Special Steel of Choice

1．はじめに
平成25年度よりスタートした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)の委託事楽未来開拓研究プロジェクト「革新的新構造材料等研究開発」の概要およびJRCMの本プロジェクトへの参画状況については過去のJRCM NEWSにおいて概要紹介リや報告がある².3°.本プロジェクトの対象となる技術・材料は、①革新的構造材料(チタン、アルミニウム、マグネシウム、革新鋼板、CFRP)の開発、②これらの構造材料の接合技術開発(同種・異種)、③①および②に関連する戦略・基盤研究から構成されており、技術対象分野は極めて広範囲に及んでいる。 JRCMでは上記の③の戦略基盤研究分野において、平成25、26年度は1)接合技術(金属材料/金属材料)、 2)接合技術(金属材料/CFRP)、3)CFRP材料(熱可塑性、自動車用途)、4)金属構造用材料(チタン、アルミニウム、マグネシウム、革新鋼板)の4分野における技術動向の調査・分析を実施した。また、平成27年度は対象範囲を「金属材料の接合技術」に絞り込んで技術調査を実施した。本稿では、平成27年度に実施した調査の中から、近年注目を集めている摩擦撹拌接合(FSW: Friction Stir Welding)の鉄鋼材料への適用状況とその実用化成否の鍵を握る高融点金属用FSWツールの開発状況に関する調査結果についてその概要を紹介する。
2．摩擦撹拌接合の鉄鋼材料への適用状況
金属材料同士の接合分野において近年特に注目を集めているのが摩擦撹拌接合(FSW)である。FSWは1991年に英国のTWI(The Welding Institute)で開発された接合法であり、部材の接合部分に突起部を有した回転するツールを押し当てて摩擦による昇温と共に接合部の撹拌を生じさせて接合する方法である。 FSWは固相接合法であるため溶融金属領域が存在しないことから接合部の特性劣化が少ない他、熱投入量が少ない、アークやスパッタを生じないことから接合部の外観が美麗、歪発生量が少ない、シールドガスが不要、等のいくつもの利点を有している。更には、セラミック粒子を表面に分散させる複合材料化手法や摩擦撹拌領域の結晶粒を微細化させる組織制御手法等の表面処理プロセス(FSP: Friction Stir Processing)としても近年注目を集めている。 FSWは固相接合法であり接合部の反応領域が狭いため、異種金属間の接合に適していることから、上記のプロジェクトにおいても自動車を中心とした部材・部品のマルチマテリアル化に有利な接合方法として重点が置かれている。これまで日本国内においてFSWに関する基本特許がTWIより登録されていたが、昨年その有効期限が満了を迎えたことから、今後関連する技術開発が急速に進展する可能性がある。FSWは基本的な突き合わせ接合、重ね合わせ接合、点接合(FSSW: Friction Stir Spot WeldingあるいはFSJ: Friction Spot Joining)の他、ボビンツール型、竜巻型、無回転ショルダ型、等、様々な形態で発展しており、実用化も推進されている。 FSWの実用化状況に関しては、アルミニウムやマゲネシウム等の低融点を有する軽金属の接合に関しては既に広く実用化が進んでおり、電車、自動車、航空機、船舶等、多方面の用途で既に幅広く工業製品に適用されている。一方、同種金属、異種金属の接合に関わらず鉄鋼やチタン等の高融点を有する金属の連続接合においては、未だ実用化には至っていない状況にあり、低融点金属と高融点金属における実用化状況には大きな開きがあるのが実情である。鉄鋼材料を含む高融点金属へのFSW適用に関する実用化の実現には、後述するように使用する高温で十分な耐久性を有するツール用材料の開発が必須とされている。鉄鋼材料では、高温からの冷却に伴い相変態が起こる場合が多いため、FSWにおいても炭素量を初めとする化学成分、接合温度(ツール回転速度、接合速度、他の接合条件に依存)および冷却速度により様々な生成相(フェライト、セメンタイト、マルテンサイト、ベイナイト、残留オーステナイト、等)並びに結晶粒径を形成するため、生成するミクロ組織は広範囲に変化し、その形成メカニズムは塑性流動による加工歪も影響して極めて複雑なものとなる。鉄鋼材料のFSWの連続接合は工業的に実用化の域には達していないが、FSSWは連続接合の場合と比較して到達する温度や保持時間においてツールへの負荷は連続接合より軽減されるため、実用化への障壁は連続接合より低いと考えられる。また、アルミニウムと鉄鋼材料との(アルミニウム側からの)重ね合わせFSWやFSSWに関しては自動車のサブフレームやトランクリッド部材に各々既に実用化されている。鉄鋼材料へのFSWに関連して、最近日本塑性加工学会主催で「鉄鋼材料への摩擦撹拌接合(FSW)の適用の現状と課題」に関するシンポジウム4が開催されたことを参考までに付記しておく。 3．高融点金属用FSWツール材料の開発状況鉄鋼材料に関して実用化が未達である最大の理由は、接合温度において十分な耐久性を有するツールが開発されていないことである。鉄鋼やチタン等の高融点金属材料におけるFSWの実用化の成否に関しては、ツール用の材料開発が最も重要な鍵を握っていると言っても過言ではない。鉄鋼材料の場合、接合材料が高融点であり、軟化する温度が高温になるため、接合温度が再結晶温度以上となる場合には接合温度は1000 ～ 1200℃となり、アルミニウムの場合の400 ～ 450℃と比較すると非常に高温となる。このため、アルミニウムの場合であればツール材質はSKD61のような工具鋼が工業的に使用され、耐久性も十分であるが、鉄鋼材料の場合のツールにはこれを大きく凌駕するような高温における強度や耐摩耗性を有する材料が必要になる。例えば、1.2mm厚のDP980鋼板のFSSW後のPCBN(多結晶の立方晶窒化ホウ素)製FSWツールの損傷状態の使用回数による変化を調査した報告§があるが、使用前のツールはねじ形状のプローブを有しているが、400回使用後には損耗によりネジ形状が消失し、725回使用後にはプローブ自体がほとんど消滅することから、FSSWにおいて硬質セラミックスであるPCBNを用いた場合でも非常に厳しい摩耗環境であることが想像される。高融点金属用FSWツール材料として要求される特性としては、 1)高温強度(高温耐摩耗性)：1000℃において400MPa以上の強度を有すること。 2) 靱性：使用中に割れや欠け等の破損がないこと。 3)低コストが挙げられ、この他に接合材料との反応性が低いことも必要である。高融点金属用FSWツール材料の基本特性として耐熱性や耐摩耗性が絶対条件であり、候補材料は、①高融点合金系(W、Co、Ni、他)、②超硬合金系(WC-Co)、 ③セラミックス系(PCBN、Si 3 N 4 、他)、④高融点合金＋セラミックス複合系の４つに分類される。これらの材料特性に関する比較を表１に示す。①や②の「合金系」は、耐熱性・耐摩耗性はあまり高くないが靱性は比較的良好である。一方、③の「セラミックス系」は、耐熱性・耐摩耗性は良好な反面、物性が乏しいために使用中に破損が起こりやすい問題があり、これはセラミックス特有の熱衝撃破壊を起こしやすいことに関連していると考えられる。このようにツール材料として要求される「耐熱性・耐摩耗性」と「靱性」はtrade-offの関係にある。最近はこれら２つの特性バランスの向上を目的として高融点合金の中にセラミックスを分散させた複合型の材料開発が進行中である。一方、耐熱合金の表面にセラッミク系硬質膜をコーティングする複合型の開発も進められている。また、ツールの製造コスト低減は実用化推進のためには工業的に極めて重要な課題である。FSWツール用材料として一般的なPCBN製ツールの価格は標準寸法で1個約60万円であり、大型では更に高価格となる。当面の目標価格は標準寸法で1個10万円以下とされている。また、特に高価な材料を使用する場合は、価格を抑えるために使用後のツールを回収して再利用することも検討されている。現在開発が進められている高融点金属用FSWツール材料を表２に示す。高融点合金系では、Ni、Co、 Ir、等を基本とする耐熱合金や金属間化合物を主体としている。セラミックス系では、従来のPCBNと比較して安価なSizN,の開発も進められているが、耐久性の面では改善の余地があると思われる。前述のように、耐摩耗性と靱性の特性バランスを向上させる親点から高融点金属＋セラミックスの複合材料系が有望視されているが、連続接合の場合は、軽金属における実用化状況と比較すると耐久性とコストに関しては依然として大幅な改善が必要な状況にある。一方、点接合(FSSW)の場合にはツール材料開発の面でも連続接合よりも障壁は低いと予想される。また、メカニズムは不明であるが、Co基のL1₂型金属間化合物が高温における強度低下が小さく、特にチタン合金のFSWに適することが報告されている。これは接合材料とツール材料との反応性に関連している可能性がある。更には、高融点金属の接合の場合には接合温度がより高温になることから、接合部へのツール物質が混入する可能性が高くなるため、割れ等以外に異材混入の評価も必要と考えられる。一方、ツール材料の評価試験は、個々の研究機関で異なった接合条件により実施されているため、正確かつ定量的な比較検討が難しい状況にあることが今回の調査により明らかになった。今後は評価試験条件の標準化が検討されることを期待したい。
4.おわりに
鉄鋼材料へのFSW適用に関する実用化への期待は非常に大きく、国内外で研究開発が活発に行われている。昨年、筆者の1人はFSWを開発したTWIの本部(Cambridge)とテクノロジーセンター (Yorkshire)を訪問する機会を得て、TWIにおいてもFSWの鉄鋼材料への適用に
関する研究開発は継続して精力的に進められていることを実際に確認することができた。但し、TWIにおいては、ツール材料の開発は行われていない。 FSWの鉄鋼材料への適用に関する実用化に関しては、ツールの高温における耐久性向上を始めとして克服すべき課題は依然として多く、軽金属の状況と比較して大きな開きがあるのが現状である。しかし、実用化が実現できれば、980MPa級を超えるハイテン材同士の接合は元より鉄鋼材料と非鉄金属に代表される異材接合への適用展開も容易になり、自動車用途を始めとする構造部材のマルチマテリアル化への波及効果も非常に大きいことから、今後の動向が大いに注目される。 1) JRCM NEWS：2014年1月号(No.327) 2) JRCM NEWS：2014年8月号(No.334) 3) JRCM NEWS：2014年9月号(No.335) 4)第318回塑性加工シンポジウム予稿集(日本塑性加工学会、2016年2月24日) 5) N.Saunders, et al.,Int.J.Precis.Eng.Manuf.,15(2014), No.5.P841. 【人事異動】 ○平成28年4月15日付け松沼 使二[旧]非鉄材料研究部　主席研究員[新]住友電気工業株式会社○平成28年4月16日付け岡久拓司[旧]住友電気工業株式会社[新]非鉄材料研究部　主席研究員[新人紹介] ①出生地 ②生年月日 ③最終学歴④職歴 ⑤仕事に対する期待 ⑥趣味、特技、資格等岡久拓司(おかひさ　たくじ) ①静岡県御殿場市② 1970年2月生れ③筑波大学理工学研究科修士卒④ 1994年住友電気工業株式会社に入社。研究開発部門にて青紫色LDやLED用途の窒化ガリウム基板の研究開発に従事。以降も一貫して半導体関係で2007年より事業部で窒化ガリウム最産開発、2010年から研究開発部門にて窒化ガリウムやダイヤモンドの研究開発に従事。 ⑤企業の利益メインの考えから、視野を拡げて日本産業の発展に貢献できるよう全力で仕事に取り組みたい。 ⑥史跡や博物館巡りThe Japan Research and Development Center for Metals JRCM NEWS  ／第355号内容に関するご意見、ご質問はJRCM総務企画部までお寄せください。本書の内容を無断で複写・複製・転載することを禁じます。 〒 105-0003東京都港区西新橋一丁目５番11号第11東洋海事ビル６階