ニッケル・チタン形状記憶合金

M. Tahara, T. Inamura, H. Y. Kim, H. Hosoda, S. Miyazaki

Ti–Ni形状記憶合金(ニチノール)は工業製品や医療機器 などに幅広く安全に利用されているほぼ唯一の実用形状記憶 合金である。ところが近年,純ニッケルの生体アレルギー性 が指摘されていることから,医療分野ではニッケルを始めと した有害元素を含んでいない新たな生体用形状記憶合金が求 められている。チタン基合金は生体適合性に優れ,すでに医 療用金属材料としての十分な実績もあることから,医療用形 状記憶合金として現在研究開発が盛んに行われている。 チタン基合金における形状記憶効果は,1971年にBaker1) によりTi–35 mass% Nb(Ti–22 at% Nb)において初めて報告さ れた。以後,Ti–V–Fe–Al合金 2)やTi–Mo–Al合金 3),Ti–V–Al 合金 4)などの構造材料でも形状記憶効果が報告されている。 通常は形状記憶合金を医療用途に用いる場合,形状記憶効果 よりも超弾性を用いる。チタン基合金において室温での超弾 性は2000年にβ -CEZ(Ti–4Mo–4.4Zr–4.9Al–2Sn–1Fe(mass%)) 合金 5)で報告されたが,この合金は形状記憶・超弾性を意 図して開発されたものではなく,あまりよい特性は得られて いない。その後の数年間で,前述のような理由から医療用の チタン基形状記憶・超弾性合金の研究開発がTi–Nb系やTi– Mo系を中心に急進展した。 チタン基合金の形状記憶効果と超弾性は,母相であるβ 相(体心立方晶)からα′′相(斜方晶)へのマルテンサイト 変態とその逆変態に起因している(図1)。マルテンサイト 変態温度は添加元素の種類や濃度によって自由に調節するこ とが可能であり,Ti–Nb二元合金の場合はTi–(26~27)at% Nbにおいて室温で超弾性を示す 6)。しかし,その形状回復 ひずみは 2~3%程度であり,既存の多結晶Ti–Ni超弾性合 金(6%)の半分以下しかない。この理由としてチタン基形 状記憶合金では,(1)格子変形ひずみが小さいことと,(2) すべり臨界応力(σs)が低いことが挙げられる。格子変形ひ ずみとは母相とマルテンサイト相の間にある格子対応関係と 両相の格子定数から決まるひずみ量であり,マルテンサイト 変態に伴って発生するひずみの理論上の最大値である。Ti–Nb 二元合金ではこの格子変形ひずみがそもそも小さいため 6), Ti–Ni合金のような大きな形状回復ひずみが得られない。し かし最近の研究では,Ti–Nb合金においてマルテンサイト 変態温度を一定に保ちながらニオブをジルコニウムで置換し て添加することにより,超弾性を保持したまま格子変形ひず みが増大することがわかっており7),8),この問題点は克服さ れつつある。 一方,σsが低いと,マルテンサイトが応力誘起する前に不 可逆変形である塑性変形が導入されてしまうため,十分な形 状回復ひずみが得られない。また,塑性変形によって導入さ 解 説

安部 浄

敏雄 佐分利

T. Imakita, Katsunori Taguchi, Renpei Morooka

形状記憶合金であるTiNi合金中のニッケルを精密に定量する方法としてイオン交換分離/電解重量法を検討した.硝フッ化水素酸酸性とした試料溶液から,陽イオン交換によってニッケルをチタンから分離した後,アンモニアアルカリ性として定電流でニッケルを電解した.実用材料に含まれる程度のマンガン,クロム,鉄などの不純物は定量値に影響しないことを確認した.定量精度は相対標準偏差で0.009%であった.

ピーター シー ウィルソン, ダニエル アール カーツ, ディヴィッド エイ ファレラ