JPS61106746A - 鉄系形状記憶合金 - Google Patents

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】 本発明は鉄系形状記憶合金に関する。

形状記憶合金は、その特異な機能を利用して、工業、エ
ネルギー、医学等種々の分野への応用展開が期待される
金属材料であって、既に一部ではその実用化も試みられ
ている。形状記憶現象及び擬弾性現象は、熱弾性マルテ
ンサイト変態を起こす合金に現われるものであって、か
かる現象を示す金属材料は、主として非鉄合金において
多く見出されているが、鉄系合金においても、Ｆｅ−２
５原子％ｐｔとＦｅ−３０原子％Ｐｄとが熱弾性マルテ
ンサイトになり、完全な形状記憶現象を示すことが知ら
れている。

更に、最近になって、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｔｉ合金をオ
ーステナイト域で時効処理、即ち、オースエイジした後
、低温に冷却するとき、シン・プレート（ｔｈｉｎ　ｐ
ｌａｔｅ）　　・マルテンサイト組織が形成され（日本
金属学会秋期大会一般講演概要第２１６真Ｃ１９８２年
９月））、更に、この合金が形状記憶現象を示すことも
見出されている。この合金は鉄系合金であるために製造
が容易であると共に、比較的安価であり、実用性の高い
形状記憶合金であるが、一方、この合金においては、オ
ースエイジするとき、オーステナイト粒界に粒界反応型
の析出物として、η相のＮｉ３Ｔｉ　（以下、＋７−Ｎ
ｉ、Ｔｉと称する。）が析出することも既に知られてい
る（日本金属学会春期大会一般講演概要第１９８頁及び
３０６頁（１９８４年４月））。

本発明者らは、上記合金を特にその機械的性質に及ぼす
上記析出物の影響なる観点から更に鋭意研究した結果、
この析出物が粒界に存在するとき、合金の延性を低める
ことを見出した。形状記憶合金において延性が低いこと
は、繰返し変形に対して旧粒界が脆弱であることにつな
がり、かくして、粒界破壊しやすいこととなる。

本発明者らはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｔｉ系形状記憶合金に
おける上記した問題を解決するために、この合金をオー
スエイジしたときに現われる形状記憶性を阻害すること
なく、この１−スエイジ中に生じるη−ＮｉｓＴｉの粒
界析出を防止し、若しくは抑制する添加元素について鋭
意広範に研究した結果、合金中の’ｒｔｌによってその
適正な添加量は必ずしも同じではないが、概してＡｌ、
Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ及びＢよりなる群から選ばれる１種を単
独添加し、又は２種以上を複合添加することによって、
前記マーＮ１ｚＴｉの粒界析出を効果的に防止すること
ができ、かくして、延性が改善されると共に、形状記憶
性にすぐれる鉄系形状記１１合金を得ることができるこ
とを見出して、本発明に至ったものである。

本発明による鉄系形状記憶合金の第１は、Ｉｉ量％で Ｎｉ　　３１〜３５％、 Ｃｏ　　８〜１５％、 Ｔｉ２．５％より少ない量、及び Ａｌ０．５〜１０．０％、 残部鉄及び不可避的不純物よりなることを特徴とし、第
２は、重量％で （ａ）Ｎｉ　　３１〜３５％、 Ｃｏ　　８〜１５％、 Ｔｉ２．５％より少ない量、及び ＡＩ　０．５〜１０．０％に加えて、 （ｂ）　Ｍ　ｏ　　０．５〜３．０％、Ｎｂ０．５〜３
．０％、及び Ｂ　　　０．００１〜０．０１０％ よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素、残部鉄
及び不可避的不純物よりなることを特徴とする。

また、本発明による鉄系形状記憶合金の第３は、重量％
で （ａ）Ｎｉ　　３１〜３５％、 Ｃｏ　　８〜１５％、及び Ｔｉ２．５〜０．５％に加えて、 Ｔｂ）Ａｌ１．５〜１Ｏ６０％、 ＭＯ１，０〜５．０％、 Ｗ　　　　１．０〜５．０％、 Ｎｂｏ、ｓ〜５．０％、及び Ｂ　　　　０．００５〜０．０１０％ よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素、及び 残部鉄及び不可避的不純物よりなることを特徴とし、 その第４は、重量％で （ａ）Ｎｉ　　３１〜３５％、 Ｃｏ　　８〜１５％、 ’ｌ’ｉ２．５〜０．５％、及び 八ｊ！　　１．５〜０．５％に加えて、ｔｂ）Ｍｏ　　
０．５％から１．０％未満、及びＢ　　　０．００２％
からｏ、　ｏ　ｏ　ｓ％未満、よりなる群から選ばれる
少なくとも１種の元素、及び 残部鉄及び不可避的不純物よりなることを特徴とする。

シン・プレート・マルテンサイトは、完全双晶マルテン
サイトであること、及び変態歪による応力がオーステナ
イト母相中では弾性変形によって緩和され、塑性変形が
起こらないことに特徴を有する。このようなシン・プレ
ート・マルテンサイトの生成には、母材強度（Ｆ４伏強
さ）が大きいこと又は剛性率が小さいことが有利であり
、このような場合、変態歪による。母相の塑性変形が起
こり難いか、らである、また、変態時の容積変化、変態
シアー量が少ないときも、変態に伴う母相への歪が小さ
くなるので、塑性変形が起こり難くなる。

更に、マルテンサイトの正方晶率（ｔｅｔｒａｇｏｎａ
ｌｉ−ｔｙ）が大きいこともシン・プレート・マルテン
サイトの生成にを利である。この正方晶率が大きくなる
ほど、マルテンサイトの（１１２）双晶変形のシアー量
が小さくなり、双晶界面エネルギーが低下する。これら
はマルテンサイト島内での双晶の形成を容易にし、密度
を大きくする作用がある。また、正方品率が大きいほど
、変態シアー量は小さくなり、母相の塑性変形が起こり
難い。

シン・プレート・マルテンサイトの生成に有利な他の要
因は、マルテンサイトの生成温度、即ち、Ｍｓ点が低い
ことである。Ｍｓ点が低いほど、マルテンサイト晶での
双晶変形がすべり変形に比べて起こりやすいからである
。また、母材の強度も上昇し、塑性変形し難くなる。

本発明合金において、Ｎｉ、Ｃｏ及びＴｉは合金にシン
・プレート・マルテンサイトを生成させるために上記範
囲にあることが必要であり、上記範囲をはずれる組成に
よっては、合金はシン・プレート・マルテンサイトを生
成せず、従って、形状記憶性を示さない、特に、Ｎｉは
Ｍｓ点を低くするのに効果がある。Ｔｉはオースエイジ
により母相オーステナイト中に規則（ｏｒｄｅｒｅｄ）
γ’−ＮｉｓＴｉを均一微細に析出させて、母相を強化
し、或いはマルテンサイトの正方晶の出現等に効果があ
る。

また、ＣＯは母材のキュリ一点を上昇させ、Ｍｓ点との
差を大きくすることにより、変態容積変化を小さくし、
更に、母相の剛性率を低下させるのに有効である。

上記のようにＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｔｉ合金をオースエイ
ジすると、オーステナイト粒内にＴ゛相のＮｉ３Ｔｉが
微細に析出するが、この粒内における析出が飽和すると
、本来、Ｎｉ、Ｔｉの安定相はη−Ｎｉ３Ｔｉであるか
ら、ｒ’−Ｎｉ３Ｔｉはη−Ｎｉ３Ｔｉに変化する。こ
の場合の変化はセパレート・ニュークレージョン（ｓｅ
ｐａｒａｔｅ　ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ）にて起こり、核
生成位置は粒界である。即ち、γ’−Ｎｉ、Ｔｉ　とし
て析出したＮｉ及びＴｉが再度、マトリックスに固溶し
、粒界に移動して、最終安定相であるη−ＮｉｚＴｉと
して再析出するのである。

本発明において用いる添加元素Ａｌ．、ＭＯ及びＷはＮ
ｉ及びＴｉの拡散を妨げることによって、η−ＮｉｘＴ
ｉの粒界析出を防止する。また、Ａｌ及びＮｂはｙ’−
ＮｉｘＴｉを安定化する。更に、Ｂはη−ＮｉｚＴｉの
粒界析出核生成を抑制する。

しかし、かかる効果を有効に発現させるためのこれら元
素の適正な添加量は、合金におけるＴｉ量に依存する。

先ず、合金におけるＴｉｆｆ１が２．５％よりも少ない
ときについて説明する。

Ｔｉを２．５％よりも少ない量にて含有する合金につい
ては、ＡＩ！を０．５〜１Ｏ１０％の範囲で添加するこ
とが有効である。Ａｌ’ｆＪが０．５％よりも少ないと
きは、Ｎｉ及びＴｉの拡散を妨げ、また、γ’−Ｎｉｚ
Ｔｉを安定化する効果が十分でないので、η−Ｎｉ３Ｔ
ｉの粒界析出を防止することができない。

一方Ａｌ０．０％を越えて多量に添加するときは、合金
の形状記憶性を阻害すると共に熱間加工性を劣化させる
。

本発明によれば、ＡＩと共にＭｏ、Ｎｂ及び／又はＢを
複合添加することができる。ＭＯ及びＮｂは合金の形状
記憶性を高めるのみならず、オーステナイト強度を高め
る結果、合金の形状回復力を強める効果を有する。Ｂは
前記したように、粒界析出を抑制する。かかる効果を有
効に発揮させるためには、これら元素の添加量は、Ｍｏ
及びＮｂについてはそれぞれ０．５〜３．０％、Ｂにつ
いては０．００１〜０．０１０％の範囲とするのが適当
である。

次に、合金におけるＴｉ量が２．５〜０．５％の範囲に
ある場合はＡｌ．５〜１Ｏ００％、好ましくは１゜５〜
０．５％のＡｌ１．０〜５．０％のＭｏＡｌ．０〜５、
０％のＷ、０．５〜５．０％のＮｂ及び０．００５〜０
．０１０％のＢより１なる群から選ばれる少なくとも１
種の元素を添加することが有効である。各元素の添加量
が上記下限値よりも少ないときは、η−ＮｉｓＴｉの粒
界析出を抑制する効果が十分でなく、一方、上記上限値
を越えて多量に添加するときは合金の形状記憶性を阻害
する。

更に、本発明によれば、Ｔｉを２．５％以上含有する合
金において、Ａｌと共にＭＯ及び／又はＢを複合添加す
ることにより、少量のＭＯ及び／又はＢの添加によって
、η−Ｎｉｄｉの粒界析出を有効に防止することができ
る。即ち、Ａｌの添加量を１．５〜０．５％の範囲とす
るとき、Ｍｏを０．５％から１．０％未満の範囲にて、
及び／又はＢを０．００２％から０．００５％未溝の範
囲で添加することにより、上記効果を発現させることが
できる。

本発明による鉄系形状記憶合金は、前記所定の組成を存
する合金を９００〜１２００℃に加熱して溶体化処理後
、５００〜８００℃の温度で１００時間以下のオースエ
イジ処理を施すことにより製造することができ、冷却又
は応力付加に対応して、シン・プレート・マルテンサイ
トを生成させる。即ち、本発明による合金は、ある温度
以下で任意の方法により変形を与えた後、加熱時にマル
テンサイトが母相へ戻る逆変態の終了温度Ａｆ点点上上
温度に加熱することによって、形状が変形前に復元する
形状記憶性を示す。

実施例 表に示すように、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｔｉ合金を基本合
金とし、これにＡｊ％Ｍｏ％Ｗ、Ｎｂ及び／又はＢを添
加した合金を真空溶解法にて製造し、鍛造、圧延して厚
さ５１１１、幅７０重層及び長さ１０００　＊ｍの仮を
製造し、供試材とした。

この供試材を１１５０℃で１時間加熱して溶体化処理し
た後、空冷し、この後、７００℃で４時間オースエイジ
して、η−ＮｉｓＴ＋の析出状況を観察した。また、上
記オースエイジ処理後、厚さｌ龍、幅５１ｍ及び長さ５
０１１の平板に切出し、液体窒素中で一１９６℃の温度
にて曲げ角度１０ｏ０の■字型に曲げ変形を行ない、こ
の後、室温中に取出して平板に戻る度合によって形状回
復率を調べ、また、形状回復力を調べた。更に、別に上
記オースエイジ処理後、引張試験片を作製し、常温にて
引張試験を行なって伸びを測定した。結果を表に示す。

従来合金はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｔｉ系基本合金であり、
第１図に示すように、オーステナイト粒界に多くのη−
Ｎｉ３Ｔｉが析出しており、伸びも極めて低い、第２図
は、Ａｌの添加量が不足するために、粒界に尚僅かのη
−Ｎｉ２Ｔｉが析出している比較例合金の金属ｍ織の一
例を示す。

これらに対して、第３図は本発明による合金の金属組織
を示す、粒界にはＷ−Ｎｉｄｉの析出が認められない、
従って、本発明による合金は伸びも２０％以上であり、
形状記憶性も殆どが１００％を示す。

このように、本発明の合金によれば、η−Ｎｉ３Ｔｉの
粒界析出が防止されるために、延性が著しく改善される
と共に、伸びも大きく、形状記憶合金として実用性が高
い。

【図面の簡単な説明】

図面はいずれも従来合金、比較合金及び本発明合金の金
属組織を示す顕微鏡写真であって、第１図は従来合金、
第２図は比較合金、第３図は本発明合金を示す。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で Ｎｉ　３１〜３５％、 Ｃｏ　８〜１５％、 Ｔｉ　２．５％より少ない量、及び Ａｌ　０．５〜１０．０％、 残部鉄及び不可避的不純物よりなることを特徴とする鉄
   系形状記憶合金。
2. （２）重量％で （ａ）Ｎｉ　３１〜３５％、 Ｃｏ　８〜１５％、 Ｔｉ　２．５％より少ない量、及び Ａｌ　０．５〜１０．０％に加えて、 （ｂ）Ｍｏ　０．５〜３．０％、 Ｎｂ　０．５〜３．０％、及び Ｂ　０．００１〜０．０１０％ よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素、 残部鉄及び不可避的不純物よりなることを特徴とする形
   状記憶合金。
3. （３）重量％で （ａ）Ｎｉ　３１〜３５％、 Ｃｏ　８〜１５％、及び Ｔｉ　２．５〜６．５％に加えて、 （ｂ）Ａｌ　１．５〜１０．０％、 Ｍｏ　１．０〜５．０％、 Ｗ　１．０〜５．０％、 Ｎｂ　０．５〜５．０％、及び Ｂ　０．００５〜０．０１０％ よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素、及び 残部鉄及び不可避的不純物よりなることを特徴とする形
   状記憶合金。
4. （４）重量％で （ａ）Ｎｉ　３１〜３５％、 Ｃｏ　８〜１５％、 Ｔｉ　２．５〜６．５％、及び Ａｌ　１．５〜６．５％に加えて、 （ｂ）Ｍｏ　０．５％から１．０％未満、及びＢ　０．
   ００２％から０．００５％未満、 よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素、及び 残部鉄及び不可避的不純物よりなることを特徴とする形
   状記憶合金。