(57)【要約】  磁場勾配の印加・除去により大きな可逆歪が得られる強磁性Ｆｅ基合金を提供する。Ａｌ：０．０１〜１１％、Ｓｉ：０．０１〜７％、Ｃｒ：０．０１〜２６％、またはＡｌ：０．０１〜１１％、Ｓｉ：０．０１〜７％、Ｃｒ：０．０１〜２６％、Ｎｉ：３５〜５０％の一種又は二種以上を含むＦｅ基合金であり、加工率：１０％以上の加工で双晶が導入されており、結晶粒界に対する双晶界面の面積比が０．２以上となっている。必要に応じＴｉ：０．０１〜５％、Ｖ：０．０１〜１０％、Ｍｎ：０．０１〜５％、Ｃｏ：０．０１〜３０％、Ｎｉ：０．０１〜１０％、Ｃｕ：０．０１〜５％、Ｚｒ：０．０１〜５％、Ｎｂ：０．０１〜５％、Ｍｏ：０．０１〜５％、Ｈｆ：０．０１〜５％、Ｔａ：０．０１〜５％、Ｗ：０．０１〜５％、Ｂ：０．００１〜１％、Ｃ：０．００１〜１％、Ｐ：０．００１〜１％、Ｓ：０．００１〜１％の一種又は二種以上を添加しても良い。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場勾配の印加・除去に応じて変位するＦｅ基合金であって、
Ａｌ：０．０１〜１１質量％、Ｓｉ：０．０１〜７質量％、Ｃｒ：０．０１〜２６質量％から選ばれた一種又は二種以上を含み、残部が不可避的不純物を除きＦｅの組成をもち、
結晶粒界に対する双晶界面の面積比が０．２以上である
ことを特徴とするＦｅ基合金。
【請求項２】
前記Ｆｅ基合金は、
Ｔｉ：０．０１〜５質量％、Ｖ：０．０１〜１０質量％、Ｍｎ：０．０１〜５質量％、Ｃｏ：０．０１〜３０質量％、Ｎｉ：０．０１〜１０質量％、Ｃｕ：０．０１〜５質量％、Ｚｒ：０．０１〜５質量％、Ｎｂ：０．０１〜５質量％、Ｍｏ：０．０１〜５質量％、Ｈｆ：０．０１〜５質量％、Ｔａ：０．０１〜５質量％、Ｗ：０．０１〜５質量％、Ｂ：０．００１〜１質量％、Ｃ：０．００１〜１質量％、Ｐ：０．００１〜１質量％、Ｓ：０．００１〜１質量％から選ばれた一種又は二種以上を含む
ことを特徴とする請求項１に記載のＦｅ基合金。
【請求項３】
磁場勾配の印加・除去に応じて変位するＦｅ基合金であって、
Ａｌ：０．０１〜１１質量％、Ｓｉ：０．０１〜７質量％、Ｃｒ：０．０１〜２６質量％、Ｎｉ：３５〜５０質量％から選ばれた一種又は二種以上を含み、残部が不可避的不純物を除きＦｅの組成をもち、
結晶粒界に対する双晶界面の面積比が０．２以上である
ことを特徴とするＦｅ基合金。
【請求項４】
前記Ｆｅ基合金は、
Ｔｉ：０．０１〜５質量％、Ｖ：０．０１〜１０質量％、Ｍｎ：０．０１〜５質量％、Ｃｏ：０．０１〜３０質量％、Ｃｕ：０．０１〜５質量％、Ｚｒ：０．０１〜５質量％、Ｎｂ：０．０１〜５質量％、Ｍｏ：０．０１〜５質量％、Ｈｆ：０．０１〜５質量％、Ｔａ：０．０１〜５質量％、Ｗ：０．０１〜５質量％、Ｂ：０．００１〜１質量％、Ｃ：０．００１〜１質量％、Ｐ：０．００１〜１質量％、Ｓ：０．００１〜１質量％から選ばれた一種又は二種以上を含む
ことを特徴とする請求項３に記載のＦｅ基合金。
【請求項５】
前記Ｆｅ基合金は、結晶粒界に対する双晶界面の面積比が、３．０以下である
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のＦｅ基合金。
【請求項６】
前記Ｆｅ基合金は、０．５テスラ（Ｔ）で、１００ｅｍｕ／ｇ以上の磁化の強さを有する
ことを特徴とする請求項５に記載のＦｅ基合金。
【請求項７】
磁場勾配の印加・除去に応じた変位制御が可能なＦｅ基合金の製造方法であって、
前記Ｆｅ基合金の製造方法は、Ａｌ：０．０１〜１１質量％、Ｓｉ：０．０１〜７質量％、Ｃｒ：０．０１〜２６質量％から選ばれた一種又は二種以上を含み、残部が不可避的不純物を除きＦｅの組成をもち、結晶粒界に対する双晶界面の面積比が０．２以上であるＦｅ基合金を、６００〜１３５０℃の温度範囲で、０．１〜６時間範囲で溶体化処理した後、加工率：１０％以上で加工する
ことを特徴とするＦｅ基合金の製造方法。
【請求項８】
前記Ｆｅ基合金は、Ｔｉ：０．０１〜５質量％、Ｖ：０．０１〜１０質量％、Ｍｎ：０．０１〜５質量％、Ｃｏ：０．０１〜３０質量％、Ｎｉ：０．０１〜１０質量％、Ｃｕ：０．０１〜５質量％、Ｚｒ：０．０１〜５質量％、Ｎｂ：０．０１〜５質量％、Ｍｏ：０．０１〜５質量％、Ｈｆ：０．０１〜５質量％、Ｔａ：０．０１〜５質量％、Ｗ：０．０１〜５質量％、Ｂ：０．００１〜１質量％、Ｃ：０．００１〜１質量％、Ｐ：０．００１〜１質量％、Ｓ：０．００１〜１質量％から選ばれた一種又は二種以上を含む
ことを特徴とする請求項７に記載のＦｅ基合金の製造方法。
【請求項９】
磁場勾配の印加・除去に応じた変位制御が可能なＦｅ基合金の製造方法であって、
前記Ｆｅ基合金の製造方法は、Ａｌ：０．０１〜１１質量％、Ｓｉ：０．０１〜７質量％、Ｃｒ：０．０１〜２６質量％、Ｎｉ：３５〜５０質量％から選ばれた一種又は二種以上を含み、残部が不可避的不純物を除きＦｅの組成をもち、結晶粒界に対する双晶界面の面積比が０．２以上であるＦｅ基合金を、６００〜１３５０℃の温度範囲で、０．１〜６時間範囲で溶体化処理した後、加工率：１０％以上で加工する
ことを特徴とするＦｅ基合金の製造方法。
【請求項１０】
前記Ｆｅ基合金は、Ｔｉ：０．０１〜５質量％、Ｖ：０．０１〜１０質量％、Ｍｎ：０．０１〜５質量％、Ｃｏ：０．０１〜３０質量％、Ｃｕ：０．０１〜５質量％、Ｚｒ：０．０１〜５質量％、Ｎｂ：０．０１〜５質量％、Ｍｏ：０．０１〜５質量％、Ｈｆ：０．０１〜５質量％、Ｔａ：０．０１〜５質量％、Ｗ：０．０１〜５質量％、Ｂ：０．００１〜１質量％、Ｃ：０．００１〜１質量％、Ｐ：０．００１〜１質量％、Ｓ：０．００１〜１質量％から選ばれた一種又は二種以上を含む
ことを特徴とする請求項９に記載のＦｅ基合金の製造方法。
【請求項１１】
前記加工は、７００℃以下で処理する
ことを特徴とする請求項７ないし１０に記載のＦｅ基合金の製造方法。
【請求項１２】
前記Ｆｅ基合金の製造方法は、加工率を９５％以下で加工する
ことを特徴とする請求項１１のいずれかに記載のＦｅ基合金の製造方法。
【請求項１３】
前記Ｆｅ基合金の製造方法は、加工後に２００〜８００℃の温度範囲で、０．１〜２４時間範囲で時効処理する
ことを特徴とする請求項７ないし１２のいずれかに記載のＦｅ基合金の製造方法。
【請求項１４】
前記Ｆｅ基合金の製造方法は、前記結晶粒界に対する双晶界面の面積比が、０．２以上３．０以下にする
ことを特徴とする請求項７ないし１３のいずれかに記載のＦｅ基合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場勾配の印加・除去により大きな可逆歪が得られ、変位制御が可能な強磁性Ｆｅ基合金及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
低ヤング率で高弾性変形能を示す材料としてチタン合金が注目されており、人工歯根、人工骨、眼鏡フレーム等に使用されている。たとえば、IVａ族やVａ族元素を含むチタン合金が低ヤング率で高弾性変形能材料になることが知られている（特許文献１、２）。【０００３】
特許文献１、２ではチタン合金の外部応力に対する変形挙動を説明しているが、変形をもたらす外部因子には応力の外に温度、磁場等がある。
温度による変位制御には形状記憶合金が知られており、数％レベルの寸法変化が得られている。形状記憶効果は、変形した材料をある温度以上に加熱したときに生じるマルテンサイト逆変態を利用して元の形状が回復する現象である。形状記憶効果を用いると熱駆動型のアクチュエータとして利用できるが、温度制御が必要なことに加え、冷却時の形状変化が熱拡散で律速されるため応答性が悪い。【０００４】
強磁性の形状記憶合金もアクチュエータ材料として注目されている。強磁性の形状記憶合金では、従来の磁歪材料を超える数％の寸法変化が外部磁場の印加で得られ、熱駆動型形状記憶合金の欠点である低応答性も解消されている。強磁性型形状記憶合金としては、たとえばＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系があり、磁場印加で形状変化を引き起こすアクチュエータ材料が知られている（特許文献３）。しかし、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系の材料は、延性に劣り、機械部品に要求される複雑で精密な形状を付与するのは困難である。【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３３２５３１号公報
【特許文献２】特開２００２−２４９８３６号公報
【特許文献３】米国特許５，９５８，１５４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者等は、従来のチタン合金やＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系合金の欠点に鑑み、高弾性変形能を維持しながら強磁性で磁場駆動でき、延性も良好な材料を種々調査・検討した。その結果、安価な原料であるＦｅをベースとし、合金成分、組成の適切な選択、製造条件の適正管理により、磁場勾配の印加・除去により大きな可逆歪を示す強磁性Ｆｅ基合金が得られることを見出した。
本発明は、かかる知見をベースとし、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｉの一種又は二種以上を適量添加した成分系において、磁場勾配の印加・除去により大きな可逆歪が得られ、延性も良好なＦｅ基強磁性合金を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のＦｅ基合金は、Ａｌ：０．０１〜１１質量％、Ｓｉ：０．０１〜７質量％、Ｃｒ：０．０１〜２６質量％の一種又は二種以上を含んでいる。更に、Ｔｉ：０．０１〜５質量％、Ｖ：０．０１〜１０質量％、Ｍｎ：０．０１〜５質量％、Ｃｏ：０．０１〜３０質量％、Ｎｉ：０．０１〜１０質量％、Ｃｕ：０．０１〜５質量％、Ｚｒ：０．０１〜５質量％、Ｎｂ：０．０１〜５質量％、Ｍｏ：０．０１〜５質量％、Ｈｆ：０．０１〜５質量％、Ｔａ：０．０１〜５質量％、Ｗ：０．０１〜５質量％、Ｂ：０．００１〜１質量％、Ｃ：０．００１〜１質量％、Ｐ：０．００１〜１質量％、Ｓ：０．００１〜１質量％の一種又は二種以上を含むこともできる。【０００８】
また、本発明のＦｅ基合金は、Ａｌ：０．０１〜１１質量％、Ｓｉ：０．０１〜７質量％、Ｃｒ：０．０１〜２６質量％、Ｎｉ：３５〜５０質量％の一種又は二種以上を含むことができる。更に、Ｔｉ：０．０１〜５質量％、Ｖ：０．０１〜１０質量％、Ｍｎ：０．０１〜５質量％、Ｃｏ：０．０１〜３０質量％、Ｃｕ：０．０１〜５質量％、Ｚｒ：０．０１〜５質量％、Ｎｂ：０．０１〜５質量％、Ｍｏ：０．０１〜５質量％、Ｈｆ：０．０１〜５質量％、Ｔａ：０．０１〜５質量％、Ｗ：０．０１〜５質量％、Ｂ：０．００１〜１質量％、Ｃ：０．００１〜１質量％、Ｐ：０．００１〜１質量％、Ｓ：０．００１〜１質量％の一種又は二種以上を含むこともできる。【０００９】
このＦｅ基合金は少なくとも常温で強磁性であり、加工によって生じた変形双晶が存在している。
双晶の存在量は、結晶粒界の面積に対する双晶界面の面積比率（以下、単に"双晶界面の面積比"という）として０．２以上に調整されている。双晶が存在する金属組織は、所定組成のＦｅ基合金を６００〜１３５０℃で溶体化処理した後、加工率：１０％以上で加工をすることにより形成される。更に２００〜８００℃で時効処理しても良い。
【発明の効果】
【００１０】
本発明者等は、磁場勾配の印加・除去により大きな可逆歪が得られ、変位制御が可能な材料を目的として、強磁性元素であるＦｅに種々の合金元素を添加し、組成及び加工率と弾性変形量及び磁気特性との関係を調査・検討した。その結果、適量のＡｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｉを含有するＦｅ基合金によって、磁場勾配の印加・除去により大きな可逆歪が得られ、延性も良好な強磁性高弾性変形合金を得ることができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明のＦｅ基合金は、その双晶を有する金属組織によって、可逆的な変形するものである。これは、以下のように推測される。強磁性材料は、Ｆ＝−Ｍ（ｄＨ／ｄｘ）の関係式に従い磁場勾配に応じた力を受けて変位することが知られている。つまり、ある磁場勾配ｄＨ／ｄｘで得られる力Ｆは、磁化の強さＭに比例する。材料に与える力Ｆが大きいほど得られる歪量は大きくなるので、Ｍが大きい方がよく、変形に要する応力が高いと磁場による歪量が小さくなるためヤング率は低いことが望ましい。しかし、弾性変形能が小さいと磁場勾配の除去により歪が残留する。そのため、磁場勾配の印加・除去により大きな可逆歪を得るには、大きな弾性変形能が必要となる。【００１２】
ｂ．ｃ．ｃ．構造のαＦｅは大きな磁気モーメントを有する強磁性元素であるが、純Ｆｅではすぐに塑性変形を起こすために弾性変形量が小さい。Ｆｅに種々の合金元素を添加して冷間加工を施し、磁気特性と弾性変形量を調査した結果、ＦｅにＡｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｉ等を添加すると高い磁気特性を示しながら弾性変形量を向上させることを確認できた。磁場勾配による変位制御素子を考えたとき、比較的低い磁場に対し強い磁化能を示すことが好ましく、本発明のＦｅ合金の磁化曲線を測定すると０．５テスラ（以下、Ｔで表す）の外部磁場に対して１００ｅｍｕ／ｇ以上の磁化の強さを示す。【００１３】
一方、冷間加工と弾性変形挙動との関係を調査した結果、焼鈍されたＦｅ等の金属材料の弾性限歪は通常０．３％程度であるが、冷間加工すると加工硬化して辷り変形が抑制され、硬度、引張り強さの上昇と共に降伏応力、弾性限が高くなることが判った。本発明のＦｅ合金では、たとえば１％の曲げ変形に対し通常の弾性歪量を超える０．４％以上の歪が回復する。０．５Ｔの外部磁場に対する磁化の強さと１％の曲げ変形に対する弾性歪量の関係をまとめたのが図１であり、本発明合金は何れも１００ｅｍｕ／ｇ以上の磁化の強さ、０．４％以上の弾性変形量を示している。このような性質は、液体窒素温度（−１９６℃）から４００℃までの広い温度範囲で適用できる。【００１４】
本発明Ｆｅ合金は、比較的小さなヤング率で大きな弾性歪量を示すが、それぞれの要因にΔＥ効果及び双晶の可逆的移動が挙げられる。
ヤング率は原子間の凝集力に関わる物性値であり、加工や熱処理では制御し難いと考えられている。しかし、強磁性材料では、応力負荷時に磁気モーメントの回転が起こることに起因してヤング率が低下するΔＥ効果が生じる。
また、加工後の組織に多量に存在している変形双晶は、変形及び変形後の除荷に対して可逆的に動くことが知られている。双晶の可逆的移動現象は、双晶を有さない材料に比較してより大きな弾性変形量を示す。その結果、大きな弾性歪量が得られる。
双晶の存在量は、光学顕微鏡等で観察した金属組織を基に双晶界面の長さ、結晶粒界の長さを計測し、両者の比から界面の面積比として表すことができる。
ここで、本発明で得られる高弾性変形と形状記憶合金における超弾性との相違について述べる。本発明で得られる双晶は、加工により、双晶界面を境にした２つの領域の結晶学的方位関係が双晶関係になるだけなのに対し、超弾性では、応力により母相からマルテンサイト相への結晶構造変化を伴う応力誘起マルテンサイト変態が起きる。このような点において両者は明確な相違がある。【００１５】
本発明のＦｅ基合金は、Ａｌ：０．０１〜１１質量％、Ｓｉ：０．０１〜７質量％、Ｃｒ：０．０１〜２６質量％、またはＡｌ：０．０１〜１１質量％、Ｓｉ：０．０１〜７質量％、Ｃｒ：０．０１〜２６質量％、Ｎｉ：３５〜５０質量％から選ばれた一種又は二種以上を含むＦｅ合金を基本とする。
Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｉは、高い磁化の強さを有しながら冷間加工後の弾性変形量を大きくし、透磁率を高くする効果もある。このような効果は、０．０１質量％以上のＡｌ、Ｓｉ又はＣｒ添加で顕著になる。しかし、過剰添加は加工性や磁気特性の著しい劣化を招くので、Ａｌ：１１質量％、Ｓｉ：７質量％、Ｃｒ：２６質量％を上限とした。Ｎｉは３５質量％以上の添加で高い磁化の強さを有しながら冷間加工後の弾性変形量を大きくする効果を有する。しかし、過剰添加は加工性や磁気特性の著しい劣化を招くので、Ｎｉ：５０質量％を上限とした。【００１６】
Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗは、炭化物、硫化物等を形成して結晶粒を微細化し、靭性を高めるのに有効な成分であるが、過剰添加は磁気特性の著しい劣化を招くので、添加する場合にはＴｉ：０．０１〜５質量％、Ｖ：０．０１〜１０質量％、Ｚｒ：０．０１〜５質量％、Ｎｂ：０．０１〜５質量％、Ｍｏ：０．０１〜５質量％、Ｈｆ：０．０１〜５質量％、Ｔａ：０．０１〜５質量％、Ｗ：０．０１〜５質量％の範囲で含有量を選定する。
Ｍｎは脱酸剤として作用するほか、硫化物を生成して被削性の向上に有効な成分であるが、過剰添加は磁気特性の著しい劣化を招くので、添加する場合にはＭｎ：０．０１〜５質量％の範囲で含有量を選定する。
Ｃｕは耐候性の向上に有効な成分であるが、過剰添加は磁気特性の著しい劣化を招くので、添加する場合にはＣｕ：０．０１〜５質量％の範囲で含有量を選定する。【００１７】
Ｃｏはキュリー温度を高くするのに有効な成分であるが、過剰添加は延性の劣化を招くので、添加する場合にはＣｏ：０．０１〜３０質量％の範囲で含有量を選定する。
Ｎｉは３５質量％未満でも耐食性向上に有効な成分であるため、磁気特性の著しい劣化を招かない範囲で任意成分として添加できる。この場合、Ｎｉ：０．０１〜１０質量％の範囲で含有量を選定することが好ましい。
Ｂ、Ｃ、Ｐは結晶粒微細化に有効な成分であるが、過剰添加は延性の著しい劣化を招く。そこで、Ｂ、Ｃ、Ｐを添加する場合にはＢ：０．００１〜１質量％、Ｃ：０．００１〜１質量％、Ｐ：０．００１〜１質量％の範囲で含有量を選定する。
Ｓは被削性を向上させるのに有効な成分であるが、過剰添加は加工性の劣化を招く。そこで、Ｓを添加する場合にはＳ：０．００１〜１質量％の範囲で含有量を選定する。【００１８】
所定組成に調整されたＦｅ基合金を溶解した後、鋳造、鍛造、熱間圧延等を経て冷間圧延、引き抜き等の加工によって目標サイズの板材、線材、管材等に成形される。冷間加工されたＦｅ基合金を温度：６００〜１３５０℃で溶体化処理することにより、冷間加工までの工程で導入された歪を除去して材料を均質化する。溶体化温度は、再結晶温度以上が必要なため６００℃以上とし、また、十分に融点温度以下（具体的には、１３５０℃以下）が必要であり、好ましくは７００〜１１００℃の範囲に設定される。溶体化時間は、再結晶や溶体化のための拡散が必要であるため０．１時間以上とし、また、材料の著しい酸化を防ぐために６時間以下が必要であり、好ましくは０．２時間〜２時間の範囲に設定される。【００１９】
溶体化処理されたＦｅ基合金を、必要に応じて２００〜６００℃で熱処理をしてもよい。この熱処理は、硬くて脆いマルテンサイトの焼き戻しの効果がある。この効果を得るには２００℃以上の温度が必要であるが、６００℃を超える温度では、冷却中に再びマルテンサイト変態する虞があるため、６００℃以下に設定する。この熱処理時間は、焼き戻しに必要な拡散が必要であるため０．０１時間以上とし、また、長時間の熱処理は弾性変形能を低下させるため２４時間以下が必要であり、好ましくは０．１時間〜４時間の範囲に設定される。【００２０】
溶体化処理されたＦｅ基合金に、室温又は７００℃以下の温度で圧延、鍛造、曲げ加工、絞り加工等の加工を施す。室温又は７００℃以下の温度での加工は双晶の増量、弾性域の増大に有効であるが、動的再結晶を起こす可能性のある熱間加工は好ましくない。通常０．６ＴM（ＴM：融点）以上の温度域での加工を熱間加工と定義していることを考慮すると、０．６ＴM以下、具体的には７００℃以下に加工温度を設定する。
加工率は、双晶界面の面積が結晶粒界の面積に対して０．２以上の比となるために１０％以上の加工率が必要であり、設備への大きな負担を避けるために９５％以下にする必要がある。
弾性変形能の向上に及ぼす双晶の影響は、金属組織全体において、双晶界面の面積が結晶粒界の面積に対して０．２以上の比とすることにより顕著になる。【００２１】
６００℃〜１３５０℃で、０．１〜６時間の溶体化処理し、室温又は７００℃以下の温度で１０％以上の加工を施した後、２００℃〜８００℃で、０．１〜２４時間の時効処理することもできる。時効処理を施すと、歪時効効果や回復・再結晶により強度を調節できる。そのためには、少なくとも原子の短距離拡散を促進させるため２００℃以上の時効温度を必要とするが、８００℃を超える高温加熱では十分な弾性歪が得られない。時効時間は歪時効効果や回復・再結晶が起きるための拡散が必要であるため０．１時間以上とし、弾性歪の低下を防ぐために２４時間以下とする必要があり、好ましくは０．２時間〜６時間の範囲に設定される。【００２２】
磁気駆動アクチュエータの例として、ピストン型ポンプが挙げられる。磁気駆動アクチュエータを用いたピストン型ポンプの原理は、アクチュエータ素子の磁場勾配誘起の形状変化により、流体、通常は液体を送り込むために使用されるチャンバの容積が変化するとしたものである。ピストンの動きはアクチュエータ素子の広範囲の形状変化により生成される。磁場発生源は、チャンバの外側に設置可能である。
【実施例１】
【００２３】
表１の組成をもつＦｅ基合金を溶解し、鋳造、熱間圧延を経て板厚：０．５ｍｍまで冷間圧延し、更に１０００℃×６０分で溶体化処理した。表中、Ａ1〜Ａ5はＦｅ−Ａｌ系、Ｓ1〜Ｓ4はＦｅ−Ｓｉ系、Ｃ1〜Ｃ4はＦｅ−Ｃｒ系、Ｎ1〜Ｎ4はＦｅ−Ｎｉ系を基本とする合金設計である。Ａ5、Ａ6、Ｓ5、Ｓ6、Ｃ5、Ｃ6、Ｎ5、Ｎ6は、複数の基本系を組み合わせた合金設計である。【００２４】
【表１】
2008023734.tif 000003
【００２５】
溶体化処理後の各Ｆｅ合金に室温で４０％の冷間圧延を施したときの室温における弾性変形量、磁化の強さを調査した結果が表２である。
弾性変形量は、三点曲げ試験で１%の曲げ歪量を与えた後に除荷し、そのときに戻る形状歪量とした。磁化の強さは、振動試料型磁力計を用いて磁場を印加し、０．５Ｔのときの磁化の強さとした。双晶界面の面積比は、５視野の光学顕微鏡写真から得られた結晶粒界、双晶界面の平均値を基に決定した。【００２６】
表２にみられるように、Ｆｅ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｎｉ何れの合金系においても、双晶界面の面積比が０．６以上であり、双晶界面の面積比はＡｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｉの増量に応じて増加する傾向にあった。たとえば、Ａｌ：５質量％のＦｅ‐Ａｌ系合金Ａ2には多くの変形双晶が存在していた（図２）。【００２７】
弾性変形量も双晶界面の面積比が大きいほど増加する傾向にあり、合金Ａ2の応力−歪線図（図３）にみられるように、１％の歪印加に対して除荷時に０．５５％の弾性変形量を示している。他の合金でも、０．４%以上の弾性変形量が得られた。超弾性材料に比較してより線形的である点も特徴である。【００２８】
磁化の強さは添加元素の増加に伴い低下したが、何れの系においても１００emu／g以上の高い磁化の強さである。一方、比較例Ｏ1（Ｆｅ）、比較例Ｏ2（Ｆｅ−Ｃｏ）は磁化の強さは大きいものの、双晶がほとんど存在しておらず、弾性変形量も本発明材より低くなっていた。比較例Ｏ3（ＳＵＳ３１６Ｌ）は、高い双晶界面の面積比及び弾性変形量を示しているものの、０．５Ｔでの磁化の強さはほぼ０となっている。【００２９】
【表２】
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【実施例２】
【００３０】
Ｆｅ−Ａｌ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｎｉ系合金として表１のＡ2、Ｓ3、Ｃ2、Ｎ3を選択し、溶体化処理後に冷間加工、時効処理を施した。
製造条件と物性値との関係を表３に示す。試験No．１では溶体化後に冷間圧延をしておらず、双晶が存在していなかった。試験No．２は試験No．１に４０％の冷間圧延を与えたものであり、弾性変形量も大きくなっていた。試験No．３は冷間加工率８０％で圧延したものであり、加工率の増加と共に双晶界面の面積比及び弾性変形量が大きくなっていたが、磁化の強さに変化無く良好な磁気特性が維持されていた。【００３１】
試験No．７〜１２では、溶体化処理、冷間圧延後に時効処理を施している。試験No．７〜８、１０〜１１では双晶界面の面積比が何れも０．２以上であり、それぞれ適切な弾性変形量が得られたが、試験No．９、１２は時効温度が高いため材料が焼鈍されてしまい、弾性変形量が小さくなっていた。また、何れの場合も良好な磁気特性を有していた。
以上の結果から、適切な時効処理により弾性変形量を調整可能なことが理解できる。
試験No．４〜６では溶体化温度を変化させた。試験No．４、５では双晶界面の面積比、弾性変形量、磁化の強さ共に良好であったが、試験No．６は溶体化温度が高いために液相が出現して部分溶融してしまった。【００３２】
【表３】
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【実施例３】
【００３３】
表１のＡ3、Ｓ2、Ｃ3、Ｎ3をそれぞれＦｅ−Ａｌ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｎｉ系の基本組成とし、請求項２または請求項４の第三成分を添加することにより種々のＦｅ基合金を調製した。溶解後、実施例１と同様に鋳造、熱間圧延を経て板厚：０．５ｍｍに冷間圧延し、溶体化処理後に冷間圧延、時効処理を施した。
得られた各Ｆｅ基合金について弾性変形量、磁化強さを測定した結果を表４（Ｆｅ−Ａｌ系）、表５（Ｆｅ−Ｓｉ系）、表６（Ｆｅ−Ｃｒ系）、表７（Ｆｅ−Ｎｉ系）に示す。【００３４】
表４〜７の調査結果にみられるように、第三元素が添加されて磁性、耐食性、強度、延性等が改善されたＦｅ基合金は、何れも０．６以上の双晶界面の面積比を示し、１％歪印加に対し０．４％以上の弾性変形量が得られた。また、０．５Ｔの磁場印加に対し１００emu／g以上の高い磁化の強さも有していた。更に、冷間圧延後の時効処理により、弾性変形量を調節できた。【００３５】
【表４】
2008023734.tif 000006
【００３６】
【表５】
2008023734.tif 000007
【００３７】
【表６】
2008023734.tif 000008
【００３８】
【表７】
2008023734.tif 000009
【実施例４】
【００３９】
表１のＡ2合金を選択し、鋳造、熱間圧延を経て板厚：０．５ｍｍまで冷間圧延し、更に１０００℃×６０分で溶体化処理し、最後に圧下率：２０％で冷間圧延した。
得られたＦｅ基合金について、−５０℃、２５℃、１００℃、２００℃の各温度における双晶界面の面積比、弾性変形量、磁化の強さを求めた。弾性変形量は、各温度での引張り試験で１%の歪量を与えた後に除荷してそのときに戻る形状歪量とし、双晶界面の面積比、磁化の強さは、各温度で実施例１と同様の方法により求めた。【００４０】
表８の調査結果にみられるように、双晶界面の面積比及び弾性変形量は試験温度の変化にあまり依存せず、２００℃でも依然大きな値を示した。形状記憶合金では変形応力が温度に対して大きく変化し、たとえばＴｉ−Ｎｉ形状記憶合金では見かけ上の降伏応力の温度依存性は約５ＭＰａ／℃であるが、本発明のＦｅ合金では応力−歪線図（図４）にみられるように温度に対する応力の変化が小さく、約０．５ＭＰａ／℃とＴｉ−Ｎｉ合金の約１０分の１程度である。そのため、室温以下から高温までの広い温度範囲における利用にも適している。また、キュリー温度が十分に高いため、２００℃でも高い磁化の強さを示した。【００４１】
【表８】
2008023734.tif 000010
【実施例５】
【００４２】
表１のＡ2、Ｓ3及び比較例としてＯ1（Ｆｅ）を選択し、鋳造、熱間圧延を経て板厚：０．８３ｍｍまで冷間圧延し、更に１０００℃×６０分で溶体化処理し、最後に圧下率：４０％で冷間圧延した。
得られたＦｅ基合金について、電磁石コイル中で磁場勾配を与え、２．８ｍｍの初期変位を与えたのち、磁場を除去した際の弾性変形量と回復率を求めた。ここで回復率（％）は、式：（弾性変形量／初期変位）×１００で定義される。【００４３】
表９の調査結果にみられるように、Ａ2、Ｓ3では磁場勾配の除去後に歪が残留せず、完全な回復率が得られた。Ｆｅ−Ａｌ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｎｉ系等、他の本発明合金においても同様の結果が得られた。回復率の大きさは曲げ試験における弾性変形量に大きく依存し、弾性変形量の小さい比較例Ｏ1では、与えられた初期変位が完全に戻らず、回復率が低下した。【００４４】
【表９】
2008023734.tif 000011
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上に説明したように、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｉ等を適量添加してＦｅ基合金に圧延を施すことで、磁場勾配の印加・除去により大きな可逆歪が得られ、変位制御が可能な強磁性Ｆｅ基合金が得られる。この特性を利用することで、磁気駆動アクチュエータ、センサー等として重宝される機能材料が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明合金の０．５Ｔにおける磁化の強さ−弾性変形量図
【図２】変形双晶が分散した金属組織を持つＦｅ−５質量%Ａｌ合金の顕微鏡写真
【図３】Ｆｅ−５質量%Ａｌ合金の応力−歪線図
【図４】Ｆｅ−７質量%Ａｌ合金の試験温度に応じた応力−歪線図
【図１】
2008023734.tif 000012
【図２】
2008023734.tif 000013
【図３】
2008023734.tif 000014
【図４】
2008023734.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成20年3月4日(2008.3.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場勾配の印加・除去に応じて変位するＦｅ基合金からなる磁気駆動アクチュエータであって、
Ａｌ：０．０１〜１１質量％、Ｓｉ：０．０１〜７質量％、Ｃｒ：０．０１〜２６質量％から選ばれた一種又は二種以上を含み、残部が不可避的不純物を除きＦｅの組成をもち、
結晶粒界に対する双晶界面の面積比が０．２以上である
ことを特徴とする磁気駆動アクチュエータ。
【請求項２】
前記Ｆｅ基合金は、
Ｔｉ：０．０１〜５質量％、Ｖ：０．０１〜１０質量％、Ｍｎ：０．０１〜５質量％、Ｃｏ：０．０１〜３０質量％、Ｎｉ：０．０１〜１０質量％、Ｃｕ：０．０１〜５質量％、Ｚｒ：０．０１〜５質量％、Ｎｂ：０．０１〜５質量％、Ｍｏ：０．０１〜５質量％、Ｈｆ：０．０１〜５質量％、Ｔａ：０．０１〜５質量％、Ｗ：０．０１〜５質量％、Ｂ：０．００１〜１質量％、Ｃ：０．００１〜１質量％、Ｐ：０．００１〜１質量％、Ｓ：０．００１〜１質量％から選ばれた一種又は二種以上を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気駆動アクチュエータ。
【請求項３】
磁場勾配の印加・除去に応じて変位するＦｅ基合金からなる磁気駆動アクチュエータであって、
前記Ｆｅ基合金は、
Ａｌ：０．０１〜１１質量％、Ｓｉ：０．０１〜７質量％、Ｃｒ：０．０１〜２６質量％、Ｎｉ：３５〜５０質量％から選ばれた一種又は二種以上を含み、残部が不可避的不純物を除きＦｅの組成をもち、
結晶粒界に対する双晶界面の面積比が０．２以上である
ことを特徴とする磁気駆動アクチュエータ。
【請求項４】
前記Ｆｅ基合金は、
Ｔｉ：０．０１〜５質量％、Ｖ：０．０１〜１０質量％、Ｍｎ：０．０１〜５質量％、Ｃｏ：０．０１〜３０質量％、Ｃｕ：０．０１〜５質量％、Ｚｒ：０．０１〜５質量％、Ｎｂ：０．０１〜５質量％、Ｍｏ：０．０１〜５質量％、Ｈｆ：０．０１〜５質量％、Ｔａ：０．０１〜５質量％、Ｗ：０．０１〜５質量％、Ｂ：０．００１〜１質量％、Ｃ：０．００１〜１質量％、Ｐ：０．００１〜１質量％、Ｓ：０．００１〜１質量％から選ばれた一種又は二種以上を含む
ことを特徴とする請求項３に記載の磁気駆動アクチュエータ。
【請求項５】
前記Ｆｅ基合金は、結晶粒界に対する双晶界面の面積比が、３．０以下である
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気駆動アクチュエータ。
【請求項６】
前記Ｆｅ基合金は、０．５テスラ（Ｔ）で、１００ｅｍｕ／ｇ以上の磁化の強さを有する
ことを特徴とする請求項５に記載の磁気駆動アクチュエータ。
【請求項７】
磁場勾配の印加・除去に応じた変位制御が可能な、磁気駆動アクチュエータ用Ｆｅ基合金の製造方法であって、
前記磁気駆動アクチュエータ用Ｆｅ基合金の製造方法は、Ａｌ：０．０１〜１１質量％、Ｓｉ：０．０１〜７質量％、Ｃｒ：０．０１〜２６質量％から選ばれた一種又は二種以上を含み、残部が不可避的不純物を除きＦｅの組成をもち、結晶粒界に対する双晶界面の面積比が０．２以上であるＦｅ基合金を、６００〜１３５０℃の温度範囲で、０．１〜６時間範囲で溶体化処理した後、加工率：１０％以上で加工する
ことを特徴とする磁気駆動アクチュエータ用Ｆｅ基合金の製造方法。
【請求項８】
前記Ｆｅ基合金は、Ｔｉ：０．０１〜５質量％、Ｖ：０．０１〜１０質量％、Ｍｎ：０．０１〜５質量％、Ｃｏ：０．０１〜３０質量％、Ｎｉ：０．０１〜１０質量％、Ｃｕ：０．０１〜５質量％、Ｚｒ：０．０１〜５質量％、Ｎｂ：０．０１〜５質量％、Ｍｏ：０．０１〜６質量％、Ｈｆ：０．０１〜５質量％、Ｔａ：０．０１〜５質量％、Ｗ：０．０１〜５質量％、Ｂ：０．００１〜１質量％、Ｃ：０．００１〜１質量％、Ｐ：０．００１〜１質量％、Ｓ：０．００１〜１質量％から選ばれた一種又は二種以上を含む
ことを特徴とする請求項７に記載の磁気駆動アクチュエータ用Ｆｅ基合金の製造方法。
【請求項９】
磁場勾配の印加・除去に応じた変位制御が可能な、磁気駆動アクチュエータ用Ｆｅ基合金の製造方法であって、
前記磁気駆動アクチュエータ用Ｆｅ基合金の製造方法は、Ａｌ：０．０１〜１１質量％、Ｓｉ：０．０１〜７質量％、Ｃｒ：０．０１〜２６質量％、Ｎｉ：３５〜５０質量％から選ばれた一種又は二種以上を含み、残部が不可避的不純物を除きＦｅの組成をもち、結晶粒界に対する双晶界面の面積比が０．２以上であるＦｅ基合金を、６００〜１３５０℃の温度範囲で、０．１〜６時間範囲で溶体化処理した後、加工率：１０％以上で加工する
ことを特徴とする磁気駆動アクチュエータ用Ｆｅ基合金の製造方法。
【請求項１０】
前記Ｆｅ基合金は、Ｔｉ：０．０１〜５質量％、Ｖ：０．０１〜１０質量％、Ｍｎ：０．０１〜５質量％、Ｃｏ：０．０１〜３０質量％、Ｃｕ：０．０１〜５質量％、Ｚｒ：０．０１〜５質量％、Ｎｂ：０．０１〜５質量％、Ｍｏ：０．０１〜５質量％、Ｈｆ：０．０１〜５質量％、Ｔａ：０．０１〜５質量％、Ｗ：０．０１〜５質量％、Ｂ：０．００１〜１質量％、Ｃ：０．００１〜１質量％、Ｐ：０．００１〜１質量％、Ｓ：０．００１〜１質量％から選ばれた一種又は二種以上を含む
ことを特徴とする請求項９に記載の磁気駆動アクチュエータ用Ｆｅ基合金の製造方法。
【請求項１１】
前記加工は、７００℃以下で処理する
ことを特徴とする請求項７ないし１０に記載の磁気駆動アクチュエータ用Ｆｅ基合金の製造方法。
【請求項１２】
前記磁気駆動アクチュエータ用Ｆｅ基合金の製造方法は、加工率を９５％以下で加工する
ことを特徴とする請求項７ないし１１のいずれかに記載の磁気駆動アクチュエータ用Ｆｅ基合金の製造方法。
【請求項１３】
前記磁気駆動アクチュエータ用Ｆｅ基合金の製造方法は、加工後に２００〜８００℃の温度範囲で、０．１〜２４時間範囲で時効処理する
ことを特徴とする請求項７ないし１２のいずれかに記載の磁気駆動アクチュエータ用Ｆｅ基合金の製造方法。
【請求項１４】
前記磁気駆動アクチュエータ用Ｆｅ基合金の製造方法は、前記結晶粒界に対する双晶界面の面積比が、０．２以上３．０以下にする
ことを特徴とする請求項７ないし１３のいずれかに記載の磁気駆動アクチュエータ用Ｆｅ基合金の製造方法。
【手続補正書】
【提出日】平成21年2月23日(2009.2.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場勾配の印加・除去に応じて変位するＦｅ基合金であって、
Ａｌ：０．０１〜１１質量％、Ｓｉ：０．０１〜７質量％、Ｃｒ：０．０１〜２６質量％から選ばれた一種又は二種以上を含み、残部が不可避的不純物を除きＦｅの組成をもち、
結晶粒界に対する双晶界面の面積比が０．２以上である
ことを特徴とするＦｅ基合金。
【請求項２】
前記Ｆｅ基合金は、
Ｔｉ：０．０１〜５質量％、Ｖ：０．０１〜１０質量％、Ｍｎ：０．０１〜５質量％、Ｃｏ：０．０１〜３０質量％、Ｎｉ：０．０１〜１０質量％、Ｃｕ：０．０１〜５質量％、Ｚｒ：０．０１〜５質量％、Ｎｂ：０．０１〜５質量％、Ｍｏ：０．０１〜５質量％、Ｈｆ：０．０１〜５質量％、Ｔａ：０．０１〜５質量％、Ｗ：０．０１〜５質量％、Ｂ：０．００１〜１質量％、Ｃ：０．００１〜１質量％、Ｐ：０．００１〜１質量％、Ｓ：０．００１〜１質量％から選ばれた一種又は二種以上を含む
ことを特徴とする請求項１に記載のＦｅ基合金。
【請求項３】
磁場勾配の印加・除去に応じて変位するＦｅ基合金であって、
Ａｌ：０．０１〜１１質量％、Ｓｉ：０．０１〜７質量％、Ｃｒ：０．０１〜２６質量％、Ｎｉ：３５〜５０質量％から選ばれた一種又は二種以上を含み、残部が不可避的不純物を除きＦｅの組成をもち、
結晶粒界に対する双晶界面の面積比が０．２以上である
ことを特徴とするＦｅ基合金。
【請求項４】
前記Ｆｅ基合金は、
Ｔｉ：０．０１〜５質量％、Ｖ：０．０１〜１０質量％、Ｍｎ：０．０１〜５質量％、Ｃｏ：０．０１〜３０質量％、Ｃｕ：０．０１〜５質量％、Ｚｒ：０．０１〜５質量％、Ｎｂ：０．０１〜５質量％、Ｍｏ：０．０１〜５質量％、Ｈｆ：０．０１〜５質量％、Ｔａ：０．０１〜５質量％、Ｗ：０．０１〜５質量％、Ｂ：０．００１〜１質量％、Ｃ：０．００１〜１質量％、Ｐ：０．００１〜１質量％、Ｓ：０．００１〜１質量％から選ばれた一種又は二種以上を含む
ことを特徴とする請求項３に記載のＦｅ基合金。
【請求項５】
前記Ｆｅ基合金は、結晶粒界に対する双晶界面の面積比が、３．０以下である
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のＦｅ基合金。
【請求項６】
前記Ｆｅ基合金は、０．５テスラ（Ｔ）で、１００ｅｍｕ／ｇ以上の磁化の強さを有する
ことを特徴とする請求項５に記載のＦｅ基合金。
【請求項７】
磁場勾配の印加・除去に応じた変位制御が可能なＦｅ基合金の製造方法であって、
前記Ｆｅ基合金の製造方法は、Ａｌ：０．０１〜１１質量％、Ｓｉ：０．０１〜７質量％、Ｃｒ：０．０１〜２６質量％から選ばれた一種又は二種以上を含み、残部が不可避的不純物を除きＦｅの組成をもち、結晶粒界に対する双晶界面の面積比が０．２以上であるＦｅ基合金を、６００〜１３５０℃の温度範囲で、０．１〜６時間範囲で溶体化処理した後、加工率：１０％以上で加工する
ことを特徴とするＦｅ基合金の製造方法。
【請求項８】
前記Ｆｅ基合金は、Ｔｉ：０．０１〜５質量％、Ｖ：０．０１〜１０質量％、Ｍｎ：０．０１〜５質量％、Ｃｏ：０．０１〜３０質量％、Ｎｉ：０．０１〜１０質量％、Ｃｕ：０．０１〜５質量％、Ｚｒ：０．０１〜５質量％、Ｎｂ：０．０１〜５質量％、Ｍｏ：０．０１〜５質量％、Ｈｆ：０．０１〜５質量％、Ｔａ：０．０１〜５質量％、Ｗ：０．０１〜５質量％、Ｂ：０．００１〜１質量％、Ｃ：０．００１〜１質量％、Ｐ：０．００１〜１質量％、Ｓ：０．００１〜１質量％から選ばれた一種又は二種以上を含む
ことを特徴とする請求項７に記載のＦｅ基合金の製造方法。
【請求項９】
磁場勾配の印加・除去に応じた変位制御が可能なＦｅ基合金の製造方法であって、
前記Ｆｅ基合金の製造方法は、Ａｌ：０．０１〜１１質量％、Ｓｉ：０．０１〜７質量％、Ｃｒ：０．０１〜２６質量％、Ｎｉ：３５〜５０質量％から選ばれた一種又は二種以上を含み、残部が不可避的不純物を除きＦｅの組成をもち、結晶粒界に対する双晶界面の面積比が０．２以上であるＦｅ基合金を、６００〜１３５０℃の温度範囲で、０．１〜６時間範囲で溶体化処理した後、加工率：１０％以上で加工する
ことを特徴とするＦｅ基合金の製造方法。
【請求項１０】
前記Ｆｅ基合金は、Ｔｉ：０．０１〜５質量％、Ｖ：０．０１〜１０質量％、Ｍｎ：０．０１〜５質量％、Ｃｏ：０．０１〜３０質量％、Ｃｕ：０．０１〜５質量％、Ｚｒ：０．０１〜５質量％、Ｎｂ：０．０１〜５質量％、Ｍｏ：０．０１〜５質量％、Ｈｆ：０．０１〜５質量％、Ｔａ：０．０１〜５質量％、Ｗ：０．０１〜５質量％、Ｂ：０．００１〜１質量％、Ｃ：０．００１〜１質量％、Ｐ：０．００１〜１質量％、Ｓ：０．００１〜１質量％から選ばれた一種又は二種以上を含む
ことを特徴とする請求項９に記載のＦｅ基合金の製造方法。
【請求項１１】
前記加工は、７００℃以下で処理する
ことを特徴とする請求項７ないし１０に記載のＦｅ基合金の製造方法。
【請求項１２】
前記Ｆｅ基合金の製造方法は、加工率を９５％以下で加工する
ことを特徴とする請求項１１のいずれかに記載のＦｅ基合金の製造方法。
【請求項１３】
前記Ｆｅ基合金の製造方法は、加工後に２００〜８００℃の温度範囲で、０．１〜２４時間範囲で時効処理する
ことを特徴とする請求項７ないし１２のいずれかに記載のＦｅ基合金の製造方法。
【請求項１４】
前記Ｆｅ基合金の製造方法は、前記結晶粒界に対する双晶界面の面積比が、０．２以上３．０以下にする
ことを特徴とする請求項７ないし１３のいずれかに記載のＦｅ基合金の製造方法。
【国際調査報告】
2008023734.tif 000016
2008023734.tif 000017
2008023734.tif 000018
2008023734.tif 000019