JPS61223160A - 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】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、良好な形状記憶効果を安定して発揮する鉄
系形状記憶台□金に関するもので、ある。

従来から、機械部品や各種構造部材の固定、締付け、接
合或いは補修等の基本的操作は、産業分野を問うことな
く極めて重要な位置を占めており、今日では、その具体
的手段として例えばボルト・ナタト等におけるようなネ
ジの利用、リベット′。

キー、ビン又ｉコツタ等の利用、各種溶接技術の利用等
、様々な技術が目的に応じて適宜に採用されている。

しかし、このような産業上の基本的な分野においても、
新材料の出現、或いは一層厳しい環境下での使用や悪条
件下での施工等の要求にともない、更なる技術の高度化
が要望されるようになってきた。　　　゛ 例えば、ネジを利用して締結を行う場合には締め付は後
のゆるみが問題となることが多い。そして、このような
締め付は後のゆるみを防止するには、かなり大きな締め
付は力を予、め付与しておくか％或いはロックナツトの
使用や割りビンの使用等のような特殊手段を適用する等
の対策が必要であるが、より高精度のゆるみ防止にはか
なり高度な施工技術が要求されることとなる。

ところで、地中埋蔵資源や海底資源等の開発では、パイ
プ同士の接合や補修が極めて重要な技術的事項とされて
いる。

このパイプ同士の接合や補修は、溶接又はネジ結合を利
用して実施される場合が多いが、溶接継手を採用する場
合にはパイプ本体に必ず熱影響を受ける部分ができるの
で、この部分の性能を落すことなく目的を達成するため
には、材質面や施工面で格別な工夫を施すことが必要で
あった。一方、ネジ継手を採用する場合には、高圧の管
内圧力に耐え得るように、ネジの形状はもちろんのこと
１、　　　ネジ切り作業での細部にわたる細心の注意や
高度な技術までもが要求され、また、海底等におけるパ
イプの補修のためには管内の密封性や耐圧性の要求がか
なり厳しいものとなることから、この点でもより一層高
度な技術を必要としたのである。

このようなことから、各種構造物を製作する上で生じる
上述の如き問題に対処するため、構造物素材自体、或い
はその継手や接合治具等に形状記憶特性を有する合金を
活用しようとの試みがなされるようになってきた。

〈従来技術並びにその問題点〉 現在、形状記憶特性を有する合金、所謂１形状記憶合金
”として’ｌ’１−Ｎｉ系合金やＣｕ−Ｚｎ−Ａｌ系合
金を中心に多数のものが知られるようになったが。

その大部分は非鉄系の合金である。そして、これらの合
金のほとんどは、いずれも通常の鋼に比べて製造コスト
が高く、また製造の際：：細心の注意を払わなければ良
好な形状記憶効果を得ることが困難であることから、大
型構造物やその部品として実用するには多くの問題があ
った。

このような中にあって、大型構造物への適用が期待され
る鉄系の形状記憶合金としては、Ｆｅ　−Ｍｎ系合金、
Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｆｅ−Ｐｔ系合金、Ｆｅ−Ｐｄ系合
金及び１８−８オーステナイト系ステンレス鋼が知られ
ている。そして、これらのうちではＦｅ　−Ｍｎ系合金
が最も安価であるため、この系に属する形状記憶合金の
報告が目立つようになってきた。

例えば、Ｍｎ含有量を１５．９〜３０．０重量％に規制
したＦｅ−Ｍｎ合金（特開昭５５−７３８４６号公報）
、動台有量を他の合金元素との兼ね合いで１２．２〜２
０．５重量％に規制したＦｅ　−Ｍｎ　−Ｓｉ　、　Ｎ
ｉ　、　Ｃｒ合金（特開昭５５−７６０４３号公報）、
或いはＭｎ含有量を１４へ２０重量％に規制したＦｅ−
Ｃ−Ｍｎ合金（特、開昭５５−９１９５６号公報）がそ
れである。

しかしながら、上記合金系（Ｆｅ　−Ｍｎ系）では形状
記憶効果は極めて小さく（加熱・冷却による膨張・収縮
量が通常鋼の精々２倍程度）、形状記憶合金としての用
途には極めて不満足なものでしかなかった。なぜなら％
Ｆｅ−Ｍｎ系合金の形状記憶効果は、Ｎｉ−Ｔｉ合金や
Ｃｕ系合金等の熱弾性マルテンサイト合金とは異なりε
−マルテンサイトの生成によって生じるとされており、
このため完全に塑性変形前の形状に回復する所謂“完全
形状記憶効果”を得るのが難かしいからに他ならす、従
って、良好な形状記憶効果を安定して得る手段に裏打ち
されたところの、より一層潰れた形状記憶効果を有した
鉄合金の出現が待望されているのが現状であった。

もつとも、前述したようなＦｅ−Ｍｎ系合金における形
状記憶効果のメカニズムは必ずしも明確なものではない
が、詳細には次のように解釈されている。

即ち、冷間において加工を行うと歪誘起変態によって１
−マルテンサイトが生成し、加工歪がｅ−マルテンサイ
トとして蓄えられる。次いで、こうした状態の合金なＡ
ｅ１点以上に加熱すると、ε−マルテンサイトからオー
ステナイトへの逆変態時に前記冷間加工時の塑性歪を可
逆的に解放することとなり、その結果形状記憶効果を示
すと言うものである。従って、冷間加工の際に６−マル
テンサイトが生成し易くて加工による格子歪（転位）の
発生が抑えられる合金はど、より優れた形状記憶効果が
得られると予想されるが、従来の合金ではこの加工時の
ε−マルテンサイトの生成が十分でなく、大部分の塑性
歪が転位として導入されるため良好な形状記憶効果が得
られなかったと考えられる、 く問題点を解決するための手段〉 本発明者等は、上述のような観点から、従来知られてい
た鉄系形状記憶合金にみられる上記問題点を解消し、よ
り一層優れた形状記憶効果を備えたコストの安い合金を
実現すべく研究を重ねたところ、 Ｍｎ含有量を従来知られていたＦｅ　−Ｍｎ系形状記憶
合金よりも高い特定範囲（二調整された鉄合金に微量の
Ｓｉを添加すると、加工時のξ−マルテンサイトの生成
が極めて容易となり、室温での形状記憶効果が従来の鉄
合金に比べて大幅に改善される。

との知見を得るに至ったのである。

−　　　この発明は、上記知見に基づいてなされたもの
であり、 鉄合金を。

ｓｉ　：　０．４〜２．０％（以下、成分割合は重量基
準で示す）。

Ｍｎ：２１〜２８＊、 Ｆｅ及び不可避的不純物：残り なる化学成分組成に構成することで、浸れた形状記憶効
果を安定して発揮せしめ得るようにした点。

に特徴を有するものである。

なお、ここで言う形状記憶効果とは、　　ｒＭｓ点以下
で加えた塑性変形歪が、ＡｅＩ点以上に一旦加熱してか
ら室温まで冷却すると完全に塑性変形前の形状に戻るＪ
との１通常言われているような形状記憶効果を指すもの
ではなぐ、ｒＭｓ点以下で加えた塑性変形歪の一部のみ
が塑性変形前の形状に戻る」と言う効果を意味するもの
である。従って、この発明の形状記憶合金は、言わば１
不完全形状記憶効果”による復元力及び復元量を活用す
るものであることは言うまでもない。

次いで、この発明において合金の組成成分割合を上記の
如くに数値限定した理由を説明する。

（ａ）　　５ｔ Ｓｔ酸成分は、Ｆｅ−Ｍｎ合金の冷間加工時におけるε
−マルテンサイト生成を容易にし、形状記憶効果を大幅
に向上させる効果があるが、その含有量が０．４％未満
では上記作用に所望の効果が得られず、他方、２゜０ｇ
６を越えて合音させると合金の熱間加工性を著しく劣化
させることから、Ｓｉ含有量は０．４〜２．０　％と定
めた。

（ｂｌ　　Ｍｎ Ｍｎ成分〆は、形状記憶効果を発現するのに有効である
８−マルテンサイトの生成に極めて大きな影響を与える
元素であるが、その含有量が２１％　□未満であったり
、或いは２８％を越えたりすると室温におけるＩ−マル
テンサイト生成が不十分となり、良好な形状記憶効果が
得られ牟くなることから、Ｍｎ含有量は２１〜２８％と
限定した。

さて、第１図は、形状記憶効果の指標である復元率（α
値）に及ぼす離宮有量及びＳｉ含有量の影響を示すグラ
フであるが、第１図からも、　Ｍｎ含有量が２１−２８
％で、かつ０．４〜２．０５１ｆのＳｔを含む鉄合金に
おいてのみ、極めて優れた復元率ｃａ値）、つまり良好
な形状記憶効果を有することが明らかである。

なお、前記復元率（α値）の測定は、次のように実施し
た。

まず、種々の組成の鉄合金から、ｗＩｚ図（ａｌで正面
図が示されるような厚さ：Ｉｍの短冊状試験片を作成し
１次いで、室温下Ｃ二おいて第２図（ｂｊで示される如
く曲率半径；１０雪にて９０［度］の角度をなすまでの
曲げ加工を行い、更に該曲げ加工後の各試験片を加熱炉
中でＡｃ、点以上の温度に加熱保持してから室温にまで
冷却し、加熱−冷却による試験片の曲がり角度の変化（
第２図（ｅ）参照）を調査する。続いて、この調査で得
られた値から。

を用いて復元率（α値）を算出するのである。

ここで、復元率（α値）がＯより大きいと言うことは形
状記憶効果が発現されていることを意味し、前記α値が
大きければ大きいほど形状記憶効果に毀れていると判断
されるわけである。

次に、この発明を実施例によって比較例と対比しながら
説明する。

〈実施例〉 高周波溶解にて、第１表に示される如き化学成分の１６
種の鉄合金を溶製した。

次いで、該合金の鋳塊を１２００℃に加熱してから厚さ
：５■の板にまで圧延し、常温にまで空冷した後、再び
１１００℃に加熱して水冷すると言う焼入れ処理を施し
た、 このようにして得た板材から、厚さ１■×幅５■×長さ
１００ｍの短冊状試験片を切り出し、各試験片に対して
、前記ｗ１２図で示したような室温での曲げ加工、　Ａ
ｃ、点以上の加熱、及び室温までの空冷を行い、その復
元率Ｃα値）を測定した。

これらの結果を第ｉｆｆに併せて示す。

第１表に示される結果からも明らかなよう（＝、本発明
の条件を満たす鉄合金はいずれも復元率が０．３以上と
大きな値を示していて、例えばエネルギー資諒開発設備
機器類の信頼性向上、或いはパイプ接合や補修等の確実
化要求等に十分対処し得る材料であることがわかるのに
対して、　Ｍｎ成分や８１成分の含有量が本発明で規定
する範囲から外れている比較合金は、十分に満足できる
形状記憶効果を有していないことが明白である。

以上に説明した如く、この発明によれば、従来知られて
いたＦｅ−Ｍｎ合金よりも著しく擾れた形状記憶効果を
有する低コストの鉄合金を得ることができ、各種構造部
材の締結・固定等における信頼性向上が達成されるのみ
ならず、より新規な産業技術開発の可能性を一層身近か
なものとすること１　　ができるなど、産業上極めて有
用な効果がもたらされるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、復元率（α値）に及ぼす地金有量及びＳ１含
有量の影響を示すグラフ。 第２図は、形状記憶効果（復元率）の測定方法の説明図
であり％！Ｊ２図（ｍｌは試験前の試験片を、１４２図
（ｂ）は曲げ加工後の試験片を、モして８２図（ｃ）は
Ａｅ１点以上への加熱と冷却とを施した後の試験片の状
態とをそれぞれ示している。 出願人　　住友金属工業株式会社 代理人　　富　１）和　夫　　ほか２名第１図 Ｍｎ　４有量　（１量％λ 鍍２因

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 重量割合にて、 Ｓｉ：０．４〜２．０％、 Ｍｎ：２１〜２８％、 Ｆｅ及び不可避的不純物：残り なる化学成分組成を有して成ることを特徴とする形状記
   憶合金。