JP2018119657A - 接続構造体及び接続構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】第１接続体に対して、形状記憶合金からなる第２接続体の超弾性効果を利用しながら十分な接合強度で接合することができる接続構造体、及び第１接続体と第２接続体との接続構造体の製造方法を提供する。【解決手段】 挿通部（１１）を有する第１接続体（１）と、前記挿通部の内面に対する復元状態で圧接可能な接続部（２１）を有し、形状記憶合金からなる第２接続体（２）と、を備えてなる接続構造体（１０）、及び形状記憶合金からなり、前記第１接続体に形成される挿通部の内径より大きい外径の接続部を有する前記第２接続体をＭｆ点以下に冷却する工程と、前記接続部の外径を前記挿通部の内径より小さく縮径加工する工程と、前記接続部を前記第１接続体に嵌め込み、Ａｆ点以上に加温する工程と、を備える接続構造体の製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は、接続構造体及び接続構造体の製造方法に関する。

管（第１接続体）と棒（第２接続体）又は２つの管を接合（接続）するには、従来、以下の手法が知られている。
すなわち、ねじ切りによって、棒にねじ切りをしてナットで接続する手法や、ピンによって、管と棒にピン穴を空けてピンで接続する手法等である。
また、形状記憶合金製管継手によって、管継手をＭｆ点（マルテンサイト変態温度）以下に冷却し、管継手の内径を広げてから、これに２本の管を両側から嵌め込み、その後、室温（Ａｆ点（逆変態温度）以上）に戻して管継手の収縮により２本の管を接続する方法も提案されている（特許文献１）。
さらに、冷やしばめによって、内側部品を冷却収縮させて細くし、これに外側部品を嵌め込んで、常温に戻し内側部品が元の径に戻り結合して接続する方法が開発されている（特許文献２）。この特許文献２には、冷やしばめでなく、焼きばめによって、外側部品を加熱膨張させて内径を広げ、これに内側部品を嵌め込んで、常温に戻し外側部品の収縮によって結合して接続する手法も記載されている。

しかし、ねじ切りの手法では、ねじ切り部の径を太くする必要があり、材料や切削コストが高い。また、ピン穴を空けてピンで接続するのは、棒または管のピン穴を空けた部分に応力集中してそこから破断する。このため、ピン穴部の棒径を太くすると、ねじ切りの場合と同様に、材料や切削コストが高くなる。

特開平７−０７１６６４号公報 特開２００４−０９０１３０号公報

上記の形状記憶合金製管継手により２本の管を接続する方法（特許文献１）では、管に引張力が付加されて変形しても、通常の金属管なら縮径量は小さいため継手で滑ることは無い。
一方、形状記憶合金棒の接合に冷やしばめ（特許文献２）を適用すると、使用時の応力が降伏点以下であれば、それに十分耐えうる接合力を保つことができる。しかし、降伏点を超えると棒材は超弾性変形となり、接合部も縮径していくため接合力が低下する。その結果、接合部で滑ってしまい、所望の接合強度、及び接合位置を保てないという問題を生ずる。このため、超弾性効果を利用する場合には応力が降伏点以上になるため、接合が不十分となる。

そこで、本発明は、第１接続体に対して、形状記憶合金からなる第２接続体の超弾性効果を利用しながら十分な接合強度で接合することができる接続構造体を提供することを課題とする。また、本発明は、第１接続体と第２接続体との接続構造体の製造方法を提供することを別の課題とする。

本発明者らは、第１接続体に対して、形状記憶合金からなる第２接続体の超弾性効果を利用しながら十分な接合強度で接合することができる接続構造体、及び第１接続体と第２接続体との接続構造体の製造方法が得られることを見出した。

本発明によれば、以下の手段が提供される。
（１）
挿通部を有する第１接続体と、
前記挿通部の内面に対する復元状態で圧接可能な接続部を有し、形状記憶合金からなる第２接続体と、
を備えてなることを特徴とする接続構造体。
（２）
前記接続部は凹部又は貫通孔を有してなり、
前記第１接続体を貫通し前記凹部又は貫通孔に陥入される係止部材（ピン）を備える（１）項に記載の接続構造体。
（３）
前記挿通部の内面に第１嵌合部を有してなり、
前記接続部は、前記第１嵌合部に対応する第２嵌合部を有する（１）項に記載の接続構造体。
（４）
前記形状記憶合金がＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ系合金である（１）乃至（３）のいずれか１項に記載の接続構造体。
（５）
前記第２接続体は、３．０〜１０．０質量％のＡｌ、及び５．０〜２０．０質量％のＭｎを含有し、残部Ｃｕと不可避的不純物からなる組成を有し、かつ任意の副添加元素として、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｐ、Ｂｅ、Ｓｂ、Ｃｄ、Ａｓ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｂ、Ｃ、Ａｇ及びミッシュメタルからなる群より選ばれた１種または２種以上を含有することができ、これらの任意の副添加元素の含有量は合計で０．０００〜１０．０００質量％で形成されたＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ系形状記憶合金からなる（１）乃至（４）のいずれか１項に記載の接続構造体。
（６）
第１接続体と第２接続体とを接続する接続構造体の製造方法であって、
形状記憶合金からなり、前記第１接続体に形成される挿通部の内径より大きい外径の接続部を有する前記第２接続体をＭｆ点以下に冷却する工程と、
前記接続部の外径を前記挿通部の内径より小さく縮径加工する工程と、
前記接続部を前記第１接続体に嵌め込み、Ａｆ点以上に加温する工程と、
を備えることを特徴とする接続構造体の製造方法。
（７）
円筒状からなる前記接続部の外径をＤ、管形状からなる前記挿通部の内径をｄとしたとき、Ｄ／ｄが１．０１〜１．０８である（６）項に記載の接続構造体の製造方法。

本発明の接続構造体によれば、冷やしばめにより第２接続体の接合部が、超弾性の回復力により一定の接合力で保持される。引張による接合部の第２接続体の変形量が小さいうちは、接合部の接合力は引張力に抗して接続は維持される。
さらに、本発明の接続構造体の製造方法は、前記接続構造体を用いたことによって、形状記憶合金からなる第２接続体の超弾性効果を利用しながら、第１接続体に対して十分に接合することができる接続構造体の製造方法として好適である。

図１は、本発明の一実施態様に係る接続構造体を示す説明図である。 図２は、本発明の一実施態様に係る接続構造体にピン用の穴あけをした状態を示す写真（説明図）である。 図３は、図２のピン用の穴にピンを挿入した状態を示す写真（説明図）である。 図４は、図３のピンを挿入して補強した接続構造体について求めたＳ−Ｓカーブ（応力−歪曲線）である。 図５は、ピンを挿入しなかった本発明の接続構造体について求めたＳ−Ｓカーブ（応力−歪曲線）である。 図６は、本発明に係る超弾性合金（形状記憶合金）製第２接続体の製造工程の一例を説明する模式図である。 図７は、ピンを挿入した接続構造体について求めたＳ−Ｓカーブ（応力−歪曲線）である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、本発明に従って、それぞれピン４を挿入した接続構造体１０についての説明図である。 図９は、第１接続体１を介して鉄棒２０と第２接続体２を接合する方法を説明する説明図である。 図１０（ａ）、図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）は、本発明のさらに別の実施態様に係る接続構造体を示す説明図である。図１０（ａ）は、第１接続体１の一端部に形成される凹形状である挿通部１１を用いた場合を説明する説明図である。図１０（ｂ）は、第１接続体１の一端部に形成される凹形状である挿通部１１を設けた反対側の端部を、外側でねじ切りし、ここで内側がねじ切りされた第２接続体２又はナットとねじ接合（螺合）する場合を説明する説明図である。図１０（ｃ）は、第１接続体１の一端部に形成される凹形状である挿通部１１を設けた反対側の端部を、内側でねじ切りし、ここに外側がねじ切りされた第２接続体２又はナットとねじ接合（螺合）する場合を説明する説明図である。 図１１は、本発明のさらに別の実施態様に係る第１接続体１と第２接続体２とを示す説明図である。

本発明の接続構造体は、挿通部を有する第１接続体と、前記挿通部の内面に対する復元状態で圧接可能な接続部を有し、形状記憶合金からなる第２接続体と、を備えてなる。
ここで、「復元状態」とは、本発明の製造方法における前記（６）項で規定する「冷却工程から縮径加工させた接続部」を「第１接続体（管状部材）に嵌め込んで拡径させた状態」を意味する。つまり、冷却した温度を、Ａｆ点以上（例えば、室温）まで戻した状態、かつ、前記拡径させた状態を意味する。

図１に、本発明の一実施態様に係る接続構造体１０を示す説明図を示した。図中、１は例えば、鋼製部材からなる第１接続体を示し、２は例えば、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ系合金製の、形状記憶合金からなる第２接続体を示す。第１接続体１は、一実施態様においては、一端部から他端部にかけて連通する挿通部１１が形成されている。当該挿通部１１は、第１接続体１を貫通するものに限られることなく、例えば、図１０（ａ）、図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）に示すような、一端部に形成される凹形状であってもよい。以下の実施例においては、第１接続体１に断面円筒形状の鋼管（管状部材）を用いる。また、第２接続体２には丸棒材を用いる。Ｌは、第２接続体２を第１接続体１に接合した部分の長さを、Ｆはその接合力を表す。

内圧力Ｐは、次式で表される。
Ｐ＝πｄＬσ_ｒ
接合力Ｆは、次式で表される。そこで、上式を代入すると、
Ｆ＝μＰ
＝πμｄＬσ_ｒ
となる。（式中、μは摩擦係数である。）

Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ系形状記憶合金からなる第２接続体２の外径１１．２ｍｍを１０．９ｍｍに縮径した時のひずみ量は、２．７％と算出した。内圧σ_ｒは下降伏応力１５０ＭＰａとできる。
第１接続体１の挿通部１１の内部に挿入したＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ系形状記憶合金からなる第２接続体２の長さＬは約３０ｍｍであり、摩擦係数μを０．３と仮定すると、
Ｆ＝π×０．３×１０．９（ｍｍ）×３０（ｍｍ）×１５０（ＭＰａ）
＝４６．２［ｋＮ］
である。これは第２接続体２の棒径がφ１１．２ｍｍのため、応力換算で４６９［ＭＰａ］となる。

しかし、理論値では４６９ＭＰａまで接合力があるのに、図５に示すように、実際には約１５０ＭＰａで滑ったことがわかる。つまり、理論値の約３割の接合力で滑ってしまう。この接合力低下の原因は、超弾性変形による内圧σ_ｒの低下と推定される。つまり、所定の力以上で引張ると第２接続体２が超弾性変形することにより直径が縮径され内圧σ_ｒが低下し、接合力が低下すると考えられる。

本発明において、接続前の第２接続体２の接続部２１の外径（長さＬの部分の第２接続体２の外径）について、『外径』の範囲としては、例えば、８〜５０ｍｍが好ましい。この外径は、第１接続体１における挿通部１１の内径よりも大きい値とする。そして、当該外径を第１接続体１における挿通部１１の内径と略同一の値に縮径し、第２接続体２を第１接続体１に嵌め込んだ後で、形状記憶効果によって第２接続体２の外径を元の径に戻し復元する。ここで、「縮径加工」とは、Ｍｆ点以下に冷却した状態での『鍛造』（スエージング加工）である。

本発明において、第２接続体２における接続部２１の外面に凹部又は貫通孔を有し、第１接続体１を径方向に貫通して該凹部又は貫通孔に陥入される係止部材（ピン４）を備える接続構造体１０について、図１、図２や図３、図８を参照して説明する。

本発明の第１接続体１と第２接続体２を接続する接続構造体の製造方法は、以下の工程をこの順で含んでなる。
［１］形状記憶合金からなり、第１接続体１における挿通部１１の内径より大きい外径の接続部２１を有する第２接続体２をＭｆ点以下に冷却する工程
［２］第２接続体２の接続部２１の外径を第１接続体１における挿通部１１の内径より小さく縮径加工する工程
［３］接続部２１を第１接続体１に嵌め込み、Ａｆ点以上に加温する工程

以下に、第１接続体１と第２接続体２を接続する本発明の接続構造体の製造方法を詳述する。
形状記憶合金製第２接続体２（例えば、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ系形状記憶合金製の第２接続体）をＭｆ点以下に冷却する。
第２接続体２を、長さＬの分だけ縮径加工して細くする。
前記長さＬの分だけ細くした第２接続体２を、第１接続体１（例えば、鋼管）に嵌め込む（図１参照）。
第２接続体２と一体化された第１接続体１を加温することによって常温（Ａｆ点以上）に戻し、第２接続体２の長さＬの部分、つまり第１接続体１に嵌め込まれた第２接続体２の内側部分（接続部２１（Ｌ部分））が復元して元の径に戻り、接続部２１が挿通部１１に対して圧接されることで第１接続体１と第２接続体２が結合（接合）し、接続構造体１０を得る。

ここで、第１接続体１と第２接続体２を係止部材４（ピン）で補強する場合には、引き続き、以下の工程を行う。
第１接続体１と第２接続体２の接続部２１（Ｌ）の一部にピン穴３を空ける（図２、図８参照）。
ピン穴３にピン４を入れて（図３、図８参照）、第１接続体１と第２接続体２とを固定（接合）し、接続構造体１０を得る。

図８（ａ）に示したように、サイズ（深さ約５ｍｍ、直径４ｍｍφ）のピン穴３を第１接続体１の側面に上下対称となる位置で設けて、該ピン穴３を貫通するようにピン４を第１接続体１から第２接続体２へ上下で配する。すなわち、該ピン４は、上述した第２接続体２の凹部に嵌入される。これによって、第１接続体１と第２接続体２とをより強く接合した接続構造体１０を得る。
かかる際において、図８（ｂ）に示すように、第１接続体１に貫通孔（ピン穴３）を設けるとともに、これに対応する貫通孔（３）を第２接続体２に形成することで、１本のピン４にて、第１接続体１と第２接続体２とを接合することができるのは勿論である。また、ピン４については、第１接続体１の側面に上下対称となる位置にピン穴３を設けることなく、当該側面上に複数本のピン穴３を等間隔に配設することもできる。

さらに、本発明の接続構造体によれば、冷やしばめに加えて接続部２１をピン４で留めることで十分な接続力が得られる。これは、接続部２１をピン４で留めることで接続部２１での第２接続体２の変形を抑えることができ、接続部２１での接続力の低下を抑える事ができるためと考える。また、ピン穴３の深さ（図８（ａ）に示した例では、約５ｍｍ）を第２接続体２の変形を抑える程度に留めることで、ピン４での第２接続体２の破断を抑えることができる。

また、本発明においては、図１１左図に示したように、第１接続体１における挿通部１１の内面に第１嵌合部からなる凹部１２を有し、図１１右図に示したように、第２接続体２の接続部２１が、当該凹部１２に対応して係合する第２嵌合部からなる凸部２２を有するようにしてもよい。該接続構造体は、凹部１２と凸部２２の嵌合又は係合によって、接続部２１での接続力の低下を抑える事ができる。また、第１接続体１の第１嵌合部を凸部（図示せず）とし、第２接続体２の第２嵌合部を凹部（図示せず）とすることができるのは勿論である。

以下に本発明における技術的意義を述べる。
本発明の接続構造体によれば、第１接続体１と、形状記憶合金からなる第２接続体２とを接続することができる。
仮に、形状記憶合金からなる第２接続体２同士であれば、第１接続体１を間に介することで、本発明の方法により接続することができる。また、図９に示したとおり、鉄等の非形状記憶合金からなる棒材（例えば、鉄棒２０）を形状記憶合金からなる第２接続体２と、接合したい場合、まず、第１接続体１と、形状記憶合金からなる第２接続体２とを本発明の方法により接続する（接続構造体１０を形成する）。そして、第１接続体１の形状記憶合金からなる第２接続体２と接続していない方の一端部内をねじ切りし、鉄棒（別体２０）の一端（外部）もねじ切りすることによって、鉄棒２０と第１接続体１をねじで接合（螺合）する。すなわち、形状記憶合金からなる第２接続体２と鉄棒２０は第１接続体１を間に介して接合することができる。
また、第１接続体１に図１０（ａ）に示すような一端部に形成される凹形状を用いたときは、例えば図１０（ｂ）に示すように凹んで無い方の端部の外面をねじ切りして、一端をねじ切りした鉄棒２０と第１接続体１をナット等で接合することができる。また、例えば図１０（ｃ）に示すように凹んで無い方の端部の内部をねじ切りすることによって鉄棒２０と第１接続体１をねじで接合することができる。

さらに、本発明の接続構造体１０は、接続前の第２接続体２の接続部２１の外径をＤ、第１接続体１における挿通部１１の内径をｄとしたとき、Ｄ／ｄが１．０１〜１．０８であることが好ましい。
形状記憶（超弾性）特性を有してなる第２接続体２は、例えば図７に示すようなＳ−Ｓカーブを与え、ひずみ量が約１〜８％で応力一定になるステージ部を有する。従って、縮径によるひずみ量が約１〜８％になるようにすれば、第１接続体１と第２接続体２の接着力が一定となり、安定した接合力が得られる。従って、Ｄ／ｄが１．０１〜１．０８が好ましい。また、ひずみ量８％を超える加工を第２接続体２（接続構造体）に加えようとすると、加工力が急速に大きくなり、スエージング（縮径の為に行われる鍛造加工などのこと）時に第２接続体２が曲がる原因になる上、第２接続体２が塑性変形してしまい縮径した第２接続体２を室温に戻しても元の径（太さ）に戻らなくなる可能性がある。

本発明の接続構造体１０は、例えば、直径が約１０〜１５ｍｍ程度のブレースや鉄筋に応用して、建築部材とすることができる。鉄製のブレースや鉄筋の一部分を形状記憶合金からなる第２接続体２に置き換えることで、地震等により建物に変形が加えられても、形状記憶効果で元の形状に戻ることができる。鉄製のブレースや鉄筋と形状記憶合金からなる第２接続体２との接続に、本発明の接続構造体と接続構造体の製造方法が応用できる。

第１接続体１の材質には、特に制限はなく、ねじ切りしやすさ、強度、コストを考慮すると、ステンレススチール材（例えば、ＳＵＳ３０４製）が好ましい。

本発明の接続構造体１０において、第２接続体２を構成する形状記憶合金および超弾性合金の種類には特に制限はない。例えば、Ｎｉ−Ｔｉ系合金やＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ系合金などが使用できる。その中でも、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ系合金を用いることが好ましい。以下に、好ましい組成などについて述べる。

＜Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ系合金材の組成＞
形状記憶特性及び超弾性を有する本発明で用いられる銅系合金は、Ａｌ及びＭｎを含有した合金である。この合金は、高温でβ相（体心立方）単相（以下、単にβ単相ともいう）になり、低温でβ相とα相（面心立方）の２相組織（以下、単に（α＋β）相ともいう）になる。合金組成により異なるが、β単相となる高温は通常７００℃以上であり、（α＋β）相となる低温とは通常７００℃未満である。

本発明で用いられるＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ系合金材は、３．０〜１０．０質量％のＡｌ、及び５．０〜２０．０質量％のＭｎを含有し、残部Ｃｕと不可避的不純物からなる組成を有する。Ａｌ元素の含有量が少なすぎるとβ単相を形成できず、また多すぎると合金材が脆くなる。Ａｌ元素の含有量はＭｎ元素の含有量に応じて変化するが、好ましいＡｌ元素の含有量は６．０〜１０．０質量％である。Ｍｎ元素を含有することにより、β相の存在範囲が低Ａｌ側へ広がり、冷間加工性が著しく向上するので、成形加工が容易になる。Ｍｎ元素の添加量が少なすぎると満足な加工性が得られず、かつβ単相の領域を形成することができない。またＭｎ元素の添加量が多すぎると、十分な形状回復特性が得られない。好ましいＭｎの含有量は８．０〜１２．０質量％である。

上記必須の添加成分元素以外に、本発明で用いられるＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ系合金材はさらに任意の副添加元素として、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｐ、Ｂｅ、Ｓｂ、Ｃｄ、Ａｓ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｂ、Ｃ、Ａｇ及びミッシュメタル（Ｐｒ、Ｎｄなど）からなる群より選ばれた１種または２種以上を含有することができる。これらの副添加元素は冷間加工性を維持したままＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ系合金材の強度を向上させる効果を発揮する。これらの副添加元素の含有量は合計で０．０００〜１０．０００質量％であるのが好ましく、特に０．００１〜５．０００質量％が好ましい。これら副添加元素の含有量が多すぎるとマルテンサイト変態温度が低下し、β単相組織が不安定になる。

Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｓｎは基地組織の強化に有効な元素である。ＣｏはＣｏ−Ａｌ金属間化合物の形成により結晶粒を粗大化するが、過剰になると合金の靭性を低下させる。Ｃｏの含有量は０．００１〜２．０００質量％である。Ｎｉ及びＦｅの含有量はそれぞれ０．００１〜３．０００質量％である。Ｓｎの含有量は０．００１〜１．０００質量％である。

Ｔｉは阻害元素であるＮ及びＯと結合し酸窒化物を形成する。またＢとの複合添加によってボライドを形成し、強度を向上させる。Ｔｉの含有量は０．００１〜２．０００質量％である。

Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｚｒは硬さを高める効果を有し、耐摩耗性を向上させる。またこれらの元素はほとんど基地に固溶しないので、β相（ｂｃｃ結晶）として析出し、強度を向上させる。Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｚｒの含有量はそれぞれ０．００１〜１．０００質量％である。

Ｃｒは耐摩耗性及び耐食性を維持するのに有効な元素である。Ｃｒの含有量は０．００１〜２．０００質量％である。Ｓｉは耐食性を向上させる効果を有する。Ｓｉの含有量は０．００１〜２．０００質量％である。Ｗは基地にほとんど固溶しないので、析出強化の効果がある。Ｗの含有量は０．００１〜１．０００質量％である。

Ｍｇは阻害元素であるＮ及びＯを除去する効果があるとともに、阻害元素であるＳを硫化物として固定し、熱間加工性や靭性の向上に効果がある。Ｍｇの多量の添加は粒界偏析を招き、脆化の原因となる。Ｍｇの含有量は０．００１〜０．５００質量％である。

Ｐは脱酸剤として作用し、靭性向上の効果を有する。Ｐの含有量は０．０１〜０．５０質量％である。Ｂｅ、Ｓｂ、Ｃｄ、Ａｓは基地組織を強化する効果を有する。Ｂｅ、Ｓｂ、Ｃｄ、Ａｓの含有量はそれぞれ０．００１〜１．０００質量％である。

Ｚｎは形状記憶処理温度を上昇させる効果を有する。Ｚｎの含有量は０．００１〜５．０００質量％である。Ｂ、Ｃは適量であればピン止め効果が得られより結晶粒が粗大化する効果がある。Ｂ及び／又はＣは、特にＴｉ及び／又はＺｒとの複合添加が好ましい。Ｂ、Ｃの含有量はそれぞれ０．００１〜０．５００質量％である。

Ａｇは冷間加工性を向上させる効果がある。Ａｇの含有量は０．００１〜２．０００質量％である。ミッシュメタルは適量であればピン止め効果が得られるので、より結晶粒が粗大化する効果がある。ミッシュメタルの含有量は０．００１〜５．０００質量％である。なお、ミッシュメタルとは、Ｐｒ、ＬａやＣｅ、Ｎｄなど単体分離の難しい希土類元素の合金のことを指す。

＜Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ系合金材の製造方法＞
本発明で用いられるＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ系合金材において、上記のような安定的に良好な超弾性特性を奏して耐繰返し変形特性に優れる超弾性合金材を得るための製造条件としては、例えば、下記のような製造工程を挙げることができる。

Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ系合金材の製造工程は、図６に示すように主として溶解・鋳造［工程１］、熱間鍛造・加工［工程２］、中間焼鈍［工程３］、冷間加工［工程４］、記憶熱処理［工程５］、時効処理［工程６］からなる。
製造工程全体の中で特に、中間焼鈍［工程３］での熱処理温度［３］を４００〜６８０℃の範囲とし、冷間加工（具体的には冷間圧延もしくは冷間伸線）［工程４−１］での冷間圧延率もしくは冷間伸線の加工率［５］を３０％以上の範囲とすることにより、安定的に良好な超弾性特性を奏するＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ系合金材が得られる。これに加えて、記憶熱処理［工程５−１］〜［工程５−１０］において、（α＋β）相になる温度域［８］と［１４］（合金組成により異なるが４００〜６５０℃、好ましくは４５０℃〜５５０℃）からβ単相になる温度域［１１］と［１７］（合金組成により異なるが通常７００℃以上、好ましくは７５０℃以上、さらに好ましくは９００℃〜９５０℃）までの加熱［工程５−３］と［工程５−７］での昇温速度［１０］と［１６］とを、いずれも０．１〜２０℃／分という所定の遅い範囲に制御する。これに加えて、β単相になる温度域［１１］から（α＋β）相になる温度域［１４］までの冷却［工程５−５］での降温速度［１３］を、０．１〜２０℃／分という所定の遅い範囲に制御する。さらに、前記（α＋β）相になる温度域［８］からβ単相になる温度域［１１］までの加熱［工程５−３］の後で、β単相になる温度域［１１］での所定時間［１２］の保持［工程５−４］から、その後の、β単相になる温度域［１１］から（α＋β）相になる温度域［１４］まで０．１〜２０℃／分の降温速度［１３］で冷却［工程５−５］し、該温度域［１４］に所定時間［１５］保持［工程５−６］を経て、さらに、（α＋β）相になる温度域［１４］からβ単相になる温度域［１７］まで０．１〜２０℃／分の昇温速度［１６］で加熱［工程５−７］し、さらに該温度域［１７］に所定時間［１８］保持［工程５−８］するまでの、［工程５−４］から［工程５−８］までを少なくとも１回、好ましくは少なくとも４回繰り返して行う（［工程５−９］）。この後、最後に急冷［工程５−１０］する。

好ましくは、次のような製造工程が挙げられる。
常法によって溶解・鋳造［工程１］と熱間圧延または熱間鍛造の熱間加工［工程２］を行った後、４００〜６８０℃［３］で１〜１２０分［４］の中間焼鈍［工程３］と、その後に、加工率３０％以上［５］の冷間圧延または冷間伸線の冷間加工［工程４−１］とを行う。ここで、中間焼鈍［工程３］と冷間加工［工程４−１］とはこの順で１回ずつ行ってもよく、この順で２回以上の繰り返し回数［６］で繰り返して［工程４−２］行ってもよい。その後、記憶熱処理［工程５−１］〜［工程５−１０］を行う。

前記記憶熱処理［工程５−１］〜［工程５−１０］は、（α＋β相）になる温度域（例えば、４５０℃）［８］からβ単相になる温度域（例えば、９００℃）［１１］までを０．１〜２０℃／分、好ましくは０．１〜１０℃／分、さらに好ましくは０．１〜３．３℃／分の昇温速度［１０］（以下、除昇温という。）で加熱［工程５−３］して、該加熱温度［１１］に５分〜４８０分、好ましくは１０〜３６０分［１２］保持［工程５−４］してなり、さらにβ単相になる温度域（例えば、９００℃）［１１］から（α＋β相）になる温度域（例えば、４５０℃）［１４］までを０．１〜２０℃／分、好ましくは０．１〜１０℃／分、さらに好ましくは０．１〜３．３℃／分の降温速度［１３］で（以下、除降温という。）冷却［工程５−５］して、該温度［１４］に２０〜４８０分、好ましくは３０〜３６０分［１５］保持［工程５−６］する。その後、再び（α＋β相）になる温度域（例えば、４５０℃）［１４］からβ単相になる温度域（例えば、９００℃）［１７］まで上記徐昇温の昇温速度［１６］で加熱［工程５−７］して、該温度［１７］に５分〜４８０分、好ましくは１０〜３６０分［１８］保持［工程５−８］する。このような徐降温［１３］［工程５−５］と徐昇温［１６］［工程５−７］を繰り返す［工程５−９］ことを少なくとも１回、好ましくは少なくとも４回の繰り返し回数［１９］で行う。その後、急冷［工程５−１０］、例えば水冷の各工程を有してなる。
α＋β単相になる温度域でかつ本発明で定める温度域は４００〜６５０℃、好ましくは４５０〜５５０℃とする。
β単相になる温度域は７００℃以上、好ましくは７５０℃以上、さらに好ましくは９００〜９５０℃とする。

前記記憶熱処理［工程５−１］〜［工程５−１０］の後には、１００〜２００℃［２１］で５〜１２０分［２２］の時効熱処理［工程６］を施すことが好ましい。時効温度［２１］が低すぎるとβ相は不安定であり、室温に放置しているとマルテンサイト変態温度が変化することがある。逆に時効温度［２１］がやや高いとベイナイト（金属組織）、高すぎるとα相の析出が起こる。特にα相の析出は形状記憶特性や超弾性を著しく低下させる傾向がある。

中間焼鈍［工程３］と冷間加工［工程４−１］を繰り返し行う［工程４−２］ことで、結晶方位をより好ましく集積させることができる。中間焼鈍［工程３］と冷間加工［工程４−１］の繰り返し数［６］は、１回でも良いが、好ましくは２回以上、さらに好ましくは３回以上である。前記中間焼鈍［工程３］と前記加工［工程４−１］の繰り返し回数［６］が多いほど特性が向上するためである。

（各工程の好ましい条件）
中間焼鈍［工程３］は、４００〜６８０℃［３］で１分〜１２０分［４］とする。この中間焼鈍温度［３］はより低い温度とすることが好ましく、好ましくは４００〜５５０℃とする。
冷間加工［工程４−１］は加工率３０％以上［５］とする。ここで、加工率は次の式で定義される値である。
加工率（％）＝｛（Ａ_１−Ａ_２）／Ａ_１｝×１００
Ａ_１は冷間加工（冷間圧延もしくは冷間伸線）前の試料の断面積であり、Ａ_２は冷間加工後の試料の断面積である。

この中間焼鈍［工程３］と冷間加工［工程４−１］とを２回以上繰り返し行う場合の累積加工率（［６］）は３０％以上とすることが好ましく、さらに好ましくは４５％以上である。累積加工率の上限値には特に制限はないが、通常９５％以下である。
前記記憶熱処理［工程５−１］〜［工程５−１０］においては、まず［工程５−１］では、前記冷間加工後に室温から昇温速度［７］（例えば、３０℃／分）で（α＋β相）になる温度域（例えば、４５０℃）［８］まで昇温する。その後、（α＋β相）になる温度域（例えば、４５０℃）［８］で２〜１２０分、好ましくは１０〜１２０分［９］保持［工程５−２］する。その後、（α＋β相）になる温度域（例えば、４５０℃）［８］からβ単相になる温度域（例えば、９００℃）［１１］まで加熱［工程５−３］する際には、昇温速度［１０］を前記徐昇温の０．１〜２０℃／分、好ましくは０．１〜１０℃／分、さらに好ましくは０．１〜３．３℃／分とする。その後、この温度域［１１］に５〜４８０分、好ましくは１０〜３６０分［１２］保持［工程５−４］する。その後、β単相になる温度域（例えば、９００℃）［１１］から（α＋β相）になる温度域（例えば、４５０℃）［１４］まで０．１〜２０℃／分、好ましくは０．１〜１０℃／分、さらに好ましくは０．１〜３．３℃／分の降温速度［１３］で冷却［工程５−５］し、この温度域［１４］で２０〜４８０分、好ましくは３０〜３６０分［１５］保持［工程５−６］する。その後、再び（α＋β相）になる温度域（例えば、４５０℃）［１４］からβ単相になる温度域（例えば、９００℃）［１７］まで前記徐昇温の昇温速度［１６］で加熱［工程５−７］し、この温度域［１７］に５〜４８０分、好ましくは１０〜３６０分［１８］保持［工程５−８］する。このような［工程５−４］〜［工程５−８］（条件［１１］〜［１８］）を繰り返し［工程５−９］少なくとも１回、好ましくは少なくとも４回［１９］行う。
急冷［工程５−１０］時の冷却速度［２０］は、通常３０℃／秒以上、好ましくは１００℃／秒以上、さらに好ましくは１０００℃／秒以上とする。
最後の任意の時効熱処理［工程６］は、通常１００〜２００℃［２１］で５〜１２０分［２２］、好ましくは１２０〜２００℃［２１］で５〜１２０分［２２］行う。

以下に、本発明を実施例に基づき、さらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。

（実施例）
本発明のＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ系形状記憶合金からなる第２接続体２は、以下の方法で作成した。８．１質量％Ａｌ、１１．１質量％Ｍｎ、残部Ｃｕの配合材料を高周波真空溶解炉にて溶解鋳造し、８００℃で熱間鍛造、６００℃で熱間圧延、５２０℃の中間焼鈍と冷間加工率４０％の冷間伸線に付し、直径１１．２ｍｍの棒部材（第２接続体２）を作製した。電気炉内で昇温速度１０℃／ｍｉｎで５００℃にし、５００℃で１時間保持後、昇温速度１．０℃／ｍｉｎで９００℃に達した後、９００℃で１０分保持、その後降温速度１．０℃／ｍｉｎで５００℃にし、５００℃で１時間保持後、昇温速度１．０℃／ｍｉｎで９００℃に達した後、１時間保持後に、水中急冷した。その後１３０℃、熱処理時間３０分の時効処理を行い、超弾性を発現させた。このようにしてＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ系形状記憶合金からなる第２接続体２を得た。但し、中間焼鈍と冷間伸線を２〜４回繰り返し行うことが好ましい。

鋼製の管材（第１接続体１）としては、市販のＳＵＳ３０４製シームレス管（管の肉厚３．２ｍｍ、管の内径１０．９ｍｍ）を用いた。

実施例１の接続構造体は、上記Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ系形状記憶合金からなる第２接続体２と第１接続体１を用いて、次のようにして接合させた。
１．Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ系第２接続体２（外径φ１１．２ｍｍ）を液体窒素で冷やした。
２．Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ系第２接続体２の先端（接続部２１）をスエージング加工した（外径φ１０．６ｍｍまで）。
３．Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ系第２接続体２の先端を第１接続体１（内径φ１０．９ｍｍ）に嵌め込んだ。
４．室温（２３℃）になるまで放置した。
５．引っ張って接合力を確認した。
実施例１の接続構造体について、応力−ひずみ曲線（Ｓ−Ｓカーブ）は、図５に示したものとなった。

実施例２、３、４の接続構造体では、上記Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ系形状記憶合金からなる第２接続体２と第１接続体１を用いて、前記工程１．〜４．の後で、以下の工程（５．以降）を行って接合させた。ピン穴などのサイズは、図８に示した通りとした。実施例２、３、４の接続構造体は、Ｄ／ｄが相違する以外は同様に作成した。
５．第１接続体１と第２接続体２の接続部２１（前記長さＬの内の一部）にピン穴３を空けた（図２、図８参照）。
６．ピン穴３にピン４を入れて（図３参照）、第１接続体１と第２接続体２を固定（接合）した。
７．引っ張って接合力を確認した。
実施例２の接続構造体について、応力−ひずみ曲線（Ｓ−Ｓカーブ）は、図４に示したものとなった。実施例２の接続構造体では、接続部２１を除く平行部（図１参照）で破断した。

（比較例）
比較例１は、ピン止めのみでの接続で接合させた。
ピン止めのみでの接続は、φ１１．２ｍｍの形状記憶合金からなる第２接続体２に穴を穿ち、更に内径１１．３ｍｍのＳＵＳからなる第１接続体１にも同一サイズの穴を空けて、第２接続体２を第１接続体１に挿し込んで両方の穴が合うようにして穴にピン４を挿し込んで固定した。

比較例２は、ねじ切りによって、接合させた。
φ１１．２ｍｍの形状記憶合金からなる第２接続体２の一端部を３０ｍｍ長さでねじ切りして、Ｍ１１（外径１１ｍｍ）の長ナットと接続させた。

比較例３は、ＳＵＳからなる第２接続体２とＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ系形状記憶合金からなる第１接続体１を次のように接合させた。
１．外径１７．３ｍｍ、長さ１００ｍｍの形状記憶合金からなる第１接続体１に対して、ガンドリルでφ１０．９ｍｍの穴をあけ、第１接続体１を作製した。
２．第１接続体１を液体窒素で冷やした後、穴を拡径（拡管）した。
３．φ１１．２ｍｍのＳＵＳからなる第２接続体２を第１接続体１に嵌め込んだ。
４．室温（２３℃）になるまで放置した。
５．引っ張って接合力を確認した。

各実施例、比較例について、引張試験を行い、第２接続体２が第１接続体１から滑ってしまう荷重（引張応力）を測定した。
以上の結果を、各実施例、比較例について、Ｄ／ｄと併せて、下記表１に示す。

表１に示した結果から以下のことが明らかである。
実施例１の接続構造体では、引張による接合部２１での第２接続体２の変形量が小さく、負荷が約１５０ＭＰａ以下であれば、接合部２１での接合力は引張力に抗して接続は維持される。約１５０ＭＰａを超えると、第２接続体２が接続部２１で超弾性変形して接合部２１で滑り始めるため、接合力が低下する。

・ピン止め部で破断しなかった理由
ピン止め部では第２接続体２の面積が狭くなっているため、引張試験を行うと、そこから破断すると思われた。しかし、実施例２、３、４の接続構造体では、平行部（図１参照）でネッキング破断した。その理由は、ピン止め部周りは第１接続体１と第２接続体２が密着しており、引張力が第２接続体２のみではなく第１接続体１にも分担されるため、平行部よりもピン止め部の方が負荷応力が小さくなったためと思われる。
・ピン止めが効果があった理由
実施例２、３、４の接続構造体では、ピンで補強したことで、超弾性変形が抑えられ、第２接続体２の接続部２１が縮径されることなく、内圧が保たれたため接合力が保持されたと思われる。

実施例４の接続構造体では、Ｄ/ｄが大きいために縮経加工時に塑性変形してしまい、低温から室温に戻したときの形状回復量が少ないために、第１接続体１と第２接続体２の密着力が実施例２、３と比較して、低下したと思われる。そのために引張応力が低いと思われる。

実際、第１接続体１と第２接続体２とをピン止めのみで接続した場合（比較例１）には、ピン止め部で破断した。
ねじ切りで接合した比較例２では、ねじの谷の部分が起点となり破断した。ねじにすることで径の小さい谷の部分に応力集中したために破断したと考えられる。形状記憶合金は形状回復効果があるため、転造ねじ加工ができずに切削ねじ加工しかできない。切削加工するためコストが高くなる。従って比較例２は、各実施例と比較してコストが高く、特に、実施例２、３と比較して引張応力が低い。
ここで、「転造」とは、型を押し付けて回転させることで、棒（例えば、第２接続体）を押して延ばすことにより、ねじ等の形状に塑性加工する加工である。

比較例３は、第１接続体（１）をＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ系形状記憶合金製とし、且つ、第２接続体（２）をＳＵＳ製として試験した結果であり、実施例とは管（第１接続体）と棒（第２接続体）の材質が逆である。この場合、ＳＵＳからなる第２接続体（２）を引っ張るとＳＵＳの降伏応力は４００〜５００ＭＰａとＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ系形状記憶合金より高いため、１３０ＭＰａを超えると第１接続体（１）が接続部で超弾性変形して接合部で滑り始めるため、接合力（引張応力）が低下する。

１０ 本発明の一実施態様の接続構造体
１ 第１接続体
１１ 挿通部
２ 第２接続体
２１ 接続部
３ ピン用の穴
４ ピン
２０ 鉄棒

Claims (7)

1. 挿通部を有する第１接続体と、
   前記挿通部の内面に対する復元状態で圧接可能な接続部を有し、形状記憶合金からなる第２接続体と、
   を備えてなることを特徴とする接続構造体。
2. 前記接続部は凹部又は貫通孔を有してなり、
   前記第１接続体を貫通し前記凹部又は貫通孔に陥入される係止部材を備える請求項１に記載の接続構造体。
3. 前記挿通部の内面に第１嵌合部を有してなり、
   前記接続部は、前記第１嵌合部に対応する第２嵌合部を有する請求項１に記載の接続構造体。
4. 前記形状記憶合金がＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ系合金である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の接続構造体。
5. 前記第２接続体は、３．０〜１０．０質量％のＡｌ、及び５．０〜２０．０質量％のＭｎを含有し、残部Ｃｕと不可避的不純物からなる組成を有し、かつ任意の副添加元素として、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｐ、Ｂｅ、Ｓｂ、Ｃｄ、Ａｓ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｂ、Ｃ、Ａｇ及びミッシュメタルからなる群より選ばれた１種または２種以上を含有することができ、これらの任意の副添加元素の含有量は合計で０．０００〜１０．０００質量％で形成されたＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ系形状記憶合金からなる請求項１乃至４のいずれか１項に記載の接続構造体。
6. 第１接続体と第２接続体とを接続する接続構造体の製造方法であって、
   形状記憶合金からなり、前記第１接続体に形成される挿通部の内径より大きい外径の接続部を有する前記第２接続体をＭｆ点以下に冷却する工程と、
   前記接続部の外径を前記挿通部の内径より小さく縮径加工する工程と、
   前記接続部を前記第１接続体に嵌め込み、Ａｆ点以上に加温する工程と、
   を備えることを特徴とする接続構造体の製造方法。
7. 円筒状からなる前記接続部の外径をＤ、管形状からなる前記挿通部の内径をｄとしたとき、Ｄ／ｄが１．０１〜１．０８である請求項６項に記載の接続構造体の製造方法。
   
   

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