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CFRP 精密成形を支える高剛性低熱膨張鋳鋼
藤井 啓道，坂口 直輝，大野 晴康
炭素繊維強化複合材料の成形においては，生産性や寸法精度の点で成形用金型の機械特性や熱膨張特性が重要となる．我々は，精緻な成分調整技術とミクロ組織制御技術を利用し，精密成形金型用の材料として高剛性低熱膨張鋳鋼を開発した．本稿では，従来の低熱膨張鋳鋼の特徴や課題を紹介し，新規材料開発によって得られた研究成果を述べる．

やコバール合金を用いて，CFRP と同等の熱膨張はじめに率を有する金型を作製すれば，高い寸法精度での成形が可能となる．さらに，近年の製品形状の複炭素繊維強化複合材料（Carbon Fiber Reinforced

雑化に対応するためには，プロセスの簡易性とコ

Plastics：CFRP）は，軽量素材として多く用いられスト面を考慮すると，鋳造により金型を作製するるアルミニウム合金の 2 / 3 程度の比重でありながことが非常に有利となる．しかしながら，インバー

1)

ら ，鉄鋼の約 10 倍の比強度および約 7 倍の比弾合金やコバール合金の鋳鋼品においては，鋳造時性率を示す材料である．主に，燃費や安全性が重の凝固過程において形成する粗大な柱状晶によっ視される自動車や航空・宇宙分野で応用が進んでて，機械特性が著しく低下することが知られていおり，様々な形状や性能の CFRP 製品が開発されるている．CFRP は，炭素繊維と樹脂という異なる織に着目し，マルテンサイト逆変態や再結晶等の素材によって構成されるため，金属や樹脂と比較金属学的現象を精緻に制御することによって，低2)3)〜5)．そこで，我々は低熱膨張鋳鋼のミクロ組して成形工程が複雑となる ．現在，航空機部品熱膨張特性を損なうことなく機械特性を飛躍的に等の CFRP 製品の製造では，高温・高圧下におい向上させることに成功した．て硬化を行うオートクレーブ成形が一般的である．

本稿では，量産加工用 CFRP 精密成形金型の材

この手法では，材料内部のボイド（欠陥）形成を著料として，高剛性低熱膨張鋳鋼を確立することをしく低減できるため，高品質な製品を安定して得目指して行った研究の成果を紹介する．

1)

られるという特徴がある ．しかしながら，成形従来のインバー鋳鋼の機械特性とミクロ組織時間が長いため，生産性が極めて低く，自動車部品等の普及品の量産には不適であった．そのため，近年は脱オートクレーブ成形法を目指し，様々な成形技術が進歩してきている．特に，量産成形にインバー合金は，1897 年にスイスの Guillaumeはプレス加工技術が適しており，高度なプレス制博士によって発見された Fe -36 mass％Ni 合金で御技術や高性能な金型の開発が CFRP 発展の重要あり，室 温 付 近 で 1.2 × 10 / K と い う 極 め て 小な鍵となる．

さい熱膨張率となることが知られている （以下，−66)

CFRP の熱膨張率は，一般的な金属と比較して．発見から 1 世紀以
mass％は単に％と表記する）

著しく小さいため，通常のプレス成形に用いられ上経過した今日においても，インバー型合金は様々る金型では，成形後の寸法精度が低くなる．そのな分野で応用されており ，近年は宇宙産業にもため，低熱膨張合金として知られるインバー合金活躍の場を拡げようとしている

327)

(32)

8)〜10)．インバー合金属 Vol.90 (2020) No.1

トピックスCFRP 精密成形を支える高剛性低熱膨張鋳鋼

金を CFRP 成形用の金型材料として考える場合，粗大な柱状晶組織に起因している．柱状晶組織は，成分調整やミクロ組織制御によって熱膨張率をヤング率の小さい〈100〉の結晶方位が凝固方向にCFRP と同等にできる点は，精密成形に非常に有揃った集合組織となっているため，鋳鋼のヤング利となる．しかしながら，インバー合金は大きな率も小さくなる．また，凝固組織は不均質であり，磁歪を有しているため，本質的にヤング率が低い

柱状晶と等軸晶の存在比率のばらつきが大きいた

ことが知られている

11) 12)．磁歪の大きい強磁性体

め，機械特性のばらつきも大きくなる．鍛鋼のミでは，外部からの応力が加わった際，自発磁化のクロ組織は，塑性加工と再結晶により形成された回転によって余分な伸びを生じるためである．

等軸の微細な結晶粒組織となるため，鋳鋼よりも

図 1 は，インバー組成近傍の Fe - Ni 合金の鍛鋼高いヤング率となり，値のばらつきも低減される．

および鋳鋼におけるヤング率と Ni 濃度の関係をマルテンサイト逆変態を利用したインバー鋳鋼の剛性改善示している．どちらの材料においても，一般的な鉄鋼のヤング率 200〜215 GPa と比較して，著しく低い値となっている．鍛鋼では，Ni 濃度の増加とともにヤング率が単調に減少していることが一般的に，金属材料中の粒界や転位といった格確認できる．これは，丹治らによって報告された

子欠陥の密度が増加すると，塑性変形の素過程で13)と同様の傾向であり，Ni 濃度が 40％ある転位の運動の障害となるため，材料の降伏応程度まではヤング率が減少するとされている．ま力は上昇する．これらの現象は，Hall - Petch の法

た，Tino らによっても Fe - Ni 合金のヤング率に関則

研究結果

14)

15) 16)および Bailey-Hirsch の法則17)としてよくが報告されており，インバー組成近傍知られている．図 1 に示した通り，鋳鋼は結晶粒においてヤング率の極小点が存在することが明らが粗大であるため，鍛鋼と比較して機械特性は低かにされている．インバー組成近傍におけるヤン下する．これまで述べてきたように，低熱膨張鋳グ率の低下は，熱膨張率がゼロに近づく異常現象

鋼においては，低熱膨張特性や複雑形状を得るたとも密接に関連しており，正しく説明するためにめに，機械特性を犠牲にせざるを得ない．そのたする研究は，原子の結合状態や電子配置を考慮する必要がめ，低熱膨張鋳鋼を量産加工用 CFRP 精密成形金ある．一方，鋳鋼のヤング率は鍛鋼よりも低い値

型材料として用いる場合，鋳造後のミクロ組織制を示しており，データのばらつきが著しく大きく御により機械特性を改善しなければならない．最なっている．これは，鋳造の凝固時に形成されるも基本的な材料の強靭化の手法としては，結晶粒微細化や高密度転位の導入が挙げられ，塑性加工を利用することが実用上適している．しかしながら，鋳造技術により複雑形状を得る場合は，形状の変化を伴う塑性加工を用いることができないた
め，他の手法によりミクロ組織を制御する必要がある．
そこで，我々はマルエージング鋼等の Fe - Ni 系合金において生じるマルテンサイト逆変態に着目した．マルエージング鋼は，Ni および Co を中心とした添加元素を 30％程度含む合金である．また，マルテンサイト逆変態とは，体心立方（bodycentered cubic：bcc）構造または体心正方（body

図 1 インバー組成近傍の Fe - Ni 合金の鍛鋼および鋳鋼におけるヤング率と Ni 濃度の関係．
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centered tetragonal：bct）構造のマルテンサイト
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トピックスCFRP 精密成形を支える高剛性低熱膨張鋳鋼相が，熱処理等によって面心立方（face centeredオーステナイト結晶粒で構成される鋳鋼を，液体cubic：fcc）構造のオーステナイト相に変化する現

窒素浸漬によって M s 点以下の温度まで冷却する象をいう．牧らの研究

18)によると，18Ni マルエーと，マルテンサイト相とオーステナイト相の混相ジング鋼において，逆変態直後のオーステナイト組織となる．マルテンサイト変態は，母相に拘束相を熱処理すると，再結晶が進行して結晶粒が微された状態でせん断変形を伴って生じる無拡散変細化すると報告されている．この現象を利用すれ態であるため，マルテンサイト相内には高密度にば，低熱膨張鋳鋼においても微細結晶粒組織を得転位が発生する．その後，これらの転位の欠陥エることができ，機械特性が著しく改善されること

ネルギーを駆動力として，熱処理によって再結晶が期待される．ただし，インバー合金やコバールを進行させると，等軸の微細結晶組織を得ること合金は，マルテンサイト変態温度（M s 点）が 0℃ができる．実際に，Krauss以下の低温であるため，液体窒素等を用いてクラは，Fe - Ni オーステナイト合金において，液体窒19)や他の研究者

20)〜22)

イオ処理をすることによりマルテンサイト相を形素を用いたクライオ処理によってマルテンサイト成させる必要がある．図 2 は，マルテンサイト逆相が形成し，その後の焼鈍によってマルテンサイ変態に誘起されるオーステナイト再結晶を利用しト逆変態が生じることを報告している．

た鋳鋼の強化機構の概念図を示している．粗大な本研究では，低熱膨張鋳鋼における材料の強化を実現するため，初めに上述の強化プロセスの適用可能性を検討した．図 3 は，本研究で用いた熱処理プロセスの模式図を示している．材料を鋳造により準備した後，液体窒素浸漬によって冷却し，マルテンサイト相を形成させる．その後，再結晶温度で焼鈍を行い，結晶粒を微細化する．ここで，結晶粒の微細化した材料を再び液体窒素に浸漬し，マルテンサイト化を行う．微細結晶粒のままマルテンサイト化した材料を，今度は再結晶温度以下，逆変態温度以上の温度で焼鈍し，高密度に転位を導入する．以上の 2 段階のクライオ処理と焼鈍処理（以下，開発プロセスと表記する）を施すことにより，低熱膨張鋳鋼の機械特性は著しく改善され

図 2 マルテンサイト逆変態に誘起されたオーステナイ
ト再結晶を利用した材料強化機構の概念図．

ると考えられる．

図 3 本研究において開発した 2 段階熱処理の模式図．
34

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図 4 Fe-32％Ni-5％Co スー
パーインバー鋳鋼の（a）鋳放し材および（b）クライオ処理+ 焼鈍を行った材料のマクロ組織写真．

においては，凝固方向に〈100〉のシャープな集合組織が形成されている様子が確認された．それに対し，開発プロセスを施した材料では特定の結晶方位を有する結晶粒の優先成長は確認されず，ランダムな結晶方位分布となっていた．これらの材料のヤング率を測定すると，それぞれ 118 GPa および 134 GPa であり，機械特性が著しく改善されていることが明らかになった．つまり，マルテンサイト逆変態および再結晶を利用し，結晶粒の微細化および結晶方位のランダム化を行うことは，低熱膨張鋳鋼の機械特性向上に有効な手段である

図 5 Fe-32％Ni-5％Co スーパーインバー鋳鋼の鋳放し材およびクライオ処理 + 焼鈍を行った材料から得られた XRD プロファイル．

ことが示唆された．

量産加工用 CFRP 精密成形金型材料の開発

図 4 は，Fe -32％ Ni -5％Co 鋳鋼の鋳放し材と開発プロセスを施した材料のマクロ組織写真である．
Fe -32％Ni -5％Co 合金は，1931 年に増本博士よって開発されたスーパーインバー合金

23)

CFRP の成形温度は，樹脂の種類によって異なと呼ばれるり，樹脂の粘性，冷却後の物性，生産性等を考慮低熱膨張合金であり，マルテンサイト変態温度がして決定される．そのため，金型材料に用いる低− 50℃程度であるため，液体窒素浸漬により容易

熱膨張合金は，成形温度に応じて適切に選定されにマルテンサイト相が形成する．写真から明らかなければならない．インバー合金の低熱膨張は，なように，スーパーインバー合金の鋳放し材にお温度が上昇する際に，原子の格子振動による自然いては，鋳造の凝固過程で形成した粗大な柱状晶

熱膨張と強磁性体の有する自発体積磁歪の消失組織が形成しているのに対し，開発プロセスを施による体積収縮が打ち消しあうことにより発現すした材料では等軸の微細結晶粒組織となっている

ることが確認できる．写真から個々の結晶粒径を測である 280℃以上においては，低熱膨張特性も失定すると，それぞれ平均 1660 µm および 101 µmわれる．つまり，CFRP の成形温度が 200℃程度でとなっており，開発プロセスによって 1 / 10 以下のあれば Fe -36％ Ni インバー合金の使用に問題はな

24)．そのため，強磁性の消失するキュリー温度結晶粒径が得られることが明らかになった．続い

いが，高い耐熱性を有する CFRP の場合，成形温て，同じ試料を用いて，X 線回折（X-ray diffraction:度が 400℃程度に達するため，インバー合金は金XRD）法によって集合組織解析を行った．図 5 は，型材として使用できなくなる．その場合，Co 添加

鋳放し材および開発プロセスを施した材料から得によりキュリー温度を上昇させた Fe -29％Ni -17％られた XRD プロファイルを示している．鋳放し材

Co のコバール合金が使用に適することとなる．し金属 Vol.90 (2020) No.1

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かしながら，従来の組成のインバー合金とコバーで，厳密にはインバー合金およびコバール合金は，ル合金においては，それぞれに課題が存在する．

それぞれ熱膨張率が極小値を示す Fe -36％Ni 合金

Fe -36％Ni インバー合金は，Ni 濃度が高いことにおよび Fe -29％Ni -17％Co 合金を指すが，本稿でより M s 点が低下しているため，液体窒素浸漬には Fe - x％Ni 合金および Fe - x％Ni -15％Co 合金もより温度を −196℃に保持してもマルテンサイト変インバー合金およびコバール合金と呼ぶこととす態は生じない．また，Fe-29％ Ni-17％ Co のコバーる．加えて，Fe - x％Ni -15％Co コバール合金に関ル合金の熱膨張率は，CFRP と比較すると大きなしては，熱膨張率とキュリー温度の測定結果に基値を示す．そのため，それぞれの合金に対して狭づき，Co 濃度を従来とは異なる 15％としている．

幅な成分調整を行うことにより，CFRP 成形金型

図 6 および図 7 は，それぞれ液体窒素浸漬により用材料としての最適組成を模索した．成分調整は，

温度 −196℃でクライオ処理を行った後の Fe-x％Ni滴定法による化学分析を用いることにより，0.1％合金および Fe - x％Ni -15％Co 合金におけるミクロの精度を達成している．

組織を示している．Fe-x％ Ni 合金においては，Ni最適組成を決定するための材料は，Fe - x％Ni 合

濃度を 34.6％まで減少させると，部分的にマルテ

金および Fe - x％Ni -15％Co 合金を用いた．ここンサイト相が形成している様子が観察された．ま

図6

液体窒素により −196℃の温度でクライオ処理を行った後の Fe-x％Ni 合金におけるミクロ組織．

図7

液体窒素により −196℃の温度でクライオ処理を行った後の Fe-x％Ni-15％Co 合金におけるミクロ組織．

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トピックスCFRP 精密成形を支える高剛性低熱膨張鋳鋼

た，Ni 濃度が 34％以下となると，十分な量のマルテンサイト相が形成することが明らかになった．
続いて，Fe-x％ Ni-15％Co 合金のミクロ組織を見ると，Ni 濃度が 30.5％ではマルテンサイト相が全くα形成せず，30.0％まで減少すると，強化に十分な量のマルテンサイト相が形成することが明らかになった．以上の結果に基づき，それぞれ Fe-34％Ni イン
バー鋳鋼および Fe-30％Ni-15％Co コバール鋳鋼をαCFRP 成形金型用材料として採用することとした．
決定した組成のインバー鋳鋼およびコバール鋳鋼に対して，上述の開発プロセスを施した試料を図 8 開発プロセスを施したインバー鋳鋼（Fe -34％Ni）およびコバール鋳鋼（Fe-30％Ni-15％Co）の熱膨張曲線．
比較のため，従来のインバー鋳鋼（Fe -36％Ni）およびコバール鋳鋼（Fe-29％Ni-17％Co）の曲線も示す．

作製し，高精度熱膨張計を用いて低熱膨張特性が維持されているかを確認した．図 8 は，インバー鋳鋼およびコバール鋳鋼の従来の材料（Fe -36％Niおよび Fe -29％Ni -17％Co）と開発プロセスを施した材料（Fe -34％Ni および Fe -30％Ni -15％Co）の熱膨張曲線を示している．それぞれの曲線を比較すると，インバー鋳鋼およびコバール鋳鋼ともに，成分調整・開発プロセスを行った後も曲線にほとんど変化は見られず，低熱膨張特性が維持されていることが分かる．また，熱膨張率の値は，開発−6プロセスを施したインバー鋳鋼が 4.3 × 10 / K（室−6温〜200℃），コバール鋳鋼が 4.6 × 10 / K（室温〜−6400℃）であり，CFRP と同等の 10 /K 台を示していた．
最後に，それぞれの材料の機械特性の評価を鋼および鍛鋼の機械特性を示している．インバー

図 9 開発プロセスを施したインバー鋳鋼（Fe -34％Ni）およびコバール鋳鋼（Fe -30％ Ni -15％Co）の機械特性．
比較のため，従来のインバー鋳鋼，鍛鋼（Fe -36％Ni）およびコバール鋳鋼，鍛鋼（Fe -29％Ni -17％Co）の特性合金に着目すると，開発プロセスを施した鋳鋼のも示す．

行った．図 9 は，インバー合金およびコバール合金における従来の鋳鋼，開発プロセスを施した鋳200℃における 0.2％耐力は，鍛鋼の 2 倍以上という驚異的な値となっていることが確認された．こ本研究で開発した 2 段階クライオ処理および焼鈍れは，開発プロセスにより，鋳鋼の結晶粒径が鍛による材料強化プロセスは，低熱膨張鋳鋼の強化鋼並みに微細化されたことに加えて，高密度に転に非常に有効であり，量産加工用 CFRP 精密成形位が導入されたことに起因していると推察される．

金型の材料開発の強力なツールとなることが証明

また，同材料のヤング率も鍛鋼以上の値を示してされた．

おり，機械特性が著しく改善されている結果となっおわりにた．一方，コバール合金においても，開発プロセスを施した鋳鋼の耐力，ヤング率は鍛鋼と同等まで改善されていることも確認された．以上より，
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CFRP の成形加工装置やツールの世界市場規模
(37)

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トピックスCFRP 精密成形を支える高剛性低熱膨張鋳鋼は，2030 年には 1,700 億円に達すると予測されている

and P. Ramkumar: Mater. Sci. Forum, 830-831 (2015), 30.

25)9) 宇都宮真：金属，89 (2019), 422.

．特に，2020 年以降は熱可塑性 CFRP の連

10) 藤井啓道，大野晴康：金属，89 (2019), 1002．

続繊維製品における成形加工用プレス機の採用が，（1984）．
11) 近角聰信：強磁性体の物理（下）急増すると見込まれている．本稿で紹介した通り，

12)

インバー合金やコバール合金は熱膨張率を CFRP

坂口直輝，小奈浩太郎，包睿，中田伸生：鉄と鋼，105 (2019), 629.と同等の値に精緻に調整することが可能であり，

13) 丹治雍典，白川勇記，森谷博 : 日本金属学会誌，34

鋳鋼であれば複雑形状にも柔軟に対応できる．そ(1970), 417.
14) Y. Tino and T. Maeda: J. Phys. Soc. Japan, 18 (1963),のため，今回開発した高剛性低熱膨張鋳鋼は，次955.

世代の CFRP 成形金型用材料として大きなポテン

15) E. O. Hall: Proc. Phys. Soc. Lond., 64 (1951), 747.

シャルを秘めており，輸送機器産業等において製

16) N. J. Petch: J. Iron Steel Inst. Lond., 173 (1953), 25.

品の軽量化を支えるコアテクノロジーとなること

17) J. E. Bailey and P. B. Hirsch: Philos. Mag., 5 (1960),が期待される．

485.

素形材産業は，ものづくりの基盤を支える重要18)

牧正志，森本啓之，田村今男 : 鉄と鋼，65 (1979),

90.

な産業であり，「科学技術創造立国」を標榜する日

19) G. Krauss: Acta Metall., 11 (1963), 499.

本の技術革新の礎とならなければならない．資源

20) 今井勇之進，泉山昌夫，花田修治：日本金属学会誌，に乏しい日本では，国内市場におけるシェアを海31 (1967), 898.

外企業に譲らず，海外市場におけるシェアを拡大

21) N. Nakada, S. Kawasaki, Y. Kogakura, T. Tsuchiyama

するため，高付加価値の製品開発を続けていかな

and S. Takaki: Mater. Sci. Eng. A, 690 (2017), 270.

ければならない．我々は，素形材分野の一員として，

22) N. Nakada: Mater. Lett., 187 (2017), 166.

今後の日本の科学技術を支えていくために，これ23) H. Masumoto: Sci. Rep. Tohoku Imp. Univ., I-20 (1931),101.

まで培ってきた生産技術と研究成果を有機的に結24) 深道和明：まてりあ，36 (1997), 1064.

び付け，革新的な高付加価値材料を開発し続けて

25) ㈱富士経済ホームページ

いくことを目指している．また，人々の豊かな暮https://www.fuji-keizai.co.jp/

らしを支えるため，物理現象の本質を真摯に見つめ，人類共通の知の財産を提供できるような研究

ふじい・ひろみち 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．

を続けていきたいと考えている．
参考文献
1) 清水信彦：レーザー研究，38 (2010), 603.
2) 平野啓之：ネットワークポリマー，36 (2015), 38.
3) H. Masumoto, M. Kikuchi and S. Sawaya: J. Jpn. Inst.

さかぐち・なおき SAKAGUCHI Naoki
2001 新報国製鉄㈱入社．高温高強度超合金や高剛性低熱膨張合金等の高機能材料の開発に従事。2018 東京工業大学物質理工学院材料系博士後期課程に在学．専門：鉄鋼材料．

Met., 33 (1969), 1299.
4) N. Tsuji, H. Takebayashi, T. Takiguchi, K. Tsuzaki and T.
Maki: Acta Metall. Mater., 43 (1995), 755.

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．

5) 白川勇記，丹治雍典，森谷博，小熊一郎：日本金属学会誌，33 (1969), 1196.
6) C. E. Guillaume: CR Acad. Sci., 125 (1897), 235.
7) 深道和明：まてりあ，36 (1997), 1063.
8) R. K. Gupta, P. Varma, V. A. Kumar, P. Sarkar, J. Desai

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