JPS58217834A - 超弾性ばね - 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】 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はねに関する。

従来、超弾性はねに用いられる材料はＴｉ−Ｎｉ、Ｔ　
ｉ　−Ｎ　１−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って、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Ｓｉ以内であれば、かなり大きなひずみ（例えば６憾
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
、−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、４００〜１
０００ｔ：’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点以下では形壮
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畔機能　。

できない。しかもＡｆ点以上では応力誘起マルテンサイ
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＋３０Ｃ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）ないしく［（ｌ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って、それぞれ試験品
として、線径０．４　ｆｌｉの引張りコイルはね、合金
組成はＴ　Ｉ　−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、ＯＣ以下ではＡｆ点
以下であることから超弾性を示さず、また６０υ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力（大きく増加し
てし才い、温度ごとの応力−ひ、、ずみ特性に大きな５
動を生じるという欠点がある。また、応力誘起マルテン
サイトによって超弾性を示すものであるから、応力−ひ
すみ特性が非線形となり、線型特性７１バ必要なところ
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
きな欠点となっている。

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のように酸イ１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
った。

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才でひずみを
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−Ｈｌ
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あるいははね成形工程２において、
超弾性領域Ｓ１を超えるひずみ（例えば２０優程度）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（例えば２０％程度）残留させる。この
永久ひずみは、ばね成形後の判品段階で１０係以上残留
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Ｓｌを超
えるひずみを与えてコイリングあるいはばね板成形を行
なう。また、はね成形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Ｓ、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係程度のひずみを与えた場
合、除荷後に１８優程度残留する。

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３５０Ｃ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
（数チ程度）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ζこ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、ばね形秋の安定
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は治具によっ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。従ってこイ１に負荷を与えた場合
の弾性領域は＋３〜５係となり、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醪させた超すΦ性
ばねは、非常に優わ、た性能を発揮するものである。す
なオ）ち第８図（Ａ）ないしくＩ（）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
ものであって、試験品として、線径０，４ｍ、コイル平
均径２．５　ｗｔｈ　、有効巻数１０巻のものを用い、
最大撓みを３０ｍ一定（６１幅のせん断ひずみに相当）
として試験を行なった結果である。

この図から知れるように、本実施例によりは従来の超弾
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一２０Ｃから＋８０
Ｃまでと広いことがわかる。特に本実施例による超弾性
は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、荷重を与えてひず才せた場合
に応力誘起マルテンサイトがほとんど生成さｎないため
、使用温度が上昇しても荷重増加が少なく、はね設計が
容易である。

すなわち第９図に示さイするように、残留せん断ひずみ
が広範囲の温度領域にわたってＯ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　　５ような相変態がないため、繰返し速度
が大であっ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はね成形時に与えて、
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、−例として２０係程度のひずみを
与えることにより、１５係程度の永久ひずみを残留させ
たところ好結果が得らｎ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幅以上残留さ
せることによって、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ｎはよい。

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
よって、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っ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はねは勿論のこと、板ばねやトーシ
ョ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
形に近いはね特性が得られる。従っ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−こばね成形後に高温熱処理する必要
はなく、は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−ひすみ特性を示す図、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
ロック図、第４図（Ａ）ないしく６）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ック図、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−ひすみ曲線図、第８図（Ａｌ
ないしく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１ 牙１図 ずみ曲線図である。 ２・・・ばね成形工程、３・・・低温熱処理工程。 出願人代理人　弁理土鈴　江　武　彦 ２ 牙ｅ 図 ｐ１与（”Ｉ・） ・□　　　塾すみ（”／ａ　）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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はね。
2. （２）　　上記永久ひずみを１０４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。