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R&D Review of Toyota CRDL, Vol.51 No.1 (2020) 1-27

スペシャルレビュー
レビュー

自動車エンジン部品用にデザインされた低コスト高性能Ti/TiB複合材料：
材料設計、製造プロセス、そして残された課題
斎藤 卓
2020 年 3月20日受理

せࠉ᪨

1998年秋、トヨタ自動車は世界に先駆けて、チタン基複合材料製のエンジンバルブを量産車に採用した。本稿では、まず、豊田中央研究所において1980年代半ばより開始した、チタン部品の低コスト化製造プロセスの開発と、本プロセスを活用した、画期的なチタン基複合材料の創製について解説する。そして、本材料をトヨタグループ各社との連携により、自動車部品として実用化するまでの流れを述べ、さらに、自動車用材料として、チタンを広く活用するために残された課題を解説する。
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チタン合金、金属基複合材料、MMC、TiB、粉末治金、素粉末混合法、焼結、自動車、エンジン部品、排気バルブ、F1

目次
1. はじめに6. チタン基 MMC 製エンジンバルブの開発

2. 自動車用材料としてのチタン合金の課題

6. 1 開発目標の設定

3. チタン部品の低コスト化へ向けたチャレンジ

6. 2 究極の超低コストプロセス

3. 1 粉末冶金技術の可能性

6. 3 合金組成の選定と熱処理条件の最適化

3. 2 焼結チタン合金の密度と残留空孔

6. 4 機械的性質と熱間加工性に及ぼす TiB 粒子量の4. 焼結チタン合金の高性能化へ向けたチャレンジ
4. 1 高密度化、残留空孔微細化、組織改良を鼎立させる
新プロセスの開発

影響
6. 5 排気バルブとしての耐久性および信頼性
6. 6 エンジンバルブとしての性能

4. 2 焼結チタン合金特有の組織制御

7. 開発チタン基 MMC のトヨタ F1エンジンへの適用

4. 3 プロセスおよび合金組成改良による機械的性質

8. さらなるコストダウンの追求の改善
5. 高性能チタン基複合材料（MMC）の開発
5. 1 チタン基 MMC に最適な強化相の選定
5. 2 TiB 粒子強化チタン基 MMC 用マトリックス合金の8. 1 量産車エンジン部品としての課題
8. 2 超高密度金型成形技術の開発
8. 3 連続焼結炉による生産性向上
9. チタンの汎用化に向けた提言（結言に代えて）最適化
5. 3 TiB 粒子強化チタン基 MMC の熱間加工性© Toyota Central R&D Labs., Inc. 2020

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1. はじめにエンジンの往復運動部品をチタン化できれば、従来の鋼製部品に比べ、大幅な高回転化が可能となるため、レー
シングカーの世界では、チタン合金製のコネクティングロッ
ドが多用されている。また、往復運動部品のもう一つの代表であるエンジンバルブに関しても、古くから軽量化が取り組まれている。しかし、市販のスポーツカーにおいて、吸気バ
ルブにチタン合金を採用したケースはあるが、排気バルブまでチタン化した例は無かった。これは、コストの問題以前に、自動車エンジンの燃焼排気ガス中で、長時間耐えられるチタン合金が存在しなかったからである。
トヨタ自動車 株式会社（以下、トヨタ）は、今から 22 年前（1998 年）に、TiB 粒子 強 化 型 チタ ン基 複合材 料（TiB/
Ti-MMC [Metal Matrix Composites]）製の排気バルブと、焼結チタン合金製の吸気バルブを同時採用したエンジン

IntakeExhaust（3S-GE）を搭載した量産乗用車（アルテッツァ）を発売した（Fig. 1）。本 TiB/Ti-MMC 技術のオリジンは株式会社豊田中央研究所（以下、豊田中研）にあり (1-6)、トヨタ生技開発部、株式会社ファインシンター、愛三工業株式会社との共同開発により実用化に至ったものである (7-9)。そして、9 年後

Fig. 1 T
 he first mass-produced car in the world tofeature TiB/Ti-MMC engine valves.

の 2007 年からは、トヨタの F1エンジンにも、本技術（高性能版）が横展開され (10)、好成績を収めたのは記憶に新しい。
さらに、本エンジンバルブは、2010 年に限定販売された超高性能スポーツカー、トヨタLF-A用のエンジン（1LR-GUE）

Lexus LFAに採用され (11)（Fig. 2）、2014 年からは、レクサス RC-F用のエンジン（2UR-GSE）にも搭載された (12)。一方、アルテッツァ
発売直後の 2000 年からは、ヤマハ発動機株式会社において、モトクロス用バイク（YZ-250F）エンジンへの搭載が始
まり、現在でも多量に使用されている。
本稿では、トヨタはなぜ、レーシングカーではない量産大衆車の、吸気バルブと排気バルブを同時にチタン化できた

1LR-GUEのか、について解説したい。さらに、本技術は道半ばにして適用車種の拡大が停滞しているが、その理由、ならびに今後に残された課題と、その解決策ついても言及したい。

Fig. 2 A ppearance of Lexus LFA and its NA 4.8-liter
V10 1LR-GUE engine.

© Toyota Central R&D Labs., Inc. 2020

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R&D Review of Toyota CRDL, Vol.51 No.1 (2020) 1-27化物）からの単離（製錬）が難しいこと。そして、もう一つは難

2. 自動車用材料としてのチタン合金の課題

加工性の問題。すなわち、溶融チタンは溶解ルツボや鋳Fig. 3 は、代表的な構造用金属材料の比強度（抗張力／型との反応性が極めて高いことに起因する「難鋳造加工

比重）を比較したもので、その序列は、凡そ、普通鋼＜強力性」、結晶構造が六方晶であることに加え、結晶粒成長速

アルミニウム合金＜高張力鋼＜強力マグネシウム合金＜ア

度が著しく速いことに起因する「難鍛造加工性」、さらには、

ルミニウム基複合材料＜マルエージ鋼＜チタン合金の順で刃工具との凝着反応性が著しいことに起因する「難切削 ・ある。このように、チタン合金は、実用金属材料の中では、研削加工性」の問題を抱えている。一方で、これらの難加

最も比強度の高い材料として知られている。このため、軽量

工性は、材料歩留まりの大幅な低下をもたらし、さらなるコス化が必須の、航空、宇宙、兵器、レーシングカー、スポーツ

トアップに繋がる。 Fig. 4 に、一例として、チタン合金製のエ用品などの分野では不可欠の材料として多用されている。

ンジン部品（トヨタ F1エンジンのコネクティングロッド）の実体

また、チタン合金の優れた特性の一つとして挙げられるの写真を示す。右が、鍛造加工後バリ取りを施した状態の素が、類まれな耐食性である。この性質を利用した用途として形材で、左が切削加工後の最終製品である。重量は、鍛造

は、耐候性建材、船舶、海洋構築物、調理器具、食器など

素形材が約 850g、切削加工後の製品は約 250g で、材料が知られている。さらには、チタンは、人体に対する毒性が歩留まりはわずか 30% 程度しかない。航空機などの複雑極めて低いため、人工骨、インプラント、カテーテル、歯科矯正

形状部品では、材料歩留まりがさらに低下し、10% に満た器具など、医療分野でも欠かすことのできない素材である。

ないことも珍しくない。

以上のような、構造用金属材料として、数々の優れた特性

チタン合金を、量産大衆車の運動部品に採用するためを有しているにもかかわらず、その利用範囲が限定されていには、まずは、以上述べてきたコストの壁を乗り越えなけれる理由は、チタンの製品価格が極めて高いためである。金ばならない。一方で、チタン合金は「比強度」において、現用属元素の中では、地殻中の含有量は比較的高く、シリコン、の鋼に対し圧倒的優位にある事は前述した通りであるが、アルミニウム、鉄、マグネシウムに次ぐ資源量であり、クロムやこれを自動車の運動部品に採用しようとすると、いくつかのニッケル、銅、マンガン、炭素、燐、硫黄などに比べると桁違問題点が浮上する。第一に、「剛性」の問題がある。構造用

いに多く存在するにもかかわらず、チタン製品は極めて高金属材料（鋼、チタン合金、アルミニウム合金、マグネシウム価である。その理由は二つある。ひとつは、酸素との結合力

合金、銅合金、等）の「比剛性」（ヤング率／比重）は、なぜかが極めて強く、難還元性（易酸化性）であるため、鉱石（酸金属の種類によらず、何れも 25GPa/cc/g 付近にある。このStrength converted to specific gravity of steel (MPa)
0

1000

2000

3000

4000

Normal steel
High-strength Al alloy
High-strength steel
High-strength Mg alloy
Al alloy MMC
Maraging steel
Titanium alloy

0

100

200

300

400

500

Specific tensile strength (strength/specific gravity) (MPa)Fig. 3 C omparison of specific strength (tensile
strength/specific gravity) of various structural
metals.

© Toyota Central R&D Labs., Inc. 2020

Fig. 4 T itanium alloy (SP-700) connecting rod for
Toyota F1 engine (left) machined from hotforged preform (right).

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ことは、「強度」よりも「剛性」が設計基準となるような部品の存在していた。ひとつは、合金粉末法と呼ばれる方法で、目場合は、材料の代替による大幅な軽量化は望めないことを標とする組成のチタン合金粉末を、予め、ガスアトマイズ法 (18)意味している。次に「耐摩耗性」の問題。自動車エンジン用

や、回転電極法 (19)（REP 法）などのプロセスで製造し、それ部品には、多かれ少なかれ、優れた摺動特性が要求されを金属製の缶に封入した後、熱間静水圧成形法 (20)（HIP）

るが、鋼に比べ、チタン合金の耐摩耗性は低く、しかも安価で真密度化する方法。もうひとつは、素粉末混合法 (21)（B/E

な「表面処理技術」がない。そして最後に「耐熱性」の問題。

法）と呼ばれる方法で、純チタン粉末と強化用の母合金粉チタン合金は、アルミニウム合金やマグネシウム合金に比末とを混合し、金型により部品形状にプレス成形した後、真べれば、耐熱性に優れるが、自動車エンジンの排気系部空焼結法により緻密化する方法である。

品にとして、一般に使用されている「耐熱鋼」を凌駕するような、高温特性を有する耐熱チタン合金は皆無である。

前者の合金粉末法は、合金粉末の製造や HIP 処理に多大なコストがかかるのみならず、材料歩留まりが極めて低以上述べてきたように、チタン合金を量産車部品に採用い（ネットシェイプ成形が不可能）ため、従来の溶製鍛造法

するためには、二つの大きな課題をクリアしなければならなに比べて、コストメリットは全くないが、均一組成および均一

い。まずは、現用の鋼製部品に対抗できるレベルの、安価組織の、高性能チタン合金素形材の製造技術として注目な部品製造コスト（原材料、加工プロセス、加工歩留まり、表されていた。一方の素粉末混合法は、安価な純チタン粉末

面改質、等々）の実現。そして、比強度以外の材料特性（比剛（スポンジファインや水素化脱水素粉末）と、安価な母合金性、耐摩耗性、耐熱性、等）の飛躍的な改善。これらの課題

粉末（溶解鋳造⇒粉砕粉）を混合し、金型成形により製品を同時に解決しない限り、現在の量産大衆車に使用されて形状に成形した後、真空焼結により高密度化する方法で、いる鋼製の部品を、チタン合金に置き換えることはできない。

ニアネットシェイプの製品を直接製造することが可能である。このため、溶製鍛造法や合金粉末法に比べ、遥かに低3. チタン部品の低コスト化へ向けたチャレンジ (13-15)

コストで部品を製造できる。しかし、この方法は、「安かろう、悪かろう」の諺どおり、材料特性が鍛造法で製造したものよ3. 1 粉末冶金技術の可能性

りも遥かに劣る。特に、材料特性の中でも、実用上極めて重要な“疲労強度”が、通常の溶製鍛造法による製品と比べ、チタン合金部品のコストを引き上げている理由は、前節著しく低いことが致命的な問題とされていた (22)。 Fig. 5 は、で列記した通りであるが、これらを根本的に見直さない限

代表的なチタン合金として知られるTi-6Al- ４V（mass%）合り、飛躍的なコストダウンは不可能である。まず、原料素材コ

金を、素粉末混合焼結法によって製造した場合（○、◇）と、ストに関しては、材料特性を低下させずに、何処まで不純焼結後 HIP 処理した場合（□）の疲労特性（引張り圧縮疲

物の混入を許容できるか、が課題である。次に、材料歩留

労試験 ： 応力比 R= 0.1）を比較した結果である。素粉末混まりを徹底的に向上させるための、安価なネットシェイプ加合法による焼結材は、使用した原料粉末により特性に幅

工技術へのチャレンジ。そして、低コスト表面処理技術や、はあるが、HIP 処理材（□）との疲労特性の差は歴然として切削加工技術の開発。さらに、これらの製造技術の飛躍的おり、本プロセスが信頼されない理由がよく分かる。なお、改善のためには、生産加工に適した合金組成や組織制御

HIP 処理を施した焼結チタン合金の疲労特性は、溶製鍛技術の高度化も、併せて取り組まなければならない。

造法により製造した素材と比較しても全く遜色がない (17)。

そこで、私たちが注目したのが粉末冶金技術である。金素粉末混合法本来のコストメリットを活かしつつ、疲労特属粉末を金型内で圧縮成形し、高温で焼結して製品化す性を改善できる方法を見つけられれば、量産自動車部品とる粉末冶金技術が、1970 年代から、鉄鋼部品の安価な成してチタン合金が使えるようになるかもしれない、ということ

形加工技術として大いに注目され、自動車部品にも採用さが、1980 年代半ばに、私たちが研究に着手した最初のモれ始めていた。私たちが、チタン合金を自動車部品に適用

チベーションである。素粉末混合法による焼結チタン合金

できないかを検討していた当時（1980 年代半ば）は、チタンには、空孔が残留するため、その切欠き効果で、疲労特性の粉末冶金の研究も、軍事目的を中心に、主に米国におが劣ると考えられていた。したがって、焼結材は HIP 処理をいて取り組まれ始め(16-18)、世の中には二つの大きな流れが© Toyota Central R&D Labs., Inc. 2020

施して残留空孔を完全に除去しなければ、重要部品には
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Maximum stress (MPa)Ti-6Al-4V alloy(a)

HDH sinter and HIP

HDH as-sintered
HSF as-sintered
R = 0.1
f = 30 Hz(b)
Cycles to failure

Fig. 5 C omparison of fatigue properties of B/E as-sinteredTi-6Al-4V alloy using different type of titanium
powders and post sinter HIP’ing.

使えない、というのが当時の定説であった(17)。しかし、焼結

チタン合金では、どの程度の大きさの空孔が、どの程度

40 μm
Fig. 6 C hange in sintered microstructure of Ti-6Al-4V
alloys using different type of titanium powders:(a) HSF powder and (b) HDH powder.

存在すると、疲労強度がどのくらい低下するのか、などの基本的な研究は報告されていなかった。そこで、私たちは、なぜ、焼結材の疲労強度は低いのか、を調査することから着手した。

私たちは、安価な HSF 粉末を使用した場合に、残留空孔を何処まで均一かつ微細にできるか、にチャレンジすることとした。 Table 1 は、HSF 粉末と HDH 粉末の化学分

3. 2 焼結チタン合金の密度と残留空孔

析値と、当時（1985 年頃）の価格を比較したものであるが、両者の粉末には 3 つの大きな相違点がある。すなわち、Fig. 6に、典型的なTi-6Al-4V焼結合金の組織を示す。

① HSF 粉末の価格は、HDH 粉末より著しく安価、② HSF

Fig. 6(a) は、チタン粉末として、不純物は多く含まれるが、粉末には、HDH 粉末には含まれないナトリウム（Na）と塩素

安価な Hunter 法スポンジファイン（HSF）を原料とした場合（Cl）が多量に残留している、そして、③ HSF 粉末の酸素含で、Fig. 6(b) は、不純物含有量は低いが、比較的高価な水

有量は HDH 粉末の半分程度と低い。これらの相違は、両素化脱水素粉末（HDH）を用い、いずれも、392MPa の圧チタン粉末の製造工程に起因するもので、以下に簡単に説力で金型成形後、真空焼結（1300℃×4 時間）した場合の明する。

組織である。どちらも、焼結体の密度は真密度の 97% 程

まず、HSF 粉末は、Hunter 法（ナトリウム還元法）によるス

度に達しているが、残留空孔の分布や形態が大きく異なる。

ポンジチタン製造時に副産物として発生する、他に利用価

HSF 粉末を原料とした場合は、残留空孔の分布が不均一

値の少ない、微粉末である。このため、価格は安く、また、スで、しかも、空孔のサイズも不ぞろいである。 Fig. 5 の疲労

ポンジチタンそのものであるため、酸素含有量は低い。し

特性線図中の◇印が HDH 粉末、○印が HSF 粉末を原料

かし、四塩化チタンを金属ナトリウムで還元する Hunter 法

として用いた結果である。これらの結果から、残留空孔のサでは、副産物として生成する多量の NaCl を、水で洗浄分

イズや分布が疲労特性に大きく影響すること、ならびに、高離する工程を経なければならず、粉末中への NaCl の残留

価な HDH 粉末を用いた場合でも、この程度の密度と空孔分は避けられない。 Fig. 7 に、市販の HSF 粉末から篩分離

布状態では、疲労特性が通常の溶製鍛造材や、合金粉末

した介在物（主に NaCl 粒子と Fe2O3 粒子）の写真を示す。

法による焼結合金には遠く及ばないことが明らかになった。

一方、HDH 粉末は、Kroll 法（マグネシウム還元法）により製© Toyota Central R&D Labs., Inc. 2020

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Table 1

Chemical analysis of applied titanium powders.

Powder

O

Cl

Na

Mg

Fe

Ti

Price (U.S. $/kg)

HSF

0.11

0.08

0.078

---

0.02

99.6

5 to 10HDH

0.19 < 0.002---< 0.001 0.029

99.8

20 to 50

NaCl

Fe 2O 3造したスポンジチタンを、一旦、水素化して脆化させ、粉砕

100 μmFig. 7 I nclusion particles extracted from the
HSF titanium powder.

工程を経て粉末化した後、500℃付近で真空脱水素処理を施して製造されたチタン粉末である。 Kroll法では、製錬時に生成した MgCl 2 は、真空処理で除去回収できるため、(a)Hunter 法のような、水洗浄工程を必要とせず、スポンジチタ
ン中の塩化物の残留は極めて少ない。ただ、この粉末は複数の熱処理工程を経て製造されるため、製造コストの上昇とともに、酸素含有量が比較的高くなりやすい。 Fig. 8 に、
HSF 粉末と HDH 粉末の形状を比較した SEM 像を示す。
HSF 粉末は、スポンジチタン特有のイレギュラーな形状を(b)

呈しており、一方、HDH 粉末は、破砕粉特有の角型塊状を呈している。
Fig. 9 は、HSF 粉末と HDH 粉末を用いた場合の、粉末
嵩密度（Tap）、圧粉体密度（Green）、焼結体密度（Sinter）

50 μmを比較したグラフである。 HSF 粉末使用材は、HDH 粉末
使用材に比べ、流動性に劣るため嵩密度は著しく低いが、酸素含有量が少なく軟らかいために変形しやすく、圧粉体
密度は HSF 粉末使用材の方が高くなる。しかし焼結時にFig. 8 A ppearance of (a) HSF and (b) HDH titanium
powders (−#150).

は、HSF 粉末使用材の緻密化は進行しにくく、最終的に、両者はほぼ同等の密度（約 97%）に到達する。 HSF 粉末

Titanium powders: −#150, Compacting: 392 MPa, Sintering: 1300℃ for 4 hours

使用材の焼結性が劣る理由は、混入した NaCl が、焼結温度においてもチタン中に溶解せず、チタン粒子間に取り残され、焼結による収縮を阻害するからである。 Fig. 6(a) の

Tap
Green

HSF

Sinter100μm を越える巨大な空孔は、この、NaCl 粒子に起因すTapるものと推察される。
HDH

Green
SinterDensity (g/cm3)

TheoreticaldensityFig. 9 C omparison of tap, green, and sintered densities of
Ti-6Al-4V alloy manufactured by conventional B/E
method using different type of titanium powders.

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4. 焼結チタン合金の高性能化へ向けたチャレンジ

理の影響が強く現れている。すなわち、HSF 粉末使用材で4. 1 高密度化、残留空孔微細化、組織改良を鼎立させるで、この「ピン留め効果」により、β 相の粒成長が抑制される

新プロセスの開発

は、微細化された NaCl 粒子は、チタンに全く固溶しないのとともに、粒内 α 相が「針状」から「等軸状」に変化する。一方、HDH 粉末使用材では、焼結時の緻密化に伴い残留

安価な HSF 粉末を用いた焼結体には粗大な空孔が残空孔が減少すると、介在物粒子のピン留めが働かないた

留するが、その原因は、粗大な NaCl 粒子が混入しているために、β 粒が著しく成長し、冷却時に生成する粒内の針状めと推察された。その生成メカニズムから、私たちは、粉末に

α 相は粗大化することが分かった。

混入している NaCl 粒子を微細化すれば、粗大残留空孔は除去できるのではないかと考え、チタン粉末に混入した
NaCl 粒子を破砕することを目的に、高エネルギーボールミ

4. 2 焼結チタン合金特有の組織制御

ルを用いて、チタン粉末に kneading（混錬処理）を施すこと

Ti-6Al-4V に代 表 さ れ る（α ＋ β）型 の チ タ ン 合 金 は、を試みた。母合金粉末は粒径が細かいほど、チタンの焼結

Fig. 6, 11に示したように、焼結温度（β 相安定領域）からを促進することが分かっているので、まずは、高エネルギー

徐冷されると、粗大な針状（α＋β）組織となる。このような、方ボールミルを用いて、所定量の母合金を投入し微粉砕した向性を持った粗大針状組織は、疲労特性や、延性などの後、引き続きミル中に HSF チタン粉末を投入し、短時間の機械的性質に悪影響を及ぼすので、組織調整のための後混合とともに、チタン粉末に「混錬処理」を施した。 Fig. 10

熱処理が必要である。しかし、焼結温度から徐冷した状態に、処理後の HSF チタン粉末の外観を示す。 Fig. 8 に示

で均一微細な組織にできれば、焼結後の熱処理を省略した、処理前の HSF 粉末に比べ、粉末の形状は丸みを帯することが可能となる。

びた塊状となり、粗大な NaCl 粒子は微粉化され、母合金

徐冷状態で組織の微細化を実現するためには、β ⇒ α粉末とともに、チタン粉末の表面に微細粉末として付着して変 態 を 遅 らせる ことが重 要であり、このためには、β ⇒ αいる。また、この「混錬処理」で、粉末の流動性は著しく改善

変態温度を下げ（β 安定化）、しかも、β チタン合金の中で、され、粉末の嵩密度は 50% 近く上昇した。

自己拡散係数の小さい元素の添加が有効と考えられる。

Fig. 11 は、上記「混錬処理」を含む、新プロセスで作製

そこで、β チタン中での拡散係数を調査した結果 (23)、特異した Ti-6Al-4V 合金の焼結組織である。原料チタン粉末

的に拡散係数の小さい、Mo の添加が最も効果的であるの種類によらず、Fig. 6 に示した通常の方法で作製した場と 結 論された（Table 2）。予 想 通り、微 量 の Mo 添 加が、合と比較して、同一の成形および焼結条件でありながら、残針状 α 相の微細化には極めて有効であることが判明した

留空孔が激減するとともに微細化し、相対密度は 99% に（Fig. 12）。ただし、Mo を添加すると、焼結時に粗大化した

到達している。さらに、チタン合金の組織形態にも粉末処

β 相の粒界に沿って、冷却時に網目状の α 相が析出しやす
くなることも分かった（Fig. 12(a)）。この網目状粒界 α 相の析
出を抑制するには、焼結時に、β相の結晶粒成長を抑制する微細析出物の分散が有効ではないかと考え、チタンとの相互溶解度が小さく、高温においても、チタンに溶け込まない粒子を探索した。その結果、前出の NaCl を含め、Y2O3、
YCl 3、B などを微量添加した場合に、焼結時の異常粒成長を効果的に抑制するとともに、針状 α 相が等軸化することが判明した。代表例として、Fig. 12(b) に、Ti-6Al-4V 合

30 μm
Fig. 10 Surface morphology of HSF powder after kneading.

© Toyota Central R&D Labs., Inc. 2020

金に、少量の Mo と B とを複合添加した焼結合金の徐冷組織を示す。 Mo 添加で微細化した針状 α 相が、B 添加により等軸化するとともに、網目状の粒界 α 相は消失し、極めて微細かつ均一な等軸状組織となっている。ここで注目すべ
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(a)

(a)

(b)

(b)

30 μm

30 μm
Fig. 11 C hange in sintered microstructure of Ti-6Al-4V
alloys using new mixing process and different
titanium powders: (a) HSF and (b) HDH. The
sample preparation conditions were the same as
the alloys shown in Fig. 6.

Table 2

Fig. 12 E ffect of Mo and B addition on the
microstructure of HDH Ti-6Al-4V
alloy: (a) Ti-6Al-4V-1Mo and(b) Ti-6Al-4V-1Mo-0.3B. Other
conditions are the same.

Comparison of impurity diffusivity of several β-stabilizing elementsin β-titanium at 900℃, normalized by the self-diffusivity of titanium.

Element

Ni

Co

Fe

Mn

Cr

Ti

V

Nb

Mo

Diffusivity

56

42

18

4.9

1.8

1

0.7

0.6

0.2

き現象として、添加した B は、チタン合金中で熱力学的に安のサイズ（平均粒径：40μm or 9μm）、粉末の「混錬処理」の定な、微細 TiB 粒子として分散していることを見いだした。こ有無、ならびに、組織改良成分（Mo ＋B）添加の有無によの TiB 粒子の微細分散が、焼結時の β 結晶粒の粗大化をる、焼結密度、最大残留空孔サイズ、引っ張り特性、を比較

抑制するとともに、冷却時に α 相析出の核となり、等軸化をした結果で、また、Fig. 13 は、Table 3 に示した 6 種類の促進したものと考えられる。この発見が、後のチタン基複合

試料A～ F の、疲労特性を比較した結果である。

材料開発への大きなヒントとなった。

これらの結果を纏めると、安価な HSF チタン粉末を用いても、粉末に適度な「混錬処理」を施すだけで、高価な

4. 3 プロセスおよび合金組成改良による機械的性質の改善

HDH チタン粉末を用いた HIP 処理材にほぼ匹敵する強度特性（静的、疲労）が得られる。このことから、残留空孔の最大径が 20μm 未満であれば、疲労特性に大きくは悪影

Table 3 は、代表的な Ti-6Al-4V 焼結合金において、原響を及ぼさないことも判明した。さらには、微量の組織改良

料チタン粉末の種類（HSF or HDH）、Al-40V母合金粉末

成分の添加と「混錬処理」との組み合わせで、安価な HSF© Toyota Central R&D Labs., Inc. 2020

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Table 3

Comparison of static mechanical properties of B/E titanium alloys and manufacturingconditions.

Maximum stress (MPa)5. 高性能チタン基複合材料（MMC）の開発 (1-6)
5. 1 チタン基 MMC に最適な強化相の選定
高温で焼結する素粉末混合法を前提とした場合、チタン
合金を強化するための理想的な複合強化相としての条件
は、①強度、硬さ、耐熱性、剛性が高い、②高温から低温まR = 0.1
f = 30 Hz

で、チタン合金の中で熱力学的に安定、③強化相を構成する元素がチタンマトリックス中に固溶しにくい、④マトリックス／
Cycles to failure

強化相間の熱膨張差が小さい、⑤マトリックス／強化相間の結合強度が高い、などを挙げることができる。しかし、当

Fig. 13 C omparison of fatigue properties of blended
elemental Ti-6Al-4V alloys prepared under thevarious conditions listed in Table 3.

時（1980 年代後半）、米国を中心に研究が開始されていた、チタン基複合材料の強化相（TiC、SiC、TiN、Al 2O3 など）
は、いずれも、チタン合金中での熱力学的な安定性が低い、あるいは、相互溶解度が大きいなどの理由で、本来、強化相としては不向きである。しかし彼らは、強化相とチタン

チタン粉末を用いた場合でも、高価な HDH 粉末を使用しマトリックス間の界面を修飾するなどの方法で、界面反応をた、HIP 処理材を大幅に超える機械的性質が、焼結のまま抑制して高性能化しようと試みていた (24)。

で得られることが分かった。

一方、私たちが独自にたどり着いたのが、前節で述べた

以上、安価な素粉末混合法でも、粉末処理プロセスと添

TiB という化合物粒子の複合化である。この化合物は、熱力

加成分の改良で、高価な溶製鍛造材と遜色のない材料特学的性質において、上記の既存強化相よりも好ましいこと性が、容易に得られることが判明した。しかし、「1. はじめに」が、Fig. 14 に示した Ti-B系平衡状態図からも容易に想像でも指摘したように、チタン合金を自動車用構造材料としてできる。すなわち、室温から融点直下の高温まで、ホウ素は、

考えると、そのパフォーマンスは十分とは言えず、さらなる高チタン中にはほとんど固溶せず、また、TiB 相は Ti：B＝50：

性能化が不可欠である。そこで次に私たちは、低コストかつ50 の化学量論化合物であり、ほとんど固溶幅をもたない。こ高性能なチタン基複合材料の開発を目指した。

のことは、チタン合金中では、TiB 粒子は熱力学的に極めて安定で、しかも、チタンマトリックスの機械的性質に悪影響を及ぼさないことを示唆している。さらに、Table 4 に示すように、TiB は、強度、弾性率が極めて高いばかりでなく、線膨張© Toyota Central R&D Labs., Inc. 2020

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係数がチタン合金とほぼ等しい、という、チタン合金の強化相

以上の事前調査から、私たちは、素粉末混合法によるチとして、まさに理想的な性質を有していることが推察された。

タン合金の強化相としてTiBを適用すれば、飛躍的な特性向上が期待できることを確信した。 TiB は、チタン合金の中でこそ安定に存在できるが、それ自身は不安定なため、粉末として入手することはできない。ただ、原料粉末として各種硼

Mass % B

化物粉末を用いれば、硼化物を構成する硼素原子が、焼結

Temperature (℃)

過程において、より親和力の強いチタン原子と再結合して、L

安定な TiB 粒子に変化する。 Fig. 15 は、HSF チタン粉末

Ti 3 B 4と、Al-40V母合金粉末とTiB ２粉末とを、高エネルギーボー
ルミル中で攪拌混合し、392MPa の圧力で金型成形後、

β Ti

TiB2

TiB

1300℃×16hr真空焼結した合金（10vol%TiB/Ti-6Al-4V）

βBの組織写真である。角板状の TiB 粒子が均一に分散して

αTi

Ti

おり (a)、拡大写真 (b) から、TiB 粒子とマトリックス合金とのB

Atomic % B

Fig. 14 Phase diagram of Ti-B binary system.

Table 4

界面は直線的で、電子線ステレオ解析の結果、β チタンマ
トリックスと TiB 粒子界面の整合性が極めて良好であることが分かった (c)。 Fig. 16 は、HSF チタン粉末を用いて新

Adaptability of reinforcement compounds for titanium matrix composites.

(a)

(b)

20 μm

(c)

2 μm

2 nm

Fig. 15 M
 icrostructure of B/E 10 vol% TiB/Ti-6Al-4V MMC: (a) macro image (SEM), (b) TiB particle(TEM) and (c) TiB/b Ti interface (TEM).

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Table 5

Combinations of master alloy compounds for
manufacturing B/E titanium alloys.
(mass%)

Target titanium alloy composition

Combinations of master alloy compounds

Ti-6Al-4V, Ti-3Al-2V

Al-40V

Ti-6Al-4V-1Mo-0.2B

Al-40V + pure Mo + TiB2

Ti-8Al-1Mo-1V
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.2Si
Ti-6.5Al-4.5Sn-4.5Zr-1Nb-1Mo-0.35Si
Ti-5Al-12Cr-3.3V
Ti-10V-2Fe-3Al
Ti-4.5Fe-7.0Mo-1.5Al-1.5V
Ti-33.5Al

Al-38Ti + Al-40V + pure Mo
Al-14Sn-28Zr-1.4Mo-1.4Si
Al-25Sn-25Zr-5.6Nb-5.6Mo-1.9Si
Al-40V + pure Cr
Al-40V + Fe-80V (ferro-V)
Al-50V + Fe-62Mo (ferro-Mo)
Al-38Ti

Fig. 16 I ncrease in fatigue strength of Ti-6Al-4V
sintered alloy by addition of 10 vol% TiB
particles obtained by the new B/E process.
た、各種チタン合金を製造するために採用した母合金粉末の組み合わせを示したものである。使用した母合金は、何プロセスで製造した Ti-6Al-4V 焼結合金と、Ti-6Al-4V合れも粉砕可能な組成を選定しており、一部、純金属粉末も金に10vol%TiB を複合化した MMC の疲労特性を比較し含まれている。例えば、強度および剛性のバランスの良いた結果で、TiB 粒子の複合化により、疲労特性が飛躍的に（α ＋ β）型 MMC として は、Ti-6Al-4V 合 金 や、Ti-3Al-2V

向上していることが分かる。通常の金属材料では、粒子複合金をマトリックスとした MMC を調査した。また、コンロッド

合化により、静的な強度や、剛性、耐摩耗性などを向上させなどへの適用を考え、究極の強度を目指した MMC として、ることは比較的容易であるが、疲労特性や衝撃特性を向β 型の Ti-7Mo-4.5Fe-1.5Al-1.5V 合金をマトリックスとした

上させることは極めて困難であると言われている。その理由

MMC の鍛造加工材を検討した。

は、一般にマトリックス合金と強化相との界面の結合強度がFig. 17は、母合金にAl-50VとFe-62Mo（Ferro Molybdenum）

不十分なことから、応力集中によって、界面が疲労亀裂発とを用いて作 製した 20vol%TiB/Ti-7Mo-4Fe-1.5Al-1.5V

生の起点となりやすく、また、界面に沿って亀裂が進展しや

MMC 焼結鍛造品の各種特性を、Ti-6Al-4V 焼結合金とすいためである。しかし、TiB 粒子とチタンマトリックスの界比較した結果である。静的および疲労強度は、それぞれ面は、Fig. 15(c) に示したように、結晶整合性が極めて高2 倍以上、また、ヤング率は約 1.5 倍の160GPa に達し、耐摩

く、強固に結合しており、また、Table 4 から明らかなように、耗性も極めて高い。

線膨張係数もほぼ一致していること、などの理由で、疲労

さらに、エンジン排気バルブ用として、究極の耐熱性を目特性が著しく向上したものと推察される。以上の結果から、指した（near-α）型の Ti-6Al-4.5Sn-4.5Zr-1Mo-1Nb-0.3Si

TiB がチタン合金の強化相として理想的であることが実証

合金をマトリックスとする MMC を調査した。従来、チタン合された。

金の耐熱性の限界と考えられてきた、650℃を優に越える
850℃の高温でも、耐熱鋼を上回る疲労特性が得られるこ

5. 2 TiB 粒子強化チタン基 MMC 用マトリックス合金のとが分かった（Fig. 18）。

最適化
Fig. 16 に示したデータは、Ti-6Al-4V 合金をベースとした場合であるが、素粉末混合焼結法では、母合金粉末を調整することで、マトリックス合金の組成を自由に変更することができるのが特長である。 Table 5 は、私たちが調査し© Toyota Central R&D Labs., Inc. 2020

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Tensilestrength

Fatiguestrength

Wear loss

Wear loss (mg)Young’s modulus (GPa)

20 vol% TiB β Ti-MMC

Ti-6Al-4V

Tensile / Fatigue strength (MPa)R&D Review of Toyota CRDL, Vol.51 No.1 (2020) 1-27

Young'smodulusFig. 17 C omparison of mechanical properties of 20 vol% TiB reinforced
β Ti-MMC with conventional Ti-6Al-4V alloy.

まり向上、機械加工最小化）、鍛造型の長寿命化などの相乗効果で、加工コストの大幅低減に繋がる。
Fig. 19 は、(a)（α ＋ β）型 の Ti-6l-4V 合 金 と、(b) β 型 の
Ti-7Mo-4.5Fe-1.5Al-1.5V合金、そして、(b)にTiB粒子を20vol%
複合化した、(c)20vol%TiB/Ti-7Mo-4.5Fe-1.5Al-1.5V MMCの熱間変形抵抗を比較した結果で、Fig. 20 は、円筒状試
験片を、800℃で 75% 圧縮（据込み）加工後の試料側面の写真である。粒子が複合化されていない、(a) の Ti-6Al-4V
合金は、1300℃の焼結過程で β 結晶粒が著しく粗大化し、焼結後の冷却過程で、粗大な（α＋β）組織を形成しているので、800℃付近では変形抵抗が大きいだけではなく、変形
Fig. 18

 ffect of TiB particle content on fatigueE
strength at 850℃ of the developed
TiB/Ti-6.6Al-4.6Sn-4.6Zr-0.9Nb-1.0Mo-0.35Si
MMC.

能も極めて小さく、圧縮率が 75％に達する以前から試料側面に割れが発生している。一方、(b) の β 合金と、(c) の β 合金
マトリックス MMC の場合、加工温度（800℃）は β 単相領域にあり、いずれも、（α＋β）型の Ti-6Al-4V合金より著しく変形抵抗が低く、また、変形能も高いことが見て取れる。特に、

5. 3 TiB 粒子強化チタン基 MMC の熱間加工性 (25)(c) は、20vol% もの TiB 粒子を複合化しているにもかかわらず、変形抵抗が、(b) のマトリックス合金とほぼ同等であるばチタン合金は、通常、室温付近では稠密六方構造（HCP）

かりでなく、試料側面は極めて滑らかであり、変形能はマトの α 相であるが、高温になると、体心立法構造（BCC）の β 相

リックス合金よりも、むしろ優れていることを示唆している。

に転移する。 β チタン相は、自己拡散係数が大きく、急激なFig. 21 は、Fig. 19, 20 に示した、(a) β マトリックス合金

結晶粒成長を起こす。従って、β 転移温度を超える高温にと、(b) 20vol%TiB β マトリックス MMC 材の焼結組織を比加熱すると、結晶粒が著しく粗大化して、鍛造割れが発生

較した結果で、MMC 材では多量に分散した TiB 粒子のピしやすくなる。このため、熱間鍛造加工は、変形抵抗の大き

ン止め効果により、β 相の結晶粒成長が抑制されていること

い、比較的低温の（α＋β）2 相温度領域にて行わなければが分かる。以上の結果から、TiB 粒子を複合化することで、ならない。しかし、β 単相領域に加熱しても結晶粒成長を抑これまでのチタン合金では、非現実的と考えられていた、制できれば、変形抵抗が小さく、かつ変形能の大きい超高超高温 β 領域での熱間加工が可能となる。 Fig. 22 は、温度域での鍛造が可能となり、ネットシェイプ化（材料歩留(c)20vol%TiB/Ti-7Mo-4.5Fe-1.5Al-1.5V MMC の丸 棒 焼© Toyota Central R&D Labs., Inc. 2020

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結体（φ40mm）を、大気中、1200℃以上の高温において、一上させるという、特筆すべき事実を発見した。この性質は、次発でコンロッド形状に鍛造加工した写真である。 TiB 粒子節のバルブ製造に際し、決定的なアドバンテージとなった。

を多量に含有しているにもかかわらず、熱間鍛造加工によっ

以上、開発した素粉末混合法によるTiB 粒子複合型チて、非常に薄いフラッシュが、割れもなく綺麗に広がっておタン基 MMC は、従来のチタン合金より、大幅に低コストでり、この複合材料（MMC）の熱間加工性が極めて高いことが製品化が可能でありながら、従来のチタン合金のレベルを理解できる。常識的には、熱間加工性を損なうのではない

遥かに超える材料特性のポテンシャルを有していることがかと危惧された TiB 粒子複合化は、逆に、熱間加工性を向明らかになった。

(a)

(a)
(c)
(b)

(b)

Fig. 19 C hange in hot deformability ofβ Ti-7Mo-4.5Fe-1.5Al-1.5V alloy byaddition of 20 vol% TiB particles
compared with α + β Ti-6Al-4V alloy.

100 μmFig. 21 P inning effect of the TiB particle on the β grain
growth during sintering. (a) β matrix alloy,(b) 20 vol% TiB MMC.

(a) Ti-6Al-4V alloy (α + β type)(a) Sintered blank(b) Hot-forged product(b) Ti-7Mo-4.5Fe-1.5Al-1.5V alloy (β type)(c) 20 vol% TiB/Ti-7Mo-4.5Fe-1.5Al-1.5V
MMC (β type)

50 mm

Fig. 20 S
 ide view of upset forging test specimens
compressed at 800℃: (a) Ti-6Al-4V alloy,(b) β Ti matrix alloy, and (c) 20 vol% TiB MMC.

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Fig. 22 C onnecting rod formed by one-heat-forging
at 1200℃ using sintered 20 vol%TiB/Ti-7Mo-4.5Fe-1.5Al-1.5V β-Ti MMC.

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6. チタン基 MMC 製エンジンバルブの開発 (7-9,26)性能を有し、かつ、コスト300 円／本以下で製造可能な、高性能チタンバルブを開発することを目標に設定した。

6. 1 開発目標の設定
6. 2 究極の超低コストプロセス
チタン合金を量産車へ適用するための、コスト的なハード
ルが最も低い往復運動部品は、吸気バルブであり、さらに最終的に決定された、バルブの製造プロセスを Fig. 23

開発チタン基 MMC を適用すれば、排気バルブにも適用でに 示 す。原 料 チ タ ン 粉 末 に は、HDH 純 チ タ ン 粉 末 よきる可能性もある。そこで、吸気バルブと排気バルブとを同時り も安 価 な、水素化チタ ン 粉 末 を、強 化 用の 母 合金 粉に開発することを目標としたフィージビリティースタディーを開末としては、排 気 バルブ用の超高耐 熱 性を 狙いとして、始した（1991年）。ターゲットエンジンは、1990 年代後半に市Al-25Sn-25Zr-6Nb-6Mo-1.2Si（mass%）組成の母合金粉販が予定される、スポーツタイプの 4 気筒 2000cc自然吸気

末を開発した。さらに、TiB 粒子を複合化させるための硼素

エンジンに設定した。当時、本田技研工業株式会社（以下、源として、TiB2 粉末を使用した。製造工程を要約すると以ホンダ）から近々リリースされると噂されていた、2000cc クラ

下の通り。各粉末を所定の割合に秤量⇒攪拌混合⇒割り

スの高性能スポーツカー（後の Honda S-2000）のライバル

金型プレス成形により、円柱状のビレット（16φ×42mm）に成車としての位置づけであった。ホンダは、独自の VTEC 技

形⇒真空炉中にて昇温し脱水素⇒1300℃で相対密度 95%術を用いた、超高回転型のショートストローク自然吸気エン以上まで緻密化⇒焼結ビレットを、大気中にて高周波加熱

ジンを開発してくると予想されていたので、当初は、私たちも、により1250℃まで加熱⇒サイアロン（約 50 年前に豊田中研エンジンの許容回転数を 8500 ～9000rpm に設定して開で発見された新しいセラミックス (27)）製の型内でステム部押発に取り組んだ。このような超高回転型のエンジンを実現す

し出し⇒最終バルブ形状に鍛造加工⇒焼鈍処理⇒最終

るためには、バルブの大幅な軽量化が必須であった。しか製品形状に削り出し⇒約 900℃の大気中加熱でシート当た

し、軽量バルブの製造に割けるコストアップの許容量はわず

り面とステム部を酸化処理⇒曲がり矯正⇒検査⇒製品。

かしかなく、製造コストが現用の耐熱鋼製バルブを大きく上開発した上記粉末冶金プロセスの適用で、従来のチタン

回ることは許されなかった。もしも、チタン製のバルブが低コ

バルブより遥かに低コストで製品化が可能となり、当初の目ストで製造可能なら、是非採用したい、というトヨタエンジン

標どおり、現用の耐熱鋼製排気バルブに近い、製造コスト：

設計部門からの強い要請で、開発に着手することとなった。

280 円／本が達成できた。低コスト化の要因は、以下の 4点

耐熱鋼エンジンバルブの製造コストは、１本あたり150 ～に集約される。①安価な水素化チタン粉末の適用、②混350 円程度であるが、当時、チタン合金製バルブ（吸気バル

粉⇒成形⇒脱水素⇒焼結の連続工程により、材料歩留まブ）の製造コストは、優に 1000 円／本を超えると言われてりほぼ100%で、押し出し鍛造用ビレットを製造、③ TiB 粒いた。一方、冷却効率の低い量産車エンジンの、排気バル子複合化により超高温鍛造を可能とし、最終バルブ形状にブに適用できる耐熱チタン合金は、世の中に存在しなかっ押し出し鍛造成形、④生産性が極めて高く、かつ安価な大た。そこで私たちは、吸気側と排気側の双方に適用できる

気中酸化処理による耐摩耗性の付与。

Fig. 23 The developed low-cost engine valve manufacturing process for the TiB particle reinforced B/E Ti-MMC.

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6. 3 合金組成の選定と熱処理条件の最適化

10vol%TiB でも約 10% の延性を維持している。
次に、実際のバルブ鍛造温度領域（1200 ～1250℃）で開発チタン基 MMC の優れた材料特性は、超高耐熱マの、高速熱間変形能に及ぼす TiB 粒子の影響について紹

トリックスと複合強化粒子（TiB）との相乗効果により達成さ介する。バルブ鍛造温度領域における、高速（500%/s）変れる。マトリクスの基本組成は、高温疲労とクリープ特性を

形時の延性を TiB 量で整理すると、Fig. 25 のようになる。

考 慮 し、Ti-6Al-4Sn-4Zr-1Nb-1Mo-0.2Si（mass%） に、まFig. 24 に示した、800℃での低速（10%/s）変形時の伸びた高温強度特性に加え、部品製造に際して重要な、延性、と、その傾向はほぼ一致しており、適切な量の TiB 粒子の熱間加工性、被削性、ならびにコストを考慮し、TiB 粒子量

添加が、熱間加工性を大幅に改善し得ることを示唆していを 5vol% に、それぞれ決定した。

る。これは、TiB 粒子の複合化によって、加熱時の β 結晶粒

チタン合金の材料特性は強い組織依存性があり、特に、
マトリクスの組織形態は、高温クリープ特性や高温疲労特成長が抑制され、熱間加工ウィンドウを、加工の容易な高温側まで拡張できるためである。

性に強い影響を与える。すなわち、粗大な針状組織を有す
るとクリープ特性に優れ、一方、微細な針状あるいは等軸組織とすれば疲労特性に優れる。そこで、通常の耐熱チタン合金の組織は、クリープ特性と疲労特性とが高度にバランスするよう、熱処理（溶体化＋時効）条件により微妙に調整される。
開発材では、TiB 粒子複合化による β 結晶粒成長抑制効果を有効に活用することで、一般のチタン合金では結晶粒粗大化のために適用が困難な、β 単相温度領域での焼鈍処理を採用するとともに、生産性が低くコスト高に繋がる
時効処理は省略した。

6. 4 機械的性質と熱間加工性に及ぼす TiB粒子量の影響
Fig. 24 に、室温ならびに 800 ～850℃における材料特性に及ぼす TiB 粒子の影響を、纏めて示す。室温強度 ､
高温強度、室温疲労強度ならびに高温疲労強度、いずれもTiB 粒子量の増加とともに上昇していることが分かる。特に、排気バルブ特性として、極めて重要な、高温（850℃）疲
労強度に及ぼす TiB 粒子の効果は著しく、5vol%TiB 程度の複合化でもバルブ鋼（21-4N）を凌駕している。
一方、高温クリープ特性は、TiB 粒子複合化により若干低下する傾向を示す。粒子複合量の増加に伴って、マトリッ
クスの針状 α 相が、微細化されるとともに等軸化することが、その主原因と考えられる。ただし、TiB 粒子量の影響はわずかであり、10vol%TiB 材でも、21-4N 鋼より優れたクリー
プ特性を維持している。
室温延性は、TiB 粒子量によらず、ほぼ一定であるが、高温延性は、少量の TiB 粒子添加で大幅に向上する。すな
わち、5vol% の TiB 添加で約 12% の最大値を示したのち、© Toyota Central R&D Labs., Inc. 2020

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R.T.

1200
1100
1000

Strain rate: 4.55 x 10−4/sec

900

Tensile elongation (%)

R.T.

15
10
5

Strain rate: 4.55 x 10−4/sec

0

R.T.
800
700
600
500

Stress ratio: −1
0

2

4

6

TiB content (vol%)

800

800℃

600
400

21-4N

200

Strain rate: 10%/sec

0

800℃
15
10
5

Strain rate: 10%/sec

0

Rotating bending
fatigue strength (MPa)

Rotating bending
fatigue strength (MPa)0.2% proof strength (MPa)

1300

8

10

100 hr creep deflection (mm)Tensile elongation (%)

0.2% proof strength (MPa)R&D Review of Toyota CRDL, Vol.51 No.1 (2020) 1-27

850℃
175

21-4N

150
125

Stress ratio: −1

100

800℃
30
20

21-4N

10
0

Max. stress: 50 MPa
0

2

4

6

8

10

TiB content (vol%)Fig. 24 C hanges in mechanical properties of the developed Ti-MMC in accordancewith TiB particle content at room and elevated temperatures.

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Tensile elongation (%)

140

1200℃

120
100
Maximum impact stress applied at high engine
speed (10000 rpm with valve jumping)80

Strain rate: 500%/s
60

0

2

4

6

8

10

TiB content (vol%)Fig. 25 E ffect of TiB particle content on high-temperatureductility at a rapid strain rate.

Fig. 26 E xample of reliability test results for thedeveloped exhaust valve (impact strength after
long term exposure to air at high temperature).

6. 5 排気バルブとしての耐久性および信頼性
開発 MMC の高温強度特性は、現用のバルブ鋼と同等

撃強度は大幅に低下するが、それでも、バルブが異常運動以上であることは前節で示した通りであるが、バルブとして（ジャダリング）した際に想定しうる、最大衝撃荷重の約 5 倍

重要な耐摩耗性の確保が不可欠である。チタン製のバルの室温衝撃強度を有していることが分かった。このように、ブに対しては、従来は Mo 溶射や CrN コーティングなど、極開発チタン基 MMC 製の排気バルブは、実使用環境下にめて高価な表面処理が不可欠と考えられていた。しかし、おいて十分な信頼性を有していることが証明された。

私たちは、安価かつ効果的な方法として、大気中での高温
酸化処理法を開発した。酸化処理により、表面付近のチタ

6. 6 エンジンバルブとしての性能

ン合金マトリックス中に、適量の酸素を固溶させ、耐摩耗性を向上させる狙いである。 TiB 粒子の複合化と、この大気中新たに開発した焼結チタンバルブを搭載した新型エン酸化処理の組み合わせにより、排気バルブとして十分な、

ジンは、諸般の事情により、最高回転数が、当初目標値のバルブシート当たり面の高温耐摩耗性、バルブステム部の9000rpm から7700rpm まで大幅に下げられてしまったが、耐摺動摩耗特性、ならびに頭頂部の耐焼き着き性を確保

それでも、旧型エンジンに比べ500rpm 高回転化し、当時することができた。

の 2000cc自然吸気エンジンとしては最高の 210 馬力を達次に、チタン合金は、耐熱鋼に比べて耐酸化性に劣るた成した。バルブ重量を 40%、バルブスプリング重量を16%、め、高温の燃焼ガス中で長時間使用した際の、酸化の問題

それぞれ軽減できたことで、高回転領域での騒音を 30%が懸念された。バルブとしての信頼性とは、第一に、絶対に低減、カム駆動トルクを 20% 低減し、高性能化と低燃費化

折れてはならないことである。高温で使用している間は、ことを両立させた。ただ、翌年ホンダからリリースされたS-2000

れまで示したように、優れた強度と延性とを有しているため、は、2000cc自然吸気エンジンでありながら、独自の可変バルバウンス発生を伴うような、超高速耐久試験（～9500rpm）

ブタイミングおよびリフト機構（VTEC）と超ショートストローク

でも、まったく問題は発生していない。課題は、室温付近にを採用することで、耐熱鋼製のバルブを採用していながら、おいて衝撃的な荷重が負荷された場合の信頼性である。

最高回転数 9000rpm を実現し、250 馬力を達成している。

そこで、室温における耐衝撃特性を信頼性の指標とした。
Fig. 26 には、過酷な使用環境での高温酸化を想定し、900℃で1000 時間まで大気中暴露した後の、室温での衝撃試験結果を示す。長時間の高温大気中酸化により、衝© Toyota Central R&D Labs., Inc. 2020

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7. 開発チタン基 MMC のトヨタ F1エンジンへの適用 (10,28,29)

同様であった。しかし、私たちの開発した新材料は、強度、

超高速回転化が要求されるレーシングエンジンでは、往耐熱チタン合金（Ti-1100：Ti-6Al-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si）

復運動部品の軽量化が極めて重要である。レース車両でより遥かにポテンシャルが高く、バルブのさらなる高性能化

は、比較的コストの制約が少ないため、これまでも広くチタが期待できた。

剛性ならびに耐熱性において、Del West社が使用していたン合金が使われてきた。開発した焼結チタン基 MMC 部品

F1用のエンジンは、シリンダヘッドの冷却性能が量産車

は、従来製法のチタン合金部品に比べ、大幅に低コストでよりも大幅に優れているため、排気バルブの温度上昇を低製造が可能なため、量産車に採用することができた。しかく抑えることが可能である。そのため、排気バルブに関してし、量産車エンジンでは、本材料のポテンシャルを十分には、基本的に、量産車（アルテッツァ）用に開発した材料では活かし切れておらず、本材料のもつ優れた比強度、比剛十分対応できた。一方、F1エンジン用の吸気バルブは、吸性、耐熱性を活かした究極の設計を行えば、部品のさらな気側のポート温度が量産車に比べ大幅に高く、バルブもる軽量化、高性能化、低燃費化が可能となる。

比較的高温に晒されるため、吸気バルブ用の Ti-6Al-4V

上記チタン基バルブを搭載した量産車アルテッツァを市

合金では耐熱 性が不足した。さらに、F1エンジン用の吸場投入した翌年の1999 年に、トヨタは F1レースへの参戦を

気バルブは、吸気効率向上のため、傘径を大きく、またス

表明し、ドイツケルン市郊外の Toyota Motorsport GmbH

テム径は細く設計したいので、材料には、より高い強度、剛（TMG）を母体として、エンジンとシャシー双方の開発を行う性に加え耐クリープ特性が要求される。そこで、マトリックス

コンストラクターチーム（Panasonic TOYOTA Racing）を発合金の組成を、排気バルブ用材料と同じ、耐熱性の高い

足させ、2002 年度から実戦投入を開始した。その後、FIA

TI-6Al-4Sn-4Zr-1Mo-1Nb-0.2Si（mass%）ベースの Near-α（Fédération Internationale de l'Automobile）のレギュレー

合金 組 成に 変 更する とと もに、複合 化 する TiB 粒子量ション変更により、規格が V10 からV8 に変更されたエンを、排 気 バルブ用 MMC の 2 倍（10vol%）に 増加させた。

ジンでも、20000rpm を超える超高速回転化が要求され、Fig. 27 に、市販車（アルテッツァ）エンジン用と F1エンジン

バルブトレーン もさらなる軽量化が必要となった。そこで、用の吸気バルブの外観を比較してある。傘径とステム径とTMG の F1エンジン部門のテクニカルディレクターであったの違いに注目して頂きたい。

ルカ ・ マルモリーニ（Dr. Luca Marmorini）の目に留まった

Fig. 28 は、F1エンジンの吸気バルブ用に新たに開発しのが、私たちが市販車用に開発した焼結チタン基 MMCた材料（MMC）と、アルテッツアに採用した旧材料（Ti-6Al-4Vである。当時、全ての F1チームのエンジンには、米国 Del合金）の、相対的な特性を比較した結果である。Fig. 28から、

West 社製のチタンバルブが使用されており、トヨタチームも

F1用材料の方が、強度、剛性、耐熱性いずれにおいても、

Altezza

F1

Fig. 27 D ifferent appearances of the intake valves forthe mass-produced 3S-GE engine (left) and
RVX-09 racing engine (right).

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Fig. 28 C omparison of the mechanical propertiesof the developed MMC for F1 intake valves
relative to those of the Altezza intake valve.

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8. さらなるコストダウンの追求

TF-1098. 1 量産車エンジン部品としての課題開発した焼結チタン基 MMC バルブの製造コストは、当
RVX-9

Intake valve
Exhaust valve

初の見込みどおり、従来のチタンバルブよりも遥かに廉価な、300 円／本未満を達成し、耐熱鋼製バルブと同等レベ
ルまで到達できた。
以上述べてきたように、チタン合金を量産車に適用する、という初期の目標は達成できたが、残念ながら、自動車用の汎用材料として定着したとは言いがたい。エンジンバル

Fig. 29 A ppearance of Panasonic-Toyota Racing F1car (TF-109) and cutaway view of 2398 cc
NA V8 engine (RVX-09).

ブは、元来、耐熱鋼という高価な材料が使用されてきた部品であるが故、何とか、チタン化が実現できたが、その他、比強度、比剛性を要求される多くの部品にチタン合金を適用するには、さらなるコストダウンが不可欠である。
これまで述べてきたエンジンバルブは、単純な円柱状の圧倒的に優れていることが分かる。特に疲労強度の向上

ビレットを、チタン加工の常識を超えた、1200℃以上という超と、耐クリープ特性の向上は、部品の耐久性に余裕をもたら高温で押し出し鍛造するという、比較的シンプルな工程で、すので、より軽量、かつ、吸気効率の高い形状の設計が可歩留まり良くネットシェイプ化できる特殊なケースであった。

能となるだけではなく、年々、厳しさを増すレギュレーション

しかし、一般的な機械部品は、複雑な形状をしているのが変更にも余裕をもって対応できた。すなわち、V10 からV8常であり、ネットシェイプ化するためには、Fig. 4 に示したよにエンジンレギュレーションが変更された 2006 年度、エン

うに、鍛造加工した素形材に、多大な機械加工を施さなけ

ジンの耐久性は 2 レース（走行距離換算で 500km 程度）まればならず、材料歩留まりが著しく低下する。一方、素粉末でもてばよかったが、2009 年度には、8 レース（走行距離換

混合法では、原料粉末をネットシェイプに金型成形し、これ算 2200km 以上）までエンジン交換が不可とされ、各チーを焼結したままで部品として使用できれば、究極の低コスト

ムはその対応に四苦八苦していた。このような条件下でも、化が達成できるはずである。これは、現用の焼結鋼部品のトヨタが余裕をもって大幅な出力向上を実現できたのは、私製造プロセスそのものであって、これを実現するためには、たちが開発したチタン基 MMC バルブの貢献が極めて大き

最低限、以下に述べる条件をクリアしなければならない。

いといわれている。

① 焼結のままで、機械的性質や信頼性が確保されること。

開発したチタン基 MMC 製のエンジンバルブを搭載したエンジンは、2007 年度から実戦投入され、少なくとも、エンジン性能においては他チームを圧倒した。トヨタが F1レー② 機械加工なしで、部品としての使用に耐え得る寸法精度が確保されること。
③ 連続焼結炉を使用した大量生産が可能なこと。

スから撤退する直前の 2009 年度（Fig. 29）だけを見ても、開発したプロセスを適用すれば、焼結のままでも、97% をPole Position を1 回、Fastest Lap を 2 回、そして、表彰台も超える高密度を達成でき、残留空孔も微細化されるが、十分

5 回獲得した。ただ、一度も表彰台の中央に立つことができな信頼性を得るには、さらなる高密度化の実現が望まれる。

なかったのが心残りである。
8. 2 超高密度金型成形技術の開発 (30)
焼結体の密度を、限りなく真密度に近づけるためには、成形体の密度を上げるのが近道であるが、むやみに成形圧力を高めることはできない。チタンは金型に凝着しやすいため、© Toyota Central R&D Labs., Inc. 2020

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高圧で成形を行うと、金型の「かじり」が発生するからであ付近 か らほぼ一定値となり、1960MPa に到達して も、約る。一般に、少量の潤滑剤を粉末に混合して焼き付き防止

5MPa という、極めて低い値に収まっている。 Fig. 31の結を図るが、潤滑剤の添加量を増やすと、脱蝋加熱中にチタ

果は、鉄系の粉末で得られたデータとほぼ同等であったが、ンと反応して、不純物として取り込まれ、製品の特性を損なチタンのスプリングバッグ量が鉄の3 倍近くあることを考慮す

うので、潤滑剤の添加は最小限にとどめなければならず、ると、潤滑の効果は、鉄粉よりもチタン粉の方がより強く現れ

600MPa を超える成形圧力の適用は難しかった。これに対ていることを意味している。次に、粒径の小さいチタン粉末

し私たちは、画期的な金型潤滑技術を開発し、2000MPa（HDH：− #350）を用い、同様の実験を行った結果を Fig. 32の圧力でも成形が可能な、超高圧粉末成形技術を見いだに示すが、1960MPa までのほぼ全ての成形圧力で、成形後した。以下に、技術の概略を説明する。

の抜き圧は1MPaを超えない。すなわち、超高圧力で圧縮後本開発技術のキーは、金型潤滑剤としてのステアリン酸の成形体が、わずか数ｋ g/cm 2 の力で金型から抜き出せるリチウム（Lithium Stearate ： Li-Ste.）と、約 150℃の温間成
形の組み合わせの発見である。これは、当時（1990 年代後半）、ドイツのフラウンホーファー研究所より豊田中研に実習に来ていた留学生が、鉄粉の金型成形用の潤滑剤を探索している中で、偶然発見した方法である。当初は、鉄粉の金型潤滑法として検討したのであるが、これをチタン粉末に適用した結果、鉄粉よりもさらに驚異的な潤滑効果を発揮することが判明した。 Fig. 30 に、開発した成形法の模式図を示す。約 150℃に保温した金型内部に、1mass% の
Li-Ste.を含有させた水溶液を吹き付け、金型壁に Li-Ste.
の皮膜を形成させてから、原料粉末を充填し、成形を行う方法である。 Fig. 31 は、通常の型潤滑剤である、ステア
リン酸亜鉛（Zinc Stearate ： Zn-Ste.）を塗布した常温金型
で、チタン粉末（HDH：− #150）を成形した場合と、Li-Ste.を塗布した150℃に加熱した金型で温間成形した場合の、成形後の金型の「抜き圧」と成形圧力の関係を比較した結果

Fig. 31 R
 elationship between ejection force andcompacting pressure for conventional
compaction and the developed warmcompaction using a coarse HDH titanium
powder (TS-150).

である。通常の成形法では、成形圧力の増加とともに「抜き圧」は上昇し続けているのに対し、開発法では、「抜き圧」の上昇は成形圧力 600MPa 付近で飽和し、それ以上の圧力では、成形圧力の増加とともに逆に低下し始め、1000MPa

Spray gunCarbide dieBandheater(150℃)

Water evaporates
instantaneously

1 mass% Li-Ste.
water solution

T.C.
10 µm
SEM image of Li-Ste. deposit

Fig. 30 C onfiguration of the metallic mold for theultra-high-pressure warm compaction.

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Fig. 32 R
 elationship between ejection force andcompacting pressure for conventional
compaction and the developed warmcompaction using a fine HDH titanium
powder (TS-459).

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R&D Review of Toyota CRDL, Vol.51 No.1 (2020) 1-27のである。弾性的に圧縮されたチタン圧粉体の、スプリング

1192MPa）で は、成 形 体 表面に ステア リン 酸 チタニウム

バックにより発生する応力を考えると、摩擦力が限りなくゼロ（Titanium Stearate ： Ti-Ste.）の膜が形成されていることが認に近づく、超潤滑現象が起こっていることを物語っている。

められた。これは、適度な温度（150℃）と高圧（600MPa以上）

Fig. 33 は、純チタン圧粉成形体の金型摺動面を比較の相互作用により、金型に塗布したLi-Ste.が、チタン粉末（あしたもので、左は通常の金型成形で、686MPaの成形圧力、るいは、粉末表面のチタニア皮膜）とメカノケミカル反応を起右は開発法で、成形圧力1960MPaで圧粉した成形体でこして、ステアリン酸チタニウムに変性したと解釈できる。このある。通常の方法では、686MPa の圧力で、明らかに、金型

Ti-Ste.皮膜は、チタン粉末（成形体）表面に強固に化学吸着へのチタンの凝着（型かじり）が認められ、成形圧力の限界

しており、このTi-Ste.皮膜と、金型表面に物理吸着した Li-Ste.

を超えていることが分かる。一方、開発法の1960MPa 成形との間で、上記の超潤滑現象が発生したものと推察される。

体の表面は光沢を保っており、全く凝着は生じていない。

Fig. 35は、開発成形法を用いて金型成形したTi-6Al-4V推察される超潤滑のメカニズムをFig. 34に示す。成形体

合金の、成形体ならびに焼結後（1300℃×4 時間）の、相対

表 面 の TOF-SIMS（Time of Flight Secondary Ion Mass

密度と成形圧力の関係を示した結果である。成形圧力のSpectrometer） 分 析 の 結 果 か ら、室 温 成 形 品（25 ℃、上昇とともに焼結体の相対密度は上昇し、490MPa 成形で588MPa）では、成形体表面には金型に塗布したLi-Ste.が、は 96% 程度であったものが、成形圧力1000MPa 以上ではそのまま付着しているのに対し、温間 ・ 高圧成形品（150℃、99% を超えている。このように、ほぼ真密度の焼結体が得られることは、信頼性の向上に繋がるのは勿論であるが、さらに重要な点は、成形圧力の上昇とともに、成形体密度とConventional method(686 MPa at room temperature)

Developed method(1960 MPa at 150℃)

焼結体密度の差が縮まっていることである。 Fig. 36 は、焼結後の寸法変化と成形圧力の関係を示したもので、通常の成形圧力では、焼結過程で 3% を超える寸法収縮を起こすのに対し、成形圧力の上昇とともに寸法変化は減少
していき、1000MPa を超えると、１% 以下の極めて小さい寸法変化に収まっている。これは、成形圧力を高くすればするほど、焼結後の機械加工を最小化できることを意味して

ρ = 4.01 g/cc (88.9%)

ρ = 4.49 g/cc (99.5%)いる。焼結後の機械加工を省略できれば、製品の大幅な低コスト化に繋がるが、究極は、機械加工なし、焼結肌のまま

Fig. 33 A ppearance of pure titanium green compacts(HDH: TS-150).

で使用できるのが理想である。焼結肌のままで、疲労強度をどの程度確保できるかが問題である。 Fig. 37は、金型プレ
ス面を上下にした、薄板焼結品（Ti-6Al-4V合金）の 4点曲げ疲労試験の結果で、通常の392MPa 成形・焼結品と開発
1568MPa 成形 ・ 焼結品の、焼結肌のままの試験結果を比較したものである。 105 サイクル以上で、明らかに高密度成形品と通常成形品の差が認められ、107 サイクル耐久強度は5 倍もの差が生じている。また、高密度成形品は、溶製鍛
造材（I/M）の機械加工品と比べても、全サイクル領域で、ほぼ同等の特性を示しており、高密度成形を行えば、焼結肌のままでも、機械加工品と遜色ない疲労特性が得られる
ことが実証された。 Fig. 38 は、392MPa 成形品と1562MPa

Fig. 34 O utline of lubricating film transformation on
the surface of titanium particles during highpressure warm compaction (TOF-SIMS).

© Toyota Central R&D Labs., Inc. 2020

成形品の焼結体表面を比較したもので、通常品の表面粗さ
は Ra=3.0μm 程度であるが、高圧成形品では Ra= 0.5μm 以下で、機械加工品と遜色ない平滑度であった。
https://www.tytlabs.com/review/22Fig. 35 R elationship of green and sintered densities
with compacting pressure for the developed
warm compaction using a coarse HDH
titanium powder (TS-150).

Surface roughness (Ra/μm)

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Conventional method

Developed method

Compacting pressure (MPa)Fig. 38 C omparison of the surface roughness
and morphology of sintered compacts
manufactured using the conventionaland developed compacting methods.

8. 3 連続焼結炉による生産性向上 (31,32)
前節の検討で、素粉末混合焼結法でも、焼結肌のままで、高価な溶製鍛造法の機械加工品と遜色のない機械
Fig. 36 R elationship between dimensional change
after sintering and compacting pressure
for the developed warm compaction using
a coarse HDH titanium powder (TS-150).

的特性が得られることを実証できたが、焼結工程は真空焼結（バッチ操業）であり、生産性が低く、コスト低減に対する大きな壁となっている。これを、通常の焼結鋼部品製造に用いられている、ベルト式の連続焼結炉に置き換えることができれば、さらに大幅なコストダウンが可能となる。私たちが注目したのは、当時（1990 年代後半）、関東冶金工業
株式会社で開発された、超低酸素分圧連続炉 (33)（後の商品名 ： Oxynon）である。この炉は、基本的には、不活性ガス雰囲気のベルト炉であるが、メッシュベルト、マッフルを含め、炉の内部が全てカーボンで作られていることを特徴とする。雰囲気の不活性ガス中にわずかに含まれる酸素（＜10 − 3atm）と、炉内部の炭素と反応して 2C＋ O2 ⇒ 2COで表されるブルドア（Boudoir）平衡が成り立つ。これにより、
炉内は 10 − 20 ～10 − 27atm という、とてつもなく低い酸素分圧

Fig. 37 C omparison of four-point bending fatigue propertyof as-sintered Ti-6Al-4V alloy via different method
carried out on non-machined surface.
© Toyota Central R&D Labs., Inc. 2020になり、焼結温度の1200 ～1300℃でも、チタンに対し還元雰囲気となっている。 Fig. 39 に、Oxynon 炉の構成の概略
図を 示す。 Fig. 40 は、真空炉（＜10 − 5torr）と Oxynon 炉
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Specimen
Carbon belt

ExhaustHeaterSpecimenN2 or Ar
gas inlet

ExhaustCarbon muffle

Cooling
chamber
CarbonheaterCarbon belt

Longitudinal section

Carbon belt

Specimen

Cross section

9. チタンの汎用化に向けた提言（結言に代えて）Ductility

Vacuum furnaceStrength

Tensile elongation (%)

Compacting: 490 MPa
Sintering: 30 min

Gas furnace (Oxynon)

Ultimate tensile strength (MPa)Fig. 39 Configuration of the ultra-low oxygen partial pressure continuous furnace (Oxynon).

Sintering temperature (℃)

Fig. 40 C omparison of tensile properties of B/E
Ti-6Al-4V alloy with different types ofsintering furnace.

チタンは高価であるから量産自動車部品には使えない、という、従来の先入観を払拭するために、私たちは、1980 年代半ばから 2000 年初頭までの約 15 年間、チタン部品の究
極の低コスト化と、究極の高性能化とを両立させる手法を追及し、コスト／パフォーマンスにおいて、従来のチタン合金を圧倒する領域にまで到達した（Fig. 41）。また、コストのみ
ならず、性能面においても、実現不可能と考えられてきた、量産車用エンジンの吸気 ・ 排気バルブの同時チタン化を達成した（1998 年）。さらに、2007 年からは、その高性能版
がパナソニック・トヨタチームの F1エンジンにも採用された。
バルブの実用化と並行して取り組んだ「超高密度成形技術」や「連続焼結技術」の開発で、チタン部品製造のさらなる低コスト化に向け、大きく進展し、従来チタン合金の概念（アルゴン雰囲気）で製造した Ti-6Al-4V 焼結合金の強度を覆す低コスト化は達成できた。しかし、「鋼部品並みの製特性を比較した結果で、焼結温度によらず、機械特性に相造コスト」を目指した当初の目標達成には、いまだ至ってい違は認められない。このように、連続大量生産が可能なベない。自動車用の汎用材料として位置づけるためには、原ルト炉でも、真空炉と全く遜色のない品質で、チタン部品の料チタン粉末の価格が高すぎるのである。究極の高密度焼結が可能であることが実証された。

化と寸法精度の両立で、材料歩留まりは限りなく100% に近づき、機械加工コストも最小化される。さらに、連続焼結の適用で、生産性が飛躍的に向上する。このため、部品製
造コストは、原料粉末のコストと、混粉⇒成形⇒焼結のラン© Toyota Central R&D Labs., Inc. 2020

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ニングコストの合計となるが、生産量の増加とともにランニン

まま、チタン基 MMC 部品の製造にも適用が可能と考えら

グコストは低下し、製品価格は原料粉末の価格に限りなくれる。すなわち、ニアネットシェイプの焼結プリフォームを、近づく。私たちが、焼結チタンの研究を始めた 1980 年代に

Oxynon 連続炉で焼結後、焼結体を焼結温度に保ったまは、極めて安価（＜ U.S.$ 10/kg）かつ高性能な、Hunter 法

まプレス型に搬送し、直接、熱間鍛造加工で製品化するのスポンジファインが入手できたが、1990 年代前半までに、世である。超高性能チタン基 MMC 製品の、低コスト製造プロ

界規模で、Hunter 法によるチタンの製錬技術が、Kroll 法

セスとして大いに期待したい。

に駆逐されてしまったため、1990 年代以降は、Kroll 法ス

Fig. 42 は、自動車への適用を検討した、素粉末混合

ポンジチタンから製造される、高価な HDH 粉末（＞U.S.$法に よるチタン基 MMC 製 の試作 部品 例を 示 す。市販

20/kg）しか入手できなくなった。今回のバルブ製造に用い車用として量産化したエンジンバルブ以外にも、平歯車、た安価な水素化チタン粉末は、圧粉体⇒脱水素⇒真空焼

コネクティングロッド、バルブリフター、バルブリテーナー、

結⇒熱間押出し鍛造工程、で製造するプロセスには、たま

中空バルブなどのフィージビリティースタディーを行った。こたま適していたが、前節で解説した、究極の「超高密度粉れらの中で、特に本 MMC 材料の特長を活かした応用例

末成形」と、「大気圧連続焼結」の組み合わせとは相性がを紹介して本 稿を閉じたい。 Fig. 42 に示した部品例中悪い。純チタン粉末の価格が、以前のスポンジファイン並の平歯車は、焼結と熱間加工を併用して作製したもので、（＜ U.S.$ 10/kg）に下がれば、バルブ以外の多くの自動車

20vol%TiB/Ti-7Mo-4.5Fe-1.5Al-1.5V 組成のリング形状

部品にも、高性能な焼結チタン基 MMC を適用することが焼結体の、円周部のみを大気中で高周波加熱し、転造加夢ではなくなる。 Hunter 法スポンジファイン並の、安価な工によって歯車形状に成形したものである。歯車を軽量化

純チタン粉末の再登場を期待している。

したいというニーズは極めて高いが、高負荷のかかる歯車

1980 年代前半に、トヨタが世界に先駆けて自動車用の鋼製コネクティングロッドに採用し(34)には、高い剛性とともに、転動摩耗疲労特性が求められる、その後、世界の自動ため、鋼以外の材料を適用しようという発想は皆無であっ

車メーカーにも波及した「焼結鍛造法」は、通常の溶製鍛た。しかし、開発したチタン基 MMC は、TiB 粒子を多量に造品と比べ、製品重量の精度が極めて高く、高品質な低含有させれば、超軽量（鋼の 6 割以下）でありながら鋼並のコストプロセスとして定着している。この焼結鍛造法は、その剛性が得られ、また疲労強度や耐摩耗性も極めて高い。

Specific strength
Developed TiB/Ti MMC
Conventional titanium alloy
Conventional steel

Specific modulus
Wear resistanceHeat resistance

Affordability

Fig. 41 R
 adar chart comparing typical properties of the developed TiB/Ti-MMC,
conventional titanium alloy, and conventional steel.

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しかも、前出の高密度成形技術を適用しなくとも、マトリック

されるユニークな活性化焼結メカニズムによって達成されス合金組成を最適化すれば、TiB 粒子を 30% 以上複合化ることが検証された。さらに、この MMC は熱間加工性にもしても、98% 以上の緻密な焼結体が得られる場合がある

優れる (25) ため、熱間転造加工により、容易に、写真に示す（Fig. 43, 44） (35)。大量の TiB 粒子を複合化した場合の、ような歯車が成形できる。今後の、チタンの用途を広げる可

極端な高密度化現象は、B、Fe、Mo の共存によってもたら能性の一つとして提案しておきたい。

Sintered density (%)

Fig. 42 P
 rototype automotive parts made of TiB/Ti-MMC produced by the developed B/Eprocess: spur gear, connecting rod, valve lifter, valve retainer, and hollow valve, etc.

TiB/Ti-7Mo-4.5Fe-1.5Al-1.5V

TiB/Ti-6Al-4V
Compacting: 392 MPa
Sintering: 1300℃, 4 hours

TiB particle content (vol%)Fig. 43 R elationship of sintered density of
Ti-7Mo-4.5Fe-1.5Al-1.5V based andTi-6Al-4V based MMCs with TiB particle
content obtained by the developed B/Eprocess.

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20 μm

Fig. 44 S
 intered microstructure of 30 vol%TiB/Ti-7Mo-4.5Fe-1.5Al-1.5V MMC
compacted at 392 MPa followedby sintering at 1300℃ for 4 hours(ρ/ρ0 = 99%).
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Reprinted from Altezza Qualitat catalog (2000), © 2000
TOYOTA CUSTOMIZING & DEVELOPMENT Co., Ltd.,
with permission from TOYOTA CUSTOMIZING &DEVELOPMENT Co., Ltd.
Fig. 2 (upper row)
Reprinted from LFA photo gallery (https://lexus.jp/models/lfa/gallery/), © 2020 LEXUS.
Fig. 2 (lower row)
Reprinted from Motor Fan Illustrated, Special Edition(2010), pp. 16-23, Toyota RVX-09 (2009), © 2010
SAN-EI CORPORATION, with permission from SAN-EICORPORATION.
Figs. 5, 10, 13-14 and Tables 1-3
Reprinted from R&D Rev. Toyota CRDL, Vol. 29, No. 3(1994), Saito, T. and Furuta, T., Development of High
Performance Titanium Matrix Composite, © 1994
TOYOTA CRDL., INC.
Figs. 24-25
Reprinted from SAE Tech. Pap. Ser., No. 2000-01-0905(2000), Yamaguchi, T., Morishita, H., Iwase, S., Yamada, S.,
Furuta, T. and Saito, T., Development of P/M Titanium
Engine Valves, © 2000 SAE International, withpermission from SAE International.

Fig. 38
Reprinted from Cost-affordable Titanium (2004),
pp. 185-192, Takamiya, H., Kondoh, M. and Saito, T.,
Ultra-high Pressure Warm Compaction for P/M Titanium
Components, © 2004 TMS, with permission from John
Wiley & Sons.
Fig. 43
Reprinted from Titanium ’95: Science and Technology:
Proc. 8th World Conf. Titanium (1995), pp. 2763-2770,
Saito, T., Furuta, T. and Takamiya, H., Sintering Behavior
and Thermal Stability of a TiB Particle Reinforced PM
Beta-Titanium Matrix Composite, © 1995 The Institute ofMaterials, with permission from Taylor & Francis.
Tables 4-5
Reprinted from Recent Advances in Titanium Metal Matrix
Composites: Proc. Symp. Held during Materials Week
(1995), pp. 33-44, Saito, T., Furuta, T. and Yamaguchi, T.,
Development of Low Cost Titanium Matrix Composite,© 1995 TMS, with permission from The Minerals, Metals& Materials Society.

斎藤 卓

Takashi Saito

分野： 金属物理、合金設計、粉末冶金
学位： 工学博士
所属学会： 日本金属学会
日本鉄鋼協会
The Institute of Materials, Minerals and Mining
自動車技術会
受賞歴： 1994、1995、1996、1998、2004年日本金属学会技術開発賞
1996、1998年R&D100選
1999年日本材料学会技術賞
2000年日本粉末治金工業会新製品賞
2000年日本チタン協会技術賞
2002年日本ガスタービン学会論文賞
2003年文部科学大臣賞研究功績者

Fig. 29 (upper row)
Reprinted from Toyota Gazoo Racing, TOYOTA F1Archive 2002-2009, TF109 (https://toyotagazooracing.
com/archive/ms/jp/F1archive/team/tf109/index.html),© 2009 Toyota Motor Corporation with permission fromToyota Motor Corporation.
Fig. 29 (lower row)
Reprinted from Motor-Fan TECH (https://motor-fan.jp/
tech/10012932), © 2019 SAN-EI CORPORATION, withpermission from SAN-EI CORPORATION.

© Toyota Central R&D Labs., Inc. 2020

https://www.tytlabs.com/review/