革新的設計生産技術

発表者：梅田 実(長岡技術科学大学)
研究テーマ責任者：梅田 実(長岡技術科学大学)
参画機関：長岡技術科学大学，長岡電子㈱，上越工業,㈱中津山熱処理，日本メッキ工業㈱，アイテック㈱革新的設計生産技術における位置づけ：生産技術
多様なニーズに応じた設計に対応できる、複雑な形状や、多様な材料を用いて従来にない機能を実現する生産技術が重要
これまでにない現場に立脚した産学融合ものづくりスタイル

大学スタッフが中小企業の現場でオンサイト・オンタイムな研究

スーパーメタル化
高耐摩耗化

高耐食化

高摺動化

SUS445

窒素熱処理

金型に樹脂を流し込んで型取りして摩耗量を評価

SUS445N

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革新的設計生産技術における位置づけ：設計支援技術
革新的生産技術を生かす最適化、シミュレーションが重要

無駄メッキ低減支援ツール

電流密度分布シミュレーション

遮蔽板設計・製作

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目次

１．背景
２．目標
３．実施内容のアピールポイント
４．研究開発成果
５．社会実装に向けての提案
６．まとめ

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研究背景
●背景（課題）● 目的

日本の新しいものづくり

生産物

 日本には、地域に根付いた世界トップレベルの金属加工・仕上げ技術がある。
 一方で地域活力低下が著しく、それらの技術を支えていた「暗黙知」「技」「匠」の技能経験が伝承されにくく、プロフェッショルメーカの強みとされているものづくりの優位性が低下してきた。

均一性
再現性
大手メーカ
匠･技芸術

ﾌﾟﾛﾌｪｯｼｮﾅﾙﾒｰｶ

 地方のプロフェッショナルメーカが有する地域資
規格化
創意･工夫
管理生産
源としての材料･加工技術を新たな価値を付加す(真似されない)(誰でも作れる)る製造技術に高める。
生産の形態
 市場流通材に新たな価値を付加することで新興工業国には真似できない革新的金属表面処理技 ･機器の使いこなし・暗黙知を科学する(科学的･定量的保存)術(高耐摩耗化・高耐食化・高摺動化)を実用化
・技術を組み合わせる（グローバルトップ技術の獲得）する。
 これにより地域産業を活性化し、人々の雇用と生 科学的に｢匠･技｣｢暗黙知｣を解明し定量的データを知ることで、新たなき甲斐を育む。
創意工夫、高度な信頼性を確保する
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目 標
目標
・大学スタッフがオンサイト・オンタイム開発に関わり、地方企業に大手企業と同様の開発部門機能を持たせることで、地方企業の製造技術向上を図る産学融合ものづくりスタイル(SIPスタイル)を確立し、地方企業の開発力を高める。
・市場流通材に新たな価値を負荷する革新的金属表面処理技術(高耐摩耗化・高耐食化・高摺動化)の獲得(チャンピオンデータ)と実用化に向けた基礎技術を確立する。

研究開発項目【研究開発目標】
・ 金型寿命30000ショット(金型・先端部品の提供)
・ 2500時間連続発電(プラント・エネルギー機器用部品の提供)
・ 摩擦係数、湿式0.04以下(エンジン・機械部品の提供)【技術成果の普及、展開】
・地方企業の技術開発力向上に貢献できるSIPスタイルの継続提供
・スーパーメタル化(金属表面処理)技術資料を作成し外部公開
・無駄めっき低減支援ツールの技術移転

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実施内容のアピールポイント
高耐摩耗化

特徴

浸硫窒化
従来 リン酸亜鉛

高耐食化

従来 金めっき

冷間鍛造に適するが、熱間鍛造には不向き。

高摺動化

従来 Ni-Pめっき

想定適用製品

耐食性高いが高コスト。99%輸入元素。
性能

想定適用製品・ピストンリング20-50nmの粒子を高分散させる表面制御分散液 従来Ni-Pめっきに比べ自己・チェーンおよびナノダイヤめっきの実用化事例は初めて。摩 摩耗量は1/2、相手材摩耗・コンプレッサースク
擦係数0.5(乾式)、0.04(湿式)はトップクラス。
量は1/3以下
リュー
成熟した技術。製品差別化困難
特徴

開発体制

コスト

US DOEの2020年セパレー
Niフリーステンレス鋼の高耐食技術の研究例は少な
タコストの目標
い。現時点でSUS316L(スタンダード品)の20倍の・燃料電池
燃料電池車1台あたり：耐食性を実現しており、100倍の高性能も視野にセパレータ$300入っている。この技術はトップレベルである。
1枚あたり：$0.75
特徴

NDめっき

想定適用製品

従来の浸硫窒化処理した金型の熱間ハンマー鍛造
寿命増加分でランニングコスでの実地試験で19000ショットを行っている。現時点
・熱間鍛造金型
トを含めた総コストを低減可で目標としている30000ショットの寿命に目途が付・歯車能(表面処理費は微増)
き、テスト操業中。
特徴

窒素熱処理

コスト

着目点

産学融合ものづ 大学スタッフが中小企業の現場でオンサイト・オンタ 大企業で可能なオンサイト研究は、中小企業
くりスタイル
イムな研究。製品化への死の谷克服
において困難従来

公設試による技術支援

公設試にてモデルデータ取得／データ提示による技
術相談

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研究開発成果：高耐摩耗化■【企業名】企業のニーズ■【ツール／技術名】
新規浸硫窒化処理

上越工業株式会社で当該処理を施した金型での熱間鍛造試験実施
第一期
H２９.４～H３０.３

浸硫窒化と窒化処理の組合せで，耐摩耗性と耐焼付き性を用途に応じて制御する技術。

■将来への発展
浸硫窒化後に窒化を繰り返すことで金型の摩耗量を軽減することができる。

■従来技術等での問題（ベンチマーク）

金型寿命30000ショットの実現に目途がついた。さらなる寿命向上にも期待が従来金型の寿命は19000ショット前後。

持てる。右図は実際の鍛30000ショットが目標。

造で取得した摩耗量とその結果による金型摩耗予測である。
7研究開発成果：高耐食化■代表的な改良点（研究開発への反映）【技術ポイント

高導電度

高硬度】

Sample nameSurface resistivity /x 10-4Ω/□SUS445

5.69

SUS445-N1

3.83

SUS445-N2

3.98

SUS445-N3

3.01

Graphite carbon*

3.07

導電性

SUS445N
窒素熱処理

SUS445

Hv400

平均値
分散

表
表 裏

裏

SUS445

SUS445N200

試料厚さ：0.1mm
測定条件：25ｇ、15ｓ
測定回数：70*JARI cell

■ＳＩＰ終了時に目指す成果
Niフリーステンレス鋼A5サイズで0.1mm厚の金属セパレータを作製する。そして、JARI(カーボンセパレータ)品と同等の性能を実現を目指す。

マイクロビッカース測定

表面抵抗測定素材よりも導電性が向上する

耐食性

硬度

■研究開発内容
Niフリーステンレスの高耐食化技術として窒素熱処理を行う。窒素熱処
理によりCrN、AlN、FeNなどの機能性表面を実現した耐食性ステンレス鋼を作製する。

SUS445N
窒素熱処理

表面硬度が約2倍になる

SUS445耐食性

燃料電池連続運転試験

連続試験後、表面腐食は観察されない

窒素処理フェライト系ステンレスは、電気化学反応場である燃料電池内においても腐食しない炭素セパレータ同等の高耐食性を示す。

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研究開発成果：高摺動化

Ni-Pめっき液

ﾋﾟﾝにﾅﾉﾀﾞｲﾔ分散NiーP無電解めっきを実施。
高硬度、低摩擦、耐摩耗性を付与。4倍の長寿命化を確認。

＋
ﾅﾉﾀﾞｲﾔ分散液■従来技術等での問題チェーンの寿命に影響するピンに、従来は浸炭処理を行っていた。

■【高摺動ナノﾀﾞｲﾔめっき】
1/4に低減■企業のニーズ
機械装置類で多用されるチェーンは、使用時間と共にピンが摩耗し延びてしまうことから、定期的交換が必要であった。
H31.4～■将来への発展サンプルプローブとPDCAによる実用化
・自動車用バルブタイミングやその他のチェーン・産業用機械類の軸･軸受け、摺動部品
9研究開発成果：高摺動化■研究開発内容
無駄めっき低減支援システムの開発●従来技術①カン・コツで設計②長納期（一週間程度）③試験槽でのテスト●研究開発成果の効果①熟練技能者以外でも設計可②製造納期短縮③効果最大化

■代表的な改良点（研究開発への反映）
従来カン・コツで設計されていた邪魔板を、熟練技能者以外でも遮蔽板設計が可能となるシミュレーション技術を導入し、3Dプリンタによる迅速な邪魔板製造を可能とした①カン・コツに頼らない、電流密度シミュレーションからの邪魔板設計（暗黙知を科学する）②設計データを3Dプリンタに直接転送することで、迅速な邪魔板製造③実生産ライン使用槽での確認により“死の谷“克服■ＳＩＰ終了時に目指す成果

実ワーク・複雑形状に対応できる無駄めっき低減支援システム（短納期・低コスト・高品質化）
10社会実装に向けて
ツール/技術名

スー
パー
メ
タル
化
技術

ツール/技 テストユース
術種別
開始時期

テストユース
実施期間

テストユース
企業

企業活用目的

今後の展開

浸硫窒化処理技術

平成29年4月 平成30年3月まで 上越工業

熱間鍛造金型の長寿命化

長岡電子にて金型や耐摩耗部品への処理を請負

浸硫窒化処理技術

平成29年4月 平成30年3月まで 長岡歯車

歯車の長寿命化歯車の製造業者なので、製品ラインナップに組み込み、売り込み必要

平成31年度以降、窒素中熱処
燃料電池用金属セパレータを当面の理ステンレスの量産化とその利用。
出口事業としている。
はじめに、ステンレスを窒素中熱処理カーメーカ、燃料電池用金属セパレータ以外エネルギーメーカなどの燃料電 する事業の立ち上げが必要。そこから にも、高耐食を必要とする化学、燃料電池用金属セパレータ利用事業
池事業者
食品プラント部品類への応用をへ材料を提供する。
目指す。
熱処理メーカ。

高耐食性ステンレス鋼技術

平成31年度

ナノ粒子高分散めっきナ ノ粒子高分散めっき

無駄めっき低減電解めっき支援ツール

平成31年度

平成29年度S/Wーーーーーー

平成31年度ーーー

機械、プラントメーカ

ナノダイヤめっきを利用することにより、省エネ、長寿命化、Crフリーを特徴とし ナノダイヤめっき液の提供と実用た、環境配慮部品およびそれらを内蔵 化事例の積み上げ。
する機械装置を提供する。

圧縮機メーカナノダイヤめっきを利用することにより、省エネ、長寿命化、Crフリーを特徴とし 平成31年度以降、製品への適た、環境配慮部品およびそれらを内蔵 用を目指す。
機械装置を提供する。

新潟県や長岡市にツールを技術無駄めっきを低減し低コスト、高品質 移転、整備してもらう事で、地方燕三条周辺地場企業化を行いたいめっきメーカーの競争力強化に貢献。

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技術成果の普及展開●Facebookによる情報発信:< https://www.facebook.com/supermetallization/>

キーワード「スーパーメタル化」で3番目に表示（Google検索）●技術展示会での成果公開：
燕三条ものづくりメッセ2017●自治体等での技術説明会での講演：

長岡産業活性化協会，三条市，燕三条地場産業振興センター，（このほか石川県工業試験場にコンタクト中）●学会：

機械学会，宇宙科学技術連合講演会，電池討論会などの企業参加が多い学会での講演●普及展開のために:・データベースの整理
・めっきシミュレーションソフト
・長岡技術科学大学テクノインキュベーションセンター（SIP式取組のコンタクト先）
・長岡技術科学大学技術開発センター（SIP式取組の実践の場）
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まとめ
現状
・目標ショット数の30000に対して10000での経過摩耗を確認し、大幅な摩耗量減少を確認
・ニッケルフリーSUS445材の窒化熱処理により、SUS445の約20倍の耐食性を実現できている。これらのメカニズムおよび性能を学会発表等で公表し、作製条件の適正化･量産化を検討している。
・目標である20-50nmの粒子を高分散させる表面制御分散液は完成。ナノダイヤめっきの結果摩擦係数0.5(乾式)、0.0４(湿式)を達成。現在、機械部品へのナノダイヤめっきを実施、PDCAでめっき条件の適正化を図っている。
・所定のテストワークに対して電解めっきした厚さ分布とシミュレーションした結果を評価中。実測値と計算値の傾向が一致。

最終目標【研究開発目標】①高耐摩耗化：寿命30,000ショット②高耐食化：燃料電池用金属セパレータ2,500時間連続発電以上③高摺動化：摩擦係数、湿式0.04以下寿命30,000ショットト【技術成果の普及、展開】④SIPスタイルを継続提供可能とする要点明瞭化⑤スーパーメタル化(金属表面処理)技術資料を作成、外部公開⑥無駄めっき低減支援ツールの技術移転

今後の予定/計画・高耐摩耗化（浸硫窒化）：テストユースを経てサンプルプローブを行う。
・高耐食化(窒素中熱処理)：窒素中熱処理ステンレスの熱処理メーカによる量産試作と燃料電池金属セパレータユーザメーカへのサンプル提供を行う。
・高摺動化(ナノダイヤメッキ）：ナノダイヤめっきの機械部品類への適用開始。
・本プロジェクト終了後もこのものづくりスタイルを継続しスーパーメタル化技術開発以外の分野でも適用していくため、産学融合の現場起点となる技術開発の仕組みの構築を目指す。

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