ニッケルNi（→こちら）の記事の続きで、形状記憶合金について専門的にならないように紹介します。
形状記憶合金では、ニッケルNiとチタンTiの合金が有名で、変形させた品物を加熱するともとに戻る性質を持った合金です。
そして、熱処理の加工条件を変えると、大きく変形させても、外力を除くともとに戻る「超弾性」の性質が利用できます。
形状記憶合金と超弾性合金
ここでは、形状記憶や超弾性について、古河マテリアルさん、大同特殊鋼さん、アクトメントさんなどのHP記事なども参考にさせていただいて、それらを簡単に紹介します。
形状記憶合金では、Ni55％-Ti45％(ニッケル・チタン）の「ニチノール」と呼ばれる合金が有名です。
形状回復温度範囲を変えるために、ニチノールにコバルトや銅を加えた製品があります。
形状記憶合金は SMA（Shape Memory Alloy）と表現される場合もあります。
Amazonのページの釣り具や手芸用途の形状記憶合金線は安価で購入できます
釣り具や手芸用に形状記憶合金が使われているのは「超弾性合金」としての利用が多いようで、①変形しても元の形に戻る ②曲げても折れて変形しにくい ③釣り具では釣れた時の感度がいい ④ルアーなどで自然の動きを演出してよく釣れる … ということで使用されています。
使ったときの評価は、人それぞれのようですから、安価なものなので、試しに使ってみると、面白いです。
私は、「直線バネ」として、ディスプレイをゆらゆら振らせるための用途で購入したところ、すぐれものです。
形状記憶と超弾性
ここでいう「形状記憶」とは、変形を加えた状態のものに熱を加えると元に戻るような性質のことです。
例えばバネのような部品に力を加えて変形させた状態のものを、体温やドライヤーでその部品を温めると、元の形に復元します。
また、温度変化で作動するアクチュエーターや、温度で流量調節するための部品などで、温度を変化させると、バネ部分の変形度合いが変わることを利用したり、血管拡張用のステントでは、体内の温度で拡張して機能させるなど、様々な部品に加工されて使われています。
また、「超弾性」という呼び方で、大きく変形させても、塑性変形しにくく、弾性でもとの状態に戻る性質を持った合金にすることもできます。
これは、引張力や変形に強く、錆びにくく清潔なことで、身近な例では、歯列矯正ワイヤーに使われていますから、それをイメージするといいでしょう。
形状記憶と超弾性のイメージ
Ni-Ti合金の成分や熱処理方法で、形状記憶の性質や超弾性の性質が生まれます。
形状記憶では、20℃から100℃程度の温度で回復温度をコントロールできるものは、人間の体温や周囲の環境温度でを利用して、スイッチのオンオフをしたり、周囲温度で品物の形状を操作したり、お湯の温度を調節する … など、様々な用途に応用されています。
形状記憶や超弾性は、下の図でイメージできます。 これは、古河マテリアルさんのHPにある、引張試験の様子を示した図です。
通常の金属では、品物を引っ張ると、弾性領域を超えなければ、加えた力と伸びが比例し、力を除去するともとに戻りますが、一度、その弾性領域を超えて力を加えると、「降伏」といって、引っ張る力に対抗出来なくなって「永久変形」が生じます。（もとに戻りません）（a）のグラフ。
それが、形状記憶合金では、この伸びた状態のものを、100℃程度までの温度を加えると、伸びたものが縮んでいって、元の状態に戻ります。（b）の図。
もちろん、通常の金属でも、熱を加えると残留応力などで少しはもとに戻る場合もありますが、形状記憶合金では、きっちりとした熱管理をすると、上の変化が繰り返されます。
図（c）は 「超弾性合金」の場合を示しており、引っ張って変形してしまった状態でも、引っ張ることをやめると元の状態に戻ってしまうのが「超弾性合金」です。
これは、形状記憶合金を形状回復温度において変形させると超弾性体になるということです。
このNi-Ti合金に Cr、Cu、Fe などを加えて、回復温度などを変えた合金があります。
形状記憶合金のための熱処理
ちょっとマニアックな内容ですが、興味のある方はお読みください。
形状記憶合金の一般的な使い方は、①ある製品の形状にする →②熱処理をする →③品物に変形(外力)を加えて変形させる →④元の形状に戻すために温度を加える その後は、→③④を繰り返す。 … というような使い方になります。
変形させたものに熱を加えると、熱処理前の状態に戻ることを「形状記憶」と表現されています。
形状記憶を付加するには、「熱処理」が重要で、この、②の熱処理方法は、400～600℃に加熱して冷却します。
ニチノールの場合は、500℃程度で最大の回復状態が得られますが、加熱温度を変えることで、元の形状に戻す「回復温度」(通常は20℃から100℃程度）や回復率が変わります。
例えば、温度によってストロークを変化させるアクチュエーターでは、温度変化で変形量を変化させるのですが、もちろん、この動作条件を決めるのは簡単ではありませんから、成分や熱処理のノウハウがでてきます。
自宅で実験もできます やってみると面白いです
形状記憶合金（または超弾性合金）の伸線は安価で入手できますから、趣味で遊んでみるのも面白いでしょう。
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WEBで探すと、魚釣の道具、自在ワイヤー、手芸用品、メガネ部品 … など、いろいろ販売されています。アイデア次第で楽しめるでしょう。
販売されているものは、伸線した細い針金状のものが多く、直線形状を維持するような「超弾性」の用途向けのもので、この使い方であれば、改めて熱処理する必要はありません。
温度を加えて、形状回復させる「形状記憶」の性質を持たせるには、熱処理が必要です。
変化の小さい形状復帰は、常温より少し高い温度から進行するので、アイデア次第でいろんなことに使えそうですし、そんなに高価なものではないので、変化を試してみるのであれば簡単にできます。
ただし、家庭で、適当な温度で熱処理をする場合は、科学館などで見るような、変形を加えたものに熱を加えて元に戻すような大きな変化を見ようとするのは難しく、これには、成分に見合った、きっちりとした温度で熱処理をして、回復温度についてもきっちりとした管理が必要です。
私自身は、仕事で形状記憶部品の熱処理をしていた経験がありますが、製品化するためには、合金の成分と、正確な温度の熱処理が重要で、さらに、動作条件をあわせて熱処理条件を決めていくのですが、実験的に楽しむのであれば、（温度がアバウトなので変化も安定しませんが）市販の針金状の形状記憶合金または超弾性合金を購入して、以下のようなやり方でも、形状記憶の状態を見ることができます。
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参考：家庭で楽しめる形状記憶合金の実験のために熱処理
どのようなものでもうまくいくかどうかはわかりません。
もしも、形状記憶の条件が明示されているものが入手できれば、その条件に合わせればいいのですが、市販の超弾性合金の0.5mm線でも、適当なやり方でも、少しの変化は確認できます。
水の入った容器を用意しておいて、形状記憶合金を鉄製のフライパン（テフロン加工がしていない鉄製のものまたは、鉄製の鉄板）の上において、ガスコンロで、色がつかない程度の500℃を目標に10分以上加熱して、すぐに水冷します。
これが「熱処理」です。
ジャスト500℃にするのが結構難しいのですが、暗いところで加熱し、加熱色が見えると650℃程度になってしまっているので、そこまで昇温させないように、薄暗いところで、目視で、赤く熱しないように加熱します。
0.5mm程度の伸線なら、ガスコンロに小さな鉄板を置いて、赤く加熱してガスの炎を小さくしていき、鉄板の火色が消えたところに品物を置いて、10分ほど維持して、水で冷やします。
それで熱処理完了です。
超弾性合金を購入したままでは、ほとんど変形させてももとに戻るので、その場合は、ガスコンロの火で、赤くなるまで短時間熱して（800～900℃に加熱）、その後に放冷すると、かなり柔らかくなって、加工ができるようになります。（これをすると、超弾性の性質は消えます）
市販されている合金材料は、どんな成分なのかは不明で、常温で変形させてもうまくいく合金もあるのですが、通常は、熱処理してから「冷凍庫」に入れた状態で変形させることが1つのコツです。
そうは言っても、温度やテクニックが影響するので、加熱や保持時間、冷却方法を変えて、うまくいく条件をいろいろと実験してみてください。
熱処理したものを（できるだけ低温の環境、例えば、冷凍庫に冷やした状態で変形させるなどで）変形させて、ヘアードライヤーで少し温めると形状が元の形状に戻ろうとするのがわかります。
何回かいろいろやってみると要領がわかってきます。
もちろん、このような簡易的なやり方ではベストな状態にできませんが、実験とおもって、いろいろ試しながらやってみると結構面白いですよ。
もちろん、うまくいかない場合もあるでしょうが、それも実験と思って、安全に配慮して実験を楽しみましょう。
