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第1回関西ものづくりシーズ発表会
2014/9/29（國民會館，大阪）
高温での強度・硬さ特性に優れた
Ni基金属間化合物合金
大阪府立大学 工学研究科
マテリアル工学分野
准教授 金 野 泰 幸
1
現用耐摩耗材料の問題点
金型や切削工具などには耐摩耗性に優れた工具鋼や超硬合金な
どが多用されているが，これらの材料は高温になると硬さが著し
く低下し，耐摩耗性が劣化する。
■工具鋼の問題点
焼戻し温度を超えると，金属組織や炭化物の効果が消失
■超硬合金の問題点
結合剤（バインダー）に使用される金属相（CoやNi）が高温
で軟化
■ニッケル超合金の問題点
硬さレベルが高くなく，耐摩耗材料としては不十分
■セラミックスの問題点
靱性が低く，高価
高温でも高い強度・硬さを維持する材料が必要
2
金属間化合物のポテンシャル
金属間化合物とは？：
少なくとも一つの金属元素を含む化合物（AmBm）
金属間化合物を用いた材料開発
①Ni基超々合金，②NST合金
3
①Ni基超々合金
2重複相金属間化合物（Ni基超々合金）
最密充填構造（GCP）金属間化合物であるNi3Al
（L12）相とNi3V（D022）相が２重に階層化され，
微細・整合に配置された2重複相組織を有する，
構成相のすべてが金属間化合物相である
複相金属間化合物合金．
Ni3Al（L12）
上部複相組織
下部複相組織
（SEM組織）
（TEM組織）
Ni3V（D022）
4
超々合金の高温引張特性
1400
引張強度 (MPa)
1200
1000
超々合金#4
超々合金
（鋳造材）
800
600
400
Udimet 520
超合金（展伸材）
200
0
0
Waspaloy
Inconel 718
200
400
600
800
1000
試験温度 (℃)
現用の超合金を上回る優れた高温高強度特性
900℃における引張強度：Inconel 718の3倍以上，Waspaloyの1.5倍，
Udimet 520の1.3倍
5
超々合金の耐環境性
耐酸化特性
耐腐食特性
腐食減量（g/m2 h）
40
消
消
失
失
30
20
腐食減量ほとんどなし
10
0
#1
#2
#3
#4
超々合金
Inconel Monel
718
400
Inconel
X750
Hastelloy
C276
Ni合金
SUS
304
SUS
430
SUS
310S
SUS
316L
ステンレス
各種腐食溶液（塩酸，硫酸，硝酸
，酢酸）中で優れた耐腐食特性
酸化による重量増加量（g/cm2）
塩酸(36%), 室温, 24hr
50
0.04
酸化重量増加ほとんどなし
0.03
比較合金
0.02
（CMSX-4）
0.01
0
超々合金
105
106
1000℃加熱時間（秒）
約30日間
現用タービンブレード材料より
優れた高温耐酸化特性
6
超々合金の浸炭・窒化による表面硬化
C
N
窒化層
EPMA
浸炭層
5μm
5μm
炭素のEPMA元素マッピング
窒素のEPMA元素マッピング
1000HVを超える表面硬さ
900
800
PC1023K-2h
PC1023K-8h
PC1023K-48h
PC1023K-100h
based hardness
700
600
500
400
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Distance from surface (m)
深さ方向の硬さ分布
1200
Vickers hardness (Hv)
Vickers hardness (Hv)
1000
PN848K-2h
PN848K-48h
PN848K-100h
based hardness
1100
1000
900
800
700
600
500
400
0
5
10 15 20 25 30
Distance from surface (m)
深さ方向の硬さ分布
35
40
7
②NST合金
L12構造のNi3(Si,Ti)基金属間化合物合金
■ 強度の逆温度依存性を示す
■ 耐食性，耐酸化性に優れる
B
A
■ 冷間加工が可能
■ 水素生成触媒能を有する
Ni3(Si,Ti)（200m）
L12（A3B）
Ni3(Si,Ti)（30m）
8
常温引張特性比較
合金
Ni3(Si,Ti)
インコネル X-750
引張強さ
（MPa）
0.2%耐力
（MPa）
1500 - 2350 800 - 2050
伸び
（%）
5.5 - 30
1137
690
20
ハステロイ X
785
360
43
ステンレス SUS304
660
285
60
ステンレス SUS430
510
310
29
1275
1200
6
930
855
12
Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al
Ti-6Al-4V
市販のニッケル合金やステンレス鋼，さらにはチタン
合金と比べても格段に高い引張強度を示す．
9
耐食性（塩酸浸漬試験，常温，24h）
Ni3(Si,Ti)
Ni3(Si,Ti)+Nb
Ni3(Si,Ti)+Cr
Ni3(Si,Ti)+Nb,Cr
2.80
0.62
2.5
0.85
Inconel X750
SUS430
SUS304
SUS316L
10.4
消失
消失
9.61
外 観
腐食減量
(g/m2・h)
外 観
腐食減量
(g/m2・h)
Ni3(Si,Ti)は耐食性にも優れ，特にステンレス鋼が苦手とする
塩酸中で，優秀な耐腐食性を示す。Nbを添加することで，
Ni3(Si,Ti)の耐塩酸腐食性はさらに向上。
10
耐酸化特性
酸化増量 (g/cm 2)
10-2
900℃
Co3Ti
SUS310S
NST
10-3
NST-4Ta
Inconel X750
10-4
Hastelloy C276
10-5
10-6
0
1000
2000
3000
暴露時間 (min)
Ni3(Si,Ti)はHastelloy合金に肉薄する良好な耐酸化性
11
高温硬さ特性
ビッカース硬さ (HV)
1400
WC-Co
超硬合金
1200
1000
800
Ni3Al/Ni 3V
超々合金
SUS440C
600
400
高温ではNi基金属間
化合物合金が超硬合
金の硬さを上回る．
NST-5Ta
200
0
200
400
600
800
温　度 (℃)
Ni基超々合金，NST合金は温度上昇に伴う
硬さの低下が小さい。
12
応用例1（耐熱ボールベアリング）
■耐熱・耐食ボールベアリング
外輪
保持器
ボール
内輪
ボールベアリング完成品
600℃実機耐熱試験
13
ベアリング耐熱試験結果（600℃）
摩耗粉：ほとんど無し
摩耗粉：ごく少量
Nb-NST
試験時間
現行耐熱ベアリング
（SUS440C）
超々合金（#2）
Nb添加-NST合金
123h
摩耗粉：大量
超々合金（#2）
132h
SUS440C
100h
内輪摩耗量
0m
71m
711m
外輪摩耗量
22m
24m
780m
推定寿命
8,336h
2,072h
100h
14
摩擦攪拌接合とその利点
摩擦攪拌接合（FSW; Friction Stir Welding）
回転したツールを被接合材に接触させ，発
生した摩擦熱によって被接合材を高温状態
にして可塑化し，固相状態で接合する新し
い高品質接合技術。
摩擦攪拌接合の利点：
接合線
摩擦攪拌接合（FSW）
 固相接合なので接合部の強度低下が
小さい（強度向上の場合もあり）．
 アーク溶接に比べ接合部の歪みや変
形が少ない．
 気孔，割れなどが生じにくい．
 熟練技術や溶接免許が不要である．
溶融接合（溶接）
15
応用例②（FSWツール）
被加工材：SS400（一般構造用圧延鋼材）
超々合金ツール
超々合金製ツール
使用前（↑），使用後（↓）
比較ツール
約50mのFSW施行後もツール摩耗は
ほとんど生じていない．
16
ハイブリッド合金の開発コンセプト
超硬合金
Ni基金属間化合物合金
ハイブリッド合金
＋
中低温で高硬度
高い高温強度・硬度
良好な耐酸化性・耐食性
超硬合金とNi基超々合金の
長所を兼備した新型合金
超硬合金の結合剤（バインダー）にNi基超々合金を用いる
ことで低温から高温に至る広い温度域で優れた耐摩耗性が期
待される。
17
開発材の高温硬さ特性
TiB2/NST焼結体
TiC/超々合金焼結体
1200
30%TiB 2
1000
WC-Co
10%TiB 2
500
78.0Ni
(0%TiB 2)
Bulk(base)
0
SPS900℃→1050℃-24h
0
200
400
600
温　度 (℃)
800
ビッカース硬さ （HV）
ビッカース硬さ (HV)
1500
1000
Ta添加-50%TiC
800
600
Ti添加-50%TiC
400
200
0
0
200
400
600
800
1000
温　度 （℃）
NST-30vol.%TiB2 および50vol.%TiC添加超々合金焼結
体は800℃で600HV以上の優れた高温硬さを実現した。
18
Ni基超々合金のプラズマ溶射
2.5Nb
1280℃-3h（SEI）
皮膜：Ni基超々合金
熱処理
基板：SUS304
1µm
100µm
1280℃-3h（TEM）
ステンレス板上にプラズマ溶射された
Ni基超々合金コーティング皮膜の断面写真
基板
約200HV
溶製材
560HV
2.5Nb
As sprayed
1280℃- 3h
1050℃- 3h
400µm
1050℃-24h
皮膜中に2重複相組織が形成
950℃- 3h
950℃-24h
0
200
400
600
ビッカース硬さ(HV)
800
←熱処理後は皮膜の硬さが上昇。950℃，
1050℃-24hの熱処理後も硬さの低下は
小さい（耐熱性良好）。
19
想定される技術移転
■ 想定される用途（耐摩耗用途）
高温用ドリル・バイトなど耐熱切削工具，高温用軸受など耐
熱摺動部品，高温用ボルト・ナットなどの耐熱締結要素部品，
高温用ダイス，高温金型等の耐熱工具など。
その他，高温腐食環境下や，海水中などの溶液中で耐摩耗性
が要求される部材など，広範囲な用途が想定される。
■ 想定される業界
機械・金属産業全般，自動車・輸送用機器業界，建築・土木・鉱
山産業分野，化学工業など。
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実用化に向けて
企業様へのお願い
■用途提案
企業
用途に応じた材料特性の向上
■強度・硬さ特性向上
■耐食・耐酸化性の向上
■耐熱性向上
■コスト低減
大学
合金設計（成分，組成）
製造プロセスの確立・最適化 企業 大学
■溶解鋳造
準工業規模の健全素材製造（試作品作製）
■粉末冶金
■塑性加工（熱間鍛造，伸線加工など）
■表面処理
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本技術に関する知的財産権
特許第4756974号，Ni3(Si,Ti)系箔及びその製造方法，公立大学法人大阪府立大学
特許第5010841号，Ni3Si-Ni3Ti-Ni3Nb系複相金属間化合物，その製造方法，
高温構造材料，公立大学法人大阪府立大学
3.
特許第5127144号，2重複相組織からなるVおよびTiを含有するNi3Al基金属間化合物
及びその製造方法，耐熱構造材，公立大学法人大阪府立大学
4.
特許第5146935号，VおよびNbを含有し，かつ，二重複相組織を有するNi3Al基金属
間化合物，およびその製造方法，耐熱構造材，公立大学法人大阪府立大学
5.
特許第5162492号，高い高度を有するNi基金属間化合物合金，公立大学法人大阪府立
大学
6.
特許第5327644号，ニッケル系金属間化合物，当該金属間化合物圧延箔および
当該金属間化合物圧延板または箔の製造方法，公立大学法人大阪府立大学
7.
特許第5565776号，Wが点火されたNi3(Si,Ti)系金属間化合物及びその製造方法，
公立大学法人大阪府立大学
8.
特許第5565777号，Taが添加されたNi3(Si,Ti)系金属間化合物，公立大学法人
大阪府立大学
9.
US 8,197,618 B2，Ni3Al-based intermetallic compound including V and Nb,
and having dual multi-phase microstructure, production method thereof, and
heat resistant structural material, Osaka Prefecture University Public
Corporation
10. GB2447222，Ni3Al-based intermetallic compound with dual multi-phase
microstructure, production method thereof, and heat-resistant structural
material, Osaka Prefecture University Public Corporation ほか
1.
2.
22
問い合わせ先
公立大学法人 大阪府立大学
産学官研究連携推進センター
濱田
糾（コーディネーター）
〒599-8570 大阪府堺市中区学園町1-2
Tel 072-254-8263
e-mail [email protected]
工学研究科マテリアル工学分野
金野
泰 幸（研究者）
〒599-8531 大阪府堺市中区学園町1-1
Tel 072-252-1161（内線）5701
e-mail [email protected]
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