J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.2 (2020)７７‐８０

小特集 マルチスケールの視点からの各種脆性改善手法とその最新研究

４．高密度タングステン合金「ヘビーアロイ」の応用展開
4. Applied Development of High-Density Tungsten Alloy “Heavy Alloy”
案浦康徳
ANNOURA Yasunori
日本タングステン株式会社（原稿受付：２０１
９年１０月２日）

ヘビーアロイはタングステンを主成分とし，バインダー合金相をニッケル，銅，鉄等で構成した複合合金である．本章ではヘビーアロイの概要と使用事例，複合化によって付与される引張特性について紹介する．
Keywords:
tungsten, copper, nickel, iron, grain growth, diffusion bonding, ostwald ripening, elongation

４．
１ タングステンとは難しく，また，粉末冶金で製作を行うため，製作サイズはタングステンとは，スウェーデン語で「重い石」という焼結炉などの設備に依存し，大型製品の製造が困難などの意味である．原鉱石は，灰重石（シーライト）及び狼鉄鉱

欠点がある．また，タングステンの特徴として，空気中で（ウォルフラマイト）の２種類があり，一般に，前者を白，酸化しやすいという特徴を持っている．

後者を黒と呼ぶ．白は，タングステンとカルシウムの酸化４．
２ ヘビーアロイの特徴物が主体であり，黒は，タングステンと鉄，マンガンの酸化物が主体である．

ヘビーアロイは，上記で述べたタングステンの欠点を改

当初は，錫鉱石の中に夾雑物（きょうざつぶつ）として良すると共にタングステンの特性を活かし，様々な用途へ混入していて，錫精錬の際に収率を低下させるので，錫をの対応を可能にした材料である．

羊にたとえ，羊を狼（WOLF ウルフ）が喰うのに似ている

ヘビーアロイは，タングステンを主成分とし，バインダーために，狼鉄鉱（Wolf-ramite）の名がつけられている．そ合金相をニッケル，銅，鉄等で構成した複合合金であり，の為に，タングステンの元素記号は，T でなく，W となっタングステンが非常に高融点であることから，粉末冶金でている．

製造されている．製造方法の概要を図１に示す．原材料粉

１９０
８年アメリカのクーリッジ博士が，溶解でなく，粉末末を均一に分散するよう混合し，所定の圧力をかけプレス冶金法による製造方法を発明して以来，工業製品として使成型を行う．プレス成形後は高温の炉でタングステンの融用されることになった．タングステンは，融点が３３８０℃で点以下の温度で焼結を行い緻密化させ，素材を製作する．

3

金属中最も高く，密度も 19.3 g/cm と大きいことから，照当社ヘビーアロイの物理的特性を表１に示す．ヘビーア

明，自動車用などのランプや電子管のフィラメント，ヒーロイの種類は W-Ni-Cu 系，W-Ni-Fe 系の２種類に分別されタ，帯電ならびに放電電極材料等に広く用いられている．

る．W-Ni-Cu 系のヘビーアロイは非磁性であるという特徴

しかし，一方で難加工材であるため，複雑形状の製作ががあり，W-Ni-Fe 系のヘビーアロイは弱磁性であり，機械図１ヘビーアロイの製造方法概要．

Nippon Tungsten Co., Ltd., FUKUOKA 812-8538, Japanauthor’s e-mail: annoura@nittan.co.jp

７７!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.2 February 2020

表１
材質名
組成（mass％）密度（g/cm3）
硬さ
抗折力（Mpa）
引張り強さ（Mpa）
伸び（％）
ヤング率（GPa）
導電率（％）
熱膨張率（10−6／K，R.T．
‐８７３K）
熱伝導率（W/m・K）
磁性表２

当社ヘビーアロイの物理的特性．

HAC1
HAC1.5
HAC2
HAC9
HAF0.5
HAF1
HAF1.5
HAF2
HAX1
W-2Ni-1Cu W-3Ni-1.5Cu W-4Ni-2Cu W-3Ni-6Cu W-1Ni-0.5Fe W-2Ni-1Fe W-3Ni-1.5Fe W-5Ni-2Fe W-Ni-Fe-a
18.4
18.1
17.8
17.1
18.6
18.4
1817.418108（HRB） 30（HRC） 103（HRB） 27（HRC） 30（HRC） 108（HRB） 30（HRC） 103（HRB） 30（HRC）
1,100
1,000
1,200
1,100
1,400
1,400
1,400
1,000
1,400
700
660
670
770730
900
890
600
900
0.5
2
131012.2
15110３
７０−
３６５−
３７０３
７５−
３６５３７０２３２１１９２０※
※
※
※
※
5.1−

5.8

6.0

4.8

5.3−5.65.3100
非磁性

−
非磁性

103
非磁性

−
非磁性

80
弱磁性

77
弱磁性

−
弱磁性

82
弱磁性

70
弱磁性

最大製造可能サイズ．
製造可能
最大サイズ
（mm）

実績最大サイズ
（mm）

外形：!
３５０
最大重量５０kg/個

外形：!
３５０
厚み：３０

対角長：３５０
最大重量5 kg/個

対角長：３００
厚み：２０形状

図２ダーツバレル．

ら，内面研削盤の砥石軸クイル，火力，ガスタービンのバランス調整ウェイト（図３，４）などの構造用部品に使用さ外形：!
３５０（肉厚 5 mm 以上）
最大重量 50 kg/個れている．また耐酸化性，低熱膨張，高熱伝導，高温時の優れた機械的特性からダイカスト金型部品，ガラスレンズ
モールド成型部品，半導体部品，各種電極にも使用されている．

的特性（引張強度，抗折力，伸び等）が高いという特徴が特に電極に関しては，EV・PHV 自動車用電装部品，スある．

ターター，オルタネーター，ワイヤーハーネスの抵抗溶接

ヘビーアロイは，粉末冶金で製造されるため，製作可能工程に，純タングステン電極が使用されているが，ワークサイズはプレス設備や炉の容量に制約される．一体物の最形状，ワーク材質などによっては，タングステンが割れて大サイズとして，表２に示す形状での実績がある．

使用できない場合や，形状が複雑で，タングステンでは高額になる電極では，ヘビーアロイの抵抗溶接電極（図５）４．
３ ヘビーアロイの用途が使用されている．また，ヘビーアロイは，電気抵抗が純ヘビーアロイは，高密度で切削加工が容易なことから，タングステンの２倍と高く，電極の発熱性を利用した溶接スペースに制限がある小型のウェイトやねじ型のウェイトにも使用されている．に広く使用されている．身近な製品例としては，ダーツのバレル（図２）などがある．また，"線のような放射線の遮蔽性能に優れている．密度の高いヘビーアロイを用いることで，遮蔽部材のコンパクト化が可能になり，製品の小型化，省スペース化に寄与することができる．当社が製作した遮蔽材の使用実績として，マンモグラフィーの遮蔽部材などの医療分野や高放射線領域で使用される監視カメラの基盤保護用の遮蔽ケースなどの原子力関連分野，加速器など応用物理学関連分野などがある．これらのウェイト材や遮蔽材といった製品分野では鉛が多く使用されていたが，近年の環境問題から，ヘビーアロイは鉛の代替材としても注目されている．
さらにヤング率が高く剛性があるという機械的特性か

図３７８タービンの外観．

Special Topic Article

4. Applied Development of High-Density Tungsten Alloy "Heavy Alloy"

Y. Annoura

良好になる要因と考えられる．
図８に W-Ni-Fe 系ヘビーアロイを常温引張試験した際の引張強度とニッケル‐鉄バインダー合金相量の関 係を，図９に伸びとニッケル‐鉄バインダー合金相量の関係を示す．これらに含まれるニッケルと鉄の重量比率は２：１である．純タングステンの引張特性は引張試験条件が違うた
め，図８，９中にデータを記載していないが，降伏点に達す
る前に破断し，引張強度は 400 MPa，0.2 ％程度の伸びがあ
図４ることが分かっている．引張強度はバインダー金属が加わバランス調整ウェイトイメージ図．

ることで約 900 MPa まで上昇し，若干ではあるが，タング４．
４ タングステンの複合化による引張特性の向上

ステン割合が高い方が高い強度を示す．伸びはバインダー

ヘビーアロイは純タングステンを複合化させた合金の一合金相の割合が増加するにつれ，増加する傾向がみられ，つである．その中で，W-Ni-Fe 系のヘビーアロイはタング最大で３０％程度の伸びを確認した．

ステン合金の中で高い引張特性を示す．純タングステン

ヘビーアロイの破壊形態のモデルを図１０に示す．常温引（スウェージ無し）の組織を図６に，W-Ni-Fe 系のヘビーア張試験時，ヘビーアロイの破壊の起点は接合強度の弱いタロイの一例として，当社材料である HAF1（97W-2Ni-1Fe）

ングステン‐タングステンの粒界に発生し，亀裂は粒界界の組織を図７に示す．純タンスステン（スウェージ無し）面に沿って進展はするものの，一旦バインダー相内で止めはタングステン粒子が石垣状になっているのに対し，ヘられ，強度が高く，延性のあるバインダー合金相内（図１０‐

ビーアロイは球状のタングステン粒子周囲をバインダー合金相が囲んでいる複合組織をしていることが特徴である．
ヘビーアロイの焼結機構として，微小のタングステン粒子がバインダー合金相内に固溶し，大きなタングステン粒子に析出する（オストワルド成長）ことで，数十 μm 程度の球形状に粒成長が進み，緻密化される．また，タングステンとバインダー合金相はぬれが良く，高い密着性を持っている．この密着性は，切削等の大きな加工負荷以上に高いため，純タングステンと比較して，欠けにくく，加工性が

図７

図５

抵抗溶接電極．
図８

図６

ヘビーアロイ HAF１の内部組織．

純タングステン（スウェージ無し）の内部組織．

図９７９引張強度とバインダー合金相量の関係．

伸びとバインダー合金相量の関係．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.2 February 2020②）や密着性が高いタングステン‐バインダー合金相界面された．これまで組み立てが必要であった大型バランサー（図１０‐③）を進展する［１］．また，変形している間中，タンや水冷経路が必要な中空体部品が商品化されている．

グステン粒子は周囲のバインダー合金相から応力を加えら

４．
６ 最後にれて，ある限界応力レベルでタングステン粒子は粒内破壊（図１０‐③）を起こす［２］．W-Ni-Fe 系のヘビーアロイはこう

タングステン合金の中で，ヘビーアロイはタングステンした複合組織に起因する破壊形態を示すため，高い引張特の結晶粒の大きさや，バインダー金属相の種類，量を制御性が得られると考えられる．

することで，ある機械的特性に特化した材料設計が可能と純タングステン（スウェージ無し）は，常温引張試験時，なる．粉末冶金の分野では，粉末加工技術，焼結技術など

破壊の起点はヘビーアロイ同様に，接合強度の弱いタングの技術革新が進んでおり，今後，ヘビーアロイの新製法へステン‐タングステンの粒界に発生する．しかし，タング適用することで，材料として更なる発展が可能となると期ステンの結晶粒が小さいため，タングステン‐タングステ待している．

ン粒界の数が多く，亀裂の進展を阻害するようなバイン

参考文献

ダー合金相もないため，亀裂はそのまま粒界に沿って一気に進行し，引張強度，伸びが低くなっていると考えられる．

［１］金子 武：粉体および粉末冶金 35, 17 (1988).
［２］金子 武 他：粉体および粉末冶金 35, 92 (1988).

４．
５ 拡散接合による製造可能サイズの拡大
プレス設備や炉の容量の制約がある中で長尺品や大物品，中空体品などの製作が困難な形状を製作するために，複合組織を活かしたヘビーアロイの拡散接合を開発した．
拡散接合は，接合面を精密に加工し，突合せ，荷重をかけながら熱処理を行う．密着した面でタングステンとバインダー合金相の拡散が進み，結果として接合部は母材と同じ断面組織が得られる．拡散接合のモデルを図１１に，接合部の断面組織を図１２に示す．拡散接合の評価として，抗折力を測定したところ，1050〜1500 MPa と母材単体の強度と同等の強度が得られた．拡散接合により，図１３のような長さ100 mmを６枚接合した全長600 mmの板形状や，図１４

図１２ 接合部の HAC２断面組織．のような中空体の製作が可能となり，製作可能範囲が拡大

図１３ ６００mm の板形状接合品．

図１０ ヘビーアロイの破壊形態のモデル．

図１１ 拡散接合モデル図．

図１４ 中空体接合品（左）と中空体の内部（右）．

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