ISSN0913-0020

The Japan Research and Development Center for Metals

一般財団法人

金属系材料研究開発センター

2016.7TODAY

No.357

三大材料のひとつ、セラミックス材料の過去・現在・未来
一般社団法人
日本ファインセラミックス協会
専務理事

矢野 友三郎1. セラミックスの創成期
金属、高分子材料と並ぶ三大材料のひとつである
セラミックスは、日本がグローバル市場の 4 割 ( 米国は 3 割 ) を占める数少ない強い材料である。御承知のように、セラミックスの歴史は古く、縄文土器や弥生土器というオールドセラミックスに始まり、今年で 400 年祭を迎える陶磁器の有田焼、明治に入り工業用セラミックスとしての耐火レンガ、そして、40 年前の新素材ブームでファインセラミックスが登場し、昭和 61 年 (1986) に当協会が発足した。
アカデミックでは、現在の日本セラミックス学会（日本セラミックス協会）が発足したのは、明治 24
年 (1891) で、今年で設立 125 周年を迎える。そして、日本のセラミックス産業を牽引した東京高等工業学校窯業科 ( 現在の東京工業大学 ) が発足したのは明治 27 年 (1894) である。
産業界では、明治 30 年 (1897) に宇部興産、明治37 年 (1904) のノリタケ、明治 40 年 (1907) の旭硝子などの 100 年企業が発足した時代でもある。パリのエッフェル塔が建設されたのは、明治 32 年 (1889)の第 4 回パリ万国博覧会で、時代の流れを感じるとともに、日本の基盤を作った先人に感謝である。

セラミックスの応用分野は、エレクトロニクス、自動車、航空機宇宙、医療、エネルギー等と幅広い。
スマートフォンに内蔵されているセラミックスコン
デンサーに代表される機能材料と構造材料に大きく分かれる。日本では、ファインセラミックスは機能材料として多用されているが、欧米では、構造材料が大きな位置を占めている。具体的には、航空機向けのセラミックス繊維の複合材、原子力燃料の保護材、光学用透明セラミックス、防弾チョッキ等がある。

図 1: 795 個のセラミック電子部 図 2: 航空機セラミック繊維エ品が収まるスマートフォン
ンジン LEAP( 出所 ) 村田製作所広報資料( 出所 )CFM インターナショナル資料

3. 今後のセラミックス産業

今年 4 月下旬、クリーブランド ( オハイオ州 ) で開催された北米最大のセラミックス展示会へ出席した。昔に比べてビジネス環境はずいぶんと様変わりし展示会で国境を越えたダイバシティの広がりをみると、国際的な流動の中で、日本は主要な地域から外れつつあるのではと一抹の不安を覚えた。良く言えば、大変刺激を受けた。出展社は皆、セラミックスファミリーであるが、競争相手は日本企業だけでなく、欧米企業はもちろん、力をつけているアジア企業も手ごわい。
2. 今日のセラミックス産業
現在、今年 11 月の JFCA 設立 30 周年を記念して、この長い歴史と技術の蓄積があったから、日本の セラミックス産業の Roadmap2050 を東京工業大
ファインセラミックス産業は世界トップの座を占め 学、名古屋工業大学と 3 機関で策定中である。春にることが出来ている。昨年のファインセラミックス 専門家インタビューが終わり、5~6 月に日米欧アン産業の生産額は、過去最高の 2.5 兆円を記録した。 ケート調査、7 月にオープンワークショップを経て、東京オリンピックが開催される 2020 年の世界市場 11 月に公表予定である。
は 11 兆円、日本の生産額は 4 兆円と予測されてい一抹の不安は、世界大学評価機関の世界大学専攻る。この大きな成長は、近年の環境・エネルギーの 分野別ランキング ( 材料科学コース ) 調査で、日本時代の要請に応えた、耐熱・耐摩耗の効率化や小型 の世界ランキングが低下していることである。
化、軽量化等に優れたセラミックスの特性の結果で世界トップ 3 校は米国の MIT、スタンフォード大、ある。
英国のインペリアル・カレッジ・ロンドン大である。
1

世界 50 傑に入る日本の大学は、東大 (17 位 )、東北大 (22 位 )、東工大 (24 位 )、京大 (25 位 )、阪大 (44 位 )の 5 校で、これは米国 19 校に続き中国 5 校と並ぶ。
ＵＳニューズでは、世界 100 傑には中国 26 校、米国 25 校、韓国 8 校に続き、日本は英国並び 6 校である。
日本がセラミックスで積み上げてきたものは大きく、世界市場の 4 割を確保し戦う武器は多く持っている。今後は、それをどのように使いこなし、世界で稼ぐのかと言うグローバルレベルでのマネジメントのあり方である。社会が多極化し非連続な変化の中で、振り回されない「自己軸」、限られた経営資源の中で、どの市場や事業に「張る」かが大事である。もう神風は吹かない、内輪で小競り合いをしたり、立ち止まったりしている余裕はない。

JRCM REPORT「電子ビーム三次元金属積造形技術の周辺技術等」に関する技術動向調査
一般財団法人金属系材料研究開発センター 環境・プロセス研究部長
日鉄住金総研株式会社
参与 産業技術部長 研究主幹 宮前 収
JRCM と日鉄住金総研株式会社（以下、NSRI）は共同して、標記の調査を実施しましたので、概要を次のとおりご報告いたします。
調査範囲は、①原料となる金属粉末生成技術、②製品の検査技術、③リアルタイム・イン・プロセス
モニタリング及び制御技術、④マテリアルズ・イン
フォマティクスとの融合技術で、特に①原料となる金属粉末生成技術を中心に調査しました。
電子ビーム三次元金属積層造形技術は、図 1 に示すようにホッパーから直径数十μ m ～ 100 μ m 程度の金属粉末を供給して薄い層（ベッド）を形成し、電子ビームを照射することで溶融・凝固させるプロセスを繰り返し造形するものです。原料となる金属粉末には、製品の信頼性の点から酸素などの不純物が極めて少なく高純度であること、ボイド等の欠陥が無いことが求められるのは当然ですが、更に生産性を上げるためにベッド形成が迅速であることが求められます。そのためには金属粉末の流動性を上げることが必要で、粉末の真球度を高くすることと粒松尾 充高

現在は、これらの要求を満たすものとしてプラズマアトマイズ法が適用されていますが、電子ビーム三次元金属積層造形技術を広く普及させるには、金属粉末の低コスト化が課題になる可能性が高く、金属粉末生成法を幅広く調べました。以下に調査結果の一部をご紹介します。
粉末冶金などで最も一般的に使用されているのは
図 2 に示すガスアトマイズ法で、酸化を嫌う場合はAr、N2 等の不活性ガスが使用されます。高速のガス流を使用するため、気泡欠陥が混入するとの見方があります。酸化と粉末の真球度がさほど問題にならない場合はコストの安い水アトマイズ法が使用されます。ガスの使用量が少ないアトマイズ法としては回転電極法があります。米国 Nuclear Metals, Inc. により開発された製法であり、高純度かつ真球度の高い金属粉末ができますが、50 μ m 以下の粒子を作るのが難しいとされています。

径分布を小さくすることで流動性を上げることができます。

図 1: 電子ビーム三次元金属積層造形装置の概要

図 2: ガスアトマイズ法の概念図と粉末画像（出典：積層造形医療機器開発ガイドライン 2015（総論）（手引き））（出典：Sanyo Technical Report Vol.22(2015) No.1）

JRCM NEWS No.3572欠陥が極めて少なく高純度な製法としてカナダのPYROGENESIS 社と Hydro-Quebec 社の特許として高純度球状 Ti 粉末のために開発されたプラズマアトマイズ法があります。（次ページ図 3）電子ビーム三次元金属積層造形用として最も多く用いられています。
プラズマアトマイズ法は、高品質な金属粉末が得られる一方、設備費が高くバッチ処理でコストが高い欠点があります。誘導プラズマアトマイズ法（次ページ図 4）は、表 1 に示すように入熱を大きくでき生産性が高い特長があります。加えて連続処理が可能な設備も登場してきており、高品質でありながらコスト上昇を抑制できる可能性があり今後注目すべき技術といえます。

表 2 に各種金属粉末の生成法の比較をまとめています。金属粉末の流動性向上や凝着防止は製造における大きな課題であり、金属粉末表面を修飾（表面処理）することも解決手段になりえます。また、酸化しやすい Mg などの粉末は粉じん爆発の危険があり、安全性の確保が重要です。そこで金属ナノ粒子で行われている表面修飾技術を調査してまとめました。表 3 にその結果を示します。無機物ではシリカによる修飾の研究開発が複数の大学・研究機関・企業で行われており、有機物の修飾も複数行われています。修飾のプロセスは、コロイダルシリカのような液相で修飾する方法、高圧二酸化炭素のような気相で修飾する方法、ビーズミルを使用するような固相で修飾する方法があります。

表 1: プラズマアトマイズ法とプラズマ誘導結合法の比較表（出典：AP&C 社、Quebec 社、TEKNA 社のホームページ情報等を参考に NSRI 作成）

Arcam(AP&C)
アトマイズ法プラズマアトマイズ法
Feed stock
ワイヤー
金属種
ワイヤー状にできる金属種に限定
Ti, Ni, NiTi, Mo 等
装置の消費電力 195kW
生産量
約 6.3kg/h（150kg/day）

TEKNA
プラズマ誘導結合法
粉末
高融点金属を含むあらゆる金属種に対応可能
50kW ～ 600kW
1kg/h ～ 60kg/h

表 2：金属粉末生成法の比較
製造方法
水アトマイズ法

ガ 通常方式スアトマイズ法 レビアトマイズ法

採用メーカや研究機関
山陽特殊製鋼神戸製鋼所
JFE ホールディングス
福田金属箔粉工業
山陽特殊製鋼
大同特殊鋼
東洋アルミニウム
福田金属箔粉工業

大同特殊鋼

回転電極法

福田金属箔粉工業
Nuclear Metals

プラズマアトマイズ法

AP&C（Arcam）

誘導結合プラズマ法

日立金属
TEKNA

ディスクアトマイズ法
山陽特殊製鋼・通常方式
・ハイブリッドアトマイズ法

金属種
Cu 系
Zn 系
SUS 系
Fe 系
Ti 系
Fe 系
Ni 系
Co 系
SUS 系
Al 系
Mg 系
Ti 系

課題等
・コストが安い（◎）
・酸化する（×）
・真球度が低い（×）
・コストが安い（○）
・真球度が高い（○）
・不活性ガス（N2, Ar）を使用すれば酸化しない（○）
・気泡混入の可能性がある（△）

・上記＋耐火物との接触が無く高純度（◎）

Ti 系
・微細化が難しい（△）
Ni 系
・真球度がやや低い（△）
Zr 系
Ti 系
・高純度（○）
Ni 系
・真球度が高い（○）
Nb 系
・気泡欠陥が少ない（○）
Mo 系
・コストが高い（×）
幅広い金属種 ・高純度（○）に対応可能 ・真球度が高い（○）
Ti 系・気泡欠陥が少ない（○）
Ta,Mo,W・生産性が高くプラズマアトマイズ法よりCr/Fe/C
は低コスト（△）
低融点金属 ・微細化が難しい（△）
ハンダ等
・高融点金属の安定製造が課題（△）

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JRCM NEWS No.357

図 3：プラズマアトマイズ法の概略図と粉末画像

図 4: 誘導プラズマアトマイズ法の概略（出典：Raymor AP&C: Leading the way with plasma atomised Ti
spherical powders for MIM）

（出典：TENKA 社資料 Recycling spherical powders, Induction
Plasma Synthesis and Processing Additive Manufacturing）

表 3：研究機関等における凝集防止のための粉体表面の修飾・分散剤の研究開発リスト（出典：ナノ粒子の最先端）

大学・研究機関・企業名

内容

北海道大学

銅ナノ粒子の表面被覆

信州大学、東京理科大学

水系における金ナノ粒子のシリカ被覆

東京農工大学、東北大学

シランカップリングによる表面処理

山形大学

シード粒子成長法による機能性微粒子調整

山口東京理科大学

自己組織化による二元金属ナノ粒子の生成

日輝触媒化学コロイダルシリカの表面処理

大阪大学

ナノ粒子の接合による構造制御と高機能化

ホソカワミクロン、東京農工大学

ビーズミルによる有機溶媒中での表面修飾

エム・テクニック、東京理科大学

強制薄膜式リアクターによる表面処理

福岡大学

高圧二酸化炭素を用いた表面改善

ホソカワミクロン、大阪府立大学

乾式機械的処理による複合または表面被覆

東京工業大学

ナノ粒子への有機物の被覆ᖹᡂ28ᖺ6᭶17᪥䠄㔠䠅䡚
【JRCM 理事会・評議員会のご報告】ଲୗਓ঵ଂੌ௶ৄઉ峁৸৬൸ٛગౣ৐ٜٛગౣ৏ٜ䞉䞉䞉෌⦅㛵ಀㄢ
平 成 28 年 6 月 20 日 に JRCM૞হ઻஼‫ط‬峬峘峏岹峴৆ੁଟ৮஼‫ط‬ଲୗૼ୒ਅറ஼‫ૹৢط‬஼‫ط‬਷嵣崿嵑嵛崰஼૞হ઻஼‫ط‬峬峘峏岹峴৆ੁଟ৮஼‫ط‬ଲୗૼ୒ਅറ஼‫ૹৢط‬஼‫ط‬਷嵣崿嵑嵛崰஼
会議室におきまして、定時評議員‫ق‬ৗਝ‫ك‬প෦઻ඬ૞হ઻‫ق‬崯崠崧嵓৲嵣ਓ঵崟崡崮嵈૿ਊ‫ك‬ள඀ୖ ‫ق‬ள඀‫ك‬会、理事会が開催され、H27FY 事 嵣ଲள੫઺஼‫ق‬ਸ਼஛ઃਓ঵୓୵‫ۉ۞ھق‬ಉ‫ك‬峕峲峵ଲୗ঵峘崯崠崧嵓৲ಉ峢峘ৌૢ‫ك‬
業報告書及び決算報告書が承認さ శளসരୖ ‫ق‬శள岝嵔崊嵉崧嵓岝嵔崊崊嵤崡‫ك‬সരୖ ‫ق‬ள඀岝శள岝嵔崊嵉崧嵓岝嵔崊崊嵤崡ಉ‫ك‬嵣সരૼ୒஼
れました。同報告書は JRCM ホー 嵣ൌથসര஼
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ムページに掲載しております。
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また同会合に来賓としてご出席 嵣ਃચਙ৲৾ષ஼‫ق‬৲৾岝崔嵑崡岝崣嵉嵛崰岝౛崹嵓崿岝ಞ౫ਓ঵ୖຍಞྐ೐岝ӂӝӟҴӁӉӍӐҫҶӎӢҴಉ‫ك‬
いただきました経済産業省製造産 嵣崊嵓崛嵤嵓஼嵣୓ৗಞ౫஼‫ق‬ક୧岝૦౫‫ك‬ક୧ਓ঵ጓ঵૦౫ୖ嵣੫઺઻‫଼ق‬ଥৡਘ৲૿ਊ‫ك‬‫ق‬崔嵑崡岝崣嵉嵛崰‫ك‬業局金属課金属技術室長の坂元耕嵣੫઺઻‫ق‬ব੠૿ਊ‫ك‬ਓ঵ਃ༊ୖ‫ط‬嵕嵄崫崰৆ੁ஼‫ط‬ಞ஄౫ਓ঵஼嵣崊嵓崛嵤嵓஼
三 様 よ り、 平 成 28 年 6 月 17 日 ঽ৿੤ୖ‫ط‬੤૏஼‫ྐق‬೐岝സ෪ષ岝ຜ୓岝঩৷ષ岝஫ਓષ岝েણଲષୖ ક୧岝૦౫ಉ‫ك‬
付けでの同省製造局の組織見直し ఫ૬ਃ૱ஓഌຬਓ঵ୖ‫ط‬ഌຬਓ঵஼嵣ક୧ਓ঵஼‫ط‬੫઺઻‫୒ૼق‬嵣ব੠૿ਊ‫ك‬嵣஫ଁ৓ੵ഼ષਓ঵஼‫ط‬੫઺઻‫ق‬৉ৃਓષ૿ਊ‫ك‬やエネルギー・環境イノベーショ ྐ೐ୖ ‫ྐق‬೐‫ك‬嵣੫઺઻‫ق‬হ঵୭୆ତ૟૿ਊ‫ك‬‫ق‬ຍಞྐ೐‫ك‬ン戦略等についてご発表いただき 嵣ৢૹ஼ਓ঵ਃ༊ୖ‫ط‬嵕嵄崫崰৆ੁ஼‫ط‬ಞ஄౫ਓ঵஼౛঵സ෪ષୖ ‫ق‬ຜ୓岝സ෪ષ‫ك‬‫ق‬౛崹嵓崿岝ӂӝӟҴӁӉӍӐҫҶӎӢҴ‫ك‬ました。
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製造局の組織見直しの全体像は 岧ૹਜੲਾ৆ੁଂ岨 েણધ৲൉ୗਓ঵ୖఫ૬ਃ૱ஓഌຬਓ঵ୖ‫ط‬ഌຬਓ঵஼嵣঩৷ષ஼‫ط‬஫ଁ৓ੵ഼ષਓ঵஼ ‫ق‬঩৷ષ岝஫ਓષ‫ك‬
右のとおりです。

The Japan Research and Development Center for Metals

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JRCM NEWS ／第 357 号

2016 年 7 月 1 日
小紫 正樹
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