鉄系形状記憶合金の開発とプロセス技術

2011年12月9日
淡路マテリア㈱開発グループ

丸山忠克

鉄系形状記憶合金(SMA)
Fe-28Mn-6Si-5Cr① 記憶形状② 室温で変形付与③加熱による形状回復

丸山 略歴1960年 八幡製鉄㈱（現新日本製鐵）入社
東京研究所（基礎研究所）勤務
10年先のための研究
純鉄の研究（物理的手法による純度判定）
コントロールドローリング→オンライン材質判定

1977年 八幡製鉄所シームレス鋼管部に転勤、後 技術部
シームレス圧延制御モデル開発
シームレス合金鋼鋼管の開発

1987年 先端技術研究所（旧東京研究所）に転勤
鉄系SMAの開発と商品化
半導体実装技術開発（ボールバンプ方式）

1993年 淡路産業㈱（現淡路マテリア）に転出 現在に至る
鉄系SMAの商品化

鉄系SMAの開発の流れ
新材料の発明（東京工業大学）
1982年① 形状記憶効果を示す鉄系単結晶合金の発明
材料開発段階（東京工業大学→新日本製鐵）
1982～1993年① 形状記憶効果が発現するメカニズムの解明② 多結晶での形状記憶効果の発現③ 最適な組成範囲の決定④ 製造プロセス条件（溶解､熱間加工､熱処理など）の検討⑤ 材質特性（強度､延性､耐食性､溶接性など）の把握
実用化の検討（新日本製鐵→淡路マテリア ）1985～① 用途開発（新材料が役に立つニーズの探索）② 試作品の製作③ 試作品の自社評価④ 試作品のユーザー評価⑤ 商品化（量の段階的増加とそれに見合うプロセスの確保）

淡路マテリア㈱の沿革と鉄系SMAの取組
1944年 淡路重工株式会社設立
1945年 （社名変更）淡路産業株式会社
1952年 鋳鉄製管継手生産開始
1971年 鋼製溶接式継手生産開始

1987年 アワジサンギョウタイランド設立（継手生産をタイに移行）
1993年 SMAの製品化を新日鉄から引き継ぐ
2003年 金沢涌波トンネル工事でSMA継手採用
2004年 クレーンレール用SMA継目板の製品化
2006年（社名変更）淡路マテリア株式会社

2010年 SMAを利用したユビキタス超電導磁石の開発に着手
2011年 SMAを利用した制震ダンパーの開発に着手

鉄系SMAの形状記憶効果発現機構
鉄系SMAの形状記憶効果発現機構変形加熱

鉄系SMAの応力誘起マルテンサイト変態

変形加熱

普通の金属のすべり変形

鉄系SMAによるパイプの接続
形状記憶合金円筒

パイプ

パイプ（Ａ）接続する相手パイプとそれより内径が細い形状記憶合金円筒

→→

↑→→

↑

（Ｂ）形状記憶合金円筒の拡径（Ｃ）形状記憶合金円筒へのパイプ差し込み（Ｄ）加熱により形状記憶合金円筒が収縮し接続完了

鉄系SMA製造上の課題
組 成

Fe-28Mn-6Si-5Cr-0.01C（１） 原料

Mnは電解マンガン、他も純金属原料

（２） 溶

解

真空（または大気）誘導溶解炉
・マンガンヒュームが発生
・耐火物の損傷が早い
・大型鋳型は抜けにくい（３） 熱間加工

融点が低いのに変形抵抗が高い
・ミミ割れが発生しやすい・高速加工の発熱で偏析部が溶ける
・大型部材の試作ができない・「熱押し」や「遠心鋳造」の活用

応用分野の変遷（鉄系SMAの発明 ； 1982年）

チタンニツケル代替～1985年

・ 安全装置（センサーアクチュエータ）小型接続部材・ ステンレス配管用継手
・ スポーツ用自転車のフレーム接続
・ 固体潤滑すべり軸受け外筒～2000年

大型構造部材および特殊部材

将来

1996年～

・ 鋼管柱用継手・ トンネル工事用曲線鋼管用継手
・ クレーンレール用継目板
・ 超電導バルク材料の補強

2008年～

・ 形状記憶合金以外の用途への展開

小型部材への応用例
SMA継手種類

価格

保管／接続作業用途

Ti-Ni

高低温／加熱不要

軍 用

鉄系

安

室温 ／ 加熱要 民生用

ステンレスパイプ

ステンレス配管用継手（40Su）
SMA外筒

固体潤滑材

固体潤滑材製リングの破損防止用外筒（脆い粉末成形品）

高温･真空用オイルレス滑り軸受け

スポーツ用自転車のフレームの継手

曲線パイプルーフ工法における曲線パイプの接続（1）閉鎖空間内作業（2）作業スペースが狭い（3）曲線パイプの接続時間が工法全体の能率を決める（4）曲線パイプルーフはトンネ
ル完成までの仮設構造

遠心鋳造製のSMA素材と拡径

引張試験と曲げ試験（パイプサイズ:100A）

四点曲げ試験結果 （パイプサイズ:100A ）100

鋼管単体（継手無し）

形状記憶合金継手で接続した鋼管荷重（kN）

500020406080
100
中央部のたわみ（㎜）120140160曲線パイプ接続用途でのSMA継手の活用のための現場試験（250A）

鉄系SMA継手による曲線パイプの施工（金沢涌波トンネル）（1） セツティング

誘導加熱
コイル

（2） 加熱中

曲線パイプ

SMA継手

（3） 締結終了

SMA継手

曲線鋼管

SMA継手

（4） 推進中大型クレーンレール用の鉄系SMA継目板（1）鉄道より重量物が通過する

クレーンレール

遊間があると局部摩耗やレール端部の欠けが生じる（2）短時間で接続できて遊間の開かない方法が必要（3）溶接は避けたい

レールの接続部

65.3

100122.2
45814082135148122.2
462.71140

鉄系SMA継目板の概要

初期遊間セッティング

加 熱

鉄系ＳＭＡ継目板

接触

鉄系ＳＭＡレール用継目板
クレーンレール（ ７３㎏／m）用遊間消滅

長さ
６１５ mm
幅８２ mm
厚さ２８ mm
製品重量 ８.９ Kg

鉄系SMA継目板の施工

鉄系SMA継目板接続と溶接の比較
項

目

技
全般

鉄系SMA継目板比較法（溶接）

能

不要

必

要

接合時間

短い

長い

加熱温度
安

全

300 ～ 350 ℃

性高い≒ 1600 ℃
低い

250A

接合時間

２ ５ 分 （ 2人）

３ ２ 分 （ 3人）

800A

接合時間

３ ０ 分 （ 2人）

５ 時間 （ 3人）

レール用継目板

接合時間

１ ５ 分 （ 2人）

８ 時間 （ 3人）

鋼管接続※ クレーンレール用継目板の累計生産量（2004年～2011年10月）

枚数
製品重量1,830 枚14 ｔ

継目板の暴露試験状況

屋外暴露試験（海岸より約4Km地点）

2010年07月01日現在（2004年11月11日スタート）

鉄系SMAリングによる超電導バルク材料の補強（１）ＳＭＡリングによる超電導バルク材料の補強（２）超電導磁石の応用例 ｢ドラッグデリバリーシステム｣薬
磁製粉末
超伝導マグネット

鉄系SMAの新用途 ｢制震ダンパーへの応用｣
塑性変形による（γ→ε） 変態

初期（ ３～４％まで ）の塑性変形は応力誘起マルテンサイト変態
が「すべり」より優先する

加熱による逆変態（ ε→γ ）

逆方向への変形付与
による逆変態（ ε→γ ）

形状記憶合金制震ダンパー

制振ダンパーの機能

SMAの用途と製造プロセス
製品

サ イ ズ （㎜）製造プロセス

自転車用部材

１t×30φ20kg誘導炉－熱間圧延－冷間圧延

ステンレス配管継手

20φ～40φ20kg誘導炉－鍛造

すべり軸受け外筒

20φ～100φ

20kg誘導炉－鍛造－熱間棒圧延

トンネル工事用鋼管継手

100φ～300φ
250φ～800φ

500kg誘導炉－遠心鋳造
500kg誘導炉－鍛造－リング鍛造

レール用継目板

30×90×650

2ton誘導炉－鍛造－熱間形鋼圧延または熱押し超電導バルク補強材

30φ～100φ

150kg誘導炉－鍛造－熱間棒圧延

制震ダンパー芯材

H型断面
80～200（10～20t）

2ton誘導炉－鍛造－熱間板圧延または熱押し鉄系SMAの用途（まとめ）区分

Ti-Ni系形状記憶合金合金
鉄系SMA

施工時

使用時機能発揮ｾﾝｻｰｱｸﾁｭｴｰ
ﾀ

備 考
機能を価格に反映可能

継目板･継手機能発揮

構造材

構造材価格

制震材料

通常施工機能発揮

機能を価格に反映可能

低熱膨張合金、等（１） 「発現する機能を施工時だけ」活用する用途
・量産可能で低価格の構造材として生き残れるか（素材組成、量産製造工程での生産、歩留り改善）
・「Ti-Ni系に比べて安い」とはいわない（２） 「施工後の使用状態で機能を発揮させる」新しい用途・制震材料としての用途開拓で新たな展開に期待鉄系SMAの生産量推移
10新日鉄

9淡路マテリア

生産量 （ﾄﾝ/年）

87素材の発明涌波トンネル 継目板実用化

65432
101980

1985

1990

1995
西2000
暦

2005
（年）

2010

2015

2020

主要製品・部材の世界シェアー

鉄鋼材料の棲み分け関係
大大企業
大型量産設備
自動化省力化

高炉－転炉－連鋳－熱間圧延
電気炉－取鍋精錬－連鋳－熱間圧延

市
場
規
模

誘導加熱炉－鋼塊－鍛造－熱間圧延（圧延、鍛造、リング鍛造、熱押し）

小中小企業
小型汎用設備人の技能重視誘導加熱炉－鋼塊－鋳造（ロストワックス、遠心鋳造）
0100
世界シェアー（％）

従来の枠組みから外れた新製品の開発
新しい原料を採用したり、使用していた原料でも格段に多量に使うような新製品の開発は、大量生産設備だけでは進めにくい① 適正な規模で有効なデーターを得る試験がやりにくい② 溶解設備能力の問題・使用する元素の種類と量からの制約
・原料から混入する不純物の除去、無害化の問題③ 研究室と実機大量生産設備の間の中間規模での実証検討の必要性
・凝固過程の違いによる凝固欠陥や偏析の問題
・熱間加工工程の違いに起因する問題
圧延機の仕様の違い
ひずみと温度履歴の違い

結晶粒サイズ
介在物の変形
偏析の均一化むすび

平均組成から外れた特殊な鉄鋼材料の製造経験から得たこと

原料（種類と量）
フェロアロイ
不純物

特 許

製品性能
溶解（種類）

熱間加工

歩留り
不純物の除去無害化

加工性と変形抵抗
大型部材の少量加工