JPS6032706B2 - 部分的形状記憶効果を有する鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は室温で塑性加工歪を与えた後、Ａｓ点以上に加
熱した後室温に冷却したときに部分的形状記憶効果を有
する鋼に関するものである。

産業界の各分野において構造物あるいは機械部品の固定
、綿付けあるいは接合すべき箇所は数多くあり、全体の
中できわめて重要なものであるところがきわめて多い。
従来は、これらの箇所には、ネジ、ボルト類から溶接ま
で各種の方法が利用されて来た。これらの技術は各々に
種々工夫がなされ産業の発展に大きな寄与をして来たが
、まだ改善の余地は大きく残されている。例えばネジ、
ボルト類の利用においては、ネジ類自体の加工も含めて
、部品や構造物自体にも加工を施さねばならず工作上の
工程の省略にさらに改善の余地がありさらに、機械的振
動によって生ずるネジ・ボルトの締めつけ力のゆるみは
、特殊な手段を用いない限り、完全に阻止することは仲
々むづかしいことである。また、近年特に広く用いられ
ている溶接の利用においても、その材料の一部を溶融点
以上にまで加熱して再度凝固させるという特徴を有して
いるために、例えば、銅などのように、各種熱処理によ
り特性を付与された材料は、溶接部ではその特性を失う
ことになり溶接われおよびじん性劣化などの問題点を生
ずるようになる。現在の産業上の技術ではこれらの点を
改善するための方法として数多くの手段が採用され一部
はかなりの程度までその目的を達成出来ているが、根本
的に全く新しい原理により改善する方向はまだ認められ
ないのが現状である。これらの事情にかんがみて本発明
者は全く新しい見地より、種々検討したところ、現在ま
で、主に或る種の非鉄合金材料に認められている形状記
憶効果を有効に利用するならネジ、ボルトなどの場合は
機械的高振動下においてもゆるみは認められなくなり十
分な締めつけ力を有する接合部を得ることが出来、また
、複雑な形状をした部分の手の入らないような箇所を締
めつける場合、簡単なガスバーナーなどの加熱方式を利
用することにより十分な締めつけが可能であることを見
出した。

そして、この目的に合致する材料としては、Ｍｎ及びＣ
量を調整した鉄鋼材料があることを見出して本発明をな
したものである。即ち、本発明はＣとＭｎの含有量が一
０．０４Ｍｎ十０．８５ミＣＳ−０．０４Ｍｎ＋１．２
なる関係を満足し、Ｍｎ量が１４〜２０％であり、残部
はＦｅおよび不可避不純物よりなることを特徴とする部
分的形状記憶効果を有する鍵である。

以下に本発明を詳細に説明する。

本発明で云う部分的形状記憶効果をここでは次のように
定義することになる。

まず、ある材料におけるいわゆる形状記憶効果とは、第
１図のＡに示すように、温度と変形、この場合は温度と
のびの関係が、その材料のＡｓ点以上に加熱してＮ＄点
以下に冷却したとき、加熱前に塑性変形歪を与えても、
最終の長さが加熱前の長さに完全にもどりのびの温度履
歴曲線が点０１こもどる現象を指すものである。一方、
本発明にいう部分的形状記憶効果とは、第１図のＢに示
すように、ある材料に加熱前に圧縮塑性加工歪を与えて
偽点以上に加熱し室温に冷却すると最終的に材料の長さ
が加熱前の長さに完全にはもどらず、即ち、のびの温度
履歴曲線の終点が点０には戻らずに、点Ｆにもどる現象
を指し、かかる現象においては材料は結局のびた状態に
なる。一方、加熱前に与える歪として引張を与えるとき
には最後の長さはやはり点０ではなく圧縮の場合とは逆
に第１図のＢの点０より左側に来て収縮した状態になる
。即ちこのように最終的な材料の寸法が加熱・冷却前の
歪を与えた状態にくらべて異なる現象を部分的形状記憶
効果と定義する。特に、本発明においては、後にも述べ
るように、マルテンサィト変態を示す材料について、室
温で２０％以下の塑性変形歪を与えた後偽点以上に加熱
し再び室温に冷却したときに、室温で加熱・冷却前に塑
性変形を与えたときの形状に完全にはもどらない現象に
特定するものである。以上定義した部分的形状記憶効果
を有効に利用するためには、その材料の変態点、Ａｓ点
があまり高温でないことがまず必要なことである。

Ａｓ点が高温すぎたり、逆に室温以下のときにはその作
業性上、あるいは経済上大きな制約を受けることになる
ので、この変態点は実際作業上極めて到達容易な温度で
なければならない。本発明の鋼はかかる条件に合致する
ようにＡｓ点があまり高くない温度であるような成分範
囲を有する銅である。

次に、本発明の成分範囲を前記の如く限定した理由をの
べる。

Ｃ含有量が−０．０４Ｍｎ＋０．８５ＳＣＳ−０．０４
Ｍｎ＋１．２のとき、Ｍｎ量が１４％未満のときには、
この鋼材特性として室温で塑性加工歪を与えてもわれが
発生し所定の加工を施すことは困難となる。

また、Ｍｎ量が２０％を越えるときには、Ｍｈ量が１４
％未満の場合と同様に塑性加工歪付与時にわれを発生す
ることがあり所定の加工を実施出来ない場合もあり、Ｃ
を含むことにより、加工後のこの鋼材の変態Ｖ点‘ま室
温以上とはならず部分的形状記憶効果を示さなくなる。
また、Ｍｎ量が１４〜２０％の範囲内で、Ｃ量を−０．
０４Ｍｎ十０．８５ＳＣＳ−０．０４Ｍｎ十１．２と制
限したのは、この上限を越えて、Ｃ量を含有させると室
温で塑性加工歪を与えるときわれが発生し所定の加工を
施すことは困難であるからである。

また、下限を設定したのは極低Ｃ量の場合を除いては、
塑性加工歪付与時にわれを発生することもありまた、室
温で加工後の鋼材の変態Ｖ点ま室温以上とはならず部分
的形状記憶効果を示さなくなる。しかるに、一０．０４
Ｍｎ＋０．８５ミＣＳ−０．０４Ｍｎ＋】．２で１４Ｓ
ＭｎＳ２０のときには、室温で塑性加工歪を付与した材
料はそれ程高温でないＡｓ点を有し、加熱および冷却す
ると最終的にその材料の形状は加熱・冷却の熱処理前の
形状にはもどらずその形状は一致しない。即ち、加熱・
冷却前に或る塑性変形を与えて固定部に形状を適合させ
て、次いで熱処理を行なうことにより形状が元にもどら
ないことを利用してその部分に応力を生成させ固定を行
えるものである。かかる知見は次のような実験結果にも
とづいて得られた。第１表には、Ｍｎの含有量を１３．
２〜２１．３％、Ｃの含有量を０．０６〜０．６６％の
間で種々変化せしめた供試鋼の化学成分を示す。これら
の材料はすべて実験室規模の高周波溶解炉で大気雰囲気
中で溶製したもので、通常の鋳型に注入造塊後熱間圧延
により２仇吻の板材にし、その後熱処理としては９００
ｑ０で競準したものである。

この板より、１０×１５×１５側形状の試験片を機械加
工により採取した。試験方法は、まず、この形状の試験
片を冷間圧延により厚さＩＱ磯の部分を９肋にした後、
第２図Ａに示すような試験拾具を用いて、圧延で９側厚
さにした試験片Ｓを、この浩具の梁ａ，ｂの間隙に挿入
して、第２図Ｂの形になるようにしておく。その後、試
験片Ｓを中心にして或る範囲内を３７５℃まで加熱２０
分間保持後室温まで冷却させる。この加熱前の治具の梁
ａは柱ｃに溶接により固定されているが、梁ｂは何ら固
定はされていない。柱ｃと基礎材ｄは溶接によって強固
に固定されている。室温まで冷却後試験片Ｓが十分に固
定されているか否かを確認し、固定されているときには
、梁ｂの上面にストレィンゲージを貼布することにより
残留応力を測定し、部分的形状記憶効果がどの程度かを
調べた。その結果を第１表に併記した。これらの実験結
果を図示すると第３図のようになる。

この図中で部分的形状記憶効果を示す領域の上限、下限
等のＣとＭｎの関係を求めると各々Ｃ＝一０．０４Ｍｎ
＋１．２、Ｃ＝−０．０４Ｍｎ十０．８５および、Ｍｎ
の限界量としては下限が１４％、上限が２０％となり、
部分的形状記憶効果を示すＣとＭｎの含有量は‐０．０
小心十０．８５ＳＣミ−０．０４Ｍｎ＋１．２でかつＭ
ｈが１４〜２０％となる。即ち、ＣとＭｎの含有量が一
０．脚Ｍｎ＋０．８５≦Ｃ≦−０．０４Ｍｎ＋１．２な
る関係を満足し、Ｍｈの含有量が１４〜２０％であり残
部はＦｅおよび不可避不純物よりなる鋼は部分的形状記
憶効果を示すことがわかる。第１表 このように部分的形状記憶効果を有する鋼を用いること
によって、前記のような固定、締付けあるいは接合など
の効果を十分に出せるものである。

さらに、かかる組成の鋼では、Ａｓ点以上の温度に冷却
・加熱をくりかえしたときに示す可逆的な膨脹・収縮の
量は従来鋼にくらべて２倍以上になるという知見も得ら
れている。なお、前記成分範囲においては、室温で与え
る塑性変形量が２０％を超えると、われが発生しやすく
なり、健全な加工が困難になるが、２０％以下の歪であ
れば、引張、圧縮またはそれ以外の歪でも所期の部分的
形状記憶効果を十分に示すことが出来るので、本発明に
おいては部分的形状記憶効果を示す塑性変形量を２０％
以下と定義したのである。

本発明鋼は大気雰囲気中、真空中でもあるいは特殊ガス
雰囲気中でもいづれの雰囲気中でも溶解ができ、転炉、
平炉、電気炉などいづれの溶解法によってもよく、溶解
後は連続鋳造法あるいは鋼塊鋳造法などによりスラブま
たは鋼塊にするかそのまま銭鋼製品にすることも出来る
。スラブ又は鋼塊にした後は圧延により板、榛、線、型
鋼など任意の形状に製造が可能で、さらに、次段階の二
次加工をも実施出来るものである。また、熱処理として
は、通常の焼き入れ、焼き戻し、焼きならし、応力除去
凝雛など全く問題なくできる。次に、本発明の効果を実
施例をもって示す。実施例 １供試鋼は第２表に示した
供試鋼で、試片製作前の比較鋼の、熱処理は本発明鋼と
強度がほぼ同一になるように行なつた。

これらの材料からＭＩＯ×５血のボルトを冷間鍛造によ
り製作し、ＭＩ偽決製みがきＪＩＳ観級ナットで、締め
つけトルク２１２ｋ９・伽で締めつけた後、比較材はそ
のまま、本発明鋼は３７５ｏｏに加熱し、２０分保持後
室温まで冷却したものについて高遠ゆるみ試験をした。

ゆるみ試験は日本技研社製ＮＳ式高速ねじゆるみ試験機
により「振動数１８００回／分、振中１仇舷で試験を行
なった。ゆるみの程度を調べるため９０００回振動させ
た後のナットのゆるみをナットのゆるめトルクで測定し
た。この結果を第３表に示す。これらの結果より、比較
鋼では機械的振動によりゆるみが起るが、本発明鋼では
、加熱処理によって機械的振動によってもゆるみは全く
認められず、部分的形状記憶効果によるボルトの締めつ
け力の向上が認められる。第２表 ○印は比較鋼 （単位：ｗ‘努） 第３表 実施例 ２ 供試鋼は第２表に示した供試鋼のうち鋼１、１い１３で
、試験片製作前の比較鋼の熱処理はこの材料の強度が本
発明鋼とほぼ同一になるように調整した。

試験法は、これらの材料から丸棒を切り出した後、この
丸緩から冷間鍛造により製作したＭＩＯ×５山のボルト
を用い、第４図に示すような、摩擦接合試験体を製作し
、通常の引張試験機によりすべり荷重を調べることによ
りボルト緒つけ力を求めた。同図において、ｅはボルト
、ｆはナット、ｇはワツシヤー、ｈは厚さ５燭、中７０
側、長さ１１仇奴、ｉは厚さ１５側、中７物帆、長さ３
００脚の各々軟鋼板を示す。摩擦接合試験体を各試験ボ
ルト材に就て各々１０本づつ製作し、１０くり返しで滑
り荷重を調査した。この時の締めつけトルクは全て２１
２ｋ９−抑とした。次に、本発明鋼からなるボルト継手
部を３７５００１こ加熱し、２び分保持後室温に冷却し
た。比較鋼のボルト継手部は加熱しない。各試験体のす
べり荷重試験結果を第４表に示す。

これらの結果より、比較鋼ではすべり荷重は大きなバラ
ッキを示すが、本発明鋼の場合には、加熱処理を施すこ
とにより部分的形状記憶効果のためボルトの締めつけ力
が均一になることが明瞭にわかる。第４表 ○印は比較鋼 以上説明したように、本発明鋼は従来の鋼では認められ
ない部分的形状記憶効果を有するものである。

この鋼の利用はきわめて広汎にわたるもので、この鋼の
有する部分的形状記憶効果はあらゆる構造物、機械部品
の締めつけ部分あるいは接合部にその適用が可能である
。

また、本発明鋼が通常の鋼にくらべて約２倍以上の膨脹
・収縮量を示す特性に着目して、現状では大部分廃棄せ
ざるを得ない工場等から周期的に出る低温度の緋熱を利
用して本発明鋼に周期的に大きな膨脹・収縮を与えこれ
を回転運動に変化させ小型の発電機に適用するなど熱エ
ネルギーの新しい有効利用の可能性を有しているもので
ある。かかる性質を有する本発明鋼は産業・工業上多岐
にわたりきわめて有効に利用することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、温度とのびの関係図で、Ａは形状記憶効果を
有する材料に圧縮歪を与えた場合、Ｂは部分的形状記憶
効果を有する材料に圧縮歪を与えた場合を各々示す図、
第２図は部分的形状記憶効果を示すための治具の総造を
現わす図、第３図は、ＭｎとＣの関係において、部分的
形状記憶効果を有する領域を示す図、第４図は摩擦接合
試験体の構成図である。 ａ：梁、ｂ：固定していない梁、ｃ：柱、ｄ：基礎材、
Ｓ：試験片、ｅ：ボルト、ｆ：ナット、ｇ：ワツシャー
、ｈ，ｉ：敷鋼板。 汁４図 オー図 オ３図 ☆Ｚ図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ＣとＭｎの含有量が−０．０４Ｍｎ＋０．８５≦Ｃ
   ≦−０．０４Ｍｎ＋１．２なる関係を満足し、Ｍｎの含
   有量が１４〜２０％であり、残部はＦｅおよび不可避不
   純物よりなることを特徴とする部分的形状記憶効果を有
   する鋼。