Ti-Ni-Cu形状記憶合金の機能および疲労特性に及ぼす加工・記憶熱処理

背　景
センサ機能とアクチュエータ機能を合わせ持つ形状記憶合金は，様々な分野で実
用されている。原子力プラントにおいては配管の継手などの補修部品として，また，
火力プラントにおいても適用が試行され，今後さらなる適用拡大が期待されている。
当所では，Ti-Ni-Cu合金を対象に温度ヒステリシスに及ぼすCu添加の効果を調べ，
適正量を明らかにしてきた（注１）。同合金を利用した機器の性能向上や一層の利用拡
大を図る上で，さらに加工や熱処理の効果を明らかにしておく必要がある。
目　的
Ti-Ni-Cu合金を対象に，熱・力学サイクル条件下で，機能および疲労特性に及ぼ
す冷間加工および記憶熱処理の効果を調べ，合金が保有する機能を最大限に利用で
きる処理条件および使用条件を明らかにする。
主な成果
形状記憶合金をサーマルアクチュエータ（熱エネルギーを力学エネルギーに変換）
として応用する場合の利用する機能と応用例を表１に示す。
1.　変態温度差に及ぼす処理条件の影響を調べた結果，低加工率ほど，また，記憶
熱処理温度を高くするほど変態温度差が縮小する（図１）。
2.　温度ヒステリシスは，加工，記憶熱処理条件によらずほぼ一定であり，Cu添加
の効果を保持できる。
3.　回復力（締結力）は，加工率を低くすることにより増大し（図２），記憶熱処理
温度条件の影響は小さい。
4.　力学エネルギー（有効ひずみエネルギー）が最大となる加工，熱処理条件は，
疲労寿命を考慮すると，低加工率で673～723Kの記憶熱処理温度が最適であり（図
３），これは変態温度差が小さく応答性が向上する条件にも適合する。また，合
金素子については，低加熱温度（約20Kの昇温幅），ひずみ約4％の使用条件で力
学エネルギーが最大となる。
以上をまとめると，Ti-Ni合金へのCuの添加は作動温度幅の縮小に有効であり（Ti-Ni
合金の約1/3），8～10％が適切である。また，サーマルアクチュエータの性能を向上
する合金の処理条件は，必要最小限の加工率，673～723Kの熱処理条件である。ま
た，合金素子は約4％のひずみ条件で使用することが最適である。
注1 電力中央研究所研究報告，T98046
表１　サーマルアクチュエータの用途と利用する機能
図１　変態温度差と冷間加工率および記憶熱処理温度との関係
[Af-As：逆変態終了(Af), 開始(As) 温度差
Ms-Mf：変態開始(Ms), 終了(Mf) 温度差]
図２　回復応力と冷間加工率との関係
図３　力学エネルギー（有効ひずみエネルギー）と冷間加工率および記憶熱処理温度との関係