(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎｉ−Ｔｉ系合金を含む形状記憶合金であって、前記Ｎｉ−Ｔｉ系合金が、−５４℃または８０℃の温度に５分間曝された後、それぞれ−４０℃または６０℃の温度で超弾性であり、前記Ｎｉ−Ｔｉ系合金が、６０℃超のひずみ誘起マルテンサイト変態温度を有し、前記Ｎｉ−Ｔｉ系合金が、５４．５重量％〜５７重量％のＮｉを含み、残余がＴｉおよび不純物であり、０．００８インチ（０．２ｍｍ）以上０．０２４インチ（０．６ｍｍ）以下の直径を有するワイヤである、形状記憶合金。
【請求項２】
前記Ｎｉ−Ｔｉ系合金が、６％のひずみ下で、−５４℃または８０℃の温度に曝された後、それぞれ−４０℃または６０℃の温度で超弾性である、請求項１に記載の形状記憶合金。
【請求項３】
前記Ｎｉ−Ｔｉ系合金が、２００ＫＳＩ（１．３８×１０３ＭＰａ）〜２１１ＫＳＩ（１．４５×１０３ＭＰａ）の最大引張強さを有する、請求項１に記載の形状記憶合金。
【請求項４】
前記Ｎｉ−Ｔｉ系合金が、３％ひずみで８０ＫＳＩ（０．５５×１０３ＭＰａ）超の上部プラトー応力を有する、請求項１に記載の形状記憶合金。
【請求項５】
請求項１に記載の形状記憶合金を含むワイヤを含む収容可能アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、超弾性ワイヤ、より詳細には、超弾性特性を有する形状記憶合金ワイヤおよびその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
形状記憶合金は、しばしば何らかの超弾性特性を有する。しかし、超弾性特性は、一般に狭い温度範囲でのみ存在する。合金がその弾性限界を超えて曲がる（すなわち、曲げ角度が大きすぎる）場合も、超弾性特性は、一般に存在しない。太い形状記憶合金ワイヤは、薄いワイヤほど特性を良く発揮しないことも示された。さらに、いくつかの形状記憶合金ワイヤは、超弾性変形後に低いオーステナイト終了温度、より低い最大引張強さ、より低い上部プラトー応力限界、およびより高い残留ひずみを示す。しかし、強い曲げにもかかわらず超弾性を維持する能力を有し、超弾性変形後に良好な強度、応力限界、およびより低い残留ひずみを示す、広い温度範囲で超弾性を示す超弾性ワイヤが必要とされている。
【発明の概要】
【０００３】
本発明は、超弾性ワイヤ、より詳細には、超弾性特性を有する形状記憶合金ワイヤに関する。形状記憶合金ワイヤは、比較的大きな直径まで、かつ、広い温度範囲で超弾性特性を示す。
【０００４】
本発明の一態様による形状記憶合金は、Ｎｉ−Ｔｉ系合金を含み、合金は、約−５５℃〜約８５℃の温度に曝された後、約−４０℃〜約６０℃の温度で超弾性である。合金は、最大約６％のひずみ下、約−５５℃〜約８５℃の温度に曝された後、−４０℃〜約６０℃の温度で超弾性であり得る。
【０００５】
合金は、約−６０℃のオーステナイト開始温度および−２０℃〜５℃のオーステナイト終了温度を有し得る。
【０００６】
合金は、Ｎｉが約５４．５重量％〜約５７重量％、残余はＴｉおよび不純物であり得る。
【０００７】
合金は、約６０℃超のひずみ誘起マルテンサイト変態温度を有し得る。
【０００８】
合金は、０．００８インチ（約０．０２ｃｍ）以上０．０２４インチ（約０．０６ｃｍ）以下の直径を有するワイヤであり得る。
【０００９】
合金は、約２００ＫＳＩ（約１．３８×１０３ＭＰａ）〜約２１１ＫＳＩ（約１．４５×１０３ＭＰａ）の最大引張強さを有し得る。
【００１０】
合金は、３％ひずみで約８０ＫＳＩ（約０．５５×１０３ＭＰａ）超の上部プラトー応力を有し得る。
【００１１】
合金は、約５℃のオーステナイト終了温度を有し得る。
【００１２】
本発明の一態様によれば、形状記憶合金ワイヤを形成する方法は、Ｎｉ−Ｔｉ合金を含むロッドを調製すること、ロッドからワイヤを引き延ばすこと、および約５００℃〜約５５０℃の温度で約１分間未満の間ワイヤを処理することを含む。
【００１３】
ワイヤ処理は、約１５〜約４５秒間であり得る。
【００１４】
ワイヤ処理は、合金をオーブンから引き延ばすことを含み得る。
【００１５】
添付の図面は、明細書と共に、本発明の例示的な態様を図示し、記述と共に、本発明の原理を説明する働きをする。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の一態様による形状記憶合金ワイヤを使用するアンテナの概略図であり、その折り曲げた（または閉じた）立体配置のものである。
【図２】図２は、本発明の一態様による形状記憶合金ワイヤを使用するアンテナの概略図であり、その運用時の（または開放の）立体配置のものである。
【図３】図３は、本発明の一態様による超弾性特性を有する形状記憶合金ワイヤを形成する方法のフローチャートである。
【詳細な説明】
【００１７】
以下の詳細な記述で、本発明の特定の例示的態様のみが、実例として示され、記述される。当業者は認識するであろうが、本発明は、多くの様々な形態で具体的に表現され得り、ここで説明される態様に限定されると解釈するべきではない。類似の参照数字は、明細書全体にわたって類似の要素を表す。
【００１８】
本発明は、超弾性ワイヤ、より詳細には、超弾性特性を有する形状記憶合金ワイヤに関する。形状記憶合金から作製したワイヤは、比較的大きな直径まで、かつ、広い温度範囲で超弾性特性を示す。形状記憶合金ワイヤは、約０．０２４インチ（約０．０６ｃｍ）以下の直径、および約０．００８インチ（約０．０２ｃｍ）以上の直径を有していてもよい。例えば、形状記憶合金ワイヤは、０．０１４（約０．０３６）インチ超で０．０２４インチ（約０．０６ｃｍ）以下の直径を有していてもよい。直線状の位置に置かれた、本発明の直径０．０２４インチ（約０．０６ｃｍ）のワイヤは、直線状の位置に置かれ、直径１．８インチ（約４．６ｃｍ）のマンドレルの周りにきつく巻かれ、約−５５〜約８５℃の温度に曝され、約−４０〜約６０℃の温度でマンドレルから解放される場合、直線形状のワイヤの状態に逆戻りしてもよい。
【００１９】
形状記憶合金は、約５４．５〜約５７質量パーセント（質量％）のニッケルを含有する。言い換えれば、合金中のニッケルの質量は、合金の総質量の約５４．５〜約５７パーセントである。以下の表１に示すように、合金の残余は、チタンを含み、種々の不純物も含んでもよい。
【表１】
0006324903.tif 000002
【００２０】
形状記憶合金ワイヤは、種々の改良された特性を有し得る。例えば、それは、約−６０±１０℃のオーステナイト開始温度（アニールされた）（Ａs）を有し得る。いくつかの態様では、それは、約−５０℃のＡsを有し得、他の態様では、それは、約−７０℃のＡsを有し得る。それは、約−２０〜５℃の最大機能的オーステナイト終了温度（Ａf）を有し得る。いくつかの態様では、それは、約−１５〜５℃の機能的オーステナイト終了温度を有し得る。好ましくは、それは、約５℃の最大機能的オーステナイト終了温度を有し得る。形状記憶合金ワイヤは、室温で約２００〜２１１ＫＳＩ（平方インチ当たりのキロポンド）（約１．３８×１０３ＭＰａ（メガパスカル）〜約１．４５×１０３ＭＰａ）の最大引張強さを有し得る。それは、約３％のひずみ、室温で約８０ＫＳＩ（約０．５５×１０３ＭＰａ）超の上部プラトー応力を有し得る。形状記憶合金は、約１％未満の最大残留ひずみを伴う、約６０℃超のひずみ誘起マルテンサイト変態温度（Ｍd）を有し得る。いくつかの態様では、それは、約１％未満の最大残留ひずみを伴う、６０℃のＭdを有し得る。形状記憶合金ワイヤは、約−５５〜８５℃の温度に曝された後、約−４０〜６０℃の温度で超弾性であり得る。例えば、約６％のひずみ下で曲げられ、または巻かれ、約−５５〜８５℃の温度に曝された後、約−４０〜６０℃の温度で開放した場合、直線状のワイヤの形状記憶合金ワイヤは、実質的に直線状のワイヤの状態に逆戻りし得る。言い換えれば、上記の温度およびひずみに曝された後、直線形状のワイヤは、約０．７％の最大変形（弓型）を伴い実質的に直線形状に逆戻りし得る。
【００２１】
本発明による形状記憶合金ワイヤは、種々の応用において有用であり得る。そのような応用の一つは、折り畳み式アンテナでの使用である。折り畳んだ立体配置での、例示的折り畳み式アンテナを図１に示す。運用時の立体配置での、折り畳み式アンテナの模式図を図２に示す。折り畳み式アンテナ１００は、反射器１０およびフィード２０を含んでもよい。フィードは、本発明による直線状のワイヤの形状記憶合金ワイヤ３０を経由して反射器に接続されていてもよい。アンテナ１００が、その折り畳んだ条件で収容される場合、ワイヤ３０は、約６％のひずみ下で巻かれ、約−５５〜８５℃の温度に曝されてもよい。しかし、アンテナは、バー４０などのロック機構を使用してその折り畳んだ状態で保持される場合があり、種々のロック機構が使用され得る。ロック機構またはバー４０が、約−４０〜６０℃の温度で開放される場合、直線状のワイヤの形状記憶合金ワイヤは、実質的に直線状のワイヤの状態に逆戻りし、折り畳み式アンテナを図２に示すような運用時の状態に展開する。
【００２２】
本発明による形状記憶合金ワイヤ２００を作製する方法を、図３に示す。最初に、本発明の組成物を有するインゴット（例えば、Ｎｉ54.5-57Ｔｉ残余）が形成され得る２１０。次いで、インゴットは、ロッド２２０に、例えば、１／４インチ（約０．６ｃｍ）のロッドに圧延され得る。次いで、形状記憶合金ワイヤが所望の最終直径（例えば、最大０．０２４インチまたは０．０６ｃｍ）を達成するように、１／４インチ（約０．６ｃｍ）のロッドから引き延ばされ得る２３０。次いで、形状記憶合金ワイヤは、処理されまたは仕込まれる２４０。この理論に拘泥するものではないが、本発明の形状記憶合金ワイヤの独自の特性は、少なくとも一部は独自の仕込みプロセスの結果であると考えられる。形状記憶合金ワイヤは、約５００〜５５０℃の温度を有するセットファイヤ炉（例えば、連続式オーブンまたは「ホットゾーン」）を通過して引き出される。ワイヤは、約１分未満の間、例えば、約１５秒間〜４５秒間、ホットゾーンにある。これらの変数は、オーブンの大きさおよび温度に依存し得るが、ワイヤがオーブンから引き出される速度は、ワイヤが約５００〜５５０℃の温度に達するように調整される。次いで、ワイヤを急速に焼き入れし２５０、ワイヤを固める。ワイヤは、焼き入れの前に任意の形状に成形されてもよく、ワイヤは、上述の温度範囲でその形状を維持し、超弾性を示す。例えば、ワイヤを直線状のワイヤとして成形し、次いで焼き入れして、直線状のワイヤとしてワイヤを固めてもよい。
【００２３】
［実施例］
約５６．１重量％のＮｉ、０．０２重量％のＯ、０．０３重量％のＣ、０．０００２重量％のＨ、０．０１重量％未満のＳｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ、およびＮｂ、０．０１重量％未満のＡｌ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｈｆ、およびＡｇ、０．０１重量％未満のＰｂ、Ｂｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｃｄ、およびＺｎ、０．０５重量％未満のＦｅ、０．００１重量％未満のＢを含み、残余がＴｉである合金のインゴットを形成した。次いで、インゴットからロッドを形成した（例えば、圧延）。次いで、０．０１４インチ（約０．３６ｍｍ）の直径のワイヤを、ロッドから引き延ばした。次いで、６フィート（約１．８ｍ）の長さのワイヤを、毎分約２４フィートで５００℃のセットファイヤ炉を通過させ取り出し、したがって、ワイヤの各部分を５００℃に約１５秒間曝した。ワイヤを直線状の位置に置き、次いで、焼き入れして、形状記憶合金を形成した。
【００２４】
比較例
約５６．１重量％のＮｉ、０．０５重量％のＣおよびＯ、０．０１重量％未満のＡｇ、Ａｌ、Ａｓ、Ｂａ、Ｂｅ、Ｂｉ、Ｃａ、およびＣｄ、０．０１重量％未満のＣｏ、Ｃｕ、Ｈｆ、Ｈｇ、Ｍｇ、Ｍｎ、およびＭｏ、０．０１重量％未満のＮａ、Ｎｂ、Ｐ、Ｐｂ、Ｓ、Ｓｂ、Ｓｅ、およびＳｉ、０．０１重量％未満のＳｎ、Ｓｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｗ、Ｚｎ、およびＺｒ、０．０５重量％未満のＦｅ、０．００１重量％未満のＢを含み、残余はＴｉである合金のインゴットを形成した。次いで、インゴットからロッドを形成した（例えば、圧延）。次いで、０．００８インチ（約０．２ｍｍ）の直径のワイヤをロッドから引き延ばした。次いで、６フィート（約１．８ｍ）の長さのワイヤを５７５℃のセットファイヤ炉を通して１分間当り約２０フィートで取り出し、したがって、ワイヤの各部分を５７５℃で約１８秒間曝した。ワイヤを直線状の位置に置き、次いで、焼き入れして、形状記憶合金を形成した。
【００２５】
試験
次いで、既知の方法を使用して種々の特性を決定するために、実施例および比較例の形状記憶合金ワイヤを試験した。実施例は、室温で２１１ＫＳＩの最大引張強さ、および室温、３％ひずみで８６ＫＳＩの上部プラトー応力を有すことが分かった。−７℃の機能的オーステナイト終了温度を有することも分かった。比較すると、比較例は、室温で１７６ＫＳＩの最大引張強さ、および室温、３％ひずみで７３ＫＳＩの上部プラトー応力を有することを示した。−４８℃の機能的オーステナイト終了温度を有することも分かった。
【００２６】
次いで、実施例および比較例の形状記憶合金ワイヤを、１．８インチ（約４．６ｃｍ）の直径のマンドレルに巻き、−５４℃に曝し、−５４℃で５分間安定化した。次いで、温度を−４０℃に上げ、ワイヤが−４０℃に達するまで安定化し、その温度で５分間保持した。次いで、ワイヤを除去し、１０秒間以内で直線性を試験した。
【００２７】
次いで、ワイヤを、マンドレルに再び巻き、８０℃に曝し、８０℃で５分間安定化した。次いで、温度を６０℃に上げ、ワイヤが６０℃に達するまで安定化し、その温度で５分間保持した。次いで、ワイヤを除去し、１０秒間以内で直線性を試験した。
【００２８】
水平面から５°の角度で保ったガラス板上でワイヤを「自由回転」させることにより、ワイヤの直線性を試験した。すなわち、ワイヤを、角度のついた板上で転がり落とした。何らかの大きなふらつきがなく回転すれば、ワイヤの直線性が確認される。実施例（この場合、ワイヤは、本発明の態様に従い作製した）は、高い温度と低い温度の両方での上記の試験手順の後、実質的にまっすぐであった。一方、比較例（この場合、ワイヤは、本発明の態様に従い作製しなかった）は、高い温度と低い温度の両方での上記の試験手順の後、幾分かのふらつきを示したため、直線状ではなかった。
【００２９】
室温に下げた場合、１２インチ（約３０．５ｃｍ）の長さの形状記憶合金ワイヤは、約０．０８インチ（約０．２ｃｍ）の最大変形を示したので、実施例のワイヤは、約０．１％の残留ひずみを有するのみであった。比較すると、比較例は、室温で０．２５％の残留ひずみを示し、実質的にまっすぐではなかった。したがって、驚くべきことに、実施例のワイヤは、上述の温度極値に曝された後、実質的にその固定形状である直線状のワイヤに逆戻りしたことが分かった。一方、比較例ではそうならなかった。
【００３０】
本発明を、特定の例示的態様に関連して述べてきたが、本発明は、開示された態様に限定されず、それどころか、添付の請求項の趣旨および範囲内に含まれる種々の改変および均等な配置、ならびにそれらの均等物を包含するよう意図されていることを理解されたい。
本願の出願当初の請求項を、実施の態様として以下に付記する。
［１］  Ｎｉ−Ｔｉ系合金を含む形状記憶合金であって、前記Ｎｉ−Ｔｉ系合金が、約−５５℃〜約８５℃の温度に曝された後、−４０℃〜約６０℃の温度で超弾性である形状記憶合金。
［２］  前記Ｎｉ−Ｔｉ系合金が、最大約６％のひずみ下で、約−５５℃〜約８５℃の温度に曝された後、−４０℃〜約６０℃の温度で超弾性である、［１］に記載の形状記憶合金。
［３］  前記Ｎｉ−Ｔｉ系合金が、約−６０℃のオーステナイト開始温度および−２０℃〜５℃のオーステナイト終了温度を有する、［１］に記載の形状記憶合金。
［４］  前記Ｎｉ−Ｔｉ系合金が、約５４．５重量％〜約５７重量％のＮｉを含み、残余がＴｉおよび不純物である、［１］に記載の形状記憶合金。
［５］  前記Ｎｉ−Ｔｉ系合金が、約６０℃超のひずみ誘起マルテンサイト変態温度を有する、［１］に記載の形状記憶合金。
［６］  前記Ｎｉ−Ｔｉ系合金が、０．００８インチ（約０．０２ｍｍ）以上０．０２４インチ（約０．６ｍｍ）以下の直径を有するワイヤである、［１］に記載の形状記憶合金。
［７］  前記Ｎｉ−Ｔｉ系合金が、約２００ＫＳＩ（約１．３８ＭＰａ）〜約２１１ＫＳＩ（約１．４５ＭＰａ）の最大引張強さを有する、［１］に記載の形状記憶合金。
［８］  前記Ｎｉ−Ｔｉ系合金が、３％ひずみで約８０ＫＳＩ（約０．５５ＭＰａ）超の上部プラトー応力を有する、［１］に記載の形状記憶合金。
［９］  前記Ｎｉ−Ｔｉ系合金が、約５℃のオーステナイト終了温度を有する、［１］に記載の形状記憶合金。
［１０］  ［１］に記載の形状記憶合金を含むワイヤを含む収容可能アンテナ。
［１１］  Ｎｉ−Ｔｉ合金を含むロッドを調製すること、
前記ロッドからワイヤを引き延ばすこと、および
約５００℃〜約５５０℃の温度で約１分未満の間、前記ワイヤを処理することを含む、形状記憶合金ワイヤを形成する方法。
［１２］  前記ワイヤを処理することが、約１５〜約４５秒間実施される、［１１］に記載の方法。
［１３］  前記処理ワイヤが、約−６０℃のオーステナイト開始温度および約−２０℃〜約５℃のオーステナイト終了温度を有する、［１１］に記載の方法。
［１４］  前記オーステナイト終了温度が、約５℃である、［１３］に記載の方法。
［１５］  前記処理ワイヤが、約−５５℃〜約８５℃の温度に曝された後、−４０℃〜約６０℃の温度で超弾性である、［１１］に記載の方法。
［１６］  前記処理ワイヤが、最大約６％のひずみ下で、約−５５℃〜約８５℃の温度に曝された後、−４０℃〜約６０℃の温度で超弾性である、［１１］に記載の方法。
［１７］  前記ワイヤを処理することが、前記合金をオーブンから引き出すことを含む、［１１］に記載の方法。
［１８］  前記ワイヤが、０．００８インチ（約０．０２ｍｍ）以上０．０２４インチ（約０．６ｍｍ）以下の直径を有する、［１１］に記載の方法。
［１９］  前記処理ワイヤが、約６０℃超のひずみ誘起マルテンサイト変態温度を有する、［１１］に記載の方法。
［２０］  前記Ｎｉ−Ｔｉ合金が、約５４．５重量％〜約５７重量％のＮｉを含み、残余がＴｉおよび不純物である、［１１］に記載の方法。
【図１】
0006324903.tif 000003
【図２】
0006324903.tif 000004
【図３】
0006324903.tif 000005