JP3639181B2 - Ｍｎ系合金 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は形状記憶機能および磁気形状記憶機能を有するＭｎ系合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＴｉＮｉ合金に代表される形状記憶合金は、マルテンサイト変態に伴う形状記憶効果および超弾性を示すことが知られ、現在、エアコン、携帯電話、炊飯器などに幅広く使用されている。これらの形状記憶合金では数％にも及ぶ大きな歪み量が得られる。しかし、これらの合金において形状記憶現象を発現させる場合、通常、加熱と冷却の制御が必要になる。この場合、冷却時の応答性は試料からの熱放散で律速されるため、応答性が遅いことが実用上問題となっている。
【０００３】
これに対して、最近、形状記憶現象を熱ではなく磁気的に制御でき、大きな歪みと高速応答性を得られる合金が報告されている。こうした合金の最初の報告例はＮｉ2ＭｎＧａ合金である（Appl. Phys. Lett., 69, 1966(1996)）。Ｎｉ2ＭｎＧａ合金はホイスラー系の結晶構造を有し、希土類系の超磁歪材料と同等の歪み量が観測され、注目を集めた。この合金では、外部磁場の印加により形状記憶現象を起こす原因となっている双晶変形の誘起、移動、再配列が起こる。米国、ロシアなどでは、上記のような磁気的機能を兼ね備えた形状記憶合金の探索が精力的に行われている。しかし、Ｎｉ2ＭｎＧａ合金の歪み量は十分ではなく、機能素子として応用できるまでには至っていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、形状記憶合金における熱的制御に対する応答性が遅いという問題を克服し、かつＮｉ2ＭｎＧａ合金よりも大きな歪みを発現できるＭｎ系合金を提供することにある。このような磁場誘起型の巨大歪み形状記憶合金を開発することにより、センサ、アクチュエータの新用途分野を開拓することが期待される。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のＭｎ系合金は、下記一般式
Ｍｎa（Ｃｏ100-mＴ’m）b（Ｇｅ100-nＸ’n）1-a-b
（ここで、Ｔ’はＦｅ，Ｎｉからなる群より選択される少なくとも１種の元素、Ｘ’はＳｉ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｇａからなる群より選択される少なくとも１種の元素であり、ａ，ｂは原子比で、０．２≦ａ≦０．４、０．２≦ｂ≦０．４を満たし、ｍ，ｎは原子％で、０＜ｍ≦５０、０＜ｎ≦５０を満たす）
で表され、外部磁場によりマルテンサイト変態が誘起されることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明のＭｎ系合金は、外部磁場を印加することによって、大きな歪みを発現する。そして、一般式Ｍｎa（Ｃｏ100-mＴ’m）b（Ｇｅ100-nＸ’n）1-a-bにおいて、ａ，ｂは原子比で、０．２≦ａ≦０．４、０．２≦ｂ≦０．４、ｍ，ｎは原子％で、０＜ｍ≦５０、０＜ｎ≦５０の組成を選択することにより、歪み量を変化させることができる。
また、本発明のＭｎ系合金は、組成を調整することにより、逆変態終了温度を所望の範囲で任意に変えることができ，通常の生活環境温度近傍で形状記憶合金として利用することが可能になる。具体的には、組成を選択することにより、マルテンサイト変態の逆変態終了温度を−２０〜３００℃の範囲で任意に設定できる。
【００１０】
すなわち、本発明に係るＭｎ系合金では、コスト面からは、Ｔ’としてＦｅまたはＮｉ、Ｘ’としてＳｉ，Ａｌを多量に含有させることが望ましい。なお、ＣｏがＴ’により置換される割合は５０原子％以下、ＧｅがＸ’により置換される割合は５０原子％以下であることが好ましい。
【００１１】
本発明のＭｎ系合金は、マルテンサイト逆変態終了温度以上の温度において、主相がＮｉ2Ｉｎ型結晶構造を有する場合に特に優れた性能を発揮する。
【００１２】
本発明のＭｎ系合金は、Ｍｎ，Ｃｏ，Ｔ’，ＧｅおよびＸ’の総量の２０原子％以下がＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｎ，Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｐ，Ｓからなる群より選択される少なくとも１種の元素で置換されていてもよい。これらの元素は、合金の歪み量などの特性だけでなく、耐環境性や経済性の向上にも寄与する。
【００１３】
本発明のＭｎ系合金は、焼結などの方法により作製することもできるし、溶湯を急冷凝固することにより作製することもできる。たとえば、溶湯の急冷速度などによって合金の結晶状態を調整することにより、マルテンサイト逆変態終了温度を調整することができる。溶湯の急冷速度に関しては、たとえば双ロール法ではロール速度を３０ｍ／ｓまでの範囲で調整することが好ましい。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００１５】
実施例６以外の実施例および比較例のサンプルの作製方法は以下の通りである。表１に示す組成を有する合金インゴットをアーク溶解により作製した。合金インゴットを粉砕した後、８５０℃×１０時間の条件で焼結して、外径４ｍｍの棒状サンプルを作製した。
【００１６】
実施例６のサンプルの作製方法は以下の通りである。表１に示す組成を有する合金の溶湯を、２５ｍ／ｓのロール速度で回転している双ロール上に注いで溶湯急冷法により薄帯サンプルを作製した。
【００１７】
これらのサンプルについて、マルテンサイト逆変態終了温度（Ａｆ）、キュリー温度および歪み量を評価した。
【００１８】
歪み量は、抗磁性ゲージを用い、Ａｆ直下の温度で対向磁極型電磁石により発生させた２ｋＯｅの磁場中で測定した。表１において、各実施例の歪み量としては、比較例の歪み量を１として規格化した値を示している。
【００１９】
【表１】
Figure 0003639181
【００２０】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、従来よりも大きな歪みが得られるＭｎ系合金を提供することができる。ひいては、従来の形状記憶合金よりも高速応答が可能で、変位量の大きなアクチュエータの実現も可能になる。

Claims (5)

  1. 下記一般式
    Ｍｎa（Ｃｏ100-mＴ’m）b（Ｇｅ100-nＸ’n）1-a-b
    （ここで、Ｔ’はＦｅ，Ｎｉからなる群より選択される少なくとも１種の元素、Ｘ’はＳｉ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｇａからなる群より選択される少なくとも１種の元素であり、ａ，ｂは原子比で、０．２≦ａ≦０．４、０．２≦ｂ≦０．４を満たし、ｍ，ｎは原子％で、０＜ｍ≦５０、０＜ｎ≦５０を満たす）
    で表され、外部磁場によりマルテンサイト変態が誘起されることを特徴とするＭｎ系合金。
  2. マルテンサイト変態の逆変態終了温度が−２０〜３００℃の範囲にあることを特徴とする請求項１記載のＭｎ系合金。
  3. 前記マルテンサイト逆変態終了温度以上の温度において、主相がＮｉ2Ｉｎ型結晶構造を有することを特徴とする請求項２記載のＭｎ系合金。
  4. 溶湯を急冷凝固することにより作製されることを特徴とする請求項１記載のＭｎ系合金。
  5. Ｍｎ，Ｃｏ，Ｔ’，ＧｅおよびＸ’の総量の２０原子％以下をＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｎ，Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｐ，Ｓからなる群より選択される少なくとも１種の元素で置換したことを特徴とする請求項１記載のＭｎ系合金。
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