JPH02501579A

JPH02501579A - 特定の物理的及び機械的性質を有する形状記憶合金の製造方法

Info

Publication number: JPH02501579A
Application number: JP1504380A
Authority: JP
Inventors: トーマ　ポール　エドワード; アブジュドム　ディヴィッド　エヌ　ザ　セカンド; ファリアビー　シペア
Original assignee: ジョンソン　サーヴィス　コムパニー
Priority date: 1988-04-20
Filing date: 1989-04-04
Publication date: 1990-05-31
Also published as: AU616514B2; KR900700647A; US4881981A; EP0374209A1; KR930007143B1; CA1316437C; AU3424189A; WO1989010421A1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】特定の物理的及び機械的性質を有する形状記憶合金の製造方法発明の背景発明の分野本発明は、一定範囲の特定の物理的及び機械的性質を有する形状記憶合金（ＳＭＡ）部材の製造方法に関し、より詳しくは、所定の記憶付与熱処理前に、所定の内部応力を導入することによる従来技術の記載ニッケルーチタン合金、例えばニチノール（Ｎｉｔｉｎｏｌ）（ＮｉＴｉ）は、そのマルテンサイト及び／または斜方面体晶系（Ｒｈｏｍｂｏｈｅｄｒａｌ）相において変形し、その後、オーステナイト相に加熱した場合に、その原形を回復する能力を有する。この形状記憶合金の特徴は、合金の基本的な化学組成、加工法及び記憶付与熱処理に起因すると考えられている。

ＳＭＡの上記の特徴を記載している多くの記事がある。これらには、合衆国特許第４，３１０，３５４号及び第３，１７４，８５１号、並びに“ニチノールの相変態に対する応力の効果（Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　５ｔｒｅｓｓｅｓＯｎ　Ｔｈｅ　Ｐｈａｓｅ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｎ１ｔｉｎｏ＋）　″ という標題のｔｈｅＮａｖａｌ　５ｕｒｆａｃｅ　Ｗｅａｐｏｎｓ　Ｃｅｎｔｅｒからの記事（ＮＳＷＣＴＲ８６−１９６１９８６）　、並びに“Ｔ１Ｎｉ合金の相変態に対する冷却処理後の熱処理の効果（Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｈｅａｔ　Ｔｒｅａｔｓ＋ｅｎｔ　Ａｆｔｅｒ　Ｃｏ１ｄ　Ｗｏｒｋｉｎｇ　ｏｎｔｈｅ　Ｐｈａｓｅ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔ１Ｎｉ　Ａ１１ｏｙ）　 ”　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｆｔｈｅ　Ｊａｐａｎ　Ｉｎ５ｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｅｔａｌｓ、　Ｖｏｗ、　２８．　ｋ　２　（１９８７）　ｐａｇｅｓ８３−９４が含まれる。

これらの記事の全ては、ＳＭＡ合金を製造する一般的に知られている方法に関する。これは、最初に所定の組成の合金を選択する工程、合金を所望の形状に成形する工程及び合金に所定の記憶付与熱処理を行う工程を含む０合金の化学組成及び記憶付与熱処理の厳密な制御を維持した場合でも、変態温度にかなりの変化が生じることが知られている。これは、一般的には工程上の変動及び他の未知の要因に起因していた。このことは、より正確な変態温度並びに他の機械的及び物理的性質が要求される用途におけるＳＭＡ合金の使用を制限する。

発明の要旨本発明において、ＳＭＡの物理的及び機械的性質を制御し、調整する方法が達成された。物理的性質には、種々の３ＭＡ相の変態温度、各相間に得られるヒステリシス、斜方面体晶系相と関連するマルテンサイト相の抑制、並びに各相の出発温度と最終温度との関係が含まれるが、これに限定されることはない０本発明により制御され、調整される機械的性質には、降伏点、極限引張強さ、及び延性が含まれるが、これらに限定されることはない、これは、所望の形状にＳＭＡを最終的に成形加工する前、且つ所定熱処理計画による記憶付与の前に、ＳＭＡ中に公知の内部応力を導入し、該応力を分散させることにより達成された。

本発明の第一の目的は、記憶付与熱処理前に公知の組成のＳＭＡ部材へ公知の内部応力を導入し、かつ拡散させることによりＳＭＡの変態温度を制御及び調整することである。

本発明の別の目的は、記憶付与熱処理前に公知組成のＳＭＡ部材中に公知の内部応力を導入し拡散することにより、ＳＭＡの別の物理的性質及び機械的性質を制御することである。

本発明の第一の特徴は、公知組成のＳＭＡ合金において、正確な変態温度並びに他の物理的及び機械的性質を提供できることにある。

本発明の別の主な特徴及び利点は、下記の詳細な記載、請求の範囲及び図面を参照することにより、当業者に明らかになるであろう。

図面の簡単な説明第１図は、冷間時の絞り１５％において、熱処理前に、低度の内部応力を導入した場合のＡ−Ｒ−Ｍ−Ａ　（ＡＲＭＡ）の変態反応を示す典型的なりＳＣカーブである。ここで、Ａ％Ｒ及びＭは各々オーステナイト相、斜方面体晶系相及びマルテンサイト相を示す。

第１ａ図は、第１図と同じ試験片のＡ−Ｒ−Ａ　（ＡＲＡ）変態反応を示す典型的なりＳＣ曲線である。

第２図は、熱処理前に、冷間時の絞り３５％の中程度の内部応力を導入した場合のＡＲＭＡ変態反応を示す典型的なりＳＣ曲線である。

第２ａ図は、第２図と同じ試験片のＡＲＡ変態反応を示す典型的なりＳＣ曲線である。

第３図は、熱処理前に、冷間時の絞り５５％の高度の内部応力を導入した場合のＡＲＭＡ変態反応を示す典型的なりＳＣ曲線である。

第３ａ図は、第３図と同じ試験片のＡＲＡ変態反応を示す典型的なりＳＣ曲線である。

第４図は、異なる内部応力量及び記憶付与温度におけるＡＲＭＡ反応のオーステナイトピーク温度を示す一群の曲線である。

第５図は、異なる内部応力量及び記憶付与温度におけるＡＲＡ反応のオーステナイトピーク温度を示す一群の曲線である。

第６図は、異なる内部応力量及び記憶付与温度におけるＡＲＭＡ又はＡＲＡ反応の斜方面体晶系ピーク温度を示す一群の曲線である。

第７図は、異なる内部応力量及び記憶付与温度におけるＡＲＭＡ又はＡＭＡ反応のマルテンサイトピーク温度を示す一群の曲線である。

第８図は、異なる内部応力量で、４７５℃の記憶付与温度で１時間処理した場合の相変態ピーク温度を示す一群の曲線である。

第９図は、異なる内部応力量で、５００℃の記憶付与温度で１時間処理した場合のオーステナイト及びマルテンサイト降伏値を示す一群の曲線である。

第１０図は、異なる内部応力量及び記憶付与温度におけるオーステナイト降伏値を示す一群の曲線である。

第１１図は、２つの内部応力レベルにおけるオーステナイト及びマルテンサイトの両方の応力／歪曲線である。

第１２図は、異なる応力レベルを有する複数の部分を有するＳＭＡ部材の模式図である。

本発明の詳細な説明する前に、本発明は下記の説明にあるような又は図面中に示された詳細な記載に限定されるものではないことを理解されたい０本発明においては、他の実施ＢＰＪが可能であり、種々の方法で実施することができる。さらに、ここで使用される専門語句及び専門用語は、記述の目的で使用したものであり、本発明を制限するものとみなされるべきではない。

発里夏■皿ここに記載された形状記憶合金（ＳＭＡ）は、ニッケルとチタンのニア　エキアトミンク（ｎｅａｒ　ｅｑｕｉａｔｏｍｉｃ）合金である。この合金は、説明の目的にのみ使用され、他のＳＭＡ合金も同様の形式で対応させうる。

本発明による方法は、一般的には、公知組成のＳＭＡの選択、該合金の参考（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）応力レベルへの所定時間の焼きなまし、及び該合金への制御された量の内部応力の導入のための該合金の常温成形を含む。

次の工程は、合金の所望の形又は形状（ｃｏｎｒｉｚｕｒａｔｉｏｎ）への成形、合金の所望の形状記憶配置への固定、該合金の選択された記憶付与温度での一定期間の熱処理、及び該合金の周囲温度への冷却を含む。その後、ＳＭＡは固定（ｆｉｘｔｕｒｅ）から外され、ＳＭＡのオーステナイトＳ斜方面体晶系、及びマルテンサイト相変態の温度が決定される。これらの相の１群の曲線は、下記に完全に記載されるように、上記方法を異なる内部応力及び異なる記憶付与温度で行なうことにより作成されつる。

下記の実施例においては、ＳＭＡから引かれた直径約１ないし２＋１１１１のワイヤーを３００℃と９５０℃の間の温度で、通常５分間と２時間の間の温度で焼きなましをした。次の内部応力の導入又は添加に備えて、焼きなまし方法により、内部応力の量が、参考レベルまで減少する。

その後、焼なましされたワイヤーは処理され、ワイヤーに特定量の冷間絞りを施すことにより、種々の量の内部応力が導入又は加えられる。計算は、冷間加工ワイヤーの初期及び最終直径に基づいて行われる。本方法において該工程は、内部応力により、合金の変悪温度並びに他の物理的及び機械的性質の調整及び制御を可能とするため、特に重要である。その後、合金は所望の形状に成形され、所望の形状記憶形状に保持される。その後、合金は選択された記憶付与温度に加熱され、冷却される。下記の図は、種々の内部応力レベルでの変態相を示す。

第１図及び第１ａ図に関して、変態反応ニオ−ステナイト−斜方面体晶系〜マルテンサイト〜オーステナイトの相変化（ＡＲＭＡ）及びオーステナイト−斜方面体晶系〜オーステナイトの相変化（ＡＲＡ）は、ディファレンシャル　スキャンニング　カロリメトリー（ＤＳＣ）プロットを用いて描かれる。このプロットは、低度の冷間絞り（約１５％）で、４７５℃の記憶付与温度で１時間処理した場合の合金の変態温度を示し、Ａ、Ａ’、Ｒ及びＭ相のピーク温度は各々５３．４ ℃、３７．９℃、３１．７℃及び９．６℃である。

第２図及び第２ａ図に関して、変態反応ニオ−ステナイト−斜方面体晶系〜マルテンサイト〜オーステナイトの相変化（ＡＲＭＡ）及びオーステナイト−斜方面体晶系〜オーステナイトの相変化（ＡＲＡ）は、ディファレンシャル　スキャンニング　カロリメトリー（Ｄ　Ｓ　Ｃ）プロットを用いて描かれる。このプロットは、中程度の冷間絞り（約３５％）で、４７５℃の記憶付与温度で１時間処理した場合の合金の変態温度を示し、Ａ、Ａ’、Ｒ及びＭ相のピーク温度は各々４４．３℃、４０．９℃、３４．３℃及び−１０，８℃である。

第３図及び第３ａ図に関して、変態反応ニオ−ステナイト−斜方面体晶系〜マルテンサイト〜オーステナイトの相変化（ＡＲＭＡ）及びオーステナイト−斜方面体晶系〜オーステナイトの相変化（ＡＲＡ）は、ディファレンシャル　スキャンニング　カロリメトリー（ＤＳＣ）プロットを用いて描かれる。このプロントは、高度の冷間絞り（約５５％）で、４７５℃の記憶付与温度で１時間処理した場合の合金の変態温度を示し、Ａ、Ａ’、Ｒ及びＭ相のピーク温度は各々４３．７ ℃、４１．９℃、３５．６℃及び−１５．３℃である。

その後、種々の冷間絞り量及び記憶付与温度で、上記合金の場合は各々５〜６０％及び４００〜６００℃の範囲で上記方法を繰り返す、第４図〜第７図は、各々オーステナイト、　Ａｐ　（Ｍ＝Ａ）、オーステナイト、Ａ’　ｐ（Ｒ−Ａ）　、斜方面体晶系、Ｒｐ、及びマルテンサイト、Ｍｐ相のピーク転移温度に対して得られる曲線の群を示す。この合金の曲線の群は、４７５〜６００℃の記憶付与温度で１時間の処理に対して示される。

第８図は、内部応力（冷間加工）の程度と、該合金の４７５℃の記憶付与温度で１時間の処理による転移温度ピークとの関係を明確に示す。

第９図はまた、５００℃の記憶付与温度で１時間処理した場合の内部応力（冷間加工）の程度と降伏値との関係を、オーステナイト相とマルテンサイト相の両方について明確に示す。

第１０図は、４５０℃、４７５℃、５００℃及び５２５℃の記憶付与温度で１時間処理した場合のオーステナイト相陣伏値について得られる曲線群である。

ＳＭＡの使用に際しては、決定的なパラメーターが物理的性質、例えば相転移又は変態温度、特定の相変態の開始点及び終了点並びに／又は一つの相の形成と他の相の形成の間のヒステリシスに関連する場合がある。しかしながら、機械的性質はそれ程決定的ではないと考えられる。これらの用途において、ＳＭＡ部材は通常低度の応力及び歪を受ける一方で、精密な変態温度、狭いヒステリシスループ及び相変態の開始と終了の間の小さな差が要求される。そのような用途は、例えば電気モーターの過負荷保護回路における熱断続スイッチの用途でありうる。

物理的性質よりもむしろ機械的性質の方が強調される第二のＳＭＡ用途は、比較的高い応力及び歪みを有するアクチュエーターでありうる０例えば、１００　＠Ｆを超える範囲で又は９０＠の回転で通風ダンパを作動させる場合等に、作動温度又はヒステリシスループにより広い許容性が認められる。

第三のタイプの用途は、防火扉、防火用スプリンクラ−システムパルプ等の場合のよパに、数℃の範囲内で作動する、高度な機械的出力と厳密又は正確な温度要求の両方を要するものでありうる。

第９図ないし第１１図は、内部応力の程度を調整する方法を使用した結果として得られるデータを示す０例えば第１図ないし第８図に示すような物理的パラメーターデータから、及び第９図及び第１Ｏ図に示すような機械的パラメーターデータから、特定用途のための適当な内部応力の量を選択することができる。計算例を第１１図に示す。

ＳＭＡの使用例において、要素により誘導又は生産される作動出力の量は、Ａ− Ｍ〜Ａ反応におけるオーステナイト強度とマルテンサイト強度との差、並びにＡ −Ｒ−Ａ反応におけるオーステナイト強度と斜方面体晶系強度との差に比例する。第９図に関しては、３０％の冷間加工時における該合金の強度差が約７５０　Ｍｐａ（９００−１５０）であることが示されている。一方、６％の冷間加工時には、約２５０　Ｍｐａ　（３５０−１００）であるに過ぎない０作動出力は、二つの異なる程度の内部応力レベル（Ｉ及び■）における二つの応力／歪曲線を示す第１１図により最も良く示されている。第１Ｌ図によると、本方法を用いる二つの用途が確認されうる。高歪／低応力の最初の用途（１）においては、ＡＲＭＡ反応について、マルテンサイト相は１．７５％に歪み、１５ＫＳＩの応力を有する。高応力／低歪の第二の用途（ＩＩ）においては、ＡＲＡ反応について、斜方面体晶系相の応力及び歪は各々１５ＫＳ１及び０．７５％である。対応するオーステナイト相の応力／歪は、ＡＲＭＡ反応（１）　ニツイテは４０ＫＳＩ及び０．５％であり、ＡＲＡ反応については７０ＫＳ　Ｉ及び０．５％である。従って、エネルギー生産量（作動出力）は、ＡＩＭＡ反応については（４０−１５）　ｘ　（１，７５−０，５）すなわち３１．２５であり、ＡＲＡ反応については（７０−１５）　Ｘ　（０，７５−０，５）すなわち１３．７５である。

いくつかの特別な用途においては、漸進的に変化しうる内部応力の量を有するこるが望ましく、さらには、ＳＭＡ部材のヒステリシスロープを拡大することが望ましい。

ステップ　ファンクション（ｓｔｅｐ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ）の用途においては、２またはそれ以上の段階で温度の関数として動きを止めるのが望ましい、この場合、ＳＭＡ部材の複数の一体的な部分は、第１２図に示すように異なる内部応力レベルを有し、これは予め決められた順序での該部分の作動を導く。

従って、本発明によると、上記で述べた目的及び利益を完全に達成することのできるＳＭＡの変態温度の制御方法を提供できることが明らかである０本発明を、特定の実施態様に関して記載したが、当該分野の技術者に明らかであろう別法、変法及び変形が多数存在することは明らかである。従って、添付された請求の範囲の趣旨及び広範な範囲内にある上記別法、変法及び変形の全てを包含することを意図するものである。

熱流（ｐｙＩ）熱流（ｎＩ）熱流どｍＷノ＃、流（／ｎン／）熱流′４ｗノ熱　流　どシηｈ／ノ国際調査報告 −−−，−−−＋−ＰＣＴ／ＵＳ　８９１０１４１４国際調査報告ＳＡ　２８０７７

Claims

【特許請求の範囲】（１）公知の化学組成の形状記憶合金部材の物理的及び機械的性質を調整する方法において、該方法が、該部材を参考内部応力レベルまで焼なましする工程、該部材に制御された量の内部応力を導入する工程、並びに所望の物理的及び機械的性質を得るために該部材に熱処理を施す工程を含む方法。（２）該熱処理工程前に、該部材を所望の形状に成形する工程及び該部材を最終的な所望形状、即ち加熱により該部材が戻る形状に固定させる工程を含む請求項（１）記載の方法。（３）オーステナイト、マルテンサイト及び斜方面体晶系相のための該部材の変態温度を決定する工程を含む請求項（１）又は（２）記載の方法。（４）異なる内部応力レベル及び異なる記憶付与温度で請求項（３）の工程を繰返すことにより、一群の相変態曲線を生じさせる工程を含む請求項（３）記載の方法。（５）オーステナイト、マルチンサイト及び斜方面体晶系相の応力／歪特性を決定する工程を含む請求項（１）又は（２）記載の方法。（６）異なる内部応力レベル及び異なる記憶付与温度で請求項（５）の工程を繰返すことにより、一群の応力／歪特性曲線を生じさせる工程を含む請求項（５）記載の方法。（７）前記の導入工程が、漸進的に変化する内部応力を該部材に導入する追加の工程を含む請求項（１）又は（２）記載の方法。（８）前記の導入工程が、前記部材の選択的部分への種々の異なる量の内部応力の導入を含む請求項（１）又は（２）記載の方法。（９）公知の化学組成及び公知の内部応力レベルを有する形状記憶合金部材の物理的及び機械的性質を調整する方法において、該方法が、内部応力レベルを増加する工程、及び該部材を選択された記憶付与温度で熱処理する工程を含む方法。（１０）該熱処理工程前に、該部材を所望の形状に成形する工程及び該部材を最終的な所望形状、即ち加熱により該部材が戻る形状に固定させる工程を含む請求項（９）記載の方法。（１１）オーステナイト、マルチンサイト及び斜方面体晶系相のための該部材の変態温度を決定する工程を含む請求項（９）又は（１０）記載の方法。（１２）異なる内部応力レベル及び異なる記憶付与温度で請求項（１１）の工程を繰返すことにより、一群の相変態曲線を生じさせる工程を含む請求項（１１）記載の方法。（１３）オーステナイト、マルチンサイト及び斜方面体晶系相の応力／歪特性を決定する工程を含む請求項（９）又は（１０）記載の方法。（１４）異なる内部応力レベル及び異なる記憶付与温度で請求項（１３）の工程を繰返すことにより、一群の応力／歪特性曲線を生じさせる工程を含む請求項（１３）記載の方法。（１５）前記の導入工程が、漸進的に変化する内部応力を該合金に導入する追加工程を含む請求項（９）又は（１０）記載の方法。（１６）前記の導入工程が、前記部材の選択的部分への種々の異なる量の内部応力の導入を含む請求項（９）又は（１０）記載の方法。（１７）公知の化学組成及び公知の内部応力レベルを有する形状記憶合金部材の物理的及び機械的性質を調整する方法において、該方法が、該部材を参考内部応力レベルが達成される所定の温度及び時間で焼なましする工程、該部材の内部応力を増加させる工程、並びに選択された記憶付与温度で該部材に熱処理を施す工程を含む方法。（１８）該熱処理工程前に、該部材を所望の形状に成形する工程及び該部材を所望形状、即ち加熱により該部材が戻る形状に固定させる工程を含む請求項（１７）記載の方法。（１９）オーステナイト、マルチンサイト及び斜方面体晶系相のための該部材の変態温度を決定する工程を含む請求項（１７）又は（１８）記載の方法。（２０）異なる内部応力レベル及び異なる記憶付与温度で請求項（１９）の工程を繰返すことにより、一群の相変態曲線を生じさせる工程を含む請求項（１９）記載の方法。（２１）オーステナイト、マルチンサイト及び斜方面体晶系相の応力／歪特性を決定する工程を含む請求項（１７）又は（１８）記載の方法。（２２）異なる内部応力レベル及び異なる記憶付与温度で請求項（２１）の工程を繰返すことにより、一群の応力／歪特性曲線を生じさせる工程を含む請求項（２１）記載の方法。（２３）前記の導入工程が、漸進的に変化する内部応力を該部材に導入する追加の工程を含む請求項（１７）又は（１８）記載の方法。（２４）前記の導入工程が、前記部材の選択的部分への種々の異なる量の内部応力の導入を含む請求項（１７）又は（１８）記載の方法。