JPH0129144B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、熱的変化にともない可逆的な形状変
化を生じる二方向記憶効果を有する材料及びその
製造方法から出発する。

記憶合金の場合には、一般に所謂二方向効果と
一方向効果とは区別することができる。一方向記
憶効果とは、例ねば記憶合金からなる真直ぐの線
材を折り曲げ、この折り曲げた線材を加熱すると
再び真直ぐになる過程のことであり、二方向記憶
効果とは、第１の変形後に加熱しかつ引続き冷却
することによる可逆の形状変形が生じる現象のこ
とである。

形状記憶効果は、相変換に基づくものである。
すなわち材料は、２つの可能な結晶構造を有し、
臨界温度範囲T_Kで冷却したかまたは加熱した場
合には、１つの構造は、別の構造に変換される。
低い温度で安定な相は、マルテンサイトと呼ばれ
る。材料をこのマルテンサイト状態で変形した場
合には、応力に不可避の可逆的変化が生じ、この
可逆的変化により、この臨界温度範囲を越えて加
熱すると、変形は再び元の状態に戻される。換言
すれば、高温相の形は、低温相への変換の際に記
憶される。マルテンサイト相の変形後、この情報
は記憶されたまま残存し、加熱による再変換の
間、この情報により原子の運動は、元来の形が再
び得られるように制御される。

マルテンサイト相を変形する場合、可逆的な形
状変化には上限が存在する。この限界を越える
と、標準の不可逆的な形状変化が生じる。すなわ
ち、約８％までの伸びのみを、例えばNiTiに取
り戻すことができ、他の合金の場合には、この限
界は若干低い。また、臨界温度範囲内で冷却した
場合にも形状変化を生ぜしめるためには、マルテ
ンサイト相の形状に関する情報を高温相中に記憶
させることも可能である。この二方向効果を生ぜ
しめるためには、最初の変形度は、臨界値よりも
高くなければならず、この臨界値よりも高い場合
には標準の塑性変形が生じる。加熱した場合、こ
の塑性変形分は取り戻されないが、それによつて
この場合に低温形状に関する情報は、高温相中に
記憶される。一方向記憶効果を示す記憶合金は、
一般に鋳造され、公知であり（Ni／Ti−合金、
β−黄銅）、さらに多数の用途に使用もされたが、
二方向効果を示す記憶合金は、問題を有し、使用
するのが困難である。しかし、工業的には、もう
１つの重要な使用範囲を開発するために、量的に
十分に大きい似方向効果を示す構成部材による共
通の要件が存在する。ところで、多くの場合に
は、古典的な二方向効果−合金のマルテンサイト
変態点は、不利な温度範囲内にある。しかし、若
干の記憶合金、とくに変態点が有利である、β−
黄銅系に属する古典的なCu／Al／Ni−合金及び
Cu／Al−合金があり、該合金は、実際に明らか
に一方向効果を示すが、殆ど顕著な二方向効果は
示さない。

公知技術としては、とくに次の刊行物を記載す
ることができる： R.Haynesの論文：Some Observations on
Isothermal Transformations of Eutectoid
Aluminium Bronzes Below Their Ms
Temperatures、“Journal of the Institute of
Metals”、1954 1955年、第83巻、第357〜358
頁； W.A.Rachingerの論文：Ａ“super−elastic”
single Crystal calibration bar、“British
Journal of Applied Physics”、第９巻、1958年
６月、第250〜252頁； R.P.Jewett及びD.J.Mackの論文：Further
Investigation of Copper−Aluminium Alloys
in the Temperature Rarge below the βα
＋γ₂Eutectoid、“Journal of the Institute of
Metals”、1963〜1964年、第92巻、第59〜61頁； K.Otsuka及びK.Shimizuの論文：Memory
Effect and Thermoelastic Martensite
Transformation in Cu−Al−Ni Alloy、
“Scripta Metallurgia”、第４巻、1970年、
Pergamon Press Inc.社刊、第469〜472頁； Kazuhiro Otsukaの論文：Origin of Memory
Effekt in Cu−Al−Ni Alloy、“Japanese
Journal of Applied Physics”、第10巻、No.５、
1971年５月、第571〜579頁； 米国特許第3783037号明細書。

従つて、一定の使用に対して有利である変態温
度で顕著な二方向効果を有する、β−黄銅系の記
憶合金からなる構成部材に応じた要件が存在す
る。

本発明の課題は、顕著な可逆の二方向記憶効果
を示しかつ棒材、輪郭材及び薄板の形の半製品の
製造ならびに実際に使用可能な構成部材の製造に
好適である、Cu／Al／Ni−合金を基礎とする新
規の材料及びその相当する製造法を記載すること
である。

この課題は、熱的変化にともない可逆的な形状
変化を生じる二方向記憶効果を有する材料が、一
方向記憶効果を示すAl／Ni／Cu合金(a)からなる
層及び一方向記憶効果を示さないCr／Ni又は
Ti／Ni／Cu／Fe合金若しくはNi金属(b)からなる
層の少なくとも２層から構成されていること、な
らびに合金(a)と合金若しくは金属(b)とを、ロウ付
け、溶接、ロールメツキ、押出もしくは別の冶金
的結合法又は接着によつて結合させることによつ
て解決される。

次に、本発明を図面によつて詳説される実施例
につき記載する。

第１図の縦断面は、棒材形の半製品としての材
料の構成によつて図示されている。第１図ａは、
第１処理過程後の状態に関連し、第１図ｂは、完
成品に関連する。１は、一方向記憶効果を示す成
分（芯材料）であり、２は、金属膜を表わす。拡
散焼鈍することによつて最終結果として他の成分
３は、棒材形の材料の周縁部分（不活性部分）と
して形成される。この場合、“不活性”の用語は、
本明細書の範囲内で高弾性材料が重要な温度範囲
内で記憶効果を全く示さないことを意味する。

第２図は、棒材−又は帯状体形の材料をトリメ
タルとして製造する際の処理経過及び手段を示
す。４は、押出機の円筒形バレルであり、５は、
相当するプランジヤー（ラム）であり、６は、マ
トリツクスである。このマトリツクスは、狭隘部
分で比較的になだらかな勾配角度（円形横断面の
場合の円錐角に相当）を有するのが有利である。
８は、圧縮体の他の（記憶効果を有しない）成分
の内部層を表わす。９は、横断面（平らな棒材）
での完成材料の一方向記憶効果を示す成分の外部
層である。１０は、横断面での完成材料の他（不
活性）の成分からなる内部層である。

実施例 第１図参照。

一方向記憶効果を示す成分に対する出発材料と
しては、β−黄銅系に属する、粉末冶金法で得ら
れた次の組成の合金が選択された： Al：14.2重量％ Ni：3.2重量％ Cu：残分 この記憶合金を熱間圧延することによつて厚さ
2.5mmの帯状体に変えた。更に、この帯状体から
正方形横断面2.5×2.5mm及び長さ35mmの試験棒を
切り取つた。この一方向効果を示す１に相当する
成分（芯材料）に２つの相対する側（特に圧延
側）で金属膜２（この場合、ニツケル）を設け
た。ニツケルメツキは、無電流化学法により80℃
に加熱された浴に６時間浸漬することによつて行
なわれる。この浴は、商品名“エレクトロレス・
ニツケル（Elektroless Nickel）”を生じた（製
造業者：Oxy Me´tal Industries Suisse SA、
Avenches）。引続き、被覆した棒材を900℃の温
度で30分間焼鈍処理し、水中で急冷した。この場
合、ニツケルは、Cu／Al／Ni−芯材料中に拡散
され、他の成分３を表わす周縁部分（不活性部
分）は、形成される。この手段によつて、芯に対
して周縁部分の冶金的組成、ひいては物理的性質
も変化した。この周縁部分の不活性成分として
は、公知の“ニチノール（Nitinol）”が使用され
た。しかし、この場合には、全く別の温度水準に
あるこの“ニチノール”の温度効果は利用されな
かつた。この材料は、それが超弾性の性質を有す
るので使用された。顕著な可逆の二方向記憶効果
（１〜２％の伸び）は、この材料で達成すること
ができた。

実施例 第２図参照。

一方向効果を示す成分に対する出発材料として
は、実施例の記載と同じ合金が使用された。こ
の材料から、耐蝕性鋼（Cr18／Ni8）からなる平
らな棒材で構成された、第２図の７及び８による
積層体（サンドイツチ体）を形成するような柱状
体を切り取つた。この矩形横断面の圧縮体を押出
機中に導入し、800℃の温度で平らな棒材の複合
材料に圧縮した。この種のトリメタルは、実際に
任意の横断面及び商業的に適用する長さで得るこ
とができる。このトリメタルに対して顕著な二方
向記憶効果が測定された。

実施例 ２つの成分に対する出発材料は、実施例の記
載と同じ合金組成を有した（Cu／Al／Ni及び
Cr／Ni−鋼）。外被として使用される、高さ200
mm、外径80mm及び肉厚２mmの軟質低炭素鋼
（St35）からなるカプセル中に中心に同軸で直径
５mmのCr／Ni−鋼からなる円形棒材を導入した。
次に、このカプセルの自由空間をCu／Al／Ni−
粉末で充填し、このカプセルを排気し、溶接し、
950℃で３時間140MPaの圧力下で等静圧的に圧
縮した。等静圧的圧縮後、軟質鋼からなる外被を
機械的処理によつて除去し、複合材料からなる圧
縮体を850℃の温度で鍛造することよつて数過程
で所望の完成品（棒材形）に変えた。

実施例 複合材料に対する出発材料としては、第１成分
（一方向記憶効果）に対して次の合金が選択され
た： Al：13.2重量％ Ni：3.2重量％ Cu：残分 第２成分（不活性の超弾性（superelastisch）
材料）としては、次の組成の合金が使用された： Ti：44.25重量％ Ni：47.75重量％ Cu：５重量％ Fe：５重量％ 第１成分から差当り粉末冶金法により粉末混合
物を前圧縮しかつ焼結することによつて直径20mm
の焼結した円形棒材を得た。Ti／Ni／Cu／Fe−
合金から内径20mm及び肉厚２mmの管を完成させ、
この管中に円形棒材を直接に導入した。この円形
棒材は、それが直接に固定されるように管中に押
入れた。次に、こうして予備調製された複合材料
を850℃の温度に加熱し、この温度で数回のパス
でスエージ加工することによつて10mmの直径に減
少させた。パス１回当りの横断面の減少は、約20
％であつた。重要な二方向記憶効果を示す、堅固
で緻密な複合材料をスエージ加工することによつ
て得た。この場合、第２の不活性、周縁部分を形
成する成分の場合には、専らその高弾性の性質を
利用したが、本来同様に存在する記憶効果（これ
は、重要な温度範囲内では存在しない）は利用し
なかつたことを強調することができる。

本発明は、前記の実施例に限定されるものでは
ない。原則的には、材料は多数の層（少なくとも
２つ）から形成され、この場合には、少なくとも
１つの一方向記憶効果を示す成分及びこの第１の
成分の一方向効果を内部応力によつて抑制する少
なくとももう１つの成分が存在していなければな
らない。この条件は、既に標準状態で充足するこ
とができるが、遅くとも作業状態で、すなわち温
度及び外に作用する負荷を考慮しながら充足しな
ければならない。材料は、半製品として棒材−、
針金−、管−、輪郭材−、薄板−又は帯状体形で
あることができ、したがつてそれは少なくとも冷
たい状態で個々の構成部材にさらに加工すること
ができる。一方向記憶効果を示す第１成分に対す
る出発材料としては、この性質を示す全部の材
料、特にCu／Al／Ni−合金、Cu／Al−合金、
Cu／Zn／Al−合金、Ti／Ｖ−合金、Ti／Nb−
合金、Ni／Ti−合金及びNi／Ti／Cu−合金がこ
れに該当する。材料形成のもう１つの方法は、層
が第１（活性）成分及び第２（不活性）成分に対し
て大体において同じ合金系（例えばCu／Al／
Ni）に属すことにあり、この場合変態は、不定
であることができる。しかし、この層の組成は、
化学的に区別しなければならず、その物理的性質
は、殊に記憶効果に対して同様に質的に区別しな
ければならない。芯を形成する元来の材料（一方
向記憶効果を示すCu／Al／Ni−記憶合金）の物
理的性質は、周縁帯域中のニツケル含量を高める
ことによつて変えられる。こうして、この材料
は、重要な応力範囲内でもはや記憶特性を全く示
さない。しかし、この材料の超弾性
（superelastisch）の性質のみは、材料が顕著な
伸び（２〜３％）を応力の実質的な上昇なしに受
けることができることにより、利用される。この
ことは、“超弾性伸びの一定計数域”と呼称され
ている。冶金的に変化された周縁帯域と、不変の
芯材料との間に本明細書中に明らかに開示された
複合作用により、この芯材料は、応力によつて
“元来の”一方向効果の発揮について抑制され、
かつ全体において二方向効果が生じる。

異なる物理的性質を有する成分を結合するため
の方法としては、原則的にロウ付け、溶接、ロー
ルメツキ、押出し又は別の冶金法及び接着を記載
することができる。この方法で、特に２層−（バ
イメタル）又は３層−（トリメタル）の材料を得
ることができる。材料は、粉末冶金法で個々の成
分から得ることができ、バイメタル−又はトリメ
タル半製品にさらに加工することができる。これ
は、冷間圧縮、焼結及び押出しによつて行なうこ
とができるか又は等静圧圧縮及び場合によつては
それに続くスエージ加工によつて行なうことがで
きる。この場合には、同時に又は引続きなお付加
的に例えば厚さ５〜100μの耐蝕層を設けること
ができるか又は周縁部分中で生ぜしめることがで
きる。この耐蝕層の処理過程は、勿論全部の別の
製造法にも当てはまる。複合材料は、必要に応じ
て金属成分だけからなる必要はない。不活性の第
２成分は、強力で高弾性の耐熱性プラスチツクで
あつてもよく、このプラスチツクは、その側で再
び種々の成分（補強材料を含めて）から形成する
ことができる。プラスチツクは、弾性運動を損傷
なしに一緒に行ないかつ作業中に生じる温度に堪
えることが条件である。

二方向記憶効果の使用範囲を殊に約100℃〜200
℃の温度範囲内で著しく拡張する手段は、新規の
材料及び相当する製造法によつて当業者に委託さ
れる。これは、なかんずくスイツチ、リレー及び
温度レリーズに関連する。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは、第１の処理過程後の状態で半製品
（棒材）の形で本発明による材料の構成を示す縦
断面図、第１図ｂは、第１図ａによる材料の完成
後の構成を示す縦断面図、第２図は、トリメタル
の形の本発明による材料の製造法として押出機の
場合に処理経過を示す略図である。 １……棒材として形成された材料の一方向記憶
効果を示す成分（芯材料）、２……金属膜、３…
…棒材として形成された材料の他の成分（周縁部
分＝不活性部分）、４……押出機の円筒形バレル、
５……押出機のプランジヤー（ラム）、６……マ
トリツクス、７……圧縮体の一方向記憶効果を示
す成分からなる外部層、８……圧縮体の他の成分
の内部層、９……棒材形の完成材料の一方向記憶
効果を示す成分からなる外部層（矩形横断面）、
１０……棒材形の完成材料の他の成分の内部層
（矩形横断面）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱的変化にともない可逆的な形状変化を生じ
   る二方向記憶効果を有する材料において、その材
   料が、一方向記憶効果を示すAl／Ni／Cu合金(a)
   からなる層及び一方向記憶効果を示さないCr／
   Ni又はTi／Ni／Cu／Fe合金若しくはNi金属(b)
   からなる層の少なくとも２層から構成されている
   ことを特徴とする二方向記憶効果を有する材料。 ２ 棒状−、針金−、管−、薄板−又は帯状体形
   で存在し、少なくとも冷たい状態で加工可能な特
   許請求の範囲第１項記載の材料。 ３ 合金(a)の層と、合金若しくは金属(b)の層から
   なる２層構造を有する特許請求の範囲第１項記載
   の材料。 ４ 合金(a)の層と、合金若しくは金属(b)の２個の
   層からなる３層構造を有する特許請求の範囲第１
   項記載の材料。 ５ 合金(a)の芯材料の層と合金若しくは金属(b)の
   周縁部分からなる層の２層構造を有する特許請求
   の範囲第１項記載の材料。 ６ 合金(a)の周縁部分からなる層と合金若しくは
   金属(b)の芯材料の層の２層構造を有する特許請求
   の範囲第１項記載の材料。 ７ 熱的変化にともない可逆的な形状変化を生じ
   る二方向記憶効果を有する材料において、その材
   料が、一方向記憶効果を示すAl／Ni／Cu合金(a)
   からなる層及び一方向記憶効果を示さないCr／
   Ni又はTi／Ni／Cu／Fe合金若しくはNi金属(c)
   からなる層の少なくとも２層から構成されている
   材料を製造するにあたり、合金(a)と合金若しくは
   金属(b)とを、ロウ付け、溶接、ロールメツキ、押
   出もしくは別の冶金的結合法又は接着によつて結
   合させることを特徴とする製造方法。 ８ 合金(a)からなる芯材料の周縁部分に、合金若
   しくは金属(b)からなる電気メツキ膜を形成させ、
   続いて拡散焼鈍することを特徴とする特許請求の
   範囲第７項記載の製造方法。 ９ 合金(a)と合金若しくは金属(b)とからなる積層
   体を押出機に導入し、圧縮することを特徴とする
   特許請求の範囲第７項記載の製造方法。 １０ 合金(a)を、合金若しくは金属(b)からなる円
   形棒材の周囲に溶接し、等静圧的に圧縮すること
   を特徴とする特許請求の範囲第７項記載の製造方
   法。 １１ 合金(a)からなる円形棒材を、合金若しくは
   金属(b)からなる管中に押入れ、加熱し、スエージ
   加工することを特徴とする特許請求の範囲第７項
   記載の製造方法。