JP4231188B2 - Ni−Mn−Ga系形状記憶合金薄膜とその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ni−Mn−Ga系形状記憶合金とその製造方法に関し、詳しくは、主としてアクチュエーター用素子に用いられるNi−Mn−Ga系形状記憶合金とその製造方法するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、TiNi合金、CuZn合金などの形状記憶合金は、マルテンサイト変態の逆変態に付随して顕著な形状記憶効果および、超弾性を示すことは良く知られている。ここで、形状記憶効果とは、マルテンサイト相で外部応力によって受けた変形が母相に逆変態すると同時に回復することである。中でもTiNi合金は最も性能に優れる合金としても知られ、エアコン、シャワーバルブ、メガネフレーム、及び携帯電話のアンテナなどに幅広く使われている。一方、Ni−Mn−Ga合金もマルテンサイト変態を示し低温相からホイスラー型の高温相に逆変態するときに常磁性から強磁性に変化し、形状記憶効果を示すことが知られている(特開平10−259438号公報(特願平9−67046号)、参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
Ni−Mn−Ga系合金(Ni2MnGa合金)は、本質的な金属間化合物の性質である脆さを備えている。その脆さを解決するために、溶解法による添加元素の効果、または粉末治金法による検討が行われているが、満足すべき結果は得られていない。
【0004】
一方、米国ペンシルベニア大学研究グループでは単結晶化によって歪み5〜6%の形状回復の報告も行っている。
【0005】
しかし、この報告による方法では、コスト的な点から実用的ではない。
【0006】
そこで、本発明の技術的課題は、多結晶体であって、Ni−Mn−Ga系合金の本来的な形状記憶効果を損なわずに脆さの改善を行うことができるNi−Mn−Ga系形状記憶合金薄膜とその製造方法とを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、スパッタリング法によって形成された柱状組織を有するNi−Mn−Ga系形状記憶合金薄膜を800℃から1000℃の温度で熱処理してなり、前記合金薄膜は、(220)面におけるX線回折による相対強度のピークが熱処理以前よりも鋭く且つ大きく、前記(220)面の結晶配向性を有し、かつ前記熱処理によって結晶粒が成長していることを特徴とするNi−Mn−Ga系形状記憶合金薄膜が得られる。ここで、本発明のNi−Mn−Ga系形状記憶合金薄膜においては、前記熱処理による結晶粒の成長によって柱状組織ではあるが結晶粒界を持たない規則的な原子配列を備えている構造を有する。
【0008】
本発明によれば、スパッタリング法により水冷した基板上に柱状組織を有するNi−Mn−Ga系合金薄膜を形成する工程と、前記合金薄膜を800℃から1000℃での熱処理を施すことによって前記合金薄膜中の結晶粒を成長させ、前記合金薄膜の(220)面におけるX線回折による相対強度のピークが熱処理以前よりも鋭く且つ大きくなるようにする工程とを有することを特徴とするNi−Mn−Ga系形状記憶合金薄膜の製造方法が得られる。ここで、本発明において、前記合金薄膜の(220)面におけるX線回折による相対強度のピークが熱処理以前よりも鋭く且つ大きくなるようにすることは、前記熱処理以前と同様な(220)面の結晶配向性を保ちながら前記熱処理以前よりも原子配列の規則性を向上させることである。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0011】
(第1の実施の形態)
第1の実施の形態では、合金薄膜の作製例について述べる。
【0012】
スパッタリング法によりポリビニールアルコールを主成分とする基板上に5μmまで成膜した。ターゲットはNi,Mn およびMn−Ga母合金(Mn−70mol%Ga)を粉砕・混合した後、圧粉・焼結した合金粉末焼結体とした。
【0013】
合金粉末焼結体は、Ni50Mn25Ga25およびNi52Mn24Ga24の2つ組成を使用した。
【0014】
作製した合金薄膜に対する基板の影響をなくすため、温水(90℃)に浸して基板を溶解させて合金薄膜のみとした。得られた薄膜を2×10−4Pa程度の真空度によって、熱処理温度を600〜1000℃と変化させ、1時間保持し、その後、室温まで冷却した。さらに、800℃で任意時間保持し、形状記憶効果を評価した。
【0015】
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態では、合金薄膜の計測について述べる。
【0016】
図1は、スパッタ上がりのものと、各熱処理温度で熱処理したものの室温でのX線回折結果を示す図である。また、図2は同じ試料の走査型電子顕微鏡(SEM)による破断面の組織観察結果を示すSEM写真である。
【0017】
図1を参照すると、星印はガラス状態である領域、プラス印は、MnOの回折ピーク領域、2θ=43度付近の逆三角は、Ni−Mn−Gaの(220)面の回折ピークであり、2θ=81度付近の回折ピークは、(422)面の回折ピーク領域を夫々示しいている。図1に示すように、合金薄膜を800℃以上で熱処理を施すことで、立方晶構造(高温相)からの回折ピークが鋭くなり(220)面の結晶配向性を保ちながら原子配列の規則性が、もっとも向上している。
【0018】
図2を参照すると、合金薄膜の組織は、スパッタリングした状態で柱状組織を示すが、熱処理を施すことにより、スパッタリングされた原子が合金薄膜中において活発に拡散し、柱状組織を形成している結晶粒が成長することが分かる。また、この結晶粒が成長することにより柱状組織の結晶粒界は不明瞭となる。
【0019】
(第3の実施の形態)
第3の実施の形態では、形状記憶効果の評価について説明する。
【0020】
下記表1及び表2は、熱処理を施した薄膜における、変形度および形状記憶特性を調査した結果を示している。尚、表1及び表2において、変形度とはマルテンサイト相温度域の変形可否の程度を意味し、形状回復度とは前記変形後、母相に過熱したときの形状回復性を意味している。
【0021】
【表1】
【0022】
【表2】
【0023】
上記表1及び表2から800℃〜1000℃の熱処理より、変形度および、形状記憶特性が向上したことがわかる。また、Ni52Mn24Ga24ターゲットを用い、高周波電力200Wで作製された合金薄膜では、湾曲させた後、加熱により61℃付近から逆マルテンサイト変態に起因する形状回復が始まり、63℃付近で、元の形状に戻った。この形状回復過程における温度領域は、DSC曲線より得られた逆マルテンサイト変態開始点(As=56℃)および終了点(Af=64℃)間の温度領域と一致している。
【0024】
本系合金薄膜における形状回復までの温度領域は約5℃と非常に狭い温度領域での一方向形状記憶効果が発現した。
【0025】
熱処理温度を800℃一定として、保持時間を変化させたときの形状回復特性を下記表3に示す。
【0026】
【表3】
【0027】
上記表3の結果から、保持時間の増加に伴い、結晶配向性が強くなることが確認された。保持時間が60〜120分間のとき、もっとも結晶性が高く析出物がほとんど見られない合金薄膜が得られた。
【0028】
【発明の効果】
以上に述べた通り、このNi−Mn−Ga系合金薄膜によれば、800℃〜1000℃程度の熱処理によって、(220)の結晶配向性を保ちながら、原子配列の規則性を向上させることができ、薄膜化とすることで、延性および形状記憶合金としての応答性を、各段に向上させることができ、マイクロマシン用アクチュエーターとして利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】スパッタ5μm膜とそれを700〜1000℃で熱処理したときのX線回折図である。
【図2】スパッタ5μm膜とその熱処理材における破断面の金属組識を示すSEM写真である。
Claims (2)
- スパッタリング法によって形成された柱状組織を有するNi−Mn−Ga系形状記憶合金薄膜を800℃から1000℃の温度で熱処理してなり、前記合金薄膜は、(220)面におけるX線回折による相対強度のピークが熱処理以前よりも鋭く且つ大きく、前記(220)面の結晶配向性を有し、かつ前記熱処理によって結晶粒が成長していることを特徴とするNi−Mn−Ga系形状記憶合金薄膜。
- スパッタリング法により水冷した基板上に柱状組織を有するNi−Mn−Ga系合金薄膜を形成する工程と、前記合金薄膜を800℃から1000℃での熱処理を施すことによって前記合金薄膜中の結晶粒を成長させ、前記合金薄膜の(220)面におけるX線回折による相対強度のピークが熱処理以前よりも鋭く且つ大きくなるようにする工程とを有することを特徴とするNi−Mn−Ga系形状記憶合金薄膜の製造方法。
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