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宇宙へはばたくゼロ熱膨張合金
藤井 啓道，大野 晴康
低熱膨張合金として知られるスーパーインバー合金は，精密機器や計測機器等に広く用いられているが，宇宙空間で使用される望遠鏡等の構造部材としては性能が十分ではなかった．我々は，精密な成分調整技術やミクロ組織制御技術を駆使することにより，宇宙望遠鏡に求められる超低熱膨張，低温安定性，経時寸法安定性を兼ね備えたスーパー・スーパーインバー合金を開発した．本稿では，開発に関わる研究成果とともに低熱膨張合金の今後の展望を述べる．

から約 1 世紀を経て精密機器，制御機器，構造部はじめに材等の様々な分野で応用されるようになっている．
冒頭に述べた宇宙産業に目を向けると，位置天宇宙望遠鏡やセンサの構造部材は，高い寸法精文学の分野において，インバー合金の高性能化度と熱的寸法安定性が求められる．そのため，こは超高精度観測を実現するための喫緊の課題とれらの構造部材には低熱膨張合金として知られるなっている．国立天文台の推進する小型 JASMINEインバー合金が用いられている．インバー合金の（Japan Astrometry Satellite Mission for Infrared

歴史は，1897 年にスイスの Guillaume 博士が Fe -Exploration）計画では，赤外線を用いた超高精度

36mass％Ni 合金（以下，mass％は単に％と表記す

観測によって，天の川銀河の構造を解明することる）の熱膨張が室温付近でほとんど 0 になることをを目指しており，望遠鏡構造部材としてスーパー発見したことに端を発する．その熱膨張率は，純インバー合金が採用されている−610)．しかしながら，−71)

鉄の 1 / 10 程度の 1.2 × 10 / K であり ，温度に対従来のスーパーインバー合金の熱膨張率 5 × 10して熱膨張が invariable（不変）であることが Invar/ K 程度では，構造設計の要求を満足することはで（インバー）の語源となっている．インバー合金のきない．そこで，我々は材料成分およびミクロ組発明に関わる一連の研究成果は，当時科学上の重織の精密制御技術によって，従来のスーパーイン大な課題とされた精密測量分野の問題を解決する

バー合金よりさらに 1 桁熱膨張特性を向上させた宇革新的な発見として評価され，1921 年に Guillaum

宙産業向け第 3 世代低熱膨張合金「スーパー・スー博士に対してノーベル物理学賞が授与された．

パーインバー合金」を開発した．この合金は，宇宙

1927 年には，増本博士によって磁気物性の観点か空間における低温使用にも耐え，製造から運用終了

ら Fe - Ni 系合金の低熱膨張の起源が説明され，こまで寸法が安定しているという特性も有している．の理論に基づき超低熱膨張特性を有する Fe-Ni-Co

本稿では，小型 JASMINE 計画の一環で開発し2)合金が開発された ．この合金は，スーパーインたスーパー・スーパーインバー合金に関する研究

バー合金と名付けられ，熱膨張率はインバー合金成果を紹介し，低熱膨張合金の将来展望を述べる．

−7

より 1 桁小さい 5 × 10 / K 以下であると報告されスーパーインバー合金のミクロ組織と熱膨張特性ている．増本博士の研究以降，インバー効果と磁気物性が密接に関わっていることが認識され，これまで様々な解釈が提唱されてきた

3)〜9)

．インバー
インバー合金の低熱膨張は，温度が上昇する合金は，これらの研究とともに発展を続け，発明
64(1002)

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際に，原子の格子振動による自然熱膨張と強磁性体の有する自発体積磁歪の消失による体積収縮が（a）鍛造材打ち消しあうことにより発現すると理解されている

11)．そのため，インバー特性を改善するためには，材料の強磁性が消失するキュリー温度や飽和磁化（b）鍛造材等の磁性に関わる特性を精緻に制御することが鍵

図 1 光学顕微鏡観察によって得られたスーパーインバー合金の（a）鍛造材および（b）鋳造材のミクロ組織写真．となる．Fe - Ni 系合金では，インバー特性が生じる組成近傍において飽和磁化の値が急激に低下することが知られている

1 cm12)．また，同じ組成域において，キュリー温度も Ni 量に依存して著しく変化する

13)．つまり，従来のスーパーインバー合金の特性を革新的に向上させるためには，そのミクロ組織と熱膨張特性を正しく理解した上で，精緻に成分調整や組織制御を行っていくことが必要となる．本節では，一般的なスーパーインバー合金のミクロ組織と熱膨張特性を紹介する．
図 1 は，スーパーインバー合金の（a）鍛造材および（b）鋳造材のマクロ組織写真である．どちらも温度 830℃の溶体化熱処理および 315℃のひずみ取り熱処理を行った後の組織を示している．この図 2 スーパーインバー合金の鍛造材および鋳造材の熱膨張曲線．

合金は，基本的には面心立方構造のオーステナイト相の単相組織となることが知られており，写真からもオーステナイト相以外の組織は観察されな果に基づけば，結晶粒径制御や欠陥導入等のミクかった．両者の写真を比較すると，鍛造材では塑ロ組織制御では飛躍的に熱膨張率を低減すること性加工と再結晶により形成した微細な等軸の結晶は難しいと予想される．

粒が観察されるのに対し，鋳造材では溶融−凝固ところで，増本博士がスーパーインバー合金を過程中に形成した粗大な柱状晶が観察される．こ

初めて報告した論文では，すべての試験片の熱膨の組織の違いが熱膨張特性にどのように影響する張率は 5 × 10 / K 以下となっており，いくつかのかを理解するため，両者の熱膨張特性を比較する．

試験片では 10 / K 以下の値を示したとされてい図 2 は，高精度熱膨張計で測定したこれらの合金る ．しかしながら，現在製品化されているスーの熱膨張曲線を示している．鋳造材と比較すると，パーインバー合金では，ほとんどが 5 × 10 / K 前−7−72)−7鍛造材の方がわずかに熱膨張量が小さくなってい後の熱膨張率であり，開発当時からの飛躍的な特ることが確認できる．インバー合金の熱膨張率は，性向上は見られない．また，低熱膨張を阻害する

原子空孔，転位，結晶粒界等の格子欠陥密度に影

マルテンサイト相の形成温度（M s 点）は，どの製

14) 15)．そのため，品においても −23℃ 程度となっており，室温付近鍛造材においては，結晶粒微細化により密度が増での使用が想定されている．そのため，10 / K 以加した結晶粒界の影響により，熱膨張率がわずか下の熱膨張率を安定して維持したまま，宇宙空間に変化したと推察される．しかしながら，両者のの低温使用に耐え得るスーパーインバー合金は開

熱膨張率は，著しい差が出るほどの変化は確認れ発されていない．増本博士は，当時 Ni 量を 0.5％響される可能性が指摘されている−7−7ず，ともに 7 × 10 / K 程度であった．これらの結金属 Vol.89 (2019) No.11の精度で変化させて実験を行っており，これより(1003)

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高精度に Ni 量の成分調整を実施すれば，安定して機器においては，深宇宙の環境に晒された場合に−710 / K 以下の熱膨張率を示し，低 M s 点を有する

備え，放射冷却によって −123℃ 近くまで温度が下合金を開発できる可能性があると考えられる．こがることを想定しなければならない．上述の通り，れが実現されれば，熱膨張特性に関しては，スー従来のスーパーインバー合金は，温度 −23℃ 程度

パーインバー合金が宇宙望遠鏡の構造部材としてまで冷却されると，熱膨張率の高いマルテンサイの要求を満たす性能が得られることとなる．

ト相の形成が進行するため，宇宙空間での使用には適していなかった．以上の背景に基づき，極低第 3 世代低熱膨張合金「スーパー・スーパーインバー合金」の開発−8

温域まで使用が可能であり，安定して 10 / K オー
ダーの熱膨張率を実現する第 3 世代低熱膨張合金の開発を試みた．

小型 JASMINE 計画における望遠鏡構造の設計

は じ め に，Fe - x ％Ni の イン バ ー 合 金 を 用 い

では，従来のスーパーインバー合金の熱膨張率でて，熱膨張率を上昇させるマルテンサイト相の−7ある 5 × 10 / K 程度では要求を満足することはで形成量と Ni 量の関係を詳細に検討した．Ni 濃度−8きない．そのため，安定して 10 / K オーダーの熱は，滴定法を用いた化学分析により絶対量を測定膨張率を有する合金開発が必要となる．これまでし，0.1％の精度での調整を実現した．図 3 は，液の低熱膨張合金の歴史では，Fe - Ni 系のインバー体窒素を用いて，温度 −196℃で冷却処理を行った合金から一部の Ni を Co へ置換することにより，Fe-x％ Ni 合金の室温におけるミクロ組織を示して熱膨張率を 1 桁低減させた第 2 世代 Fe - Ni - Co 系いる．Ni 量が 32.3〜34.3％の合金では，高密度にスーパーインバー合金へと開発が進められてきた．

マルテンサイト相が形成していることが確認できスーパーインバー合金が開発されて 90 年近く経過る．それに対し，Ni 量が 34.6％になると，マルテした現代では，材料の製造技術や分析技術が著しンサイト相は著しく減少し，35.1％においては全く発展しているため，材料のミクロ組織や成分をく形成しないことが明らかになった．これは，イ精緻に制御することにより，さらなる熱膨張率のンバー合金組成域におけるマルテンサイト形成が，低減が可能となると期待される．また，衛星搭載

Ni 量に対して極めて敏感であり，Ni 量の増加とと32.3％Ni

33.2％Ni

33.6％Ni

600 µm

34.3％Ni

オーステナイト相マルテンサイト相

図366

600 µm

34.6％Ni

600 µm

35.1％Ni

600 µm

600 µm

600 µm

温度 77 K で冷却処理を行った Fe-x％Ni 合金の室温におけるミクロ組織写真．
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100 µm宇宙へはばたくゼロ熱膨張合金

図 4 温度 143 K で冷却処理を行った（a）従来のスーパーインバー合金および（b）成分調整により低 M s 点を実現したスーパーインバー合金のミクロ組織写真．

100 µm

もに M s 点が低下することを示唆している．この結果に基づき，スーパーインバー合金でも Ni 量を0.1％の精度で調整し，従来よりも Ni 量をわずかに増加させることによって，熱膨張特性を維持したまま M s 点を著しく低下させることに成功した．
図 4 は，（a）従来のスーパーインバー合金（以下，従来材）と（b）成分調整により低 M s 点を実現したスーパーインバー合金（以下，開発材）を −130℃ で冷却処理した後，室温でミクロ組織を観察した結果である．従来材では，高密度にレンズ状のマル
図 5 （a）従来材および（b）開発材の熱膨張曲線．

テンサイト相が形成しているのに対し，開発材では全く形成していないことが確認できる．続いて，これらの材料の冷却時における熱膨張特性を調べ最終凝固部において低くなる．逆に，低炭素のイると，図 5 に示す曲線が得られた．従来材は，0℃

ンバー鋳鋼においては，分配係数は 0.95〜0.98 程より冷却していくと，マルテンサイト相の形成に度と報告されておりより，−45℃付近から急速に膨張が始まっているこ同様の値を示している．以上のように，インバーとが分かる．それに対し，開発材では −100℃まで型合金においては，最適な Ni 量を添加していて寸法はほとんど変わらず，低熱膨張が維持されても，微視的には Ni 濃度のゆらぎが大きく，局所的いることが明らかになった．に組成が変化する．最適組成から外れたミクロ領17)，本研究における開発材もここで，熱膨張率の値に目を向けると，Ni 量域においては，当然熱膨張率は局所的に上昇し，をわずかに増加させることにより，M s 点を低下

材料全体の平均熱膨張率も上昇する．以上を考慮させることは可能となったが，スーパーインバー

すると，最適組成に近い組成のスーパーインバー合金の最適組成からは Ni 量がわずかに外れるた合金においては，適切な熱処理によって Ni のミク−8め，宇宙望遠鏡の構造材として要求される 10 / Kロ偏析を低減し，濃度の均質化を行うことにより，オーダーの熱膨張率は達成されなかった．そのた熱膨張率を低減することが可能となる

め，インバー型合金の熱膨張率に影響を及ぼすと電子線マイクロアナライザ（Electron Probe Micro16)．図 6 は，される Ni のミクロ偏析に着目した．旗手らによる

Analyzer：EPMA）により測定した均質化処理前後と，一般的なインバー鋳鉄における Ni の分配係数の開発材における任意の領域の Ni 濃度分布を示（凝固過程における溶融部の Ni 濃度に対する凝固している．均質化処理によって濃度分布は平坦と部の Ni 濃度の比）は，1 よりも大きくなる

16)．つなっており，ミクロ偏析が低減されていることがまり，Ni 濃度は初晶オーステナイト相で高くなり，確認できる．実際に，Ni 濃度の最大値と最小値の金属 Vol.89 (2019) No.11(1005)

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宇宙へはばたくゼロ熱膨張合金

図 6 均質化処理前および均質化処理後の開発材における任意の領域の Ni 濃度分布．

図 8 開発材における Ni の偏析比に対する熱膨張率の変化．

が減少することが確認された．また，偏析比を 1.04−7程度まで低減させると，高い再現性で 1.0 × 10 / K以下の熱膨張率を得られることも確認され，超高精度を要求する宇宙望遠鏡構造部材として，実用に供する可能性が大きく膨らんだ．この合金は，第 3 世代の低熱膨張合金として，スーパー・スーパーインバー合金と名付けられ，位置天文学のキーテクノロジーの 1 つとして大きく飛躍することが期待されている．

宇宙望遠鏡への適用

図 7 均質化処理前および均質化処理後の開発材の熱膨張曲線．

衛星搭載の望遠鏡構造材料は，上述の熱膨張特比である偏析比を計算すると，均質化処理前にお性に加えて，製造から運用終了までメンテナンスいては 1.17 であったのに対し，均質化処理後ではが行えない宇宙空間で使用されるため，寸法の経1.06 となっており，数値からも明らかにミクロ偏年変化に対して高い耐性を有していることが重要析が低減されていることが確認できる．なお，プとなる

10)．インバー合金の寸法の経年変化は，炭ロファイル中の Ni 量が著しく減少している箇所

素の拡散現象と密接な関わりがあることが知られは，母相とは異なる硫化物相等の領域であるため，ている偏析比の計算においては無視をした．の含有量をいかに抑えるかが重要となる．我々は，

18) 19)．そのため，経年変化に作用する炭素スーパー・スーパーインバー合金の寸法安定性を

図 7 は，均質化処理前後の開発材の熱膨張曲線を示している．均質化処理後においては，Ni 濃度向上させるため，熱膨張特性と低温安定性を維持分布が均質化されたことによって，明らかに熱膨したまま，炭素含有量を 0.02％以下まで抑えるこ張率が小さくなっており，均質化処理前に 2.8 ×とに成功した．図 9 は，スーパーインバー合金の−7−710 / K であった値が 0.8 × 10 / K まで改善された．

寸法の経年変化に対する炭素含有量の影響を示し

図 8 は，偏析比に対する熱膨張率の変化を示してている．これらの結果は，本研究で作製した試料いる．偏析比を低減させると，明らかに熱膨張率を用いて，産業技術総合研究所工学計測標準研究

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図 9 スーパーインバー合金の寸法の経年変化に対する炭素含有量の影響．

宇宙へはばたくゼロ熱膨張合金

図 11 各種インバー型合金の熱膨張率と M s 点の関係．
先進インバー型合金の比較として，粉末冶金高純度 3620)インバー も示している．

なった．図 10 に示す通り，小型 JASMINE 望遠鏡の構造は静定のトラス構造であり10)，すべての部品にスーパー・スーパーインバー合金が用いられている．

おわりにインバー合金は，発見から 120 年を経た現代においても幅広い分野で活躍している．精密機器や計測機器の発展とともに，様々な特性を有するインバー型合金が登場し，添加元素を中心とする合金系の探索やミクロ組織制御に関する検討が精力的に行われてきている．その結果，インバー型合金の使用温度域は大きく拡大し，機械特性や加工性は著しく改善され，活躍の場を宇宙空間にまで図 10拡げようとしている．また，学術的な視点から見小型 JASMINE 計画で用いられる宇宙望遠鏡．

ると，インバー効果発現機構に関する議論は今な部門において測定を行っており，現在も測定を継お世界中で続いており，多くの興味深い命題が残続している．炭素含有量を極限まで低減したスーされている．

パー・スーパーインバー合金は，従来の合金と比

図 11 は，各種インバー型合金の M s 点と熱膨張較して経年変化が著しく抑制され，その変化量は率の関係を示している．新報国製鉄では，本稿で1 年間で 60 nm 程度であることが確認されている．

紹介したスーパー・スーパーインバー合金以外にこれによって，超低熱膨張，低温安定性，寸法安も，耐極寒高剛性ゼロ膨張合金や究極ゼロ膨張合定性の全てを兼ね備えた材料開発が実現し，小型金等の世界最高水準の低熱膨張合金も開発しておJASMINE 計画の宇宙望遠鏡構造部材としてスーり，精緻な成分調整およびミクロ組織制御技術にパー・スーパーインバー合金が採用されることとよって，ニーズに応じた様々な低熱膨張合金を提金属 Vol.89 (2019) No.11(1007)

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宇宙へはばたくゼロ熱膨張合金供することが可能である．我々は，これまでの研

5) 可知祐次：固体物理，3 (1968), 499.

究で築き上げた学術基盤の上に，長年培われた世

6) T. Kakeshita, K. Shimizu, R. Tanaka, S. Nakamichi, S.
Endo, F. Ono: Mater. Trans., JIM, 32 (1991), 1115.

界最高峰の精錬技術や鋳造技術を積み重ねること

7) D. G. Rancourt, M.-Z. Dang: Phys. Rev. B, 54 (1996),

により，低熱膨張合金開発の未踏の頂へと歩を進

12225.

めている．

8) J. M. Wesselinowa, I. P. Ivanov, P. Entel: Phys. Rev. B,

近年の産業技術の高度な発展に伴い，宇宙産業

55 (1997), 14311.

や半導体産業等の様々な分野において，ナノメー

9) T. Yokoyama, K. Eguchi: Phys. Rev. Lett., 107 (2011),065901.

トルスケールの位置や寸法の超高精度が求められ

10) 宇都宮真：金属，89 (2019), 422.ている．高い寸法安定性を有する低熱膨張合金の

11) 深道和明：まてりあ，36 (1997), 1064.

生産技術は，上記の産業技術の発展を支え，豊か，(1978).
12) 近角聰信：強磁性体の物理（上）な社会の形成に大きく寄与すると考えられる．今13) Y. Tanji and Y. Shirakawa: Sci. Rep. Res. Inst., Tohoku

後は，様々な視点から低熱膨張合金の特性発現機

Univ. Ser. A, Phys. Chem. Metall., 22 (1970), 135.

構やミクロ組織形成機構が議論され，学術基盤に

14) 近角聰信，溝口正：固体物理，3 (1968), 67.

立脚した合金開発が一層進むことが期待される．

15) 中間一夫：山陽特殊製鋼技報，21 (2014), 39.

我々は，これからも低熱膨張合金の発展の一翼を

16) 旗手稔，塩田俊雄，炭本治喜，中村幸吉：鋳物，67(1995), 775.

担い，1 世紀以上続く低熱膨張合金の歴史を未来

17)へと紡いでいきたいと考えている．

旗手稔，炭本治喜，中村幸吉：日本金属学会誌，

54 (1990), 1036.
18) B. S. Lament, B. L. Averbach and M. Cohen: Trans.

謝辞

ASM, 43 (1950), 1072.

本稿におけるスーパー・スーパーインバー合金

19) J. M. Steele, D. A. Thompson, S. F. Jacobs, D. L. Bass:
Proc. SPIE, 1752 (1992), 40.の開発に当たっては，国立天文台の宇都宮真博士20) W. M. Sokolowski et. al: Ultrahigh-purity dimensionally

より多大なるご支援を賜りました．また，スーパー

stable invar 36, U. S. Patent 5, 476,633, 1995-12-19.

インバー合金の寸法の経年変化の測定は，産業技術総合研究所工学計測標準研究部門において測定

Fujii Hiromichi T.
2007 日本学術振興会特別研究員，2008 ケンブリッジ大学客員研究員，2009 東北大学大学院工学研究科ナノメカニクス専攻
博士課程後期 3 年の課程修了，同年 東北大学大学院工学研究科材料システム工学専攻助教，2010 オハイオ州立大学客員研究員，2019 新報国製鉄㈱主幹．博士（工学）．専門：鉄鋼材料，電磁気学，接合工学．
ふじい・ひろみちを行っていただきました．関係各位のご協力に深甚の謝意を表します．
参考文献
1) C. E. Guillaume: CR Acad. Sci., 125 (1897), 235.
2) H. Masumoto: Sci. Rep. Tohoku Imp. Univ., I-20 (1931),

おおの・はるやす OHNO Haruyasu
1993 新報国製鉄㈱入社，ガラス成形用金型材や極低熱膨張合金等の高機能鉄鋼材料の開発に従事．また，鉄鋼材料の各種特性評価技術により品質管理業務にも従事．専門：鉄鋼材料，機械工学，品質管理．

101.
3) E. I. Kondorsky, V. L. Sedov: J. Appl. Phys., 31 (1960),
331S.
4) R. J. Weiss: Proc. Phys. Soc., 82 (1963), 281.

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