JPH10147851A - 形状記憶合金の処理方法 - Google Patents

形状記憶合金の処理方法

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JPH10147851A
JPH10147851A JP9169630A JP16963097A JPH10147851A JP H10147851 A JPH10147851 A JP H10147851A JP 9169630 A JP9169630 A JP 9169630A JP 16963097 A JP16963097 A JP 16963097A JP H10147851 A JPH10147851 A JP H10147851A
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 形状記憶合金からなる構成部品を、その構成
部品が高められた弾性特性を呈するように処理する方法
を提供する。 【解決手段】 Ｎｉ−Ｔｉ系形状記憶合金からなる構成
部品を、その構成部品が超弾性を呈するように処理する
方法において、構成部品を冷間加工し、構成部品を冷間
加工によって得られた形状に拘束した状態で合金を焼鈍
し、さらに構成部品を合金の固溶度線の温度よりも低
く、且つ、焼鈍工程において晒された温度よりも高い温
度に晒してＡｆ温度を低下させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、形状記憶合金から
なる構成部品を、特に、その構成部品が高められた弾性
特性を呈するように処理する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】形状記憶合金からなる物品は、その合金
のマルテンサイト相とオ−ステナイト相の間の変態に関
連して形状記憶特性を発揮することができる。この形状
記憶特性を有する物品は、まず、その合金相がマルテン
サイト相に変態したときに、（オ−ステナイト相での）
熱的に安定な形状から（マルテンサイト相での）熱的に
不安定な形状に変形され、すなわち、熱的な形状変化を
生じる。続いて、その物品が加熱温度に晒され、その合
金相がマルテンサイト相からオ−ステナイト相に戻る
と、熱的に不安定な形状から元の熱的に安定な形状へと
形状が変化する。
【０００３】形状記憶合金はマルテンサイト・オ−ステ
ナイト変態を示さない材料と比較して弾性特性が高く、
本発明は、特にそのような形状記憶合金の高い弾性特性
に関する。形状記憶合金の超弾性変態の特質について
は、（Ｔ．Ｗ．デュエリグ等：「形状記憶合金の工学的
見地」、ブッタワ−ス−ハイネマン、（１９９０）、
Ｐ．３７０）で議論されている。この文献に開示されて
いる内容は本明細書中に引例されている。形状記憶合金
の主要な変態においては、応力とほぼ比例して、歪みの
初期的な増加が生じる。この挙動は可逆的であり、従来
の弾性変形に相当する。続いて生じる歪みの増加は、応
力の増加を殆どまたは全く伴わず、歪みの限界域を越え
て、「負荷安定域」の終端に達する。この負荷安定域の
応力は、応力／歪みのグラフの変曲点によって定義され
る。続いて生じる歪みの増加は応力の増加を伴う。負荷
が除去されるとき、応力の減少と共に歪みが減少して、
応力が歪みの減少に対して殆ど変化しない変曲点の存在
によって示される「無負荷安定域」の始端に達する。無
負荷安定域の終端において、応力は歪みの減少と共に減
少する。また、無負荷安定域の応力は、応力／歪みのグ
ラフにおける変曲点によって定義される。応力が零にな
るまで負荷が除去された後の残留歪みは試料の永久変形
量に相当する。変形の特性、負荷安定域、無負荷安定
域、弾性係数、安定域の長さ、および永久変形（変形の
全体に対して具体的に定義される）は、例えば、「形状
記憶合金の工学的見地」のＰ．３７６において、規定か
つ定義されている。
【０００４】形状記憶合金はまた、化学技術百科辞典
（キルク・オズマ−編）の第２０巻、Ｐ．７２６−７３
６のＬ．マクドナルド・シェットキ−によって執筆され
た章において議論されている。この文献に開示された内
容は本明細書中に引例されている。
【０００５】冷却時のオ−ステナイトからマルテンサイ
トへの変態は、Ｍｓ温度として知られている温度で始ま
り、Ｍｆ温度として知られている温度で完了する。加熱
時のマルテンサイトからオ−ステナイトへの変態はＡｓ
温度として知られている温度で始まり、Ａｆ温度として
知られている温度で完了する。負荷はマルテンサイト化
を促進し、または、マルテンサイト相を安定化させる傾
向がある。オ−ステナイト相が負荷のない状態で安定し
ているとき、非線形の超弾性特性が得られ、十分な負荷
が与えれたとき、マルテンサイト相が一時的に安定す
る。このような特性を得るには、材料の温度をＡｆ温度
よりもわずかに高く維持する必要がある。超弾性がすべ
て失われる温度はＭｄ温度と呼ばれている。
【０００６】非線形の超弾性特性を形状記憶合金にもた
らす好ましい方法としては、その合金にいくつかの変形
加工、例えば、据え込み、引き抜き、加圧、引き伸ば
し、および曲げ加工、の１つを、冷間で施す方法が挙げ
られる。この冷間加工の後、その合金の再結晶温度より
も低い温度で、転位を再配列し、結合し、そして整列さ
せるに十分な時間、焼戻しを施す（いわゆる、「回復」
プロセス）。こうして回復された転位構造は、理想的に
は、塑性変形を困難にするには十分な程度に転位が緻密
に再配列し、しかし、負荷状態でマルテンサイト相が変
態して比較的自由に成長するのを妨げるほどには転位が
緻密に再配列していないような構造が好ましい。
【０００７】多くの好適な超弾性合金はこれらの回復プ
ロセスが施される温度範囲で熱的に不安定であるので、
この回復熱処理の第２の不可癖的な結果として、材料が
時効する。すなわち、Ｎｉの富む粒子を析出させ、チタ
ニウムのマトリクス相を多くさせ、その結果、変態温度
（Ａｆ温度を含む）を上昇させる。最適な超弾性特性
は、形状記憶合金をＡｆ温度より高い温度で用いるとき
のみ得られる。ただし、超弾性はＡｓ温度（代表的に
は、Ａｆ温度よりも２−２０℃低い温度）以上でも観察
される場合がある。従って、この回復熱処理の第２の必
要要件は、Ａｆ温度が合金の用いられる温度以上に上昇
しないことである。実際的には、回復熱処理における時
間と温度の上限を限定する。
【０００８】多くの場合、装置は、冷間加工によって実
際に製造されうる形状とは違った形状で使用される。例
えば、直線状のワイヤは冷間引抜によって製造するのと
都合がいい。しかし、ル−プ状または他の形状のワイヤ
は冷間引抜では製造できない。この場合、通常、引き抜
き、冷間加工されたワイヤを所定の「熱的に安定な」形
状に成形し、その形状にワイヤを拘束し、上記の回復熱
処理を施して、その構成部品（ワイヤ）の形状を固定す
る。この場合、最終焼鈍は、２つの目的、すなわち、合
金の超弾性特性を調整する目的と、物品の形状を適当に
固定する目的を有している。この熱処理（焼鈍）の時間
と温度は重要である。もし、焼鈍温度で余りにも長く保
持されると、材料が過時効を起こし、Ａｆ温度が使用温
度以上に上昇する。また、もし、焼鈍温度での保持時間
が余りにも短いかまたは焼鈍温度が余りにも低いと、形
状の固定が不十分で、元の転位構造の多くが残留し、マ
ルテンサイトを拘束できない。この「成形」処理におい
て、冷間加工が部品にさらに施されるが、その冷間加工
の量は、引き抜きによってワイヤに施される冷間加工の
量と比較して、通常は小さい。さらに、この成形処理は
不均一である場合が多く、そのような場合は、この成形
処理自身が、一般的にいって、構成部品に対して冷間加
工を適切に与えているとはいえない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】複雑な形状の物品は、
高価な成形を必要とし、上記のプロセスによって製造す
るのは非常に困難である。もし、成形プロセスにおいて
極めて大きな歪みが生じると、物品は、形状固定かつ回
復処理の温度にまで加熱されたときに破壊する（すなわ
ち、成形された物品を拘束できるが、その形状を加熱プ
ロセスの過程で破壊せずに維持することができない）。
この問題は、最終的に所定の形状を与えるように一連の
小さな、中間的な形状に固定する操作を累積的に施すこ
とによって克服できるが、これらの形状を固定する工程
の各々が次の工程の準備として材料を軟化させるに十分
な焼鈍時間を必要とする、という不都合な点がある。こ
れらの工程が繰り返されると、これらの熱処理が累積的
な時効を起こし、Ａｆ温度を予期される使用温度（例え
ば、ほとんどの医学的な用途では、３７℃）以上に上昇
させてしまう。
【００１０】また、超弾性を、冷間加工ではなく、固溶
化処理と時効によって得る方法が知られている。しか
し、この方法は上記の問題を解決することはできるが、
超弾性特性に劣り、この方法による物品は疲労と貯蔵性
の観点で問題を起こしやすいという欠点がある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、形状記憶合金
からなる構成部品をその形状を固定する処理の温度より
も高い温度で短時間加熱することによって、形状記憶合
金の弾性特性を高めることができる方法を提供すること
を目的とする。
【００１２】前記目的を達成するため、本発明の１つの
態様によれば、Ｎｉ−Ｔｉ系形状記憶合金からなる構成
部品を、その構成部品が超弾性を呈するように処理する
方法において、（ａ）構成部品を冷間加工する工程と、
（ｂ）構成部品を所定の形状に拘束した状態で、合金
を、その合金の再結晶温度より低い温度で熱処理して、
前記冷間加工によって合金中にもたらされた転位を結合
させる工程と、（ｃ）構成部品を、前記形状を固定する
工程中に構成部品が晒された温度よりも高く、合金の固
溶度線の温度よりも低い温度に晒す工程とによって構成
されることを特徴とする。
【００１３】冷間加工工程および形状固定工程の後、構
成部品を高温に短時間晒すことによって冷間加工と焼鈍
工程によって低下した合金のＡｆ温度が上昇し、ときに
はＡｆ温度を低下させる、という意外な事実が見いださ
れた。これは本発明の方法を、いくつかの冷間加工工程
を必要とする複雑な形態の構成部品を、形状記憶特性
（高い弾性特性を含む）を適当な変態温度で達成しなが
ら、製造するプロセスに用いることを可能にする、とい
う顕著な利点をもたらす。驚くことに、この合金の形状
記憶特性の調整は急速に生じ、また、物品にすでに施こ
された冷間加工の加工量を顕著に損なうことなく、行な
うことができる。本発明の熱処理は、過時効や超弾性特
性の劣化を招くことなく、複雑に成形された物品の形状
を固定することが可能である。
【００１４】完全焼鈍処理の後で本発明の方法の工程
（ａ）の前に、構成部品に施される冷間加工の加工量
は、好ましくは約１０％より大きく、さらに好ましくは
約２０％より大きくするとよい。冷間加工を施す手法
は、製造される物品の形態および出発材料の性質と形態
に応じて選択されるとよい。冷間加工を施す適当な手法
としては、据え込み、引き抜き、加圧などが挙げられ
る。また、出発材料の形態としては、シ−ト、バ−、ワ
イヤ、ロッド、管などが挙げられる。
【００１５】本発明の方法の工程（ｂ）における焼鈍温
度は、冷間加工による構成部品の形態が、構成部品を拘
束する手段から構成部品が開放された後も実質的に維持
されるように選択されるとよい。複雑な形状は、最終的
に所定の形状を得るために、１つ以上の中間的な拘束熱
処理が必要である。好ましくは、構成部品がこのような
形状を固定する工程で加熱される温度は、合金の強度の
柔軟性のいずれか１つまたはその両方を劣化させる時効
の影響を最小とするために可能な限り低く設定されると
よい。好ましくは、構成部品が本発明の形状を固定する
工程（焼鈍工程）で加熱される温度は固溶度線の温度よ
りも約４０℃を越える範囲で低い温度、さらに好ましく
は、固溶度線の温度よりも約８０℃を越える範囲で低い
温度、例えば、固溶度線の温度よりも約１００℃を越え
る範囲で低い温度に設定されるとよい。また、構成部品
が本発明の形状を固定する工程（焼鈍工程）で加熱され
る温度は、好ましくは、固溶度線の温度よりも約３００
℃を越えない範囲で低い温度、さらに好ましくは、固溶
度線の温度よりも約２５０℃を越えない範囲で低い温
度、例えば、固溶度線の温度よりも約１００℃を越えな
い範囲で低い温度に設定されるとよい。具体的には、構
成部品が本発明の形状を固定する工程（焼鈍工程）で加
熱される温度は、好ましくは、５４０℃以下で、さらに
好ましくは約５１０℃以下に設定されるとよい。また、
構成部品が本発明の形状を固定する工程（焼鈍工程）で
加熱される温度は、好ましくは、約２７０℃以上、さら
に好ましくは３００℃以上に設定されるとよい。各拘束
熱処理の持続時間は、１分以上は必要である。
【００１６】構成部品が本発明の方法の工程（ｃ）で加
熱される温度（高温）は、好ましくは、構成部品が工程
（ｂ）で加熱される形状を固定するための温度よりも少
なくとも約１０℃高く、さらに好ましくは、少なくとも
約２０℃高く設定されるとよい。すなわち、構成部品が
本発明の方法の工程（ｃ）で加熱される温度は、好まし
くは、固溶度線の温度よりも約７０℃を越えない範囲で
低い温度、さらに好ましくは、固溶度線の温度よりも約
５０℃を越えない範囲で低い温度、例えば、固溶度線の
温度よりも約３０℃を越えない範囲で低い温度に設定さ
れるとよい。この処理は、一般的には、少なくとも４８
０℃の温度でなされるとよい。この温度は合金の固溶度
線の温度よりも低い。固溶度線の温度は、合金が時効熱
処理を施されたときに、その温度よりも低い温度で、Ｎ
ｉに富む析出物が形成されるような温度である。
【００１７】本発明の方法の工程（ｃ）において、物品
が高温に晒される時間は、好ましくは、約１０分以下、
さらに好ましくは、約３分以下に設定されるとよい。ま
た、物品がその高温に晒される時間は、好ましくは、１
０秒以上、さらに好ましくは、１秒以上に設定されると
よい。この工程（ｃ）における処理の後の冷却速度は重
要ではないが、ニッケルの富む粒子を再析出させるよう
な緩慢な冷間速度は避ける方がよい。
【００１８】好ましくは、本発明の方法の工程（ｃ）
は、構成部品を所定の形状に拘束した状態で行うとよ
い。このとき、拘束される形状は、工程（ｂ）において
拘束された形状と同一の形状に設定されることが多い。
もし、工程（ｃ）が、構成部品をそのように拘束しない
で行うと、構成部品が高温に晒されるので、その形状が
変化するおそれがある。
【００１９】本発明の方法は、工程（ｂ）の熱処理の後
でかつ加熱工程（ｃ）の前に、成形工程、具体的には構
成部品に冷間加工を施す工程を含むとよい場合が多い。
１つ以上のこのような成形工程は、構成部品に、その構
成部品を破壊させることなく、高レベルの変形を与える
ことができる。熱処理工程（ｂ）はこの成形工程の後再
び繰り返して行うことができる。本発明の方法は、１
つ、２つ、３つ、またはそれ以上のこのような成形工程
を含むことができる。一般的には、複数の成形工程の間
に熱処理工程（ｂ）を行い、また、最終の成形工程の後
でかつ次の加熱工程（ｃ）の前に熱処理工程（ｂ）を行
うことも多い。
【００２０】本発明の方法は、Ｎｉ−Ｔｉ系形状記憶合
金に対して適用される。このような合金としては、例え
ば、ニッケルが少なくとも約５０原子％、好ましくは、
少なくとも約５０．５原子％含有される二元系合金が挙
げられる。ニッケル含有量は、実質的には、約５２原子
％以下、好ましくは、５１原子％以下に設定されるとよ
い。本発明の方法は、また、三元系、４元系合金などの
他のＮｉ−Ｔｉ系合金にも適用できる。これらの合金に
含有される元素としては、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｌおよ
びＣｕが挙げられる。添加元素の含有量は、約１０原子
％未満、好ましくは約５原子％未満に設定されるのがよ
い。本発明の処理に好適な合金は、好ましくは、熱的に
不安定であるとよい。それは、合金の性質が固溶度線よ
りも高い温度からの焼入後の熱的な時効で変化しやすい
ことを意味する。なお、合金成分のなかには上記の本発
明における処理の各特定温度をわずかに変化させる成分
があるので、そのような成分が含有されている場合は、
各特定温度に対して適当な補正が必要である。
【００２１】好ましくは、構成部品用の合金およびその
構成部品の処理方法は、処理される構成部品の合金のＡ
ｆ温度が使用時の構成部品の作動温度よりも略０−４０
℃低くなるように選択されるとよい。
【００２２】本発明の方法は、種々の用途の構成部品に
適用可能である。具体的には、それらの構成部品は、医
学装置、例えば、人体または動物の体内に移植される用
具や装置に用いられる。移植装置としては、体内の内腔
に配置されるステントが挙げられる。ステントは横方向
に圧縮された形状で内腔に配置され、内腔の壁と接触し
て横方向に拡張して、内腔を支持する、すなわち、内腔
の壁を外側に押しつける。ステントのこの横方向の拡張
は、管状拘束具、例えばカテ−テルからステントが離脱
されることによって生じる。すなわち、この拡張は、形
状記憶合金の高い弾性特性によって構成部品（ステン
ト）に蓄えられたエネルギ−が開放されることによって
生じる。
【００２３】
【発明の実施の形態】本発明の方法によって超弾性が得
られるように処理されるＮｉ−Ｔｉ系形状記憶合金から
なる構成部品は、適切な各工程、例えば、機械加工、塑
性加工、熱処理などを施されて製造される。予め、焼鈍
が施された後、構成部品は一つ以上の冷間加工、例え
ば、引き抜き、据え込み、加圧、マンドレル拡張などが
施される。応力緩和のための加熱を、冷間加工の残留歪
み量を減らしまたは柔軟性を改善するために、冷間加工
の後で行うことができる。もし、このような任意の熱処
理が行われると、加工量が大きくなる冷間加工を避ける
必要がない。この応力緩和のための加熱は拘束なしで行
われる。
【００２４】次いで、構成部品は所定の形状に成形さ
れ、その所定の形状に拘束された状態で熱処理を施され
る。この操作は、構成部品の最終的な形状を得るために
は、数回繰り返される。あるいは、構成部品の成形工程
とその形状を固定するための熱処理工程を、それらを組
み合わせて、１つの熱間成形工程で行ってもよい。この
場合、熱間成形工程の温度と時間は、形状を固定するた
めの熱処理に対してすでに議論された値に設定されると
よい。
【００２５】所定の形状が得られたら、構成部品は、そ
のＡｆ温度を低下させるために、最終的な形状固定処理
の温度よりも高く、合金の固溶度線の温度よりも低い温
度（高温）で短時間処理される。この最終的な処理は、
構成部品を所定の形状に拘束せずにまたは拘束して行う
ことができる。
【００２６】本発明の方法は、カテ−テル内から人体ま
たは動物の体内の血管に送り込まれるステントを製作す
るのに用いられる。このようなステントは５０．５−５
２原子％のニッケルを含むＮｉ−Ｔｉ二元系合金の管か
ら成形されるとよい。このような合金の固溶線度の温度
は約５８０℃である。この管は外径が約１．５ｍｍで肉
厚が約０．２５ｍｍである。（形状が固定される前の）
この管に固有の変態温度Ａｆは略１０℃である。１つの
パタ−ンが例えば（公知の）レ−ザによって管に切り込
まれる。このパタ−ンは、このような切り込まれた管が
所定の柔軟性を有して血管の壁または他の内腔の壁に対
して力が加えられるように選択されるとよい。
【００２７】この管は、切り込まれた形状から、外径が
４ｍｍになるまで拡張させることができる。このように
パタ−ンが切り込まれた後、その管は２ｍｍ、３ｍｍ、
４ｍｍの径を有する複数のマンドレルが連続的に挿通さ
れ、これらのマンドレルの各々が挿通された状態におい
て、約４５０℃で約１０分間、熱処理を施される。全て
の工程を終えた後の合金に固有の変態温度Ａｆは約３５
℃である（従って、このようにして製作された装置は、
室温ではもはや超弾性ではない）。
【００２８】形状を固定する工程が完了した後、構成部
品は、５１０−５３０℃の温度で約１分間の最終熱処理
を施される。この熱処理工程の後の合金に固有の変態温
度Ａｆは約２５℃であり、従って、装置は室温で実質的
に超弾性であり、理想的には体温で超弾性である。
【００２９】構成部品は熱処理工程で得られた最終的な
形状から冷間加工を施される前の形状に向かって内側に
変形させることが可能であり、そのような変形は、実質
的に、本発明の方法によって合金に与えられた超弾性に
よって弾性的に回復される。
【００３０】本発明の具体的な実施態様は以下の通りで
ある。 １）完全焼鈍の後でかつ前記段階（ｃ）の前に、前記構
成部品に施される冷間加工の加工量が約１０％より大き
いことを特徴とする請求項１記載の方法。 ２）前記構成部品が、前記段階（ｃ）において、約１０
分間以下、高温に晒されることを特徴とする請求項１記
載の方法。 ３）前記構成部品が、前記段階（ｃ）において、約５分
間以下、高温に晒されることを特徴とする上記実施態様
２記載の方法。 ４）前記構成部品が、前記段階（ｃ）において、少なく
とも約３０秒間、高温に晒されることを特徴とする請求
項１記載の方法。 ５）前記段階（ｂ）は、前記段階（ｃ）が行われる前
に、一回以上行われることを特徴とする請求項１記載の
方法。 ６）前記合金は、熱的に不安定な合金であることを特徴
とする請求項１記載の方法。 ７）前記最終熱処理は、５１０℃よりも高い温度で行わ
れることを特徴とする請求項１記載の方法。
【００３１】
【発明の効果】本発明は以上のように構成されるので、
形状記憶合金からなる構成部品をその形状を固定する処
理の温度よりも高い温度で短時間加熱することによっ
て、形状記憶合金の弾性特性を容易に高めることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による方法の各工程を概略的に
示すブロック図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６９１ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６９１Ｂ (71)出願人 597090103 48501 Ｗａｒｍ Ｓｐｒｉｎｇｓ Ｂｏ ｕｌｅｖａｒｄ，Ｓｕｉｔｅ 117，Ｆｒ ｅｍｏｎｔ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ 94539，Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 アラン・ペルトン アメリカ合衆国、94536 カリフォルニア 州、フレモント、ヒルビュー・ドライブ 421 (72)発明者 トーマス・デュエリグ アメリカ合衆国、94539 カリフォルニア 州、フレモント、ヴァーガス・ロード 41790

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 Ｎｉ−Ｔｉ系形状記憶合金からなる構成
    部品を、前記構成部品が超弾性を呈するように処理する
    方法において、 （ａ）前記構成部品を冷間加工する工程と、 （ｂ）前記構成部品を所定の形状に拘束した状態で前記
    合金の再結晶温度よりも低い温度で熱処理し、前記冷間
    加工によって前記合金内に生じた転位を結合させる工程
    と、 （ｃ）前記構成部品を前記形状固定段階において晒され
    た温度よりも高く、且つ、前記合金の固溶度線の温度よ
    りも低い温度に晒して、Ａｆ温度を低下させる工程と、
    からなることを特徴とする方法。
JP16963097A 1996-06-13 1997-06-12 形状記憶合金の処理方法 Expired - Lifetime JP3949228B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US661305 1996-06-13
US08/661,305 US5843244A (en) 1996-06-13 1996-06-13 Shape memory alloy treatment

Publications (2)

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