JPS61210160A - 形状変化合金の製造法 - 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】 ａｉｌよ立且亙皇１ 本発明は、加熱、冷却処理を施すことにより形状が変化
する合金の製造方法に関する。

来の　術及びその間　点 従来、加熱、冷却により形状変化を示す合金として形状
記憶合金が知られている。この形状記憶合金とは、一定
温度域で変形させた後、成る温度以上に加熱すると、そ
の合金の形状が変形前の形状に回復する性質を有するも
のであり、このような現象は、熱処理を施すことにより
生成する低温相としてのマルテンサイト相と高温相とし
ての母相（β相）との間の相変態にともなって生ずるこ
とが知られている。形状記憶合金としては、多種のもの
が公知であり、高温時と低温時とで一定の形状を繰り返
す可逆的な合金も各積卸られている。

しかしながら、従来公知の銅基合金からなる形状記憶合
金では、形状記憶効果は、２００℃程度までの温度域に
おいてしか発現せず、２００℃以上の温度では、形状記
憶効果の浦失がある。また、このような形状記憶合金は
、金相学的に準安定状態で使用に供されるので、結晶粒
が粗大になりやすく、靭性面で不充分であり、脆性破壊
を起こし易いという欠点がある。

問題　を解　するための手 本発明者は、加熱、冷却処理を施すことによって形状が
変化する合金であって、高温での使用に耐え、かつ靭性
を備えた合金を見出すべき鋭意研究を重ねた結果、β−
プラス型電子化合物構造を有する合金をβ相領域に加熱
した後、準安定非平衡β相が形成される速度で急速に冷
却し、準安定非平衡β相又はマルテンサイト相の存在下
に該合金を加工する場合には、加工後の合金をα＋β２
相領域となるように加熱することによって合金の形状の
変化が発現し、次いで、α＋β２相領域温度からの冷却
過程においても、合金の形状が変化することを見出した
。また上記した方法によって加工された合金は、数百度
以上の高温度域においても形状の変化が発現するもので
あって、加熱条件などを制御することにより、その変化
量を任意に調節でき、かつ靭性に富んだ状態で使用に供
され、更に高温度域において形状の可逆的変化を示しう
るちのであることを見出した。

即ち、本発明は、β−プラス型電子化合物構造を有する
合金をβ相領域に加熱した後、準安定非平衡β相が形成
される速度て急速冷却し、準安定非平衡β相の存在下で
加工することを特徴とする形状変化合金の製造法に係る
。

本発明方法が適用できる合金は、β−プラス型電子化合
物構造を有する合金である。具体例としては銅−亜鉛合
金、銅−アルミニウム合金、銅−シリコン合金、銅−イ
ンジウム合金、銅−スズ合金、銅−ニッケル合金、銅−
アンチモン合金、銅−亜鉛−アルミニウム合金、銅−亜
鉛−シリコン合金、銅−亜鉛−インジウム合金、銅−亜
鉛−スズ合金、銅−亜鉛−ニッケル合金、銅−亜鉛−ア
ンチモン合金等を挙げることができる。

本発明方法により、所期の効果を奏する合金を得るため
には、合金をβ相領域に加熱した後、充分な速度で冷却
することによって準安定非平衡β相を形成させることが
必要であり、準安定非平衡β相又はマルテンサイト相の
存在下に合金を加工することが必須である。上記した合
金は、すべて急速な冷却によって準安定非平衡β相を形
成させることができるものであり、本発明方法を有効に
適用できる。

上記した各種合金について本発明方法が有効な組成範囲
を第１図〜第６図に示す。銅−亜鉛−アルミニウム系合
金については、第１図の重量％三角成分図においてＡ（
９０，０，１０）、Ｂ（８６，０，１４）、Ｃ：（５２
，４８，０）、Ｄ（６３，３７，０）の各点を結ぶ直線
で囲まれた領域内にあるものが有効である。銅−亜鉛−
シリコン系合金については、第２図の重量％三角成分図
においてＥ（９４，０，６）、Ｆ（９１，０，９）、Ｇ
（５２，４８、Ｏ）、Ｈ（６３，３７，０）の各点を結
ぶ直線で囲まれた領域内にあるものが有効である。銅−
亜鉛−インジウム系合金については、第３図の重量％三
角成分図においてＩ（７３，０，２７）、Ｊ　（６６，
０，３４＞、Ｋ　（５２，４８、Ｏ）、Ｌ　（６３，３
７、Ｏ）の各点を結ぶ直線で囲まれた領域内にあるもの
が有効である。

銅−亜鉛−スズ系合金については、第４歯の重量％三角
成分図においてＭ（７８，０，２２）、Ｎ（７４，０１
２６）、Ｏ（５２，４８，０）、Ｐ（６３，３７、Ｏ）
の各点を結ぶ直線で囲まれた領域内にあるものが有効で
ある。銅−亜鉛−ニッケル系合金については、第５図の
重量％三角成分図において、Ｑ（６１，０，３９）、Ｒ
（４８，０，５２）、Ｓ　（５２，４８，０）　、Ｔ　
（６３，３７，０）の各点を結ぶ直線で囲まれた領域内
にあるものが有効である。銅−亜鉛−アンチモン系合金
については、第６図の重量％三角成分図におイテ、Ｕ（
６８，５，０，３１，５）、Ｖ　（５４，０，４６）、
Ｗ（５２，４８、Ｏ）、Ｘ　（６３，３７，０）の各点
を結ぶ直線で囲まれた領域内にあるものが有効である。

なお、各合金ともに、β相となる条件は公知であり、こ
こでは記載を省略する。

本発明方法で使用する合金試料は、常法に従つて作製す
ればよい。例えば、各原料を所定量配合した後、常法に
従って溶製し、焼鈍、鍛造、圧延等の処理を適宜施して
所望の形状に仕上げればよい。処理雰囲気は、特に限定
されず大気中で行なってもよい。

次いで合金試料をβ相領域となるように加熱した後、準
安定非平衡β相が存在する状態を生成する条件で急冷す
る。また、さらなる冷却においてマルテンサイト的に変
態が生じても一向に差し支えない。急冷方法は、準安定
非平衡β相が生成する条件を満たせばよく、例えば０℃
程度の水溶液中で急冷する方法、２００℃程度までの油
中で急冷する方法、５００℃程度までの塩浴中で急冷す
る方法などによればよく、所望する冷却温度に応じて適
宜冷却方法を選択すればよい。

準安定非平衡β相が形成されるように急冷した後、準安
定非平衡β相又はマルテンサイト相が存在する状態下で
合金試料を加工することによって、所期の効果を奏する
合金が作製される。

次に、−例として銅６８．６重量％、亜鉛２７゜６重量
％及びアルミニウム３．８重量％からなる合金について
、作製法及び特性を以下に示す。

まず、この合金の製造は、銅、亜鉛及びアルミニウムを
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時間保持することによ
り行なった。このようにして溶製した合金を約８００℃
で約２４時間焼鈍し、約８００℃での鍛造ならびに圧延
を行なって厚さ１．１■馳の板状とし、約６５ｍ１×８
■Ｘ１．１１腸の形状に仕上げた。この試料をβ相領域
である８６０℃に加熱した後、０℃の５％にＯＨ水溶液
中で急冷することによって形状変化挙動を示す合金試料
を作製した。

このような方法により作製した合金は、ＭＳ点（β相か
らマルテンサイト相への変！！１ｌｐＨ始温度）は約３
５℃である。まず−例として室温（２０℃）で第７図に
示されるような、曲率半径８１ｍ、両端のなす角度２０
０度の形状に加工後約り０℃／分の加熱速度で最高到達
温度を変化させて加熱を施すとこの両端のなす角度は第
８図に示されるような過程をたどる。即ちこの例では加
工温度がＭＳ点以下であることにより、加熱初期的１０
０℃すぎまで従来の形状記憶効果により形状の回復がお
こる。ざらなる加熱においては逆形状記憶効果による変
化を呈した後、約５００℃以上でほぼ一定の形状に定ま
る。各温度に到達後、冷却を施すと、約３５０℃付近の
温度まで、温度降下とともに形状の変化が進行する特異
な現象が発現し、加熱到達温度が高い程、冷却過程に発
現する変化量も増大する。即ち、加熱到達温度の増大に
したがって変化量は大きくなり、初期の設定条件が同一
であれば変化量は到達温度に依存することになる。

更に、この現象では再加熱、再冷却を繰り返すことによ
り、形状の変化は、ますます進行することが観察される
。−例として７００℃までの加熱冷却における結果を第
９図に示すが、加熱、冷却サイクル回数の増加にしたが
って変化量は増大する。

また、再加熱を行なう場合、第１回加熱温度と同一であ
る必要はなく、異なる温度でも差し支えはない。つまり
、第１回加熱が５５０℃であれば第８図の５５０℃の曲
線に沿って変化が出現し、続く第２回加熱が７００℃で
あれば第９図で表わされる７００℃における変化量に相
当する変化量が発現する。

本合金での上記現象は、加熱到達温度が低い場合には変
化量は少なくなり、（α＋β）領域下限温度付近の加熱
到達温度では、はっきり識別し雌い程になる。また（α
＋β）領域上限温度（本例の合金においては約７７０℃
）以上に加熱すると上記現象は発現しなくなる。

以上は、２０℃で加工する場合について述べたが、次に
加工時の温度を変化させた場合について記す。上記と同
一合金を約２００℃の温度下、即ち準安定非平衡β相の
存在下で曲率半径８■、両端のなす角度１００ｒｘに加
工した後、加熱により変形が発現する温度域（本例の合
金については、５５０〜７５０℃）に温度を上昇させた
後、冷却（加工後、即座に加熱処理を行なう必要はなく
、一旦冷却しても何ら差し支えはない〉処理を行なうと
、第１０図に示されるように、やはり形状の変化が出現
する。第１０図からも明らかなように、加工温度が高い
場合の特徴としては、当然のことながらマルテンサイト
が存在しないことにより、第８図、第９図で示される１
００℃付近までの形状回復は観察されない。また、加工
時の温度を高くすれば加熱、冷却にともなう変化堡は、
マルテンサイト存在下で加工する場合に比較して増大す
る傾向を示す。即ち本例のように、２００℃で加工した
場合、変形角度が１００度であっても、わずか２回の加
熱冷却により、合金試料の両端は接触するほどまでに変
化する。なお加工温度がマルテンサイト変態開始温度３
５℃以下の場合は、２０℃で加工した場合とほぼ同様の
挙動を呈する。

以上の結果は、β相の状態の合金を０℃の５％にＯＨ溶
液中で急冷した場合についてであるが、必ずしも０℃の
溶液中へ焼入れる必要はなく、準安定非平衡β相が形成
される条件で冷却すれば同様の結果となる。例えば、８
５０℃のβ相領域の合金を４００℃の塩浴中で急冷した
後、加工する場合にも上記した場合と同様の現象が観察
される。

また、加工温度のいかんにかかわらず、５５０〜７５０
℃までの加熱、冷却により形状変化を発現させた後、７
５０℃（厳密には（α＋β）−β境界温度）以下の温度
で再び加工を施しても、その状態の形状から再び変形を
続行し、変形現象は保存されていることになる。

上記した如ぐ、本発明方法により作製した合金は、加熱
、冷却を施すことにより、形状の変化は増大していくが
、形状の変化が増大することを阻止するための付属品（
ストッパー）を取り付けて加熱、冷却処理を施すと、高
温時及び低温時についてそれぞれ定まった形状間で変化
を可逆的に繰り返すことが可能となる。このように形状
の変化の増大を阻止するための付属品を取り付けた合金
試料の一例の側面図を第１１図に示す。第１１図は合金
試料（１）を一定形状に加工した後、ストッパー（２）
を取り付けた状態を表わし、高温に加熱すると（ａ）に
示すように合金試料とストッパーとは非接触状態となり
、次いで冷却すると（ｂ）に示すように両者は、接触状
態となる。この挙動は、加熱、冷却を繰り返すことによ
り、繰り返し観察され、合金の形状変化は、可逆的な変
化となる。

本発明方法により加工した後、加熱、冷却により形状を
変化させた合金は、従来の形状記憶効果により形状を回
復させた合金に比べて、靭性に擾れたものである。従来
の形状記憶効果により形状を回復させる方法では、準安
定な母相の状態で合金を使用に供することになり、また
合金は、粗大結晶粒となりやすく、弾性異方性が大きく
なるので脆性破壊を発生しやすい。これに対して、本発
明方法による合金は、高温度域へ加熱処理を施すことに
より形状変化を発現させるので、安定な組織の下で使用
に供されることになり、また結晶粒が粗大にならないこ
となどから、高い靭性を示す。

例えば本発明方法及び従来の形状記憶方法の各々−の方
法によって、板状試料を曲率半径９ｉｖ、両端のなす角
度５０度に形状変化させる処理を施し、次いで各々の試
料について角度が負になる方向に折り畳むように加工を
行なった場合、形状記憶効果により形状回復させた試料
は破壊したにもかかわらず、本発明方法による試料は、
破壊を生じなかった。また、上記した各々の試料につい
て、引張り試験機により、破断までの伸び率を測定した
結果、形状記憶効果による試料は、伸び率が１０％未満
であるのに対して、本発明方法による試料の伸び率は、
３０％以上であった。

発明の効果 本発明方法によって作製する合金は、加熱、冷却処理を
施すことによって形状が変化する合金であって、高温で
の使用に耐え、かつ高い靭性を備える合金である。

本発明方法によって作製する合金を熱感応素子として用
いる場合には、従来の形状記憶合金では不可能であった
高温度域での使用が可能になり、また合金の形状変化量
が加熱温度に依存することから正確な測定が可能となる
。また、本発明方法による合金は、繰り返し使用が可能
であることから、その適用範囲は、非常に増大される。

本発明方法による合金の使用例として、例えばスイッチ
装置に応用する場合には、該合金自体が温度を検知して
、スイッチ本体として機能する。

また、該合金の繰り返し変化する形状（長さ、太さ、角
度等）を電気的、磁気的、光学的、力学的に検知するこ
とによって、温度、圧力等の測定が可能となる。また、
該合金の加熱、冷却による形状の変化を利用することに
より、複数の物体の接合体としても応用できる。

以上の如く、本発明方法による合金は、加熱、冷却によ
り形状が変化する性質、高温度域での適用性、高靭性等
の優れた性質により、広範囲の用途を有するものである
。

実　　施　　例 以下、実施例を示して本発明の詳細な説明する。

実施例１ 銅６３重量％及び亜鉛３７重量％となるように配合した
原料をるつぼに充填後、石英ガラス中に真空封入し、１
１００℃の電気炉中で１時間保持することによって溶製
した合金を約８００℃で約２４時間焼鈍し、約８００℃
での鍛造及び圧延を行なって厚さ１，１ｍｌの板状とし
、約６５１ｍ×８１１Ｘ１，１１ｍの形状に仕上げた。

この試料をβ相領域である８５０℃に加熱した後、０℃
の５％に０日水溶液中で急冷することによって合金試料
を作製した。

この試料を室温で第７図に示すような曲率半径８１１１
、　変形ｔ１２５ｍｌ、加工角度θ−２００’　（７）
形状に加工した後、炉中へ投入することにより加熱を行
なうと、形状記憶効果による形状の回復を示した後、温
度上昇と共にθは大きくなり、やがて一定となった。そ
の後、冷却過程においてθは増大し、繰り返し加熱、冷
却を行なうことによって合金の加工角度θの変化量は増
大した。

また、合金試料を約２５０℃で上記した場合と同様の形
状に加工した場合には、形状記憶効果による回復は、認
められなかったが、高温度域への加熱、冷却により、室
温で加工した場合よりも大きな形状変化が認められた。

実施例２〜１１及び比較例１〜６ 第１表に示す各組成の合金試料を実施例１と同様の方法
で作製した後、実施例１の場合と同様の形状に加工し、
加熱、冷却に伴う形状変化を観察した。結果を第１表に
示す。

第　　　　１　　　　表

【図面の簡単な説明】

第１図は、銅−亜鉛−アルミニウム系合金についての重
量％三角成分図、第２因は、銅−亜鉛−シリコン系合金
についての重量％三角成分図、第３図は、銅−亜鉛−イ
ンジウム系合金についての重量％三角成分因、第４図は
、銅−亜鉛−スズ系合金についての１１量％三角成分図
、第５図は、銅−亜鉛−ニッケル系合金についての重量
％三角成分図、第６図は、銅−亜鉛−アンチモン系合金
についての重量％三角成分図である。第７図は、試験に
使用した合金試料の加工状態を示す側面図、第８図は、
室温で加工した合金試料に加熱、冷却処理を施した場合
の形状変化を示すグラフ、第９図は、Ｖ瀧で加工した合
金試料に加熱、冷却処理を繰り返し施した場合の形状変
化を示すグラフ、１１０図は、２００℃で加工した、合
金試料に加熱、冷却処理を施した場合の形状変化を示す
グラフ、第１１図は、合金試料にストッパーを取り付け
た状態の側面図である。図において、１は合金試料、２
はストッパーである。 （以　上） 代理人　弁理士　三　枝　英　二　。 第１図 Ｃｕ 第２図 Ｃｕ 第３図 Ｃｕ 第４ＷＡ Ｃｕ Ｓｎ（ｗｔ％） 第５図 Ｃｕ 第６図 Ｃｕ 第７図 第１１図 （ａ） 第８図 温度°Ｃ 第９図 逼　友　°Ｃ 第１０図 う星渡°Ｃ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）β−ブラス型電子化合物構造を有する合金をβ相
   領域に加熱した後、準安定非平衡β相が形成される速度
   で急速冷却し、準安定非平衡β相の存在下で加工するこ
   とを特徴とする形状変化合金の製造法。