JPH0128252B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ばね材として熱弾性型マルテンサイ
ト変態を示す合金を用いた超弾性ばねに関する。

従来、超弾性ばねに用いられる材料はTi−Ni、
Ti−Ni−Ｘ（Ｘ：Cu、Fe、Cr等）の熱弾性型マ
ルテンサイト変態をする合金であつて、逆変態終
了温度Afを室温以下（使用温度以下）になるよ
うにした合金組成の超弾性合金が使用されてい
る。

この種の合金は、第１図に例示したように、超
弾性変形域S₁以内であれば、かなり大きなひずみ
（例えば６％程度）を与えても除荷すると元の形
状に復帰することが知られている。

一方、同じく熱弾性型マルテンサイト変態を示
す金属として、形状記憶効果をもつ合金も知られ
ている。このものはAf点が室温以上（例えば数
十度Ｃ）であることから、第２図に例示したよう
に、除荷後に加熱することにより、逆変態を生じ
て母相に戻り、形状が復帰する。すなわち形状復
帰に際して加熱操作が必要であることから、超弾
性ばねとして使用するには不向きである。

ところで前記超弾性合金を用いたばねを得るに
は、一例として第３図に示したように、超弾性合
金をばね形状に成形後、所定形状に治具で固定し
て、400〜1000℃に加熱し、水などに焼入れして
製作する方法が採用されている。

このようにして製造されたばねは、Af点以下
では形状記憶合金と同様の挙動を示すため、Af
点以下の温度では超弾性ばねとしては機能できな
い。しかもAf点以上では応力誘超マルテンサイ
ト変態により超弾性を示すものであるから、ある
温度領域（例えばAf点＋30℃程度）を超えると
次第にすべりによる変形が加わり、永久ひずみが
生ずるため、ばねとして不適当な特性となる。

第４図ＡないしＨは従来の超弾性ばねの使用温
度ごとの応力−ひずみ特性を示し、また第５図は
残留せん断ひずみ（6.1％のせん断ひずみを付加
した後）と、最大荷重とを示したものであつて、
それぞれ試験品として、線径0.4mmの引張りコイ
ルばね、合金組成はTi−50.5at％Niを用いた場
合である。これらの図から知れるように、０℃以
下ではAf点以下であることから超弾性を示さず、
また60℃以上では残留せん断ひずみが認められる
ようになり、超弾性を示す温度範囲が狭いことが
わかる。

しかも従来の超弾性ばねでは、第４図、第５図
からも判るように、温度の上昇とともに荷重が大
きく増加してしまい、温度ごとの応力−ひずみ特
性に大きな変動を生じるという欠点がある。ま
た、応力誘起マルテンサイトによつて超弾性を示
すものであるから、応力−ひずみ特性が非線形と
なり、線型特性が必要なところには使用できない
という欠点もある。しかも、合金組成のわずかな
変動がAf点に大きく影響するため、合金の組成
管理に高度の技術を要し、量産性、コスト上から
大きな欠点となつている。

しかも従来は、前記したようにコイル成形後に
高温熱処理を行なう必要があるため、特にTiの
ように酸化し易い成分を含む場合には、無酸化熱
処理が必要であるなど、製造に手数がかかりコス
ト高になるという問題もあつた。

本発明は上記事情にもとづきなされたものでそ
の目的とするところは、上記欠点を解決でき、使
用温度範囲が広くかつ酸化や荷重変化の少ない優
れた特性をもつ超弾性ばねを提供することにあ
る。

すなわち本発明は、熱弾性型マルテンサイト変
態を示す合金材料にすべり変形による加工硬化領
域にまでひずみを与えて塑性変形させることによ
り永久ひずみを残留させ、これをばねとして用い
ることを特徴とする超弾性ばねである。

以下本発明の一実施例について第６図ないし第
９図を参照して説明する。本実施例ではばね材と
してTi−Niの超弾性合金を使用し、この超弾性
合金を、第６図に示した材料製造工程１あるいは
ばね成形工程２において、超弾性領域S₁を超える
ひずみ（例えば20％程度）を与えて塑性変形さ
せ、第７図に示されるように永久ひずみを10％以
上（例ば20％程度）残留させる。この永久ひずみ
は、ばね成形後の製品段階で10％以上残留してい
ればよいから、例えば上記材料製造工程１におい
て最終工程で焼なましを行ない、ひずみを完全に
除去した場合は、ばね成形工程２において超弾性
領域S₁を超えるひずみを与えてコイリングあるい
はばね板成型を行なう。また、ばね成型時におい
て付与できるひずみ量が小さい場合には、材料製
造工程１において圧延、引抜き加工等の加工率を
大きくしてひずみ量を大きくとり、ばね成形工程
２を実施したのちの合計のひずみ量が超弾性領域
S₁を超えるようにする。

以上のように超弾性合金に超弾性領域を超える
大きなひずみを与えると、すべり変形による加工
硬化領域に入り、加工硬化を生じるとともに、す
べりによる塑性変形のために除荷後に永久ひずみ
が残留する。この永久ひずみは、負荷を与えて例
えば20％程度のひずみを与えた場合、除荷後に18
％程度残留する。

そして上記のように永久ひずみをもたせたばね
材を、低温熱処理工程３において、例えば350℃
以下の低温で加熱する。この加熱により、ばね材
の永久ひずみが一部（数％程度）回復されるた
め、ばねの使用温度が加工・成形時の温度を超え
る場合にばねの変形を防ぐことができる。なお上
記低温熱処理工程３は、ばね形状の安定化を図る
上でなるべく長時間実施することが望ましい。ま
た上記熱処理工程３は治具によつてばねを所定の
形状に固定した状態で行なうようにしてもよい。

上記低温熱処理工程３を経たばねは、第７図に
示すようにひずみの一部ｔが回復するが、大部分
の永久ひずみは残留したままとなる。従つてこれ
に負荷を与えた場合の弾性領域は＋３〜５％とな
り、超弾性が維持される。

しかして上記のように永久ひずみを残留させた
超弾性ばねは、非常に優れた性能を発揮するもの
である。すなわち第８図ＡないしＨは本実施例に
よる超弾性ばねの使用温度ごとの応力−ひずみ特
性を示したものであつて、試験品として、線径
0.4mm、コイル平均径2.5mm、有効巻数10巻のもの
を用い、最大撓みを30mm一定（6.1％のせん断ひ
ずみに相当）として試験を行なつた結果である。

この図から知れるように、本実施例によれば従
来の超弾性ばねの特性（第４図のもの）と比較し
て除荷後の残留ひずみがなく、かつ使用温度範囲
も−20℃から＋80℃までと広いことがわかる。特
に本実施例による超弾性ばねは相変態が見られ
ず、Af点に関係なく超弾性挙動を示すため、従
来の超弾性ばねに比べて特に低温での特性が優れ
ている。しかも、荷重を与えてひずませた場合に
応力誘起マルテンサイトがほとんど生成されない
ため、使用温度が上昇しても荷重増加が少なく、
ばね設計が容易である。

すなわち第９図に示されるように、残留せん断
ひずみが広範囲の温度領域にわたつて０であり、
しかも温度変化に伴なう最大荷重の変動も従来の
もの（第５図）に比べて僅かであり、温度の影響
を押えることができるものである。

しかも従来の超弾性ばねは相変態があるため、
応力誘起マルテンサイトが生成される時に発熱
し、逆変態で吸熱することから繰返し速度が大に
なると熱の放出・吸収が追従できなくなり折損し
易くなるが、本実施例の超弾性ばねはこのような
相変態がないため、繰返し速度が大であつても破
損し易くなることがない。

なお上記実施例では超弾性合金を用いたが、本
発明は形状記憶合金（Af点が室温以上）を用い
ても同様の効果を得ることができる。すなわち形
状記憶合金を用いる場合、第１０図に示されるよ
うに形状記憶変形域S₂を超えるひずみを材料製造
時あるいはばね成形時に与えて、すべりによる加
工硬化領域までひずませ、ばねとしての製品段階
で永久ひずみを残留させればよい。形状記憶合金
を用いた場合には、一例として20％程度のひずみ
を与えることにより、15％程度の永久ひずみを残
留させたところ好結果が得られたが、要するに形
状記憶合金および超弾性合金ともに、永久ひずみ
を10％以上残留させることによつて、第８図に示
されるような良好な特性が得られた。要するに本
発明は熱弾性型マルテンサイト変態を示す合金で
あればAf点には無関係であり、すべり変形によ
る加工硬化領域までひずみを与えて塑性変形させ
ればよい。

なお前記実施例では低温熱処理工程３を実施す
ることによつて、予めひずみの一部ｔを回復さ
せ、ばね使用時の温度が加工・成形時の温度を上
回つてもひずみが回復しないようにしたが、加
工・成形時の温度以下でのみ使用される場合に
は、特に低温熱処理工程３を実施しなくとも実用
上差支えはない。

また本発明はコイルばねは勿論のこと、板ばね
やトーシヨンバーその他のばね製品に適用可能で
ある。

本発明は前記したように、永久ひずみを残留さ
せた熱弾性型マルテンサイト変態を示す合金をば
ね材として用いたものであり、Af点に関係なく
広範囲な温度領域で優れた超弾性を示し、使用温
度による影響が少なくかつ線形に近いばね特性が
得られる。従つて広汎な用途に使用可能であり、
ばね設計も容易である。

しかも従来のようにばね成形後に高温熱処理す
る必要はなく、ばね成形後は熱処理することな
く、あるいは低温熱処理のみでよいから、無酸化
熱処理のように手間の掛る処理が不要であり、合
金組成の管理も容易であるので、安価でかつ量産
に適するなど、大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は超弾性合金の応力−ひずみ特性を示す
図、第２図は形状記憶合金の応力−ひずみ特性を
示す図、第３図は従来の超弾性ばねの製造工程の
一例を工程順に示すブロツク図、第４図はＡない
しＨは従来の超弾性ばねの応力−ひずみ特性を示
す図、第５図は従来の超弾性ばねの残留せん断ひ
ずみと最大荷重の特性を示す図。第６図ないし第
９図は本発明の一実施例を示し、第６図は超弾性
ばねの製造工程を工程順に示すブロツク図、第７
図は超弾性合金にすべり変形による加工硬化領域
までひずみを与えた場合の応力−ひずみ曲線図、
第８図ＡないしＨは超弾性ばねの応力−ひずみ特
性を示す図、第９図は残留せん断ひずみと最大荷
重の特性を示す図。第１０図は形状記憶合金にす
べり変形による加工硬化領域までひずみを与えた
場合の応力−ひずみ曲線図である。 ２……ばね成形工程、３……低温熱処理工程。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱弾性型マルテンサイト変態を示す合金材料
   をばね材として用い、このばね材にすべり変形に
   よる加工硬化領域までひずみを与えて永久ひずみ
   を残留させたことを特徴とする超弾性ばね。 ２ 上記永久ひずみを10％以上残留させたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超弾性ば
   ね。