10Zrを、1000℃、168時間溶体化処理後、氷水で焼き入れした後の組織の写真である。 Ti-50Au-10Zrを1000℃、168時間溶体化処理後、氷水で焼き入れした後のX線回折図形である。
本発明は、TiとAuで構成されるTiAu系金属間化合物(以下、TiAu化合物と略称する)に、Hf、Zr、Ta、Nb、V、Mo、Wのうちの1種以上を添加することにより、高温における強度を改善し、300〜600℃までの温度範囲で変形し、変態温度以上に加熱することで、形状回復を示す高温形状記憶合金を提供するものである。また、400℃以上の変態温度以上で変形すると超弾性を示す超弾性合金を提供するものである。以下に本発明の高温形状記憶合金について詳述する。
本発明の高温形状記憶合金は、TiAu化合物を基本的な構成としており、図1に示すTi、Auの二元系状態図によると、Tiの割合が49〜51原子%でTiAu化合物が安定に形成することがわかる。TiAu化合物の体積率が90%以上であれば十分な形状回復が発現できることが知見されているため、本発明では、Tiを48〜52原子%の範囲で添加する。
本発明では、TiAu化合物に対し、TiAu化合物の高温強度を向上させるのに有効な元素であるHf、Zr、Ta、Nb、V、Mo、Wのうちの1種以上を0.1〜22原子%、好ましくは2〜15原子%の範囲で添加する。
高温強度を向上させるためには、Hf、Zr、Ta、Nb、V、Mo、Wのうちの1種以上を0.1原子%以上添加する必要があるが、TiAu化合物に固溶できる組成範囲は限られており、22原子%を超えると別の相の割合が多くなる場合がある。
また、Hf、Zr、Ta、Nb、V、Mo、Wのうちの1種以上の添加量を2〜15原子%の範囲とすることにより、TiAu化合物のマルテンサイト変態温度を大きく下げることなく、高温度強度上昇の効果をさらに改善することができ、300〜600℃の温度範囲での安定した形状記憶効果を発現することが可能となる。また、400℃以上の変態温度以上で変形中に、2%以上の超弾性を発現することが可能となる。
以下に、本発明の高温形状記憶合金の製造方法について詳述する。
本発明の高温形状記憶合金の代表的な製造工程は次のとおりである。まず、本願発明の高温形状記憶合金の原料を溶解して溶製する。溶解には、一般的なTi材料溶解に用いられる各種溶解法を採用することができ、特に制限されるものではなく、これらの方法としては、例えば、アーク溶解法、電子ビーム溶解法、高周波溶解法等の溶解法を挙げることができる。
次に、溶製した原料を真空容器中に、アルゴンガス等の不活性ガスとともに封入した状態で、マルテンサイト変態温度以上であるB2型立方晶領域で、600℃以上で、その合金の液相を生じる温度から100℃を下回る温度域で、0.5時間以上保持する溶体化処理を施す。
溶体化処理は、溶解中に生成した不均一な組織を均質にするために、マルテンサイト変態温度以上であるB2型立方晶領域で一定時間以上行う必要がある。
マルテンサイト変態温度は合金組成によって異なるが、本発明の高温形状記憶合金が高融点の元素で構成されているため、溶体化処理温度を600℃以上とすることにより十分に拡散し、均質化が行われるため望ましい。また、B2型立方晶領域は融点まで続くが、融点近傍で熱処理をすると結晶の規則状態が保たれなくなる可能性があることから、溶体化処理温度はその合金の液相を生じる温度から100℃を下回る温度を上限とする。
溶体化処理時間は0.5時間以上、好ましくは0.5〜500時間の範囲である。溶体化時間が0.5時間以上であれば、均質化が十分に行われ、組織が均一状態となるため望ましい。一方、溶体化処理時間は構成元素が十分に拡散した後は、組織に変化が起こらないため、長すぎると不経済であるため上限を500時間とする。
次に、溶体化処理後、合金を0℃以下の氷水等の冷媒中へ導入して焼き入れを行う。
0℃以下条件で焼き入れを行うことにより、マルテンサイト変態が起こり、B19型斜方晶の相が生成することにより、ミクロ組織がマルテンサイト双晶組織となる。冷却速度が遅い場合、B2型立方晶の相が完全に変態せず残留することがあるため、できるだけ瞬時に0℃以下の冷媒中への焼き入れが必要となる。
上記製造方法により、B19型斜方晶相が体積率で90%以上を占める、本発明の高温形状記憶合金を製造することができる。なお、残部の相はTiAu系金属間化合物相領域から外れた際に生成する第二相で構成される。
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。もちろん本発明は、これらの例によって何ら限定されるものではない。
表1に示すTi−Au−Zr(原子%)についての各合金組成の高純度元素を真空状態でアーク溶解法により溶解し、ボタン状の合金20gを溶製した。
次に、この溶製した合金をTi箔で包み、真空にした石英管中にアルゴンガス雰囲気で封じ込めた。石英管中に封じ込めた合金を1000℃で168時間溶体化処理後、氷水中で急冷して合金試料を作成した。
図2に、Ti-50Au-10Zrを1000℃で168時間熱処理後、氷水で焼き入れした後の組織の写真を示す。
図2の組織写真では、合金全体に微細な双晶組織が形成され、典型的なマルテンサイト組織を確認することができる。
図3に、Ti-50Au-10Zrを1000℃で168時間熱処理後、氷水で焼き入れした後のX線回折図形を示す。X線回折によりB19型斜方晶で構成されていることが確認された。
<マルテンサイト変態温度の測定>
マルテンサイト変態温度の測定用に、各合金試料について3×3×1mmの試験片を作製した。この試験片を大気中で、1分間に10℃の昇温降温速度の条件で示差熱分析を行い、マルテンサイト変態温度を測定した。その結果を表1に示す。
ここで、A、A、M、Mはそれぞれ昇温時の変態開始温度(A)、昇温時の変態終了温度(A)、降温時の変態開始温度(M)、降温時の変態終了温度(M)である。Zrを添加することにより、マルテンサイト変態温度が降下し、Zrを10原子%添加した合金1の変態温度は400℃台であった。1原子%添加による変態温度の低下は平均して11℃程度であった。
<形状記憶回復率>
形状記憶回復率を求めるため、Ti−50Au−10Zrについて高温圧縮試験用試料として、直径3mm、長さ6mmの円柱の試験片を切り出した。
この試験片に対し、393℃で1.2×10−4m/sの歪み速度の条件で圧縮試験を行い、変形後の試験片長さを測定後、試験片をマルテンサイト変態温度以上である700℃で1時間加熱処理し、室温まで炉冷し、再び試験片長さを測定して形状記憶回復率を求めた。形状記憶回復率は、圧縮試験後に得られた試験片の歪みと加熱処理後に回復した試験片の歪みの割合である。
また、変態温度以上である561℃で同様の条件で圧縮試験を行い、除荷時に回復する歪み(超弾性歪み)を求めた。また、変態温度以下で圧縮試験を行うことにより、マルテンサイト相の強度を求めた。その結果を表2に示す。
Ti−50AuとTi−50Au-10Zrの回復率は、残留歪みが3%程度の値を比較した。比較合金であるTi−50Auは、78%の回復率を示したのに対し、Zr添加合金は、81%の回復率を示し、若干であるが回復率が改善された。また、Ti−50Au-10Zrを変態温度以上で変形し、除荷中に得られた超弾性歪みは4%であった。超弾性はTi−50Auでは見いだされておらず、また、これまで、500℃以上で超弾性を示す合金は見いだされていない。マルテンサイト相の強度はTi−50Auは200MPaであるのに対し、Zrを添加することにより、マルテンサイト相の強度は1024MPaと5倍向上した。Ti−50Auのオーステナイト相の強度はデータがないため、比較ができないが、Zr添加合金のオーステナイト相の強度は400MPaであり、Zr添加によりオーステナイト相の強度も向上していると考えられる。形状回復率の改善および超弾性の発現はZr添加による強度向上のためである。
本発明の高温形状記憶合金又は超弾性合金は、高温で起こるマルテンサイト変態を利用して形状回復や超弾性を起こす材料であり、自動車やジェットエンジン等の高温部のアクチュエイター等に利用可能である。また、これ以外にも300〜600℃の温度範囲で動作するアクチュエイター、高温流体の流量や圧力制御部等に使用することも可能である。

Claims (7)

  1. Tiが48〜52原子%、Hf、Zr、Ta、Nb、V、Mo、Wのうちの1種以上が0.1〜22原子%、残部がAuと不可避不純物からなり、300℃〜600℃までの温度範囲で形状回復を示すことを特徴とする高温形状記憶合金。
  2. 300℃以上における変形後、マルテンサイト変態温度以上に加熱することにより80%以上の回復率を示すことを特徴とする請求項1に記載の高温形状記憶合金。
  3. Tiが48〜52原子%、Hf、Zr、Ta、Nb、V、Mo、Wのうちの1種以上が0.1〜22原子%、残部がAuと不可避不純物からなり、400℃以上で超弾性を示すことを特徴とする超弾性合金。
  4. 変態温度以上で変形することにより2%以上の超弾性を示すことを特徴とする請求項3に記載の超弾性合金。
  5. 合金の結晶構造が、マルテンサイト変態温度以下ではB19型斜方晶であることを特徴とする請求項1若しくは2に記載の形状記憶合金又は請求項3若しくは4に記載の超弾性合金。
  6. 合金の結晶構造がマルテンサイト変態温度以上ではB2型立方晶であって、冷却によりマルテンサイト変態によりB19型斜方晶に変化することにより、ミクロ組織がマルテンサイト双晶組織となり、該マルテンサイト双晶組織が体積率で90%以上存在することを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の高温形状記憶合金又は超弾性合金。
  7. 請求項1から6のいずれか一項に記載の高温形状記憶合金又は超弾性合金の製造方法であって、溶製した前記形状記憶合金の原料を、真空容器中に不活性ガスとともに封入した状態で、マルテンサイト変態温度以上であるB2型立方晶領域で、600℃以上で、その合金の液相を生じる温度から100℃を下回る温度域で、0.5時間以上保持する溶体化処理を施した後、0℃以下の冷媒に入れて焼き入れすることを特徴とする合金の製造方法。
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