JP4870324B2 - 形状記憶合金製鋳造部材およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、形状記憶合金製鋳造部材の製造方法と、この方法によって得られる鋳造部材に関する。
【0002】
【従来の技術】
Ti−Ni系形状記憶合金の製造方法としては、たとえば次のような製造工程によって製造する方法が知られている。
溶解→鍛造→圧延→伸線→冷間加工→形状記憶処理→検査→出荷
上記のTi−Ni合金の溶解は、主に高周波真空誘導溶解炉、アーク溶解炉、プラズマ溶解炉が用いられ、原料としてはスポンジTi、Niペレットなどを使用し、1350〜1500℃の加熱により行うのが一般的である。その後、鍛造・熱間圧延を経て最終冷間加工で素材(例えば、板材や線材等)にする。通常、この素材を製品形状に拘束或いは加工し、出来上がったものを、形状記憶効果あるいは超弾性を出現させるために形状記憶処理が施される。たとえば中温処理と呼ばれる形状記憶処理は、通常300〜600℃の温度範囲で数分間〜1時間程度加熱保持後、冷却するというものである。
【0003】
また、形状記憶合金製の部材の製造方法としては、特許文献1に開示の方法が知られている。特許文献1に開示の方法では、形状記憶合金の原料(TiとNi)を溶解してインゴットにする。そして、このインゴットを溶融し、その溶湯を鋳型に鋳込む。鋳込み終了後、鋳型ごと熱処理炉に入れて熱処理(すなわち、形状記憶熱処理)を行い、熱処理が終了すると鋳型を除去する。この方法では、安定して超弾性効果を有する鋳造部材を製造するために、鋳型に拘束した状態で形状記憶熱処理を施している。
【0004】
【特許文献1】
特開平11−106880号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
前者のように、難加工材に属する形状記憶合金の素材(板材や線材)をさらに加工して所望の製品形状を得ていたのでは、近年の厳しいコストダウンの要請に応えられない。一方、後者の鋳造による方法では、最終製品に近い形状のものを直接得ることはできるが、Ti原料とNi原料とを溶解炉を用いて溶解したTiNi系合金は比重差によって偏析を起こし易く、正確な形状記憶回復温度を持つ均質な材料を得ることが難しかった。また、この方法では鋳型ごと熱処理を行うため、熱処理用の特殊な鋳型を使用しなければならなかった。
【0006】
本発明は上述した実情に鑑みてなされたもので、その目的は、形状記憶合金製鋳造部材を比較的低コストで製造するとともに、その品質の向上を図ることである。
【0007】
【課題を解決するための手段および作用と効果】
上記課題は、前記各請求項に記載された発明により解決される。請求項1に記載の発明は、金属材料粉末から燃焼合成方法によって製造したTiNi系合金を溶解し、その溶解したTiNi系合金を精密鋳造法によって最終製品形状に鋳造することを特徴とする。
ここで、上記「TiNi系合金」は、TiとNiを主成分とする合金を意味する。したがって、上記「TiNi系合金」には、TiとNiと不可避的不純物からなるTiNi合金のみならず、このTiNi合金にその他さまざまな元素(例えば、Cr,Fe,Co,V,Mn,Mo,B,Cu,Nb等)を加えたものが含まれる。
この製造方法では、金属材料粉末から燃焼合成方法によって製造した形状記憶合金を溶解して用いる。この場合、溶解法によって製造した形状記憶合金を用いた場合と比べて明らかに重力偏析が起こり難くなる。このことは本願発明者が研究の過程で得た知見に基づいており原理は未だ解明されていないが、これにより、重力偏析の影響が少なく正確な形状記憶回復温度を持つ均質な形状記憶合金製鋳造部材を製造することが可能となる。また、この方法では、従来と異なり鋳型ごと熱処理を行う必要はないため、熱処理用の特殊な鋳型を必要としない。
【0008】
また、上記の製造方法によって得られる形状記憶合金製鋳造部材(請求項2)は、安定した品質の好ましいものとなる。なお、最終製品に近い形状のものを鋳造するため、その後の加工も容易に行うことができ、製造コストを低くすることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る形状記憶合金製鋳造部材の製造方法について説明する。製造工程は、燃焼合成工程と鋳造工程とに大別される。
[燃焼合成工程] 図1は燃焼合成反応を説明する模式図である。先ず、目的の組成比になるように金属粉末原料を精密に混合する。配合比は、Ti48−52at%、残りNi程度とし、所定の変態温度になるように設定する。次いで、燃焼合成反応装置を用いて、燃焼合成法によって原料混合粉末から化合物へ合成する。すなわち、図1に模式的に示すように、燃焼合成反応装置内で原料混合粉末の一端を、放電あるいは電熱線の通電等の点火手段にて強熱する。強熱された点火点は着火温度に到達し、これによって化学反応が始まる。化学反応によって生成熱が生じるため、化学反応が行われる合成層に隣接して生成熱によって加熱されて加熱層が形成される。この生成熱が周りに伝播し連鎖反応を起こすとともに加熱層と合成層が連続的に形成され、最終的に全体が化合物(合金)となるのである。このとき、原料は巨視的には溶解されることなく、不純物の極めて少ない金属間化合物が焼結された状態でできあがる。
なお、燃焼合成法の詳細な手順は、例えば、特許1816876号に開示されている。
【0010】
[鋳造工程] 鋳造方式としては、砂型鋳造、ロストワックス、シェルモールド、遠心鋳造など一般によく知られた方法を用いることができる。これらの中から製品の形状寸法や量産性を加味して選択することになる。上記の燃焼合成法によって得られた合金を溶解して鋳込む。その後、冷却し凝固させた後、離型をして鋳型より取出す。この間、特別な熱処理を要しない。
【0011】
[記憶処理工程] 鋳型から取り出した部材を300〜600℃の範囲内で数分間〜数時間程度記憶処理をすることによって、その部材に超弾性、もしくは形状記憶特性を付与する。この方法では、あえて拘束型を必要とせず、フリーな状態で形状記憶熱処理させることができる。なお、鋳型から取り出した形状を変形・変更させて形状記憶処理をさらに施す場合には、当然のことながら拘束型を用いて熱処理を施してもよい。
【0012】
上記のようにして得られた形状記憶合金製鋳造部材の適用例は、従来の形状記憶合金の応用分野として知られているものと同じである。たとえば、歯科医療に用いる義歯固定用のクラスプが挙げられる。また、その他の適用例としては、上述したクラスプ以外にも、骨折治療に用いる生体用インプラントや接合用ステープルに適用することもできる。とくに、製品の形状が複雑で途中機械加工が必要なものには鋳造が極めて有効であるので、製造コストを低くすることができる。なお、センサーやソケットなどの種々の産業用部材とか、めがねフレームなどにも使用できる。
【0013】
【実施例】
次に、実施例を説明する。まず、形状記憶効果が得られるようにNi粉末とTi粉末の組成比(Ni50.1at%,Ti49.9at%)を調整し、燃焼合成法によりNiTi系合金を合成した。そして、このNiTi系合金を用いて精密鋳造法により複数本の直線材(直径Φ1.9mm,長さ40mm)を製作した(以下、試験片1という)。
また、超弾性効果が得られるようにNi粉末とTi粉末の組成比(Ni50.7at%,Ti49.3at%)を調整し、燃焼合成法によりNiTi系合金を合成した。そして、このNiTi系合金を用いて精密鋳造法により複数本の直線材(直径Φ1.9mm,長さ40mm)を製作した(以下、試験片2という)。
試験片1および試験片2はともに鋳型から取り外した状態で直線形状となった。また、試験片1については、鋳型より取り外した状態のままで(すなわち、形状記憶熱処理を施さなくても)形状記憶効果が得られた。
【0014】
次に、上述した試験片1および試験片2に、必要とされる変態点および曲げ強度を得るために熱処理条件を変えて形状記憶熱処理を施した。具体的な熱処理条件は、460℃で60分保持後・水冷の条件で行った。なお、この形状記憶熱処理は、試験片1および試験片2を拘束することなくフリーの状態で行った。形状記憶熱処理後の試験片1および試験片2はともに変形することなく直線形状となった。
【0015】
形状記憶熱処理後の試験片1および試験片2に対して、室温20℃の環境のもとで押曲げ法による金属材料曲げ試験(JIS Z 2248)を行った。具体的には、試験片をΦ10mmの2つの支え(2つの支えの間隔26mm)に載せ、その中央部に半径10mmの押し棒を当て、押し棒による曲げ角度が90度になるまで荷重を加えた。
試験片1は押し棒の荷重を除去すると曲がった状態となった。曲がった試験片1に対して加熱すると、試験片1は元の直線形状となった。これによって、試験片1に形状記憶効果が付与されていることが確認された。一方、試験片2は押し棒の荷重を除去すると直線形状に戻った。これによって、試験片2に超弾性効果が付与されていることが確認された。
上記の曲げ試験は、同一試験片に対して繰り返し行われ(本例では10回)、全て上記と同様の結果が得られた。
【0016】
なお、複数本の試験片1のそれぞれについて上述した形状記憶効果が確認され、複数本の試験片2のそれぞれについて上述した超弾性効果が確認された。したがって、鋳造法を用いても安定して形状記憶効果と超弾性効果を付与できることが確認された。
【0017】
以上、本発明のいくつかの実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 燃焼合成反応を説明する模式図である。
Claims (2)
- 金属材料粉末から燃焼合成法によって製造したTiNi系合金を溶解し、その溶解したTiNi系合金を精密鋳造法によって最終製品形状に鋳造することを特徴とする形状記憶合金製鋳造部材の製造方法。
- 請求項1に記載された製造方法によって製造された形状記憶合金製鋳造部材。
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