応力誘起変態制御によるインバー合金の開発と工業材料への展開

• 研究課題/領域番号: 14102030
• 研究種目: 基盤研究(S)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 構造・機能材料
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 石田 清仁 東北大学, 大学院工学研究科, 教授 (20151368)
• 研究分担者: 貝沼 亮介 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (20202004) ; 大沼 郁雄 東北大学, 大学院工学研究科, 助教授 (20250714) ; 山内 清 東北大学, 先進医工学研究機構, 教授 (70375202)
• 研究期間 (年度): 2002 – 2006
• 研究課題ステータス: 完了 (2006年度)
• 配分額: 109,980千円 (直接経費: 84,600千円、間接経費: 25,380千円); 2006年度: 11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円); 2005年度: 19,110千円 (直接経費: 14,700千円、間接経費: 4,410千円); 2004年度: 20,930千円 (直接経費: 16,100千円、間接経費: 4,830千円); 2003年度: 20,020千円 (直接経費: 15,400千円、間接経費: 4,620千円); 2002年度: 38,220千円 (直接経費: 29,400千円、間接経費: 8,820千円)
• キーワード: インバー合金 / 熱膨張 / 形状記憶合金 / 二方向性形状記憶合金 / Cu-Zn-Al合金 / インテリジェント材料 / 2方向性形状記憶合金 / Cr-Zn-Al合金 / 2方向性形状記億 / 冷間加工 / 応力誘起変態 / マルテンサイト変態 / 2方向性形状記憶 / インバー特性 / 熱膨脹 / 2方向形状記憶

研究概要

合金の熱膨張係数は一般に融点に反比例するので、材料固有のものでありその制御は極めて困難であると考えられている。本研究は従来の常識を越え、相変態を利用して熱膨張係数を制御する方法を確立することを目的とするものである。
熱弾性型マルテンサイト変態を生じる合金では、過度の歪を与えると加熱・冷却で可逆的に形状が変化する二方向形状記憶効果が得られる。この効果が加工によってどのように変化するかを定量的に調査し、Cu-Zn-Al合金において、冷間圧延により変態ヒステリシスが広がり、9%の圧延で熱膨張係数がほぼ0%となることが明らかになった。また、冷間圧延をクロス圧延とすることにより、一方向のみならず圧延面のどの方向に対しても熱膨張係数をほぼゼロとすることができた。さらに、α+β2相合金とすることで冷間加工性を大幅に改善し、高導電性のCu基インバー合金を作製することができた。
結晶粒径と熱膨張特性の関係を調査したところ、粒径が大きくなるほど低熱膨張発現に必要な冷間圧延率は大きくなり、これをClausius-Clapeyronの関係を用いて熱力学的に解析をして低熱膨張特性を得るための手法を確立した。単結晶試料を用いた実験では低熱膨張特性がマルテンサイト制御によるものであることがわかり、その発現機構が明らかとなった。
応用に関する研究として低熱膨張特性の熱安定性について調査を行い、-190℃〜90℃の間で500回の温度サイクルを行っても同様の熱膨張係数が得られ、加熱・冷却の繰り返しにも安定であることがわかった。また、一定温度における耐熱性の評価を行ったところ、80℃までの使用が可能であることが明らかになった。以上の研究成果を基に、Cu基インバー合金のプリンター用機械部品を試作し、その適用を検討している。
また、派生的成果として、マルテンサイトバリアント制御による高減衰能化やベイナイト変態を用いた疲労強度の改善、超塑性現象の発現などの成果を得ることができた。

研究成果

• [雑誌論文] Cu-Al-Mn-Ni形状記憶合金の超塑性 (2006)
  • 著者名/発表者名: 大森俊洋, 肥田直樹, 須藤祐司, 貝沼亮介, 石田清仁
  • 雑誌名: 銅と銅合金 第45巻1号 ページ: 282-286
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Effect of Prestrain on Martensitic Transformation in a Ti_<46.4>Ni_<47.6>Nb_<6.0> Superelastic Alloy and Its Application to Medical Stent (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Takagi, Y.Sutou, R.Kainuma, K.Yamauchi, K.Ishida
  • 雑誌名: Journal of Biomedical Materials Research, Part B, Applied Biomaterials 76B ページ: 179-183
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Effects of Grain Size and Texture on Damping Properties of Cu-Al-Mn-Based Shape Memory Alloys (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Sutou, T.Omori, N.Koeda, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Materials Science ＆ Engineering A A438-440 ページ: 743-746
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Superplasticity in Cu-Al-Mn-Ni Shape Memory Alloys (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Omori, N.Koeda, Y.Sutou, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Journal of the JRICu vol.45 ページ: 282-286
  • NAID: 10019789460
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Effect of Prestrain on Martensitic Transformation in a Ti_<46.4>Ni_<47.6>Nb_<6.0> Superelastic Alloy and Its Application to Medical Stent (2006)
  • 著者名/発表者名: Takagi, Y.Sutou, R.Kainuma, K.Yamauchi, K.Ishida
  • 雑誌名: Journal of Biomedical Materials Research, Part B, Applied Biomaterials. vol.76B ページ: 179-183
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Effects of Grain Size and Texture on Damping Properties of Cu-Al-Mn-Based Shape Memory Alloys (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Sutou, T.Omori, N.Koeda, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Materials Science ＆ Engineering A vol.A438-440 ページ: 743-746
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Effects of Grain Size and Texture on Damping Properties of Cu-Al-Mn-Based Shape Memory Alloys (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Sutou, T.Omori, N.Koeda, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Materials Science ＆ Engineering A A438-A440 ページ: 743-746
• [雑誌論文] Two-Way Shape Memory Effect Induced by Cold-Rolling in Ti-Ni and Ti-Ni-Fe Alloys (2005)
  • 著者名/発表者名: J.J.Wang, T.Omori, Y.Sutou, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Scripta Materialia 52 ページ: 311-316
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] マルテンサイト変態制御による新しいタイプのCu基インバー合金の開発 (2005)
  • 著者名/発表者名: 大森俊洋, 王継傑, 須藤祐司, 貝沼亮介, 石田清仁
  • 雑誌名: 銅と銅合金 第44巻1号 ページ: 149-154
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Effect of Grain Size and Texture on Pseudoelasticity in Cu-Al-Mn-Based Shape Memory Wire (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Sutou, T.Omori, K.Yamauchi, N.Ono, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Acta Materialia 53 ページ: 4121-4133
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Damping Properties of Ductile Cu-Al-Mn-Based Shape Memory Alloys (2005)
  • 著者名/発表者名: N.Koeda, T.Omori, Y.Sutou, H.Suzuki, M.Wakita, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Materials Transactions 46 ページ: 118-122
  • NAID: 10014323755
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Miscibility gap of B2 phase in NiAl to Cu_3Al section of the Cu-Al-Ni system (2005)
  • 著者名/発表者名: R.Kainuma, X.J.Liu, I.Ohnuma, S.M.Hao, K.Ishida
  • 雑誌名: Intermetallics 13 ページ: 655-661
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Two-Way Shape Memory Effect Induced by Cold-Rolling in Ti-Ni and Ti-Ni-Fe Alloys (2005)
  • 著者名/発表者名: J.J.Wang, T.Omori, Y.Sutou, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Scripta Materialia vol.52 ページ: 311-316
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Development of Invar-Type Cu-Based Alloys by Controlling the Martensitic Transformation (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Omori, J.J.Wang, Y.Sutou, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Journal of the JRICu vol.44 ページ: 149-154
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Effect of Grain Size and Texture on Pseudoelasticity in Cu-Al-Mn-Based Shape Memory Wire (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Sutou, T.Omori, K.Yamauchi, N.Ono, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Acta Materialia vol.53 ページ: 4121-4133
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Damping Properties of Ductile Cu-Al-Mn-Based Shape Memory Alloys (2005)
  • 著者名/発表者名: N.Koeda, T.Omori, Y.Sutou, H.Suzuki, M.Wakita, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Materials Transactions vol.46 ページ: 118-122
  • NAID: 10014323755
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Miscibility gap of B2 phase in NiAl to Cu_3Al section of the Cu-A1-Ni system (2005)
  • 著者名/発表者名: R.Kainuma, X.J.Liu, I.Ohnuma, S.M.Hao, K.Ishida
  • 雑誌名: Intermetallics vol.13 ページ: 655-661
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Two-way Shape Memory effect induced by Cold-rolling in Ti-Ni and Ti-Ni-Fe Alloys (2005)
  • 著者名/発表者名: J.J.Wang
  • 雑誌名: Scripta Mater. 52 ページ: 311-316
• [雑誌論文] マルテンサイト変態制御による新しいタイプのCu基インバー合金の開発 (2005)
  • 著者名/発表者名: 大森俊洋
  • 雑誌名: 銅と銅合金 44巻1号 ページ: 149-154
• [雑誌論文] Effect of Grain Size and texture on Pseudoelasticity in Cu-Al-Mn based Shape Memory Wire (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Sutou
  • 雑誌名: Acta Materialia 53 ページ: 4121-4133
• [雑誌論文] マルテンサイト変態制御による新しいタイプのCu基インバー合金の開発 (2005)
  • 著者名/発表者名: 大森俊洋, 王継傑, 須藤祐司, 貝沼亮介, 石田清仁
  • 雑誌名: 銅及び銅合金 (発表予定)
• [雑誌論文] Microstructure and Thermal Expansion Properties of Invar-Type Cu-Zn-Al Shape Memory Alloys (2004)
  • 著者名/発表者名: J.J.Wang, T.Omori, Y.Sutou, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials 33 ページ: 1098-1102
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Characteristics of Cu-Al-Mn-Based Shape Memory Alloys and Their Applications (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Sutou, T.Omori, J.J.Wang, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Materials Science ＆ Engineering A 378 ページ: 278-282
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Development of Medical Guide Wire of Cu-Al-Mn-Base Superelastic Alloy with Functionally Graded Characteristics (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Sutou, T.Omori, A.Furukawa, Y.Takahashi, R.Kainuma, K.Yamauchi, K.Ishida
  • 雑誌名: Journal of Biomedical Materials Research, Part B, Applied Biomaterials 69B ページ: 64-68
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Microstructure and Thermal Expansion Properties of Invar-Type Cu-Zn-Al Shape Memory Alloys (2004)
  • 著者名/発表者名: J.J.Wang, T.Omori, Y.Sutou, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials vol.33 ページ: 1098-1102
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Characteristics of Cu-Al-Mn-Based Shape Memory Alloys and Their Applications (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Sutou, T.Omori, J.J.Wang, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Materials Science ＆ Engineering A, vo1. vol.278 ページ: 278-282
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Development of Medical Guide Wire of Cu-Al-Mn-Base Superelastic Alloy with Functionally Graded Characteristics (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Sutou, T.Omori, A.Furukawa, Y.Takahashi, R.Kainuma, K.Yamauchi, K.Ishida
  • 雑誌名: Journal of Biomedical Materials Research, Part B, Applied Biomaterials vol.69B ページ: 64-68
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Two-way Shape Memory Effect induced by Cold-rolling in Ti-Ni and Ti-Ni-Fe Alloys (2004)
  • 著者名/発表者名: J.J.Wang, T.Omori, Y.Sutou, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Scripta Mater. 52 ページ: 311-316
• [雑誌論文] Microstructure and Thermal Expansion Properties of Invar-Type Cu-Zn-Al Shape Memory Alloys (2004)
  • 著者名/発表者名: J.J.Wang, T.Omori, Y.Sutou, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: J.Electr.Mater 33,10 ページ: 1098-1102
• [雑誌論文] Characteristics of Cu-Al-Mn-based Shape Memory Alloys and their Applications (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Sutou, T.Omori, J.J.Wang, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Mater.Sci.Eng.A 378 ページ: 278-282
• [雑誌論文] Cu-Al-Mn-Based Shape Memory Alloys and Their Applications (2003)
  • 著者名/発表者名: Y.Sutou, N.Koeda, T.Omori, J.J.Wang, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Metals Materials and Processes 15 ページ: 131-148
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Effect of Grain Size and Texture on Superelasticity of Cu-Al-Mn-Based Shape Memory Alloys (2003)
  • 著者名/発表者名: Y.Sutou, T.Omori, J.J.Wang, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Journal de Physique IV 112 ページ: 511-514
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Effect of Microstructure on Two-Way Shape Memory Effect in Cu-Al-Mn Alloys (2003)
  • 著者名/発表者名: T.Omori, Y.Sutou, J.J.Wang, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Journal de Physique IV 112 ページ: 507-510
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] 高延性Cu-Al-Mn基形状記憶合金の制振特性 (2003)
  • 著者名/発表者名: 大森俊洋, 肥田直樹, 須藤祐司, 鈴木秀和, 脇田将見, 貝沼亮介, 石田清仁
  • 雑誌名: 銅と銅合金 42 ページ: 198-201
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Cu-Al-Mn-Based Shape Memory Alloys and Their Applications (2003)
  • 著者名/発表者名: Y.Sutou, N.Koeda, T.Omori, J.J.Wang, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Metals Materials and Processes vol.15 ページ: 131-148
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Effect of Grain Size and Texture on Superelasticity of Cu-Al-Mn-Based Shape Memory Alloys (2003)
  • 著者名/発表者名: Y.Sutou, T.Omori, J.J.Wang, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Journal de Physique IV vol.112 ページ: 511-514
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Effect of Microstructure on Two-Way Shape Memory Effect in Cu-Al-Mn Alloys (2003)
  • 著者名/発表者名: T.Omori, Y.Sutou, J.J.Wang, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Journal de Physique IV vol.112 ページ: 507-510
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Damping Characteristics of Ductile Cu-Al-Mn Shape Memory Alloys (2003)
  • 著者名/発表者名: T.Omori, N.Koeda, Y.Sutou, H.Suzuki, M.Wakita, R.Kainuma, K.Ishida
  • 雑誌名: Journal of the JRICu vol.42 ページ: 198-201
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [産業財産権] 発熱体用支持部材およびこの支持部材を用いたサーマルインクジェットプリンタ (2003)
  • 発明者名: 菊池正美, 石田清仁, 貝沼亮介
  • 権利者名: 株式会社ブリヂストン, 石田清仁
  • 産業財産権番号: 2003-173615
  • 出願年月日: 2003-06-18
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [産業財産権] 制振材料と制振材料と制振性に優れたばね及びそれらの製造方法 (2002)
  • 発明者名: 鈴木秀和, 岡本貴幸, 脇田将見, 石田清仁, 貝沼亮介, 須藤祐司, 大森俊洋
  • 権利者名: 中央発條株式会社, 石田清仁
  • 産業財産権番号: 2002-168627
  • 出願年月日: 2002-06-10
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.Sutou, T.Omori, J.J.Wang, R.Kainuma, K.Ishisda: "Effect Grain Size and Texture on Superelasticity of Cu-Al-Mn-based Shape Memory Alloys"J.Phys.IV. 112. 511-514 (2003)
• [文献書誌] T.Omori, Y.Sutou, J.J.Wang, R.Kainuma, K.Ishida: "Effect of Microstructure on Two-way Shape Memory Effect in Cu-Al-Mn Alloys"J.Phys.IV. 112. 507-510 (2003)
• [文献書誌] Y.Suto, T.Omori, J.J.Wang, R.Kainuma, K.Ishida: "Characteristics of Cu-Al-Mn-based Shape Memory Alloys and their Applications"Mater Sci.Eng, A. (印刷中). (2004)
• [文献書誌] Y.Suto, N.Koeda, T.Omori, J.J.Wang, R.Kainuma, K.Ishida: "Cu-Al-Mn-based Shape Memory Alloys and their Applications"Materials and Processes. (印刷中). (2004)
• [文献書誌] R.Kainulma, J.J.Wang, T.Omori, Y.Sutou, K.Ishida: "Invar-type Effect induced by Cold-rolling Deformation in Shape Memory Alloys"Applied Physics Letters. 80. 4348-4350 (2002)
• [文献書誌] T.Omori, J.J.Wang, Y.Sutou, R.Kainuma, K.Ishida: "Two-way Shape Memory Effect Induced by Bending Deformation in Ductile Cu-Al-Mn Alloys"Materials Transactions. 43. 1676-1683 (2002)
• [文献書誌] Y.Sutou, T.Omori, R.Kainuma, N.Ono, K.Ishida: "Enhancement of Superelasticity in Cu-Al-Mn-Ni Shape Memory Alloys"Metall. Materials Transactions. 33A. 2817-2824 (2002)
• [文献書誌] T.Omori, Y.Sutou, J.J.Wang, R.Kainuma, K.Ishida: "Effect of Microstructure on Two-Way Shape Memory Effect in Cu-Al-Mn Alloys"J. de Phys.. (in press).
• [文献書誌] Y.Sutou, T.Omori, J.J.Wang, R.Kainuma, K.Ishida: "Effect of Grain Size and Texture on Superelasticity of Cu-Al-Mn-Based Shape Memory Alloys"J. de Phys.. (in press).
• [文献書誌] 大森俊洋, 肥田直樹, 須藤祐司, 貝沼亮介, 石田清仁: "高延性Cu-Al-Mn基合金の制振特性"銅と銅合金. 42巻(発売予定).