JP5837487B2 - 銅系合金及びそれを用いた構造材 - Google Patents
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Description
なお、本明細書では、超弾性特性と形状記憶効果を総称して「形状記憶特性」と呼ぶ。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、良好な形状記憶特性を有し、構造物等に適用可能な断面サイズを有する構造材を実現することが可能な銅系合金及びそれを用いた構造材を提供することを目的とする。
Cu−Al−Mn系形状記憶合金は、高温でβ相(bcc構造)となるが、適切な成分を選択することによって低温でα相(fcc構造)が析出してβ+α相の2相組織にすることができる。結晶粒の粗大化には、高温でβ相かつ低温でβ+α相となるような組成であることが重要であると考えられる。なお、高温域においてα相が存在すると、結晶粒の成長がピン止めされ、結晶粒が微細になる。
本発明では、Al:7.8〜8.8質量%、Mn:7.2〜14.3質量%を含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなる銅系合金において、最大結晶粒径を8mm超とする。
(1)上記銅系合金からなる主筋を有するコンクリート部材。
(2)上記銅系合金からなるPCテンドンを有するプレストレストコンクリート部材。
(3)上記銅系合金から形成され、組積造壁の内部に配置される補強材。
(5)上記銅系合金から形成され、部材同士の接合に使用される接合ボルト。
(6)上記銅系合金から形成され、コンクリート基礎に埋設されるアンカーボルト。
(8)上記銅系合金から形成され、梁を支持する方杖。
また、本実施の形態に係る銅系合金では、上記基本組成の元素以外に、さらにNi、Co、Fe、Ti、V、Cr、Si、Ge、Nb、Mo、W、Sn、Bi、Sb、Mg、P、Be、Zr、Zn、B、C、S、Ag及びミッシュメタルからなる群から選ばれた1種又は2種以上を合計で0.001〜5質量%含有させてもよい。
以下の説明では、上記成分からなる銅系合金を「Cu−Al−Mn系形状記憶合金」と呼ぶことがある。
結晶粒の微細な試料は光学顕微鏡、結晶粒の粗大な試料は実体顕微鏡を用いて当該試料を撮像し、得られた像の試料長手方向に線を引く。そして、各結晶粒を横切る線分の長さを測定し、その最大値を当該試料の最大結晶粒径とする。
Alはβ相を安定化させる元素であり、低温におけるα相の析出を抑制する。そのため、Alの含有量が高くなると、結晶粒が粗大化しにくくなる。そこで、本実施の形態では、Alの含有量の上限を低く設定し、8.8質量%としている。一方、Al元素の含有量が7.8質量%未満では高温域においてβ単相を形成できない。Al元素のより好ましい含有量はMn元素の含有量により変化するが、8.0〜8.5質量%である。
Siは耐食性を向上させる効果を有する。Siの好ましい含有量は0.001〜2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の好ましい含有量は0.01〜0.5質量%である。
Znはマルテンサイト変態温度を上昇させる効果を有する。Znの好ましい含有量は0.001〜5質量%である。
B及びCは粒界に偏析し、粒界を強化する効果を有する。B及びCの好ましい含有量はそれぞれ0.001〜0.5質量%である。
Geはマルテンサイト変態温度を上昇させる効果を有する。Geの好ましい含有量は0.001〜1質量%である。
Biは切削加工性の向上に有効な元素である。Biの好ましい含有量は0.001〜1質量%である。
ミッシュメタルは脱酸剤として作用し、靭性向上の効果を有する。ミッシュメタルの好ましい含有量は0.001〜5質量%である。
8mmを超える最大結晶粒径を有するCu−Al−Mn系形状記憶合金の製造方法の概略を以下に示す。
(1)上記成分からなるCu−Al−Mn系形状記憶合金を高周波溶解炉などの溶解炉で溶解し、鋳型に鋳込んでインゴットを作製する。
(2)熱間鍛造や熱間圧延(600〜900℃)と冷間圧延や伸線により上記インゴットを所定の形状に成形加工する。
(3)所定の形状とされたCu−Al−Mn系形状記憶合金に対して、400〜950℃の範囲で熱処理する。熱処理は、β単相域温度からβ+αの2相域温度に保持したり、冷却中にα相を析出させたりした後に、再度、β単相域温度で熱処理を行う。この熱処理を一回又は二回以上行うことが好ましい。一般にβ単相域温度は700〜950℃であり、β+αの2相域温度は400〜850℃である。
(4)β単相域で熱処理されたCu−Al−Mn系形状記憶合金を水中に投入して急冷する。
(5)水冷されたCu−Al−Mn系形状記憶合金に対して、50〜300℃の温度で1〜300分間、時効処理を行う。
8mmを超える最大結晶粒径を有するCu−Al−Mn系形状記憶合金を適用することが可能な土木建築構造物用構造材について以下に幾つか例を示す。
(1)コンクリート部材
コンクリート部材の一例である梁10の断面を図1に示す。梁10は、矩形断面とされたコンクリート11内に、上端筋12及び下端筋13と、上端筋12及び下端筋13に一定のピッチで巻き付けられたスターラップ14とを有し、主筋である上端筋12及び下端筋13が本実施の形態に係るCu−Al−Mn系形状記憶合金から形成されている。
また、プレストレストコンクリート部材において、PCテンドンの材料として本Cu−Al−Mn系形状記憶合金を使用してもよい。
図2は、鉄骨構造物の柱梁接合部を示したものである。本鉄骨構造物では、鉄骨柱23から側方に突出するH形鋼からなるブラケット24と、H形鋼からなる鉄骨梁22とが、本Cu−Al−Mn系形状記憶合金からなるスプライスプレート25を介して接合されている。鉄骨梁22及びブラケット24の各フランジをスプライスプレート25で挟み、これらを貫通する高力ボルト20(接合ボルト)で摩擦接合する。
なお、高力ボルト20を本Cu−Al−Mn系形状記憶合金により形成してもよい。
図3は、鉄骨構造物の基礎部を示したものであり、コンクリート基礎31の上に鉄骨柱32が立設されている。鉄骨柱32の下端面に設けられたベースプレート33とコンクリート基礎31とは、コンクリート基礎31から露出するアンカーボルト30により接合されており、アンカーボルト30は本Cu−Al−Mn系形状記憶合金から形成されている。
図4(A)は、柱41、42と、柱41、42間に架設された上梁43及び下梁44によって画成された構面内に設置されたブレース40を示したものである。一対のブレース40は本Cu−Al−Mn系形状記憶合金から形成され、ブレース40の一端が上梁43の中央部に接合されると共に、他端部が下梁44の端部に接合され、K型ブレースを構成している。
なお、本Cu−Al−Mn系形状記憶合金を座屈拘束ブレースの芯材や、引張ブレースのターンバックルの一部として使用してもよい。
図4(B)は、上記と同じ構成からなる構面に設置された方杖50を示したものである。方杖50は本Cu−Al−Mn系形状記憶合金から形成され、上梁43を支持する方杖50は上梁43と柱41からなるコーナー部、及び上梁43と柱42からなるコーナー部に、下梁44を支持する方杖50は、下梁44と柱41からなるコーナー部、及び下梁44と柱42からなるコーナー部にそれぞれ設置されている。
表1に示す成分を有するCu−Al−Mn系形状記憶合金を高周波溶解炉で溶解し、鋳型に鋳込んでインゴットを作製した。次いで、インゴットを800℃で2mmの厚さまで熱間圧延した後、600℃で15分間の熱処理と冷間圧延により厚さ1mmの板材とした。そして、板材から幅5mm、長さ25〜30mmの試料を切り出し、当該試料について900℃で1時間、500℃で5分間、900℃で1時間の熱処理を行った後、水中へ投入して急冷し、さらに200℃で15分間の時効処理を行った。
図5に実施例4の実体顕微鏡写真を、図6に比較例5の光学顕微鏡写真を示す。図5は同じ合金試料を3つ準備して上記の処理を行った結果を示したものであり、極めて巨大な結晶粒組織を有している。一方、Al量の多い比較例5は、結晶粒径が300μm前後と、通常の金属材料の結晶粒径の範囲内にある。
形状回復率(%)=(R−10)/R×100
表2に示す成分を有するCu−Al−Mn系形状記憶合金を準備し、熱処理後の組織観察と形状回復特性の評価を行った。なお、試料の製造方法は、実施例27の溶体化処理温度を950℃とした以外は実施例1〜9と同様とした。形状記憶効果モードの試料である実施例17、22、26、27の形状回復特性は除荷後に200℃まで加熱を行ったときの曲率半径Rにより評価した。
添加元素を加えた実施例10〜28のいずれのCu−Al−Mn系形状記憶合金においても結晶粒は十分に粗大化していた。また、超弾性特性あるいは形状記憶効果による形状回復率も良好であることが確認できた。
Alを8.1質量%、Mnを11.1質量%を含有するCu−Al−Mn系形状記憶合金について、高周波溶解と熱間鍛造によりφ20mmの棒材を形成した。そして、900℃で15分間、600℃で30分間のサイクルを2回行い、最後に900℃で15分間の熱処理を行った後、水冷し、さらに200℃で15分間の時効処理を行って実施例29を得た。
実施例29の外観写真を図7に示す。図中の三角印は結晶粒界の位置を示している。同図より、棒材の直径を超える結晶粒が多数存在しており、そのサイズは最大150mmにも達していることがわかる。以上のように、Cu−Al−Mn系形状記憶合金は太径材においても熱処理を行うことにより巨大結晶粒を得ることができる。
Alを8.1質量%、Mnを10.7質量%含有するCu−Al−Mn系形状記憶合金について、高周波溶解、熱間鍛造、及び冷間伸線によりφ4mmとφ8mmの棒材(全長150mm)を形成した。そして、900℃で15分間、600℃で30分間のサイクルを2回行い、最後に900℃で15分間の熱処理を行った後、水冷し、さらに200℃で15分間の時効処理を行って実施例30、31を得た。実施例30、31の結晶粒径の中間値は8mm超である。
一方、比較例7はCu−Al−Be系形状記憶合金であり、表中の値は文献1(Graesser EJ, Cozzarelli FA. Shape memory alloys as new material for aseismic isolation, Journal of Engineering Mechanics, ASCE 1991; 117: 2590-2608.)及び文献2(Dolce M, Cardone D, Marnetto R. Implementation and testing of passive control devices on shape memory alloys, Earthquake Engineering and Structural Dynamics 2000; 29:945-968.)に基づいている。また、比較例8はNi−Ti形状記憶合金であり、表中の値は文献3(Sepulveda A, Boroschek R, Herrera R, Moroni O, Sarrazin M, Steel beam-column connection using copper-based shape memory alloy dampers, Journal of Constructional Steel Research 2008, 64:429-435.)に基づいている。
実施例30の回復歪は12%、実施例31の回復歪は9%、破断歪は実施例30、31とも18%であった。実施例30、31の回復歪量は、比較例7に比べて非常に大きく、比較例8とほぼ同等であった。また、実施例30、31の破断歪は、比較例7のほぼ2倍、比較例8のほぼ半分であった。
実施例30では等価減衰率h(i)は概ね2%前後であるが、実施例31では等価減衰率h(i)は与えた歪量に依存し、歪量の増加に伴い2%から7%へと増加している。
Claims (13)
- 形状記憶特性を有し、構造材に用いられる銅系合金であって、
Al:7.8〜8.8質量%、Mn:7.2〜14.3質量%を含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなり、最大結晶粒径が8mmを超えることを特徴とする銅系合金。 - 請求項1記載の銅系合金において、さらに、Ni、Co、Fe、Ti、V、Cr、Si、Ge、Nb、Mo、W、Sn、Bi、Sb、Mg、P、Be、Zr、Zn、B、C、S、Ag及びミッシュメタルからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素を合計で0.001〜5質量%含有することを特徴とする銅系合金。
- 請求項1又は2記載の銅系合金からなる主筋を有するコンクリート部材。
- 請求項1又は2記載の銅系合金からなるPCテンドンを有するプレストレストコンクリート部材。
- 請求項1又は2記載の銅系合金から形成され、組積造壁の内部に配置される補強材。
- 請求項1又は2記載の銅系合金から形成され、部材同士の接合に使用されるスプライスプレート。
- 請求項1又は2記載の銅系合金から形成され、部材同士の接合に使用される接合ボルト。
- 請求項1又は2記載の銅系合金から形成され、コンクリート基礎に埋設されるアンカーボルト。
- 請求項1又は2記載の銅系合金から形成され、構造物の構面内に設置されるブレース。
- 請求項1又は2記載の銅系合金から形成され、梁を支持する方杖。
- 請求項1又は2記載の銅系合金であって、
Cu−Al−Mn系合金をβ単相域温度に保持する第1の溶液化処理工程と、
前記第1の溶液化処理工程の後の工程であって、前記Cu−Al−Mn系合金をβ相及びα相の2相域温度に保持する、第2の溶液化処理工程と、
前記第2の溶液化処理工程の後の工程であって、前記Cu−Al−Mn系合金をβ単相域温度に保持する第3の溶液化処理工程と、
を含む、
形状記憶特性を有し、構造材に用いられる銅系合金であって、
Al:7.8〜8.8質量%、Mn:7.2〜14.3質量%を含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなり、最大結晶粒径が8mmを超えることを特徴とする銅系合金の製造方法。 - 請求項11に記載の銅系合金の製造方法であって、
前記第1の溶液化処理工程は、前記Cu−Al−Mn系合金を700℃以上950℃以下で15分以上1時間以下保持する工程であり、
前記第2の溶液化処理工程は、前記Cu−Al−Mn系合金を400℃以上850℃以下で5分以上30分以下保持する工程であり、
前記第3の溶液化処理工程は、前記Cu−Al−Mn系合金を700℃以上950℃以下で15分以上1時間以下保持する工程である、
銅系合金の製造方法。 - 請求項11又は請求項12に記載の銅系合金の製造方法であって、
前記第2の溶液化処理工程は、前記Cu−Al−Mn系形状記憶合金を500℃以上600℃以下で5分以上30分以下保持する工程である、
銅系合金の製造方法。
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