JP5255474B2

JP5255474B2 - 鉄基形状記憶合金形材の製造方法

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Publication number: JP5255474B2
Application number: JP2009030229A
Authority: JP
Inventors: 哲夫石塚; 春雄寺田; 慎二新沼; 忠克丸山; 孝栗田
Original assignee: AWAJI MATERIA CO., LTD.; Nippon Steel Corp
Current assignee: AWAJI MATERIA CO., LTD.; Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2029-02-12
Also published as: JP2010185110A

Description

本発明は、無遊間接続用のレール継目板を始めとする機械構造用部材として適用する上で好適な鉄基形状記憶合金の製造方法に関する。

形状記憶合金は、室温（変態点以下）で変形させても、その変態点以上に加熱すると変形前の形状に戻るという特異な性質を有し、機能性金属材料として様々な分野に応用されている。中でもＴｉ−Ｎｉ系合金は、数％にも及ぶ大きな変形歪みを加えても負荷応力を除けば加熱しなくても形状が元に戻る、いわゆる超弾性材料としての特性を発揮でき、形状記憶効果が高く、メガネフレームやブラジャーのワイヤー等の民生用にも使用されている。また、このＴｉ−Ｎｉ系合金は、熱弾性型マルテンサイト変態合金に属しているため熱履歴が小さく、温度センサーを兼ねたアクチュエータへの使用も可能である。しかし、Ｔｉ−Ｎｉ系合金は一般に高価であることから、比較的規模の大きい機械構造用部材には殆ど適用されていない。

一方、安価な鉄をベースにしている鉄基形状記憶合金は、Ｆｅを基にしたＭｎ，Ｓｉ等の成分からなり、機械構造用部材への適用が可能であり、鉄鋼材料と同等以上の強度を有する鉄基形状記憶合金が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、鉄基形状記憶合金は、熱弾性型マルテンサイト変態特性を示さない合金であり、更にはＴｉ−Ｎｉ系合金に比べて形状記憶効果（形状回復歪み）が小さいという欠点を有している。その欠点を補うために、熱処理と冷間歪みの付与を適正に組み合わせ、形状記憶特性を向上させる方法が提案されている（例えば、特許文献２、３参照。）。

また、鉄基形状記憶合金は、形状回復歪みは小さいものの、形状回復力が大きいため、レールの接合のための継目板として利用する技術が提案されている（例えば、特許文献４参照。）。これは、予め長さ方向に引張変形を与えて形状記憶効果を付与した形状記憶合金からなる継目板を、レールの両側面に当てて、ボルトとナットにより緩めに接続した後、継目板部分に熱を加えて継目板を長さ方向に収縮させて、直列に隣り合うレール相互を引き寄せて、レール間を隙間無く接合するものである。

さらに、本発明者らの一部は、レール継目板用の鉄基形状記憶合金をより安価で製造する技術を提案している（例えば、特許文献５参照。）。これは、従来の圧延による製造ではなく、熱間押出製法を適用し、長尺の鉄基形状記憶合金の形材を製造するものである。特に、熱間押出後の曲がりの修正のために行われる矯正工程を、形状記憶効果を付与するための引張変形と兼用させることにより、製造コストを削減することができる。

特開平１０−２２６８４９号公報特開昭６２−１１２７２０号公報特開２００１−２６２２２６号公報特公昭５９−６４２号公報特願２００８−１３６２００号

しかしながら、特に特許文献５に開示されている熱間押出製法を適用した形状記憶合金
の製造には、以下のような問題点があるという知見を得た。

１）熱間押出後、曲がりの矯正及び形状記憶効果の付与のために、室温で、鉄基形状記憶合金形材の両端を把持して引張歪みを付与する。この工程では、鉄基形状記憶合金形材の両端をチャッキングする際に滑りを生じやすく、うまく矯正できないことがある。

２）鉄基形状記憶合金は溶融脆化開始温度が低いが、熱間変形抵抗が高い。そのため、熱間押出を行う際に、高温側では表面に疵が入りやすく、低温側では押し詰まりを生じやすい。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱間押出製法に基づいて製造される鉄基形状記憶合金形材を、従来よりも安定して効率良く製造することが可能な鉄基形状記憶合金形材の製造方法を提供することにある。

本発明者は、上述した課題を解決するために、質量％でＳｉ：３〜７％、Ｍｎ：２５〜３０％、Ｃｒ：３〜７％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるビレットを１０５０〜１２００℃に加熱して熱間押出を行い、得られた形材を室温まで冷却した後、形材における少なくとも長手方向両端に位置する把持部を６００〜１０００℃で１０分以上加熱してその後室温まで冷却し、室温下で把持部を把持して引張応力を負荷することにより形材に対して５〜１５％の引張塑性歪みを付与し、さらに形材の全体を６００〜８００℃で１０分以上加熱して室温まで冷却し、室温下で前記把持部を把持して引張応力を負荷することにより前記形材に対して５〜１５％の引張塑性歪みを付与することにより、従来よりも安定して効率良く製造することが可能な鉄基形状記憶合金形材の製造方法を発明した。

即ち、第１の発明は、質量％で、Ｓｉ：３〜７％、Ｍｎ：２５〜３０％、Ｃｒ：３〜７％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるビレットを１０５０〜１２００℃に加熱して熱間押出によって成形し、前記成形された形材を室温まで冷却し、前記冷却された形材における少なくとも長手方向両端に位置する把持部を６００〜１０００℃で１０分以上加熱してその後室温まで冷却し、室温下で前記把持部を把持して前記形材に引張応力を負荷することにより５〜１５％の引張塑性歪みを付与し、さらに前記形材の全体を６００〜８００℃で１０分以上加熱して室温まで冷却し、室温下で前記把持部を把持して前記形材に引張応力を負荷することにより５〜１５％の引張塑性歪みを付与することを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記ビレットの加熱温度を１０７０〜１１３０℃とすることを特徴とする。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記熱間押出後、１０００℃から６００℃までを１℃／秒以下の冷却速度で冷却することを特徴とする。

本発明の鉄基形状記憶合金形材の製造方法によれば、室温まで冷却した鉄基形状記憶合金形材の少なくとも長手方向両端に位置する把持部を６００℃〜１０００℃で１０分以上加熱することにより、矯正と形状記憶効果の付与とを兼ねた室温での引張工程において、両端の把持部でのチャック滑りが防止される。また、ビレットを適正な温度範囲内に加熱して押出成形を行うことにより、表面の疵の発生が抑制され、押し詰まりを防止することができる。さらに、熱間押出後、１０００℃から６００℃までの冷却速度が１℃／秒以下になるように室温まで冷却すると、溶体化熱処理を省略することができる。

本発明を適用した鉄基形状記憶合金形材の製造方法のフローチャートである。単軸の引張による、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系形状記憶合金の温度の絞り値の関係を示す図である。単軸の引張による、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系形状記憶合金の温度と変形抵抗の関係を示す図である。実施例で製造した形状記憶合金形材の断面形状を示す図である。

以下、本発明の実施の形態として、鉄基形状記憶合金形材の製造方法について、詳細に説明する。

先ず、本発明の技術的特徴並びに完成に至った経緯について説明をする。

鉄基形状記憶合金の形状記憶効果を高めるためには、第１の引張変形付与工程を行い、加熱した後、更に、第２の引張変形付与工程を行うことが必要である。また、熱間押出後の形材は必ずしも真っ直ぐではなく、通常撓みが生じているため、形状を矯正する必要がある。本発明の鉄基形状記憶合金形材の製造方法の大きなメリットは、形材の形状を矯正する引張矯正工程と、形状記憶効果付与のための第１の引張変形付与工程とを兼用させる点にある。

押出後の形材の形状を矯正するためには、形材の両端部を把持し、引張矯正機によって、室温で形材の長手方向に向けて引っ張ることが必要である。また、引張変形による矯正は形状記憶効果付与も兼ねている。しかし、この引張工程においては、例えばチャックにより形材の両端に位置する把持部を把持するところ、これに引張変形を加えた場合に当該チャックが形材の把持部から滑る、いわゆるチャック滑りが生じてしまい、引張応力を効果的に負荷することができない場合が多い。その理由としては、形状記憶合金に対して応力誘起マルテンサイト変態が生じ、チャックにより把持すべき把持部（上記形材の長手方向両端部）が著しく加工硬化するためであると推察される。

このような問題に対して、本発明者らは、チャックにより把持する前に予め前記把持部を６００℃〜１０００℃で１０分以上加熱することにより、滑りが生じなくなることを明らかにした。熱間押出直後の鉄基形状記憶合金形材の両端部がチャック滑りしやすく、それを再度６００℃〜１０００℃で加熱することによってチャック滑りしにくくなる原因は現時点では明らかでないが、かかる温度範囲による再加熱に応じて何らかの組織変化や合金元素の固溶、析出に起因して、加工硬化し難くなるのではないかと考えられる。

さらに、本発明では、熱押後の鉄基形状記憶合金形材における長手方向両端に位置する把持部を、６００℃〜１０００℃に加熱して冷却し、室温で両端部をチャッキングし、形状記憶効果付与と矯正とを兼ねた第１の引張変形付与工程を行う。その後、形材の全体を６００℃〜８００℃に加熱して冷却し、第２の引張変形付与工程を行い、形状記憶効果を付与する。

本発明を適用した鉄基形状記憶合金形材の製造方法では、形材の長手方向両端に位置する把持部を加熱した後に引張歪みを付与する直前の形状が記憶されるのであるが、これは熱間押出後の撓みを含む状態のものである。従って、本発明を適用した鉄基形状記憶合金形材の製造方法に基づいて製造された鉄基形状記憶合金の長尺形材は、長尺のまま用いるのではなく、例えばレール継ぎ目板のように短く切断して用いることによって、形状回復後の曲がりの影響を回避することができる。

次に、本発明を適用した鉄基形状記憶合金形材において規定した化学成分について説明する。以下、組成における質量％は、単に％と記載する。

Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系の鉄基形状記憶合金は、面心立方構造を有するγ相に引張変形を付与することにより、六方最密充填構造を有するε相に応力誘起マルテンサイト変態し、これを逆変態温度に加熱することにより元のγ相に逆変態して、元の形状を回復する。γ相からε相への変態をγ→ε変態という。

Ｓｉ：３〜７％
Ｓｉは、γ→ε変態を促進させる元素であるが、その十分な効果は３％以上の添加によって得られる。しかし、Ｓｉを７％を越えて添加すると、合金の加工性および成形性が損なわれてしまう。したがって、Ｓｉ含有量は、３〜７％とする。

Ｍｎ：２５〜３０％
Ｍｎは２５％未満では応力誘起によってε相の生成とともにマルテンサイト相（α’相）も導入され形状記憶効果が低下する。一方。Ｍｎが３０％を越えるとγが安定化され、γ→ε変態よりもγのすべり変形が優先的に生じるようになる。したがって、Ｍｎ含有量は、２５〜３０％とする。

Ｃｒ：３〜７％
Ｃｒは耐食性の向上に寄与するが、その効果は３％以上の添加によって得られる。また、７％を越えて添加すると、Ｓｉと低融点の金属間化合物を形成し、合金の溶製が困難となる。またＣｒはγ→ε変態を容易にし、形状記憶特性を向上させる上でも効果的である。したがって、Ｃｒ含有量は、３〜７％とする。

次に、本発明を適用した鉄基形状記憶合金形材の製造方法の詳細について図１のフローチャートに沿って説明する。

先ず、上述した化学組成を有する鋼を溶製し、溶鋼を鋳造したままでビレットとするか、又は一旦鋼塊とした後に熱間鍛造してビレットとする。次にステップＳ１１において、ビレットを加熱し、ステップＳ１２において熱間押出によって形材に成形する。このステップＳ１２における熱間押出は、ステップＳ１１において加熱されたビレットをコンテナに挿入し、ビッレットの前方に、目的とする断面形状の孔を有するダイスを配置し、ビレットを後方から押し出す方法である。形材の断面形状は、ダイスの孔の形状で制御する。

本発明を適用した鉄基形状記憶合金は、合金元素Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの含有量が多いため、ステップ１１におけるビレットの加熱温度が１２００℃よりも高い場合には、脆化して熱間押出後の形材に割れを生じることがある。一方、ビレットの温度が１０５０℃よりも低い場合には、変形抵抗が大きいため、熱間押出後の形材の形状や、表面性状が劣化することがある。したがって、ビレットの加熱温度を１０５０〜１２００℃とすることが必要である。

図２は、ビレットの加熱温度（℃）に対する絞り値（％）の関係を示している。ここでいう絞り値とは、熱間における引張試験によって評価される絞りの値である。この絞り値は、棒の引張試験片を用いて試験を行った際、試験による破断位置での断面積の減少率で（試験前の断面積−試験後の最小の断面積）／試験前の断面積×１００（％）で求められる。

この図２からは、ステップＳ１１におけるビレットの加熱温度が上昇するにつれて絞り
が低下していく傾向が示されている。本発明を適用した鉄基形状記憶合金の絞り値は、１１８０℃を超えると、絞りが６０％を下回る。また、熱間押出の工程では加工発熱により５０℃程度の温度上昇が生じる。そのため、本発明を適用した鉄基形状記憶合金の絞りを、確実に、６０％以上にするためには、加熱温度を１１８０℃以下にすることが好ましい。また、熱間押出を行う際に、加工発熱が生じても形材の温度が１１８０℃を超えないようにすることで、ビレット加熱温度の上限を１１３０℃以下とすることが更に好ましい。

また図３は、ビレットの加熱温度（℃）に対する熱間変形抵抗（Ｎ/ｍｍ^２）の関係を示している。この図３からは、ビレットの加熱温度が上昇するにつれて熱間変形抵抗が低下していく傾向が示されている。本発明の鉄基形状記憶合金の温度が１０７０℃を下回ると、熱間変形抵抗が１００Ｎ／ｍｍ^２を超え、押し詰まりを生じやすくなる。したがって、ビレットの加熱温度を１０７０℃以上とすることが、より好ましい。

このため、本発明において、ステップＳ１１におけるビレットの加熱温度のより最適な範囲は、１０７０℃以上、１１３０℃以下である。本発明の鉄基形状記憶合金の温度が１０７０℃を下回ると、熱間変形抵抗が急激に上昇し、押し詰まりを生じやすくなる。したがって、ビレットの加熱温度を１０７０℃以上とすることが好ましい。

次にステップＳ１３へ移行し、熱間押出された直後の形材を室温まで冷却する。このとき、既に１０００℃以上に加熱された形材を室温まで冷却するため、１０００℃〜６００℃までの温度帯域を通過するわけであるが、かかるステップＳ１３における１０００℃〜６００℃までの冷却速度を１℃／秒以下にすることが好ましい。その理由として、かかる冷却速度で冷却することにより、形材が再結晶によって軟化し、溶体化熱処理を省略することができるためである。ステップＳ１３における１０００℃から６００℃までの冷却速度は、形材の断面積と表面積に応じて、空冷するか、又は保温カバーを使用するかを選択することによって制御できる。

次に、室温まで冷却された熱押後の鉄基形状記憶合金形材を、ステップＳ１４において少なくとも長手方向両端に位置する把持部を６００〜１０００℃で１０分以上加熱し、ステップＳ１５において冷却した後、ステップＳ１６において室温下で矯正と形状記憶効果を付与する第１の引張変形付与工程に入る。従来は、熱間押出後、そのまま第１の引張変形付与工程を行っていたが、本発明では、先に、かかる第１の引張変形付与工程（ステップＳ１６）において付与すべき引張歪みを導入する際に、チャックにより把持するための、形材の長手方向両端に位置する把持部を６００℃以上に加熱する（ステップＳ１４）。これにより、ステップＳ１６における第１の引張変形付与工程でのチャック滑りを防止することができる。一方、加熱温度を必要以上に高めても効果が飽和し、生産性やコストに悪影響するため、上限を１０００℃とする。また、効果を高めるためには、加熱時間を１０分以上とすることが必要である。加熱時間の上限は特に規定しないが、生産性を考慮すると、６０分以下であることが好ましい。

本発明では、第１の引張変形付与工程（ステップＳ１６）の前に、ステップＳ１４において少なくともチャックにより把持すべき把持部が加熱されていれば十分であり、バーナー等で片端ずつ加熱しても良い。少なくとも把持部が加熱されていればよく、把持部のみならず形材全体を加熱炉内で加熱してもよい。ステップＳ１４において形材の把持部の加熱を終了させた後、ステップ１５においてこれを室温まで冷却する。

ステップＳ１６の第１の引張変形付与工程では、この室温まで冷却させた形材の把持部をチャックにより把持し、引張矯正機により形材に引張応力を負荷することにより５〜１５％の引張塑性歪みを付与する。

第１の引張変形付与工程（ステップＳ１６）の後、ステップＳ１７において形材の全体を加熱し、ステップＳ１８において室温まで冷却させた後、ステップＳ１９へ移行して第２の引張変形付与工程を行う。これは、第１の引張変形付与工程のみを行う場合に比べて、さらに加熱及び第２の引張変形付与工程を経ることにより、形状記憶回復効果を顕著に向上させることが可能となるためである。

第２の引張変形付与工程（ステップＳ１９）の前のステップＳ１７における加熱温度は、６００〜８００℃とする。このステップＳ１７の加熱温度が６００℃未満であると、形状記憶回復効果が不十分であり、一方、８００℃を超えると第１の引張変形付与工程（ステップＳ１６）の効果が失われ、形状記憶回復効果が得られなくなるためである。また、効果を高めるためには、このステップＳ１７における加熱時間を１０分以上とすることが必要である。加熱時間の上限は特に規定しないが、生産性を考慮すると、６０分以下であることが好ましい。

第２の引張変形付与工程（ステップＳ１９）は、ステップＳ１８において形材を室温まで冷却させた後、引張矯正機にて把持部を把持して、５〜１５％の引張塑性歪みを長手方向に付与するものである。これは、引張塑性歪みが５％未満であると、形状記憶回復効果が不十分であり、一方、加工硬化によって１５％を超える引張塑性歪みを与えるのは、難しいためである。

第１の引張変形付与工程（ステップＳ１６）後の、ステップＳ１７の加熱、ステップＳ１８の冷却並びにステップＳ１９の第２の引張変形付与工程の工程をトレーニング処理という。このような、トレーニング処理（ステップＳ１７〜Ｓ１９）を複数回繰り返すことにより、形状記憶効果はさらに向上するため、本発明ではトレーニング処理を複数回繰り返しても一向に差し支えない。しかし、工程が増えることにより製造コストが増大するために、トレーニング処理の回数を制限することが望ましい。このトレーニング処理の回数が４回以上では効果が飽和してしまうため、トレーニング処理の回数は１〜３回が望ましい。

以下、本発明を適用した鉄基形状記憶合金形材の製造方法のより詳細な実施例について説明する。

表１は、本実施例において使用する鉄基形状記憶合金の成分を示している。鋼番１〜５のうち、上述した本発明において規定した成分の範囲にある本発明例は、鋼番１〜３であり、鋼番４、５はともにＭｎの含有率が本発明において規定した範囲から逸脱した比較例である。

このような表１に示す組成を有する本発明鋼、比較鋼の鉄基形状記憶合金を溶解し、鋳造後に外径１８０ｍｍの円筒状に鍛造し、機械加工によって外径１７０ｍｍ長さ４６０ｍｍの円筒状ビレットを切り出した。これらのビレットに対して、表２に示す製造条件でステップＳ１２の熱間押出、ステップＳ１３の冷却、ステップＳ１４における熱処理、第１の引張変形付与工程（ステップＳ１６）、トレーニング処理（ステップＳ１７〜１９）を施し、図４に示す断面形状の長尺形材を製造した。

なお、第１の引張変形付与工程（ステップＳ１６）前のステップＳ１４の熱処理およびトレーニング処理におけるステップＳ１７の加熱処理は、いずれも形材の全体を加熱炉に挿入することにより実施した。これらの形材から長さ６００ｍｍのレール継ぎ目板を切り出し、４００℃で３０分間加熱して加熱前後の長さの変化率（表２中の形状回復歪み）を測定した。

表２における、本発明例ａ〜ｄは、鋼番１〜３の何れかの本発明鋼について、上述した本発明で規定した範囲内の加熱温度条件で熱間押出したため、疵が発生する等の問題を生ずることなく押し出すことができ、その後に６５０℃で１０分間加熱したことにより、把持部におけるチャック滑りを生ずることなく矯正、形状記憶効果付与のための引張荷重の負荷を実現できた。また、ステップＳ１２における熱間押出後のステップＳ１３の冷却速度が何れも０．８℃／秒であったことと、表２に示す条件の下でステップＳ１７〜Ｓ１９
のトレーニング処理を実施したことにより、第１の引張変形付与工程（Ｓ１６）における７％の歪み付与に対して、３．０％以上の形状回復歪みを得ることができた。

これに対して、比較例Ｅ〜Ｋは、本発明鋼である鋼番１を利用しつつも、何れも本発明において規定した製造条件から逸脱させたものである。比較例Ｅは、熱間押出（Ｓ１２）における加熱温度を本発明において規定した範囲よりも低く設定した上で、その後のステップＳ１３以降を特段行わない例であるが、熱間押出時の加熱温度が低すぎて熱間変形抵抗が高まり、押し詰まりが生じている。また、比較例Ｆは、熱間押出（Ｓ１２）における加熱温度を本発明において規定した範囲よりも高く設定した上で、その後のステップＳ１３以降を特段行わない例であるが、逆に熱間押出時の加熱温度が高すぎ、溶融脆化により割れが発生した例である。

比較例Ｇは、熱間圧延（Ｓ１２）後のステップＳ１３における冷却速度を速くしたものであるが、溶体化効果が十分に得られなかったために、形状回復歪みが３．０％に届かなかった例である。

比較例ＨおよびＩは、ステップＳ１４における把持部の加熱を６００℃以上としなかったために、その後の矯正、形状記憶効果付与のための第１の引張変形付与工程（ステップＳ１６）においてチャック滑りを生じてしまい、うまく引張応力を負荷することができなかった例ある。

比較例Ｊは、ステップＳ１６、ステップＳ１９における矯正、形状記憶効果付与のための引張工程で付与する引張塑性歪み量が小さすぎたため、また比較例Ｋは、トレーニング処理（Ｓ１７〜Ｓ１９）がなされていなかったために、いずれも十分な形状回復歪みが得られなかった例である。

比較例ＬおよびＭは、化学成分が本発明鋼から逸脱した比較鋼を用いたため、いずれも十分な形状回復歪みが得られなかった例である。

このように、上述した比較例は、何れも所期の形状回復歪みが得られず、またチャック滑りや押し詰まり等の不具合を生じることが分かる。このため、本発明を適用した鉄基形状記憶合金形材の製造方法において上述した条件範囲で製造を行うことで、従来よりも安定して効率良く製造することが可能となることが分かる。

Claims

質量％で、
Ｓｉ：３〜７％、
Ｍｎ：２５〜３０％、
Ｃｒ：３〜７％
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるビレットを１０５０〜１２００℃に加熱して熱間押出によって成形し、
前記成形された形材を室温まで冷却し、
前記冷却された形材における少なくとも長手方向両端に位置する把持部を６００〜１０００℃で１０分以上加熱してその後室温まで冷却し、
室温下で前記把持部を把持して前記形材に引張応力を負荷することにより５〜１５％の引張塑性歪みを付与し、
さらに前記形材の全体を６００〜８００℃で１０分以上加熱して室温まで冷却し、
室温下で前記把持部を把持して前記形材に引張応力を負荷することにより５〜１５％の引張塑性歪みを付与すること
を特徴とする鉄基形状記憶合金形材の製造方法。
前記ビレットの加熱温度を１０７０〜１１３０℃とすること
を特徴とする請求項１に記載の鉄基形状記憶合金形材の製造方法。
前記熱間押出後、１０００℃から６００℃までを１℃／秒以下の冷却速度で冷却すること
を特徴とする請求項１又は２に記載の鉄基形状記憶合金形材の製造方法。