NACHITECHNICALREPORT

Materials

30B5

Vol.

January/2016■ 新商品・適用事例紹介

自動車部品向け耐熱合金

マテリアル事業「EXEO-E900」
Heat resistant alloy "EXEO-E900"
for motor parts〈キーワード〉耐熱材料・ニッケル系合金・析出強化型
耐酸化性・疲労強度・クリープ強度

マテリアル事業部／技術部

小澤 茂太

Shigeta Kozawa

マテリアル事業部／マテリアル企画部

島田 宜治

Yoshiharu Shimada

自動車部品向け耐熱合金「EXEO-E900」

要旨

1. 自動車を取り巻く環境

NACHIは、高速度工具鋼をはじめ、低熱膨張・図１に、地球の平均気温の推移を示す。地球の耐熱・耐食・強度などの特性を高めた機能部品材料

平均気温は年々上昇しており、地球温暖化が問題として「EXEOシリーズ」を商品化している。となっている。地球温暖化は、温室効果ガスである

今回、耐熱材料として析出強化型ニッケル基合金

CO2が一因といわれ、CO2排出量の削減が非常に「EXEO-E900」を開発したので紹介する。
「EXEO-E900」

重要となっている。図2に、CO2排出量の業種別割

は、耐熱材料に必要とされる高温強度、耐酸化性、合を示す。世界のCO2排出量の18%を自動車が占め疲労強度やクリープ強度などの高温特性に優れたており、自動車が排出するCO2削減が急がれている。

材料である。
「EXEO-E900」は、900℃に達する高そのため、各国はCO2排出量規制を将来にわたり、温環境となる、自動車の排気バルブやターボ部品な段階的に厳しく設定している。一例として、日本のど、高温環境下で使用される部位への適用を想定

自動車CO2排出量規制の推移を図3に示す。

している。

この規制をクリアするため、自動車メーカー各社
は、次世代自動車である電気自動車や燃料電池自Starting with steel for high-speed cutting
tool, NACHI has developed and marketed“EXEOSeries”materials for functional parts. The materials
have high characteristics of low heat expansion,heat-resistance, corrosion resistance and highstrength.
Introducing here is a newly-developed, heatresistant material,“EXEO-E900”that is made of
precipitation strengthened type nickel base alloy.
“EXEO-E900”has superb characteristics ofhigh-temperature strength, oxidation-resistance,
fatigue strength and creep strength that arerequired for heat-resistant material. Its application
is expected for the parts exposed to the hightemperature environment such as an exhaust
valve of an automobile and turbo parts that areused under the high-temperature environment of
900℃.

1

用、ならびに既存ガソリン自動車の燃費を改善するなどの対策を行なっている。電気自動車や燃料電池自動車は、航続距離やインフラ、コストの問題があり、この先数年は図4のようにパワートレーンとしてガソリンエンジンが主流と見られている。
0.8

Temperature Anomaly（°C）

Abstract

動車の開発と販売、クリーンディーゼル自動車の採0.6

Annual Mean
5-year Running Mean

0.4
0.2
0−0.2
−0.4
1880

1900

1920

1940

1960

1980

年
（西暦）

図1

地球の平均気温の推移 1）

2000

ターボエンジンでは、従来型エンジンよりもエンジン

28
2009年度の平均等価慣性相当の車両質量
2726
2524232020年度基準案相当平均値
2220.32120
19＋19.6%＋24.1%
18 2015年度
17.0
17 基準相当平均値
1616.31514
13 2009年度実績値
1211109
2015年度基準
8
2020年度基準案
76

回転数がより低回転の状態から、発生トルクが立ち60
070080090
1,0 0
1,100
1,200
1,300
1,400
1,500
1,600
1,700
1,800
1,900
2,000
2,100
2,200
2,300
2,400
2,500
2,600
00

向上させる技術が数多く投入されている。その一つとして、小排気量エンジンにターボチャージャーを搭載したダウンサイジングターボエンジンが挙げられ、実際に採用が増 加している。図5に、ダウンサイジングターボエンジンと従来型エンジンにおける発生トルクと回転数の関係を示す。ダウンサイジング

JC08モード燃値（km/L）

CO2削減のため、ガソリンエンジンには、燃費を車両質量（kg）上がるとともに、発生トルクの一定化を実現している。

図3※1

これは、ウェイストゲート機構を従来の機械式から日本における燃費規制（2020年基準案）3）

（年）
2013

電子制御式にすることで、バルブの開閉を緻密に70%17%4% 9%（万台）
6,311コントロールすることにより実現している。発生トル

保守

61%

18%

8% 4%2% 7%8,835

クが立ち上がった後は、一定に保つため、ウェイスト

2025 中庸

60%

18%8% 4%2% 8%

8,835

7% 6% 7% 1% 9%

8,835

急進

ゲートバルブは、これまで以上、高精度に開度をコントロールする必要がある。そのため、高温の排気ガスにさらされるバルブやバルブを開閉させるレバー

保守

69%

14% 6%4%2% 4% 11,907

2035 中庸

65%

13% 6%5% 6% 5% 11,907

急進などの構成部品で高温強度を高めた材料が要求

11% 5% 7% 11% 2% 7% 11,907

57%

ガソリン車

される。

ディーゼル車

HEV

PHEV

EV

FCV

その他

保守：最も変化が小さいシナリオ
中庸：最も蓋然性の高いシナリオ
急進：最も変化の大きいシナリオ

その他
10.6%

13カ国
（日本、アメリカ、ドイツ、フランス、
イギリス、中国、
ロシア、
ブラジル、
インド、
インドネシア、タイ、マレーシア、オーストラリア）
合計のパワートレーン構成予測

図4

輸送23.8%（自動車18%）エネルギー生産44.2%

全CO 2 排出量：317億トン

CO2 排出量の業種別割合 2）

将来の自動車パワートレーン構成予測 4）

200

トルク
（N・m）

製造および建設
21.4%

図216%

54%

180
160
140
120
100＋40％＋27.3％

ダウンサイジング型エンジン
従来型エンジン

1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 4,500 5,000 5,500 6,000

回転数
（rpm）

図5 ダウンサイジングターボエンジンと従来型エンジンにおけるトルクと回転数の関係 5）

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自動車部品向け耐熱合金「EXEO-E900」

2. 耐熱材料に必要な特性
ウェイストゲート機構部品であるバルブやレバーな

4）クリープ特性

ど向けの耐熱材料に求められる特性として、高温

金属は、ある温度以上で一定の応力をかけ続け強度をはじめ、耐酸化性、疲労強度、クリープ強度

ると、時々刻々と変形がすすみ破断する現象が生じなどが挙げられる。

る。この現象をクリープと呼ぶ。使用する部材により、定常クリープ速度やクリープ破断時間など必要

1）高温強度なデータが異なる。図7に定常クリープ速度、図8にク

一般的に、金属は温度が上がると強度が低下す

リープ破断時間の例を示す。

る。鉄基合金とニッケル基合金では、高温強度に大504030位である。図6に鉄基合金とニッケル基合金の引張強度と温度の関係を示す。
1,600

SUS310S
SUH35
Inconel 750
Inconel 718
Nimonic 80A

引張強度（MPa）

1,400
1,200
1,000

応力（kgf/mm2）

きな差異があり、高温側では、ニッケル基合金が優

20

600℃
650℃
700℃

10864210.01800600

図72000100200300400500

600

700800900 1,000

金属は、高温であるほど酸素との反応速度が上がるため、耐酸化性も要求される。一般的に、耐酸化性は、鉄基合金よりもニッケル基合金が優れるが、熱処理条件によって大きく変化することが知られている。

3）疲労強度自動車には、レバー、ピストンなど、繰返しの力を受ける部品が多数存在する。繰返しの力が作用する部品では、疲労による破損が懸念される。そのため、疲労強度特性は非常に重要視される。また、使用環境が高温の場合、高温環境における疲労強度特性も重要となる。

応力（kgf/mm2）

鉄基合金とニッケル基合金の引張強度と温度の関係

2）耐酸化性

310100定常クリープ速度データ例 6）302520温度（℃）

図6

118%Cr-8%Ni ステンレス鋼の応力と定常クリープ速度の関係

400

00.1

定常クリープ速度（％/1,000h）

600℃

15650℃

108700℃

6432800℃
10102103104105

破断時間（h）
18%Cr-8%Ni ステンレス鋼の応力とクリープ破断時間との関係

図8クリープ破断時間データ例 6）

3. 自動車用耐熱材料における「EXEO-E900」位置づけ
自動車用耐熱材料として、SUS310S、SUH31な※2

どの鉄基 合 金やI nconel 718、Inconel 751などの熱間塑性加工が可能なニッケル基合金、Inconel
713CやGMR235などの鋳造用ニッケル基合金がある。各材料の高温強度とコストの位置づけを図9に示 す。今回開発した「EXEO-E900」は、コストがInconel 718やInconel 751などと同等でありながら、優れた高温強度を有する材料である。
高い↑

EXEO-E900
高温強度超合金（鋳造）Inconel 713C,
GMR235など超合金（鍛造）Inconel 751,718など

耐熱銅
SUS310S,
SUH31など

コスト

図9

→高コスト

各材料の高温強度とコストの位置づけ

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自動車部品向け耐熱合金「EXEO-E900」

4.「EXEO-E900」の特長「EXEO-E900」は、析出強化型ニッケル基合金2）耐酸化性である。析出強化は、時効処理により、結晶粒内に「EXEO-E900」は、Inconel 718やInconel X750強化相を析出させて強化するものである。時効処理と比べても遜色のない耐酸化性を有する。図12は、温度よりも、高温の環境でも、強化相の再固溶や「EXEO-E900」と各種耐熱材料における酸化増量粗大化には一定の時間を要するため、排気バルブのと温度の関係を示す。
5あれば、使用可能である。同様の析出強化型ニッケル4基合金であるInconel 751は、800℃以上の高温環境で使用される排気バルブに採用されている。図10に「EXEO-E900」の900℃における暴露試験結果を示す。
400

酸化増量（mg/cm2）

ようにバルブシートとの金属接触による冷却機構が350

硬さ（HV）

250

600

700

8009001,0001,100

図12 「EXEO-E900」と各種耐熱材料における酸化増量と温度の関係

2001503）疲労強度
ニッケル基 合 金は、明確に疲労限 度が観察さ50れない材 種が多い。そのため、実用上、10 7cycle
0101001,000

暴露時間（h）の 疲 労 限 度 を 用 い て い る。10 7cycleに お ける
「EXEO-E900」と各種耐熱材料における疲労強度

図10 「EXEO-E900」の900℃における高温暴露試験結果と温度の関係を図13に示す。
700

1）高温強度よりも優れている。図11に「EXEO-E900」と各種耐熱材料の引張強度と温度の関係を示す。
800

EXEO-E900
Inconel 718
Inconel X-750
SUH660
SUS301S

700
600
500

疲労強度（MPa）

300MPaを超えており、Inconel 718やInconel X750

500
400
300
200
1000550

600

650

700

750

800

850

温度（℃）

図13 「EXEO-E900」と各種耐熱材料における疲労強度と温度の関係

400
300
200
1000700

EXEO-E900Inconel 718
Inconel 751
SUS310S

600「EXEO-E900」は、900℃近傍での引張強度は、引張強度（MPa）

1温度（℃）

100750

800

850

900

950

1,000

温度（℃）

図11 「EXEO-E900」と各種耐熱材における引張強度と温度の関係

52050030003

EXEO-E900
SUS310S
SUH660
Inconel 600
Inconel 718
Inconel X-750

1,050900

5.「EXEO-E900」
熱処理条件4）クリープ特性「EXEO-E900」、Inconel X-750およびInconel 751のクリープ線図を図14に示す。それぞれのクリープ「EXEO-E900」は、析出強化型ニッケル基合金破断時間を表1に示す。
「EXEO-E900」のクリープであり、熱処理品質を管理することが重要となる。

破断時間は、Inconel X-750の10倍以上、Inconel

しかし、複雑かつ長時間を要する熱処理は、生産751の2倍以上に改善されている。
（図14、表1）性の悪化を招く。そのため、「EXEO-E900」では、750℃×4時間という時効処理条件を推奨している。
図15に「EXEO-E900」の熱処理パターンを示す。た100クリープひずみ（％）

90

EXEO-E900

Inconel X750

Inconel 751

だし、ワークの大きさに応じて、ワーク内部まで均熱

8070

される時間を考慮して、熱処理時間の設定を行なわ60なければならない。

504030



750℃

20100



020406080

100120140160

180200時間（h）

ガス冷

図14 「EXEO-E900」、Inconel X-750およびInconel 751のクリープ線図

表1 「EXEO-E900」、Inconel X-750および
Inconel 751のクリープ破断時間
材種

破断時間（h）

伸び（％）

絞り（％）

Inconel X-750

13.893.297.2

Inconel 75169.613.1

10.5

EXEO-E900

163.8

32.1

59.4

NACHI TECHNICAL REPORT

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4h
図15 「EXEO-E900」の熱処理パターン

66. まとめ「EXEO-E900」は、900℃近傍でも優れた高温強度を有することから、エンジン排気系のような高温環境下で使用される自動車部材に適した材料となっている。排気バルブやウェイストゲートバルブ他構成部品などの部位に推奨提案を行なっている。
図16に「EXEO-E900」の提案部材例を示す。
今後も、さらなる技術開発をすすめ、産業発展に貢献する材料開発にとり組んでいく。

タービンユニット

吸気

排気

エアクリーナーインタークーラー

ウェイスト
ゲートバルブウェイストゲートウェイストゲートバルブ

排気バルブ

エンジン

排気バルブ

図16 「EXEO-E900」の提案部材例

用語解説

引用文献

※1 ウェイストゲート機構
タ ー ボ チ ャ ー ジ ャ ー に よ る 過 給 エ ン ジ ン で は、 過 給 圧 が設 計 値 を 超 え る と エ ン ジ ン ブ ロ ー や タ ー ビ ン ブ ロ ー に 陥 る。
ウェイストゲート機構は、ターボチャージャーによる過給圧を制御するため、エンジン排気側とタービンの間に設置されたバルブを開閉することで、排気ガスの流入量を調整する機構。

1） Hansen, J., R .Ruedy, M .Sato,and K . Lo, 2010:Globalsurface
temperature change.Rev.Geophys.,48,RG4004,doi:10.1029/
2010RG000345.
2） IEA CO2 EMISSION FROM COMBUSTION（2012）
3） 日経Automotive Technology 2013年1月 p.63
4） 日経Automotive Technology 2015年4月 p.66
5） 自研センターニュース（2012年12月 第447号）
6） 耐熱合金のおはなし 田中良平著 p.31,33より※2 Inconel
InconelはSpecial Metals Corporationの登録商標です。

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January / 2016〈発行〉2016 年 1 月 20 日株式会社 不二越 技術開発部
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