JPH0762476A

JPH0762476A - 超弾性ばね

Info

Publication number: JPH0762476A
Application number: JP23562993A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Horikawa; 宏堀川; Tatsuhiko Ueki; 達彦植木; Kazuo Matsubara; 和男松原
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1993-08-27
Filing date: 1993-08-27
Publication date: 1995-03-07

Abstract

(57)【要約】【目的】Ｎｉ−Ｔｉ系超弾性ばねの使えるせん断ひず
み範囲が広いばねが得られること。【構成】超弾性Ｎｉ−Ｔｉ系合金として、原子％でＮ
ｉを５０．５〜５１．５％、またはＮｉを４９．５〜５
１．５とＦｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｖ、Ｐｄ、Ａｌのうち１種
または２種以上を合計で１％以下含み残部Ｔｉからなる
超弾性ばね。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超弾性ばねに関し、特に
疲労特性に優れ、かつ広いひずみ範囲の回復域を有する
ばねに係るものである。

【０００２】

【従来の技術】通常のステンレス鋼線を用いたコイルば
ねを設計する場合は、設計応力が約４０kgｆ／mm² 以
下、横弾性係数７０００kgｆ／mm² であるから、せん断
ひずみ量は０．５７％以下で使うことがよいとされてい
る。使用できるたわみ量は、コイル形状を工夫して設計
することにより、広くしていた。しかし、前述のよう
に、せん断ひずみ量は適正な使用をしようとすると、設
計に限界があった。すなわち上記の通常のばねでは、せ
ん断ひずみが小さい領域では図３の右図のように、直線
状の弾性を示す。ところが、せん断ひずみを０．６％以
上取ると、図のように直線範囲から離れて降伏すると、
永久変形してしまい、ばねとして使いものにならなくな
る。

【０００３】一方、原子％で１対１近傍のＮｉ−Ｔｉ合
金は、高温相の母相状態で立方晶構造をとり、これを冷
却するとマルテンサイト変態温度で変態して単斜晶構造
のマルテンサイト相となる。形状記憶効果を期待する場
合は、まさにこの変態による結晶構造の変化による、形
状回復現象を利用する。これに対して、これらの合金
は、マルテンサイト変態温度が使用環境温度以下である
場合に限って超弾性材料として、使用できる。すなわ
ち、母相状態で、外力が加わると、応力によって誘起マ
ルテンサイト変態が起こり、外力を取り去ると、熱的に
安定している母相に戻るためである。例えば線材の引張
り試験によって６〜８％の変形を加えても元に戻る弾性
現象である。

【０００４】上記の超弾性ばねでは、図１に示すように
直線状の弾性範囲も広いし、降伏し、さらにかなりのひ
ずみ量まで変形しても、力を除荷するともとに戻る。し
たがって、超弾性ばねは通常のばねに比べ広い弾性域
で、繰り返し使用できる。この超弾性を利用して眼鏡フ
レーム、歯列矯正ワイヤー等が実用化されている。しか
し、超弾性ばねは、通常のばねとは性質が異なるため、
図２に示す荷重−たわみ曲線のように、荷重によっては
残留たわみが出現するため、疲労特性に優れ、広いひず
み範囲の回復域を有するばねは得られなかった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の問題に
ついて検討の結果なされたもので、疲労特性に優れ、か
つ広いひずみ範囲の回復域を有する超弾性ばねを開発し
たものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は超弾性Ｎｉ−Ｔ
ｉ系合金として、原子％でＮｉを５０．５〜５１．５
％、またはＮｉを４９．５〜５１．５とＦｅ、Ｃｏ、Ｃ
ｒ、Ｖ、Ｐｄ、Ａｌのうち１種または２種以上を合計で
１％以下含み残部Ｔｉからなる超弾性ばねを請求項１と
し、請求項１の合金組成からなり、使用するせん断ひず
みの範囲を０．６〜１．０％に設定することを特徴とす
る疲労特性に優れた超弾性ばねを請求項２とし、請求項
１の合金組成からなり使用するせん断ひずみの範囲を
１．０〜３．０％に設定することを特徴とする広いひず
み範囲の回復域を有する超弾性ばねを請求項３とするも
のである。

【０００７】

【作用】本発明は上記の組成のＮｉ−Ｔｉ系合金を用い
ることにより、図１に示すような弾性範囲の広いばねを
提供するものである。前記のＮｉ−Ｔｉ二元合金におい
ては、原子％でＮｉが５０．５％未満では超弾性ばねと
しての特性が得られず、また、５１．５％を越えると、
加工性が劣化する。また、第３元素のＦｅ、Ｃｏ、Ｃ
ｒ、Ｖ、Ｐｄ、Ａｌは、Ｎｉ又は／及びＴｉにこれらを
置換して添加することにより、変態温度を下げ、使用環
境で超弾性を安定して、出現させる。１．０％をこえる
と、加工性が劣化し、製造コストが上昇してしまうか、
全く製造できないものになる。したがってこのうち１種
または２種以上を合計１％以下含み残部ＴｉからなるＮ
ｉＴｉ合金を用いることが望ましい。

【０００８】また本発明は、使用するせん断ひずみの範
囲を０．６〜１．０％に設定することにより、超弾性ば
ねとしては弾性範囲は狭いが、通常のばね材料よりは２
〜３倍のひずみ範囲が使用でき、かつ１００万回程度の
ひずみの繰り返しにも耐える疲労特性に優れたばね性が
得られる。上記の使用するせん断ひずみの範囲を０．６
％未満と設定するのでは、通常のばねと殆ど変らないか
らであり、また１．０％を越えたひずみ量を使用する
と、疲労の度合が大きくなるためである。

【０００９】また、疲労特性はそれほど必要としない
が、弾性範囲を大きくとりたい場合が有る。この場合
は、Ｎｉ−Ｔｉ系超弾性合金の超弾性をフルに利用し
て、使用するせん断ひずみの範囲を１．０％以上３．０
％以下に設定する。上限を３．０％としたのは、３．０
％を越えて変形すると、完全に戻らず、図２に示すよう
な残留たわみが出るためである。このように、本発明の
超弾性ばねは、従来の通常のばね材料に比べて、２〜６
倍のせん断ひずみを使うことができる。本発明の超弾性
ばねは、その材料の断面形状が、丸線状でも、角でもよ
く、また、ばねの種類としては、コイルばね、ねじりば
ね、うずまきばね、さらばね、板ばねなど、ほとんどの
ばねに適用できる。

【００１０】

【実施例】以下に本発明の一実施例について説明する。実施例１表１に示す各組成の合金を鋳造、熱間加工後、焼鈍と冷
間加工を繰り返し、線径１mmの合金線を作製した。この
線を４５０℃１時間大気中で熱処理した後、示差走査熱
量計により変態温度を測定した。また線径１．０mm、コ
イル外径１０mm、巻数１０巻の密着引張りコイル状に固
定し、４５０℃１時間大気中で熱処理を施した。そして
このばねを室温で引張り試験機により、せん断ひずみ
１．５％のひずみまで荷重を負荷し、その後荷重０まで
除荷したときの残留するせん断ひずみの量を測定した。
試験によって得られる荷重−たわみ曲線を図１に示す。
またばねのたわみと、せん断ひずみの関係は下記に示し
た。せん断ひずみとたわみδの関係 γ＝（δｄ）／（πＮＤ² ） γ：せん断ひずみ（％） δ：ばねのたわみ（mm）ｄ：材料の直径（mm) Ｎ：有効巻数Ｄ：コイル平均径（mm）これらの試験結果を表１に併記して示す。

【００１１】

【表１】

【００１２】表１から明らかなように本発明に係る試料
No. ２、３、５、６、８、１１は、いずれも加工性も良
く、変態温度は−５℃〜＋２５℃で、かつ除荷後の残留
せん断ひずみは０であり、図１に示すような良好な特性
を持つばねが得られた。これに対し試料No. ４はＮｉが
多いため、No. ７はＦｅが多く、No. ９はＣｒが多く、
No. １０はＣｏが多く、さらにNo. １２はＶが多いため
加工が困難である。また試料No. １はＮｉが少ないため
変態温度が高くなり、超弾性を示さない。

【００１３】実施例２ＮｉとＴｉを原子比で５１：４９の合金線を作製し、線
径１．０mm、コイル外径１０mm、巻数１０巻の密着引張
りコイル状に固定し、４２５℃１時間大気中で熱処理し
てコイルばねとした。このコイルばねを使って、疲労特
性を測定した。疲労試験は、せん断ひずみ量０．５〜
３．０％のあいだの所定のひずみと、０％の間を繰り返
した。試験温度は室温（２３℃）である。ほぼ１，００
０，０００回後、最大せん断ひずみにおける荷重につい
て、初回の荷重を１００としたときの比率を表２に示し
た。

【００１４】

【表２】

【００１５】表２から明らかなように本発明に係る試料
No. １および２は、負荷するせん断ひずみが０．６〜
１．０％であり、疲労特性がよいが、No. ３および４の
ように超弾性ばねにおけるせん断ひずみが１．０％をこ
えると、急激に劣化することが明らかである。したがっ
て、高疲労特性を出す場合は、ひずみを０．６〜１．０
％にすれば良いことが判る。

【００１６】実施例３ＮｉとＴｉを原子比で５１：４９の合金線材を作製し、
線径１．０mm、コイル外径１０mm、巻数１０巻の密着引
っ張りコイルばね状に固定し、４２５℃１時間大気中で
熱処理を施した。室温で、引張り試験機により、せん断
ひずみ０．５〜４．０％の各ひずみ条件まで、荷重を負
荷し、その後荷重０まで除荷したときの残留するせん断
ひずみ量を測定した。またステンレス鋼線についても同
様のばねを作製し、試験に供して比較した。この結果を
表３に示す。

【００１７】

【表３】

【００１８】表から明らかなように、本発明に係る試料
No. １〜５のＮｉ−Ｔｉ合金線ばねは、負荷するせん断
ひずみが１．０〜３．０％までは、除荷後の残留せん断
ひずみが０〜０．０５でほぼ完全に元に戻り、図１に示
すような広いひずみ範囲の回復域を有することが判る。
これに対し試料No. ６および７の負荷するせん断ひずみ
を３．５％、４．０％と高くすると、除荷後の残留せん
断ひずみは０．５％、１．１％と大きくなり、図２に示
すような残留たわみとなって表れる。また試料No. ８の
通常のばねのステンレス鋼線ばねは、負荷するせん断ひ
ずみが１．５％と低いが、除荷後の残留せん断ひずみは
０．４と大きくなりＮｉ−Ｔｉ合金線ばねより著しく悪
いことが判る。

【００１９】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
使えるせん断ひずみ範囲の広いばねが得られ、ばねの応
用範囲が広くなるもので、工業上顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る超弾性ばねの荷重−た
わみの関係を示す線図。

【図２】本発明の一実施例に係る超弾性ばねの他の例の
荷重−たわみの関係を示す線図。

【図３】ステンレス鋼線ばねの荷重−たわみの関係を示
す線図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超弾性Ｎｉ−Ｔｉ系合金として、原子％
でＮｉを５０．５〜５１．５％、またはＮｉを４９．５
〜５１．５とＦｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｖ、Ｐｄ、Ａｌのうち
１種または２種以上を合計で１％以下含み残部Ｔｉから
なる超弾性ばね。
【請求項２】請求項１の合金組成からなり、使用する
せん断ひずみの範囲を０．６〜１．０％に設定すること
を特徴とする疲労特性に優れた超弾性ばね。
【請求項３】請求項１の合金組成からなり、使用する
せん断ひずみの範囲を１．０〜３．０％に設定すること
を特徴とする広いひずみ範囲の回復域を有する超弾性ば
ね。