Vol. 60

MTERE2 60（2）73 〜 144（2021）

No.2
2021

・ 金属素描〜タングステン〜・ オープンチャンネル金属とその製造方法
・ 摩擦攪拌接合用ツールの長寿命化に関する研究動向
・ 講義ノート 金属製錬反応の速度論Ⅰ― 律速段階と物質移動速度 ―まてりあ 60 巻記念企画：実学講座
新企画

金属材料実験の手引き 1．組織観察
11

光学顕微鏡を用いた組織観察

・ 新技術 新製品

https: //jim.or.jp/

https://www.jim.or.jp/journal/m/ ［ オンラインジャーナル ］

日本金属学会会報 2021年2月1日発行（毎月1回1日発行）Vol.60 No.2 ISSN 1340-2625

https://www.jim.or.jp/journal/m/

2021
Vol.60No.2

タングステン(Tungsten)

金属素描

No. 14

解説

オープンチャンネル金属とその製造方法

山本剛久 ………………………………………………… 73
中嶋英雄 ………………………………………… 74

ワイヤーの引抜きによる金属の作製法を紹介．従来技術よりも100倍も長い微細孔や従来，不可能であったスパ
イラル状の微細孔の創製に成功．

最近の研究

摩擦攪拌接合用ツールの長寿命化に関する研究動向

大石

郁 ……………………… 82

摩擦攪拌接合(FSW)の適用拡大のネックとなっている鉄鋼用接合ツールの長寿命化に関する最近の研究状況を多方面から紹介．

講義ノート

金属製錬反応の速度論―律速段階と物質移動速度―

北村信也 …………………… 89

物質移動速度が律速する場合の反応速度の記述方法を解説．溶銑の脱リンを例に複数の反応が競合する場合も紹介．

新進気鋭
企画にあたって
実学講座

新技術･新製品

セラミックスのマイクロ力学特性と塑性変形機構

増田紘士 …………………………… 96

実学講座「金属材料実験の手引き」について60巻記念企画

金属材料実験の手引き
1． 組織観察 11 光学顕微鏡を用いた組織観察

編集チーム ……101

山本剛久 …………………………102

次世代 Pb フリー快削黄銅「グローブラス」の開発
大石恵一郎

後藤弘樹

須崎孝一………………………………………………………………………110

鋼炭素繊維強化樹脂層を複合させた超高圧水素複合蓄圧器の開発
岡野拓史

木周作

松原和輝

石川信行

竹村泰昌

影山泰輔

戸田祐貴

高野俊夫………113

自動車ブレーキ用ハイブリッドセラミックスの開発
後藤

健

郭樹

啓

森田一樹

青沼伸一朗

中川成人

香川

豊………………………………116

強度，耐変色性，製造性に優れた VCM 板ばね向け CuNiAl 合金の開発
首藤俊也

笠谷周平

兵藤

宏

渡辺宏治

成枝宏人

菅原

金属材料の発展の歴史と将来

千星

聡……………………119

先達からのお便り

60巻記念企画

産官学交差点

レアメタル研究会

科学館めぐり大和ミュージアム(呉市海事歴史科学館) 野山義裕 ………………………………………………129

美しい金属の写真

Mater. Trans., 57(2016), 357361; Figure 2

スポットライト

黄銅の色調変化の研究

本会記事

会告 ………………………………………………133

次号予告 …………………………………………141

掲示板 ……………………………………………137

書評 ………………………………………………141

新入会員 …………………………………………139

行事カレンダー …………………………………142

岡部

増本

章

健………………………………122

徹 …………………………………………………………………………125

二階堂智明…………………………………………………………130

木村昌弘

渡邉

律

柳内悠吾

川勝祐貴 …………131

会誌・欧文誌 2 号目次 …………………………140
今月の表紙写真

ジルコニアセラミックスへのナノインデンテーション試験によって形成した転位組織．
（増田紘士 著 96頁 図 3 より掲載）

表紙デザインビーコン コミュニケーションズ株式会社 グラフィックスタジオ
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6
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5619 E
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O

1

No. 14

タングステン(Tungsten)
名古屋大学

山

本

剛

久

元素名Tungsten，原子番号74，質量数183.84，電子配置[Xe] 4f14 5d4 6s2，密度19.254 Mg･m－3(298 K)，結晶構造
体心立方，融点3653 K，沸点5800 K(1)，地殻存在量1 mg･g－1 (2)【写真】(a) W 粉，純度≧99.9，(b) W 粉の SEM 像，
株 アライドマテリアル 写真提供)(c) W 棒・線材(タングステンと聞くと，重いというイメージがまずは頭にことがあるであろう真空蒸着装置のバスケット材や，真空超浮かぶのではないだろうか．まさしくそのとおりであり，そ高温電気炉の発熱体にも利用されている．融点が高い割にの 密 度 は ウ ラ ン ( 18.95 Mg ･ m－3 ) よ り も 若 干 大 き く ， 金は，大気中だと400°C程度から酸化が顕著となり簡単に WO3( 19.32 Mg ･ m－3 )と同程度であり，その上には白金( 21.45に戻ってしまうので，注意が必要である．合金材料として

Mg･m－3)や最も密度の高いオスミウム(22.59 Mg･m－3)など

は，鋼に添加材として用いられ，硬くて強度の高い工具鋼とを含めた数種類しか存在しない．重いだけではなく，融点はして広く使われている．これ以外には，耐酸化性を向上させ金属中で最も高い．何となくイメージ的には，強くて頼れるた比重の高い合金も知られている．ところで，タングステン

金属という感じだろうか．主な鉱石は，鉄マンガン重石(こ化合物において，強いタングステンというイメージにぴったれはドイツ語で Wolframite と表記され，ここから元素名のりなのが，ダイヤモンドに近い硬さを誇る炭化物 WC であW が使われるようになった)と灰重石であり，いずれも鉱石

ろう．この WC は，コバルトを結合相として複合化させた中に含まれる WO3 の品位を高めてタングステンが精鉱され

超 硬 合 金 ( Cemented carbide ) と し て 用 い ら れ ， こ の 合 金ていく．タングステン生産量は，中国が圧倒的に多く，次いは，切削工具，ダイス，プレス型など実に広い分野で使用さでベトナム，ロシア，カナダ，と続いていく．修正クラークれている．工具としての半導体基板への穴加工などに用いら数は 1 mg･g－1 程度であり，銅の約半分，リチウムと同程度れるミニチュアドリルでは，直径0.1 mm 程度のものも作らである．

れている一方，トンネルを掘削していくシールド工法の切削

タングステンの用途は，先に述べたように強くて頼れると部には数メートルの大きさのものも用いられている．様々ないうイメージ通り，貫通力を高くする目的のもと，砲弾や徹用途に対応できるよう，非常に多様な超硬合金が用意されて甲弾などにも用いられる．同じように重いという観点からいるのである．

は，そのものずばりで，錘に使われることも多い．こんな平電球の淡い色から砲弾まで非常に幅の広い分野で用いられ和的な利用で最も身近な用途は，白熱電球のフィラメントでているタングステンは，どことなく頼りがいのあるおっちゃあろう．今は LED に代替されつつあるが，白熱電球が放つんというイメージだろうか．

色合いは LED にはない良さがある．同じような用途では，
今でもマニアックなオーディオ機器の一部で用いられている

文

献

真空管のフィラメントや，その中で電流を調整するメッシュ材などにも使われている．真空管が放つあの淡い色の光は，なんとも言えない味わい深いものがある．最初に挙げたイメージとは全く逆ではあるが．融点が高いということをさらに( 1 ) 金属データブック改訂 4 版日本金属学会，丸善，(2004).
( 2 ) R. L. Rundnick and S. Gao: ``The Crust'', Elsevier Ltd.,(2004), 1
64.

活かして，電子顕微鏡などの電子銃用のフィラメントとしても広範に用いられてもいるし，理科系の学生実験で経験した

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan

次号

金属素描 No. 15

ネオジム


O

2

O

3

した(14)．静電レンズで電子ビームを絞り照射し，金属面に

.

は じ

め

に

小さな溶融池を作りそれを蒸発させて孔を開けた．高真空雰
囲気を必要とするので実用化には不適である．一方，ポーラス金属や発泡金属は低密度で大きな表面積を有し無Williams と Zouch は 大 気 中 で レ ー ザ ー を 用 い て 穿 孔 し垢の金属とは大きく異なる．これらの金属は軽量化材料，触た(15) ．この穿孔技術は航空機ジェットエンジンの燃焼室の媒，電極，振動やエネルギー吸収材，衝撃吸収材などへ応用

冷却パネルの多孔質化に採用されているが，穿孔には時間とが期待され，そのいくつかは製品化されている(1)(4) ．ポー

費用がかさむ．これらの 2 種類の方法では孔の直径に対す

ラス金属の多くは気孔が球状や多面体形で等方的であるが，る長さの比(アスペクト比)は高々 10 程度であり長尺の孔のロータス金属は一方向に配列した異方的形状の気孔であ作製には適していない．

る(5)(9) ．このような一方向気孔のポーラス材料は自然界の以上の方法に対して，以下ではテンプレート(鋳型)にワイ

木材，葉，茎などにも見られ，流路としての機能を持っていヤーを用いて焼結金属や溶融金属中にそのワイヤーを埋入しる．ロータス銅は一方向気孔に冷媒を流すことによって優れ固化させた後，そのワイヤーを除去する方法で孔を作る手法

た冷却能を有するヒートシンクとして開発が進められていを紹介する．この方法によって比較的長尺の細い孔を形成さる(10)(11)．しかしながら，気孔長が有限であるので，流路とせることができる．このような方法で作製された方向性を有しての貫通性を確保するためにロータス銅を薄く切断して使する孔をもつポーラス金属をオープンチャンネル金属と呼ぶ

用しなければならないという制約がある．もし気孔が長いロことにする(16) ．本解説の前半では従来研究されてきたオーータス金属ができれば貫通孔を得るためにスライスする必要

プンチャンネル金属の製法を比較検討し，後半では，著者のがなくなる．また，アルミニウムでロータス金属ができれば発明した簡便なオープンチャンネル金属の製法を紹介し，そ

軽量の低コストの製品化が可能になる．しかしながら，ローの優位性について言及する．

タス金属の製法では良質なロータスアルミニウムを製造する
ことができない(12)．
このような金属の溶融過程を介さない金属合金の穿孔方法

.

粉末焼結法によるオープンチャンネル銅，チタンとその合金の作製には，機械的なドリル法，電子ビームやレーザーアブレーシ
ョン法などがある．前者では，金属にドリルを当てて回転さ

一方向性気孔を有するロータス金属は溶融状態と固体状態

せ切削金属片を除去して穿孔できるが，細い孔を開けるにはのガスの溶解度差を利用して作製されるが(17)，ここではこ

技術的難点がある(13)．まず(1)直径 1 mm 以下の細いドリルのロータス金属の製法とは異なる粉末焼結法や溶融凝固法にの刃を製造するのは容易ではないこと，(2)ドリルの刃は金よるオープンチャンネル金属の作製法を紹介する．これらの属中で回転すれば摩損しやすく，従って 1 mm 以下の穿孔は製法を一覧表にまとめたものが表である． Hakamada ら

長時間をかけなければならず，コスト高になってしまう．そは直径 80～150 mm のポリフッ化ビニリデンワイヤーをスペれに対して， Gillen と Moore は電子ビームを利用して穿孔ーサーとして銅粉末に埋入し，その銅粉体を 300 MPa で一岩谷産業株式会社中央研究所・技術顧問，大阪大学名誉教授(〒661
0965 尼崎市次屋 3316)
Openchannel Metals and Their Fabrication Methods; Hideo Nakajima(Iwatani R&D Center, Iwatani Corporation, Ltd. Amagasaki,
Professor Emeritus, Osaka University)
Keywords: openchannel metals, porous metals, aluminum, solidification, holes, porosity, extraction, xray CT scan
2020年11月 2 日受理[doi:10.2320/materia.60.74]



解

説

表1
金属合金

作製方法

粉末焼結法および溶融凝固法によって作製されたオープンチャンネル金属合金の研究．
テンプレート材料(直径)テンプレートの除去法(除去に要する時間)
化学的溶解(48 hrs)

孔サイズ/気孔率研究者(文献番号)(年)

孔サイズ 0.2, 0.5 mm

Hakamada et al.(18)(2008)

クラック発生Hakamada et al.(19)(2007)

Cu

粉末焼結法 Al ワイヤー(0.2, 0.5 mm)Cu

粉末焼結法 ポリフッ化ビニリデンワイヤー 蒸発(0.080.15 mm)

Ti

粉末焼結法 鉄鋼ワイヤー(0.250.5 mm)
鋼球(1.58 mm)

電気化学的溶解(10 hrs)

Ti6Al4V

粉末焼結法 鉄鋼ワイヤー

電気化学的溶解NiTi

粉末焼結法 鉄鋼ワイヤー

電気化学的溶解(2562 hrs)

Neurohr and Dunand(22)(2011)

AlSi

溶融凝固法 鉄鋼ワイヤー(0.55 mm)

半溶融金属中での引抜き 孔サイズ 0.55 mm

Haga and Fuse(23) (2018)

AlMg, AlMn, 溶融凝固法 鉄鋼ワイヤー(2 mm)
AlCu, CuZn

半溶融金属中での引抜き 孔サイズ 2 mm

Haga and Fuse(25) (2019)

AlMgSiCu(A6061)

溶融凝固法 グラファイト棒(24 mm)

加熱蒸発(290 hrs)

孔サイズ 24 mm
気孔率3648

Muto et al.(26)(2019)

Al

溶融凝固法 鉄鋼ワイヤー(0.283.2 mm)

室温での引抜き孔サイズ 0.28
3.2 mm Nakajima(27)
気孔率0.3(2019)
32

Kwok et al.(20)(2008)
気孔率19, 34

Jorgensen and Dunand(21)(2011)

軸圧縮した．その後， Ar ＋ 5 vol  H2 雰囲気中で 900 °Cに 2mm，長さ 7 mm の炭素鋼ワイヤーを解離させるのに 20 h をh 保持して焼結を行った．焼結中にフルオロカーボン(炭素かけている．図に示すように，炭素鋼ワイヤーを解離させ―フッ素結合を持つ有機化合物)は蒸発し孔が残る．図(a)て形成された孔の径はワイヤー径と同一であった．鋼中の炭はオープンチャンネル銅の孔の断面写真であるが，圧縮軸と素の存在によって TiC 層が形成され Fe と Ti の相互拡散が垂直方向にクラックが発生している．これは銅とポリフッ化抑制されたことによると考えられる．それに対して直径 406

ビニリデンの間の弾性率の差が大きいことに起因している．

mm の炭素を含まない鋼ワイヤーをスペーサーに用いた場

このクラックの発生を抑制するためにアルミニウムワイヤー

合，図に示すように解離後の孔はワイヤーの直径よりも 2(直径 200 mm と 500 mm )が使われた．アルミニウムと銅の倍も大きくなっている．これは Ti と Fe による相互拡散層

弾性率は大きく違わない．銅粉体中にアルミニウムワイヤーが形成されてその拡散層も電気化学的に解離されてしまい，(直径 200 mm)を埋入し 300 MPa の一軸方向に圧縮した後，孔径が大きくなったと推察される．この 2 つの研究グルー

0.2 mol / L の NaOH 水溶液中に 48 h 浸漬しアルミニウムワ

プによる作製法は粉末焼結法を使っているので，製造コスト

イヤーを溶出させた．図 1(b )にその孔の断面が示されていが高価であり孔生成には長時間を要し，量産化には不適である．クラックは発生していないが，テンプレートとなるアルる．

ミニウムワイヤーの断面は円形であるにもかかわらず形成された孔の断面は楕円形になっている．一軸加圧成形に代わって冷間静水圧圧縮成形(CIP)を採用すると孔の断面は円形状

.

溶融凝固法によるオープンチャンネルアルミニウ
ムとその合金の作製に改善された．CIP を用いることによってアルミニウムワイ
ヤーのテンプレートをオープンチャンネルアルミニウムの孔の形にそのまま成形させることができた(18)(19)．

Haga と Fuse はアルミニウムとその合金を半溶融状態に保持して埋入されたテンプレートワイヤーを引抜いてオープ 開放型気孔には骨成分が侵入してインプ
Dunand らは，◯

ンチャンネルアルミニウムとアルミニウム合金を作製し

 気孔による多孔質化がインプラン
ラントの固着力を高め，◯た(23)(25) ．直径が 0.5 ～ 5.0 mm の軟鋼ワイヤーを鋳型内にトの剛性率を低減させるという根拠から生体材料への適用を

図(a)に示すように取り付けて，その鋳型に溶融金属を注想定してオープンチャンネルチタン(20)およびその合金(21)や入した．凝固過程の半溶融状態においてアルミニウムあるい

NiTi(22)の作製研究を行なった．スペーサーとして鋼ワイヤ

はアルミニウム合金から軟鋼ワイヤーを引抜いた．AlSi 合ー，球，メッシュをチタン粉体中に埋入し 350 MPa の冷間金の結果が図 4(b)に示されている．Si が 6 mass以上の合

静水圧圧縮成形した．さらに，10－6 Torr の真空中で1050°
C,

金では引抜き可能な温度幅は狭くなり，共晶温度以上の温度

12 h の 焼結処理が施された ．その後，電気化 学的な方法でのみワイヤーを引抜くことができる．温度が液相線温度にで鋼スペーサーを解離させた．直径 500 mm ，長さ 8 mm の

近づくにつれて固相成分は減少し液相成分の割合が増加する

鋼 ワ イ ヤ ー を 除 去 す る の に 10 h を 要 し て い る ． 直 径 250

ので，引抜き孔はテンプレートの円形形状から逸脱して変形

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan



図2

図1

粉末焼結法によって作製されたオープンチャンネル銅．
( a ) 300 MPa で一軸圧縮した銅焼結体からポリフッ化
ビニリデンワイヤー除去して形成された孔(圧縮方向→で示した)，(b) 300 MPa で一軸圧縮した銅焼結体からアルミニウムワイヤーを溶解させて形成された孔，(c)300 MPa で冷間静水圧圧縮成形した銅焼結体からアルミニウムワイヤーを溶解させて形成された孔(19)．

(a)チタン粉体固化材に埋入された炭素鋼ワイヤーの断面，(b)チタン粉体固化材に埋入された炭素鋼ワイヤー
を電気化学的に溶解させて作製された孔(20)．

はそれぞれの加熱時間を経過した後の直径 25 mm ，長さ
20 mm のアルミニウム合金インゴットの断面写真を示したものである． 48 h 以上の長時間加熱することによって炭素の酸化蒸発が進行し 20 mm の貫通孔が生成された．さらに
290 h の加熱によって完全に炭素が蒸発，除去されて穿孔がしてしまう．一方，共晶温度以下では合金は完全に凝固し剛終 了 し た ． ま た ， ECAE ( Equal Channel Angular Extru-性が高まることによってテンプレートワイヤーは引抜くことsion )法を用いて断面積を減じることなく塑性加工処理してができなかった．図には 530°
Cから 640°
Cの温度範囲の半

アルミニウム合金の結晶粒を微細化し強化した．この際，埋溶 融 状 態 の A6061 ( Al ( 0.8 1.2 ) mass  Mg ( 0.4 0.8 )

入されたグラファイトロッドが破壊され破片を除去すること

massSi)合金を引抜いて形成された孔の断面の形状を示し

によって孔を作製する試みも行っている．この作製法ではグた．温度の上昇と共に円形状から逸脱した乱れた形状と化し

ラファイトロッドを用いているために直径 2 mm 以下の細線ている．これは温度が上昇して液相線に近づくにつれてアルをテンプレートに用いることができず，それ以下の微細孔のミニウムあるいはその合金の粘性が低下して引抜き後の孔が穿孔は困難であり，長時間の加熱酸化や塑性加工が不可欠で変形しやすくなったためと考えられる．本作製法では半溶融ある．グラファイトロッドを用いずに酸化処理や塑性加工を状態を利用するために，引抜き工程を高温で行うことが不可

必要としない低コストの作製法が望まれる．

欠である．また，半溶融状態を形成する合金に限定されてしまうため，半溶融プロセスを使わない作製法が望まれる．
Muto らはグラファイトロッドを溶融アルミニウム合金中

.

金属ワイヤーの引抜きによるオープンチャンネル
アルミニウムの作製に埋入し凝固させた後，高温で長時間加熱してグラファイトを除去してオープンチャンネルアルミニウム合金を作製しオープンチャンネル金属を製品に応用するには長尺の微細た(26) ．直径 2.0, 3.0, 4.0 mm の太さのグラファイトロッド

孔を有する多孔質金属を長時間を費やさずに低コストで製造がテンプレートとして用いられた．凝固したアルミニウム合することが必要である．また，前述のオープンチャンネル金

金インゴットを大気中で 615°
Cにて 27～290 h 加熱した．図属の製造技術は直線形状の孔しか作製することができない．



解

説

図5

オープンチャンネルアルミニウム合金 A6061 のチャン
ネル孔の引抜き温度依存性(23)．(孔の直径 2 mm)

図6

アルミニウム合金 A6061 に埋入されたグラファイトが615°
Cで加熱中に蒸発して生成される孔の貫通度に及ぼす加熱時間の影響(26)．

もしスパイラル状やらせん状に曲がった孔ができれば，さまざまな応用への道が開けるであろう．著者は，(1)たいへん
大きなアスペクト比をもち，(2)スパイラル状あるいは V 字型のチャンネル孔を有するオープンチャンネルアルミニウムの作製法を新たに発明した(27)．本節では従来の製法との違いを比較しながら，その製法を詳述する．
オープンチャンネルの原型となる金属ワイヤーにはステン
図3( a )チタン粉末固化体に埋入された太さ 406 mm の炭素を含まない鋼ワイヤーの断面，(b)チタン粉体固化材に埋入された鋼ワイヤーを電気化学的に溶解させて作製された孔．孔径は 800 mm に拡大している(20)．

レス鋼(SUS304)，銅，白金，モリブデンを用いた．ステン
レス鋼ワイヤーの直径は0.28, 0.35, 0.45, 0.70, 0.85, 1.2, 1.6,
2.0,

3.2 mmq である．銅，白金，モリブデンワイヤーの直径はそれぞれ 1.0, 0.6, 1.0 mm である．ボロンナイトライド
を離型剤に用い 10～ 20 mm の厚さにそれぞれのワイヤー表面に塗布した．図に示すように，離型剤を塗布したワイヤ
ーはグラファイト台座に設置された．図( a )に示すように，それをグラファイト製の坩堝内に挿入した．ワイヤーの上に固体アルミニウム素材を置き，電気炉で 680°
Cで大気中加熱を行うと，溶融アルミニウムが降下してワイヤー間に充填される． 360 s 後に電気炉から坩堝を取り出して凝固させると，図 8( c )のようにグラファイト台座に取り付けられたワイヤーが埋入されたアルミニウムインゴットが作製される．台座および金属ワイヤーを引抜くとオープンチャンネル
アルミニウムが作製できる(図 8(d ))．金属ワイヤー表面に塗布されたボロンナイトライドは金属ワイヤーとアルミニウ
ムの間の拡散障壁として作用し，両金属間の相互拡散を抑制する．この際，温度制御が極めて重要である．800°
Cより高温ではボロンナイトライドは分解して離型効果を喪失してしまう(28)．そうすると，ワイヤーはアルミニウムに固着してしまい引抜き時に摩擦力が増大し摺動せず，ワイヤーを引抜くことができなくなってしまう．離型剤はボロンナイトライドに限定されるものではなく多種の酸化物や窒化物でも可能である．銅や鉄鋼のオープンチャンネル化には，ボロンナイ
図4( a )軟鋼ワイヤーが設置された金属製鋳型，( b )テンプ
レート軟鋼ワイヤーの引抜きの難易度が示された温度範囲および Si 濃度範囲(23)．

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan

トライドは無効で，それぞれの金属の溶融温度で安定な化合物を選択する必要がある．ワイヤーを引抜いたオープンチャ
ン ネ ル ア ル ミ ニ ウ ム の 3 次 元 イ メ ー ジ は X 線 CT ( X ray



図9

図7

グラファイト台座に設置された，ボロンナイトライドを塗布されたステンレス鋼ワイヤー．台座の直径は 15mm ．ワイヤーの直径，長さ，本数は( a ) 0.85 mm, 25mm, 9 本，(b) 3.2 mm, 25 mm, 7 本(27)．

異なるチャンネル孔径をもつオープンチャンネルアルミニウムの X 線 CT スキャンイメージ写真．チャンネル
孔の直径，本数，気孔率はそれぞれ(a) 0.28 mm, 9 本，
0.3，(b) 0.35 mm, 9 本，0.5，(c) 0.45 mm, 9 本，
0.9，(d) 0.70 mm, 21本，4.6，(e) 0.85 mm, 9 本，
2.9 ，( f ) 1.2 mm, 21 本， 13.4 ，( g ) 1.6 mm, 9 本，
10.2 ，( h ) 2.0 mm, 9 本， 16.0 ，( i ) 3.2 mm, 7 本，
31.9(27)．

れた．ワイヤー表面にもチャンネル内壁にもボロンナイトラ
イドの付着が認められた．このことはボロンナイトライドがステンレス鋼ワイヤーともアルミニウムとも解離せずに反応しなかったことを示唆している．図にはオープンチャンネ
ルアルミニウムの X 線 CT スキャン 3 次元イメージを示した．アルミニウムインゴットの直径は 15 mm である．チャ
ンネル径はテンプレートワイヤーの太さで決まる．ボロンナ
イトライドの塗布厚さは数 10 mm と薄いのでボロンナイト
ライドのチャンネル径に及ぼす影響は無視できる．一方向に配向した一方向性チャンネル孔が観察される．アルミニウム
ロッドインゴットの上部には引け巣が見られたが，オープン
チャンネルは凝固後，テンプレートを引抜くことによって形成されるので，埋入されたワイヤーには影響しないと考えられる．図 9(f)と(g)ではワイヤーの長さがアルミニウムイン
ゴットの長さよりも短い．ワイヤーの長さ l がアルミニウム
インゴットの長さ L より短い場合，オープンチャンネルは l

図8

離型剤を塗布された金属ワイヤーの引抜きによるオープ
ンチャンネルアルミニウムの作製方法．(a)離型剤を塗布された金属ワイヤーをグラファイト台座に設置し坩堝に固体アルミニウムと共に挿入した．(b)電気炉でアルミニウムを溶融すると，溶融アルミニウムは降下しワイヤー間の隙間に充填される．(c)凝固後，アルミニウム
インゴットを炉外に取り出す．(d)埋入されたステンレ
ス鋼ワイヤーを引抜くと，オープンチャンネルアルミニ
ウムが作製される(27)．

より長いところには形成されない．高さが l のオープンチャ
ンネル金属の気孔率 p は

p＝

dh 2
ln
2

( ) ＝n d
(d )
d
p
l
(2)

p

Al

2

h

2

(1)

Al

ここで dh および dAl はそれぞれチャンネル孔とアルミニウ
ムロッドの直径，n はチャンネル孔の数である．図 9 に示したオープンチャンネルアルミニウムの気孔率は 0.3 ～ 31.9 Computed Tomography)で測定された．この X 線 CT 法はである．発泡金属やロータス金属では気孔サイズ，気孔長さ

オープンチャンネル構造を可視化する有力な手段である．

や気孔率は発泡剤，温度，ガス圧力，凝固速度，凝固方向な

凝固後，ワイヤーがアルミニウムインゴットから引き抜か

どを制御しなければ決めることができない．それに対して本解説

製法ではテンプレートワイヤーの直径，長さと本数を指定す金属である．融点付近における液体金属中の拡散係数はれば予め気孔サイズ，長さや気孔率を決定することができ

10－9 m2s－1 程度であり(31)，融点直下の固体金属中の拡散係る．それ故，オープンチャンネル孔の再現性はかなり良く発数よりも数オーダー大きい(32)．従って，DÃ は

泡金属やロータス金属より優れている．ワイヤー間の間隔が10－10 m2s－1DÃ 10－9 m2s－1

狭いとき，液体金属の表面張力や粘性の影響で液体がワイヤとなる．680°
Cに 360 s の時間だけ保持した時の拡散距離を0.4 mm2 tDÃ 1.2 mm

ー間の空隙に浸透しない場合がある．そこで液体金属に振動

(3)
(4)

を加えたり加圧することによって不十分な浸透を解消すること見積もることができる．ただし，t は時間である．もしボとができる．

ロンナイトライドが溶融アルミニウムと固体テンプレートワ

図には異なる長さのチャンネル孔をもつオープンチャン

イヤーとの界面に存在しないとすれば，金属ワイヤーは合金

ネルアルミニウムインゴットを示した．孔の長さは X 線 CT層を形成してアルミニウムに固着してしまいワイヤー引抜き

イメージおよびインゴットに埋入されたワイヤーを引抜いたは不可能である．今回の場合はワイヤーが容易に引抜きできワイヤーの長さを実測して知ることができる．また，孔のアることからボロンナイトライドは拡散の障壁として働き，相スペクト比は孔の直径と長さから求めることができる．図

互拡散による合金化を防止している．

10( b )はそのアスペクト比が 270のものであるが，最近，ア

ところで，この引抜きの難易度はアルミニウムインゴット

スペクト比が 1,000のオープンチャンネルアルミニウムが作からのテンプレートワイヤーの引張強度を測定することによ製された(29)．粉末焼結法(18)(20)や溶融凝固法(23)(26)でのワイって定量的に評価することができる．ボロンナイトライドをヤー引抜き法，ドリルやレーザーによる穿孔法(13)(15) ，ロ

塗布しないステンレス鋼ワイヤーをアルミニウムに埋入したータス金属作製法(12)などの従来製法ではアルミニウムの微場合，1 kN/mm2 の引張強度を加えてもワイヤーを引抜くこ

細孔のアスペクト比は高々 10 程度であるのに対し，本製法とができずワイヤーは破断してしまう．しかしながら，ボロでは従来法の100倍もの長尺のチャンネル孔を作製できる．

ンナイトライドを塗布するとその 1/ 10程度以下の引抜き力

図にはステンレス鋼，銅，白金，モリブデンワイヤーをテで容易にワイヤーを引抜くことができる．詳細については原ンプレートに用いて作製されたオープンチャンネルアルミニ

著論文で公表する(29)．

ウムの X 線 CT スキャンイメージを示した．もし固体のワ

図( a )～( c )にはスパイラル状や V 字型の孔を有するオイヤーとワイヤー間の空隙に浸透した溶融アルミニウムとのープンチャンネルアルミニウムの X 線 CT スキャンイメー

間で相互拡散が生じるとするならば，相互拡散による合金層ジを示した．図12(d)～(f)にはアルミニウムに埋入する前のが生成されるはずである．このときの相互拡散係数 DÃ はスパイラル状や V 字型のテンプレート(ステンレス鋼ワイヤ

DÃ ＝cAlDM＋cMDAl(2)である．ただし，c および D はそれぞれ組成と固有拡散係数である(30) ．添字の Al と M はそれぞれアルミニウムおよび

図 11
図 10

異なるチャンネル孔の長さをもつオープンチャンネル
アルミニウムの X 線 CT スキャンイメージ写真．チャンネル孔の直径，長さ，アスペクト比はそれぞれ( a )0.85 mm, 25 mm, 29.4, (b) 0.28 mm, 76 mm, 271.4, (c)0.85 mm, 90 mm, 105.9(27)．

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan異なるテンプレートワイヤーによって作製されたオー
プンチャンネルアルミニウムの X 線 CT スキャンイメ
ージ写真．上写真はオープンチャンネルアルミニウム
側面から，下写真は底面から撮影された．(a)直径 0.85
mm のステンレス鋼ワイヤー，(b )直径 1.0 mm の銅ワ
イヤー，直径 0.6 mm の白金ワイヤー，直径 1.0 mm のモリブデンワイヤーを引抜いて作製された(27)．



図 13

オープンチャンネル金属のテンプレートの引抜き時の温度，テンプレートの除去に要する時間および金属体作製に要する圧力の関係．

図 14(上段)オープンチャンネルアルミニウムの外観および(下段)透視写真．チャンネル孔直径，チャンネル孔数および気孔率はそれぞれ( a ) 1 mm ， 119 個， 11.7 ，(b) 2 mm，60個，18.8，(c) 3 mm，24個，17.0.

図12 (a)～(c)異なる形状のステンレス鋼ワイヤーを用いて作製されたオープンチャンネルアルミニウムの X 線 CT
スキャンイメージ写真．(d)～(f)異なる形状のステンレ
ス鋼ワイヤー．(a), (d)スパイラルチャンネルアルミニ
ウム，チャンネル直径 0.85 mm，(b), (e)スパイラルチャンネルアルミニウム，チャンネル直径 1.2 mm ，( c ) ,( f ) V 字型チャンネルアルミニウム，チャンネル直径0.85 mm(27)．

ー)を示した．これらの孔の形状は本製法であるオープンチ
ャンネル金属製造技術に特有のものである．ワイヤー引抜き法，ドリルやレーザーによる穿孔法，ロータス金属作製法などの従来製法では直線的な形状の孔しか作製できず，曲がった形状の孔は作れなかった．従来製法では直線的な工具や直線的なビームを用いたり，一方向凝固法を用いているためである．それに対して，本製法では直線的な孔だけではなく曲がった孔も自在に作製できる点が独創的である．このオープ
ンチャンネル金属の製造技術は工程が簡単であり，低コスト金として自動車車体のピラーや衝撃吸収材，吸音材としてもでの製造が可能であること，しかも従来の100倍もの高いア適用が期待される．

スペクト比の孔を有する金属，スパイラル形状などの曲がり

オープンチャンネル金属を作製するには種々の多数のプロ

くねった孔を有する金属を作製できるなどのメリットを有す

セスが必要であるが，ここでは大きな製造コストを要する 3

ることで無比の製法であると言える．

つのプロセス要素を抜粋して比較した．図には縦軸にオー

ところで，一方向性気孔を有するポーラス金属の 1 つ，プンチャンネル金属のテンプレートの引抜き工程の温度，横ロータス金属は強度に大きな異方性がある．Hyun らはロー

軸にはテンプレートの除去に要する時間および金属体作製にタス金属の引張(33)，圧縮強度(34)を測定した．長尺の孔の平要する圧力をとって数種の製法を比較した．従来の鋳造法

行方向の引張・圧縮強度は垂直方向のそれらより大きい．平

(半溶融法)を用いた製法は高温を要すること，従来の粉末焼

行方向の強度は気孔率の増加と共に線形的に減少することや結法を用いた製法では焼結固化体作製に高圧力が必要で，テ

垂直方向の強度の低下は孔の近傍に応力集中が発生するためンプレートの溶解除去に長時間を必要とする．それに対し，であることを明らかにした．オープンチャンネル金属では 1

Nakajima の製法(27)では室温で瞬時にテンプレートの引抜き

つの金属体の中に様々な向きを持った孔を混在させることがができ，グラフの原点付近に位置する．このグラフの原点にでき，孔に曲げ形状を付与することができることなどの操作

位置する製法は低コストでしかも短時間で製造できることをによって応力集中を可能な限り回避させることができる．ま示している．図には多数のチャンネルを有するオープンチ

た，このようなユニークなオープンチャンネル孔を利用すれャンネルアルミニウムの外観および透視写真を示した．透視ば，その孔を流路として冷媒を流すことによって従来にないによってチャンネルは100貫通していることが確認できる．

高性能のヒートシンクを製品化できる可能性がある．このようなヒートシンクはコンピューターや自動車などの電子デバ

.

お

わ

り

に

イスの冷却，航空機ジェットエンジン燃焼室の冷却パネル，
ヘリコプターのローター，工作機械の冷却などへの応用が期

本解説の後半で紹介した固体金属に埋入されたテンプレー待される．また，軽量化構造アルミニウム，マグネシウム合

トの引抜きによるオープンチャンネル金属の穿孔法は，粉末



解

説

焼結法や溶融凝固法での半溶融引抜き法・グラファイト引抜き法，ドリルやレーザーによる穿孔法，ロータス金属作製法などの従来製法を優越した優れた技術であり，その製品化が企業において進行中である．このオープンチャンネル金属のチャンネル孔を冷媒の流路として利用する冷却盤には流路の高密度化と共に，微細化も要求される．チャンネル径が 1mm かそれ以下の長尺の微細孔への要求が高い．このニーズに応えられるのは従来の穿孔技術ではほとんど不可能で，本製法に限定されるといっても過言ではない．
と こ ろ で ， 3D プ リ ン タ ー 技 術 ( additive manufacturing
technology )によってもオープンチャンネル金属の作製は可能であろう．この 3D 法はプロトタイプ製品の作製や小型の高性能製品の製造に長じている(35)．しかしながら，3D 法は粉末を素材としているため製造コストは高価であり，レーザ
ーや電子ビームによる積層造形法を採るため成形体の製造に長時間を要する．オープンチャンネル金属を製品化するには，低コスト製造と量産が不可欠である．3D 法ではこの課
題をクリヤーすることが求められる．

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Dordrecht, London (2010).
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1977年

中嶋英雄

東北大学大学院工学研究科博士課程修了
米国レンスレア工科大学博士研究員，東北大学金属材料研究所助手，助教授，岩手大学工学部教授を経て1996年 大阪大学産業科学研究所教授，
2011年 日本学術会議会員(2 期 6 年間)
2012 年 大阪大学名誉教授，(公財)若狭湾エネルギ
ー研究センター所長
2019 年 岩 谷 産 業 株 式 会 社 中 央 研 究 所 技 術 顧 問
現在に至る
専門分野ポーラス材料学，拡散★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

摩擦攪拌接合用ツールの長寿命化に関する研究動向
大

.

石

郁

摩擦攪拌接合の特徴と開発状況

摩擦攪拌接合(FSWFriction Stir Welding)とは，1991年に英国の TWI が考案した固相接合であり，図に示すとおり，プローブと呼ばれる突起部を有した円柱形状の接合ツー
ルを回転させながら接合したい箇所に挿入し，被接合材料である金属を溶かさずに固相状態で攪拌することによって接合する方法である(1)(6)．
摩擦攪拌接合の特徴は，
◯

図1

被接合材料を攪拌，材料流動(塑性流動，金属流動と呼摩擦攪拌接合(FSW)の概略図．

ぶ論文もある)させることによって接合する固相接合で合，拘束力が不十分だと接合時に開先が開き，隙間が形

ある．

◯

接合部における結晶粒の粗大化が抑制され，強度低下が小さい．また結晶粒を微細化することも可能である．

◯

入熱量が小さいため，熱変形が小さい．


◯

◯

成されることがある．


◯の制御が必要である．

鋳造材や複合材料の接合も可能である．


◯

接合終端部に穴(接合痕)が残る．

鉄鋼材料では，高張力鋼などの一部を除いて HAZ 軟化◯

接合ツールを押し付けるので，裏当てもしくは被接合材

し難い．また A1 点以下での接合が可能であり，炭素量に依存することなく接合できる．
◯

ギャップの許容範囲が狭く，接合部の目違い，ギャップ

一般的な溶融溶接と比べ金属間化合物が発生し難く，異料に剛性が必要である．

◯

高融点金属に関して，接合ツールの耐久性に課題がある．

接合痕”に対してなどが挙げられる．しかし，例えば“◯

種金属接合に適している．

は，接合ツールのプローブ部とショルダー部が別々に駆動す◯

開先加工や接合時の前処理が不要である．

る複動式接合ツールが有効であるとの報告があり(7)，また複◯

作業環境が良い．接合中にヒュームやスパッタ，紫外線

動式接合ツールを用いなくても，捨て板を用いて製品外に接等が発生しない．

合終端部(接合痕)をもってくることによって問題解決を図る◯

気孔，割れなどが発生し難い．

など，製造現場では様々な創意工夫がなされている．そし◯原則，フィラーが不要である．

て，前述の特徴を活かし自動車や鉄道，ロケット，航空機，

◯

熟練技術が不要である．

船舶，土木構造物等，様々な市場で用途拡大してきていなどが挙げられる．一方，摩擦攪拌接合の問題点としては，
◯

剛性のある拘束治具が必要である．特に突合せ継手の場

る(8)(14)．
また図に示す摩擦攪拌接合を応用した摩擦攪拌点接合

広島県立総合技術研究所主任研究員(〒739
0046 東広島市鏡山 31326)
Development of Tool Durability for Friction Stir Welding; Kaoru Ohishi(Hiroshima Prefectural Technology Research Institute, Higashihiroshima)
Keywords: fiction stir welding, friction stir spot welding, steel, joining tool durability, tool shape, tool material, toining condition
2020年11月13日受理[doi:10.2320/materia.60.82]



最近の研究

ものとなっている．
以上のように様々な分野で実用化され，さらに応用技術の開発も活発な摩擦攪拌接合であるが，前述のとおり接合ツー
ルの耐久性に課題があり，市場の大きい鉄鋼材料に対してはなかなか普及していない．そこで本稿では，さらなる摩擦攪
拌接合の発展を期待して，接合ツールの長寿命化に対する研究開発状況を紹介することとする．

.

接合ツールの長寿命化に対する対策

前述のとおり摩擦攪拌接合は，回転する接合ツールを直接被接合材料に挿入し，攪拌させるため，接合ツールの摩耗は避けることができない．アルミニウム合金などの場合は，接合ツールの材料に工具鋼などを用いることによって実用化されているが，鉄鋼材料の場合は，接合時の温度が約 1000 ～
図2

摩擦攪拌点接合 FSSW ( SFW )の( a )概略図と( b ) RX 
8，(c)製造工程写真．

1200 °
C(23)(25) まで上昇するといわれており，接合ツールの材料には高温環境下における高強度と靭性，耐摩耗性，非反応性などの特性が要求されるため，適用できる材質も少な
く，なかなか実用化されていない．
一般的に接合ツールの長寿命化には，
◯接合ツールの形状による対策

◯接合ツールの材質による対策

◯接合条件による対策などが挙げられている．以下に各対策における様々な研究開発状況を記す．

.
図3

摩擦重ね接合(FLJ)の概略図．

接合ツールの形状による対策

被接合材料が鉄鋼材料の場合，接合ツールにかかる負荷は
アルミニウム合金と比べ大きくなることから，接合ツールはできるだけ単純な形状で作製することが望ましいと考えられている(23)(26)(28) ．一般的な摩擦攪拌接合用ツールの形状はWelding)が考案され(15)(16)，マ

図 1 で前述したとおり先端のプローブ部と肩部分のショル

ツダの RX 8 やロードスター，トヨタのプリウスやクラウ

ダー部からなり，円柱形状をしている．そして継手形状や接ンなど自動車を中心(17)(19)に実用化されている．

合強度などの用途や要望に応えるために，接合ツールの形状(FSSWFriction Stir Spot

さらに近年，自動車の軽量化に伴う車体のマルチマテリア
ル化によって樹脂/金属の異材接合に対するニーズが高まっは様々な工夫が施されている．その一例を図にショルダー部を，図にプローブ部をそれぞれ示す(4)(26)．

てきており，摩擦攪拌接合を応用した摩擦重ね接合( FLJ

ショルダーの役割は「材料流動し易くするために摩擦熱をJoining)(20)(22)等の研究が盛んに行われるよう発生させること」と「被接合材料が中心方向へ材料流動するになってきた．尚，摩擦重ね接合とは，図に示すとおり上ように働きかけること(外側へ逃げる金属を滞留させるこ

Friction Lap

板に金属材料，下板に熱可塑性樹脂(例えば CFRTP)を重ねと)」が挙げられる．図 4(a)に示すとおりショルダー面は接て配置し，上板の金属材料を摩擦攪拌することによって生じ合ツールの軸方向に直角ではなく，ショルダー角と呼ばれるる摩擦熱により樹脂が溶融して，その後の冷却過程で溶けた

角度を付けている場合がある．そして被接合材料を中心方向

樹脂が金属と固着する，いわゆる溶着方法である．熱と圧力へ材料流動させるために，図 4( a )に示すとおりショルダーを同時に接合面に付加することができるため(密着させるこ

角を負とすることがあるが，接合ツールの負荷は増大し，摩とができるため)，より強固な接合が得られる．ただし，摩耗が進行すると考えられる．一方，ショルダー角が正である

擦重ね接合は接合界面を攪拌させず，被接合材料(樹脂材料)と，接合ツールへの負荷は軽減されるが，被接合材料はバリを溶かし樹脂中の極性官能基と金属の酸化被膜との静電引力として排出しやすく，攪拌も小さくなり，接合強度は低下すに起因する分子間力(水素結合力)によって接合している．こると考えられる．

のように，一見似た技術ではあるが，接合原理は全く異なる

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japanまた図 4( b )には被接合材料と接するショルダー表面の形



図6

図4

FSW ツールのショルダー部の(a)断面形状と(b)底面形
状．

球面プローブを持つ摩擦攪拌点接合ツール．

ルの本体端部(ショルダー部・鉄鋼材料)は一般的なショルダー部とは異なり，積極的に摩擦熱を発生させるためのものではなく，球面プローブを挿入することで材料流動してきた被接合材料を押し返すためのものである．材料流動してきた被接合材料は約 1000 °C と高温ではあるものの，非常に軟化しているため，一般的なショルダー部ほどの耐摩耗性は必要とせず，ショルダー部が鉄鋼材料であっても十分対応でき，接合ツールの損傷を大幅に低減できている．またプローブ部を球面にすることによって前述のとおり角度が正角となり，一般的な摩擦攪拌点接合で問題となるプローブ部の欠損も大幅に低減されている．一方，下板の被接合材料を上板側へ材料流動させ，ショルダー部で若干の抵抗を行い攪拌させることで，十分な接合強度が得られることを報告している．

図5

FSW ツールのプローブ部の(a)断面形状と(b)平面形状．

尚，本接合ツールは市販の球状セラミックスを本体の鋼材に固定することによって作製されており，一般的な接合ツールと比較して非常に安価なものとなっている．

状を示す．このように凹凸形状を設けることで被接合材料をまた，優れた耐久性を有する本接合ツールを用いたアルミ

中心方向に材料流動させる工夫が施されているが，接合ツー

ニウム合金/鉄鋼材料等の異種金属接合(摩擦アンカー接合)

ルへの負荷の観点からいうと，複雑形状(凸形状)は摩耗し易においては，アンカー効果による機械的な接合により摩擦攪

いので無い方が良い．以上のように，接合ツールへの負荷と拌点接合以上の接合強度を得られることが報告されてい接合強度とはトレードオフの関係にあり，開発者にとって難る(30)(31)．

しい問題である．

.

一方，プローブの役割は「接合部を攪拌し，材料流動を促進すること」が挙げられる．そして図 5 (a )に示すとおり，
プローブの基本形状は単純な円柱形状か台形形状であり，台

接合ツールの材質による対策

窒化ケイ素による対策

形形状の方が接合ツールにかかる負荷への抵抗力が強くなり接合ツールの材料については，超硬(32)や Co 合金(33)(35)，

折れ難い．また図 5( b )に示すとおりプローブの断面形状は

Ir 合金(36) ， W 基複合材料(37)(38) ， PCBN(39)(40) ，窒化ケイ円形を基準として，溝付きの非円形断面プローブなど様々な素(41)(42)など様々な材質が開発されてきている．さらにそれ形状が提案されている．ただし非円形断面プローブは断面積

ら材質に PVD などのコーティングを施す研究(43) も行われが減少し，切り欠き部となることから破損につながり易い．

てきており，研究範囲は多岐に渡る．

またプローブには攪拌力を促進させる(垂直方向への材料流

坂村らは前述した図 6 に示す接合ツールの球面プローブ動の促進させる)ためにネジ加工が施されていることがあるの材料に各種セラミックスを用いて実験を行った．その際のが，ネジ加工は複雑形状(凸形状)であることから摩耗し易接 合 条 件 は ， 被 接 合 材 料 に t1.0 mm の 軟 鋼 板 SPCC を 用

く，耐久性に課題を残すものとなる．

い，重ね継手，接合ツールの回転速度 1500 rpm ，接合ツー

これらの知見を基に，坂村らが考案した鉄鋼材料用の摩擦

ルの押し込み深さ 1.6 mm，押し込み荷重 6.3 kN とした．そ攪拌点接合ツールの写真と概略図を図に示す(29) ．この球の結果を図に示す．図 7 に示すとおり，アルミナとジル面プローブを持つ接合ツールを用いた接合では，先端の球面

コニアは欠損により使用できなくなった．また炭化ケイ素とプローブ(球状セラミックス)だけを被接合材料に挿入し，摩超硬は摩耗によりプローブが小さくなって使用できなくなっ

擦熱と攪拌の両方を起こさせて接合する．その際，接合ツー

た．このようにアルミナやジルコニア，炭化ケイ素，超硬は



最近の研究

図7

図8

窒化ケイ素 A の形状変化．

図9

窒化ケイ素 B の形状変化．

接合後のツール外観．

数打点で摩耗や欠損が現れたのに対し，窒化ケイ素は約1000打点まで接合することができた(29)(44)．

尚，図 7 の窒化ケイ素 A と B は製造元が異なることを表す．次に各窒化ケイ素接合ツールにおいて，被接合材料に残った接合痕の断面形状を測定した結果を図と図に示す．
図 8 と図 9 より，窒化ケイ素 A は600打点目くらいから球面プローブの肩部の形状が直線形状になってきていることが判った．一方，窒化ケイ素 B は200打点前から球面プローブの肩部の摩耗が進行していることが判った．このことから同じ
窒化ケイ素であっても，製造元(製造方法が異なること)によ
図10

り摩耗状況が大きく異なることが判った．このことは超硬な断面積の求め方．

どの他の材料においても同じことが言えるものと示唆される．
次に窒化ケイ素の摩耗と接合強度が打点数の増加とともにどのように変化したかを調べるため，図に示すとおり接合
試料に残った接合痕の断面形状(図の斜線部の領域)を測定し，これを接合時のツール形状と見立てた．さらに接合試料のせん断引張強度試験を行った．図に窒化ケイ素 B における打点数と接合ツールの形状変化，接合強度との関係を示す．図 11 に示すとおり打点数の増加とともに，ツール形状(断面積)は小さくなり，かつ接合強度も低下していくことが判った．このことから，接合ツール(球面プローブ)の摩耗は接合強度に関係しており，接合ツールの形状変化(長寿命化)
は接合強度を維持する上で重要であることが判った．

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan

図11

窒化ケイ素 B の打数と接合強度，断面積の関係．



図12

窒化ケイ素の開発材における耐久性試験結果．
図 14

硬 質 相 の サ イ ズ と 量 を 調 整 し た Co 基 合 金 ツ ー ル のFSW 前後の外観写真とツール断面形状プロファイル．

して市場展開されている．特に a ＋ b 型チタン合金(例えばTi6Al4V 合金)の摩擦攪拌接合においては，図に示すよ

うにアルミニウム合金並みの滑らかで光沢のある接合部外観が得られている(33)(47) ．また Co 基合金は摩擦攪拌接合時に割れることはなく摩耗するが，摩耗の程度は接合温度と硬質相の分布状態に依存し， 2 ～ 5 mm の硬質相の体積率を増加させることにより耐摩耗性が向上することが報告されている(34)(48)．
そして硬質相の体積率を増加させた結果，図に示すように中炭素鋼( S45C )を 3.6 m 接合してもツールはほとんど摩耗せず，初期開発合金に比べて 1.5倍以上の長寿命化に成功している(35)．
図13

Co 基合金ツールで得られた Ti6Al4V 合金 FSW 継手の外観写真と FSW 前後のツール外観変化．

.



接合条件による対策

接合ツールの低回転速度による対策

尚，本実験では 1000 打点で約 1 / 2 の強度 低下を示した

一般的に高炭素鋼への摩擦攪拌接合において，接合時の温が，その後，坂村らは大阪大学と東芝マテリアルとの共同

度が約 1000 °C と高温になることから，接合試料の金属組織研究で窒化ケイ素を用いた接合ツールの開発を行い，図にには脆い相が生成するため，接合後に熱処理が必要である．

示すとおり優れた耐久性を持つ接合ツールを開発していしかし，藤井らは熱処理不要の観点から A1 点( 723 °C )以下る(45)(46)．尚，本耐久性試験の接合条件は，軟鋼板 SPCC ので接合を行うことにより，炭素量に関係なく，炭素鋼を接合

2 枚重ね継手，接合ツールの回転速度 1500 rpm であり，後する技術を確立した(49)(50)．そしてその際，実験には超硬製述する接合条件による対策(接合ツールの低回転速度による接合ツールを用いていたが，摩耗し難いことも同時に導き出

対策)ではない．

した．これは，温度が高くなると極端に超硬の硬度が低下し

Co 基合金による対策てしまう特徴からきている．すなわち通常の摩擦攪拌接合では高温のため摩耗が進行してしまうが，比較的低い温度の場

次に摩擦攪拌接合に対する接合ツールの開発状況を示す．

合は超硬本来の硬さが維持された状態で接合することがで

一見，摩擦攪拌点接合と似ているが，摩擦攪拌点接合では主き，その結果，接合ツールの摩耗が減少，耐久性が向上したに垂直荷重が接合ツールに負荷される．一方，摩擦攪拌接合と考えられる．

では，さらに横からの荷重が負荷されるため接合ツールにとってより厳しい使用環境となってくる．
佐藤らは Co 基合金(31)(33) ， W 基複合材料(35) 等を中心に型組織の母相開発を進めている．この中で Co 基合金は g/g′

また立野らは，接合方向後方から－ 20 °C の液体 CO2 を局部的に噴出させ，接合時の温度を制御することで接合継手の強度を向上させ，かつ接合ツールの寿命を大幅に延ばしたことを報告している(51)．

と硬質相(炭化物や金属間化合物)からなる合金であり，フェ接合ツールの形状や材質だけでなく，接合条件においてもライト鋼やチタン合金の摩擦攪拌接合が可能なツール材料と接合ツールの耐久性に大きく影響を与えることは注目すべき



最近の研究

図17

図15

予熱装置を付加した摩擦攪拌接合装置．

低回転によるツール寿命への影響．

予熱500°
Cとを比較すると回転トルクが約18低減され，接合ツールの寿命は30向上が見込まれると報告している．
また高周波誘導加熱装置の他に，藤井らは YAG レーザによる予熱を試みた．被接合材料として SS400 を，接合ツー
ルは超硬製を用いた．そして高周波と同様にレーザを接合方
向前方に照射した．その結果，レーザによる予熱は最終的な金属組織に大きな影響を及ぼさず，継手特性は大幅に向上
し，接合ツールの寿命も延びたことを報告している．
図16

接合ツールの摩耗状況．

尚，レーザの場合は，接合箇所に斜めからレーザを照射して予熱することが容易であるため，摩擦攪拌点接合へも展開も可能であり，前述した接合時間の短縮と接合ツールの長寿命化の両立が期待される．

点であり，このことをヒントに，坂村らは図 7 で示した実.

験条件において接合ツールの回転速度を 1500 rpm から 760

最

後

に

rpm へと遅くすることで，接合時に発生する摩擦熱を制御した．尚，その他の実験条件は同じである．その結果，図

前述のとおり摩擦攪拌接合ツールの長寿命化に対し様々なと図に示すとおり 8000 打点においても接合ツールに摩耗対策事例があり，窒化ケイ素や Co 基合金など一部では鉄鋼はなく，接合強度もほぼ一定の結果が得られた(52)(53)．これ

用接合ツールとして市販化されてきている．ただし，まだまにより市場ニーズにも十分応えられる打点数となり，接合ツだ一般的とは言い難い状況である．

ールの長寿命化は達成できたと考えられた．

また今回紹介した研究以外にも，“接合ツールに用いられ

しかし残念ながら本手法では製造現場への適用には至ってる材質の濡れ性の評価(58)(59)”や“接合時の攪拌状況の可視

いない．これは回転速度を遅くすることによって，接合ツー化(60)(61)”，“摩擦攪拌接合時の被接合材料の材料流動に関す

ルを挿入し，発熱・攪拌する時間が長くなったためである．

るシミュレーション(62)(63)”などの研究が報告されてきてお言い換えると接合時間が長くなるというデメリットが生じた

り，これらの知見は接合ツールの長寿命化に大変役立つ有益ためである．一般的に鋼板の点接合には抵抗スポット溶接がな情報である．今後，このような知見と前述の研究が合わさ用いられることが多く，その接合時間は 1 秒以下である．

り，さらに発展していくことを期待する．

摩擦攪拌点接合が鋼板の接合技術として実用化されるには，最後に，摩擦攪拌接合や摩擦攪拌点接合は，アルミニウム

接合時間が同程度になる必要があり，現時点では満たしてい合金を中心として様々な分野で実用化され，さらに現在もなないため本手法は実用化には至っていない．今後は如何に摩お研究開発が盛んに実施されている接合技術である．市場の擦熱を制御し，かつ接合時間を短縮していくかが鍵となる．

大きな鉄鋼材料に対しても一般的な接合方法として採用され

ハイブリット接合による対策

るようになれば，一つの接合方法(一つの接合装置)で鉄鋼材
料，アルミニウム合金材料，アルミニウム合金/鋼の異種金

前述の接合時の温度を制御する方法の他に，図に示すと属接合，樹脂/金属の異材接合など様々な接合箇所に適用でおり接合前に外部から熱を供給することによって被接合材料

き，他の接合技術にはない大きなメリットを生むと想定されを予熱し，接合時にかかる接合ツールへの負荷を小さくする

る．

試みが報告されている(54)(57)．

加えて，摩擦攪拌接合は一般的なアーク溶接や抵抗スポッ

この中で谷口らは，高周波誘導加熱装置による予熱を試み

ト溶接に比べ消費電力が非常に少なく， CO2 排出削減にもた．被接合材料として S55C を，接合ツールは超硬製を用い効果的である．そして作業環境も良く．かつ自動化も図りやた．そして接合ツールの接合方向前方に高周波加熱コイルをすいことから，近年ニーズが高まりつつあるサステナブルな配置し，加熱しながら接合を行った．その結果，予熱なしと社会の実現に対しても貢献できると期待される．

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan



文

献

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216.
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302.
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16.
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to Mater. Sci. Eng. A.
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究所東部工業技術センター研究報告書，21(2008), 18.
( 30) 大石郁，坂村勝，大田耕平，藤井英俊溶接学会論文集， 32(2014), 17.
( 31 ) 坂村勝，大石郁，大田耕平，竹保義博，水成重順，藤井英俊軽金属溶接，52(2014), 453462.
( 32 ) 生田明彦，青木祥宏，森貞好昭，藤井英俊溶接学会全国大会講演概要，106(2020), 2021.
(33) Y. S. Sato, M. Miyake, H. Kokawa, T. Omori, K. Ishida, S.
Imano, S. H. C. Park and S. Hirano: Friction Stir Welding andProcessing VI, TMS, (2011), 39.
(34) Y. S. Sato, M. Miyake, H. Kokawa, T. Omori, K. Ishida, S.
Imano, I. Sugimoto, S. H. C. Park and S. Hirano: Proc. 10th
Int. FSW Symposium, Beijing, China, (2014), CDROM.
(35) Y. S. Sato, M. Miyake, S. Susukida, H. Kokawa, T. Omori, K.

Ishida, S. Imano, I. Sugimoto, S. H. C. Park and S. Hirano:
Friction Stir Welding and Processing VIII, TMS, (2015), 3946.
(36) T. Miyazawa, Y. Iwamoto, T. Maruko and H. Fujii: Sci. Technol. Weld. Join., 17(2012), 213218.
( 37 ) あゆ里，山崎繁一，上西 昇，池ヶ谷明彦，佐藤 裕，薄田真一，粉川博之，伊石塚浩，森口秀樹溶接学会全国大会
概要，96(2015), 6263.
( 38 ) あゆ里，瀧田朋広，池ヶ谷明彦，佐藤裕，粉川博之，森口秀樹，柴田明宣溶接学会全国大会概要，99(2016), 138139(39) C. D. Sorensen, T. W. Nelson and S. M. Packer: Proc. 3rd Int.
Sympo. Friction Stir Welding, TWI, Kobe, Japan, (2001), CD
ROM.
( 40 ) 朴勝煥，佐藤裕，粉川博之，岡本和孝，平野聡，稲垣正寿
溶接学会全国大会講演概要，77(2005), No.252(41) 大橋良司，藤本光生溶接学会全国大会講演概要，82(2008),
207.
( 42 ) 舟木開，加藤雅礼，深澤孝幸，阿部豊，藤井英俊，森貞好
昭，村上敬溶接学会全国大会講演概要， 103 ( 2018 ) , 184 
185( 43 ) 宮崎博香，内海慶春，津田圭一 SEI テクニカルレビュー，
187(2015), 7074.
(44) 坂村勝新技術説明会，(2016)(45) https://www.toshiba
tmat.co.jp/res/theme9.htm(46) 坂村勝天田財団助成研究成果報告書，32(2019).
(47) 佐藤裕溶接技術，65(2017), 122123.
(48) 佐藤裕まてりあ，55(2016), 5358.
( 49 ) 藤井英俊，雀霊，中田一博，野城清，池田倫正，松下宗生
溶接学会全国大会概要，80(2007), 188
189.
(50) 藤井英俊生産と技術，61(2009)4,2328.
( 51 ) 立野高寛，藤井英俊，津村卓也，田中学，中田一博，村上享溶接学会全国大会講演概要，78(2006), 206.
( 52 ) 坂村勝，大石郁，竹保義博，津村卓也，中田一博溶接学会
全国大会講演概要，83(2008), 202.
( 53 ) 大石郁，坂村勝，岩谷稔，大田耕平広島県立東部工業技術センター成果発表会(2010).
( 54 ) 谷口公一，高田充志，松下宗生，池田倫正，藤井英俊溶接学会全国大会講演概要，99(2016), 140
141.
(55) H. Fujiin, T. Tatsuno, T. Tsumura, M. Tanaka and K. Nakata:
Mater. Sci. Forum, 580(2008), 393.
( 56 ) 藤井英俊，立野高寛，津村卓也，田中学，中田一博，野城清溶接学会全国大会講演概要，81(2007), 166167( 57 ) 小西佳郎，藤井英俊，中田一博，野城清，上路林太郎溶接学会全国大会講演概要，83(2008), 124125.
( 58 ) 森貞好昭，藤井英俊，神田一隆，久保田和幸，伊坂正和溶
接学会論文集，34(2016), 218222.
( 59 ) 森貞好昭，雷哲，藤井英俊溶接学会全国大会講演概要， 98(2016), 38
39.
(60) 森貞好昭，藤井英俊金属，88(2018), 459464.
( 61 ) 山根岳志，柴柳敏哉，川西祥一，朝長直也溶接学会全国大会講演概要，103(2018), 188
189.
(62) 宮坂史和まてりあ，54(2015), 444448.
( 63 ) 家下輝也，生島一樹，宮坂史和，柴原正和溶接構造シンポ
ジウム，(2017), 169176.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1998.4
2002.3
2002.4
2005.3

日ノ出水道機器株式会社
長崎大学大学院 生産科学研究科
博士課程修了2005.4 現職
専門分野接合，鋳造◎接合や鋳造に関する研究開発．地元企業からの技術相談に従事．研究では，主に摩擦攪拌点接合や摩擦アンカー接合を中心に活動．

大石郁★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

最近の研究

金属製錬反応の速度論
―律速段階と物質移動速度―
北

村

信

也

て読み返すことができる参考書を目標にして，基礎よりも応

.

は

じ

め

に(1)

用に重きを置いて作成したものであった．この講義ノート
は，鉄鋼に限らず乾式の金属製錬を対象として，より基礎的

金属製錬反応を解析する時，化学熱力学を用いて平衡関係な事項として，反応速度と次数の定義，律速段階などに関すを計算し，それと操業結果や実験結果を比較する事が一般的

る基礎的事項，次元解析と代表的な無次元数等について，文である．金属製錬プロセスが平衡に到達しているのであれ

献( 11 ) , ( 12 ) , ( 13 )を参考にしてまとめたものである．まば，自由度を 1 にした上でその因子のみ(例えば温度)を制た，より理解を含めるため，いくつかの解析例も説明した．

御すれば，常に同じ結果が得られることになる．しかし，実際には同じ操業を繰り返しているのに同じ結果が得られない

.

律速段階と反応速度

ことは，現場のオペレータや技術者の頭痛のたねである．著者が専門としていた鉄鋼精錬においても，かつての平炉製鋼

化学反応は均一な相の内部で起こる均一反応と，複数の相法のように数時間かけて精錬をおこなう装置とは違い，現在界面で起こる不均一反応に分けられるが，金属製錬プロセスのプロセスでは平衡に到達する前に精錬を終えることが多で起こる反応は，ほとんどが不均一反応である．不均一反応

い．例えば，溶銑脱リン処理では，酸素ポテンシャルの低いの場合，素過程は，各相のバルクから界面までの物質移動速炭素飽和溶鉄と，酸化鉄を数パーセント含む酸素ポテンシャ

度と，界面での化学反応速度であり，これが逐次的に起こる

ルの高いスラグが接触して化学反応を起こさせるため，系と場合には，最も遅い過程が，反応全体の速度を律速する．金しては全く平衡になっていないプロセスである．さらに，取属製錬のように高温場で起こる反応の場合，化学反応速度が鍋精錬で非金属介在物の組成を精緻にコントロールしている律速する例は少なく，多くの場合は物質移動律速であるが，が，この場合，介在物の組成は，同じ酸化物であるスラグと反応系内での攪拌が十分にある場合には化学反応速度それ自も耐火物とも異なる組成である．これも，溶融金属と酸化物体が問題になる場合もある．

の 2 相間反応として系を考えれば，平衡に到達していない事になる．
このように，金属製錬反応は，一般には平衡を仮定して解析されることが多いが，実際のプロセスで系が平衡状態まで

.

物質移動速度・ 物質移動流束

到達することは稀であり，非平衡を利用して目的とする反応

金属製錬反応は高温で起こるため，一般的には化学反応速を優先的に進行させることがプロセス制御としては重要であ度は十分に速く，物質移動速度が律速する場合が多い．物質

ることになる．このような背景から，著者は 2010 年から

移動流束 NA(mol/(s･m2))は濃度差(気体の場合は分圧差)を2011 年にわたり，日本鉄鋼協会の「ふぇらむ」に「鉄鋼精駆動力として式(3.1)で表される．

錬プロセス工学概論」という入門講座を連載した(1)(10)．これは，鉄鋼精錬を担当している技術者，研究者が実務においNA＝k(CA, i－CA, ∞)(3.1)

ここで， k は物質移動係数( m / s )， CA, i, CA, ∞ は界面，バ東北大学名誉教授
Kinetics of Metal Smelting Reaction ―Rate Controlling Step and Mass Transfer Rate―; Shin-ya Kitamura(Emeritus Professor, Tohoku
University, Sendai)
Keywords: chemical reaction, kinetics, mass transfer, coupled reaction, double film theory
2020年 6 月24日受理[doi:10.2320/materia.60.89]

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japanルクの濃度(mol/m3)である．

る．エレメントとは一緒に運動する液の最小単位を表し，液物質移動係数が流動状態によって変化することを説明する

面をエレメントが流れている間に物質移動成分をその中に蓄ため様々なモデルが提案されているが，最も基本的なものは積する．エレメントの表面滞在時間を t ( s )とすると，この以下の 3 つである(図.)(13)．

時間内にエレメント内に蓄積される成分 A の量(NA)は非定（ 1 ）境膜説界面に一定厚みの境膜の存在を仮定し，境膜常拡散の理論から式(3.3)となる．

内の流体は静止しているとする．また，境膜の外側の流体は

N A＝ 2

激しく攪拌されていて，濃度は一定になっているとする．こDA(CA, i－CA, ∞)
pt

(3.3)

の時，境膜内にフィックの第 1 法則を適用すると， A 成分

NA は物質流束で，物質移動係数は 2 DA/pt になり，攪拌

の 流 束 は 式 ( 3.2 )で 与 え ら れ る ． こ こ で ， DA は 拡 散 係 数によって物質移動が促進されるのは，エレメントの表面滞在( m2 / s )， d は境膜の厚さ( m )である．尚，ここで言う境膜

時間が小さくなるためと説明される．浸透説は溶鋼と気泡と(film)と，流体や熱の流れで用いられる境界層とを混同しなの反応を解析する場合に良く用いられる．

いように留意すべきである．

（ 3 ）表面更新説浸透説では，液のエレメントがいつも一

NA＝－DAdCA DA＝(CA, i－CA, ∞)
dy
d

(3.2)

定の場所で顔を出し，別の一定の場所で沈み込むと仮定しているのに対して，表面更新説では，液面にあるエレメントが境膜説によれば物質移動係数 k は DA/d であり，攪拌によ

ランダムに液内部のエレメントと交換され，液面に滞在するって物質移動が促進されるのは，攪拌によって境膜が薄くな

間にエレメント内に物質移動成分を蓄積すると考える．これるためと説明される．境膜説は後記の 2 重境膜説として，は，乱流に対する概念であり，物質流束は式(3.4)で表されスラグ/メタル反応の解析に良く用いられる．

る．

（ 2 ）浸透説境膜説では，境膜の外側の流体が激しく攪拌

NA＝ DAs(CA, i－CA, ∞)(3.4)

されていても流れは液面に到達しない．これに対して浸透説

ここで， s は表面更新速度( 1 / s )で，全表面積の内，単位では，流れは液面に到達し，液面が入れ替わると考える．浸時間当たりに更新する面積の割合を表す．表面更新説によれ

透説では，液のエレメントが液面の特定の場所で顔を出し，ば，物質移動係数は DAs になり，攪拌によって物質移動が液面に沿って流れ，別の場所で液体内に沈み込むと仮定す

促進されるのは，表面更新速度が大きくなるためと説明される．
以上のモデルを使って物質移動係数を理論的に求めるためには，境膜説では d ，浸透説では t ，表面更新説では s を，それぞれ求める必要があるが，実測する事は難しく，実験結果との合わせ込みで求めざるを得ない．
・ 相間の物質移動(2)金属製錬プロセスはスラグ/メタル間の反応で不純物の除去を行うことが多いため，2 相間の物質移動を考える必要がある．このような場合には 2 重境膜説が最も使いやすいモデルである(図.)．つまり，前節で述べた境膜が溶融スラ
グ相，溶融メタル相の両方に存在すると考えると，各相内での物質移動流束は，スラグからメタルに向かう方向を正とす
ると，式(3.1), (3.2)と同じ形で，メタル相は式(3.5)で，スラグ相は式(3.6)で表される．
NA, m＝km(CA, i, m－CA, ∞, m)(3.5)

NA, s＝ks(CA, ∞, s－CA, i, s)(3.6)

ここで，下付きの m はメタル相，s はスラグ相を示す，したがって，km, ks は，それぞれ，メタル相側境膜内，スラグ
相側境膜内の物質移動係数である．
スラグ側の物質移動流束とメタル側の物質移動流束は等しい，つまり界面では元素の蓄積はないとすると NA, s ＝ NA, mが成り立ち，また，界面は平衡関係にあると仮定すれば，平
衡分配比 L を用いて式(3.7)が成り立つ．
CA, i, s/CA, i, m＝L(3.7)

こ れ ら の 関 係 式 を 用 い れ ば ， 物 質 移 動 流 束 N ＝ NA, s ＝
図3.1



物質移動係数に関する代表的なモデルに概念．

NA, m は式(3.8)，又は，式(3.9)で表される．

講義ノート

図3.3
図3.2

(L1k ＋k1 )＝C L －C
1 L
－L C
N ( ＋ )＝Ck k
A, ∞, sN

sA, ∞, m(3.8)

A, ∞, m(3.9)

mA, ∞, ssm

総括物質移動係数を式(3.10)，又は，式(3.11)で定義すると，式(3.8), (3.9)は式(3.12)と書ける．
(3.10)

1
1 L＝ ＋
k′ k s k m(3.11)(には様々なスラグ・メタル反応は同時進行するため，それらを解析するには上記の速度式を各元素について解かなければならない．例えば図.は鉄鋼精錬での溶銑脱リン処理を模式的に示したものであるが，目的とする溶鉄中リンのスラグによる酸化反応だけでなく，Fe, C, Mn, S, O も溶鉄とスラグの間で酸化反応や還元反応を起こす．これを競合反応と呼

1
1
1
＝
＋
k L ks km)

CA, ∞, s－CA, ∞, m ＝k′(CA, ∞, s－L CA, ∞, m)L

N＝ k

競合反応モデル．

2 重境膜説．

(3.12)

び，この反応の進行を解析するモデルを競合反応モデルと称する(14)(15)．このモデルでは，スラグ相とメタル相の物質移
動を二重境膜説で記述し，界面平衡と電気的中性条件を仮定する事で，あらゆる元素の濃度変化を計算することができる．
溶 融 金 属 に 含 ま れ る 溶 質 元 素 D, E, F の 酸 化 反 応 が 式(3.15)～(3.17)で表されるとする．

金属製錬反応の場合，スラグ中とメタル中での各元素の拡[D]＋2[O]＝(DO2)

散係数を比較すると，ks は km に比べると 1/10～ 1/100程度[E]＋[O]＝(EO)(3.16)となる．式(3.12)を見ると，分配比が10～100より十分に大[F]＋[O]＝(FO)(3.17)

きければメタル物質側移動律速となり，逆に十分に小さけれ実際の金属製錬反応では，物質移動流束ではなく濃度変化
速度で記述する場合が多い．この場合には，界面積 A( m2 )，メタル質量 W ( kg )，メタルおよびスラグの密度 rm,rs(kg/m3)を用いると，式(3.10)～(3.12)は式(3.13), (3.14)
となる．

(

(A)
[A]－
L′

)

A
＝k A
′ (L′
[A]－(A))W(3.13)

L′ 1
1
＝
＋
k′
k
k s rsAm rm(3.14)

1
1
1＝＋,
kA L ′
k s rs k m rm

式(3.13)の最右辺と同様に物質移動流束を濃度変化で記述
すると式(3.18)～(3.20)になる．ここで，k′は各溶質成分のばスラグ側物質移動律速となる．

d[A]
A
＝k A
－
dt
W

ここで，[A], (A) は溶質 A のメタル内，スラグ内の濃度(mass)であり， L′は質量パーセントで表した平衡分配比である．

式( 3.14 )で定義された総括物質移動係数で， L ′は質量パーセントで表した平衡分配比である．
－

d[D] A＝ k′
D( L ′
D[D]－(DO2))
dt
W(3.18)－

d[E] A＝ k′
E(L′E[E]－(EO))
W
dt(3.19)－

d[F] A＝ k′
F(L′F[F]－(FO))
dt
W(3.20)

式(3.18)～(3.20)の平衡関係を平衡定数 K と活量係数 f で書き直す．ここで，上付きのは界面濃度であり，a
O は界面酸素活量である．

上記のように単一の反応は記述することができるが，実際(DO2)
fD
2
2
＝ KD
a
O ＝ K′
Da
O
[D]
fDO2

(3.21)(EO)
fE
＝ KE
a
O＝ K′
Ea 
O
[E]
fEO

(3.22)(FO)
fF
＝KF
a
O＝K′
Fa
O
[F]
fFO

(3.23)

L′
D＝
L′
E＝

・ 競合反応

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan(3.15)

L′F＝

式(3.18)～(3.20)と式(3.21)～(3.23)を，それぞれ組み合
わせて界面酸素活量のみを未知数として書き表すと式(3.24)～(3.26)になる．
－

d[D] A2
＝ k′
D(K′
D[D]aO －(DO2))
dt
W(3.24)－

d[E] A＝ k′
E( K ′
E[E]aO－(EO))W
dt(3.25)－

d[F] A＝ k′
F(K′F[F]aO－(FO))dt
W(3.26)

また，スラグの電荷のバランスを考えると，いずれかの溶質がメタル相へ移動した場合には，必ず別の反応が起こって電荷を中性に保つ必要がある．式(3.24)～(3.26)の物質移動
流束をモルに換算し，かつ，スラグ相では D は 4 価， E とF は 2 価になる事を考慮すると，電気的中性の式は式(3.27)になる．ここで，M は各元素の原子量である．
4 d[D] 2 d[E] 2 d[F]
＋
＋
＝0
MD dt
ME dt
MF dt

(3.27)

図3.4

溶銑中珪素濃度の低下挙動(16)．

図3.5脱珪素速度と珪素濃度の関係(16)．

この式に式(3.24)～(3.26)を入れ，aO(界面酸素活量)で整理すると式(3.28)になる．

{

4
2
2
2
k′
k′
k′
D K′
D[D]a
O ＋E K′
E[E]＋
FK′
F[F]
MD
ME
MF

－

} a
O

{M4 k′(DO )＋M2 k′(EO)＋M2 k′(FO)}＝0
D

D

2

E

E

F

F

(3.28)
式(3.28)は界面酸素活量のみが未知数である 2 次式のため解くことができる．一般には P2O5 や Al2O3 のような2.5価，1.5 価の溶質があるため解析解は得られず，数値解として求める．界面酸素濃度が決定できれば，式(3.24)～(3.26)に従い，メタル中の，各成分の単位時間当たりの濃度変化が求められ， NA, s ＝ NA, m の関係からスラグ中の各成分の組成変化が計算できる．これを繰り返すことで，メタル相，スラグ相にある各溶質元素濃度の時間変化を求めることができる．
この式を解く場合，平衡定数や活量係数は熱力学から求められるが，A, km, ksの値が必要となる．これらは，理論値が得られない場合が多く，その場合は，例えば A・km と km/ks
をフィッティングパラメータとして実験結果から求める．
上記の例は 3 成分の酸化反応であったが，必要に応じて考慮する溶質元素の数は増やしても構わないし，脱硫反応も同時に考慮することも可能である．ただし，アニオンを酸素を得た．これより，珪素濃度は，初期には直線的に低下し次以外に考える場合には，電気的中性条件でアニオンの移動も第に低下速度が遅くなる挙動が見て取れる．脱珪素反応を物含めなければならないため，やや，複雑になる．さらに，マ質移動律速(つまり，化学反応速度は十分に速い)と仮定する

ット相を考慮することも可能である．

と，式( 3.1)で整理できるため，サンプリング間隔毎の脱珪

・ 解析例

素速度を計算し，その値と珪素濃度の関係を整理すると図.のようになった．この図を見ると，珪素濃度が高い場合

・・ 相間の物質移動は，実験条件に依らず両者の間に原点を通る直線関係がある

単純に 1 つの溶質の移動だけを考慮した場合の解析例

が，珪素濃度が低い場合には直線から乖離している．また，を，鉄鋼製錬における溶銑脱珪で紹介する(16)．
高周波炉で様々な Si 濃度の溶銑(炭素濃度が飽和に近い溶鉄)を約 2 kg 溶解し，そこに上方から FeO を主成分とする
フラックスを約 100 g 添加したところ，図.のような結果



直線から乖離する臨界条件は珪素濃度では決まっていない事がわかる．
いま，式(3.13)を脱珪素速度で書き換えると式(3.29)にな
る．

講義ノート

－

Fe＋[O]＝(FeO)([Si]－(LSiO′ ))＝k([Si]－(LSiO′ ))Ad[Si]＝kW
dt

2(3.32)

Si

これらの反応式に対応する濃度変化を式(3.13)と同様の形

2式で書くと，Si と P の濃度変化は式(3.33), (3.34)で書き表Siされる．また，式(3.35)は，溶鋼中の Fe とスラグ中の O はSi＝kSi([Si]－[Si])(3.29)

ここで，kSi＝k(A/W )であり容量係数と呼ばれる．また，十分に濃度が高いため，それ自体の物質移動流束は考慮せず，溶鋼中での O の物質移動流束とスラグ中での Fe の物質
移動流束がバランスすると考えた式である．尚，ここで，溶L′
Si は(SiO2)/[Si]で表した平衡分配比である．

これより，平衡分配比(L′＝Si) が 十 分 に 大 き く [  Si ]
(SiO2)/L′
Si がゼロとみなせる場合はメタル側物質移動律速になり，－d[Si]/dt と[Si]の間には原点を通る直線関係
がゼロとみなせなくが成り立つ．一方，L′
Si が小さく[Si]

鋼側，スラグ側の物質移動係数(km, ks)は各元素で同じとしている．
d[Si] A＝ k′
Si(L′Si[Si]－(SiO2));
dt
W

L′
1
1
Si
＝
＋
k′
k
r
k
Si
m m
s rs

d[P] A－＝ k′
P(L′P[P]－(PO2.5));
dt
W

L′
1
1
P
＝
＋
k′
k m rm k s rs
P－

なると－d[Si]/dt と[Si]の関係は直線から逸脱することになることがわかる．つまり，図 3.4の結果から，直線関係が成り立つ領域での勾配から容量係数 kSi を求め，その値を(3.33)

用いて，直線から逸脱した領域の実験結果から[ Si]を推定する事ができる．得られた[ Si ]と( FeO )の関係を見たものが図.であるが，実験条件に依らず，(FeO)が40以上であれば[ Si]はゼロでメタル側物質移動律速となり，(FeO)がそれ以下ではメタル側物質移動とスラグ側物質移動の混合律速になることがわかる．

(3.34)－

d[O] A＝ km rm([O]－a
O);
W
dt

d(FeO) A＝ ks rs ((FeO)－L′
Oa 
O)
dt
W

(3.35)

式(3.33)～(3.35)に対応する界面平衡の式は以下のように

尚，この結果は，この実験条件でのみ成立するもので，メタル側物質移動律速から混合律速に変わる臨界条件(この実験では(FeO)が40以上)は，実験条件ごとに決める必要がある点は注意すべき事項である．

なる．
L′
P＝

(PO2.5)
2.5
＝K ′
P a
O ,
[P]

L′
Fe＝

・・ スラグ/メタル間の競合反応
競合反応モデルでの解析例として，鉄鋼製錬で溶鉄の珪素とリンが同時に酸化される場合を紹介する(17)．

L′
Si＝(SiO2)
2
＝KSi
′a
O ,
[Si]

(FeO)
a
O(3.36)

式(3.28)は式(3.37)になり，式(3.29)は式(3.38)になる．
ここで，酸素の流束はアニオンのため符号が逆になる点と，260 g の FeSiP 合金を誘導溶解炉で溶解し，FeOSiO2

FeO の移動を考慮したため，溶鋼質量( Wm )，スラグ質量

CaO 系スラグを 40 g 添加した．温度は 1903 K で一定とした．実験結果の例を図.に示す．
この結果を競合反応モデルで解析する．それぞれの酸化反応式は式(3.30)～(3.32)である．
[Si]＋[O]＝(SiO2)(3.30)[P]＋2.5[O]＝(PO2.5)(3.31)

図3.6[Si]/[Si]と(FeO)の関係(16)．

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan

図3.7

競合反応モデルの解析例(17)．

い，スラグとマットの組成変化を調べた結果，図.，.

(Ws)を掛けた点は要注意である．

を得た．

2.5
d[P]
2
d[Si] 1
d[O]
＋
－
Wm
Wm
Wm
MP
dt
MSi
dt
MO
dt

－

1
d(FeO)
＝0
Ws
MFeO
dt

図.にモデルの概略図示す．このモデルでは，スラグお(3.37){＋

マット間では元素 M において式( 3.39 )が成立していると仮
定する．

2.5
2
2.5
2
k′
k′
P K′
P[P]aO ＋Si K′
Si[Si]a
O
MP
MSi
ks
km
＋
rs L ′
rm
O＋
MFeO
MO

よびマットは純粋な酸化物および硫化物相であり，スラグ/

MO＋

} {

2.5
a
k′
O－
P(PO2.5)MP

1
1
S2＝MS＋ O2
2
2(3.39)

つまり，この場合，式(3.16)～(3.18)で示した酸化反応の

}

2
km
ks
k′
rm[O]＋
rs(FeO) ＝0
Si(SiO2)＋
MSi
MO
MFeO

(3.38)
つまり，この式において， K ′P, K ′
Si, L ′
O, km, ks の値が与えら れれ ば界 面酸 素活量 が求 めら れ， この値 を式 ( 3.33 )～(3.35)に代入すれば各成分の単位時間当たりの濃度変化が計算できることになる．
図 3.7 には計算結果も示しているが， P, Si, O の挙動を良くシミュレートできている．また，計算で用いた各パラメー
タから式( 3.34 )の総括物質移動係数と，右辺第 1 項( L ′P/( km rm ))との関係を図.に示すが，脱燐反応がメタル側物
質移動で律速されるなら縦軸と横軸の値は同じになるのに対して，実験で得られた総括物質移動係数ははるかに小さく，スラグ側物質移動速度の影響が極めて大きいことが見て取れ
る．

図3.9

マット組成変化に対する計算値との比較(18)．

図3.10

スラグ組成変化に対する計算値との比較(18)．

・・ スラグ/マット間の競合反応
次に，競合反応をスラグ/マット間の反応に適用した例を紹介する(18)．
鉄鋼製錬で製鋼スラグに含まれる Mn と P を分離して回収する事を目的に，スラグを硫化し Mn をマットに濃縮させる試みを行った．実験では，予備溶融し予め細かく粉砕した ス ラ グ お よ び マ ッ ト を 2  5 の 質 量 比 で 内 径 19 mm のMgO 坩堝に充填し，これを 1673 K で所定の時間保持した

後に急冷した．同じ条件で保持時間を変化させた実験を行

図3.8



競合反応モデルによる律速段階の推定(17)．

図3.11

スラグ/マット間反応の競合反応モデルによる検討(18)．

講義ノート

代わりに，式(3.39)のような酸化物と硫化物の交換反応を基礎式として考えている．この研究では，元素 M として Fe,

図 3.9, 10 には計算結果も示しているが，実験結果と良く対応している．

(次号へつづく)Ca, Mn を考慮している．式( 3.5 ) , ( 3.6 )に相当する，元素文

M のモル流速密度 JM(mol/m2/s)は式(3.40)で定義される．

献

ここで，式( 3.5 ) , ( 3.6 )では溶質濃度を C ( solute mol / solventm3)で表していたが，式(3.40)では mass(＝100×solute kg / solvent kg )で表示しているため，密度と分子量による換算係数が入っている．
JM＝(ks×rs/100NMO)[(MO)－(MO)]＝(km×rm/100NMS)[{MS}－{MS})(3.40)

ここで， ks, km はスラグおよびマット中の物質移動係数( m /s)であり， rs, rm はスラグおよびマットの密度( kg / m3)
である．また NNO, NMS は MO および MS の分子量(モル重量)( kg / mol )であり，( MO )および{ MS }はスラグ，マットのバルクでの濃度(mass)である．添え字のは界面の値であることを意味している．式(3.7)に相当する界面平衡
関係は式(3.41)で定義される．
1

E M＝

( )

{MS} P 
gMO NMO NSlag
O2 2
×
＝K M×
×
×
(3.41)(MO) P SgMS NMS NMatte2

式( 3.41 )において， KM は平衡定数であり，( PO2 / PS2 )は界面での酸素分圧と硫黄分圧の比である．またγはラウール
基準の活量係数で， NSlag, NMatte はスラグ中，マット中の全成分の質量平均分子量( kg / mol )である．式( 3.28 )に相当す( 1 ) 北村信也ふぇらむ，15(2010), 270279.
( 2 ) 北村信也ふぇらむ，15(2010), 333339.
( 3 ) 北村信也ふぇらむ，15(2010), 448453.
( 4 ) 北村信也ふぇらむ，15(2010), 504512.
( 5 ) 北村信也ふぇらむ，15(2010), 554561.
( 6 ) 北村信也ふぇらむ，15(2010), 605610.
( 7 ) 北村信也ふぇらむ，15(2010), 697701.
( 8 ) 北村信也ふぇらむ，16(2011), 1822.
( 9 ) 北村信也ふぇらむ，16(2011), 83
89.
(10) 北村信也ふぇらむ，16(2011), 233238.
(11) 川合保治鉄冶金反応速度論，日刊工業新聞社，(1973).
(12) 瀬川 清鉄冶金反応工学 改訂新版，日刊工業新聞社，(1978).
( 13 ) 谷口尚司，八木順一郎材料工学のための移動現象論，東北大学出版会，(2001).
(14) Y. Kawai, R. Nakao and K. Mori: Trans. ISIJ, 24(1984), 509
514.
(15) S. Ohguchi, D. G. C. Robertson, B. Deo, P. Grieveson and J. H.
E. Jeffes: Ironmaking & Steelmaking, 11(1984), 202213.
( 16 ) 成田貴一，牧野武久，松本 洋，彦坂明秀，勝田順一郎鉄と鋼，69(1983), 17221729.
(17) 土 居 定 雄 ， 森 克 己 ， 川 合 保 治 ， 近 藤 明  鉄 と 鋼 ， 72
(1986), 1560
1566.
(18) SJ Kim and S. Kitamura: CAMPISIJ, 27(2014), 149152.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

る電荷のバランスは式(3.42)になる．

∑JM＝JFe＋JCa＋JMn＝0(3.42)

式(3.40)と式(3.41)を組み合わせると，界面での濃度が除去でき，モル流速密度 JM は界面での酸素分圧と硫黄分圧の比((PO2/PS2))のみの関数となる．そして各元素におけるモル流速密度を式(3.42)に代入することで，(PO2/PS2)が数値解として得られ，その結果，バルク相中のマットおよびスラグの濃度変化を算出することができる．

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan

北村信也

1980年 東北大学大学院工学研究科修士課程修了
1980年 4 月―2003年 9 月 新日本製鉄
1991年 1 月 九州大学より学位授与（工学博士）
2003年10月―2005年 3 月 新日鉄住金ステンレス2005年 4 月―2020年 3 月 東北大学多元物質科学研究所
2020年 4 月― 東北大学名誉教授
専門分野鉄鋼製錬◎製鋼プロセスの開発とそれに関する基礎研究に従事．熱力学や反応速度論を使ったプロセス解析やスラグの利用技術の開発等を行った．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★



セラミックスのマイクロ力学特性と塑性変形機構増田紘士

セラミックスにおける低延性・低靭性は，いずれも塑性変

.

は じ

め

に

形能の乏しさに起因する．但し，セラミックスにおいても塑
性変形機構を活性化させることができれば，これらの問題は金属および合金は構造材料の王様である．金属材料の最大解決し得る．例えば，「粒界すべり」を引き出すことができの特色は，強度・延性・耐環境性など，構造材料に求められれば，セラミックスも引張伸び 1000 を超える「超塑性変る諸特性をバランス良く兼ね備えている点である．さらに，形」を示す(2)．また，TRIP 鋼や超弾性合金のような「応力合金設計・加工熱処理技術が高度に発達しており，用途に応誘起相変態」を引き出すことができれば，破壊靭性値を高強じて最適な特性制御が施された部材を，安定かつ大量に供給

度合金と同じオーダーである 10 MPa ･ m0.5 級まで向上させ可能である点も特筆すべきである．

ることができる(3)(4)．このように，塑性変形機構の活性化にしかし，構造材料に求められる特性は時代を経るごとにまよって，セラミックスにも金属的な延性・靭性挙動が現れすます厳しくなっており，最先端の超高温・超高圧・超腐食る．すなわち，セラミックスの塑性変形機構を理解し，これといった極限環境は，既に金属材料の耐用限界を超えつつあを引き出す原理を獲得することが，セラミックスにおける低る．例えば，ジェットエンジンにおける高圧タービンの燃焼

延性・低靭性克服の鍵となり得る．

温度は，タービン翼基材であるニッケル基超合金の融点を超

著者は最近数年，数 mm3 以下の微小体積では，セラミッ

えている．そのためタービン翼には，空力設計による冷却シクスにおいても塑性変形が生じることに着目し，ナノインデ

ス テ ム に 加 え て ， イ ッ ト リ ア 安 定 化 ジ ル コ ニ ア ( YSZ :ンテーション試験やマイクロピラー圧縮試験を用いて，セラ

YttriaStabilized Zirconia)セラミックスによる「熱遮蔽コー

ミックスの塑性変形機構を調査してきた．本稿は， YSZ セティング」が施されることで，金属基材の融解を防いでいラミックスにおける転位すべり変形の分析事例を紹介し，セる(1)．こうした極限環境においては，硬度・耐熱性・耐食性

ラミックスにも金属材料に比する塑性変形機構が潜在するこに優れたセラミックス材料の利用が必要不可欠である．

とを，その一端でも示すべく執筆される．誌面の制約上，詳

しかし，セラミックスは延性・靭性に乏しいという構造材
料として致命的な問題をもつ．セラミックスの製造におい細は割愛する部分もあるため，適宜，著者らの原著論文(5)(6)
を参照頂けると幸いである．

て，鍛造やプレス等による塑性加工は非常に困難であり，高温・長時間での焼結を要することから，その生産性は金属材

. セラミックスにおける微小領域での塑性発現の原理

料と比較して著しく劣る．また，材料の破壊強度は内部亀裂に大きく依存し，構造材料としての信頼性確保は非常に困難

ナノインデンテーション法に代表される「マイクロ力学試である．とはいえ，上述のように構造材料としてのセラミッ験」において，セラミックスが塑性変形を示すことは以前か

クスの利用は必要不可欠であり，延性・靭性の問題に対してら知られている(7)．この原理は，破壊応力 sC と主亀裂の半根本から向き合う必要がある．

径 a の関係を表す下記式から理解することができる(8)．

東京大学大学院 工学系研究科マテリアル工学専攻助教(〒1130033 東京都文京区本郷 73
1)
Micromechanical Behaviors and Plastic Deformation Mechanisms of Ceramics; Hiroshi Masuda(Department of Materials Engineering,
The University of Tokyo, Tokyo)
Keywords: yttriastabilized zirconia, nanoindentation, crystal plasticity, dislocation, kink
2020年11月16日受理[doi:10.2320/materia.60.96]



新 進 気 鋭

図1

主亀裂直径 2a と破壊応力 sC の関係．KC は破壊靭性値，A は亀裂形状，応力場，破壊モードなどにより決まる
パラメータ( A  1 )．ここでは， A ＝ 1 (平面亀裂のモー
ド I 破壊)，KC＝1.54 MPa･m0.5(8YSZ 多結晶体(9))を用
いた．

s C＝

AKC

pa

(1)

ここで， A は亀裂形状，応力場，破壊モードなどに依存する定数(平面亀裂のモード I 破壊のとき A＝1)，KC は破壊靭性値である．図は， 8 mol  YSZ ( 8YSZ )多結晶体( KC ＝
1.54 MPa ･ m0.5(9) )の内部に平面亀裂が存在すると仮定し，亀裂面と垂直方向へ引張試験を行った際の( A ＝ 1)，亀裂直径 2a と破壊応力 sC の関係を示す．
セラミックスの塑性変形には，室温付近では数 GPa ～数十 GPa の応力が必要であり，塑性変形が生じるためには，
破 壊 応 力が 変 形 応力 を 上 回ら な け れば い けな い ． 図 1 より，破壊応力が 10 GPa を超えるには，主亀裂サイズが 0.01
mm 以下となる必要がある．バルクセラミックスでは，焼結

図2( a ) 8YSZ に対する代表的なナノインデンテーション試
験(温度25°
C，圧入軸//[231])での荷重変位曲線，(b)塑性変形開始のための臨界せん断応力 tC の結晶方位依
存性(5)．

欠陥をはじめとする数十 mm 程度の亀裂を取り除くことが困難であるため，ほとんどのケースで塑性変形よりも亀裂破壊が支配的となる．しかし，数 mm3 以下の微小体積のみに高ス完全結晶における変形開始挙動を議論する．

応力を負荷するマイクロ力学試験であれば，主亀裂サイズを図( a )は，立方晶構造を有する 8YSZ 多結晶体の単一結

0.01 mm 以下に抑えることは十分に可能であり，このとき亀晶粒内において，温度25°
C，荷重速度 100 mN･s－1 でナノイ

裂破壊に先行して塑性変形が発生することになる．

ンデンテーションを行った際の，代表的な荷重変位曲線を示す．荷重負荷直後の押し込み挙動は弾性的であり，荷重.

ナノインデンテーション試験による変形開始挙動の評価

変位曲線は，球面圧子と平面試料の弾性接触を仮定した下記の「Hertz の接触式(11)」に従っている．
P＝ナノインデンテーションは，硬質圧子を材料表面に押し込

1 3
4
E R 2 h 23(2)

む「硬さ試験」の一種であり，高感度なトランスデューサに

ここで，P は荷重，R は接触面における圧子先端の曲率半径，

よって，押し込み試験中の荷重変位関係を精度良く測定でh は変位， E は下記式で表される，圧子と試料の複合弾性きる点が特徴である．本手法の最もメジャーな用途は，微小率である．

領域における硬さ・弾性率の計測であるが，押し込み深さ数十 nm 程度のごく浅い領域に現れる弾塑性遷移(popin)挙動

E ＝

(

1－n2t 1－n2 －1
＋
Et
E

)

(3)

を解析することで，完全結晶における塑性降伏機構を評価す

ここで， Et および E は圧子および試料のヤング率， nt およることもできる(10) ．本章では，後者に着目し，セラミック

び n は圧子および試料のポアソン比である．なお，この複合

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan弾性率は，押し込み試験の除荷曲線から， Oliver Pharr 法によって直接計測することができる(12)．さらに，弾性変形時に試料内部に発生する最大せん断応力 tmax は，下記式で表される．

tmax＝[0.61－0.23(1＋n)](6E 2P
p 3R 2

1
3

)

(4)

ここで強調したいのは，図 2(a)の PC＝1.54 mN において観察される，変位が瞬間的に増加する「popin」現象である．
この前後で，押し込み挙動が弾性変形から弾塑性変形へと遷移している通り， pop in は塑性変形開始に対応する現象である．従って，このとき試料内部に発生した最大せん断応力

tmax は，塑性変形開始に必要な臨界せん断応力 tC とみなすことができ，式( 4 )で P ＝ PC とすることで， tC ＝ 13.5 GPaと求まる．
図 2 に，8YSZ 多結晶体中の異なる結晶粒内でナノインデ
ンテーション試験を行った際の tC の分布を示す．標準三角形内の赤色領域に該当する「方位 1 」の結晶粒では， tC ＝10.3 ± 1.0 GPa ，青色領域に該当する「方位 2 」の結晶粒では tC＝13.2±0.6 GPa と測定され，両方位における塑性変形
開始の臨界せん断応力には有意な差が見られた．これは，ナノインデンテーション試験における 8YSZ の塑性変形開始
挙動に結晶方位依存性が存在したことを示す．
特に本稿では，方位 2 における塑性変形開始挙動に着目する．ここでの tC の値は，下記の式で求められる理論せん
断強度 tth＝13.4 GPa に近い値をとる．

tth＝

G
2p

(5)

従って，ここでの塑性変形開始は，特定の結晶面での原子の集団せん断に基づく転位の均一核生成および増殖機構によって生じたことが示唆される．つまり，方位 2 におけるナノインデンテーション試験では，既存の転位源の活性化に至るより先に，試料内部の最大せん断応力が理論強度に到達し，

図3( a ) 8YSZ に対するナノインデンテーション試験(温度200°
C ，圧入軸//[ 556 ])で形成した圧痕直下の TEM 明
視野像と( b )転位構造の模式図．〈 111 〉方位近傍の圧入軸に対して，複数の等価な{001}面すべりが活動したと考えられる(5)．

完全結晶領域からの転位増殖が雪崩的に生じることによって，変位のバースト現象である pop in を伴い塑性変形が開始したと考えられる．
図( a )に，方位 2 でのナノインデンテーション試験によ験片の変形特性を評価する試験手法である．特に，電子線後る圧痕およびその直下の領域を，集束イオンビーム( FIB :方散乱回折法と組み合わせることで，任意の方位をもつ結晶

Focused Ion Beam)によって薄膜化し，透過型電子顕微鏡法

粒から「単結晶マイクロピラー」を作製することができ，力(TEM : Transmission Electron Microscopy)によって観察し学特性の方位依存性を効果的に評価することができる．従た明視野像を示す．ここでは{001}面トレースに沿った転位

来，セラミックス単結晶の変形機構は，マクロな延性脆性

列が観察されることから，8YSZ 完全結晶における塑性変形

遷 移 温 度 以 上 ( YSZ で は 500 °C以上)で測定されてきた開始は，{001}面でのせん断による転位の核生成・増殖機構

が(13) ，本手法を用いることで，これまでは計測不可能であによって生じたことが示唆される．

った低温領域での塑性変形能を評価することができる．
マイクロピラー圧縮試験における荷重変位関係は，マイ.

マイクロピラー圧縮試験による変形機構の評価

クロピラーの断面積および高さを，走査電子顕微鏡法(SEM : Scanning Electron Microscopy)によって予め計測す

マイクロピラー圧縮試験とは， FIB をはじめとする微細ることで，応力ひずみ関係に変換することが可能である．

加工技術を利用して，バルク試料から数 mm 寸法の柱状試験

圧子および母材の弾性変形の影響は，剛体ピラーと弾性平面片を作製し，フラットエンド圧子を装着したナノインデンテの接触弾性を求める次式の「 Sneddon のコンプライアンスーション装置によって単軸圧縮応力を与えることで，微小試Si(14)」によって補正することができる．

新 進 気 鋭

Si＝

p (1－n2i )2E i A i(6)

ここで， ni, Ei, Ai はそれぞれ圧子もしくは母材のポアソン
比，ヤング率，ピラーとの接触面積に当たる．
図は，4.5 mol YSZ(4.5YSZ)多結晶体の単一結晶粒内から， FIB によって直径 0.91.1 mm ，高さ 2.03.0 mm の円柱型マイクロピラーを作製し，室温で圧縮試験を行った際の降伏応力(ここでは 0.2 耐力 s0.2 )と，主たる変形もしくは破壊過程の結晶方位依存性を示す．なお，4.5YSZ は正方晶構造を有するが，単位胞の軸比が 1 に近いことから( c / a ＝1.010)，立方晶構造として近似可能であり，この方がすべり変形の解析には都合が良いことから，本稿での結晶方位は立方晶型で表記する．本材料の降伏挙動は，Schmid 則にほぼ従っており，各すべり系の臨界分解せん断応力(CRSS : Critical Resolved Shear Stress )を表のように見積もることができる．先行研究において，500°
C以上で報告されていた，{001}〈110〉軟質すべり，{101}〈1̃01〉および{111}〈1̃01〉硬質
すべりの CRSS 比(13)が，室温においてもほぼ維持されていることが確認できる．

表1

図4

4.5YSZ における単結晶マイクロピラー圧縮試験から計測した各すべり系の CRSS 値(6)．

4.5YSZ に対する単結晶マイクロピラー圧縮試験(温度25°C)での0.2耐力 s0.2 および主たる変形・破壊過程の結晶方位依存性(6)．

図5

4.5YSZ に対する単結晶マイクロピラー圧縮試験(温度25°
C，圧縮軸//[334])での(a)公称応力公称ひずみ曲線，(b)変形後のピラーの SEM 像，(c)ピラー断面の TEM ナノビーム回折測定より得られた逆極点図マップ，(d)ピラー中心部の結晶方位変化プロファイル(6)．

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan特に本稿では，{ 001 }〈 110 〉軟質すべりによって生じる「キンク変形」に注目する．図は，[ 111 ]方位近傍から温する塑性変形能は金属材料に比するポテンシャルを秘めており，本稿ではその一端を示せたように思う．

度25°
C，ひずみ速度 1×10－3 s－1 でマイクロピラー圧縮試験

特に，本稿で扱った微小領域における塑性変形機構は，セを行った際の(a)公称応力公称ひずみ曲線，(b)変形後のピラミックスが破壊する際に亀裂先端での局所的なエネルギー

ラーの SEM 像，(c)TEM ナノビーム回折測定によるピラー

散逸を担うことで，マクロな破壊靭性の向上に結びつくこと

断面の結晶方位マッピング，(d)方位変化プロファイルをそが期待される．また著者は，本稿で紹介したようなセラミッ

れぞれ示す．図 5(a)の応力ひずみ曲線より，本材料は s0.2

クス研究を開始する以前には金属材料の超塑性現象を扱って＝4.7 GPa で降伏し，15の塑性ひずみを生じた段階で亀裂おり，これはセラミックスにも応用可能である(18) ．今後発生に至った．応力ひずみ曲線の積分から得られる，破壊は，マイクロ力学特性と超塑性の両面から研究を進め，セラに至るまでの吸収エネルギー密度は 0.96 GJ･m－3 である(図ミックス材料の靭性・延性向上に貢献したい．

5 (a )のグレー領域の面積)．比較対象として， TRIP 鋼における吸収エネルギー密度が 0.250.30 GJ･m－3 程度(15)である

本稿で紹介した内容は，森田孝治博士，大村孝仁博士，渡ことを考慮すると，これが特殊な条件下で計測された値であ邊誠博士，原徹博士(NIMS)，吉田英弘教授(東京大学)らとることを踏まえても，本材料が優れたエネルギー吸収特性をの共同研究によって得られた成果である．当該成果は，秘めていることが理解できる．

ICYS Research Grant ( NIMS ) お よ び JSPS 科 研 費

この優れたエネルギー吸収特性は，本材料に見られる「キ( 18H05944, 19H05136 )の支援を受けて行われたものであンク変形」に由来している可能性がある．図 5 ( b )の SEM

る ． ま た こ れ ら の 結 果 は ， NIMS Open Facility お よ び

像から，本ピラーは{ 001 }〈 110 〉系の多重すべりを伴いながNIMS 電子顕微鏡ステーションの設備と，スタッフの皆様

ら座屈変形(キンク変形)を生じたことが認められる．さらの協力により得られたものである．この場を借りて関係者のに，図 5 ( c ) , ( d )の結晶方位解析から，この変形帯(キンク

皆様に感謝申し上げる．

程度の連続的な結晶方位変化が発生し，局所帯)には最大30°
的な結晶回転勾配は約 40°･mm－1(図 5(d )の領域 I)に達している．この結晶回転が幾何学的に必要な(GN : geometricallynecessary)刃状転位列によるものだと仮定すると，下記式をもとに領域 I における GN 転位密度 rGND が計算できる．

rGND＝2 sin(u/2)bd(7)

u は結晶回転角度， b はバーガースベクトルの大きさ， d は測定距離であり，ここから rGND＝2×1015 m－2 と求まる．これは金属材料の強圧延処理によって導入できる転位密度の上限に近い値であり(16)，セラミックスにおいてもこれ程の高密度な転位が蓄積可能であることは注目に値する．このキン
ク帯は，多重すべりを担った異なる{ 001 }〈 110〉転位同士が絡まり合い，互いの回復を阻害することで形成しており，その発達機構は立方晶金属における「特殊二次すべり帯(キンク帯の一種)」の形成機構と類似している(17)．
以上のように， 4.5YSZ 単結晶マイクロピラーは，圧縮方位に応じて様々な変形機構を示した．特に，〈111〉方位付近
からの圧縮時には，{ 001 }〈 110 〉系による多重すべりが発生し，巨大な結晶回転を伴う「キンク帯」が形成した．このキンク帯は，その形成機構および構造において金属的な特徴を有しており，このことが本材料の優れたエネルギー吸収特性に結びついている可能性がある．

文献( 1 ) 松原秀彰まてりあ，58(2019), 382386.
( 2 ) B.N. Kim, K. Hiraga, K. Morita and Y. Sakka: Nature, 413(2001), 288
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571.
(18) H. Masuda and E. Sato: Acta Mater., 197(2020), 235252.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

.

お わ

り

2018年 東京大学大学院工学系研究科博士課程修了
2018年 4 月 物質・材料研究機構 若手国際研究センター ICYS 研究員
2019年10月 現職
専門分野結晶性材料の塑性変形機構◎金属およびセラミックス材料における転位，双晶，粒界に由来する塑性変形機構の研究に従事．

に

本稿では，セラミックス材料における塑性変形特性の評価
事例として， YSZ へのナノインデンテーション試験，マイクロピラー圧縮試験の結果を紹介した．セラミックスは亀裂に対して敏感な脆性材料であるものの，それらの結晶に内在★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
増田紘士

新 進 気 鋭巻記念企画
企画にあたって実学講座「金属材料実験の手引き」について
編集チーム

誠1

大塚

中村篤智2

吉年規治3

コンピューターの高速化ならびに解析技術の進歩とともに，材料研究における理論解析の位置付けが大きくなり，その反作用として，実験技術のノウハウを理解する若手が少なくなっています．そこで，本企画の実学講座「金属材料実験の手引き」では，1.
特性の計測評価，3.

組織観察，2.

ケーススタディ 金属材料の作製と調整について，一から学べる令和版の実験手引きを連載いたします．初めて実験を行う若手研究者もしくは初学者にとって“役に立つ”実験手法の基礎・ノウハウを，実験研究のプロが実験技術の視点から記事にしていくシリーズとなります．本掲載は，写真を多く取り入れ，実験時に短時間で視覚的に理解・確認しやすいように執筆しております．
是非，本連載を各実験機器(装置)の脇に常備しておき，作業時に各手順の意味などを確認しながら実験の質向上に役立てていただければと思います．本企画を通じ，会員の皆様の研究の一層の展開，本会と金属材料分野のさらなる発展に繋げられれば，編集チーム一同幸い
です．

大塚

誠

編集チーム1 東北大学多元物質科学研究所 2
2020年12月18日受理[doi:10.2320/materia.60.101]

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan中村篤智

名古屋大学大学院工学研究科

吉年規治

3

東北大学金属材料研究所

巻記念企画

金属材料実験の手引き
1． 組 織 観 察
11

光学顕微鏡を用いた組織観察
山

本

剛

久



 はじめに
金属組織学という学問分野があるように，金属系材料では組織に関する知見を得ることは極めて重要です．その観察手段の一つとして最も身近な方法は光学顕微鏡でしょう．この項目では，金属系材料(セラミック材料などでも構いません
が)に関する卒業論文研究を始めるような初学者を対象として，光学顕微鏡を用いた組織観察方法の初歩の初歩を解説していきます．光学顕微鏡には様々な機種が用意されています．本稿では所属する研究室で触れることが多いと思われる
一般的な反射型(落射型)の正立型光学顕微鏡(金属顕微鏡，
工業用顕微鏡と言われることもあります)を対象とします．
小難しい話はひとまず抜きにしてという読者の方は，

の操作方法(観察の流れ)のところから読まれても構いません．

図1( a )多結晶体の結晶粒組織模式図，( b )粒界エッチング処理を行う前後の表面断面模式図．
組織を観察するためにはコントラストが現れるように試料を前処理する必要があります．例えば，結晶粒径を見るためには，その境界となる結晶粒界にコントラストを与える必要があります．一般的な方法としては，鏡面研磨処理を行った試料表面を腐食して，(b)に示すように結晶粒界を僅かに凹ませる前処理(エッチング処理)を施します．凹んだ箇所では，光が散乱する確率が増加するので，対物レンズへ取り込まれる反射光の強度が減少し，結晶粒内よりも暗く見えるので，結晶粒界が線状に見えるようになります．(明視野観察の場合)

 組織を観察するということに対応します．光学顕微鏡では，コントラストは何で決まる
光学顕微鏡に関わらず組織を観察するときには，目的とすのでしょうか反射型の光学顕微鏡であれば試料表面からのる組織が大よそどんなものであり，そのスケールはどれくら

反射光強度の差，透過型であれば，透過光強度の差に依存しいなのかについて少しは予想できていないと肝心な組織を見ます．ですから，組織を見るためには光の強度に差が生じる

逃すかもしれません．対象が 1 nm 程度なのに，光学顕微鏡

ようにすればいいということになります．傷が暗く見えるので見ようとしてもそれは無理ですよね．光学顕微鏡の分解能

は反射の際に散乱されるためです(後述する暗視野観察の場

は 0.2 mm 程度です．さて，組織が見えるということを考え

合には，逆に明るく見えます)．ただ漫然と光学顕微鏡で眺てみましょう．組織が見えるようにするためには，観察視野めているだけでは，上手く組織を観察することはできませ

中の場所で明るさの違いが無くてはなりません．キズが全くん．試料の適切な前処理が必須です．図を参照してみてくないように単結晶金属を完璧に研磨して，それを光学顕微鏡

ださい．また，試料の前処理については
を参照してくだで見たとします．ただ明るいだけで全く何も見えません．こさい．

の研磨した表面に傷をつけてみます．すると，その傷が見えます．これは，傷が暗く見えているから，線状の像として傷 光学顕微鏡の構造の概略が見えているのです．この明るさの差のことをコントラストと言います．差が大きい場合には，コントラストが高い(強図は落射型光学顕微鏡の外観，図は光路の模式図を示い)と表現します．コントラストが高い像ほどきれいに見えしています．図 2 の機種では，照明光を上方から試料上にる傾向にあります．このコントラストいう言葉と対で使われ照射するので落射型と呼ばれています(対物レンズは下向きるブライトネスは，そのコントラスト全体の強度の高い低いに取り付けられています)．試料から反射してきた光で組織名古屋大学大学院工学研究科教授(〒4648603 名古屋市千種区不老町)
Keywords: optical microscope, microstructure, photomicrograph, stereomicroscope, metallographic structure, aberration, resolution(光学顕微鏡，組織，組織写真，実体顕微鏡，金属組織，収差，分解能)2020年12月17日受理[doi:10.2320/materia.60.102]

実 学 講 座を観察するので反射型とも呼ばれます．特に何も気にしないするように対物レンズとしては100倍程度，総倍率で1000倍

読者であれば，試料をステージにおいて，適当な倍率で観察程度が実用的な倍率の限界です．図 2 に示した光学顕微鏡

して終わりとなっているかもしれません．ステージ移動と対では，明視野・暗視野の切り替え，アナライザー・ポラライ

物レンズの選択とピント合わせだけですね．これでも組織をザーと呼ばれる偏光フィルター，明るさなどを調整するフィ

見ることはできますが，ここで，図 2 をよく見て頂くと，

ルター類，上部には撮影用のカメラなどが各種装備されていそれ以外にも色々なギミックが用意されています(用いています．以降，重要なポイントに絞って少し踏み込んで説明しる機種にもよります)．これらを使うとよりきれいな像を観ていきましょう．

察できたり，思いもしなかった情報が得られたりします．図 試料への照明光

2 と 3 でその構造を見ていきましょう．光源から発せられた

光は，コンデンサー系のレンズ(照射系のレンズ)で整えら
れ，ハーフミラーで光路が曲げられます．その後，対物レン




 ぜひ知っておきたいケーラー照明ズを通過し，試料上へと照射されます．試料の上面で反射しきれいな組織写真を撮影するためには，光を均一に試料上た光は，接眼レンズに向かって鏡筒の中を進んでいきます．

へと照射しなければいけません．光源にはハロゲンランプ

途中で接眼レンズ方向とカメラ方向の切り替えミラーを経(W フィラメント)が用いられています．細い W ワイヤーのて，接眼レンズの方へ向かいます．接眼レンズに入る手前

両端に電圧を印加して加熱することで白熱電球の様に明るくで，両眼に分かれる光路となります．両眼で見ていますが，光らせています．必ずしも，そのフィラメント全体が同じ明一つの光路で試料へ進んでいることに注意ください(後述す

るさとなるわけではありません(後述しますが明るさが違う

る図 11 の実体顕微鏡と比較してみてください)．観察倍率ということは W フィラメントの温度が場所によって違っては，対物レンズと接眼レンズの倍率を掛け合わせた値となりいるということを意味しています)．このムラがある光を何ます．カメラでの撮影時には，カメラの撮影倍率が接眼レンとか均一に試料上へと持っていく必要があります．ケーラー

ズと必ずしも同じ倍率ではないので注意してください．後述

照明法は，均一に光を試料へ照射することができる優れた照明法です(後述するように他にも有意義な特徴があります)．
凸レンズの基本的な機能について図を見て思い出しましょう．凸レンズには二つの焦点位置が存在し，物体側を前焦点，像側を後焦点と呼びます．物体の点 Q から発せられ光軸に平行に進んだ光はレンズで屈折されて後焦点位置で光軸と交わり直進していきます．一方，物体からレンズの中心を通過した光はそのまま直進していきます．この二つが交差したところが，物体から光が発せられた点 Q のレンズによるとなります．いわゆるピントがあった位置という
投影点 Q ′
ことになります．物体において光軸上の点 P から発せられた光は，像の対応する位置である光軸上の点 P ′へと集光さ

図 2 光学顕微鏡の外観(落射照明と透過照明仕様)．
仕様は機種によりますので，一度は自身が使用している光学顕微鏡で確認してください．

図 3 光学顕微鏡の光路模式図．
赤太線は照射光，青太破線は反射光，青実線は接眼レンズへの光路をそれぞれ示しています．図 2 と比較してみてください．詳細な構造は用いている機種によって異なります．図中の照明光と反射光は横に平行にずれているように記載していますが，実際は同一の光路で入射し反射しています(明視野観察の場合)．

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
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れます．この関係を覚えておきましょう．では，図を見て

図 4 凸レンズの作用．
物体上の点 Q から光軸に平行にレンズに入射した光はレンズの後焦点を通り直進し，レンズの中心に入射した光はそのまま
が点 Q の投影位置となります．
直進し，両者が交差する点 Q′に投影されています． a はレンズから物体まで
点 P は，点 P ′の距離， b はレンズから像までの距離， f はレンズの焦点距離
1

1

1

b

を表しています． ＋ ＝ の関係となり，また，倍率は とな
a
a b f
ります．







 視野絞りと開口絞り顕微鏡をのぞいて実際に見ている領域を実視野と言います．この実視野以外のところに光が当たっていると，ノイズとなって像の質が低下します．不必要なところに無駄に光をあてる必要はありません．この大きさを調整するのが視野絞りです．実際に大きく絞ってみましょう．接眼レンズから覗いていると絞りの影が視野内に現れてくるのが分かります．
観察している領域(実視野)の大きさに合うよう絞りの径を調整しましょう(実視野の外周よりもほんの少し外側です)．ち
図 5 ケーラー照明の模式図．
左側レンズ L1 の像面位置に，右側レンズ L2 の前焦点位置が位置しています．W フィラメントの光軸上の点 P から発せられた赤線で示す光は，レンズ L1 で光軸上へ投影されます．その位置はレンズ L2 の前焦点位置にあるので， L2 によって平行に試料へ投影されます．同様に， W フィラメント上の各点から発せられた光は，平行光となって，広がって試料上へ投影されます．例えば， W フィラメントの点 Q から発せられた光を確認してください．図中に示した視野絞り，開口絞りの位置関係も確認してみましょう．視野絞りを狭くする(絞る)と試料上に照射される領域が小さくなります．開口絞りを絞ると，その位置に投影されている W フィラメントの像の範囲が制限されることが分かります．図は照射光に関する模式図を示しています．実際には，レンズ L2 と試料の間に対物レンズが位置しています．開口絞りの径(絞りの度合い)は，開き角を変化させます．

なみに，絞り込んだ時に，絞りで作られる小さな穴の位置
が，視野の真ん中に正しく来るように調整されていることが必要です．この調整法は機種にもよりますが，絞りの位置を機械的に調整する(視野の中心に持っていく)ネジがあるはずです．一度確認してみてください．
次に，開口絞りをいじってみます．開口絞りは後述する開き角を変える役割を担っています．開き角は大きいほど分解能が高くなります．ところが，それ以外にも以下に述べるような効果も表れます．この絞りを絞り込むと像はどう変化するでしょうか絞り込むと，像のコントラストが高くなってきませんか広げてみましょう．今度はコントラストが低くなります．厳密には違うのですが，この絞りを使うと表面の傷を見にくくすることもできます．金属試料を観察する時にみましょう．図 5 は，ケーラー照明の原理を模式的に示しは，多くの場合，研磨を行っていますよね．この時にどうしています．機種にもよりますが，基本的には二つのレンズがても傷が残ってしまうことがあります．開口絞りを絞り込ん組み合わされた光学系で構成されます．レンズが配置していでいるとコントラストが高くなるとともに，実は被写界深度る位置に注目してください．一つ目の左側のレンズ L1 で Wも深く(大きく)なります．被写界深度は，試料の上下方向にフィラメントが投影される位置(像の位置)が，二つ目の右側

どれくらいの範囲でピントが合っているように見えるかに対のレンズ L2 の前焦点位置と一致するように配置されていま応する大きさです(次項で説明します)．被写界深度が深いとす． W フィラメントの光軸上の点 P から発せられた光は，試料表面の傷もよく見える(目立つ)ようになってしまうので

赤実線で示した光路を進んで，光軸上の一点に集光します．

す．厳密にいうと，開口絞りの径は用いている対物レンズでこの位置は上述したように二つ目のレンズ L2 の前焦点位置決まりますが，応用としてここに述べたような使い方もできですから，集光された光は二つ目のレンズ L2 で平行光となます．コントラストと分解能の兼ね合いをつけて，少し調整って試料へ照射していきます．W フィラメントの点 Q からする癖をつけてみましょう．

発せられた光は，緑線を進んで L2 の前焦点位置に描かれて前項でケーラー照明について説明しました．この照明法

いる矢印の先端に集光されます．同様にこの集光された光はは，試料に均一な光を照射すること，絞りを用いて視野の制レンズ L2 によって平行に試料へ照射されます．このように

限や照明光の明るさを個別に調整することができること，をW フィラメント上の光全ては試料上に平行に重なって照射実現できる素晴らしい方法なのです．

されることとなります(試料上への入射角度は異なります
が)．つまり，W フィラメント上で光にムラが存在しても，




 被写界深度と低倍観察時のピンボケの話

一点，一点からの光が広がってすべて重なるように試料上へ高い倍率で像を撮影するときには，振動やピンボケ(焦点照射されるので，そのムラが無くなるということになります．

はずれ)に自然と注意しますよね．このピンボケをちょっとケーラー照明の利点はこれだけではありません．図中には考えてみましょう．レンズの光線図を見ると，ピントの位置

二つの絞りが描かれています．図 2, 3 にも同様にこれら二は厳密に決まっているはずです(図 4)．ところが，我々の目

つ の 絞 り が 描 か れ て い ま す ． そ れ ぞ れ は 視 野 絞 り ( Field

で像を見た時にピントがわずかにずれていてもピントがずれstop)，開口絞り(Aperture stop)，と呼称されている絞りでていないように見える範囲が存在します(図)．これを被写す．組織を観察する時には，これらの絞りの調整が必要で界深度と言います(物面側での深度のことを被写界深度，像す．視野絞りは不必要な箇所からの光をカットするため，開面側を焦点深度と言います)．高倍の場合には試料上に照射

口絞りは投影される像の分解能とコントラストに関係します

される光の角度が大きくなるために，この被写界深度は小さ(厳密には明るさも)．

くなります．ですので，試料ステージを僅かにずらしても，ピントがボヤっとずれるのがすぐわかります．低倍の時には，照射角度が小さくなるために，この被写界深度が深くな

実 学 講 座

図7

対物レンズと試料の配置，および，明視野・暗視野観察の模式図．
ピントが合っているときの対物レンズから試料までの距離を作
動距離，レボルバーの下面から試料までの距離を同焦点距離といいます．暗視野観察は，対物レンズの外周から照明光を落射させて試料に対して斜めから照射します．傷などの凸凹や細い線状の物体などが見えやすくなります．

から試料上に収束する角度(開き角)です．分解能を高く(式( 1 )では左辺の d が小さい)するためには，ここでは l は一
図 6 被写界深度の例．
( a )絞りを開放(径を広げています)，(b ) 絞りを絞っている(径を小さくしています)
ここでは一眼カメラを用いてキーボードを斜め上方向から撮影した例で示しています．絞りは，開口絞りに相当します．絞り
込むと，ピントが合っている奥行きが増加しています．この状
態は，光学顕微鏡の試料観察での表面キズや凹凸がよく見えている状態に相当します．

定なので，屈折率を大きくするか，開き角を大きくします．
このことから， n sin u が分解能を表す指標の一つとなることが分かります．この n sin u は，開口数( Numerical aperture，NA)と呼ばれ，対物レンズの分解能を表す値の一つとして用いられています．NA 値が大きいほど分解能が高いレンズということになります．今ではあまり用いられていませんが，屈折率をより大きくするために，試料上面に油を垂らして対物レンズ面をその油に含浸させて観察する方法もありってしまいます．つまり，ステージを僅かに動かしてもピンました(含浸レンズと言います)．対物レンズの性能に影響す

トの変化が分かりにくいのです．ピントが合っていると思っる収差は他にもあります．後述の収差を参照ください．

て像を撮影しても，その写真を見るとボヤっとした像になっていたということが低倍撮影ではしばしば生じます．コツと

以下，対物レンズに関して知っておくべき項目を説明します．

しては開口絞りを広げて，ステージを動かしてピントを合わ

作動距離( Working distance: WD )図に示すようにせたのちに，その絞りを適正な位置まで少し絞り込むとピン対物レンズ先端からピントが合った時の試料面までの距離のトを合わせやすいかもしれません．

ことを指します．この距離が短いと式( 1 )で示すように開口数が大きくなりますから分解能が高いレンズということに 対物レンズなりますね(レンズ構成にも依存しますが)．高倍のレンズほど試料を近づけて観察した経験があるかと思います．100倍

図 4 で点 P から発せられた光がレンズで点 P ′に投影されの対物レンズで 1 mm 程度の作動距離でした．不慣れな場合る時には，レンズの外側を通過した光と光軸に近い位置を通にはレンズを試料にぶつけてしまうことがあり，非常に危険

過した光が集光してきます(点 P から発せられる光は図 4 にです．そこで，最近ではこの作動距離が長い長作動レンズがおいて赤線で描いた光だけではありません．レンズに入るこ

一般的に使われるようになってきました．作動距離が長くてとができる範囲内の光となります)．これらの光は，レンズもうまくレンズ群が工夫されて，高い分解能が確保されていに入射する角度によって進行する距離が異なりますから，集ます．倍率にもよりますが作動距離が 10 mm 以上の対物レ

で位相が異なり，その結果，互いに干渉する
光される点 P ′ンズも用意されています．レンズを選択する機会があるときこととなります．この干渉によって，点 P から発せられたには一度確認してみましょう．

光である点光源は，円環状に投影されます．投影される像が

レボルバーの回転と対物レンズ先端の位置対物レンズ

ボケることになります．このボケを与える要因のことを収差の長さと作動距離を合計した長さを同焦点距離と呼びます．

といい，ここで述べた収差のことを回折収差と言います．回

レボルバーに設置されている対物レンズの種類によってこの折収差は，分解能に大きく影響します．回折収差に起因する

同焦点距離は変化します．同焦点距離を予め確認しておかな

分解能 d は，

いと，観察しているときに無意識にレボルバーを回転させた

d＝0.612ln sin u(1)で表されます． l は波長， n はレンズの屈折率， u はレンズ

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ときに対物レンズを試料にぶつけてしまうことになるかもしれません．全ての対物レンズでピントを合わせてステージの高さ位置との関係を予め知っておくことが事故を防ぐために図 8 (a)明視野像と(b)暗視野像の例．
試料は不織布の紙を使っていますので，被写界深度から外れてぼやけている部分が見えます．暗視野像では細かい繊維が見やすくなっていることが分かります．

必要です．
明視野観察(BF)と暗視野観察(DF)普段意識せずに使

図 9 接眼レンズ．
両眼のレンズの間隔は矢印 A のように動かすことで調整できます．また，視度は，矢印 B で調整できます．

用している観察方法は明視野法です．これは，試料表面に光を照射して反射してきた光をそのままレンズに取り込んで観察しています．つまり，反射面がレンズ方向に向いている個 接眼レンズ

所ほど明るく見えるということになります．これに対して，
暗視野観察では光を円環状に試料へ照射(試料に対して斜め図は接眼レンズを示しています．接眼レンズの倍率と用方向)して観察します．大雑把に述べると，表面から傾いていている対物レンズの倍率の積が観察倍率となります．実視いる個所からの反射光が，よりレンズ方向へと進みやすくな

野の大きさに関わる視野数(接眼レンズで見ることができる

りますから，明るく見えるようになるということになりま

範囲．この値が大きいほど見える範囲が広がります)や観察

す．表面のキズなどの凹凸を強調して観察することができま

時の目の位置(接眼レンズから観察位置までの距離アイポ

す．観察には，円環状に光を照射できる照明機構と，その光

イント)など接眼レンズにも様々な種類が用意されていまを外周部から試料上へ照射できる機能が付加されている対物

す．接眼レンズの横に表記されているので興味があれば一度レンズが必要となります．図 2 ではこの BF/DF 切り替えレ

確認してみるといいでしょう．ところで，接眼レンズの調整

バーが見えます．図に明視野，暗視野像の一例を示します

は観察時の目の疲労に関わります．図に示すように二つの接ので参照してください．

眼レンズの間隔を両眼の幅に合うよう調整し，視度も適切に

収差光が収束(レンズに入射する光束が制限)して干渉調整しましょう(
の操作方法(観察の流れ)の項を参することで生じる回折収差(前述)は，光学顕微鏡の分解能を照)．観察時にスケールや方眼などを視野中に表示できるレ

制限する一つの要因であることを述べました．これ以外の収クチルを設置することもできます．

差として，球面レンズが有しているザイデル収差(広義の球面収差)と光の波長の違いに起因する色収差などが像の分解 試料ステージ能に影響します．ザイデル収差は，狭義の球面収差，コマ収
差，非点収差，像面湾曲収差，歪曲収差の 5 種類に分類さ試料ステージはピントを合わせるときの上下移動，試料位れます．これらの収差は，凸レンズと凹レンズで正負の値を置を変更するための XY 移動，特殊なものでは回転させる持つので，多くの対物レンズでは凸レンズと凹レンズとが組機能を有しているものもあります．普段特に意識せずに使用

み合わされてこれらの収差が補正されています．現在では球しているかと思いますが，便利な機能もあります．ステージ

面収差は補正されており，さらに，プランタイプの対物レンの上下駆動ダイヤルのところに目盛が付されている機種であ

ズでは，それ以外の収差も補正されています．一方，色収差

れば，ステージの高さ位置を，そこから読み取ることができは屈折率が波長に依存していることが原因で現れます．太陽ます．この目盛を活用すると，試料上の凸凹の高さを大よそ

光をプリズムにあてると虹色に分かれて光が進行するのと同見積もることも可能です(図 2 を参照してください)．このじ要因です．白色光を用いるとピントの位置がその色によっ時には，できるだけ高倍の対物レンズを使い，開口絞りを開て変化するため，像がボケることとなります．対物レンズに放にした状態でピント位置を記録してください．

はこの色収差をできるだけ補正できるよう工夫されたものが用意されています．色収差をどの程度(どの波長)まで補正できるかによって，アクロマートタイプ(赤と青を補正)，アポ
クロマートタイプ(赤と青(アクロマート)と紫を補正)，フル
オリート(アクロマートとアポクロマートで補正する波長のさらに中間程度の波長まで補正)など各種用意されています．



 その他



 フィルターの役割
主に試料へ照射する光の強度や色温度を調整します．設置
されている箇所は光源の近くです(図 2 を参照してください)．ひとまず試料を観察したい場合には特に問題となりませんが，組織写真を正しく撮影するときには，照射する光の質に注意を払う必要があります．出力を変更すると光源であ

実 学 講 座る W フィラメントの温度が変わるため，照射光の波長分布(直交ニコル)と呼びます．試料が光学的等方体の場合には，が変わります(色温度と表現します)．この波長分布を自然光

ポラライザーによって直線偏光がかけられた光が試料上で反に近い分布に調整するのが色温度調整フィルター(LBD フィ

射しても，その偏光方向は変化しません．従って，クロスニ

ルター)です．W フィラメントの波長分布を，色温度調整フ

コルの状態では反射光は，その方向と直角に設置されたアナィルターで調整できる範囲とするために， W フィラメント

ライザーを通過できなくなります．この試料中に光学的異方の電圧を規定値にします．多くの場合，規定値に合わせるた体のものが含まれている場合には，その箇所からの反射光にめのスイッチが装備されていますので，使っている光学顕微は偏光が生じているので，アナライザーを通過する成分が生

鏡の操作方法マニュアルを確認してみてください．また，こじ，明るく見えることとなります．図 2 は XY ステージとの状態で試料を観察すると，金属系試料では往々にして明るなっていますが，偏光フィル―ターと回転ステージを組み合すぎてハレーションを起こすことがあります．これを減光すわせる場合もあります．

るためのフィルターが減光フィルター( ND フィルター)です．もちろん，この目的以外にも減光することが必要あれば

 実体顕微鏡と光学顕微鏡の違い

随時使用してください．
 偏光フィルター(ポラライザーとアナライザー)

図は実体顕微鏡の外観です．実体顕微鏡はその名の通り
試料を立体的に観察することができます．これまで述べてき一定方向のみの偏光成分を透過(光を直線偏光させる)する

た光学顕微鏡との違いは，実体顕微鏡では両眼視差(それぞフィルターです．図を参照ください．照射系に設置されてれの目で観察する角度)が維持されていることです．図11にいるのがポラライザー(偏光子)，試料からの反射光が接眼レ示すように，接眼レンズからの光軸は両眼ともに用意されてンズへ向かう光路に設置されているのがアナライザー(検光いる(光軸が二つ)ことが光学顕微鏡との大きな違いです．二子)と呼称されます．互いの回転角度が調整できるようになつの光軸で物を見るのでどうしても分解能が制限されてしまっています．立方晶系の場合には，光学軸に対する偏光方向います．ただし，被写界深度も深く，両眼視差が維持されてに変化は生じません(光学的等方体)が，それ以外の結晶系でいるので，物体を立体的に捉えられる大きな利点を有していは，偏光方向が異なる 2 つの反射光に分かれます(光学的異ます．実体顕微鏡の倍率の変更は，レンズの移動を使ったズ

方体)．これを複屈折を起こすと表現します．偏光フィルタ

ーム投影で行っています．対物レンズを入れ替えて変更してーを用いると，この光学的等方体と異方体とを区別することいません．倍率を変更するとピントが僅かにずれる場合があができたり，光学的異方体の結晶軸方向などの情報を得ることができます．例えば，偏光フィルターを互いに直角となる
ように回転角度を調整します．この状態を，クロスニコル

図 10

偏光フィルター(ポラライザーとアナライザー)の作
用．(図は透過型光学顕微鏡で示しています)．
偏光フィルターは一定方向の偏向成分を通過させます．図は，右側のブロック矢印方向から照明光が入射しています．照明光
は，ポラライザーで直進偏向の光となります(図中の矢印)．試料が光学的等方体の場合には，ポラライザーで直線偏光となった照明光の偏光成分は，変化せずにそのまま試料を透過して進行します．光学的異方体の場合には，偏向成分が変化して図中の矢印方向が回転して進行します．例えば，ポラライザーとアナライザーの偏光方向を直角(直交ニコル)とすると，光学的等方体の場合の透過光は，アナライザーを通過できる偏光成分を有していないので，通過する光の強度は無くなります(暗くなります)．図は透過光で示していますが，反射タイプの光学顕微鏡では，試料から反射した光がアナライザーへ向かうこととなります(図 3 を参照)．いずれも考え方は同じです．

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図11 実体顕微鏡の例．
図中に示すように，実体顕微鏡の場合には視野角を維持した 2つの(両眼それぞれの)光軸を有していることが特徴です．視野角を維持したまま物体を観察できるので，物体を立体的に見ることができます．




図 12

ピント位置になるステージ高さ位置を大まかに知る方
法の例．( a )ピントが大きくずれている状態，( b )おおよそピントが合っている状態
ステージにコインなどを置きます．ステージを下げた状態から高さを上げていくと，コイン上の照射半径が小さくなって，再び大きくなるのが分かります．最も小さく見えるステージの高さ位置が，大よそピント位置に近い状態です． 10 倍以上の対物レンズの方が，この変化が分かりやすいと思います．一度，全ての対物レンズで確認しておくと，レボルバーを不意に回転させてしまった時に生じやすい事故を防げます．

りますので，その都度ピントを合わせる必要があることを覚
えておきましょう．

 観察の流れ

図 13

試料上面(撮影面)をステージ面に対して平行にする方法の一例．
スライドガラスなどの上に粘土を少量置き，その上に試料を置きます．そして，図中 A のノブを下方へ静かに押していきます．試料に触れる治具の面が汚れていないかに十分注意することが必要です．汚染防止のために，例えば，試料上面に濾紙な
どのきれいな紙を一枚入れ込んで，押し込んでいきます(下図参照)．観察面を確実にステージ表面に対して平行に設置することは非常に重要です．

この項では組織写真を撮影するまでの流れを説明していきます．試料の前処理については，で説明される組織観察

確認してください．次に，それぞれのピントの位置を調整しのための試料調整を参照してください．

ます(図 9 の矢印 B )．矢印 B を回すと(接眼レンズを回す

光学顕微鏡の調整まず初めに接眼レンズ・カメラ切りと)，その回転に合わせて接眼レンズが手前や奥に僅かに移替えレバーを接眼レンズ方向へ移動し，各絞りの開放，各種動するのが分かるかと思います．まず，片方の目だけを使っフィルター位置の確認などをしてください．ポラライザーとて，コインにピントが合うようステージの高さを調整しま

アナライザーが装着されている場合には，回転角度が平行にす．その後，ステージの高さはそのままにして，もう片方のなっていることを確認してください．直角位置にセットされ目だけを使って，接眼レンズを回転させて調整し，コインにていると，反射光が見えない場合があります．次に，ステー

ピントが合うように確認してください．接眼レンズ内にスケジを下げて，一時的に利用できる適当な物，例えば，コインールなどが設置されている場合には，少し方法が変わりまなどを置きます．レボルバーを回転させて低倍の対物レンズ

す．まず，そのスケールがどちらの接眼レンズ内に設置されをセットします．照明のスイッチを入れて，適当な明るさにているかを，それぞれの目で確認します．接眼レンズの位置調整します．するとコイン上に照明光が見えます(図参が大きくずれているときには，見えないこともありますの

照)．ステージを横から見ながら対物レンズ近くまでステー

で，注意してください．スケールが設置されている方の接眼

ジをゆっくりと上げてみてください．この時，コイン上の照レンズを回転させて，そのスケールがはっきりと確認できる

明光の半径は，ステージの上下動とともに変化するのが見えように調整します．その後，ステージを微調整してコインにます．ステージを上方へ移動させると，半径が小さくなり，

ピントを合わせます．この後は，上述した方法で，もう一方

再び増加する様子が分かります．最も小さくなったときのスの接眼レンズの位置を調整します．

テージ高さ位置が，用いている対物レンズのピント位置近傍

試料の観察ピント合わせは，ステージを下げる方向でです．この時のステージの高さ位置と対物レンズ先端からコ行う癖をつけましょう．図 12 を参照し，用いている対物レ

インまでの距離を大よそ記憶しておきましょう．また，装着

ンズでのピント近傍位置を確認して，さらにそれよりも，やされている全ての対物レンズで同様に確認しておきましょや上方へステージ位置を上げておきます．常に下げる方向でう．レボルバーを回転させて対物レンズを切り替えるときのステージを動かすようにしておけば，試料を対物レンズにぶ事故を防げます．

つける心配がなくなります．試料上面はステージ面と平行に

接眼レンズの調整接眼レンズの幅を両眼の幅に合わせなるよう注意します．この時に，図に示すような治具を使ます(図 9 の矢印 A の調整で両眼の幅に合わせます)．最初って，予め試料上面がステージに対して平行となるように調は戸惑いますが，両眼で見えるように慣れてください．調整

整しておくことが必要です．平行でない場合には，視野全体できたと思ったら，片目ずつそれぞれ視野が見えているかをでピントが合わない像となってしまいます(像中の一か所を

実 学 講 座

強調したい時に，故意にこのような像を撮影する時もありま おわりにすが)．試料上面に大きな凸凹があるような場合には，予め，レボルバーを回転させたときに試料との間隔がどうなるかを確認しておくと事故を防げます．低倍から観察を開始す

光学顕微鏡を使用する上で知っておくと便利な基本的な事るのがいいでしょう．試料を広範囲で確認しておくことは必項について説明しました．今では簡単にインターネットを使

要です．筆者の場合には，大抵，実体顕微鏡を使用してまずって情報を手に入れることができます．この説明でさらに知試料の状態を見ておきます．低倍での観察で大まかに確認しりたいことがあれば積極的に調べてみましょう．組織写真がた後は，適切な倍率で知りたい情報を観察していきましょ

格段にきれいになりますよ．光学機器メーカーの Web サイ

う．この時に，ステージ高さをそのままにして，不意にレボ

トには非常に参考になる解説がふんだんに掲載されていまルバーを回転させてしまうこともありますが，要注意です．

す．ぜひ，ご覧ください．

レボルバーに設置されている対物レンズの同焦点距離(作動文

距離＋対物レンズの長さ)が同じであればいいのですが，そ献うではない場合には事故のもとです．注意しましょう．また，対物レンズを直接掴んで回転させたり，レンズ部分に触示できる機種もあります)がある場合には，適正な範囲内に

 光学顕微鏡に関する情報や解説を読みたいとき光学顕微鏡メ◯ーカーの Web ページコンテンツに解説が掲載されています．非常に参考になります．
株 Web コン テンツ 内の 顕微 鏡を 学ぶ ， https: //( 1 ) オリ ンパ ス
www.olympusims.com/ja/microscope/terms/(令和 2 年度の時点での情報)株 ニコンソリューションズ Web コンテンツ内の顕微鏡の基礎(2) 
知 識 ， https: // www.nsl.nikon.com / jpn / learn know / microscopeabc (令和 2 年度の時点での情報)( 3 ) Leica Microsystems Web コンテンツ内の顕微鏡基礎知識，
https: // xlab.leica microsystems.com / blog / tag / microscope 
basics (令和 2 年度の時点での情報)
 下記は生物系試料に関する内容ですが，参考になります．
◯( 4 ) 稲沢譲治，津田 均，小島清嗣顕微鏡フル活用術イラスト
レイテッド―基礎から応用まで(細胞工学別冊―目で見る実験
ノートシリーズ)，学研メディカル秀潤社，( 2000 ) , ISBN 
10 : 4879622249( 5 ) 野島 博顕微鏡の使い方ノート―はじめての観察からイメージングの応用まで(無敵のバイオテクニカルシリーズ)，羊土社，(2011), ISBN13 : 9784897069302( 6 ) 伊東丈夫光学顕微鏡写真撮影法―基礎と効果的な観察・記録法の実際，学際企画，(1999), ISBN
13 : 9784906514311
 光学に関するさらに詳しい内容を知りたいとき◯( 7 ) 顕微鏡のすべて，井上 勤 監修，地人書館，(1997), ISBN
13 : 9784805205655( 8 ) 新井敏弘，平井正光光工学入門，講談社サイエンティフィ
ック，(1999), ISBN 9784
061532397( 9 ) 光学のすすめ―見て・触って・考える，「光学のすすめ」編集
委 員 会 編 ， オ プ ト ロ ニ ク ス 社 ， ( 2006 ) , ISBN 13 : 978 
4900474642
 光学について本格的に学びたいとき◯(10) 左貝潤一光学の基礎，コロナ社，(1997), ISBN13 : 9784339006803

収まっているかを確認してください．レベルモニターの強度★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

れることは厳禁です．
画質の調整絞りやフィルターを動かしてみて目的とする組織がきっちりと観察できるように調整してみましょう．
視野絞りは実視野の範囲まで絞り込み，開口絞りは開き角を変えながら像のコントラストなどが適切になるように調整してみてください．
ピント位置の微調整開口絞りを開放にしてピントを合わせます．そのあとに，少しだけ絞るようにすると大きなピント外れを防ぐことができます．
撮影照明光の色温度を規定値にするスイッチを押します．この時に明るすぎる場合には減光フィルターを挿入します．カラー写真であれば色温度を調整するフィルターも挿入
しましょう．あとは，カメラのモニターを見ながら視野を決めて，ピントを再度微調整して撮影すれば終了です．撮影時にカメラで記録される倍率は，観察時に用いた倍率(対物レンズと接眼レンズの倍率の積)と，多くの場合，異なっているので注意してください．撮影像上での倍率を確認するようにしてください．確認は，ステージ上にスケールなどを設置
して，一度撮影してみるのが確実な方法です．なお，組織写
真を整えるときには，倍率表記ではなく，スケールでの表記を心がけてください．なお，使用しているカメラにレベルモ
ニター(強度の分布．カラーの場合には赤，青，緑ごとに表

1989年 東京大学大学院工学系研究科修士課程修了
1997年 博士(工学)取得
2011年 6 月 現職
専門分野セラミック材料学◎セラミック材料の焼結・組織・機能制御や，結晶粒界・界面の原子構造・電子状態制御・解析に関する研究に従事．

範囲内で広く分布していて，最大値が飽和していないことが必要です．調整は，減光フィルターを用いるか，白黒写真の場合には照明光の明るさを変えてしまっても構いません．
終了時フィルターなどをもとに戻すことも必要です★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

が，一番大事なことは，ステージを大きく下げて，低倍の対物レンズにしておくことです．事故を防げますよ．

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan

山本剛久




次世代 Pb フリー快削黄銅「グローブラス」の開発
大石恵一郎 後 藤 弘 樹1
) 須 崎 孝 一2
)

銅合金のグローバルマテリアルとしての地位を築きつつあ.

開 発 の 背 景る．一方で， JIS 規格に登録されている Pb 含有黄銅棒は 10
種類以上あり，エコブラスひとつですべてをカバーするのは近年，ひとや環境に影響を与えないよう，有害物質である

難しいと思われる．今後の動向は不明であるが，ひとや環境

Pb の排除が様々な分野で進められ，米国では2014年から飲に大きな負荷を与える有害物質が排除される方向にあり(3)，

料水器具に含まれる Pb の量が，加重平均で0.25以下に規新しいタイプの Pb フリー銅合金の開発が望まれている．

制(S.3874(米国安全飲料水法))されている．
欧州では， 2006 年から電気・電子製品に使用される素材

.

合金開発の考え方・進め方の Pb の量を 0.1 以下にする規制( RoHS 指令(1) )が施行さ
れ，自動車部品についても，RoHS 指令と連動した ELV 指エコブラスは， a 相と， Si リッチな k 相，少量の g 相で令(2)が施行されている．その中で代替材料がないという理由構成され，良好な被削性を有し， Pb を 3 含有する黄銅，で，快削性銅合金に含まれる Pb の適用が除外され， 4 ま

JIS C3604(Pb 黄銅という)に比べ約 1.4倍の強度，優れた耐で Pb を含有できている．被削性は Pb の量に依存するの摩耗性，耐脱亜鉛腐食性，耐応力腐食割れ性を備えるが，Siで，多量の Pb を含む銅合金の被削性は非常に優れる．2016

を 3含有するので導電率が約 8IACS であり，Cu 含有量

年にこれらの適用除外の期限を迎え，技術コンサルタント

が約 76と高い．ところで，Pb 黄銅を旋削すると，図に( Oeko Institut )に よる評価 ・検討 が行われ ，最終的 には示すように，切屑は針状で，厚みの薄いせん断型切屑を生成

2021年 7 月まで適用除外が延長された． 2016年の RoHS おし，切削抵抗も低い． Pb 黄銅は表面品質に問題がなく，一よび ELV 最終報告書の中で，注目される記述を見つけるこ

昼夜，無人で工具の取り換えがなく，多量に発生する切屑がとができる．1 つは，「エコブラス(76Cu3Si0.1P残 Zn)のトラブルなしに処理されてきた．

使用に関する制約は，今後数年で克服される可能性があ

合金開発の考え方として，エコブラスとは異なり， Pb 黄る」，および「エコブラスの機械加工条件を調整するには時銅と大よそ同じ Cu 濃度約60，同じ金属組織，a 相と b 相間がかかるかもしれないが，少なくとも一部の用途では基本で構成され，切削時に厚みの薄いせん断型切屑を生成させる的に克服できるものと思われる」の記載内容(要約)であり，ことを目指した．

もう 1 つは「 Bi を含む銅合金は，入手可能な鉛フリー材と黄銅の b 相は， a 相より被削性に勝り， Pb 黄銅の被削性してリストアップされているが， Bi の抱えるいくつかの問にも b 相は貢献している．そこでまず，b 黄銅の切削挙動を題点から評価試験の対象外とする」であった．

把握し，b 黄銅の被削性を大幅改善する．次に切屑の分断性

エコブラスは， 2017 年に日米欧で合わせて 4 万トン生産
され，2019年には累計生産量が30万トンを超え，Pb フリーを向上させるために，切削時応力集中源になる微細な化合物
を均一に分散させることで臨んだ．b 相の被削性の改善に Siの添加を選択した．黄銅は積層欠陥エネルギーが低く，黄銅への Si の添加は，さらに積層欠陥エネルギーを低くすると

三菱マテリアル株式会社 高機能製品カンパニー顧問
三菱マテリアル株式会社 三宝製作所 開発部1)係長 2)副技
術主幹
Development of Nextgeneration Pbfree, Freecutting Brass``GloBrass''; Keiichiro Oishi, Hiroki Goto and Koichi Suzaki(Mitsubishi Materials Corporation)
2020年10月28日受理[doi:10.2320/materia.60.110]



推測され，同時にもたらされる固溶強化が転位の運動を阻害
し，切削時，せん断型切屑の生成を促すことが期待された．
微細な化合物の生成には少量の P の含有を選択した．熱間
加工中，P は固溶し，熱間加工性に影響を与えず，冷却過程
で約 2 mm の P 化合物が均一に析出する．

新技術・新製品

図1

Pb 黄銅の切屑外観(a)と断面(b)．

図3

図2

a 黄銅， 1Si 入り a＋50b 黄銅，1Si 入り b 黄銅，
Pb 黄銅の切削抵抗．

.

開発合金の特徴と諸特性



被削性向上の過程

 の各合金の旋盤外周切削時の切屑の外
図 2 における◯◯観と断面．

図は a 黄銅を出発点とした開発過程を示す合金の概略図であり，Si 濃度と切削抵抗(主分力，送り分力，背分力の

図4

開発合金の金属組織．

合力)の関係を示す．図に各熱間押出合金の切屑外観と切屑の断面を示す．切削条件は Pb 黄銅と同じ条件である．

表1 )は，厚みの厚い流れ型切屑を示す． b 黄銅(◯
)a 黄銅(◯

開発合金の代表化学成分(mass)．

は，切屑処理に厄介なもつれた切屑であるが，a 黄銅より約25 切削抵抗が低い．そして切屑厚みの変動が大きいが，切削断面の表面はせん断形状を示し，安定したせん断型切屑が生成できれば良好な被削性を保有できる可能性が示唆され
 )，切屑は所々で分断
た．b 黄銅に Si を 1含有させると(◯成功した．切削抵抗は， Pb 黄銅に比べ約30高い値を示す

され，厚みの変動が少ないせん断型切屑が安定して得られるが，これは切削抵抗が材料のせん断応力と切屑厚みの積と深ようになる．結果，a 黄銅に比べ切削抵抗，切屑厚みともにい関係にあり，開発合金は，Pb 黄銅に比べ約1.3倍高い強度

大きく低下する．

を有するためと考える．

次に b 黄銅は延性に乏しため，a 相を面積率で50含む黄 ，58Cu
銅(◯
42Zn，50b 黄銅)を検討した．50b 黄銅の切屑

組成および金属組織

は，流れ型であるが，a 黄銅より切削抵抗が10以上低く，

表に開発合金の代表組成を示す．また図に開発合金の )は，切屑厚みが約20薄い．Si を 1含有する 50b 黄銅(◯

金属組織を示す．面積率約 45 の b 相と， b 相内に約 2 mm

Si 無添加の 50b 黄銅に比べ，切屑のせん断が明瞭になり，の粒状の P 化合物が観察される． Si によって被削性が飛躍

切削抵抗，切屑厚みが，いずれも約 40 減少する．但し，的に高められた b 相と，均一に分散して存在する P 化合物

1  Si 50b 黄銅は， Pb 黄銅に比べ，切屑の分断が不十分でが切削時に応力集中源となり，厚みの薄いせん断型切屑を生まだ切削抵抗も高い．そこでさらに P を 0.07 含有させる

成し，切屑が細かく分断される．

 ，開発合金)，P の効果により切屑厚みが薄く，切屑がと(◯細かく分断されるようになる．このように本開発合金は，Pb 黄銅とほぼ同じ厚みのせん断型切屑を生成させることに

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan

切削表面粗さ図に開発合金の送りと表面粗さの関係，切削面の状況を




図5

開発合金の表面粗さ，送り0.05 mm/rev の表面状態．

図7

図6

切削加工例(a)外観，(b)外周切削時の切屑．

開発合金の熱間変形抵抗と熱間変形能．

表2

開発合金の諸特性．

示す．せん断型切屑が生成すると，切削抵抗が変動し，表面粗さが悪くなると言われている．開発合金は，おおよそ送り0.1 mm/rev まで理論表面粗さが得られ，Pb 黄銅よりも良好な切削面を示す．図 3 の切屑断面から，開発合金は厚みが一定で規則的なせん断型切屑が生成され， Pb 等の軟質物質

織の調整により，良好な被削性を備えた「グローブラス」のを含まないことにより，理論粗さに近い表面を得ることがで開発に成功した．エコブラスとは組成，金属組織，諸性質できている．

異なる，新しいタイプの Pb フリー快削黄銅である．またグ




切削加工例

図に商用切削加工機を用いた開発合金の切削加工例を示す．概ね Pb 黄銅と同じ切削条件であるが，外周切削，ドリローブラスは，Pb 黄銅より強度が高く，比重が小さいので，
Pb の排除だけでなく，電気・電子・自動車部品の小型化や軽量化に貢献できる次世代 Pb フリー快削黄銅である．
エコブラスと併用することにより，より一層 Pb 黄銅の代

ル，ねじ切り，エンドミル，ローレット加工等，良好な切削替が可能となり，ひとが直接摂取する飲料水分野を始め，加工ができており，また切屑処理性に問題はない．

RoHS ， ELV 規制に直面する電気・電子部品，自動車部品



機械的性質および物理的性質

表に加工率 8で抽伸した q20 mm の開発合金棒の特性を含め，多くの産業分野で幅広い展開を見込んでいる．

.

特

許

を示す．開発合金は，Pb 黄銅に比べ約1.3倍の強度を備え，比重は 0.2 g cm－3 小さく，導電率は，電気・電子部品で多用されているりん青銅(C5191，導電率14)より高い．



熱間加工性

本 開 発 合 金 に 関 わ る 特 許 は 出 願 済 み ( 出 願 番 号 PCT /JP2019/048438など 4 件)である．

文

献

熱間圧縮試験により，熱間加工性を評価した結果を図に示す．開発合金は，熱間変形能に優れ，鍛造用 Pb 黄銅，
JIS C3771より熱間変形抵抗が低く，約70°
C低い温度で熱間

押出・熱間鍛造が可能で，省エネルギーに貢献し，金型寿命も長くなる．

.

( 1 ) Directive 2011/65/EU of the European Parliament and of theCouncil of 8 June 2011 on the restriction of the use of certain
hazardous substances in electrical and electronic equipment.
( 2 ) Directive 2000/53/EC of the European Parliament and of theCouncil of 18 September 2000 on endof life vehicles.
( 3 ) 野村良行，齋藤 寧，古川欣吾，南 善規，堀内寛二，服部康弘SEI テクニカルレビュー，169(2006), 73.

開発の将来性，発展性

我々は， a ＋ b 黄銅に 1  Si と 0.07  P を含有し，金属組

新技術・新製品

鋼炭素繊維強化樹脂層を複合させた
超高圧水素複合蓄圧器の開発
岡 野 拓 史1)  木 周 作2) 松 原 和 輝1) 石 川 信 行3)
竹 村 泰 昌4) 影 山 泰 輔5) 戸 田 祐 貴6) 高 野 俊 夫す(1)．定置式の水素ステーションでは圧縮機で昇圧した水素

. 緒

言

を高圧水素容器(以下，蓄圧器)で一時的に蓄え，ディスペン
サーを介して，水素燃料電池自動車(FCV: Fuel Cell Vehi-

次世代のエネルギー源として水素が注目されている．経済cle )に水素供給する．現在， FCV の水素圧力は 70 MPa が産業省は 2016 年 3 月に「水素・燃料電池戦略ロードマップ

主流であり， FCV の高圧水素容器に 3 分間の短時間で 70

改訂版」を作成(1)し，水素社会構築を目指している．ロード

MPa の高圧水素を充填するために，水素ステーションでは

マップでは燃料電池自動車の普及に先行して水素ステーショ

あらかじめ 82 MPa 以上の超高圧の水素を貯蔵する蓄圧器がンを建設する計画であり，2030年度までに900箇所の建設が必要である．

目標とされている．図に水素ステーションの概略図を示

.

超高圧水素蓄圧器の課題

蓄圧器は圧縮機による水素の昇圧と， FCV への水素供給時の圧力低下に伴う圧力変動によって，疲労破壊が発生する
リスクがあるため，繰り返し使用寿命(以下，使用可能回数)が定められている． FCV 普及を見据え， 10万回を超える使用可能回数が蓄圧器に要求されている．この要求を達成するために従来の蓄圧器では使用時の圧力範囲を 50 ～ 82 MPa程度に制限している．しかし，近年では水素社会の発展に伴って，一度に大量の水素を充填する FC バスや FC トラックが普及しつつある(2)．既存の蓄圧器は使用圧力範囲が狭く，
FC バス向け水素ステーションでは蓄圧器本数を増加させる必要があり高コスト化が課題となる．そこで使用可能回数が10万回を超え，かつ使用圧力範囲が広い蓄圧器が求められる．
図1

水素ステーションの概要．

著者らは上記課題を解決するために，大量生産可能なシームレス鋼管の外表面に炭素繊維強化樹脂層(CFRP Carbon

JFE スチール株式会社
1)スチール研究所 界面科学研究部 主任研究員 2)部長
3)厚板セクター部 主任部員
4)知多製造所 鋼管技術室 室長5)知多製造所 第 2 商品技術室 主任部員 6)技術員
JFE コンテイナー株式会社 高圧ガス容器事業本部 シニアフェローDevelopment of the Steel Vessel Combined with Carbon Fiber
Reinforced Plastic for Ultrahigh Pressure Hydrogen Gas Stations; Hiroshi Okano, Shusaku Takagi, Kazuki Matsubara,
Nobuyuki
Ishikawa,
Yasumasa
Takemura,
Taisuke
Kageyama, Yuki Toda and Toshio Takano(JFE Steel Corporation. JFE Container Corporation)
2020年11月 2 日受理[doi:10.2320/materia.60.113]

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan

Fiber Reinforced Plastic)を巻き付けた高性能 鋼CFRP 層

複合圧力蓄圧器を日本で初めて開発し，量産を開始した．開発製品は長寿命，広圧力範囲を有し従来よりも多量の水素を一度に供給可能である．本稿は開発技術の内容と意義を述べる．

.

鋼炭素繊維強化樹脂層(CFRP)複合圧力容器の開発



耐水素脆化性に優れた鋼材組織を有する蓄圧器用鋼管

蓄圧器は高圧の水素環境に曝されるため，鋼材内部に水素が侵入し，材料特性を劣化させる“水素脆化”が生じる(3)．
そのため高圧水素ガス環境で鋼材を使用する場合には，水素脆化挙動を考慮した材料設計が不可欠である．蓄圧器に低合金鋼を適用する際には，高圧水素ガス中での低ひずみ速度引張試験(SSRT: Slow Strain Rate Test)で最高荷重点に達する
前に破断しないことが必須である．そのため本開発では鋼中の炭化物の分散形態が SSRT 試験結果に及ぼす影響を検討した．供試材は CrMo 鋼とし，焼入れ，焼戻し条件を変化させ，引張強度が同一で炭化物の分散形態が異なる鋼材を作図3製した．SSRT 試験を行った結果を図に示す．炭化物を均一に分散させた鋼の特性は不均一に分散させた鋼よりも高圧

水素環境下で真ひずみ et＝0.21まで引張変形させた供試材の(a)，(c) 断面の走査型電子顕微鏡像．(b)，(d) 炭化物と水素原子(H) 分布の模式図．(a) は炭化物均一分
散鋼(開発鋼)，(b) は炭化物不均一分散鋼．

水素ガス中の伸びが優れることを明確化した．炭化物不均一
分散鋼は水素脆化により延性が大きく低下し，大気中の伸び

表1

開発鋼の諸特性．

に対し，約 60 の相対伸びであるのに対し，炭化物均一分
散鋼は 70 の相対伸びを有し，炭化物不均一分散鋼よりも優れた特性を示した．
図に炭化物均一分散鋼と炭化物不均一分散鋼を水素環境下で真ひずみ et＝0.21まで引張変形させた供試材の断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す．両材料でマイクロボ
イドがセメンタイトの周辺に形成していた一方で，そのマイクロボイドの大きさ及び面密度は炭化物不均一分散鋼の方が多いことが明らかとなった．この理由は図 3(b)，(d)に示す
ように，開発鋼では均一分散した炭化物に水素が捕捉され，水素の濃度分布も材料中で均一であるのに対して，炭化物不レス鋼管を製造する技術を開発した．開発鋼管は，高圧水素

均一分散鋼では不均一に分散した炭化物に水素が局在化し，ガス中にて最高荷重 900 MPa を超えて破断する特性を全厚マイクロボイドの形成を助長したためと考えられる．したがにおいて実現した．

って，炭化物の分散状態を均一化することで耐水素脆化特性を向上させることが可能であることがわかった．
優れた耐水素脆化特性を有する鋼管に CFRP を巻いた構造の蓄圧器では，内圧により発生する応力は鋼管と CFRP層に分担される． CFRP 層は高強度かつ軽量な材料である

また高圧ガス保安協会の認定を取得するために種々の材料特性を取得し，開発鋼は，その要求特性の全てを満足した．
表に材料の諸特性の一例を示す．


鋼管と炭素繊維強化樹脂層の最適複合化

がコストが高いため，可能な限り鋼管の肉厚を増大し，次に CFRP 層と鋼管の複合化に関する開発技術に関して

CFRP を低減することが低コスト化にとって重要である．

述べ る． 蓄圧 器は CFRP 層 を鋼管 の周 方向 に巻き 付け た

しかし，肉厚が厚くなると肉厚方向に均一な組織を得ること

後，炉に入れて CFRP 層を熱硬化させる．その後 CFRP 層が困難となる．そのため，耐水素脆化特性に優れる，炭化物

および鋼は温度低下に伴い収縮するが， CFRP 層は鋼管よ

均一分散組織を肉厚方向に均質に有する蓄圧器用極厚シーム

りも熱収縮が小さいため，鋼管と CFRP 層との間に隙間が生じる．この隙間の存在により蓄圧器に内圧付与した際のCFRP 層への応力分担が行われなくなるため，隙間を小さくする必要性がある．そこで CFRP 層の樹脂として低温硬化樹脂を選定して硬化温度を低減し，さらに鋼管と CFRPの隙間量を低減させる技術によって隙間量を最小化した．開発した蓄圧器と CFRP と，鋼管に隙間が生じた開発途上の容器に内圧を付与し，外面のひずみを測定した結果を図に示す．隙間低減処理後の容器のひずみは10 MPa の内圧負荷で計測され，増大していることから，隙間量が減少していることが確認された．本技術により，本容器の運転圧力範囲
35 93 MPa において， CFRP 層に適切に応力分担させることが可能となり，より高い圧力範囲にも対応できる蓄圧器設計を実現した．
図2



大気環境及び高圧水素ガス環境中での低ひずみ速度引張試験．(a) 炭化物均一分散鋼(開発鋼)，(b) 炭化物不均一分散鋼，(c) 大気環境に対する高圧水素ガス環境の
相対伸び．




蓄圧器ネジ部の形状最適化

一般的な容器は端部を絞り成形し開口部を小さくしたボン

新技術・新製品

ベ型構造が取られている．超高圧ガス設備においては，容器の健全性を確認するために定期的な内面検査が要求されるが，開口部の狭いボンベ型容器は内面の観察が困難である．
そのため，開発容器は開口部の広いストレート形状とした．
本開発容器は図に示すような極厚シームレス鋼管(ライナー)の端部にプラグと称する蓋をグランドナットと称するね
じ込み式ナットで固定するストレート型形状の構成とした．
本開発容器は，ボンベ型よりも蓋部の受圧面積が大きいた

図5

開発容器の製品構成．

表2

開発容器の主な仕様．

め，内圧によってグランドナットのねじ部に発生する応力が高く，疲労破壊が発生しやすい課題がある．そこで，本開発
用容器はねじ形状最適化等を行うことでねじ底応力を低減し疲労破壊寿命を改善した．具体的には台形ネジを採用し，ねじ底曲率半径を最適化した．その結果， 10 万回を超える容器寿命を達成した．

.

開発容器の特性表に開発容器の主な特性を示す．極厚シームレス鋼管とCFRP 層(炭素繊維三菱ケミカル社製)の組み合わせにより，使用圧力範囲が 3593 MPa かつ使用可能回数 12万回で利用できる世界最高峰の性能の蓄圧器を開発した．使用可能
温度範囲は－ 30 ～ 85 °C であり，幅広い地域で使用可能である．さらにストレート形状で広い開口部を維持し，定期的な
図6

蓄圧器検査の際に検査機器を容易に蓄圧器の内部に導入でき開発容器の外観．

る利点がある．

.

開発容器の実用化状況と発展性

る．また本開発容器の利用拡大が水素インフラ普及に寄与
し，低炭素社会化推進に貢献することが期待される．

耐水素脆化特性に優れた極厚シームレス鋼管と CFRP 層の複合化技術により開発された本容器は 2018 年度に高圧ガ.

工 業 所 有 権ス保安協会の認可ならびに経済産業省大臣特認を取得し，2019 年度に販売を開始し水素ステーションへの納入実績が国内特許登録 9 件，海外特許 3 件公開済み．国際公開番

ある．図にその開発容器の製品外観を示す．今後も高圧力号 WO2016 / 147594 ， 特 許 第 6278125 号 ， 6453798 号 ，

範囲仕様が要求される水素ステーションへの拡販が期待され6593395号，6365793号，6421883号など．

本研究の一部は，国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の水素利用技術研究開発事業(平成25～平成29年度)の一環として行った．

文

図4

CFRP 外面の周方向ひずみに及ぼす蓄圧器の内圧の影
響．

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan献( 1 ) 例 え ば ， https: / / www.meti.go.jp / press / 2018 / 03 /20190312001/201903120012.pdf( 2 ) S.Terashi; ``Toyota's Initiatives for Popularizing Fuel Cell
Vehicles'', Hydrogen Energy Ministerial Meeting, (2018).
Session 1, No 5.
( 3 ) 南雲道彦水素脆性の基礎 水素の振るまいと脆化機構 第 1版，内田老鶴圃出版，東京，(2008)．



自動車ブレーキ用ハイブリッドセラミックスの開発
後藤
健
郭樹
啓
森 田 一 樹青沼伸一朗
 中 川 成 人
 香川
豊



ニアネットシェイプ成形を可能とするプロセス技術を確立

.

開 発

背

景

し，開発材料の安全性を保証する評価試験行い，自動車用ブ
レーキディスクとして応用することに成功した．

自動車や鉄道車両などの輸送機器では，高速性能ばかりではなく省エネルギーや低 CO2 エミッションのために様々な.

コアとなるプロセス技術

軽量化のための技術開発が進められている．現状では輸送機器に欠かせないブレーキディスクの多くには密度が 7.3 g /

低コストで実用上十分な特性を持つハイブリッドセラミッ

cm3 程度の鋳鉄が使用されている．航空機のブレーキディス

クスの製造方法として，図に示す高速・省エネ・ネットシ

クとして使用されている炭素繊維強化炭素複合材料(C/C)はェイププロセスを開発した．このプロセスは，(1)基本構造

軽量(密度 1.8 g/cm3 程度)かつ耐熱性を持つことから過去に

プリフォーム用 CFRP 成形体の製造，(2)ナノ構造を持つ含検討された．しかし，低温域で制動距離が大きく寿命が短い

浸用予備成形体の製造，(3)溶融 Si(Si 合金)の含浸によるハことから，市販自動車や鉄道車両では採用には至らなかっ

イブリッド組織材料の製造の 3 段階の工程よりなる．

た(1)．その後，ドイツでは自動車用ブレーキディスク材料とCFRP 成形体は，フェノール樹脂，粒径約 100 nm の SiC

して炭素短繊維を SiC と Si からなるマトリックス中に分散

ナノ粒子，および 3～6 mm に切断したピッチ系炭素短繊維させた複合材料が実用化されている(2)．しかし，この材料でを混合しホットプレス成形により作製した．含浸用予備成形は製造後に構成素材の熱膨張係数の差に由来するクラックが体は不活性雰囲気で CFRP 成形体を炭化して作製した．予

発生したり，耐摩耗性を得るために表面部分に耐摩耗性を有備成形体は樹脂の炭化による炭素の付着により炭素繊維表面する層を設ける対策が必要である．そのために製造工程がよを保護するとともに，ナノサイズの SiC 粒子と炭素が混合り複雑になることや，表面層を最適化する必要があるなどのされた相にナノサイズの空孔が均質に分散した組織を有して問題を抱えている．

いる．予備成形体は切削加工が容易であり，冷却用孔などのそこで本開発では，異なる機能を分散させた相を一体化す

ブレーキディスクに必要な複雑形状を低コストで導入するこるハイブリッドセラミックスを開発し，耐損傷性と耐摩耗性とができる．最終工程では Si または Si X 合金( X 添加元をあわせ持つ軽量ブレーキディスク材料を実現した．また，
(国)宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所准教授

(国)物質・材料研究機構主席研究員
東京大学工学系研究科教授
株 秦野事業所 R&D エンジニアクアーズテック
株 超高温材料研究センター代表取締役社長




東京大学工学系研究科教授(現東京大学名誉教授，東京工科大学教授)Development of Hybrid Ceramics for Automotive Brake
Disks; Ken Goto, Shuqi Guo, Kazuki Morita,Shinichiro Aonuma, Narihito Nakagawa andYutaka Kagawa(JAXA/ISAS, NIMS, The
University of Tokyo, CoorsTek, JUTEM,The University of Tokyo, present affiliation Tokyo
University of Technology)
2020年11月 2 日受理[doi:10.2320/materia.60.116]



図1

高速・省エネ・ネットシェイププロセスの概要図．本
プロセスは SiC ナノ粒子と炭素短繊維をフェノール樹
脂で成形した CFRP 成形体から出発し， CFRP 成形体を炭化したナノ構造予備成形体に溶融 Si を含浸することでハイブリッドセラミックスを作製する．

新技術・新製品

図2

表1

ハイブリッドセラミックスの室温での熱・力学特性．

図3

ハイブリッドセラミックスに釘を打ち込んだ様子．全体が破壊することなく釘が貫通しており，セラミックス単体にはない損傷許容性を持っていることがわかる．

図4

開発したハイブリッドセラミックスの繰り返し圧縮負荷―除荷試験による応力―ひずみ関係と C / C 相で偏向・停止した安定クラックの模式図．

ハイブリッドセラミックスの典型的な組織．( a ) C / C相，(b)C/SiC 相，(c)SiC 相，(d)Si 相の 4 種類の相からなる．

素)を予備成形体に含浸することにより，SiC および SiX 金
属間化合物を内部にもつハイブリッドセラミックスが完成す
る．予備成形体製造にナノ粒子を用いたことによる組織の均質化と反応面積の増加により， Si( l )＋ C(s )→ SiC (s )の反応が速やかに行えるようなった．また，ブレーキパッドとの相性によっては Cu などを含有することが求められる場合があるが，SiCu 合金への Fe などの添加による炭素繊維と Si 合
金の反応性の変化を定量的に予想するための熱力学的検討を実施することで，要求する組織を実現した(3)．開発したハイブリッドセラミックスの典型的な組織を図に示す．材料の組織は C / C 相， C / SiC 相， SiC 相， Si 相の 4 種類の組織からなる．これらの 4 つの組織の比率を製造条件により変化させることができ，目的とする摩擦・摩耗特性を制御することができる．

.

開発したハイブリッドセラミックスとその特性

ハイブリッドセラミックスの室温での力学特性および熱特性を鋳鉄とともに表に示す．密度は 2.6 g/cm3 と軽量であり，弾性率は110から 176 GPa，ディスク曲げ試験により取得した曲げ強度は 150 から 200 MPa ，熱伝導率は 35 から 73
Wm－1 K－1 ，熱膨張係数は 2.5 から 4.3 × 10－6 K－1 である．

鋳鉄より軽量で小さい熱膨張係数をもっている．
さらに特筆すべき事項として，ハイブリッドセラミックス
は構成する材料は全て室温で脆性的な破壊をする材料からなるが，図のように釘を打つことも可能な材料である．図

ミックス複合材料の国際会議でポスター賞を受賞している(5)．

の繰り返し圧縮負荷―除荷試験時の応力―ひずみ関係に示す
ように，本材料は負荷応力の増加とともに損傷が発生し永久.

ブレーキディスクとしての展開変形が生じるが，全体では荷重負担能力は低下しない(4)．図
4 には圧縮応力が負荷されている際のハイブリッドセラミッ

損傷許容性を有する高強度・高剛性なハイブリッドセラミ

クス中のクラックの発生状態も示している． SiC 相や Si 相ックスの摩擦特性について示したのが図である．図 5 は中にランダムに発生したクラックは， C / C 相で偏向・停止

繰り返しブレーキ試験の際の最高温度と計測された摩擦係数

しており， C / C 相が損傷許容性の発現に重要な役割を担っの変化を示したものである．最高到達温度は350°
C程度であ

ている．

り，摩擦係数は表 1 にも示すように0.3から0.5程度で室温か

このように，ハイブリッドセラミックスはクラックを安定

ら高温まで安定しており，高い制動力を安定して発揮するこ

して内部に累積することができるために，実使用条件での損とが期待できる．また，損傷許容性を持つことからボルトや傷許容性が発現し，損傷に強い材料になる．同様の機構によ

ナットによる機械的な締結が可能である．図は有限要素法

り， 1000 °C から繰り返し熱衝撃を加えても曲げ強度が変化

解析による締結部の応力分布の解析例であるが，ハイブリッ

しない等，優れた疲労特性を有する．ハイブリッドセラミッ

ドセラミックスは引張応力の発生に留意して，構造を工夫す

クスの損傷許容性の発現機構の解明に関する研究では，セラることで，金属部品とのボルト・ナット締結が可能である．

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan




図8

図5

ハイブリッドセラミックスの摩擦特性．試験実施時の最高温度は 350 °C 程度，摩擦係数は 0.3 から 0.5 である．
摩擦係数はブレーキ試験 50 回以降では 10 以内の変動である．

( a )完成したブレーキディスク．( b )市販したブレーキ
ディスク．ディスクには冷却用の複雑な形状の穴が存在する．

態のブレーキディスクを製作し，実際に車両に装着したブレーキ試験を販売予定先企業で繰り返し実施した．その結果，高い耐久性と信頼性があることが確認できた．最終的に図 8(b)に示すように，軽量ブレーキディスクとして2017年より
株 エンドレスアドバンスより市販され(6)，ハイブリッドセラ


ミックスを用いたブレーキディスクの商品化を完了した．

.

図6

金属構造とのボルト・ナット締結部の応力分布の有限要素法による数値解析例．ボルト穴の周りに大きな引張応力が発生している．

ま

と

め

この開発は，産学官の研究グループがゼロから開発をスタートして 9 年間で実用化にまでこぎ着けた．開発したブレーキディスクは，特徴のある複雑な組織を持ち，性能・価格
ともに国内外で競合できるものであり，日本発のハイブリッ
ドセラミックスの今後の展開に期待している．
関連する特許としては，特許番号5769519をはじめとして16 件 出 願 し て い る ほ か ， 3 件 の 国 外 出 願 ( US A1 2018 
0313419 など)を行なっている．また，関連する技術での国際会議や国内会議での招待講演や学術講演も多く行い，当該技術分野の発展に役立ててきた．
本研究開発は，(国)新エネルギー・産業技術総合開発機構の「ナノテク・先端部材実用化研究開発(研究代表香川)」
制度により開始し，その後各機関での協力により実用化が行
図7

走行試験後のブレーキディスクの表面の様子と実装した自家用車．矢印はパッドとの接触部を示している．
走行試験後に切り出して各種試験が実施できるように，冷却用孔のないブレーキディスクで走行試験を実施した．

開発したハイブリッドセラミックスが自動車のブレーキディスクとして安心して使用可能か調べるために，公道を走行可能な自動車に実装した走行試験を行った．走行試験は市販の自家用車を用いて行い， 5000 km 走行前後での材料の変化を調査した．図は実装した自家用車と走行後のブレーキ
ディスクの表面の様子である．ブレーキパッドと接触した部分には光沢が見られる部分があるが，ディスクには損傷は見られなかった．その後，図( a )に示すような販売できる状

われたものである．

文

献( 1 ) G. Savage: Carbon/Carbon composites, Chapman & Hall,(1993).
( 2 ) W. Krenkel, B. Heidenreich and R. Renz: Advanced Engineering Materials, 4(2002), 427436.
( 3 ) Y. Kato, T. Yoshikawa, Y. Kagawa and K. Morita: ISIJ International, 53(2013), 13201324.
( 4 ) Y. Tobata, S. Takeuchi and K. Goto: Journal of the European
Ceramic Society, published online (2020).
( 5 ) M. Ikegami and Y. Kagawa: 7th International Conference on
High Temperature Ceramic Matrix Composites (HTCMC7)(2010).
株 エンドレスアドバンス web ページ https: // www.endless (6) 
sport.co.jp.

新技術・新製品

強度，耐変色性，製造性に優れた
VCM 板ばね向け CuNiAl 合金の開発

.

首 藤 俊 也笠 谷 周 平2
兵藤
)
1)

宏
渡 辺 宏 治3)
4)

成 枝 宏 人
菅原
5)

聡

章 千 星開発背景と開発材の概要

年間 14 億台出荷と大きな市場を持つスマートフォンは，
機器本体の薄肉化と同時に，高精細なズーム機能や広角化のため搭載カメラの複眼化も拡大しており，使用される部品類の小型化・低背化が急速に進んできている．

図1

VCM モジュールの構造(1)と板ばねの形状．

スマートフォンカメラのオートフォーカスは VCM(Voice
Coil Motor)方式が主に採用され，レンズの上下には板厚 30～50 mm の板ばねが組み込まれている(図)．この板ばね材

題があった．

は，周辺磁場に対して相互作用を及ぼさない必要があるため

著者らは，これらの問題を解消するため CuNiAl 系合金

銅合金が使用されている．また，落下衝撃にも耐えられるよに着目した． Cu Ni Al 系合金は Cu Ni 合金や Cu Al 合金

うな強度特性と，板ばねへの成形中や組立中に外観検査を行と同様に，耐食性や耐変色性が期待できる．CuNiAl 系合えるよう局所的に変色しない耐変色性が求められる．通常，

金 は ， 溶 体 化 時 効 処 理 に よ っ て 銅 母 相 中 に Ni3Al, NiAl,

電気・電子部品に使用される銅合金には，耐変色性を向上さ

Cu9Al4 などの種々の金属化合物相粒子が析出する．また，せるため各種めっき処理を施す．このようなめっき処理は，

Ni3Al 相を微細に単析出させた合金系では，ビッカース硬さ

コスト面では大きな負荷となる．

300 HV を超える強度が得られることも報告されている(3)．

これまで，板ばね材の素材には， Cu 3.2 mass  Ti ( Cu 

今回，CuNiAl 合金の組成，製造工程，熱処理条件を精Ti 合金)等の高強度銅合金が用いられてきた．しかし， Cu

査し，組織制御技術を駆使することで，引張強さ 1400 MPa

Ti 合金は，高強度を発現させるために，強化に有効な連続以上(ビッカース硬さ 430 HV 以上)の銅合金最高レベルの強析出物の微細分散と有害な不連続析出(粒界反応)の抑制を両度を持ち，耐変色性にも優れた新合金を開発した．開発品は立する必要があり(2)，複雑な熱処理工程による薄板製造のコ

比較的多量の Ni が添加されているものの，純銅と同様の非スト面で課題があった．さらに，加工硬化が大きいため冷間磁性を示す．特筆すべきは，本開発品の製造では，圧延工程

圧延の負荷が高く，コストアップの原因となっていた．まで加工軟化が起こるため製造性が良好であり，最終熱処理にた，ばね製造工程における局所的な変色等，耐変色性にも課より大幅に強度を向上させるという画期的な工程を経る．こDOWA メタルテック株式会社 金属加工事業部 磐田技術センター1)主任研究員，2)研究員，3)リーダー，4)マネージャー，5)センター長
DOWA メタルテック株式会社代表取締役社長
東北大学金属材料研究所准教授
Development of CuNiAl Alloys with High Strength,
Discoloration Resistance, and Manufacturability for Leaf
Springs in VCM Actuator; Toshiya Shuto, Shuhei Kasatani,
Hiroshi Hyodo, Koji Watanabe, Hiroto Narieda, Akira
Sugawara andSatoshiSemboshi(,DOWA
METALTECH Co., Ltd. Institute for Materials Research,
Tohoku University)
2020年11月 2 日受理[doi:10.2320/materia.60.119]

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japanのため，開発品は，非常に高い強度特性と耐変色性を兼備しつつ，製造性にも優れた VCM 用板ばね材を市場へ提供できる革新的な技術であるといえる．

.

Cu
Ni
Al 合金の開発




製造工程

開発品の代表組成は Cu 20 Ni 3 Al ( mass )で，一般的な時効硬化型合金の工程で製造される．つまり，溶解・鋳造熱間圧延冷間圧延を施した後に，析出物の生成・分散状



態を制御するための溶体化，時効，圧延加工，最終熱処理をため，整合析出していると考える．以上から，時効材では母実施する．途中，表面清浄化のための酸洗・研磨，圧延時の相中に微細 Ni3Al 粒子が均一分散することに起因して析出強形状制御と破断防止のためのトリミング処理も実施する．以化が起こるといえる．

上の工程で，白銀色の外観的特徴をもつ板厚 30 mm の極薄板材に仕上げている．


強度特性と製造性，析出物

一方，圧延材，最終熱処理材での SAED 図形では，Ni3Al
による規則格子回折の輝度は時効材よりも弱まった．これは，強圧延によって Ni3Al の析出量が減少したか，Ni3Al の規則度が低下したかを示している．暗視野像では，時効材と図に開発品の製造工程におけるビッカース硬さの推移を比べて圧延材で析出物粒子が不明瞭となるが，最終熱処理材

示す．溶体化時効後ではビッカース硬さが 300 HV とな

では再び大きさ 10 nm の析出物粒子がみられる．最終熱処る．これを圧延加工すると圧延途中(圧下率 50 程度)まで

理材での Ni3Al の析出量は一見したところ時効材と大きな差

は硬さが上昇するが，それ以降では硬さの低下(加工軟化)がはない．したがって，圧延材では強圧延にともない Ni3Al の生じる．その後に最終熱処理に供すると強度は 100 HV 以上

不規則化が起こり，最終熱処理ではある程度まで規則度が回の大幅な向上を示し，ビッカース硬さは 430 HV にもなるこ

復するものの，時効材ほどの規則度には戻らないといえる．

とを発見した．この現象を活用することで，圧延工程での負時効材，圧延材および最終熱処理材に対して X 線回折荷を低減し，かつ最終的に高強度の銅合金極薄板材(厚さ 30(X ray diffraction: XRD )測定を行ったところ，どの工程でmm)を製造することに成功した．

開発品(最終熱処理材)，既存の高強度銅合金である Cu 

も Cu ( A1( fcc )構造)と Ni3Al (L12)で同定される回折ピークが検出できた．図に時効材，圧延材および最終熱処理材のTi 合金，および従来の Cu Ni Al 系合金(3)(4) の引張強さとXRD 図形での基本格子回折{ 220 }ピークの半価幅を示す．

ビッカース硬さを表にて比較する．開発品は 1400 MPa

半価幅は圧延後に増加し，熱処理後に減少している．これを超える引張強さ，420 HV を超えるビッカース硬さを有しは，圧延にともない銅母相にひずみが導入・蓄積され，熱処ており，既存材や従来材よりも優れた強度特性を示す．

理によりある程度回復が起こることを示唆している．

ここで，開発品の製造工程にともなう強度変化の機構を検図には，時効材，圧延材および最終熱処理材における討する．図に時効後，圧延後，最終熱処理後の透過型電子

XRD 図形の{220}と{110}の回折ピークの積分強度比 I{110}/

顕微鏡(Transmission electron microscopy: TEM)による制限視野電子回折(Selected area electron diffraction: SAED)と暗視野像を示す．時効材の SAED 図形では，Cu(A1(fcc)構造，格子定数 a ＝ 0.341 nm )からの基本格子回折に加えて，
Ni3Al ( L12, a ＝ 0.357 nm )で同定される規則格子回折がみられた．母相 Cu と析出物相 Ni3Al の間には{ 100 }m //{ 100 }p ,〈 001 〉m //〈 001 〉p の Cube on cube の結晶方位関係がある(下付 き ``m'', ``p'' は そ れ ぞ れ 銅 母 相 ( matrix ) ， 析 出 物 相(precipitate)を表す．)．暗視野像では母相中に大きさ 10～
20 nm の微細な析出物粒子が高密度に均一分散している．ここで， Ni3Al の Cu に対する misfit は 0.75 と非常に小さい

図2

表1



図3

開発品の製造工程における組織変化(TEM 暗視野像および SAED 図形)．( a ) 時効後，( b ) 圧延後，( c ) 最終
熱処理後．暗視野像は規則格子回折110より撮影．

図4

XRD 図形から得られた開発品の各製造工程での{ 220 }基本格子回折ピークの半価幅．

開発品の製造工程におけるビッカース硬さの推移．

開発品，CuTi 合金，従来の CuNiAl 系合金(3)(4)の引張強さとビッカース硬さ．

新技術・新製品

図6

図5

開発品，CuTi 合金の恒温恒湿試験前後の色差 DE
ab．
(条件は，50°
C, 95RH, 0, 24, 48, 96時間．）

XRD 図形から得られた開発品の各製造工程での{ 220 }と{110}の回折ピークの積分強度比 I{110}/I{220}．

I{220} を示す．ここで， I{220} は Cu と Ni3Al からの基本格子

回折強度の和であり， I{110} は Ni3Al からの規則格子回折強度である．つまり，積分強度比の減少は Ni3Al の析出量が減
少したか， Ni3Al の規則度が低下したかを示している．図 5
では，圧延にともない積分強度比は低下し，最終熱処理で僅かに増加する．この結果は，圧延により Ni3Al の規則度が低

図7

下し，最終熱処理により規則度が回復するという， TEM 

開発品，無酸素銅，SUS301の磁化曲線．

SAED 図形(図 3)での見解を半定量的に支持するものである．

時効材を圧延すると圧延途中までは硬さが大きくなるのは

SUS301では強磁性を示すのに対して，無酸素銅と開発品で加工硬化が起こるためである．また，析出物相 Ni3Al は母相は， 10 kOe の強い磁場を印可してもほとんど磁化されず，と整合性が高いため，変形時には転位は粒子切断機構によっ

僅かに負の磁化率をもつ反磁性を示すことが確認された．成て Ni3Al 粒子を切断しながらすべり運動すると推測する．圧

分元素である Ni は強磁性体に分類されるものの，Ni を固溶

延が進むと，析出強化分に寄与していた Ni3Al 粒子が切断さ元素とする固溶体，あるいは Ni3Al 析出物は純銅と同等の非れ て 規 則 度 が 低 下 し て い く ( L12 構 造 か ら 母 相 と 同 じ

常に弱い反磁性となることが分かる．したがって開発品は，

A1 ( fcc )に遷移していく)．これにともない，粒子が転位運

強い磁場環境下においても，磁場の影響を受けず動作精度の動を抑制する効果が低下するため，加工軟化がみられると考高い部品材料として使用することができる．

察する．最終熱処理により顕著な強度向上がみられた一因
は，強圧延により低下していた Ni3Al 粒子の規則度が熱処理

.

実績，将来性，発展性

により向上するためである．これにより，粒子による転位運動の抑制効果が増大すると同時に，圧延工程で導入された加開発品は，1400 MPa を超える強度，優れた耐変色性，お工硬化が重畳して強度が増加する．一方，上述した機構だけ

よび無酸素銅と同様に磁界に対して相互作用を及ぼさない性では，最終熱処理による顕著な強度上昇を説明しきれない．

質を有し，さらには製造性にも優れている．したがって，高今後，3 次元アトムプローブ解析なども取り入れて，原理究

強度・耐変色性・非磁性が求められる VCM 板ばね用途に最明を続けたい．

適であるだけでなく，薄板ばね材に幅広く展開できる．現




耐変色性

在，本開発合金は顧客で高い評価を受けている．また，開発品に関する特許も国内外に多数出願している(6)．

図に開発品と従来材( Cu Ti 合金)の恒温恒湿試験前後

今後，開発品の製造工程でみられる加工軟化や最終熱処理の色差 DEab を示す． DEab が 5.0 以下であれば，経時比較での大きな強度向上などの組織変化と強化機構を究明するこした場合に，ほぼ同一と認めることができる(5)．試験は，試とにより，他の成分系の析出硬化型銅合金に応用できる可能

料を#1000のエメリー紙で研磨し，エタノールで10分超音波性があり，更なる合金開発も期待できる．

洗浄した後に，3 条件で実施した．色差測定は，積分球方式
かつ正反射光を含む方式で行った． Cu Ti 合金では，すべ

文

献ての条件で DEab が 5.0以上であるのに比較して，開発品では良好な耐変色性が確認できた．一般的に Ni, Al 濃度の高い銅合金は優れた耐食性を示すことが知られており，本開発
品も同様の耐変色性と耐食性を有すると推察する．




磁気特性

図に開発品と，比較材として無酸素銅および薄板ばね材と し て 一 般 的 に 用 い ら れ る SUS301 の 磁 化 曲 線 を 示 す ．

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan( 1 ) 小林宏通映像メディア学会誌，68(2014), 359362.
( 2 ) 鎌田俊哉，高 維林，木村 崇，佐々木史明，菅原 章まてりあ，55(2016), 15
17.
( 3 ) 宮本隆史，長迫 実，大森俊洋，石田清仁銅と銅合金， 54(2015), 192196.
( 4 ) 榛木隆太，千星 聡，金野泰幸，高杉隆幸，首藤俊也，兵藤宏銅と銅合金，59(2020), 4853.
( 5 ) 日本色彩研究所色彩ワンポイント，第 2 巻，日本規格協会，(1993), 78
80.
( 6 ) 例えば特開202050923.





巻記念企画

金属材料の発展の歴史と将来
東北大学名誉教授
公益財団法人電磁材料研究所相談役

.

増本

健

金属材料の歴史と現状

図1

次世代材料の開発方向．

歴史を振り返ってみれば，地球上に人類が誕生して以来，石器青銅器鉄器と時代が移り変わり，これらの金属が文明

人間・社会・地球への波及効果についても十分に考慮するこを表現して時代を特徴付けて来た．ことに 20 世紀は“物質とが必要になってくる．特に，希少元素や有害元素を含む材文明”の時代であり，優れた機能を持つ新しい材料が次々と料分野の研究では，この視点が研究者に強く求められる．

出現し，人類の生活を潤して来た．例えば， 20 世紀前半に

.

発明された特殊鋼，高分子，半導体，セラミックスなどの多次世代金属材料に求められる材料機能

様な材料の出現は， 18 世紀の産業革命以来発展してきた鉄中心の基幹産業から，社会に密着した交通機器・生活機器・金属材料を構成する主な元素は 60 余種類に過ぎなく，地エネルギー機器・通信機器などの民需産業へと拡大させ，こ球上に存在するこれらの元素量も限られている．しかし，これによって生活が豊かになり，大量消費社会へと移行する結

れらの元素を組み合わせた材料は，人為的に自由に原子・分果となった．

子を操作することが可能になれば無数にあることになる．従一方，この目覚しい工業の発展の結果，資源の枯渇，異常って，新しい機能を実現させるためには，分子動力学の物質

気象，環境汚染などの地球規模での深刻な問題が発生して，設計法の確立と原子・分子操作法による構造制御技術が 21

今やこれらの問題解決なくして人類の繁栄はあり得ないと言

世紀における材料研究の最重要課題になるだろう．また，最われ始めている．これらの地球規模の諸問題を解決するに

近は， IT を駆使した人工知能 AI の材料開発への利用が有

は，資源の有効利用，再生エネルギーの利用，環境の保全な効な手段となり始めている．

どのための科学技術の発展が重要な課題となることは言うま

今日までの材料開発と機能性の変遷を俯瞰して見よう．図でもない．特に，材料を研究する科学者は，“資源は有限でに示すように， 20 世紀初期に追求されてきた材料開発のある”という観点の下で材料を効率的かつ有効に利用するこ

視点は「多く」，「安く」，「均質に」，「効率的に」が中心であとを考慮しなければならない時代になった．そのためには，ったが，後期になると省資源化と再利用化が重要課題になっ各物質がもつ材料機能を最大限に発揮させる基礎研究とそれた．また，求める機能性は，構造材料では「強く」，「長持を有効に利用する応用研究が極めて重要になっている．

ち」，「軽く」，「小さく」が主な視点であったが，現在では省

金属材料分野の研究でも従来に無い新たな視点が求めら

エネが重要視されている．一方，機能材料では「精密に」，れ，希少元素や有害元素を含まず，しかもリサイクルが容易「敏感に」，「多機能に」から，21世紀は「生体的に」，「知能な金属材料の開発，ゼロエミッションを考慮した材料設計・的に」へと高度化し，開発材料は「環境に優しく安全な」こ

プロセスの開発，適材適所の総合的判断による製品開発が重とが重要な目標となっている．

要になっている．従って，研究者は，単に新しい材料の発材料開発において有用な新機能発現のための手法は，ナノ明・発見に努力するだけではなく，その開発した材料が人組織化に加えて高度な構造制御や原子・分子制御から量子制

間，社会，地球へどのような波及効果があるかを十分に考慮

御へと進化している．特に，最近の無機・有機の広い物質のした俯瞰的な視点での研究開発が必要になると考えられる．

研究分野において，原子・分子レベルの構造制御および量子このような観点からすると，これからの金属材料研究は，機能の相互作用と融合化による高度な機能性材料の開発を目

俯瞰的な視点で設定された目標に向かって進める目的追求型

指す研究が潮流となっている．

の研究が重要になる．例え偶然に発見された材料であっても，その材料の利用価値と様々な波及効果を総合的に考慮する責任を持たなければならなくなるであろう．“研究者は発.

組成・組織・構造の制御による新たな金属材料の開発

見する歓びを求めて熱中する”と言われるが，これからは単に発見することのみを目指のではなく，その発見がもたらす



高機能で高性能の金属材料の創生において，研究者はどの先達からのお便り

ような指針で研究を進めれば良いのであろうか．材料開発の体，超伝導素子，トンネル型磁気抵抗材料(TMR)，トンネ

方向は，大別して 3 つが考えられる．図に示すように，1ル型磁気誘電材料(TMF)などの研究が注目されている．

つは既存材料の高度化であり，材料の組成，組織の最適化による最大性能の発現を目指す研究である．これには，高純度.

新しい構造から生まれる新機能の例

合金，組織微細化合金，ナノ組織合金，複合組織合金などがあり，これらは特に構造材料の研究として重要である．

新機能材料の一例として，筆者が 1970 年に発表した「ア2 つは，新しい組成，組織，構造を生成することによる新モルファス合金」の研究の動機と研究開発について紹介しよ

機能の発現を目指す研究である．その例として，鉄希土類

う．当時の 1970 年代は，我が国が戦後の復興を果たし，正磁石，超伝導酸化物，人工格子，準結晶，アモルファス相，

しく先進国に仲間入りを果たそうとする時期であった．当時

ナノグラニュラー(NG)相などの材料があり，新機能材料のは，鉄鋼業の大企業が挙って鉄鋼材料の基礎研究に乗り出研究として注目されている．

し，最新の大型研究所を次々と新設しており，大学の一研究

3 つは，量子制御，量子相互作用を利用した新機能化の研室がこれらの巨大な研究機関と対等に戦うことは不可能であ究である．図は，平成 8 年から 16年( 1996年から 2004年)った．この理由から，筆者は鉄鋼以外の新しい金属材料の開にかけて著者が領域代表者として提案し，実施した文部省の拓を目指すことを決心し，“新しい構造から新しい物性が生

未来開拓研究推進事業「次世代人工物質・材料の探査的研究」

まれる”の発想に立ったのである．

の説明図である．すなわち，新物質・材料を探索する研究のこの着想から生まれたのが「アモルファス合金の研究」で基本的要素として，エレクトロン，イオン，スピン，フォトあった．最初に興味をもったのは「強さ」であった．一般にンに注目し，これらの量子機能の相互作用と融合機能の発現

金属材料の強化法は加工により結晶中に多くの格子欠陥を導に注目して，新規な物質の合成と機能性の発現を実現しよう入する手法であるが，結晶でないアモルファス合金の場合はとする探査的な研究である．この研究の例として，光半導どうなるのだろうかと興味を持った．常識的には，“ガラスと同様に脆い材料である”と予想していた．
この疑問を解決することができたのは，偶然にアメリカで研究する機会があったからである．当時のアモルファス合金
は微小な粉末か薄片であり，物性の定量的測定は不可能であった．この点に着目して，自製した液体急冷装置を用いて，均質なテープ状アモルファス合金を作製した．早速その強度を調べたところ，驚くほどの高強度と明瞭な塑性変形組織を見出したのである．さらに帰国後，熱安定性が高く安価な組成である「アモルファス Fe B Si 合金」と，省エネで大量生産が可能な「単ロール法」の開発に成功し，作製したアモルファス鉄合金の優れた強度・耐食性・軟磁性の三大特性を明らかにした．

図2

金属材料の開発における着眼点．

正しく，新しい構造から新しい物性が発見された例である．その後，この研究は実用的な新素材としても注目され，
日本と欧米との間で開発競争が行われた．現在では，軟磁性材料を主体として高強度材料，高耐食材料，接合材料，電熱材料などの多分野で広く実用化されている．このようにアモルファス合金が実用材料として発展したのは強靭な材料であったからであり，もし脆い材料であったならば実用化は困難であったに違いない．
その後，アモルファス合金の研究は，鉄合金からアルミニ
ウム合金，マグネシウム合金，チタン合金へと拡大すると共に，図に示すように，アモルファス相を低温加熱することによって生成する「ナノ結晶材料」の開発，ガス元素( O ，N，F)を含む「ナノグラニュラー合金」の開発へと進展した．

ナノ結晶相は粒界に薄いアモルファス層が残留した組織であり，またナノグラニュラー相はセラミック相中にナノ金属粒子が微細分散した組織であり，何れも通常の製法では得られない特殊な組織を持つ新規な合金である．これらの合金は，
図3

次世代の機能材料として期待される研究分野．

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan

図に示すような様々な機能材料として実用化されている．




図5

日本金属学会で発表する筆者(86歳の秋)．

い，多くの研究成果と有益な知識を得てきた．特に忘れられないのは， 1970 年の春の講演大会において「アモルファス
合金の強度と変形」に関する最初の発表を行ったこと，また
図4

液相急冷したアモルファス相から派生した新材料．

2018年の春秋の講演会で「FeMn 系合金のインバー・エリ

ンバー特性について」の最後の発表を行ったことである．図は，日本金属学会春期講演大会で発表する 86 歳の筆者の.

日本金属学会に対する感謝と期待姿である．正しく筆者の研究人生は， 48 年に亘って日本金属学会により育成され，熟成されたといえる．

日本金属学会は 1937 年に本多光太郎先生により創立さ最後に，日本金属学会において，日本発の新しい優れた金れ，それ以来，日本の金属研究の中枢として大きな役割を果

属材料が開発され， 21 世紀の厳しい環境の社会を支える重たしてきた．また，本誌の「まてりあ」は，初期の会報以来要な役割を果たすことを期待したい．そして，地球上に存在

60 年にわたり，金属の知識を広く啓蒙する役割を果たしてする貴重な物質資源が枯渇することがないよう努力されるこきた．

とを望みたい．

筆者も 1955 年以来，日本金属学会を中心に研究活動を行(2020年12月 1 日受理)[doi:10.2320/materia.60.122]

先達からのお便り

セスの問題点を議論し，新しい生産技術について多角的に検討し，レアメタルの新しい製造技術やリサイクル技術の開発
指針について掘り下げた議論を行なっている．
研究会のスタイルとしては，毎回，分野を代表する 2～ 4
名の講師に話題提供を依頼し，講演後十分な時間をとって参

レアメタル研究会

会者との討議を行なっている．
本研究会の発足は，当時，東京大学生産技術研究所の産学

東京大学

生産技術研究所教授

岡部徹

連携委員会の委員長であった畑中研一教授から，「若手研究者も産学連携を推進する特別研究会を積極的に立ち上げるよ
うに」働きかけられたことが動機となった．当時，筆者は36 歳の若手ながら産学連携委員会の活動拡大の旗振りに加

.

は じ

め

に

担することになったのである．そこで，試しに「先ず隗より始めよ」と自ら先陣を切って新たな研究会を立ち上げてみた．

筆者は， 30 年以上一貫して，チタンをはじめとするレア

2002 年の発足当初は 2 社程度の企業の研究者と小規模なメタルの製錬やリサイクル技術に関する研究を続けている．

研究会を立ち上げる予定であった．これは，筆者が特別研究

この研究分野は材料工学における非鉄冶金・特殊金属製錬と会への参加を打診したチタン製錬企業が快諾してくれたためいう“極めてマイナー”な領域と認識されてきた．

である．ただ，「チタン研究会」では，チタン以外の活性金

ところが，近年，この研究分野の重要性・将来性が認知され，さらには，嬉しいことに，日本の産業がこの分野で突出した競争力を持つことが国際的にも認められつつある．
非鉄金属製錬の分野，とりわけ貴金属やレアメタルの製錬属の議論をしにくいため，スコープを広げて「レアメタル研究会」として立ち上げた．
当時は，産業的な価値が高いチタン，ニオブ，タンタル，
希土類金属(レアアース)などのいわゆる活性金属( Reactiveやリサイクルに関する研究分野については，大学の研究室よMetals )の製錬やリサイクル技術について情報交換をしたりも企業における研究や技術開発の方が進んでいる．日本にり，議論を行ったりする場がほとんどなかったのも対象を拡は数兆円規模の産業が存在し，環境調和型のリサイクル技術

大した一つの理由である．

の開発を中心に世界をリードしている．

当時の常識では，かなり高い会費設定にも関わらず，幸い

一般には知られていないが，日本は，海外からプリント基にも最初から 8 社に参加していただけた．東大に赴任する板などの電子材料のスクラップや自動車排ガス浄化触媒のス

前から，筆者が各種技術コンサルや相談相手をしていた企業

クラップなどを多量に輸入し，貴金属やレアメタルをスクラ

関係者が，東大赴任のご祝儀および筆者に対する応援・支援

ップの中から分離回収してリサイクルし，多くの富を得ていの意も込めて，がんばって会員になって下さったのである．

るのである．

この時，筆者は「レアメタル人脈」の大切さを実感した．

情報技術が進歩し，また，自動車などの電装化が進む中後でわかったことであるが，当時の学会等の学術会合は，で，全世界でレアメタルをはじめとする非鉄金属の用途や需“自己満足的な研究発表をする場”としてしか機能しておら

要は近年さらに急速に拡大している．社会状況の大きな変化

ず，多くのレアメタル関連の企業関係者にとっては，参加しに伴い，レアメタルを含むスクラップのリサイクルの重要性ても有意義な情報やネットワークが得られる場がなかった．

も頓に増大している．

このような当時の状況が本研究会の発展につながる大きな要

このような状況変化に対応するには，大学における基礎研究を進める上においても，産学連携の重要性が一際注目され因となったのも僥倖であった．
表に示すように，スタートアップ時は，参加企業は約 8社，毎回 30 名あまりが参加するこぢんまりとした規模の研ている．

究会であった．(図).

レアメタル研究会の歩みと活動

18 年が経過し，第 93 回を開催した今では，参加企業約 30

上記の背景から，筆者は2002年から，「レアメタル研究会」

)．これまでの累計参加者は，図 1 の右軸に示すように，社，毎回 100 ～ 300 名が参加する盛大な会となっている(図を立ち上げて産学連携を進めてきた．最近では，この研究会

11,000 名を超えた．平均して，年に 5 回開催しているが，を主軸として，産官学＋メディアとの連携推進にも注力してコロナ禍のため，本年の 3 月の開催は，やむなく中止とないる．

った．最近は，ほぼ無観客でリアルな講演会を開催し，その本研究会は，チタン，タンタル，ニオブ，希土類金属(レアアース)など，現在の技術では効率良く製造することが困
難なレアメタルの生産技術の理解を深めるための勉強会である．
この勉強会では，種々のレアメタルの特徴やその製造プロ

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan

様子を Zoom 等のオンラインシステムを使って Web 配信するとともに，Web 交流会も開催している．(図)研究会の詳細は，レアメタル研究会のホームページ(1)を参照していただきたい．過去の講演ファイルや関連資料は関連会員のみに限定公開しているが，このデジタルアーカイブ




表1

レアメタル研究会の参加者数推移(抜粋詳細は，研究会のホームページ参照)．
内

対し積極的に技術相談に乗っていたが，その時の経験や人脈も研究会の発展に大いに寄与した．
レアメタル研究会を立ち上げた 2002 年当時は，一部の材

訳

登録
人数

参加
者数

第 1 回 2002年 9 月20日

47

43

19

23

1

メタルの研究って，意味あるの」，「磁石材料からレアアー

第 2 回 2002年11月15日

48

33

16

16

1

スをリサイクルする技術開発の研究なんてやって意味ある

第 3 回 2003年 1 月10日

49

35

16

16

3

の」という状況であった．研究会が発足した当時は，「レ

第 4 回 2003年 3 月19日

50

35

17

16

2

アメタルの長い冬の時代」であったと思い返している．

第 5 回 2003年 5 月27日

58

45

21

21

3

開催日

企業
大学
官庁他
関係者 関係者

料関係の専門家のみがレアメタルの将来性や重要性を認識していただけで，分野が異なる材料の専門家でさえも，「レアさらに，同じ分野の大学人からの風当たりも強かった．新しいタイプのネットワーク型の産学連携の研究会を立ち上げ

第 6 回 2003年 9 月 4 日

43

35

13

20

2

第 7 回 2003年11月26日

50

32

19

11

2

行うのではなく，学会等の枠組みでやったら」「企業を相第 8 回 2004年 1 月16日

56

33

18

13

2

手にしても，論文にならないので無駄では」「そんなに高

第 9 回 2004年 2 月 5 日

55

27

16

11

0

い会費を取ってどうするの」等の批判や非難も受けた．こ

第10回 2004年 5 月14日

61

41

26

14

1

の状況は，実のところ，今でもあまり変わっていない．

るに当たって，同業の研究者からは，「そんな活動は個人でまた，企業人からは，「協力はしたいが，会費の振り込み
先が，東大や岡部先生ではなく，生産技術研究奨励会という(途中省略)

財団では，社内で決済が下りない．」「大学の先生の研究会
は，自己満足的な話題が多く，企業関係者のメリットが少な
第81回 2018年 7 月27日 1857

209

145

37

27

第82回 2018年 9 月14日 1849

143

96

32

15

ばらくすると，すぐに誰かに丸投げするので，継続的な参加

第83回 2018年11月 9 日 1925

206

135

53

18

は約束できない．」といった辛いコメントも寄せられた．

第84回 2019年 1 月11日 1986

270

181

59

30

結果的に，研究会が大きく発展し，長く継続できた主な理由は，大学人や企業からの厳しい意見に対する解決策を常にい場合が多い．」「大学の先生は，立ち上げには熱心だが，し第85回 2019年 3 月 8 日 1999

112

66

34

12

第86回 2019年 7 月19日 2043

157

101

29

27

第87回 2019年 9 月13日 2084

151

87

32

32

第88回 2019年11月15日 2157

216

155

43

18

第89回 2020年 1 月10日 2224

293

201

56

36

会等の学術的な研究会ではない．企業会員向けの「勉強会・第90回 2020年 3 月 6 日 2224

01

0

0

0

交流会」が主たる目的である」と宣言した．また，単なる講

第91回 2020年 7 月17日 2407

(334)2

(251)

(46)

(37)

演会ではなく，人脈形成の場，インフォーマルな情報交換の第92回 2020年 9 月25日 2474

(314)2

(230)

(30)

(44)

場として機能するよう，種々の工夫を凝らした．

第93回 2020年11月 6 日 2502 (190)2

(137)

(30)

(23)

1コロナ禍の影響で中止
2Zoom を使ったオンライン開催，ウェビナー参加者数

模索し続けたインタラクティブな姿勢にあったものと自己分析している．
まず，レアメタル研究会は，「企業会員の会費により運営されているプライベートでインフォーマルな会合であり，学

たとえば，産学官の全分野を対象として，その道では，“一流の人を講演者”として迎え，技術や学術の話だけではなく，人脈形成を主眼とした“かなり長い自己紹介”を講演の前に行なっていただくようにした．
この結果，「レアメタル研究会の講演は，学会等での講演

は，今ではレアメタルに関するきわめて重要かつ貴重な資料

よりも遥かに面白く，また，人脈形成に多いに役に立つ」ととなっている．

の評価を得るようになったものと自負している．
今では，企業 OB の方々や省庁の関係者も手弁当でオブザ

.

研究会立ち上げの苦労ーバーとして参加して下さり，講演会・討論会のあとの研究交流会が極めて活発になっている．最近では，産学官の関係

2001 年に東大に赴任し，ゼロからスタートした研究室と同時に本研究会を立ち上げるのには，あらゆる面で困難が多者だけでなく，報道関係者が自身の勉強のために参加するケースも多いのもユニークな特徴の一つである．

かった．しかし，研究会の発足・運営にボランティアで協力

本研究会を通じて醸成された人的なネットワークが，日本

してくださった学外の方々にも恵まれて，時の経過にともなの非鉄産業の活性化につながることを期待している．将来，

い次第に活動が活発化した．

革新的なレアメタル・プロセスが本研究会の関係者から生みかつて米国マサチューセッツ工科大学( MIT )や東北大学出され，「プロセス技術がレアメタルをコモンメタルに変身に在籍していた頃から，レアメタル関係企業からの申し出にさせる」イノベーションが起こることを切に期待している．



産官学交差点図1

図2

レアメタル研究会の参加者推移( 2002 ～ 2020 年)．近年は，毎回， 100 ～ 300 人が参加する会合となり，累計参加者数は，11,000人を超えた．企業から提供された会費も 1 億円超．

2020 年 1 月 10 日に開催された第 89 回レアメタル研究会の様子． 280人収容の東京大学鉄門記念講堂は満席となった．講演会の後の意見交換会は， 300 人が参加し盛会
であった．

図3

2020 年 7 月 17 日に開催された第 91 回レアメタル研究会の様子．コロナ禍の影響で， 270 人収容の生産技術研究所のコンベンションホールにて，講演者と運営者，約20名のみが参加する事実上無観客で開催された．講演内容
は， Zoom のウェビナー機能を用いて外部に Web 配信
された．

運営面での苦労は多いものの，参加メンバーの方々に楽し
く有意義な時間を過ごしていただけることが筆者のやる気の源泉となっているものと言えよう．

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japanた「レアメタル研究会」は，国際的にも新しい形態で大きく

.

研究会運営のメリットとデメリット

発展している． 2006 年からは，筆者と筆者の恩師である米国マサチューセッツ工科大学( MIT )の D. R. Sadoway 教授

工学の研究者は“産学連携の重要性”を頭では容易に理解と 共同 で ，「米 国版 レ アメ タ ル研 究会 」 RMW ( Reactive

できる．しかし，大学の研究者として，実際に産学連携活動

Metal Workshop )を立ち上げ，毎年，米国ボストンの MITを推進することは容易ではない．

等で国際ワークショップを開催している(4)(6) ．これまでに

とりわけ，最近の若手研究者は，論文数やインパクトファ

15 回開催し，今では，毎回，数十人が世界中から集まるネ

クター，外部獲得研究資金など，容易かつ定量的にカウント

ットワークを重視した質の高い国際研究会となっている．

可能な業績の獲得を研究活動の成果として求められ，結果と一連の活動や関連する研究成果が国際的に認められ，筆者

してこれらの活動に注力しがちである．したがって，取り組は，今年 3 月にノルウェー科学技術大学より名誉学位(7) をんでもすぐに成果が出ない産学連携活動は，学術論文等の業授与されることになった．

績に直結しないため，後ろ向きになる傾向がある．
筆者自身，レアメタル研究会の企画・運営を通じて得たもレアメタル研究会を介した「国際的なレアメタル人脈」の重要性を実感し，一連の活動を通じて筆者が得た幸運にあらためて感謝している次第である．

のは，人脈(とくに企業関係者とのネットワーク)
研究トレンドに対する嗅覚

レアメタル研究会の立ち上げや運営には，一般財団法人

数々の産業上重要な研究ネタ

生産技術研究奨励会 理事 阪井 眞人氏，および，奨励会のメディアに対する発信力

関係者の皆様，東京大学 生産技術研究所 学術支援専門職員などである．一方，失ったものは，研究会の運営を通じて費

宮嵜 智子氏および岡部研関係者の皆様には，多大なご支援

やした，膨大な「時間と手間」である．この「時間と手間」

をいただきました．本研究会は，業界関係者の皆様の懇切ながあれば，もっと沢山，論文が書けたかもしれない．

サポートにより発展し，世界的にみてもユニーク，かつ，素岡部研究室の若い研究者の中には，「研究以外にも大規模会合の運営や企業との付き合いにも時間を割かなければなら晴らしい研究会組織となりました．あらためて感謝申し上げます．

ず，とても苦労する．」と愚痴っていた者もいた．さらに，配属される学生に対しては，「岡部研は，レアメタル研究会

文献などのシンポジウムの手伝いも大変だよ．」と，あたかも産学連携活動がデメリットのように言われることもあった．学生の中には，「イヤイヤ強制労働させられている．」と苦情を訴える者もいる．
しかし，筆者から見れば，学生の段階で外部の企業関係者と頻繁に接触でき，実際の現場を知り尽くしている企業人と研究の内容について議論できる機会を持てることは，研究を進めるうえでも，学生の将来の選択肢を増やす意味でも貴重な経験になると信じて疑わない．
事実，岡部研の卒業生には，筆者が専門とする化学ポテン
シャルの考え方などの学術的なことを学んだ以上に，産学連携によって外部の企業関係者と多く接触する機会を学生時代に与えられたことに感謝している者も多い．
最近，卒業生の一人から，「岡部研では，海外での活動や外国人との交流も含め，大規模会合の企画・運営に関わり，それらを通じて学んだ多くのことが今の糧になっている」と感謝された(2)(3)．筆者が長年取り組んできた，世界規模での産学連携の醍醐味を感じてもらえたことは嬉しい．

.

お わ

り

( 1 ) レアメタル研究会のホームページ， http: // www.okabe.iis.u tokyo.ac.jp/japanese/rc40_j.html( 2 ) 八木良平“金属工学系研究者の海外就職活動”，金属， 90(2020), 5759.
( 3 ) 八木良平“マサチューセッツ工科大学 滞在記～1 年間のポス
ドク生活を終えて～”，金属，90(2020), 6870.
( 4 ) ｢米国版レアメタル研究会」 RMW のホームページ， http: //www.okabe.iis.utokyo.ac.jp/coretocore/rmw/( 5 ) 岡部 徹‘先端研究拠点事業環境調和型アクティブメタル
プロセスの開発(JSPS CoretoCore Program: Development，学術月報[日本学術振興会]，
of Reactive Metal Processing)’
59(5) (2006), 7881.
( 6 ) 岡部 徹“ Reactive Metal Workshop ( RMW )～米国版レアメタル研究会～”，月刊「化学」(リレー掲載研究会へようこそ)，76(2021).
( 7 ) The Degree of Doctor Honoris Causa at NTNU, Honorary Doctor of the Norwegian University of Science and Technology(NTNU): ``Significant scientific contribution to ``URBANMINING''―developing new and more sustainable methods forthe production and resource recovery of metals used in modern
electronic devises'' (T. H. Okabe)(授賞年月日2021年 3 月15日)(内定)．
(2020年11月25日受理)[doi:10.2320/materia.60.125](〒153
8505 東京都目黒区駒場 461)に紙面の都合上，詳細は紹介できないが， 2002 年に発足し

産官学交差点研究したことが窺え，金属学を築き上げた先人の努力に敬意を払った次第である．
さらに同階では， 2016 年に呉市が鹿児島県沖で沈没した戦艦大和の潜水調査で引き揚げた品を紹介する企画展が催されており( 2020 年 1 月に終了)，金属の腐食や劣化の激しさ

大和ミュージアム(呉市海事歴史科学館)
文責帝人ナカシマメディカル株式会社

野山義裕(2019年 5 月訪問)

から戦後75年の歳月を改めて感じることができた．
3 F の展示室では，「船をつくる技術」に関する展示があり，船を中心とした科学技術の原理を体験・体感を通して分
かり易く紹介されていた(図)．ここでは船体をつくる材料を手にもって実感できる他，金属製の船が浮く仕組みや操船シミュレーター，波の性質を学べる実験水槽など，科学の不今回は，広島県呉市宝町にある呉市海事歴史科学館，通称「大和ミュージアム」を紹介する．

思議を体験しながら子供と楽しく学ぶことができる．
この隣の展示室では，「未来へ」として地球や宇宙に関す

2005年 4 月に開館した本館(図)は，日本一の海軍工廠のる科学技術のこれからについて，名誉館長(石坂浩二，松本

まちとして栄えた呉の歴史と，その近代化の礎となった造零士ら)による未来へのメッセージが紹介されていた．ここ

船・製鋼を始めとした各種の科学技術を，先人の努力や当時では戦艦大和に関する映像などが上映されており，館内を歩の生活・文化に触れながら紹介しており，日本の歴史と平和

き疲れて休息を取る際にはぜひ立ち寄って頂きたい．

の大切さ，科学技術の素晴らしさを認識することができる博物館である(1)．

同階のテラスでは，実物の巨大潜水艦「あきしお」を見ることができる．本潜水艦は約 19 年間様々な海上自衛隊の任

本館の 1 F には，全長 26.3 メートルもある 10 分の 1 戦艦務を遂行し， 2006 年 9 月に国内最大のクレーン船で陸揚げ「大和」の精巧模型を中心に，零式艦上戦闘機「零戦」や特され，本館に隣接した海上自衛隊呉史料館「てつのくじら

殊潜航艇「海龍」などの貴重な実物資料が展示されており，館」に展示されている(図)．なお，本潜水艦は全長76.2 m

当時の設計図や写真，調査水中映像とともに，目を見張るもの涙滴型であり，実艦を一部改修された状態で見学可能(入のが多く展示されていた．特に興味を引いたのは，史上最強

館料は無料)となっている．

と謳われた戦艦の装甲である．

さらに，大和ミュージアムのすぐ近くのターミナルからは，呉湾に停泊する海上自衛隊の艦船を観光できる遊覧船がg 科学館で見つけた金属材料“戦艦の装甲”

出ており，オープンデッキから見学するクルージングは迫力

耐弾力を高めた特殊鋼として，大和には独自に開発した
VH(無浸炭表面硬化)甲鈑が使用されていた．高い耐弾力を持たせるには，表面の高い高度とともに内部から裏面全体への高粘性が必要となる．これは，弾頭を甲鈑の表面で粉砕し，同時にその衝撃を受け止めなくてはならないからである．当時は浸炭という処理で表面硬度を高めた VC 甲鈑が装甲に採用されていたが，呉海軍工廠で研究を重ね VH 甲鈑が実用化したのである(2)(4) ．その他，高粘性のモリブデン
入りのニッケルクロム鋼である MNC 甲鈑や，浸炭による表面硬化はせず，焼き入れと焼き戻しを繰り返した NVNC 甲鈑を開発するなど，日本の鉄鋼技術を結集して新しい材料を

図1

大和ミュージアム外観．

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan

図2

船体の材料(左から木，鉄鋼，アルミ，FRP(繊維強化プ
ラスチック))．

図3

隣接の海上自衛隊呉史料館「てつのくじら館」．



満点であった．艦船めぐり( 30 分コース)は日に 5 便運行さ大和ミュージアムへのアクセスれており，お手頃価格であるため必見である．

〒7370029 呉市宝町 5
20
電車/バスJR 呉駅から徒歩約 5 分

文献開館時間9～18時，定休日火曜(祝日の場合は翌日)
観覧料一般500円，高校生300円，小中学生200円( 1 ) 大和ミュージアムパンフレット．
( 2 ) 究極の戦艦 大和，「丸」編集部編，光人社，(2007).
( 3 ) 戦 艦 大 和 の 全 て 超 精 密 ［ 3D CG ］ シ リ ー ズ 28  双 葉 ，(2005).
( 4 ) 秋元健治戦艦大和・武蔵―そのメカニズムと戦闘記録，現代書館，(2008), 88
89.

https://yamatomuseum.com/(2020年 2 月 3 日受理)[doi:10.2320/materia.60.129]

◇



◇

◇

科学館めぐり割合が大きい銅，赤口，青口の順で色調変化すると考えました．

～第 4 回「高校生・高専学生ポスター発表」優秀賞～




結果

図のように銅，青口，赤口の順で激しい色調変化が見ら

黄銅の色調変化の研究れました．つまり，仮説に反して銅の割合が大きい赤口よりも銅の割合が小さい青口のほうが色調変化は激しいといえま

宮城県仙台第三高等学校

す．

自然科学部化学班2 年

二階堂智明

木村昌弘

渡邉

律

柳内悠吾

川勝祐貴




考察

黄銅に関する文献(3)を調べていたところ，延性の大きさは銅の質量パーセントが 90 massの黄銅より 80 massの黄

.



背

研究内容

景

銅の方が銅に近い値をとると述べられていました．このことから，銅の割合が大きいほど銅の性質に近いとは限らないことが分かります．つまり色調変化においても銅の質量比の割

先行研究(1)より銅箔は400°
C以下で加熱すると酸化銅()合が大きい赤口のほうが青口よりも色調変化しやすいとは限の酸化皮膜が形成され，その厚みに応じて図のように色調らないし，推測もされないと判明しました．合金の専門家で変化が現れることが発見されています．私達は，銅の合金であれば基礎知識として当然のことかも知れませんが，私たちある黄銅でも色の変化が見られるのかと疑問に思い，黄銅のは，銅の質量の割合が多い合金は銅に性質が近いと勝手に思保持温度と保持時間に対する色の相関図をつくり色調変化をい込んでいました．今回の実験を通して科学は，やはり実験把握することを目的としました．

してみないとわからないということ，合金の奥深さに気づか




実験

されました．

市販(2) の黄銅箔で，銅と亜鉛の質量比が 87  13 の赤口，85 15の青口の 2 種類を用いました．これらの黄銅箔を 20mm 四方に切り，小皿に乗せて電気炉で加熱保持しました．

保持温度は160～400°C(10°C間隔)，保持時間は10～30分(10分間隔)です．


結果・考察

各黄銅箔の結果の一部を図，にそれぞれ示します．色
調変化は黄金色→黄色→橙色→桃色→薄黄色→銀色→薄桃色

図2

赤口箔の保持温度と保持時間に対する色調変化．

図3

青口箔の保持温度と保持時間に対する色調変化．

図4

250°
Cに保持された赤口，青口，銅箔の色調変化．

→灰色→黒色となり，色調変化に規則性が見られました．奇妙なことに，青口と赤口では銅の割合が小さい青口のほうが色調変化は早く，酸化されやすいという傾向が見られました．そこでホットプレートを用いて直接加熱し，どちらが色調変化しやすいかを明確にすることを次の目的としました．


実験・仮説黄銅箔の赤口，青口および銅箔の色調変化を 250°
Cのホットプレートの上で観察する実験を行いました．仮説は，銅の図1

銅箔の保持温度と保持時間に対する色調変化．

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan




.

作品への応用.

感

想

今回色調変化した黄銅は，とてもきれいだったので作品をコロナ渦などの影響もあり，この研究を始めたのは今年作りました．これを，着色したガラスを意味する「ステンド( 2020 )の 6 月からでした．金属学会で発表したのは 9 月中グラス」と，黄銅という意味の「 brass(ブラス)」をかけて旬ということで 3 か月間に及んで黄銅の研究をしていたこ「ステンドブラス」と命名しました(図)．

とになります． 160 °C から 400 °C まで各温度で 10 分， 20分，
30 分と赤口と青口の 2 種類に対して行い，かなりの時間と労力を費やしてきました．そして思ったことが一つあります．それはとても充実していたということです．忙しいこと
は，充実した日々を送っているという証であるということを研究とともに学びました．研究できる環境に恵まれたことを感謝し，残り少ない高校生活，研究生活を大事に過ごしていこうと思います．

文
図5



ステンドブラス．

献( 1 ) 宮城県仙台第三高等学校 門口尚広第 58 回日本学生科学賞
作品集，(2014年)「銅箔の色調変化の研究」．
( 2 ) 絵の具屋三吉 https: // www.sankichi.com / SHOP / 04 00023.
html ( 青 口 洋 箔 ) ， https: // www.sankichi.com / SHOP / 04 
00022.html(赤口洋箔)( 3 ) 大森正信，若狭邦男，吉永芳豊日本金属学会誌，37(1973),
11881194.
(2020年11月25日受理)[doi:10.2320/materia.60.131]

スポットライト

本
会

告

会

記

事

第 2 回日本金属学会フロンティア研究助成募集 ……………133
2021年春期(第168回)講演大会ご案内ならびに参加申込みについて ………………………………………………………………134
2021年春期講演大会ホームページ・バナー広告募集 ………136
2021年秋期講演大会開催予告 …………………………………136
2021年秋期講演大会企画・公募シンポジウムテーマ提案募集…………………………………………………………………136
各賞(村上記念賞・村上奨励賞・奨励賞・論文賞・新進論文賞・まてりあ賞)候補者推薦募集 ……………………………137

掲示板 ……………………………137 まてりあ次号予告 ………………141
新入会員 …………………………139 行事カレンダー …………………142
会誌・欧文誌 2 号目次 …………140
投稿規程・出版案内・入会申込はホームページをご利用下さい．

会

事務局 渉 外 ・ 国 際 関 係secgnl＠jim.or.jp
会員サービス全般account＠jim.or.jp
会費・各種支払member＠jim.or.jp
刊 行 物 申 込 みordering＠jim.or.jp
セミナーシンポジウム参加申込みmeeting＠jim.or.jp
講 演 大 会annualm＠jim.or.jp
総 務 ・ 各 種 賞gaffair＠jim.or.jp
学術情報サービス全般secgnl＠jim.or.jp
調 査 ・ 研 究stevent＠jim.or.jp
まてりあ・広告materia＠jim.or.jp
会 誌 ・ 欧 文 誌editjt＠jim.or.jp
公益社団法人日本金属学会〒 仙台市青葉区一番町




 FAX 




TEL 
https://jim.or.jp/

告(ホームページもご参照下さい)
第回日本金属学会フロンティア研究助成募集

教育・研究機関での金属及びその関連材料分野の学術研究及び技術研究の発展や若手研究者の育成や奨励を主な目的として，金属及びその関連材料分野に関連する材料又はプロセスに関する研究に助成金を交付いたします．下記の通り第 2 回目の助成の対象となる研究を募集いたしますので，応募下さい．
募集期間
年月日(月)～月日(水)まで
募集要項

申請書の様式は，本会のホームページからダウンロー

応募資格ドできます．

応募者(代表者)は， 2021年 4 月 1 日時点で45歳以下 の日本の教必要事項応募者，研究題名，研究分担者(共同研究者がある場

育機関または公的研究機関に所属し，日本国内で研究に従事する合)，予算(費目，金額)，研究目的(背景，必要性，意者(学生・大学院生および企業との兼務者を除く)であること．た義，価値，成果活用の見込み等)，研究計画(実施計

だし，共同研究者は国外でも可とする．

画，成果目標等)，報告予定，該当する分科，研究業

応募は一人一件とします．同一研究室からの複数応募は可能です績，金属学会での活動実績等

が，新規採択は 1 件とします．

 作成要領

活動開始時には，非会員は会員になることが望ましい．

「研究助成金申請書」に記載された作成要領に従って日本語(専門助成の対象となる研究
金属及びその関連材料分野に関連する材料又はプロセスに関する調査，試験，研究及び開発とする．

語等で部分的に外国語を使用することは可)で作成すること．申請書については，作成要領に明記されたページ数制限を遵守する
こと．制限ページ数を超えた申請は受け付けません．

研究期間

助成研究の実施期間は，原則 2 年間とする．研究開始日
が年度途中となる場合は，年度をまたいだ 2 年間とする．

作成した研究助成金申請書を，Email の添付ファイルで提出して助成件数年間10件以下下さい．

1 件あたり，150万円
助成金の使途

助成金額

研究等に直接必要な費用及び所属組織の必要最低限の間接経費に充当すること．研究者の人件費(臨時雇用の研究補助者等の費用を除く)には充当できないものとする．
助成金の交付方法および交付期間
研究助成金の交付方法は，原則として，助成実施者が所属する組織に対する奨学寄付の形とする．共同研究者が別の組織に所属する場合は，複数の組織に交付することは可能です．
研究助成金の交付期間は，原則として，理事会決定以降12月31日までの間とします．研究実施者は，速やかに助成金受領のために助成金交付の手続き(奨学寄附受付窓口の連絡等)を行うこと．

 提出方法なお，ファイルは MSWord 形式とて下さい．Fax や紙での申請は受け付けません．
提出書類等は，採否にかかわらず返却しません．
【遵守事項】
研究助成金の交付を受ける際には，研究実施者(応募者及び共同研究者)は，次の事項を遵守下さい．
 助成研究は，あらかじめ本会に提出した助成研究実施計画に従っ◯て実施すること．
 助成研究の実施過程において助成研究実施計画を変更する必要が◯生じた場合(中止する場合を含む)は速やかに報告し，重大な変更については本会と対応を協議すること．
 助成実施者が所属している組織から別の組織に異動する場合は，◯本会と対応を協議すること．

応募方法
 提出書類所定様式の「研究助成金申請書」に必要事項を記入し，


提出して下さい．

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan

 研究終了 6 ヶ月後までに，終了報告書( A4 様式 1 枚)及び成果報◯告書を日本語(専門語等で部分的に外国語を使用することは可)で作成し，原則として E mail 添付にて提出すること．なお，成果報告書は“まてりあ”への成果報告(2 頁)の投稿に代えるものとの所属する組織に帰属します．

2.

する．

助成研究の成果の帰属
助成研究の成果として得られた特許等の知的財産権は，原則とし 本会から求められた場合は，実施状況を報告すること．また本会◯が研究施設への訪問を希望した場合は，可能な範囲で対応するこて研究実施者に帰属します．

3.

助成研究の成果の公表等
成果報告は，この法人の会報及びホームページ上で一般の閲覧にと．
 研究実施者又は研究実施者の所属する組織は，帳簿を備え，助成◯研究に係わる経理を他の経理と明確に区別し，本会から照会があ

供します．

4.

申請書記載情報の取り扱い
申請書に記載された研究情報については，審査・選考以外の目的った場合はこれに応ずること．
 研究成果は研究開始時から研究完了後 1 年までの間に本会の講演◯には一切使用しません．

大会における発表 2 件及び本会の欧文誌又は会誌に論文を投稿すること．
 研究成果を学会・学術論文誌・新聞等に発表する場合は，事前に◯また，個人情報については，本会外へは一切漏洩しません．

5. その他留意事項
 採否の事由は非公開とし，これに関する問い合わせにはお答えし◯本会に連絡するとともに，本会から資金援助を受けたことを明記ません．
 研究助成金の申請後，何らかの理由により研究を実施できないこ◯すること．
 実施計画に記載した研究を実施しなかった場合，提出期限後 1 年◯を経過しても研究成果(中間)報告書の提出がない場合又は研究実とが判明した場合，速やかに本会に報告すること．
問合・申請先申請書は下記 E mail アドレスに提出下さい． 2, 3

施者が研究中止の申し出をした場合には，研究助成金の全額又は日過ぎても受理返信通知のない場合は，ご連絡下さ残額を返還すること．

い．

【留意事項】(公社)日本金属学会 フロンティア研究助成係

1.

Email: gaffair＠jim.or.jp

機器・設備等の帰属

 0222233685

助成金により取得された機器・設備等は，原則として研究実施者

年春期(第回)講演大会ご案内ならびに参加申込みについて
春期講演大会は，3 月16日(火)から19日(金)までオンラインにて開催します．
尚，参加申込みは，すべてインターネット申込となります．詳細は，下記申込要領をご覧下さい．
日日時

月日(火)月日(水)900～1200
1300～1700
月日(木)900～1700
月日(金)900～1700《
年春期講演大会

程行

事

ポスターセッション，高校生・高専学生ポスターセッション，オンライン懇親会
学会賞受賞記念講演，本多記念講演
学術講演
学術講演会
学術講演会

開催予定の各種シンポジウム》

公募シンポジウムテーマ
S1
S2
S3
S4

永久磁石開発の元素戦略 8 ―次世代新材料に向けた基礎・基盤研究―
医療・福祉のための Additive manufacturing の材料科学
ナノ・マイクロスペーステイラリング
ハイエントロピー合金の材料科学

S5 金属表面の材料化学―めっき・耐食性・耐酸化性・触媒研究の新展開―
S6 プラストンの材料科学
S7 材料機能特性のアーキテクチャー構築シンポジウム
―組織制御プロセスの理論と実験に基づく予測と解析―

企画シンポジウムテーマ
K1 どこまで実現したか，超スマート社会(仮題)Road to Smart Society ～State
ofthe
art and prospectus of materials in smart device～Society 5.0で標榜されるスマート社会においては，実空間(フィジカル空間)とサイバー空間の間で常に情報通信が行われる．こうした高度な情報通
信には，回路・情報処理技術とともにセンシングデバイス・情報処理デバイスなどのデバイス・材料が両輪をなす必要がある事は言うまでもない．しかしながら，AI・ニューロモーフィックデバイスに代表されるように，材料開発の指針が必ずしも明確ではない例もある．本シンポジウムでは，スマート社会を支える材料・デバイス開発として，ディスプレイ材料・IoT 用センサー材料，AI・ニューロモーフィックデバイスに関する最新動向，ならびに，特に材料開発の課題と期待について話題を提供して頂き，金属学会に係る研究者が貢献可能な課題を発掘する一助としたい．
K2 工業製品における材料選択とマルチマテリアル構造～航空機機体～
Materials selection and multimaterial structure in commercial products～aircraft fuselage～
ものづくりの基盤形成を担う第 8 分科発案のシンポジウムで，身の回りの工業製品がどのような材料からできているか，また材料選択やマルチマテ
リアル構造についてどのように考えるべきなのかを，広く議論する場を提供することを目的とする．1 回目の今回は「航空機機体」を取り上げ，材料の企業研究者だけでなく，機体メーカーや運航会社の技術者などにも講演を依頼し，業界の動向や課題，各材料の強みや弱み，新材料の開発ならびに適用可能性について情報提供を頂くことを計画している．これまでの講演大会にはなかった『材料を横断的に捉えるシンポジウム』として，シリーズ化していくことを考えている．



本 会 記 事

参加申込要領
インターネットによる大会事前参加申込締切 
年月
日(金)大会参加申込み URL

https://www.jim.or.jp/convention/2021spring/

参加申込締切後，参加方法や講演概要ダウンロードについては，下記をご参照下さい．なお，領収書は，決済完了後に申込画面から各自印刷して下さい(WEB 画面講演大会 MyPage よりダウンロード)．

◆大会参加費(講演概要ダウンロード権含む)※年会費とは異なります．
事前参加申込締切後の後期(当日)申込を設定しました．
参加費・懇親会費の消費税扱については，ホームページ(一覧表 PDF)をご参照下さい．
予約申込締切日
会

員

資

月
日(金)(申込および入金期日)
事前申込
後期(当日)申込(インターネット申込・事前支払い) (3 月 3 日～会期最終日)

格

正員・維持員会社社員，シンポジウム共催・協賛の学協会・鉄鋼協会会員(本会非会員)

10,000円

13,000円

個人会員で2021年 3 月 1 日時点で65歳以上の方

無

無

学生員

6,000円

7,000円非会員
 一般

24,000円

27,000円

非会員 学生(大学院生含む)

14,000円

16,000円

料

料

お支払後の取消は，準備の都合上ご返金いたしかねますのでご了承下さい．
 65歳以上の個人会員 会員情報に生年月日のご登録がない場合は，課金されますのでご注意下さい．会員情報に生年月日をご登録させて頂きますので，大会参加登録の前に annualm＠jim.or.jp まで会員番号・お名前・ご連絡先・生年月日をお知らせ下さい．
 学生員 卒業予定変更等により会員種別に相違がある場合，事前に会員種別の変更手続きを行ってから，大会参加をお申込下さい．
非会員の(有料)参加申込者には，1 年間の会員資格を付与します．ただし特典は重複して付与いたしません．

◆支払方法
お支払いはクレジットカードおよびコンビニ振込決済をご利用頂けます．また，入金後のご返金は致しかねます．2 月26日(金)の入金日をもって事前参加申込完了となります．

◆参加方法および講演概要の WEB 公開
講演概要の公開日は，大会 2 週間前の2021年 3 月 2 日(火)です．参加申込みをされ，参加費を納入された方へは，概要公開日にオンライ
ン参加に必要な参加者個別認証 ID とパスワードを配信いたします．講演大会公開サイトにログイン後，講演概要の閲覧ができます．
特許関係のお手続きは，公開日までにお済ませ下さい．

◆講演概要集購入について
講演概要集 DVD は作成いたしません．全講演概要は，本大会 Web サイトで公開をします．これまで概要集 DVD のみ購入をされていた方も，通常の参加登録をして頂き，概要の閲覧をお願いします．

◆懇親会開催案内(※金属学会単独開催）
開催日時

月日(火) ～開催方法

オンライン会議ツールRemo(予定）

参加費

無料

参加登録期間事前登録(11月25日(水)～2 月26日(金)）および当日申込

登録方法
大会参加申込みの際，「懇親会に参加する」で申込して下さい．
申込者へは，3 月上旬に会場 URL と参加方法の案内を配信します．
※懇親会にて優秀ポスター賞発表および授賞を行います．
参加申込・問合先〒9808544 仙台市青葉区一番町 11432(公社)日本金属学会

 0222233685

FAX 0222236312 Email: annualm＠jim.or.jp%～皆様のご参加をお待ちしております．～

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan年春期講演大会
大会ホームページ・バナー広告 各募集要領
2021年 3 月16日(火)～19日(金)の 4 日間，オンラインにて開催される春期講演大会にて，各種広告，オンライン展示，各種セミナーを募集いたします．
■大会ホームページ・バナー広告※本会維持員様，プログラム広告掲載会社様

2021年 1 月末～(会期終了後もアーカイブで掲載期間

閲覧できます)は，50OFF．
申込最終締切 月日(火)アクセス数

255,000アクセス(約 2 ヶ月，前回参考値)

サイズ

タテ80ピクセル×ヨコ160ピクセル(静止画)■申込・問合先

データ形式

静止画 PNG(.png)，JPEG(.jpg)，GIF(.gif)〒1040061 東京都中央区銀座 7124(友野本社ビル 7F)

掲載料金

リンク先アドレスも合わせてご指定下さい．

株式会社

バナーデータ(＋リンク先指定)入稿後，1 週

 0335461337

間程度で掲載させて頂きます．

Email: tsukioka＠meihosha.co.jp

1 枠50,000円(税別)

URL: http://www.meihosha.co.jp※バナーデータ制作費

明報社(担当月岡太郎)
FAX 0335466306%

は別途です．

年秋期講演大会開催予告
開催日

2021年 9 月 2 日(木)～4 日(土)開催場所

名城大学天白キャンパス(予定)詳

まてりあ60巻 5 号会告掲載予定

細




年秋期講演大会(名城大学)
企画シンポジウムテーマ募集
提案期限2021年 2 月19日(金)年秋期講演大会(名城大学)

公募シンポジウムテーマ提案募集

期日厳守

提案期限2021年 2 月19日(金)期日厳守

最新の研究や技術を発信し，多くの研究者・技術者が集い会員の研究活動一層の活性化を図ることを目的として，春交流する魅力ある講演大会を目指して， 2017 年秋期講演大秋大会において会員からの提案テーマによるシンポジウム講会より企画シンポジウムを実施しています．従来の公募シン演を実施いたしており，活況を呈しております．今年の秋期

ポジウムとは違い，企業の方に積極的に講演頂くため，講演大会の公募シンポジウムテーマを募集いたします．次の要領

概要原稿の提出は問いません．講演発表は，一般(応募)講演をご参照のうえ，活発な討論が期待できる有益なテーマを積枠は設けず，依頼講演および基調講演に限定いたします．

極的にご提案下さい．(提案様式はホームページよりダウン

次の要領をご参照のうえ，活発な討論が期待できる有益なロードして下さい．）

テーマおよび他学会との連携企画等積極的にご提案下さい．
(提案様式はホームぺージよりダウンロードして下さい．）
詳細まてりあ59巻12月号700頁またはホームページ→講演大会→お知らせ

問合・照会先FAX 0222236312%

日本金属学会講演大会委員会宛細

まてりあ59巻12月号699頁またはホームページ→講演大会→お知らせEmail: stevent＠jim.or.jp

 0222233685

詳

問合・照会先Email stevent＠jim.or.jp

 0222233685

FAX 0222236312%

日本金属学会講演大会委員会宛

本 会 記 事

各種賞推薦(自薦)のお願い
下記の推薦をお願いします．

第
回村上記念賞
推薦資格

候補者推薦のお願い

第回論文賞・第回新進論文賞 候補論文推薦(自薦)のお願い

本会代議員による推薦

推薦資格

推薦締切 年月日(金)詳細本会代議員，会誌・欧文誌編集委員，当該論文の査読者，著者本人

まてりあ59巻12号692頁またはホームページ→表彰

推薦締切 年月日(金)詳細まてりあ59巻12号693頁またはホームページ→表彰

第回村上奨励賞・第回奨励賞 候補者推薦のお願い
推薦資格

第回まてりあ賞

本会代議員 1 名，講演大会委員 1 名または正員 3名による推薦

推薦資格

推薦締切 年月日(金)詳細会報編集委員または正員 3 名による推薦，著者本人

推薦締切 年月日(金)まてりあ59巻12号692頁またはホームページ→表彰

詳

◇

◇

細

まてりあ59巻12号694頁またはホームページ→表彰◇(3) これまでの研究の概要(2,000字程度)〈公募類記事〉
無料掲載募集人員，締切日，問合先のみ掲載．
有料掲載1/4頁(700～800文字)程度．
「まてりあ」とホームページに掲載15,000円＋税ホームページのみ掲載
10,000円＋税〈その他の記事〉 原則として有料掲載．
原稿締切・掲載号毎月 1 日締切で翌月号 1 回掲載
原稿提出方法電子メール(受け取りメールの確認をして下さい)原稿送信先%FAX 0222236312 Email : materia＠jim.or.jp

公(4) 研究に関する抱負(2,000字程度)(5) 教育に関する抱負(1,000字程度)(6) 主要論文別刷 5 編(コピー可)( 7 ) 作成した計算科学プログラムまたはサブルーチンの説明(1,000字程度)( 8 ) 推薦書 2 部，または照会可能者 2 名の氏名

募

及び連絡先

◇東北大学金属材料研究所
准教授公募◇

計算材料学研究部門

公募人員

准教授 1 名所

計算材料学研究部門(久保研究室)

属

研究分野

推薦(自薦)のお願い

分子動力学法，第一原理計算，第一原理分子動力学法，粗視化分子動力学法などの計算科学・理論

公募締切
書類送付先

2021年 2 月19日(金)必着〒9808577 仙台市青葉区片平 211
東北大学金属材料研究所教授

計算材料学研究部門

久保百司＊応募書類の封筒表面には「計算材料学研究部門

准教授

応募書類在中」と朱書きし，必ず書留にてお送り下さい．
問合せ先

教授

久保百司

科学．材料，化学，物理，金属，機械，バイオな 0222152050

ど広範な分野の出身の方から募集いたします．

Email: momoji_at_imr.tohoku.ac.jp(_at_ を＠に

応募資格

博士の学位を有する方

変えて下さい)着任時期決定後，できるだけ早い時期

http://www.simulation.imr.tohoku.ac.jp

任

10年(審査により再任 1 回可，その場合の任期は

期

提出書類

2032年 3 月末まで)

公募情報の詳細は下記 URL をご参照下さい．

(1) 履歴書(写真添付)

http: // www.imr.tohoku.ac.jp / ja / news / open _ position /(2) 研究業績リスト(原著論文，国際会議プロシ

detailid520.html

ーディングス，著書，解説，受賞，特許，競争的資金獲得状況，招待講演，その他に
分 類 )， 論 文デ ー タ ベー ス 個 人 ID (例 え ば
ResearcherID)があればリストの初めに記載

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia JapanURL を参照して下さい．

◇豊橋技術科学大学大学院工学研究科
機械工学系 教員(助教)公募◇
募集人員

助教 名

所

機械工学系

属

専門分野
応募資格

https: // www.hiroshima u.ac.jp / employment /kyoinkobo/senshin

書類提出先
材料・生産加工分野

添付して下記のアドレス宛に送付すること．

各種構造・機能材料におけるナノレベルでの組織「未来を拓く地方協奏プラットフォーム」コン制御および強度・破壊特性評価に関する分野

ソーシアム事務局

博士あるいは PhD の学位を有するか着任までに送付先 Email アドレス
consortiumkoubo＠office.hiroshimau.ac.jp

取得見込みの方採用予定時期
勤務形態

応募書類を全て PDF ファイルにし，Email に

令和 3 ( 2021 )年 10 月 1 日以降できるだけ早応募締切 年月日(月)午前時

い時期

問合せ先
応募について常勤(任期あり)◯

任期 5 年(採用後 5 年以内にテニュア審査を受「未来を拓く地方協奏プラットフォーム」コンソーシアム

け，合格すればテニュア助教(任期なし)となるこ

事務局とができる)

問合せ先 Email アドレス

応募締切 年月日(金)(必着)〒4418580 愛知県豊橋市天伯町雲雀ヶ丘 11

書類送付先

consortiumkoubo＠office.hiroshimau.ac.jp

◯

研究環境について

豊橋技術科学大学

大学院工学研究科

広島大学東広島地区運営支援部 工学系総括支援室 人事担当

機械工学系

伊崎昌伸

問合せ先 Email アドレス

系長

koujinji＠office.hiroshimau.ac.jp※「材料・生産加工分野教員(助教)応募書類在中」と朱記し，書留で郵送して下さい．
問合せ先

機械工学系 教授三浦博己

 0532446697

Email: miura＠me.tut.ac.jp

集◇NIMS 先端計測シンポジウム2021◇
オペランド・先端計測のデジタルトランス
フォーメーション(DX)※詳細は下記の URL をご参照下さい．
https://www.tut.ac.jp/about/kyoinkoubo.html

主◇14・15期(2021年度)「未来を拓く地方協奏プラットフォーム」
コンソーシアム教員公募【広島大学/エネルギー変換材料工学，
エネルギー貯蔵材料/助教(テニュアトラック)】◇
募集人員

助教(テニュアトラック) 名

所属

広島大学学術院(大学院先進理工系科学研究科)

専門分野

エネルギー変換材料工学，エネルギー貯蔵材料

応募資格

以下に掲げる条件をすべて満たす女性研究者．

◯

着任時までに博士号を取得していること．

◯2020 年 4 月 1 日に，博士号を取得後 10 年以内又は同等

会

催「先進材料イノベーションを加速する最先端計測
基盤技術の開発」 プロジェクト
開催期日 年月日(金) 時分～時分(オンラインによる開催)
申 込 先 amc＝nims.go.jp［＝ → ＠］締
切 年月日(水)問 合 先 国立研究開発法人 物質・材料研究機構
先端材料解析研究拠点 運営室
 029(851)3354 内線 3861
Email: amc＠ml.nims.go.jp＊詳細は下記ページをご覧下さい．
https: / / www.nims.go.jp / research / materials analysis /events/amcp_sympo2021.html

程度の研究経歴を有し，かつ，40歳未満である者(ただし，臨床研修を課せられた医学系分野においては 43 歳
未満)．

◯

英語によるコミュニケーション能力を有すること．

◯

日本語又は英語による学部・大学院生への授業及び研究指導ができること．

◯2021 年 10 月 1 日以降，できる限り早い時期に赴任でき◯

科学技術イノベーションの実現に向けて積極的な研究活ること(2021年度中であること)．
動を行う意志をもつこと
着任時期

2021 年 10 月 1 日以降， 2021 年度中のできる限り早い時期とする．
提出書類

※応募要領および応募書類の様式は，以下の◇レアメタル研究会◇■主催レアメタル研究会■主 宰 者東京大学生産技術研究所 教授 岡部 徹
■協力(一財)生産技術研究奨励会(特別研究会 RC 
40)
■共催東京大学マテリアル工学セミナー
レアメタルの環境調和型リサイクル技術の開発
研究会
東京大学生産技術研究所 持続型エネルギー・
材料統合研究センター
東京大学生産技術研究所 非鉄金属資源循環工

本 会 記 事

学寄付研究部門(JX 金属寄付ユニット)■協
賛(公社)日本金属学会 他■開催会場東京大学生産技術研究所 An 棟 2 階 コンベ
ンションホール〒1538505 目黒区駒場 461(最寄り駅駒場東大前，東北沢，代々木上原)
https://www.iis.utokyo.ac.jp/ja/access/■参加登録・問合わせ
岡部研 レアメタル研究会事務担当 宮嵜智子(okabelab＠iis.utokyo.ac.jp)■第95回 2021年 3 月12日(金) 1400～
An 棟 2F

午後200～
司会 東京大学 生産技術研究所 特任教授 所
金の湿式精錬について
住友金属鉱山株式会社
東京大学

千晴

顧問

生産技術研究所

特任教授

黒川晴正

講師

布施正暁

講師

水銀を利用する金の製錬の現状と課題(仮)広島大学大学院 先進理工系科学研究科 准教授

講演依頼検討中
パネルディスカッション
モデレーター

東京大学

生産技術研究所特任教授

所 千晴，岡部 徹
午後 600～
研究交流会・意見交換会(←Web での開催を企画予定)
詳細については今後ホームページに掲載いたします．
レアメタル研究会ホームページ URL:
https://www.okabe.iis.utokyo.ac.jp/japanese/rc40_ j.html

コンベンションホール

リアル講演会＋講演のネット配信のハイブリッド研究会
テーマ 非鉄金属製錬，貴金属，環境問題～ 掲示板は，ホームページにも掲載しております．https://jim.or.jp をご覧下さい．～

◇

◇

◇

(2020年11月21日～2020年12月18日)

正

員

今川裕也
加藤光章
学

生

浅沼賢太
打越雄央
江角洸樹
榎本
悟
大多和義将
大野聖海
岡田
拓
神林泰地
小林遼也
近藤吉史
坂田良真

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
株式会社東芝

菊地勇太朗
中田百科

日本重化学工業株式会社

平上大輔

日本製鉄株式会社

松本有平
森智
洋
安江
光
山崎隼輔
山田真太郎
湯浅友暉
李
研碩
若旅航基
脇山
響

近畿大学

株式会社 日立製作所

員
同志社大学
東北大学
関西大学
東京理科大学名古屋工業大学
東海大学
大阪大学
芝浦工業大学
神戸大学
大阪大学
東北大学

三 宮 大 喜 神戸大学/ジャパンファインスチール株式会社
清 水 晴 香 同志社大学
杉田諒 千葉工業大学
CHEN Xuewen 名古屋工業大学
富
森 雄 東北大学
畑
拓 仁 大阪大学
林 田 篤 志 関西大学
平 松 大 希 北海道大学
堀和 也 横浜国立大学
馬天 暢 東京工業大学
前 澤 裕 俊 早稲田大学

信州大学
名古屋工業大学
金沢大学
名古屋工業大学
名古屋工業大学
金沢大学
東北大学
長岡技術科学大学

外国学生会員NGUYEN BA VU CHINH

長岡技術科学大学

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan

劉

方舟

東北大学




Mechanics of Materials

日 本 金 属 学 会 誌 掲 載 論 文Vol. 85, No. 2（2021）―論

Shunsuke Sasaki, Tatsuro Katsumura and Hiroki Ota

文―

純 Ni および NiCr 合金における水素脆化挙動の結晶
粒径依存性
小林直弘

小山元道

小林憲司

北條智彦

秋山英二

水酸化カリウムを用いたジンケート浴からの亜鉛の電析挙動とその微細構造に及ぼす有機添加剤の影響
福元健太

大上

悟

丹羽

司

菊池義治

赤松慎也
中野博昭

CyclicHPT 加工により得られる定常結晶粒径に及ぼす 1 パスひずみの影響
佐藤宏和

足立

望

戸義一

水素チャージ下低速度引張せん断試験による高張力鋼
板のスポット溶接部の迅速水素脆化評価法
北原学

Effect of Thermal History on Hot Workability of
Cr Multiphase Steel during Hot Working
Fe

松岡秀明

浅田崇史

Subsurface Crack Propagation from Internal
Defect in Rolling Contact Fatigue of Railway
Takanori Kato, Takashi Fujimura,
Wheel Steel
Shinichiro Hiramatsu and Yuichiro Yamamoto

Fatigue Characteristics of DP780 Steel Spot Welding Joints with Different Static Fracture Modes
Lihua Xie, Bowen Shi, Zhenkang Xiao, Jiangwei Ren andDong LiA New Model for Predicting the Creep-Fatigue
Life under Stepped-Isothermal Fatigue Loading
Liange He, Lan Zhou, Jianqiang Su, Bin Zhang andWenjun Shi

Thermal Fatigue Life Prediction of BGA Solder
Joints Using a Creep Constitutive Equation Incorporating Microstructural Coarsening Effect
Kouichi Morooka and Yoshiharu Kariya―速 報 論 文―
異種合金粉末を原料としたスペーサ法により作製された 3 層構造ポーラスアルミニウムの圧縮特性
半谷禎彦

安藤瑞季

鈴木良祐

松原雅昭

宇都宮登雄
吉川暢宏

Materials Transactions 掲載論文
Vol. 62, No. 2（2021）―Overview―
Metals and Medicine

Takao Hanawa―Regular Article―
Materials Physics

Interband Contribution to Thermoelectric ProperCu
Ir Quasicrystalline Approximant
ties of Al
Koichi Kitahara and Kaoru Kimura
Microstructure of Materials

Time-Resolved Observation of Phase TransformaC System during Cooling via X-ray Abtion in Fesorption Spectroscopy
Yasuhiro Niwa, Kei Takahashi, Kouhei Ichiyanagi and
Masao Kimura

A New Approximate Solution for Diffusional
Growth and Dissolution of Spherical Precipitates
Akira Seki and Kotarou Hayashi

In Situ Synchrotron X-ray Analysis: Application ofHigh-Pressure Sliding Process to Ti Allotropic
Transformation
Zenji Horita, Daisuke Maruno, Yukimasa Ikeda,
Takahiro Masuda, Yongpeng Tang, Makoto Arita,
Yuji Higo, Yoshinori Tange and Yasuo Ohishi



Temperature-Dependent Deformation Behavior ofMg
Sc Alloys Fabricated by Multi-DirectionalAlForging at Room Temperature
Shunsuke Yamazaki, Syutaro Sawa, Chihiro Watanabe,
Ryoichi Monzen, Tomoya Aoba and Hiromi Miura

Dislocation Structures Formed inside Dislocation
Channels of Rapid-Cooled and Tensile-Deformed
Aluminum Single Crystals
Ryoma Fukuoka, Kazushige Tokuno, Masatoshi Mitsuhara,
Kohei Yamakoshi, Shinnosuke Tsuchida, Junji Miyamoto
and Masahiro Hagino

Improvement of Mechanical Properties by MicroCr
W
Ni
structural Evolution of Biomedical Co
Alloys with the Addition of Mn and Si
Kosuke Ueki, Soh Yanagihara, Kyosuke Ueda, Masaaki
Nakai, Takayoshi Nakano and Takayuki Narushima

Creep Fracture of Aluminum and Copper-Tilt Σ3, 3, 9 Grain BounTricrystals Having〈110〉Tatsuya Okada, Hiromu Hisazawa,
dariesAkihiro Iwasaki, Katsuya Kawaguchi, Hiroki Morimoto,Kazuki Nakao, Tomoyuki Ueki and Takuro Tomita
Materials Chemistry

Quantitative Analysis on Influence of Structural
Conditions on Thermoelectric Properties of Tilted
Rod-Ni/Mg2Si Composites Based on Finite EleTakashi Itohment Simulation
Materials Processing

Statistical Evaluation of Mechanical Properties ofThermally Sprayed Alumina Coatings by NanoinKosuke Sanami, Kentaro Shinoda,
dentation Method
Atsushi Yumoto and Jun Akedo

本 会 記 事In Situ Observations of the Formation of Surface
Fine Crevice Structures Created by Laser IrradiaJaebong Yeon, Peiyuan Ni, Masashi Nakamoto andtionToshihiro Tanaka

Comparative Investigation of the Mechanical andWear Properties of Multilayer Si-DLC/DLC Films
Yukio Kobayashi and Akio Nishimoto

Energy Absorption Behaviors of Laser Additive
Manufactured Aluminium Alloy Thin-Walled Tube
Tailored by Heat Treatment
Xu Niu, Ruixian Qin, Yunzhuo Lu and Bingzhi Chen

Engineering Materials and Their Applications

Synthesis of Highly Activated Magnesium by Niobium and Tantalum Gel Oxide Catalyst
Pankaj Kumar Singh, Hiroyuki Gi, Keita Shinzato,
Kiyofumi Katagiri, Hiroki Miyaoka, Takayuki Ichikawa andYoshitsugu Kojima―Technical Article―
Surface Microstructure and Its Growth Behavior
by Nitrocarburizing with Lithium Added Molten
0.4 massC Alloy
Salt in Fe
Haruna Ishizuka, Youichi Watanabe and Masao Takeyama
Announcement

まてりあ［金 属 素 描］No. 15

第
巻号

ネオジム

特集「水素科学の最前線ス」の挑戦」

新学術領域研究「ハイドロジェノミク

予告［プロムナード］C60・ナノチューブ研究の30年と今後の展望………………………………東北大 齋藤理一郎―他―
編集の都合により変更になる場合があります

超々ジュラルミンと零戦
吉田英雄 著
本書のタイトルである「超々ジュラルミン」と「零戦」と聞くと，

第 5 章「零戦主翼への適用」でようやく，冒頭の「風立ちぬ」の本誌読者(＝材料研究・開発に関連する方々)の中には，2013年公開

主人公，堀越二郎が出てくる．ちなみに，『「風立ちぬ」で描いていの宮崎駿監督作品「風立ちぬ」を連想する方も多いと思う．もちろた航空機は，零戦ではなく，そこに至るまでの七試艦上戦闘機や九ん著者もそれを意識して「はじめに」において主人公(堀越二郎)の試単座戦闘機である．』とのことである．ここから第 6 章「零戦の上司の言葉『ジュラルミンの押し出し材とはぜいたくなものだ…』プロペラ」と，零戦への超々ジュラルミンの適用について話がすす

株 (＝を引用している．一方著者は，住友軽金属工業
「風立ちぬ」のむ．第 7 章「アルミニウムの製造技術からみた第二次世界大戦にお中で材料供給していた会社から戦後分離独立してできた会社)で長ける日米の技術力比較」，第 8 章「第二次世界大戦後の航空機材料

年航空機材料を研究してきており，軽金属学会賞等多くの実績を有の発展」では，製錬，連続鋳造，圧延技術までの航空機用アルミニ

する研究者の視点から，『アニメの中の九試単座戦闘機に使われたウム部材製造技術，合金開発動向について解説している．

押出形材はそもそもジュラルミンなのかという疑問』
を呈している．

第 9 章「おわりになぜ日本は世界最強のアルミニウム合金が開

本書は，超々ジュラルミンが開発された背景を，ジュラルミンか

発できたか」は，本書を通じて読者，特にこれから材料開発を志ら遡ってその歴史を明らかにし，超々ジュラルミンがどのようにしす研究者，に伝えたい先達の研究姿勢と著者の思いが記されている．

て短期間で開発され零戦に採用されたかを，開発当時のエピソードと共に材料研究者の視点から詳細に解説したものである．

本書はアルミニウムに魅せられた著者が，研究者の視点からまとめたアルミニウム合金の技術史である．アルミニウム合金開発に関

第 1 章「ジュラルミンとツェッペリン飛行船」，第 2 章「欧米の連した研究者の肖像や実際の航空機等の挿絵のみならず，実際のデ超ジュラルミンの研究開発(1920年代)」ではジュラルミンから超ジータ，33にも及ぶアルミニウムに関するコラムも掲載されており，

ュラルミン開発までの歴史をまとめたものである．第 3 章「日本に著者が本書を自費出版したことからもわかるように，アルミニウム

おけるジュラルミン，超ジュラルミンの研究開発」ではツェッペリ

合金開発に対する幅広い知識と愛情が感じられる一冊である．なン飛行船の骨材(本書表紙にも掲載)分析から始まった日本の航空機

お，冒頭の著者の疑問の回答については，是非本書を読んで確かめ

用アルミニウム合金の研究開発，国内でのジュラルミン研究の歴ていただきたい．

史，工業化までを解説している．第 4 章「短期間で開発できた超々ジュラルミン」では超々ジュラルミンの生みの親である五十嵐勇博＊『』部は本書より引用(東北大学大学院工学研究科

上田恭介)

士の経歴からはじまり，合金開発の経緯を詳細に述べている．なぜ株 昭栄社印刷所 198 頁 2300 円＋税(購入は著者の web サ〔 2020 年 

短期間に結果を出せたのかについて，住友軽金属技術研究所長であイト(https://esdlab.jimdofree.com/)または amazon から)〕った寺井士郎博士の分析，五十嵐博士語録をもとに考察している．

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan




行
開催日

事

カ

名称・開催地・掲載号


年月
1～8
2020年度溶接工学冬の夏季大学(オンデマンド開
催)

2～3

Mate2021 第 27 回『エレクトロニクスにおけるマイクロ接合・実装技術」シンポジウム(横浜)2 ～15

Mate2021 27th Symposium on ``Microjoining
and Assembly Technology in Electronics''(Web)
第341回塑性加工シンポジウム「製品の強度向上～素材と加工技術と製品～」(Web)

3

レ

ン

主催
溶接学会

ダ

ー 太字本会主催(ホームページ掲載)
問合先

TEL 0358254073
jwsinfo＠tg.rim.or.jp
http://www.jweld.jp/

スマートプロセス TEL 066878
5628 mate＠spsmste.jp
学会他
http://spsmste.jp/
スマートプロセス TEL 066879
7568 mate＠spsmste.jp
学会他
http://spsmste.jp/mate2021/src/
日本塑性加工学会 http://www.jstp.or.jp

4

第 33 回軽金属セミナー「アルミニウム合金の組織―中級編(時効析出)」(東京)

軽金属学会

12

第 35 回軽金属セミナー「マグネシウム合金の基礎技術)」(第 4 回)(東京)

18

第 85 回塑性加工技術フォーラム「押出し加工技
術の最前線」(Web 開催)

TEL 0335380232
http://www.jilm.or.jp/
日本塑性加工学会 http://www.jstp.or.jp

19

LMP シンポジウム2021 レーザ加工技術の応用と最新動向(Web)理研シンポジウム第 23 回「トライボコーティン
グの現状と将来」(和光)26

http://www.jilm.or.jp/

軽金属学会

TEL 0358236324
http://wwwit.jwes.or.jp/kain/seminar/
理化学研究所大森 TEL 035918
7613 tribo＠tribocoati.st
素 形 材 工 学 研 究 https://www.sites.google.com/site/
室，トライボコー tribocoating/
ティング技術研究会
日本溶接協会


年月
1～4
The 8th conference of Crystal Growth and Crystal
Technology (CGCT8)第 8 回アジア結晶成長・結晶技術国際会議(Web)

アジア結晶成長お a-yokotani＠cgct-8.com
よび結晶技術学会 https://www.cgct-8.com
他

4ウィンタースクール「トポロジー最適化の基礎～
積層造形によるものづくりへの応用～」(Web)

日本計算工学会

4

第 2 回世界エンジニアリングデー記念シンポジ
ウム(Web 開催)
2020年度量子ビームサイエンスフェスタ(Web)

日本工学会

9 ～11

締切

TEL 0338688957 office＠jsces.org
https://www.jsces.org//
TEL 0362650672
http://www.jfes.or.jp/

1.25
定員
40名
定員
60名
定員
50名
定員
120名
定員
65名

2.19

高エネルギー加速 qbsf2020
office＠ml.post.kek.jp
器研究機構物質構 http://qbsfesta.kek.jp/2020/1stcircular.
造科学研究所，J html
PARC センター他

12

第116回シンポジウム「構造材料のための表面処
理と腐食防食」(東京)TEL 0335380232
https://www.jilm.or.jp/
材料技術教育研究 TEL 047
4317451 info＠ystl.jp
会
http://www.mskoshukai.jp

12

第 46 回組織検査用試料の作り方(組織の現出)講
習会「鉄鋼材料・非鉄金属材料・表面改質処理および異常組織材」(Web)12

第 95 回レアメタル研究会(東大生産技研)(本号
138頁)


～


日本金属学会春期講演大会( Web 開催)(本号 134頁)

19

第 34 回軽金属セミナー「アルミニウム合金の組織―応用編(加工・熱処理による組織変化)」(第7 回)(東京)

27～31

The International Conference on Sintering 2022 Sintering 2022 国 https://www.sintering2022.org(Sintering 2022国際会議)(岐阜)
際会議組織委員会

軽金属学会

レアメタル研究会 tmiya＠iis.u
tokyo.ac.jp
https://www.okabe.iis.utokyo.ac.jp/
japanese/index_ j.html
日本金属学会TEL 0222233685 FAX 0222236312
annualm＠jim.or.jp
軽金属学会
http://www.jilm.or.jp/


年月
軽金属学会第140回春期大会(Web 開催)
15～16

軽金属学会

https://www.jilm.or.jp/convention/index

19～20

第37回希土類討論会(松山)日本希土類学会

TEL 0668797352
kidorui＠chem.eng.osakau.ac.jp
http://www.kidorui.org/

20

ナノ学会第19回大会(名大)

ナノ学会

26～28

第26回計算工学会講演会(北九州)

日本計算工学会

nano19＠mtgofficepolaris.com
https://mtgofficepolaris.com/nano19/
TEL 0338688957 conf.office＠jsces.org
http://www.jsces.org/koenkai/26/

定員
70名

3.1

事前参加
2.26
定員
40名

事前
4.15
5.10
発表
1.22


年月
日本塑性加工学会 http://www.jstp.or.jp
3～5
2021年度塑性加工春季講演会(Web)

年月
5～8
The 7th International Conference on the 粉体工学会
http://ceramics.ynu.ac.jp/iccci2022/index.
Characterization and Control of Interfaces for
html
High Quality Advanced Materials (ICCCI2022)
iccci2022＠ynu.ac.jp(富士吉田)

年月
～
日本金属学会秋期講演大会(名城大学)
日本金属学会TEL 0222233685 FAX 0222236312
annualm＠jim.or.jp



本 会 記 事

開催日

名称・開催地・掲載号

主催

問合先

締切


年月
3～6
The 16th International Symposium on Advanced 日本実験力学会・ TEL 0253689310
Science and Technology in Experimental 小林(新潟大)
officejsem＠clg.niigatau.ac.jp
http://isem16.imech.ac.vn/
Mechanics(Vietnam)
28～12.2
The 9th International Symposium on Surface 日本表面真空学会 isss9＠jvssjp
Science (ISSS9)(高松)https://www.jvss.jp/isss9/年月エコデザイン学会 ecodesign2021_secretariat＠ecodenet.com
1～3
EcoDesign2021(奈良)連合
http://ecodenet.com/ed2021/～日本金属学会誌，Mater. Trans. へ投稿しませんか～◎日本金属学会誌および Mater. Trans. は，会員，非会員問わず投稿することができます．
掲載論文充実化のため，レビュー，オーバービュー，技術論文など多くの種別を取り入れております．
会誌の投稿・掲載費用は無料です．
詳細は，本会ホームページ

→

会誌

or

Mater. Trans. のページをご覧下さい．

皆様のご投稿をお待ちしております．

～2021年度の会費お払込について～
2021年度の会費お払込のお手続きはお済みでしょうか．会員の皆様には，既にお手続きのご案内をお送りい

たしておりますが，お手続きが未だの方は，ご対応をお願いいたします．
尚，本会ホームページの会員専用ページからは支払いの確認や，クレジットカード決済などができます．
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2019, 2020年度会報編集委員会
委員
長
副 委 員 長
委
員

大塚
誠
竹田
修
池尾直子
大野直子
近藤亮太
杉浦夏子
佃
諭志
徳永透子
長谷川 誠
宮崎秀俊
山中謙太

石本卓也
小幡亜希子
齊藤信雄
芹澤
愛
堤
祐介
轟
直人
春本高志
宮澤知孝
山本剛久

ま て り あ 第巻 第号（） 発行日
発行所

井田駿太郎
木口賢紀
齊藤敬高
島克利
圓谷貴夫
永井
崇
藤枝
俊
宮部さやか
横山賢一

2021年 2 月 1 日

公益社団法人日本金属学会〒9808544 仙台市青葉区一番町一丁目1432
TEL 0222233685 FAX 0222236312

ま て り あ 第60巻 第 2 号(2021)
Materia Japan

発
印
発

→

会費決済 or 各種変更届手続きへ(五十音順，敬称略）

上田恭介
北村一浩
佐々木秀顕
高山直樹
寺西
亮
長岡
亨
細川裕之
盛田元彰
吉矢真人

梅津理恵
小畠淳平
佐藤紘一
田中秀明
寺本武司
中村篤智
本間智之
森戸春彦
吉年規治

大石
郁
小柳禎彦
佐藤豊人
趙
研
土井康太郎
野山義裕
三井好古
諸岡
聡
李
海文

定価(本体,円＋税)送料円
行
刷
売

人
所
所

山村英明
小宮山印刷工業株式会社
丸善雄松堂株式会社〒1600002 東京都新宿区四谷坂町 1010日本金属学会会報「まてりあ」への投稿について
会報「まてりあ」をより多くの皆様にご活用していただけるよう投稿記事を歓迎いたします．
投稿規程，執筆要領および下記要領によりご投稿下さい．
～会報編集委員会～


種別(規定掲載頁)(規定字数内).

入門講座(4 頁)(9,340字)
金属のみならずセラミックス，高分子を含めた材料一般に関.

産官学交差点(1 頁)(2,200字)
材料に関係した産官学の情報交流の場を設ける．

.

材料発ベンチャー(2 頁)(4,150字)
材料関連ベンチャー企業の経験者に経験談等を記事にしてもして境界領域の材料や物づくりの実際などの講義を通して広く会員に情報を提供する．
.

講義ノート(6 頁)(14,500字)

らう．
.

材料に関係する基礎学問分野についてわかりやすく講義して金属学会新技術・新製品技術開発賞を獲得したグループに開

もらう．
.

プロムナード(4 頁)(9,340字)発にあたっての苦労，裏話を紹介してもらう．
.

談 話 室(1 頁)(2,200字)
気軽な意見の発表，学会に対する質疑応答，情報交換等．

.

はばたく(1 頁)(2,200字)
大学院生など新鋭の方々が，著者自身の研究への取り組み方

金属・材料に関する話題にかぎらず，社会，経済，歴史などを含む多くの分野からの「比較的短くて分かりやすく」「会員が教養として知って置くべき事柄」「提言」「トピックス的ななどについて述べる．

話題」など．
.

.

紹介(1 頁)(2,200字)
組織変更・改革，産業界の動向その他．

うに解説したもので，さらに勉強しようとする人のために参.

学会・研究会だより(1 頁)(2,200字)考となる文献も示しておく．

.

最近の研究(8 頁)(19,700字).

研究室紹介(1～2 頁)(2,200～4,700字)委員会だより最近の重要な研究のうち，比較的せまい範囲のテーマを取り.

スポットライト




投稿の方法

解

説(7 頁)(17,100字)

新しい特定の問題を取り上げて，専門外の会員にも分かるよ.

新技術・新製品裏話(2 頁)(4,150字)上げて，国内外の最近の研究成果を紹介する．各分野の現状，現在の問題点などを取り上げて，総括的に分かり易く記述したもので，その分野の研究を進める上で参考となる内容とする．
.

300 字)をフォーマット用紙に記述して会報編集委員会までご送信下さい．審議の上，受付の可否を決定します．

件，装置の説明，あるいは技術的データの収集等により参考種別の～については，執筆要領に定める方法で作成し，制限集録(9 頁)(22,300字)

文献を主眼として問題点を論じ，批判するもので今後の方針を示唆することをねらいとする．文献のみを集録し解説を行うものも含む．
.

頁以内にまとめた原稿とその論文または記事のねらい(200 字～

技術資料(8 頁)(19,700字)
直接実務に利用できるもので，実際に行う場合に必要な条資料として役立つもの．

.

種別の～については，執筆要領に定める方法で作成し，制限

実学講座(4 頁)(9,340字)
特許取得，ベンチャー企業の設立，研究開発マネジメント，

頁以内にまとめた原稿をお送り下さい．但し，原稿の採否や掲載
号は会報編集委員会にご一任下さい．



投稿の要件

和文であり論文又は記事として未投稿，未掲載でかつオリジナリ
ティがあること，規定頁を超えないこと，金属とその関連材料の学術および科学技術の発展に寄与するものであること等，ホームページに掲載している会報投稿規程を参照して下さい．

教育法，学習法などについて記事にする．
.
.

材料科学のパイオニアたち(5 頁)(11,900字)

材料科学に携わった先人たちの偉業を紹介する．

会報に投稿された論文および記事の著作財産権は，この法人の著

新進気鋭(4 頁)(9,340字)“はばたく”は大学院修士課程修了者以上を対象とし，ここでは30歳前後の若手研究者を対象として研究・仕事の紹介と将来展望について紹介してもらう．執筆は単独名とする．

.
.

材料教育(4 頁)(9,340字)
材料教育に関する話題．
トピックス(制限頁2 頁)(4,150字)
最近の情報を手短に紹介するもので，話題は限定しない．

.

物性・技術データ最前線(4 頁)(9,340字)
形式は問わず，情報量は少なくとも，多く読者が必要するタ
イムリーな最新の物性，技術データを紹介する．

.

材料ニュース(2 頁)(4,150字)

著作権の帰属作権規程により，この法人に帰属します．


その他留意事項

原稿は，専門外の読者にも分かるようにご執筆下さい．
原稿は，会報編集委員会にて審査いたします．その結果，場合によっては掲載をお断りする場合があります．また，掲載号等についても，本編集委員会が決定いたします．
図表の引用に関しては，著作権者への転載許可手続きを著者ご自身で行ってください．
詳細は会報投稿規程をご覧下さい．


会報投稿規程と執筆要領

ホームページ まてりあ → まてりあへの投稿をご覧下さい．

新聞で発表された材料関連ニュースを新聞内容よりは詳しく
.



できるだけ迅速に記事にする．



プロジェクト研究報告(有料)(原則35頁)〒980
8544 仙台市青葉区一番町 11432

原稿送付・問合せ先

特定研究 A ， B ，未来開拓，戦略基礎などの公的資金補助によるプロジェクト研究成果を有料掲載する．

公益社団法人日本金属学会

会報編集委員会

 0222233685 %FAX 0222236312 Email: materia＠jim.or.jp

2021年 2 月 1 日発行「まてりあ」