愛総研・研究報告 67 第16号2014年粉末冶金と塑性加工による傾斜機能形状記憶合金の作製 FabricationofFunctionally-GradedShapeMemoryAlloy 松井良介 †,竹ノ内良輔 †† RyosukeMatsui†,RyosukeTakenouchi† † AbstractThemartensiticandthereversetransformationtemperaturesaredirectlyrelatedtothebending rigidityoftheTiNishapememoryalloy(SMA)wire.Thepresentpaperaimedtoobtainthefunctionallygraded wireinwhichbendingrigidityvariesalongthewireaxis,andanewfabricationprocessofcombinedpowder metallurgyandplasticworkingwasproposed.Amulti-layeredTiNicompactwithvariousTi/Nicompositions wasobtainedbypulsecurrentpressuresintering(SPS)whichwashot-extrudedintoawire.Theresultingwires wereinvestigatedonthetransformationtemperaturesanddeformationproperties.Thedifferentialscanning calorimetrymeasurementsshowedthatfunctionallygradedpropertiesoftransformationtemperaturesretained inthewire.Thewirehadbothshapememoryeffectandsuperelasticity. 1.緒ここでは,Ni濃言度が軸方向に沿って変化するTiNi焼結体ビレットを熱間押出し成形したFG-TiNiSMAワ形状記憶合金(Shapememoryalloy,以下SMA)は大きな変形が加熱または除荷のみで元の形状を回復する特徴イヤについて,変態温度および応力の傾斜機能特性を評価し,冷間加工による変態特性の変化を報告する. を持つ.これまでに様々な合金系で形状記憶効果の発現が見出されているが,主に実用されている合金系はTiNi系である1),2).しかしTiNiSMAににあり,傾斜機能TiNisMAワおいても応用は発展途上ワイヤ)は,医 2.FG-TiNiSMAワイヤの作製プロセスイヤ(以下,FG-TiNisMA 療用ガイドワイヤや自己ストローク制御式 FG-TiNisMAワイヤの作製方法をFig.1にアクチュエータ,温度センサ機能を備えた新しいアクチュ SMAビエータへの応用が期待される.例えば医療用ガイドワイヤとカルポニルNi粉への応用のためには先端が軟らかく,末端が硬い傾斜機能は以下の手順で行った.まを有することが要求される。そのため現状では,それぞれ合は,Ti-49.8at%Niかの部位の要求特性に応じて材料を選択し複雑に組み合わ設定した.遊せて製造されている. は,テ上記の現状を踏まえ,本研究においては,曲げ剛性が長手方向に徐々に変化するFG-TiNiSMAワイヤをその製造示す.TiNi レットは原料素粉末としてガスアトマイズTi粉末を用いた.TiNiSMAビず,Ti粉レットの作製末とNi粉らTi-51.Oat%Niの末の混合割範囲になるように星型ボールミルによるTiNi粉ーブル回転数200rpm,混末の混合条件合時間0.6ksであった.作製した混合粉末は黒鉛型内に積層しながら充填した.このとき,下からNi濃度51.Oat%,50.8at%の順に49.8at%ま方法と併せて考案した.この材料は,材料中で変態温度(す 7層に積層し,パルス通電加圧焼結した.TiNi混なわち曲げ剛性)が徐々に変化する特徴を有する.この製充填量はTi-49.8at%Niか造のために著者らは粉末冶金プロセスと塑性加工とを組とし,Ti-51.Oat%Niは42.7gとみ合わせた方法を既に提案している3)が,変態・変形特性のTiNi混を詳細に調査した結果は報告してこなかった。のは,焼ら50.8at%Niでした.こ・ †ー・ †ー † (株)東工学部機械学科(豊田市) 海理化電機製作所(丹羽郡大口町) で合粉末のはいずれも2.77g こで,Ti-51.Oat%Ni 合粉末の充填量が他の組成の混合粉末より多い結後の熱問押出し後,金型の構造上一定量が金型内に残存し,ワイヤとして得られないためである.焼愛知工業大学末件は焼結温度1023K,焼結時間1.8ksとした.通パルス通電を,そ電開始後30sはし,焼結条結後は炉冷の後は直流通電愛知工業大学総合技術研究所研究報告,第16号,2014年 68 [〉 Solution treatment [〉 Shapememory treatment Fig.1FabricationprocessofthefunctionallygradedTiNishapememoryalloywire で焼結を行った.焼結体は直径20㎜,長さ約29㎜柱形状であった.この焼結体のTiとNiの相互拡散を促すため,真空雰囲気にて処理温度1273Kを43.2ks保の円持する条件にて溶体化処理を施した.この溶体化処理体に対して熱問押出し成形した.装置の概要および成形条件は次章に示 4.結果および考察 4.1烈肋コ:Lfワイヤの欝礎譜得1笙 4.1.1」変態溢7度形状記憶熱処理後のワイヤ各部位にて測定したDSC曲線す通りである.また形状記憶特性を発現させるため,押出から得たマルテンサイト(martensite,以下M)変し成形後のワイヤに形状記憶熱処理を施した.形状記憶熱布をNi濃度とx/Lの関係でFig.2に示す.x/Lはワイヤの長処理を施したワイヤは大気中で温度773Kを3.6ks保さLに対する測定位置xの相対位置を示す.ここでNi濃度持し, 水冷して用意した. はワイヤの横断面内の組成が一様で,且っTi-49.8at%NiからTi-51.Oat%Niま 3.熱それぞれ表す.M変溶体化処理体に対して熱間押出し成形した.押出し成形に用いるビレットには,直径20㎜イヤ放電加工によって直径5㎜は6.25(ビの溶体化処理体からワの円柱形状1こ切り出したものを使用した.潤滑剤にはBN(窒化ホウ素)を用い,成形した.成形速度はlmm/minとレッ値径5㎜,ワし,押出し比イヤ直径2㎜)とした. また形状記憶特性を発現させるため,押出し成形後のワイヤに形状記憶熱処理を施した.形状記憶熱処理を施したワイヤは大気中で温度773Kを3.6ks保た.さ持し,水冷して用意しらに,形状記憶熱処理を施したワイヤの変形特性を冷間加工の変態特性への影響を調査するために,溶体化相麟体から幅5mm,厚さ1㎜の帯板材を切り出し,熱間圧延と冷問圧延を行ってDSC測定を実施した.熱問圧延の温度は熱問押出し成形と同様に 1023Kとした.熱間および冷間圧延の断面減少率はそれぞれ15%,10%とした. はM変態の開始・終了温度を態温度幅(MS-Mf)はであり,さらにMSとMfそ最小でも78.1K れぞれのワイヤ両端での差は 33.5,25.6Kと溶製材の場合1)の1/5から1/6程度である.ワイヤ両端での温度差が小さい原因は以下のように考えられる.押出し成形後のワイヤにおいては,同じxの位置における表層部と中心部のNi濃度が異なっている.Dsc測定の際には長手方向に対して垂直に切り出した試料を用いたために,複数の組成の層が混在する状態で変態温度を調査したことになる.このために設定したNi濃度の差が現れなかったものと考えられる. この他に検討すべき項目は酸化物の影響である.熱問押出し成形は大気中で行い,且つビレットは昇温時間を含め調査するため,室温での引張試験を行った. 処理したNi灘49.8at騨で軸方向に線形に傾斜したと仮定した場合の値を示している.MS,妨間押出し装置および成形条件温度は1073Kと態温度分ると3時間程度高温に曝される.この間の酸化は避けられず,酸化物が少なからず生成しているはずである.XRD分析や元素分析では確認できなかったが,一般的に酸化物の生成は特にワイヤ表層部で顕著である.Niと比較して活性なTiが積極的に酸化物を生成することで相対的にNi濃度が増加し,全体的に変態温度が低下することが予想されるが,詳細は今後検討する必要がある. 粉末冶金と塑性加工による傾斜機能形状記憶合金の作製 69 Nicontent[at%] 49.850.050.250.450.650.851.0 600 360 Shape-memorytreated‐Ti-si.oat%Ni [ x ]sawn;saadtua; uoi;e uao3suea;ar isua ey Crossheadspeed=lmm/min--Ti-50・6at%Ni 500 T=RT-Ti-50.4at%Ni一ノ 330 270 し・イーt-一一一一一一一一一 ↓ 一一兜 ÷ きげ溜 [ d L ilssaa;s Ieaim o 300 400 ピ1 !す'1 300 ノ 4 η 200 ' , ,/ 100 ー ,,,, ,,-⋮ ノノ 0 210 0 0.00.20.40.60.81.O 1 Relativedistancefromedgex/L 4.1.2変 4.2衿形状記憶熱処理を施したワイヤにおいて,室温での引張肋所のx/Lか程のDsc曲度とともにFig.3に示す.形状記度49.8at%単相の帯板材における加熱過線をFig.4に示す.ASおよびルは逆変態開始および終了温度をそれぞれ表す.冷間圧延を施さない場合のピークと比較すると,冷間圧延後のピークは鋭く,変態位置では部分超弾性が現れている. 態応力をTi-50.4at%Niの結果と比較すると, Ti-50.6at%Niで90MPa程度,Ti-51.Oat%で150MPa程結果となった.ま荷初期の弾性係数はTi-50.4at%Ni た,負で約25GPa,Ti-50.6at%Niで度高い約50GPa,Ti-51,0at%Niであり,Ti-50.4at%NiではM相,Ti-50.6at%Niお温度幅(・4プー・4S)が小さくなっていることがわかる.また, 冷間圧延前には複数段の変態ピークが現れたが,冷間圧延後には一つになっている.これは冷間圧延によって微視的なNi濃度のゆらぎが抑制され,材料内の組成が均一にな約ったことを示唆する結果であり,溶製材と同様の傾向であよる.今後アクチュエータとして応用する場合には,変態温は母相の弾性係数4)とほぼ一致した.仮に度幅を狭めて温度変化による形状回復の応答を早くする形状記憶熱処理後のワイヤを体内でガイドワイヤとして使必要があり,粉末冶金プロセスで作製したSMAに用することを想定した場合(実冷問加工の有用性を示している. 際に直径2㎜のワイヤをそのまま用いることは困難であるが),低Ni濃度側をガイドワイヤの先端とすれば,先端で低剛性の(柔軟性の高い) 作性の高い)特性が得られる. 端は高剛性の(操このように,用途に合わせてSMAのこれまでに述べてきた結果から,本研究の手法でビレッイヤは変態温度の傾斜機れに伴ってワイヤ内の位置により形状記憶効果と超弾性の異なった変形特性を示すことが明らかとなった. 言変態温度の傾斜機能特性を有するTiNiSMAワイヤ作製において,熱間押出し成形で得られたワイヤについて変態する結果が得られた. トおよびワイヤを作製すれば,ワ 5.結おいて異なる機能特性を連続的に変化させながら引き出すことが可能となることを示唆能特性を有し,こ 7 位置で形状記憶効果る.また,Ti-50.6at%Niの特性が,末 6 位置で超弾性をそれぞれ示すことがわか憶熱処理後のワイヤはTi-50.4at%NiのびTi-51.Oat%Niで 5 3章で述べた方法で熱間圧延および熱間と冷間圧延の両方を施した,Ni濃 45GPaで 4 ユ:〆こよる変態侍盤の変准試験から得られた公称応カー公称局所ひずみ曲線を測定箇を,Ti-51,0at%Niの 3 Fig.3Nominalstress-localstraincurvesobtainedateach compositionoftheshape-memorytreatedwire 形魏笙ら求めたNi濃 2 Nominallocalstrain[%] Fig.2Distributionofthemartensitictransformation temperaturesforshape-memorytreatedwire M変 T飴ノ一孟㎜ ' 240 ミ1 特性,組織形態および変形特性について実験的に調査した. 以下に得られた成果を要約して示す. (1)熱問押出し成形で得られたワイヤに形状記憶熱処理を行うと変態温度の傾斜機能特性が現れる. (2)形状記憶熱処理を行ったワイヤでは,位置によって形愛知工業大学総合技術研究所研究報告,第16号,2014年 70 の冷間加工により変態温度幅の狭小化による熱応答性の改善が可能であることを明らかにした. [・n ・e]b sseiu ;iun aad n o ;nag 謝辞本研究の一部は財団法人日東学術振興財団の研究助成金によって為されたものであることを付記し,謝意を表する. 参考文献 200 250 300350 400 450 1)Otsuka,K.,andRen,X.,PhysicalmetallurgyofTi‐Ni-based shapememoryalloys,ProgressinMaterialsSciences,50,pp. TemperatureT【K1 511-678,(2005). Fig.4DSCcurvesoftheSMAplatessubjectedto5%hot rollingandthen10%coldrolling 2)Tobushi,H.,Matsui,R.,Takeda,K.andPieczyska,E.A., MechanicalPropertiesofShapeMemoryMaterials,Nova SciencePublishers,(2013). 状記憶効果と超弾性の異なった特性を示す. (3)粉末冶金プロセスで作製したSMAに 3)松おいても,冷間井良介,京 (第1報:TiNi形ある. 性),日結体を素材として熱間押出し成形を行うことにより,得られるワイヤもまた変態温度の傾斜機能特性を有し,さらにその後田総仁,粉性加工による傾斜機能TiNi形加工によって変態温度幅を小さくすることが可能で以上のことから,傾斜機能特性を有するTiNiSMA焼極秀樹,吉末冶金プロセスと塑状記憶合金ワイヤの作製状記憶合金ビレットの作製とその変態特本機械学会論文集A,74(746),pp.1336-1341, (2008). 4)田中喜久昭,戸的性質,養伏壽昭,宮賢堂,(1993). 崎修一,形状記憶合金の機械