JPS6045697B2 - 銅基形状記憶合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、新規な銅基形状記憶合金に関する。

一般に形状記憶合金は、形状記憶効果、超弾性及ひ防振
効果を有して居り、これらの特性を利用して各種の用途
が開発されつつある。形状記憶効果とは、特定の組成の
合金よりなる物品に、形状記憶熱処理を施した後、ある
定まつた温度域で変形させ、ついで所定の温度以上に加
熱するとその物品の形状が変形前の形状に復帰する現象
である。即ち、合金の変態温度域を挾んで高温側での形
状と、低温側ての形状との間に一方向的または可逆的な
形状の復元がなされた現象で、熱弾性型マルテンサイト
変態に起因するとされている。また、超弾性とは応力に
よつて誘起されたマルテンサイト相が変形時の温度領域
では熱力学的には安定に存在し得ないので、見掛け上の
大きな塑性変形ひずみが、応力除去後に殆んど完全に回
復する現象を指すものである。更に防振効果は、層状に
形成されたマルテンサイト相が振動エネルギーを吸収す
ることによるといわれている。形状記憶合金として、従
来からＴｉ−Ｎｉ合金、Ｎｉ−Ａｌ合金等の他銅基合金
として、Ｃｕ−Ｚｎ合金、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ合金、Ｃｕ
−Ａｌ−Ｎｉ合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｂｅ合金等が知られて
おり、これらのうち実用化されている合金は、主にＴｉ
−Ｎｉ合金、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ合金及びＣｕ−Ａｌ−Ｂ
ｅ合金である。

しカルながら、Ｔｉ−Ｎｉ合金は優れた特性を有するが
、Ｔｉ及びＮｉを主成分とするため高価であり、又活性
なＴｉを含む合金であるため溶解や熱処理は真空中で行
わねばならないという製造上の難点を有し、且つ切削加
工が極めて困難であるという欠点がある。一方、Ｃｕ−
Ｚｎ−Ａｌ合金及びＣｕ−Ａｌ−Ｂｅ合金のような鋼基
合金は、原料が安価なうえ、溶解、熱処理等を大気中で
行うことができ且つ切削加工が容易であるため、形状記
憶合金の実用的使用を促進させる材料として今後大いに
期待されている。

しかしながら、これらの鋼基合金は、Ａｌを多量に含有
することにより合金自体が硬化するため靭ｌ性に劣り、
鋳造性が低下するという欠点がある。従つて、上記の如
き利点を有する鋼基合金において、Ａｌに代わる或いは
Ａｌを減少させることができる新しい添加元素の発見が
待たれているのが現状である。門 本発明者は、上記現
状に鑑み、この種の合金特に鋼基合金における上記欠点
を解消する新たな鋼基合金を開発するべく鋭意研究した
結果、従来使用可能温度範囲が過度に低温であるため実
用性に乏しかつたＣｕ−Ｚｎ合金に特定量のＭｎを添加
含有させることにより使用可能温度範囲が上昇し実用化
できること、このＣｕ−Ｚｎ−Ｍｎ合金に少量のＡ１を
添加することにより該温度範囲が広範囲に調節できるこ
と、これらのＣｕ−Ｚｎ−Ｍｎ合金及びＣｕ一Ｚｎ−Ｍ
ｎ−Ａ１合金はいずれも良好な形状記憶効果を示すこと
、及びこれらはＡ１を含有しないか又は少量しか含有し
ないことにより、従来の銅基合金に比して、靭性が著し
く向上しており且つ鋳造性が良好であることを見出し、
本発明を完成するに至つた。

即ち本発明は、Ｍｎｌ２重量％以下、Ｚｎ２６〜４４重
量％及びＣＵ６２〜５６重量％からなることを特徴とす
る銅基形状記憶合金、並びにＭｎｌ２重量％以下、Ａ１
鍾量％以下（ｘ重量％とする）、Ｚｎ（２６一４Ｘ）〜
４４重量％及びＣＵ（６２＋３Ｘ）〜（５６一ｘ）重量
％からなることを特徴とする銅基形状記憶合金に係る。

上記本発明合金の内、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｍｎ三元合金におい
ては、Ｍｎが１踵量％以下好ましくは０．５〜１０重量
％、Ｚｎが２６〜４４重量％好ましくは２８〜４１．５
重量％、ＭｎとＺｎの合計量が３８〜４４重量％（即ち
Ｃｕが６２〜５６重量％）好ましくは３８〜４踵量％で
ある。Ｍｎが含有されない場合、含有量が１鍾量％を越
える場合、Ｚｎが上記範囲外にある場合及び−Ｍｎ（５
Ｚｎの合計量が上記範囲外にある場合には、いずれも合
金の形状回復の作動温度が極めて低温度になるため、実
用性が乏しい。本発明Ｃｕ−Ｚｎ−Ｍｎ三元合金の組成
範囲を図示すれば、第１図の通りてある。即ち、Ｍｎが
Ｏ重量％（０は含ま．れないので破線で示す）及び１踵
量％、並びにＭｎ＋Ｚｎが３８重量％及び４４重量％を
示す４つの直線て囲まれる範囲てある。上記本発明三元
ｕ金は、その作動（変態）温度が通常−１５０゜Ｃ〜室
温程度であるが、これにＮをｊ添加することにより、室
温以上にまて作動温度を上昇させることが出来る。

また、Ａ１の添加により形状記憶挙動を示す組成範囲を
拡大出来る。にの添加量は３重量％以下が適当である。
また、Ａ１の添加量１重量％当りＺｎ含有量を４重量イ
％減少させ得ることが実験的に確認出来た。従つて、本
発明のＣｕ−Ｚｎ−Ｍｎ−Ａ１四元合金においては、Ｍ
ｎが１踵量％以下好ましくは０．５〜１０重量％、Ａ１
が３重量％以下（ｘ重量％とする）好ましくは０．２〜
２．５重量％、Ｚｎが（２６−４Ｘ）〜４４重量％好ま
しくは（２８−４Ｘ）〜（４３．５−４Ｘ）重量％、Ｍ
ｎｌ：．Ｚｎの合計量が（３８−４ｘ）〜４４重量％〔
即ちＣｕが（６２＋３ｘ）〜（５６−ｘ）重量％〕好ま
しくは（３８−４Ｘ）〜（４４−４Ｘ）重量％である。
これらの各範囲の内、Ｎ以外のいずれが範囲外になつて
も形状回復の作動温度が極めて低温度になるため実用性
が乏しくなる。又、Ｎが３重量％を越えると靭性及び鋳
造性が低下する。本発明フＣｕ−Ｚｎ−Ｍｎ−Ｎ四元合
金の組成範囲は、Ｎ含有量をＸ重量％とすれば、Ｍｎが
Ｏ重量％、Ｍｎが１２重量％、Ｚｎ＋Ｍｎが４４重量％
及びＺｎ＋Ｍｎが（３８一４Ｘ）重量％の４つの直線で
囲まれる範囲であり、一例としてはＡ１が１、２及び３
重量％の場門合を第２、３及び４図に示す。 上記のＡ
１添加効果即ち作動温度上昇及び組成範囲の拡大は、Ａ
１以外でも、Ｇａ，Ｓｄ，Ｓｌ，Ｉｎ，Ｓｎ等の元素の
添加で同様に期特出来る。 本発明合金を含めて、一般
に銅基合金には、製・造工程中の高温加熱によつて結晶
粒が生長し易く、結晶粒粗大化のため疲労強度が劣ると
いう欠点が見られるが、この欠点は本発明者が別途発表
した方法（大阪府立工業技術研究所報告、ＮＯ．８ｌ、
Ｐ．ｌ７、１９８２）により改善し得る。

即ち、本発明のＣｕ−Ｚｎ−Ｍｎ三元合金又はこれにＡ
１を含む四元合金は、結晶粒が大きく、１７０７７！以
上になることもある。しかし、本発明合金にＢ．．Ｚｒ
等の元素を０．３重量％以下程度添加することにより結
晶粒は著しく微細化される。この場合Ｂ又はＺｒを単独
で添加しても著しく微細化されるが、Ｂ及びＺｒ両者を
複合添加するときには、よソー層微細化される。例えば
０．０１重量％のＢ．！１．０．２重量％のＺｒを添加
した場合には、結晶粒が数＋ミクロン程度にまで微細化
し、疲労強度が著しく改善される。 本発明合金は、Ｃ
ｕ，Ｚｎ，Ｍｎ又はこれらとＮ１場合により更にＢ，Ｚ
ｒ等を所定量配合して、常法に従つて合金とし、次いで
焼鈍及び加工により所望の形状とした後、β領域に加熱
後充分な速度で急冷し、形状記憶合金とする。

この際、各金属と′ しては、単体で用いても良いし
、Ｃｕ−Ｍｎ母合金の様な予め一部合金化したものを用
いても良い。又Ｔｉ−Ｎｉの合金の様に真空中で製造す
る必要はなく、大気中でも好適に製造出来る。 斯くし
て得られる本発明合金、即ちＣｕ−Ｚｎ−Ｍｎ三元合金
及びＣｕ−Ｚｎ−Ｍｎ−Ｎ四元合金は、いずれも新規な
銅基形状記憶合金であり、高温でβ相なる組織を示す前
記特定の組成範囲内において、前記形状記憶効果、超弾
性及び防振効果を充分に発揮する。

本発明合金は、使用可能温度範囲が広く利用価値が高い
上に、靭性に優れるため加工性が良好てあり、又鋳造性
も良好である。以下、実施例を挙けて、本発明を更に具
体的に説明する。実施例１ 銅、亜鉛及び銅−マンガン母合金を所定量配合してるつ
ぼに充填後、石英ガラス中に真空封入し、１１００℃の
電気炉中で１時間保持し本発明及び比較の三元合金を製
造した。

このようにして製造した合金を８００持Ｃで■時間焼鈍
した後、厚さ４ｗｎに切削し、８００′Ｃで圧延加工し
て厚さ１Ｔｆｒｍの板材とした。

次いで、この板材から３ｒｆ０ｆＬｘ５０ＴＩＵＩＬ×
１晒の試片を切り出し、８６０゜Ｃのβ相領域に加熱し
て５分間保持した後、氷水に投入して急冷し、形状記憶
合金を作製した。下記第１表に、上記方法で作製した本
発明及び比較の合金の代表的なものについて、組成と機
能特性を示す。上記の内亜鉛を３鍾量パーセント、マン
ガンを３重量パーセント含有する本発明合金３について
、電気抵抗測定法により各変態温度を測定したところ、
Ｍｓ，Ｍｆ，ＡｓおよびＡｆ（Ｍｓは母相からマルテン
サイト変態への開始温度、Ｍｆは同終了温度、Ａｓは逆
変態の開始温度、Ａｆは同終了温度である。

）は、それぞれ約−５＼−８＼−７飄一４５℃であり、
形状記憶合金特有のヒステリシスが認められ、Ｍｆ以下
の温度（約−１００゜Ｃ）で変形させた後、加熱すると
Ａｓ，Ａｆに相当する温度付近で形状回復の開始ならび
に終了が観察された。尚、本実施例では試験的な製造で
あるため、石英ガラス中に真空封入する方法で行つたが
量産時には大気中で好適に製造出来る。実施例２ 銅、亜鉛、銅−マンガン母合金及びアルミニウムを所定
量配合し、実施例１と同様にして本発明及び比較の四元
合金を製造した。

下記第２表に、代表例としてアルミニウムを１，２又は
３重量％含有するものについて組成と機能特性を示す。
第１表及び第２表から明らかな様に、本発明合金はいず
れも良好な形状回復挙動を示すのに対して、本発明特定
の組成範囲外てある比較合金は、比較合金１１を除いて
、いずれも形状回復挙動を示さなかつた。また、比較合
金１１は、従来のＣｕ−Ｚｎ−Ａ１合金であり靭性が劣
るため加工性が悪いのに対して、本発明合金３〜８及び
１１〜１４は、靭性に優れ加工性が良好であることが明
らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明Ｃｕ−Ｚｎ−Ｍｎ三元合金の各元素の
組成範囲（斜線部分）を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｍｎ１２重量％以下、Ｚｎ２６〜４４重量％及びＣ
   ｕ６２〜５６重量％からなることを特徴とする銅基形状
   記憶合金。 ２ Ｍｎ１２重量％以下、Ａｌ３重量％以下（ｘ重量％
   とする）、Ｚｎ（２６−４ｘ）〜４４重量％及びＣｕ（
   ６２＋３ｘ）〜（５６−ｘ）重量％からなることを特徴
   とする銅基形状記憶合金。