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

愛 総 研 ・研 究 報 告 第16号2014年 67

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 言 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 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 お い て も応 用 は発 展 途 上 に あ り,傾 斜 機 能TiNisMAワ イ ヤ(以 下,FG-TiNisMA ワイ ヤ)は,医 療 用 ガ イ ドワイ ヤ や 自己 ス トロー ク制 御 式 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 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 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 を有 す る こ とが要 求 され る 。そ の た め現 状 で は,そ れ ぞ れ 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 せ て製 造 され てい る. 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 方法 と併 せ て考 案 した.こ の材 料 は,材 料 中 で変 態 温 度(す な わ ち 曲げ 剛性)が 徐 々 に変 化 す る特 徴 を有 す る.こ の 製 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 み合 わせ た 方法 を既 に 提案 して い る3)が,変 態 ・変 形 特性 を詳 細 に調 査 した結 果 は報 告 して こな か った 。 愛 知 工 業 大学 工 学部 機械 学科(豊 田市) (株)東 海 理 化 電機 製 作 所(丹 羽 郡 大 口町) こ こでは,Ni濃 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 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. 2.FG-TiNiSMAワ イ ヤ の 作 製 プ ロ セ ス † ・† ー ・† ー

FG-TiNisMAワ イ ヤ の 作 製 方 法 をFig.1に 示 す.TiNi SMAビ レ ッ トは 原 料 素 粉 末 と して ガ ス ア トマ イ ズTi粉 末 と カ ル ポ ニ ルNi粉 末 を 用 い た.TiNiSMAビ レ ッ トの 作 製 は 以 下 の 手 順 で 行 っ た.ま ず,Ti粉 末 とNi粉 末 の 混 合 割 合 は,Ti-49.8at%Niか らTi-51.Oat%Niの 範 囲 に な る よ う に 設 定 した.遊 星 型 ボ ー ル ミル に よ るTiNi粉 末 の 混 合 条 件 は,テ ー ブ ル 回 転 数200rpm,混 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 で 7層 に 積 層 し,パ ル ス 通 電 加 圧 焼 結 し た.TiNi混 合 粉 末 の 充 填 量 はTi-49.8at%Niか ら50.8at%Niで は い ず れ も2.77g と し,Ti-51.Oat%Niは42.7gと した.こ こで,Ti-51.Oat%Ni のTiNi混 合 粉 末 の 充 填 量 が 他 の 組 成 の 混 合 粉 末 よ り多 い の は,焼 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 結 条 件 は 焼 結 温 度1023K,焼 結 時 間1.8ksと し,焼 結 後 は 炉 冷 し た.通 電 開 始 後30sは パ ル ス 通 電 を,そ の 後 は 直 流 通 電

68 愛 知 工 業 大 学 総 合 技 術 研 究 所 研 究 報 告,第16号,2014年

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treatmentSolution

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Shapememory treatment Fig.1FabricationprocessofthefunctionallygradedTiNishapememoryalloywire で焼 結 を行 っ た.焼 結 体 は直 径20㎜,長 さ約29㎜ の 円 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 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 す 通 りで あ る.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 持 し, 水冷 して 用意 した. 3.熱 間押 出 し装 置 お よび成 形 条件 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㎜ の溶 体 化 処理 体 か らワ イ ヤ放 電加 工 に よ って 直径5㎜ 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 温度 は1073Kと した.成 形 速 度 はlmm/minと し,押 出 し比 は6.25(ビ レ ッ 値 径5㎜,ワ 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 持 し,水 冷 して用 意 し た.さ らに,形 状 記 憶 熱 処 理 を施 した ワイ ヤ の変 形 特 性 を 調 査 す るた め,室 温 で の 引 張試 験 を行 っ た. 冷 間加 工 の変 態 特 性 へ の影 響 を調 査 す る た め に,溶 体 化 処理 したNi灘49.8at騨 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. 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 か ら得 た マ ル テ ンサ イ ト(martensite,以 下M)変 態 温 度 分 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 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 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 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 はM変 態 の 開始 ・終 了温 度 を それ ぞ れ 表 す.M変 態 温度 幅(MS-Mf)は 最 小 で も78.1K で あ り,さ らにMSとMfそ 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 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 [x ] s a w n ; s a a d t u a ; u o i ; e   u a o 3 s u e a ; a r  i s u a   e y   360 330 300 270 240 Nicontent[at%] 49.850.050.250.450.650.851.0 210 0.00.20.40.60.81.O Relativedistancefromedgex/L Fig.2Distributionofthemartensitictransformation temperaturesforshape-memorytreatedwire [   d L   i l s s a a ; s I e a i m o   600 500 400 300 200 100 Shape-memorytreated‐Ti-si.oat%Ni Crossheadspeed=lmm/min--Ti-50・6at%Ni T=RT-Ti-50.4at%Ni一

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, / , , , ,, , -⋮ ノ ノ ー 1 2 3 4 5 6 Nominallocalstrain[%] Fig.3Nominalstress-localstraincurvesobtainedateach compositionoftheshape-memorytreatedwire 7 4.1.2変 形 魏 笙 形 状 記 憶 熱 処 理 を 施 した ワ イ ヤ に お い て,室 温 で の 引 張 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 所 のx/Lか ら求 め たNi濃 度 と と も にFig.3に 示 す.形 状 記 憶 熱 処 理 後 の ワイ ヤ はTi-50.4at%Niの 位 置 で 形 状 記 憶 効 果 を,Ti-51,0at%Niの 位 置 で 超 弾 性 を そ れ ぞ れ 示 す こ とが わ か る.ま た,Ti-50.6at%Niの 位 置 で は 部 分 超 弾 性 が 現 れ て い る. M変 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 度 高 い 結 果 と な っ た.ま た,負 荷 初 期 の 弾 性 係 数 はTi-50.4at%Ni で 約25GPa,Ti-50.6at%Niで 約50GPa,Ti-51,0at%Niで 約 45GPaで あ り,Ti-50.4at%Niで はM相,Ti-50.6at%Niお よ びTi-51.Oat%Niで は 母 相 の 弾 性 係 数4)と ほ ぼ 一 致 し た.仮 に 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 用 す る こ と を 想 定 した 場 合(実 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) 特 性 が,末 端 は 高 剛 性 の(操 作 性 の 高 い)特 性 が 得 られ る. こ の よ う に,用 途 に 合 わ せ てSMAの 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 す る 結 果 が 得 られ た. これ ま で に 述 べ て き た 結 果 か ら,本 研 究 の 手 法 で ビ レ ッ トお よ び ワ イ ヤ を 作 製 す れ ば,ワ イ ヤ は 変 態 温 度 の 傾 斜 機 能 特 性 を 有 し,こ 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. 4.2衿 肋 ユ:〆こよ る変 態 侍 盤 の変 准 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 度49.8at%単 相 の 帯板 材 に お け る加 熱 過 程 のDsc曲 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 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 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 る.今 後 ア ク チ ュ エ ー タ と して応 用 す る場 合 に は,変 態 温 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 必 要 が あ り,粉 末 冶 金 プ ロセ ス で 作製 したSMAに お い て 冷 問加 工 の 有 用性 を 示 して い る. 5.結 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 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

70 愛 知 工 業 大 学 総 合 技 術 研 究 所 研 究 報 告,第16号,2014年 [ ・ n ・ e ] b s s e i u ; i u n a a d n   o   ; n a g 200 250 300350 TemperatureT【K1 400 450 Fig.4DSCcurvesoftheSMAplatessubjectedto5%hot rollingandthen10%coldrolling 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 お い て も,冷 間 加 工 に よっ て 変 態 温 度 幅 を小 さ くす る こ とが 可 能 で あ る. 以 上 の こ とか ら,傾 斜機 能 特 性 を有す るTiNiSMA焼 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 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. 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 1)Otsuka,K.,andRen,X.,PhysicalmetallurgyofTi‐Ni-based shapememoryalloys,ProgressinMaterialsSciences,50,pp. 511-678,(2005). 2)Tobushi,H.,Matsui,R.,Takeda,K.andPieczyska,E.A., MechanicalPropertiesofShapeMemoryMaterials,Nova SciencePublishers,(2013). 3)松 井 良 介,京 極 秀 樹,吉 田 総 仁,粉 末 冶 金 プ ロ セ ス と 塑 性 加 工 に よ る 傾 斜 機 能TiNi形 状 記 憶 合 金 ワ イ ヤ の 作 製 (第1報:TiNi形 状 記 憶 合 金 ビ レ ッ ト の 作 製 と そ の 変 態 特 性),日 本 機 械 学 会 論 文 集A,74(746),pp.1336-1341, (2008). 4)田 中 喜 久 昭,戸 伏 壽 昭,宮 崎 修 一,形 状 記 憶 合 金 の 機 械 的 性 質,養 賢 堂,(1993).