ISSN 1340-6639

Materials and Processing
Division Newsletter November 2007

NO.34

日本機械学会
機械材料・材料加工部門ニュースレター
大学教育，大学院教育はこの狭間を埋めることに注力し

巻頭言

なければならないが，学会の出来ることもある．本部門で開催している講習会「やりおなし機械材料」は毎回多くの部門活動への期待̶ 特集 金型材料・加工技術の新展開に寄せて ̶

人が集まる人気シリーズになった．この講習会は，小学校
から大学に至るまでの教育量の低下と実際の科学技術の進展の間にあって，学生時代と研究・製造現場との間を繋ぐ

名古屋大学

架け橋の役割を果たしているのだと思う．このような社会大竹 尚登

人を対象とした基礎教育は学会の役割として重要で，本部門としてもさらに力を入れるべき活動方向であろう．
技術における基礎と先端の共通点は，両者とも常に時代

ゆとり教育が再考されている．円周率は３でも良いと教から希求されていることにある．基礎養育とともに先端的えるという発想（原則は今なお 3.14 である）には多くのトピックを扱う分科会・研究会の活性化も本部門にとって人が落胆したと思うし，小職もその一人であるが，ゆとり重要であろう．当部門は別に専門学会を抱えている会員のの時間を使って広く物事を見たり，個々の生徒の得意な所方が多く，本部門での活動に躊躇することもあるかと思うをさらに伸ばしたりするという精神には頷ける所がある．

が，逆に融合領域のテーマを進めるには適した環境である

残念ながら，時間があったら子供は遊ぶものであるというと思われる．より多くの分科会・研究会が当部門に設置さ当たり前のことを忘れていたので，ゆとりの時間を有効利れることを期待したい．発表の出口としても，長岡技術科用出来ず，内容を削っただけの結果になった．「失敗の多学大学で開催予定の M&P2007 講演会に加えて，2008 年

くは善意から行動した結果であり，また大多数の人間は見には後頁に紹介のある ICM&P が，2009 年には ASMP（アたい物しか見ていない」とはカエサルの名言だが，ゆとり

ジア M&P シンポジウム）が予定されている．分科会・研教育も残念ながらこの金言を見事に倣ってしまい，詰め込究会を中心に新セッション・融合セッションを立てて内外みを防止する動機は良いものの，見たくない「親・子・学の講演会を進めて行く姿が望まれる．
さて，今回のニュースレター 34 号は金型材料・加工技

校のゆるみ」を見なかった．
では大学ではどうか．我々が忘れてはいけないのは，科術の新展開を特集したものである．金型は先端技術と製造学技術はどんどん進歩していて，技術者として社会に出る

技能の折混ざった深奥なる世界で，まさに融合領域としまでに勉強せねばならないことが間違いなく増えているとて代表的なものである．とても金型の潮流の全てをここでいう事である．機械分野で言えば４力学の資質は当然の如総括できる訳ではないが，手法のユニークさから将来技術

く有し，それに加えて TOEIC だ，コンピュータだ，経営もとして注目されている４つの先端的トピックスが取り上げ知らないと，とまで言われてしまう．しかも大学入試問題られている．折しも今年度に本学会のアカデミックロードのレベルは昔よりだいぶ下がっているのに，卒業した先のマップが編纂され，当部門は秦委員を中心としてマイクロ・技術は圧倒的に進んでいるのだから，現代の大学生は大変

ナノ加工に焦点を絞って提案したところである．マイクロ・だ．ゆとり教育どころではなく，大学時代に本当に全てをナノ加工を駆使した金型を使った超小型精密部品の大量生こなすのは困難な状態にあると言って良い．さらに卒業し産は今後の機械材料・材料加工の目標のひとつに違いなく，て会社に行けばその場での専門的な仕事内容になるから，

本ニュースレターからその息吹を汲み取って頂ければ幸甚

どうしても技術者として勉強しきれない部分が残る．

である．
–1–

No.34 November 2007

■特集

Materials and Processing Division Newsletter

金型材料・加工技術の新展開□

特集 1 「MAGIC 加工」と「MVP 法」の金型への応用□

名古屋大学大学院
工学研究科
上坂裕之，梅原徳次
１．はじめに列の様子を光学顕微鏡で観察した．水平磁場及び垂直磁場

携帯情報機器の民生化が急速に広まるに連れて，プラスを加えた場合の観察結果を図 3 と図 4 にそれぞれ示す 1）．

チック部品のための成型用金型や，精密金属部品のための図より，磁性粒子が磁場方向にクラスターを形成しながらプレス金型の短納期製造プロセスが求められている．その配列し，かつその間に砥粒が配列する事が分かる．

生産性を律速している工程に，金型の磨き工程がある．精このように砥粒の分布と配列が制御可能な MAGIC 砥石

密金型は，内面が複雑でかつ細かいため，作業員により手による金型側面の研磨法を図 5 に示す 1）．磁性粒子と砥粒仕上げが行われており，未だ自動化はされていない．一方，を懸濁した樹脂（磁場配向性複合体と呼ぶ）を液状化温度

梅原らはこれまで磁性流体を用いた様々な高能率研磨法を以上に加熱し，金型の凹部にその液体を流し込み，ハンド

1）,2）．そこで，砥粒を混合した高分子によりルを差し込んだ後に，研磨面である金型側面に垂直方向の創成した磁気凝集流体により，磁気凝集流体砥石を考案

磁場を印可しながら室温まで徐冷する．その後，ハンドル

し，磁場を印加する事で，砥粒の３次元分布制御が可能とに上下方向の微小往復運動を与えることで金型側面が研磨なり，２倍の研磨能率と３分の１の表面粗さが得られるこされる．その際，加工力は外部よりハンドルを通じて与え3）とを示し，この新しい砥石による金型研磨法を提案した ．

られる．この研磨法の長所として，磁場により砥粒が凝集

この砥石は，砥粒が規則正しく分布していることから，微することなく均一に分布しかつ軟質な結合材に支持されて小ストロークによっても均一に研磨できることが考えらいるため深いひっかき傷が与えられない事，砥粒が均一にれ，複雑形状で研磨において大きなストロークを与えられ分布しているため微小振動でも均一に研磨できる事，金型ない金型研磨に最適と考えられる．このように，有効な応凹部に対応した総型砥石が研磨現場で製作できる事，目こ

用展開が期待できることから，この砥石を磁気配向性複合

ぼれした砥粒や結合材を繰り返し使用できるためリサイク

体（Magnetic Intelligent Compound）砥石（MAGIC 砥石）

ル性が良い事及び表面樹脂を溶解することによりドレッシと名付けた．次の章で本 MAGIC 砥石の原理と特徴を説明

ングが容易である事が挙げられる．

開発してきたする．
また，そのような精密な金型では耐摩耗性を高めるために，DLC 等の耐摩耗性に富む硬質膜をその内面に成膜したい．内面形状への DLC 成膜においてはプラズマ CVD が一◊⢇般に用いられるが，金型内面の幅が mm サイズになると従来法を用いてプラズマを発生することが難しく，プラズマ☚ᛮ⢇Ꮔ

CVD 法による硬質皮膜の成膜は困難であった．3 章ではそのような mm サイズの内面へも適用可能な MVP 法という⤎ྙ๠

新しい高密度プラズマ生成法を紹介する．

図１

２．MAGIC 加工の原理と特徴

MAGIC 砥石の構成要素

MAGIC 砥石は図 1 に示すような砥粒，磁性粒子及び結合材の複合体である．結合材は，70℃程度で液体となるたአ㒂☚ሔめ，磁場を印加した場合，磁性粒子の分布や配列を制御することができる．もし，磁場勾配を有する磁場である場合，

ᘤງ

非磁性の砥粒は排出される．この排出力により砥粒の分布

ᩲງが制御できる．また，MAGIC 砥石中の２個の磁性粒子同士は，図 2 に示すように，外部磁場方向に最大の吸引力を受け，外部磁場と垂直方向に最大の反発力を受けることとなる．また，もし，磁性粒子が多数個有る場合，磁性粒子☚ᛮ⢇Ꮔ

は磁場方向に伸びたクラスターを形成することになる．磁
図２

場をかけながら MAGIC 砥石を固化させた場合の砥粒の配–2–磁性粒子同士の相互作用力

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No.34 November 2007
密度化が必要不可欠である．我々はこのような立体形状処理における電圧印加方式の欠点を改善・解決するために，☚ሔ᪁ྡྷMVP（Microwave Voltage-combination Plasma）法という新しいプラズマ生成法を開発した．
図 6 に示すように，プラズマと誘電体との境界に沿って伝搬する表面波モードの電磁波が知られている 4）．表面波の存在条件より，2.45 GHz マイクロ波によって生成される表面波励起プラズマの電子密度は，必然的に 1011cm-3

図３

MAGIC 砥石における砥粒分布の様子

以上の高密度となる．表面波のエネルギーは境界近傍に集3）（研磨面に垂直方向）中しており，従って表面波を使って誘電性媒質からなる立体形状に沿った高密度プラズマ生成が可能となる 4）．表面☚ሔ᪁ྡྷ

波励起プラズマを導電性媒質に沿って生成できれば，機械部品などの立体・内面形状に沿ってプラズマを生成することができ，大変に有用である．そこで我々は，プラズマと固体との境界に必ず存在するシース層に注目した 4）．シー
ス層では中性粒子やイオンの密度に比べて電子密度だけが急激に低下する 4）．マイクロ波の高周波電磁界に応答できるのは電子だけであるから，電子の少ないシース層はマイ

図４

MAGIC 砥石における砥粒分布の様子

クロ波に対して真空層と同じような働きをする．すなわち

3）（研磨面に水平方向）

金属とプラズマの境界をマイクロ波の立場から眺めると，シース層という比誘電率〜１の誘電媒質が金属表面をうすく覆っていることになる．このプラズマ̶シース境界には

☚ሔ㒼าᛮ
々ྙమ
Ễ஁☚▴

上述の存在条件を満たす表面波が伝搬可能であるが，シー

᚜ᑚᣲິ

N
S

㔘ᆵ

ス層の厚さが薄い場合は実質的にほとんど伝搬しない．そこで図 6 のように金属面に負電圧を印加してシース電位を増大し，それによってシース幅を拡大すると，実質的に表面波がプラズマ̶シース境界を伝搬可能となり，当該金属
面形状に沿って高密度プラズマを生成する 5）．これが MVP

図５

MAGIC 砥石による研磨法の概略 3）

法におけるプラズマ生成原理である．図 7 に金属球に沿って高密度プラズマを生成した場合の写真を示す．従来の電圧印加法である DC プラズマを生成した場合は，109cm-3

３．MVP 法の原理と特徴
一般に金属面をプラズマ処理する場合，被処理金属に直オーダーの低電子密度プラズマしか得られなかったが，流や交流の電圧を印加する電圧印加方式によってプラズ

MVP 法によって生成したプラズマは，1011cm-3 を超える

マ生成を行う．電圧印加方式は，その電子密度が高くて高密度であった 6）．マイクロ波を金属体外表面ではなく，

10-3

10 cm 程度であるが，被処理金属面が凹凸面，円筒内

円筒内面に伝搬させ（図 8），細穴内面の処理を行わせる面等を含む場合好んで使用される．これは電圧印加によっことも可能である 7）．このとき同条件で電圧印加のみによて生成されるプラズマは金属面に沿って均一に生成されるり DC プラズマを内面に生成することは出来なかった．こため，立体形状を均一に処理するのに適しているからであのように MVP 法は，立体内外面形状に沿った高密度プラる．しかしながら電圧印加方式には，電子密度の低さに伴ズマ生成が可能であり，金型内面のプラズマ処理にも有用

う２つの欠点がある．ひとつは比較的処理速度が遅いことである．これゆえ立体面のプラズマ処理において高速化を達成可能な新しい高密度プラズマ生成法の開発が望まれている．もうひとつのより大きな欠点は，電子密度が低いことによって，狭い幅の内面の処理ができないことである．
-100V 程度の電圧が印加された円筒内面に 1010cm-3 程度の電子密度のプラズマを生成維持したければ，円筒内径は 1 cm 程度が下限となる．この下限値は電子密度の平方根の逆数に比例するため，1012cm-3 程度の電子密度のプラズマを用いれば，1mm 程度まで下げることができる．即図6

ちより小さな凹面や内面形状を処理するにはプラズマの高–3–

MVP 法の原理と特徴

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であると考えられる．現在，金型内面形状に対して MVP
法により窒化や DLC 成膜を施した場合の効果を検証中で

４．おわりにある．

精密金型や機械部品は様々な立体形状面を有しているが，その複雑な内面形状を研磨するというニーズがある．
そのようなニーズに応えうる，従来法より高速な研磨法である MAGIC 加工法を紹介した．同様にそのような内面形
状をプラズマ処理したいというニーズもある．そのような場合において，従来法では処理困難な細い内面形状での定常プラズマ生成が可能である MVP 法を紹介した．
参考文献
１）N. Umehara, Magnetic Fluid Grinding - a New
図7

Technique for Finishing Advanced Ceramics,

金属球に沿ってのプラズマ生成によるVol.43, 1（1994）,pp.185‒188.

DC プラズマと MVP との比較

２）梅原，他３名：磁性流体を用いた局所領域の微小研磨，精密工学会誌 ，60 1（1994）,pp.1606‒1610.
３）梅原，他 3 名：MAGIC 砥石の開発とその応用（第１報，
磁場配列を利用した新しい砥石による研磨法の原理と基,pp.431‒436.
本特性）, 砥粒加工学会誌 ，46.9（2001）４）M. A. Lieberman and A. J. Lichtenberg: Principles of
Plasma Discharges and Materials Processing（WileyInterscience, New York, 1994）.
５）H. Kousaka, et. al., “Microwave-Excited High-Density
Plasma Column Sustained along Metal Rod at
Negative Voltage”: Jpn. J. Appl. Phys. 44（2005）, pp.
L1154‒L1157.
６）H. Kousaka, et. al., “Study on the axial uniformity ofsurface wave-excited plasma column sustained along
a metal rod”: Transactions of the Materials ResearchSociety of Japan, 31（2006），No. 2, pp. 487‒490.
７）上坂
図8

MVP 法による細穴内面プラズマ生成

□

特集 2

裕之，他 2 名，“ 金属体に沿って伝搬するマイクロ波による高密度プラズマ生成 ”：真空，49（2006）

高精密超硬合金金型の開発□

京都大学大学院
エネルギー科学研究科
馬渕
1．まえがき守そのような背景の下，
平成 14 年度から
（独）
新エネルギー・

日本の国際競争力が強い産業分野の一つに，材料・加工

産業技術総合開発機構により「精密部材成形用材料創製・分野が挙げられる．しかし，この分野は中国などの猛烈な加工プロセス技術プロジェクト」1）が実施された．この研追い上げを受け，現在厳しい競争に立たされている．今後

究開発は，加工性に優れた被加工材の開発，および高性能

この分野で日本が生き残るためには，高精密化，小型化，な超硬合金金型の開発，高精密な加工技術の開発の３つの高集積化，省エネ化などの高付加価値化が必須であり，ま柱で構成されており，材料創製と加工を一体化した技術のたユーザーへの迅速な製品化ソルーションの提案など新し開発が特徴である．特に，高性能な超硬合金金型の開発でいチャレンジが必要である．そのような新しい技術の開発

は，WC の微細粒化が技術開発の核心であった．本解説では，には金型技術の高度化が不可欠であり，最近金型技術の重

上述のプロジェクトの中で実施された研究開発の内 WC の要性が認識され直されている．

微粒化に焦点を絞り，超硬合金金型の高性能化について概–4–

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説したい．

２）http://www.mext.go.jp/b̲menu/houdou/19/07/0707
1217.htm

2．超硬合金素材開発
高精密化，微小化等に対応するため，金型の高硬度化が求められる．図１は，10% Co 超硬合金の硬度と原料 WC
粒径の関係を示したものである．HRA 硬度 95 を達成するには，原料 WC 粒径を 100nm 以下に微細化する必要があ
ることがわかる．図２に，最近開発された超微細 WC 粉末
を示す．粉末サイズは約 70nm である．このような超微細 WC 粉末が実用規模で開発されている．図３は，超微細WC 粉末を用い製造された超硬合金の組織写真である．従来は，図３（b）に示された粒径 0.5µm が微細粒とされて図１

きた．しかし，図２に示したようなナノ WC 粉末を用いる

10% Co 超硬合金の硬度と原料 WC 粒径の関係

ことにより，0.1µm の超微細粒超硬合金が製造されている．
図４は，WC 粒径と比摩耗量の関係である．WC 微細粒化により，耐摩耗性が向上することがわかる．耐摩耗性のみならず硬度，曲げ・引張強度，疲労強度等の機械的性質
も WC 微細粒化により向上することが確かめられている 1）．
以上のように，最近の超硬合金の高性能化は，WC の微粒化により達成されている．
3．超硬合金高精密加工技術
上述したように WC 微粒化により超硬合金の材料特性は向上する．しかし，それにともない加工が難しくなり，
これまで以上に高い加工技術が必要となる．図５は，超微細粒超硬合金を放電加工した後ラップ加工を施した例である．超硬合金は，WC 微細粒化にともない加工変質層の影
図２

響が起こりやすくなる傾向にある．したがって，放電加工

70nm 級の超微細 WC 粉末

後ラップ加工などにより加工変質層を除去することが必要となる．図５の場合，ラップ加工により加工変質層を除去するとともに，加工精度を± 0.1µm 以下にすることに成功している．
最近 FIB（Focused Ion Beam）加工による超微細精密加工が注目を集めている．FIB 加工は，超硬合金金型の仕上げ加工としても有効である．図６は，FIB により仕上げ加工
図３

された超硬合金金型の例である．加工変質層が完全に除去

0.1µm（a）および 0.5µm（b）粒度の超微細粒超硬合金の組織されるとともに，きわめて平坦な金型表面が得られている．
4．あとがき最近の金型技術への関心が高まるとともに，WC の微粒化等の新しい技術開発がなされ，超硬合金は今尚進化し続けている．また最近では，タングステンの高騰に伴い，
WC は国家的な戦略材料として注目されるようになってきている 2）．日本の物づくり技術は，高度な金型技術によるところが大きい．今後の材料技術と加工技術の一体化による金型技術の新展開に期待したい．
参考文献
１）精密部材成形用材料創製加工プロセス技術プロジェク

図４ト，平成 18 年度成果報告書

10% Co 超硬合金におけるWC 結晶粒径と比摩耗量の関係–5–

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図５

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放電加工およびラップ加工により作製した

図６

FIB により仕上げ加工された超硬合金金型

光コネクター用超硬合金金型

□

特集 3

Ti 系超塑性合金製マイクロ金型の製造法

□

香川大学
工学部
吉村

英德，三原

豊

現像してドライエッチングした後，光学的な要求を満たす

１．まえがき近年，バイオや光通信の分野で，μ -TAS や光導波路な高精度かつ平滑な Si 母型を作るため，熱酸化とウェット

どマイクロもしくはナノの微細構造デバイスの開発が盛ん

エッチングを交互に数回行い，エッチングした面の粗さをに行われている．デバイスは半導体プロセス技術により高10nm 以下に仕上げる．

精度に製造ができるものの，デバイスをポリマー化して，（２）第 2 工程・皮膜の形成：

射出成形やエンボス加工による生産性向上やコスト低減化と長寿命化を実現するため，表面に硬質の TiN を有し，裏硬質皮膜による高転写性が図られている．しかし，これらのデバイスに必要となる
微細金型の製造において，機械加工等では表面精度，形状の制約，コスト，生産性の面で課題があり，適用範囲が制限される．Si 等の母型へ微細電析して作られた Ni などのメッキ型が実用化段階にあるが，ガラスやポリマーの種類
によっては高温での加工も考慮されるため，適用範囲の広い高強度の微細金型が必要になると思われる．
高強度微細金型として，金属ガラスによる製造も研究されているが，我々は Ti 系超塑性合金によって実現することを目的にその製造方法の確立を図ってきた．光通信などのデバイスには３次元的な微細構造を付与するだけでな
く，高い表面品位を必要とする．そのため，Si のフォトリ
ソ・エッチング技術，スパッタリングによる薄膜形成技術，
Ti の超塑性鍛造技術を融合した新しい微細金型製造技術について紹介する．
２．Ti 系超塑性合金微細金型製造法
図１に開発したマイクロ金型の工程を示す．本製造法は，
フォトリソグラフィおよびエッチング技術による被転写用の Si 母型の作製，反応性スパッタリングによる高寿命・高精度・高表面品位の金型のための TiN/Ti 傾斜組成皮膜の形成，Ti 系超塑性合金の転写加工によるマイクロ金型の作製という 3 工程から構成される．
（１）第 1 工程・Si 母型の作製： まず，ICP-RIE（Inductively
Coupled Plasma-Reactive Ion Etching）によるドライエッ
チングを行い，マイクロデバイスと同じ 3 次元形状を持

図１ Ti 系超塑性合金マイクロ金型の製造技術

つ Si 母型を作製する．Si 基板上にレジストを塗布，露光・（*FG layer: TiN/Ti 機能性傾斜組成皮膜）–6–Materials and Processing Division Newsletter

No.34 November 2007

面は Ti となる傾斜組成皮膜を反応性スパッタリングによっ

存性によってのみ決まるため，密閉鍛造を適用し，静水圧て形成する．スパッタを 1Pa の真空で行い，初めはアルゴ

応力下で圧縮することでこれらを自由に制御できることを

ン：窒素 =20：1.65 の分圧比で窒素を流して第 1 工程後の確認した．その結果，最適な鍛造条件として約 100MPa，基板上に TiN を積層し，その後徐々に窒素分圧を下げ，最約 200 分での密閉鍛造を行うことで良好な金型の製造が可

終的には窒素分圧を零にして Ti だけの層にすることで傾斜能となった．

組成皮膜にする．傾斜組成皮膜のメリットを以下に示す．
（ⅰ）Si 側に TiN を積層することにより，700 〜 800℃で３．あとがきの長時間の鍛造加工による Si と Ti の拡散接合を防ぐ．離Ti 系超塑性合金微細金型の製造方法について紹介した．

型材は不必要である．

複雑な 3 次元形状をもつデバイスに対しては Si 母型角部（ⅱ）鍛造後，Si をはがした金型の表面が硬質な TiN 層とへのスパッタの可否などの課題が残されているが，最適鍛なり，金型の長寿命化が図られる．

造条件などを特定し，ほぼ実用化段階にあるといえる．今（ⅲ）裏面は Ti となり，鍛造による転写加工と同時に，皮後エンジニアリングプラスチックの融点以上での樹脂加工

膜と Ti 合金が拡散接合される．

やガラスの加工などの試作を行って本金型の有用性を確認（ⅳ）TiN と Ti の二層では各層の熱収縮率が異なるため，していく所存である．

スパッタ後室温に冷却されると大きな残留応力が発生し，皮膜が割れたり，皮膜が反って Si からはく離したりするが，徐々に窒素濃度を変化させることで残留応力を小さくでき，割れ・はく離を抑制できる．
（ⅴ）Ti 合金の超塑性鍛造による転写では，ナノレベルのような結晶粒サイズ以下の転写は困難であるが，スパッタ
による皮膜に Si 母型と同じ表面粗さの面が転写されるた（a）Roughness

め，光学的性能を満足する金型が作製できる．

（b）Cracks

図２のように，傾斜組成皮膜が薄い場合には Ti 合金の変形に伴って，厚い場合には柱状組織が合わさる Si 母型角部での皮膜強度の問題によって，割れやしわなどが発生したり，長時間の鍛造において皮膜の粗大結晶粒化が発生したりするため，50 μ m の矩形溝や V 字溝での金型製造では TiN 層，傾斜層，Ti 層をそれぞれ 1 μ m 程度積むのが（C）No defects

望ましいという結果が得られている．
（３）第 3 工程・Ti 合金による転写加工：

図２ 超塑性鍛造・Si 除去後の金型表面のNi など従来

傾斜組成皮膜の状態の金型より高強度な金型を作るため，Ti 合金を用いた超塑性加工によってマイクロ形状を形成する． 真空ホットプレスによる超塑性鍛造によって，転写と同時に Ti と傾斜組成皮膜を拡散接合することができる．
転写材として，Ti-4.5% Al-3% V-2% Mo-2% Fe の組成を持ち，他の Ti 系超塑性合金に比べて低い 730 〜 750℃前
後で最大超塑性伸びを示す JFE 製 SP700 を使用する．転写面は，ペーパー研磨した後，過酸化水素水と混合したア
ルミナ粉末によるバフ研磨をしておく．図３に熱間鍛造装置概要および加熱条件を示す．傾斜組成皮膜を挟むようにSi 母型と Ti 試験片を重ねて圧縮する．Ti の酸化，窒化を

図３

Ar 雰囲気置換熱間での Ti 超塑性鍛造加工

図４

最適加工条件での矩形溝光導波路金型の防ぐため，真空引き・アルゴン置換を数度繰返した後，アルゴン雰囲気の陽圧下で約 730℃で熱間鍛造する．30 分
で昇温，30 分均熱のため保持した後加圧する．このようにして作製された光導波路金型の Y 分岐近傍の SEM 写真
を図４に示す．
超塑性鍛造のため，鍛造時間は長く，加工面圧力は大きいほど Si 母型への充満度は良いが，皮膜の割れや荒れ，粗大結晶粒化に対しては短時間かつ低圧の方が望ましい．自Y 分岐近傍の形状

由鍛造では鍛造時間や加工面圧力は Ti 合金のひずみ速度依–7–

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Materials and Processing Division Newsletter

参考文献

Biotechnology，82 巻（2001），pp.89-99.

1） 安原鋭幸・加藤和典・今村博史・大竹尚登 : 塑性と加工，

6） 早 乙 女 康 典 : 精 密 工 誌，69 巻 9 号（2003），

43 巻 492 号（2002），pp.45‒50.

pp.1221‒1225.

2） Becker, H.& Heim，U.：Sensors and Actuators，

7） 吉村英徳・大平文和・橋口原・方山智之・林宏樹・

Vol.83（2000），pp.130‒135.

三 原 豊 : 電 気 学 会 論 文 誌 E，124 巻 4 号（2004），

3） 杉 山 進 : 塑 性 と 加 工，44 巻 514 号 （2003），
pp.1079‒1082.

pp.129‒135.
8） 吉 村 英 徳・ 方 山 智 之・ 大 平 文 和・ 橋 口 原・ 池 田 大4） 高橋正春・村越庸一・前田龍太郎・杉本公一 :H16 塑輔・ 三 原 豊・ 塑 性 と 加 工，47 巻 540 号（2006），

加春講論，（2004），pp.375‒376.
5） Becker, H.

&□

pp.54‒58.

Gärtner, C.：Reviews in Molecular

特集 4

新しいアモルファス合金のレンズ金型材料への応用□

東京工業大学
フロンティア創造共同研究センター
秦１．はじめに誠一

１にスパッタ成膜により金型ブランクに約 70 µm 成膜さ

アモルファス合金は，多結晶合金に見られる結晶粒の異れた PdCuSi 薄膜金属ガラスと，それを SPDM により回折方性や粒界，偏析による不連続性に，本質的に無縁であり，格子を有するプラスチック成型金型に加工したものを示

それゆえ超精密切削加工に適した材料であるといえる．従す．従来の電鋳ニッケル合金に比べ，短期間で製作可能で来からプラスチックレンズの成形金型においては，金型ブあり，膜内の低応力，機械的強度や切削性といった特性は，ランク材表面に電鋳によりアモルファスニッケル合金を成同等以上である．現在，この金型は，試作レンズ用金型へ膜し，シングルポイントダイヤモンド切削加工（Single-pointの応用が進められている．

diamond machining: SPDM）により光学面を創出している．

さらに，従来の切削加工のみならず，金属ガラスの過冷

筆者らは，プラスチックレンズ金型のみならず，ガラスレ

却液体域での軟化を利用した微細・精密成形を用いること

ンズ金型へもアモルファス合金を適用するという，挑戦的で，マスター金型の形状を転写した金型とすることができな試みを続けている．

る．図２に Si で製作した金型を，PdCuSi 薄膜金属ガラスに転写した例を示す．この方法では，切削加工による金型

２．プラスチックレンズ金型への薄膜金属ガラスの応用

ごとの形状誤差が低減され，より複雑で精度の高い金型が電鋳ニッケル合金は，低応力な膜質を実現するために，容易に製作できる可能性がある．

成膜に数日以上必要であり，これを短縮し試作レンズの期間短縮を図る目的で，スパッタ法で 50 µm 以上の膜厚を３．ガラスレンズ金型へのアモルファス合金の応用実現できる Pd 基薄膜金属ガラスの適用を検討している．

プラスチックレンズの成形温度は，高々 250℃であり，金属ガラスは，過冷却液体域と呼ばれる温度領域で，酸化

前述の PdCuSi 系合金の耐熱性，耐酸化性でも十分に対応

物ガラスのように成形可能なアモルファス合金である．図

可能であった．しかし，BK7 など広く使用されている光学

図１ 金型ブランク材にスパッタ成膜された PdCuSi（断面）と SPDM により製作した
回折格子付きプラスチックレンズ金型–8–

Materials and Processing Division Newsletter

図２No.34 November 2007

シリコン金型を用いた PdCuSi 薄膜金属ガラスの転写成形

ガラスの成形温度は，550℃以上であり，プラスチックのて製作した薄膜ライブラリを示す．各サンプルには，ビッ

成形温度の２倍以上である．このため，現在ガラスレンズ

トパターンにより，アドレスが表記されており，顕微鏡なの成形は，主に，超硬合金，SiC が金型材料として用いらどで一部を拡大しても，どの位置のサンプルであるかを特れている．これら従来のガラス成形金型材料は，焼結体で定することができる．この薄膜ライブラリを用いて，アモあり SPDM による回折格子加工などは，極めて困難である．

ルファス合金となる組成範囲などを調査した．

さらに，形状創成後，ガラスとの融着や酸化を防ぐために，保護膜を表面に成膜する必要がある．このため回折格子のエッジを鈍化させ，光学性能の低下を招いてしまう．
そこで，保護膜として用いられている Pt をベースとした新規アモルファス合金を探索した．すなわち，SPDM による回折格子の製作が可能な超精密切削性を有し，ガラス
成形時にガラスとの融着，酸化，結晶化を生じず，十分な機械的強度を示すアモルファス合金の探索である．
４．ガラスレンズ金型用アモルファス合金のコンビナトリ
アル探索
このような新材料を効率的に探索するために，多数のサンプルの集積製作と，その評価を特徴するコンビナトリア
ル探索を用いた．サンプルの製作には，新規開発したコン
ビナトリアルアークプラズマ蒸着装置（Combinatorial arc
plasma deposition：CAPD）を用いた 1）〜3）．

図３

CAPD の原理

図３に CAPD の原理を示す．探索対象の合金構成元素を十分に混合し，その混合比の制御を容易とするために，
CAPD では，アークプラズマガン（Arc plasma gun: APG）
を蒸着源として採用している．APG は，蒸着材料をカソードとして，コンデンサに充電した電荷により，アノード−
カソード間にアーク放電を誘起し，カソード材料をプラズ
マ化することで，パルス状に放出する．このプラズマを基板下に配置した永久磁石の磁場により基板上に誘導する．
この APG を図３のように三方向に配置し，各 APG から一定の順序で成膜を繰り返すことで，異なるカソード材料を基板上で合成する．このような構成とすることで，一つの基板上で組成が連続的に変化した薄膜（組成傾斜膜）を成

図４

薄膜ライブラリ膜することができる．
この組成傾斜薄膜を，成膜基板にあらかじめ設けたフォ

CAPD と薄膜ライブラリを用いて，約１年間で，24 のトレジストと銅薄膜からなるグリッド構造を剥離すること

合金系，総数 25,000 個以上のサンプルについて，ガラスで，1 × 1 mm 角のサンプルを 33 × 33（1,089）個のサ成型に使用可能な合金を探索した．その結果，図５に示す

ンプル（薄膜ライブラリ）とする．図４に，CAPD を用い

Pt-Zr-Ni 系と Pt-Hf-Ni 系の Pt-rich 領域のアモルファス合–9–

No.34 November 2007

Materials and Processing Division Newsletter

図５

Pt-Zr-Ni 系および Pt-Hf-Ni 系合金の相分布

金において，ガラスとの融着性や高温での耐酸化性に優れの変化は見られなかった．

た薄膜がある可能性が見出された．

上 記 の よ う に， 要 求 さ れ る 特 性 を， ほ ぼ 満 た し たしかし，Pt-Zr-Ni 系は，引張強度が 1 GPa 以上と優れるが，

Pt51Hf20Zr17Ni12 薄 膜 ア モ ル フ ァ ス 合 金 の SPDM に よ る

結晶化開始温度が概ね 600℃前後とやや低く，550℃で連加 工 性 を 評 価 し た． 加 工 条 件 は， ス ピ ン ド ル 回 転 速 度

続的にガラス成形するためには，やや不十分であった．一500 rpm， 送 り 速 度 0.2 mm/min. で， 切 り 込 み 深 さ を方，Pt-Hf-Ni 系では，結晶化温度が 700℃以上と十分だが，1 µm/mm で増加させ，テーパ状の断面形状となるように，引張強度が 0.4 GPa 前後と不十分であった．

切り込みを行った．切削結果を図７に示す．図７より，光そこで，図５でのアモルファス合金となる領域を参考と学顕微鏡の微分干渉観察では，ほとんどツールマークがしながら，多元同時スパッタ装置を用いて，Pt-Hf-Zr-Ni ア

観察されなかった．干渉計による測定では，表面粗さはモルファス合金薄膜を成膜し，Zr の含有量を徐々に増加さ

5 nm Rz と良好な切削表面が得られた．

せて，その引張強度を調査した．その結果，Zr が特定の範

最後に，実際のガラス成形機にセット可能な金型ブラン

囲で，引張強度が特異的に上昇し，Pt51Hf20Zr17Ni12 におい

ク材に，厚さ 50 µm スパッタで成膜した後，上記切削条て最高強度 0.87 GPa を示した．Pt51Hf20Zr17Ni12 の引張試件にて回折格子の加工を行った．製作した回折格子付きガ験結果を図６に示す．

ラスレンズ金型を図８に示す．図８のように良好なエッジ
形状を有する回折格子を有する金型の製作に成功した．この金型を用いて，実際に BK 7 のガラス硝材を成形し，回折格子まで正確に成形できることを確認した．

図７
図６

SPDM による加工表面

Pt51Hf20Zr17Ni12 薄膜アモルファス合金の引張試験結果さらに，この Pt51Hf20Zr17Ni12 アモルファス合金薄膜の結晶化開始温度やガラスとの融着性，大気中で加熱した場合の耐酸化性を調査した．その結果，結晶化開始温度は，720℃であり，550℃に加熱保持した状態で，溶解したガラス硝材を滴下しても，表面状態に大きな変化や，結晶化，ガラスの融着は見られなかった．また数時間にわたり550℃に加熱保持したにもかかわらず，酸化による外見上– 10 –

図８

回折格子付きガラスレンズ金型

Materials and Processing Division Newsletter

No.34 November 2007

５. おわりに

平成 17 年度大学発事業創出実用化研究開発事業および平プラスチックおよびガラスレンズ成形金型へのアモル

成 19 年度科研費（課題番号 19360063）の助成を得て行ファス合金の適用について述べた．特に回折格子付の非球

われた．また，実験の一部は，東京工業大学創造共同研究

面レンズ用の金型として，SPDM が可能な Pd 基薄膜金属センター，メカノマイクロプロセス室および精密工学研究

ガラスと，コンビナトリアル探索により見出した Pt-Hf-Zr-

所ナノメカトロニクス研究設備にて行われた．

Ni 薄膜アモルファス合金について述べた．
ガラスレンズ成形用のアモルファス合金については，現参考文献

在，より切削性，耐酸化性の優れる組成の探索を，CAPD

1） Seiichi HATA, Ryusuke YAMAUCHI, Junpei SAKURAI

および新しいコンビナトリアル評価技術の開発と共に進めand Akira SHIMOKOHBE, Combinatorial Arc Plasmaている．機械屋の筆者としては，新材料の新規開発から実Deposition of Thin Films, Jpn. J. Appl. Phys., 45,[4A]用的な金型の製作まで一貫して行う本テーマは，正に「挑（2006）, pp.2708‒2713.

戦的」であるが，挑戦的であるがゆえに，次々に関連する

2） Ryusuke YAMAUCHI, Seiichi HATA, Junpei SAKURAI

新しい発見や研究テーマが生まれている．このような研究

and Akira SHIMOKOHBE, Combinatorial Search forを推進できるのも，共同研究者，共同研究企業，公的研究

Low Resistivity PdCuSi Thin Film Metallic Glass, Jpn. J.

助成および，学生に恵まれたお陰であり，この場をお借りAppl. Phys., 45,[7]（2006）, pp.5911‒5919.

して御礼申し上げたい．

3） Junpei Sakurai, Seiichi Hata, Ryusuke Yamauchi andAkira Shimokohbe, Searching for Novel Ru-Based謝辞Thin Film Metallic Glass by Combinatorial Arc Plasma

本 研 究 の 一 部 は， 平 成 16 年 度 科 研 費（ 課 題 番 号

Deposition, Jpn. J. Appl. Phys., 46,[4A]（2007）,

16686010），NEDO 新エネルギー・産業技術総合開発機構，

pp.1590‒1595.

機械材料・材料加工部門「部門賞・一般表彰」公募のお知らせ

機械材料 ･ 材料加工部門では，第 85 期部門賞および部門一般表彰候補を下記の要領で公募します．自薦他薦を問

各賞の概要（1）功績賞：機械材料・材料加工分野に関する学術，教育，わず奮ってご応募ください．

出版など諸般の活動において，本部門の発展と進歩に積極的な貢献または顕著な業績のあった者に授与する．

＊ 公募締切：平成 19 年 12 月 7 日（金）厳守（2）業績賞：機械材料 ･ 材料加工分野に関する研究または＊ 推薦書類：日本機械学会・各賞推薦書に準じます．
（推薦・技術開発において，顕著な業績のあった者に授与する．

申請用紙を部門ホームページよりダウンロードしてお使（3）国際賞：機械材料 ･ 材料加工分野における学術，教育，い下さい．）

出版などに関する国際的な活動を通し，本部門の発展＊ 被推薦者資格：各賞とも日本機械学会会員であることがと進歩に積極的な貢献または顕著な業績のあった者に受賞資格となります．
＊ 書類提出先：日本機械学会
（担当者

授与する．
機械材料・材料加工部門（4）部門表彰（優秀講演論文部門）：当該年度に開催され高橋正彦）た本部門企画，担当，主催または共催の講演会におい

160-0016 東京都新宿区信濃町 35 番地 信濃町煉瓦館 5 階て発表された機械材料・材料加工分野の講演論文中，Fax：03-5390-3508 Email：ymasahiko@jsme.or.jp

学術 ･ 技術の進歩発展に寄与し，特に優秀と認められる論文の著者を対象とする．

推薦された候補者は第 3 技術委員会で審査され，部門運（5）部門表彰（新技術開発部門）：機械材料 ･ 材料加工分野

営委員会で決定します．結果は，今年度中に本人に連絡し，において本部門規格，担当，主催または共催の集会，出次期（平成 20 年度）のニュースレターに掲載します．また，版物等において発表された新技術，新製品の開発者中，受賞者は，2008 年度年次大会時に表彰する予定です．

工業技術の進歩発展に特に貢献した者を対象とする．

なお，本件に関するご質問 ･ お問合せ等は，（6）部門表彰（優秀ポスター発表部門）：当該年度に開催

第 3 技術委員会委員長（松尾陽太郎，Tel：03-5734-2521，

された本部門企画，担当，主催または共催の講演会にEmail：ymatsuo@ceram.titech.ac.jp）までお願いします．

おいて発表された機械材料 ･ 材料加工分野のポスター
発表中，学術 ･ 技術の進歩発展に寄与し，特に優秀と認められるポスター発表の著者を対象とする．
（7）部門表彰（国際貢献部門）：本部門の交際会議や国際交流に関し，特に優れた貢献のあった者を対象とする．

– 11 –

No.34 November 2007

Materials and Processing Division Newsletter2007 年度機械学会年次大会が終了
年次大会実行委員
羽賀俊雄（大阪工大）

2007 年 9 月 9 日〜 12 日までの 4 日間，関西大学千里⑩ 高エネルギー加工

山キャンパスを会場として開催されました．大阪では 25⑪ 溶融加工・セミソリッド加工の動向とその展開

年ぶりの開催となりました．記録的な猛暑も一段落し，天⑫ 締結 ･ 接合部の力学 ･ プロセスと信頼性評価（材料力学

候にも恵まれ盛会でした．機械材料・材料加工部門では皆様のご協力で以下の企画を開催することができました．無部門，計算力学部門との共同企画）⑬ 知的材料・構造システム（材料力学部門，機械力学・計事修了しましたことをご報告いたします．

測制御部門，宇宙工学部門との共同企画）●オーガナイズドセッション●特別企画① 複合材料の動向とその加工技術○基調講演② セラミックスおよびセラミックス系複合材料「マグネシウム合金の最近の開発動向」③ アルミニウム合金およびマグネシウム合金の創製と加工

鎌土重晴（長岡技科大）技術○ワークショップ

④ 粉末成形とその評価「機械材料としてのマグネシウム合金の新展開」⑤ 非破壊評価とモニタリング○新技術開発レポート⑥ バイオマス由来材料の成型加工と特性評価「マグネシウム合金双ロール鋳造法の実用化開発」⑦ 塑性加工の動向とその展開（権田金属工業㈱）⑧ 新機能多孔質材料の創製と評価●一般セッション⑨ 溶接・接合の動向とその展開

第 3 回 ICM&P2008 開催案内
3rd JSME/ASME International Conference on Materials and Processing 2008（ICM&P2008）（主催：本会 機械材料・材料加工部門，共催：米国機械学会）
開催日： 2008 年 10 月 7 日（火）〜 10 日（金）会

場： ノースウェスタン大学（米国イリノイ州エバンストン）

シカゴ近郊の明るく広々としたキャンパスで開催されます．今回は米国機械学会の会議
International Manufacturing Science and Engineering Conference（3rd MSEC）と同時開催で，最先端の情報をより多く入手できるものと期待されます．奮って論文投稿ならびにご参加ください．さらに詳しい情報は随時以下の URL を通じてお知らせします．
http://www.jsme.or.jp/mpd/
オーガナイズ・セッション
A 材料・加工：B 特性・用途：

1）高分子・高分子複合材料

1）材料の力学特性と計測技術

2）金属・金属基複合材料

2）加工・検査のロボット・知能化3）セラミックス・セラミックス基複合材料・C/C 複合材

3）接着・界面4）塑性加工・材料創製技術

4）結合・接触問題と強度評価

5）鋳造加工・半溶融加工

5）表面改質および摩耗・摩擦材料

6）粉末加工6）多機能・複合機能化材料

7）溶接・接合7）知的材料・構造 ,8）コーティング・溶射8）材料の動的特性と構造（塩谷先生・小川先生記念セッション）

9）超精密・マイクロ・ナノ加工

9）非破壊検査技術

10）超塑性加工

10）MEMS・NEMS・生体応用

11）その他の材料・加工

11）その他の特性・応用など– 12 –など

Materials and Processing Division Newsletter

No.34 November 2007
General Chair：堂田邦明（名古屋工業大学）

日程：
1） アブストラクト締切：2008 年 2 月 1 日

事務局：〒 466-8555 名古屋市昭和区御器所町

2） 原稿締切：2008 年 3 月 30 日

名古屋工業大学 つくり領域

3） 受理お知らせ：2008 年 6 月 15 日

Tel:（052）735-5351, Fax:（052）735-5342,

北村憲彦，

4） 著作権と著者登録締切 ：2008 年 7 月 15 日

E-mail: kitamura.kazuhiko@nitech.ac.jp；

5） 最終原稿申込

名古屋工業大学 おもひ領域：2008 年 8 月 15 日

牧野武彦，

Tel & Fax:（052）735-5367,
E-mail: makino.takehiko@nitech.ac.jp

2008 年度年次大会 in ヨコハマ のご案内
第 1 技術委員会（年次大会）
小豆島 明，川井 謙一（横浜国立大学）
2008 年度の年次大会は，2008 年 8 月 4 日（月）〜 7 日（木）に横浜国立大学（横浜市）で開催されます．講演会の開催⑪ 溶融加工・セミソリッド加工の動向とその展開⑫ 締結・接合部の力学・プロセスと信頼性評価（材料力学

期間は 8 月 4 日〜 6 日ですが，8 月 7 日（機械の日）には
市民開放行事が「機械の日記念行事」とともに横浜市内で部門，計算力学部門との共同企画）⑬ 知的材料・構造システム（材料力学部門，機械力学・計

開催される予定です．

測制御部門，宇宙工学部門との共同企画）

機械材料・材料加工（M&P）部門では，例年と同様に⑭ 粒子付着・成膜プロセスと膜の機械的特性（材料力学部① 複合材料の動向とその加工技術

門との共同企画）② セラミックスおよびセラミックス系複合材料⑮ 金属材料の疲労特性と破壊機構（材料力学部門との共同③ アルミニウム合金およびマグネシウム合金の創製と加工技術

企画）⑯ マイクロナノ理工学（情報・知能・精密機器部門，機素④ 粉末成形とその評価

潤滑設計部門，生産加工・工作機械部門，機力・計測制⑤ 非破壊評価とモニタリング

御部門との合同企画）⑥ バイオマス由来材料の成形加工と特性評価に関するオーガナイズドセッションを企画しています．

⑦ 塑性加工の動向とその展開

2008 年度年次大会は，「マイクロ・ナノ」，「エネルギー⑧ 新機能多孔質材料の創製と評価と環境」，「人材育成と教育」をキーワードとして部門横断⑨ 溶接・接合の動向とその展開型の企画を検討中ですが，講演会，同好会等々，各種の行⑩ 高エネルギー加工

事にぜひご参加下さるようご案内申し上げます．

編集後記
ニュースレター No.34 を，お届します．特集記事「金型材料・加工技術の新展開」では，短い時間にも関わらず多発 行

発行日 2007 年 11 月 1 日

数の記事をご寄稿頂き，ありがとうございました．大竹先〒 160-0016

生の巻頭言にあるように，金型技術への新しい息吹を感じ（社）日本機械学会て頂ければ幸甚です．さらに，今回は新しい巻頭デザイン

第 85 期部門長

京極秀樹

にてお送りしました．部門 HP のリニューアルも進んでお

広報委員会委員長

品川一成

り，季節とはうらはらに，新しい息吹満載です．本ニュースレターへのご意見，お問い合わせなどございましたら，
広報委員会幹事（秦：shata@pi.titech.ac.jp）までご連絡く
ださい．
– 13 –

東京都新宿区信濃町 35 信濃町煉瓦館

Tel. 03-5360-3500

機械材料・材料加工部門

Fax. 03-5360-3508