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[NRIMNews1994-01.pdf](https://mdr.nims.go.jp/filesets/6ea435d1-f9c1-44af-b5c1-4c891110333b/download)

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石井 利和

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[金材技研ニュース 1994 No.1](https://mdr.nims.go.jp/datasets/384ade75-bfae-4ee0-bd1c-e77c98e1db7e)

## Fulltext

金属技研ニュース　1994　No.1七〇一．ゼE①o一一〇〔ωE0一箏o］一〇〇〇一〇〇＝あoωoo一］o－Eo一垣oo］一〇〇一0E0f000蜆o〇一一〇〇一〇一ω○蜆蜆Eo．ゼ≧里三…ω…Z－ooω］0f←1994心o．一1 ’「新年の二挨拶／TiNi形状記憶合金／DCNQl－Cu系の伝む■手■省合金化の材料設計指針／柴崎地区の建屋完成新年のご あい さつ所長新居和嘉　新しい年を迎えるにあたり，一言ご挨拶申し上げます。　ここ5年以上にわたり金属材料技術研究所の最大の懸案事項でありました筑波移転が，本年6月をもってほぽ完了致します。材試地区にあるクリープと疲労の研究設備や研究者の移転が1年ほど遅れるため，移転は平成7年まで尾をひきますが，本年前半で最大の山を越えます。建物はすでに千現地区，柴崎地区ともに建設省より引き渡しを受け，当研究所の管理となっております。千現地区ではすでに地区内の人，設備の移動を完了し，今年はいよいよ中目黒からの移動が始まります。　我々はかねてより金属材料技術研究所の筑波移転は単なる移転ではなく，材料科学技術の先導的研究を行う，より活動的な新研究所の創設だと考えてきました。我々はこのため，筑波移転に際し，将来の材料開発に大きなブレークスルーをもたらす鍵となる極限場研究を柴崎地区に集約し，国際的にも開かれた形で極限場を利用した研究を推進するとの方針のもとに，施設を整備してまいりました。極限場としては，強磁場，精密励起場，極高真空場を考え，このうち強磁場は，マルチコア研究費を充当し世界最強のマグネット群を整備し，平成5年度には、　「強磁場ステーション」という組織の設置も認められました。また，精密励起場，極高真空場も，原子力研究費や特別研究費等を充当してその整備に努めております。　もう一つの材料科学におけるブレークスルーの方向として，計算材料科学および材粋1青報科学における新しい研究の展開があ1）ます。我々はその展開を促進するため，’へ現在，科学技術庁航空・電子等技術審議全第21号諮問「原子・分子レベルの現象，機能の解明のための計算科学の総合的な推進方策について」の議論と並行して，所内で計算材料科学の研究の進め方等について検討しております。　我々は筑波移転をすることにより自己変革を図りたいと考えております。この機全に新しい分聖予の探求，進■出を大胆にやりたいと思っております。これまで我々の筑波移転に対して示された関係者各位のご好誼に感謝するとともに，今後の当研究所に対する和変わらぬご理解とご協力をお願い申し上げる次第です。燃焼合成法で製造したTiNi形状記憶金属間化合物道路の凍結を知らせる警報標識に応用　形状記憶合金が発I1月されて以来現在までほぽ30年を経ている。当初は，低温で変形した材料を高温にすると元の形状を回復する効果を利用して，温度を感知し動作するアクチュエータ（駆動素子）として使用することが考えられていた。わが国では形状記憶合金の応用に関する特許が5，000件以上もあると言われている。しかしながら，現実に実用化されている事例は僅か数件に過ぎず，そのほとんどは形状記憶効果を使用するものではなく，単なる構造材料として使用されている。その主なる理由は、（1）温度を感知するサーミスタとマイクロモータの組合せが，設定温度に対して非常に正確で迅速に動作する電子機器として発達したこと，（2）形状記憶合金の材料費が高いこと，（3）長期問動作させる機器に応用した場合の含金の疲れ強度信頼性が低かったこと，などである。　当研究所では，構成元素の生成熱を利用して均質な金属間化合物を合成する燃焼合成法の研究を行ってきた。その研究成果の一部を民間に技術移転し，そこでTiNi形状記憶金属間化合物が工業的に製造されている。本方法で製造したTiNi金属間化合物は，重力偏析が無く極めて均質で，優れた機械的性質を持ち，図に示すように疲労強度に優れている。このため，現在は衣料用補強材料として大量に使用され，高い信頼性を獲得している。このような優れた性質と，この材料が本来持っている形状記　300｛6200■b　1OO讐■□■■　■■　　■■　■　■　■　　　　　■　　■■　■　　　　　　■　　　　■■　　　　　　■　　　　　　　　■　　　　　■　　　　　■　　　　　　　　□→　　　　　　　　　■　■→○　ユO」1　　　　　　105　　　　　　10石　　　　　　107　　　　　　10月　　　　　　　　　N（繰返し数〕図燃焼合成法で製j笠したTiNi形状記憶　　企堆葛H…』イヒヂト『勿0つ班度勿1魂…イ汀憶効果を利用した新しい応用として，道賂凍結警報標識が開発され，今冬から使用されることになった。本標識は電力が一切不要で，1．L澗部等での設置に最適である。　・TiNi形状記憶金属間化合物は低い温度でマルテンサイト変態を起こす。その変態点は化学的組成を調整することによって制御できる。この金属間化合物は変態点よりも高い温度（母相状態）で成形し，約400℃に加熱するとその1時の形状が記憶される。これを変態点より低い温度（マルテンサイト状態）で変形させた後に，変態点以上に温めると母相状態に戻って，記憶された形状が復元する。　」二述の道路凍締警報標識は，TiNi形状記憶金属間化合物製のコイルと鋼製のバイアスばねを使用したもので，凍結温度以下ではマルテンサイト状態のTiNi金属間化合物のコイルよりもバイアスぱねの強さが上回り，凍結温度以上ではTiNi金属間化合物の形状回復力がバイアスばねの強度を上山るように設計してある。このコイルとバイアスばねから成るユニットと，その動作を警報板に伝える機構（ラック・アンド・ピニオン）を組み合わせて，写真に示す道路警報標識が完成した。この標識は地上約1mの高さに設置し，道路が凍結する温度にまで外気温が下がると，機械的強度の低いマルテンサイト状態になったTiNi金属問化合物のコイルにバイァスばねが打ち勝って警報板を回転させ，写真（・）が示す警報用標識の赤い反射板が出る。気温が上昇すると逆方向に動作して，写真（b）が示す1≒1い反射板が出て，運転者に安全を知らせる。　この道路凍結警報椴識には，動作の確実性と耐久性が要求されるが，本材料は図に示したような高い疲労強度を持っており，100万回以上の耐久性試験に合格して実用化されるに至った。このように信頼性の高い形状記1意効果を実現し応用した例は珍しい。燃焼合成法によって製造した均質なTiNi形状記憶金属間化合物の機械的性能の優秀さを証H月するとともに，その応用範1用が今後さらに広がることを予想させる。写真適路凍結警報標識。 横幅13cm有機導体DCNQI－C。系の伝導電子の振舞いを解明有機化合物でも実現された特異な電子状態　金属の特色は，結晶中を自由に動き回る伝導電子が存在することにあり，この伝導電子の振舞いが電気伝導，趨電導，磁性などの金属材料の有用な性質の源となっている。一方，有機導体は，金属元業をその主要構成元素とせずに，有機分子のπ軌遺に蘭来する伝導電子によって電導性を示し，申には金属並の高い伝導度をもつものがある。一般に有機導体は緒晶巾の原子配列を反映して低次元約な伝導度を示す。すなわち，結県の一方向または特定の平面内でのみ伝導度が高い。また，この低次元性に笛来して電荷密度波やスピン密度波の発生など種々の興味深い物理現象が襯測されている。その…方では、低次元性のために，低温ではパイエルス転移と呼ばれる一種の榊1：云移を起こして絶縁体になってしまうものが多く，有機導体含成の歴史はこの低次元性を克月1蔓し，より3次元自勺な有機導体を含成する歴史でもあり、また，金属で実現されているいろいろな物性を有機物に付与する試みの歴史でもあった。有機趨電導体の発兇も1次元的伝導体から2次元的有機伝導体の実現への研究過程で行われた。　最近、DCNQトCu（Dicyamquinonediimine－Cu）系と呼ぱれる新しい有機導体が注匡1を集めている。この物質は図1（a）のようにDCNQ工分子が一・方向（縞1縞のc軸方向）に破み重なった構造を持っており，この方向では伝導度が商い。また，鋼原子は図1（b）のようにDCNQI分子を3次元角勺に橋渡しするように配置しており，鋼のd電子も伝導に寄与していると考えられている。この物質は圧力下または棟睾成元素を変えることによって，槻度の隣下ととも苫こ窄覧導」1笠カ｛金屑尋自勺→糸色糸蒙｛本自勺→金屑奪角勺と，手写4静角勺｛こ変わる珍しい湘転移を起こす。さらに，伽i数揺動とl1乎ぱれる現象も示す。すなわち，非常に短い時㈱で襯測するとDCNQ互一Cu縞縞■斗1に念まれる鋼原予の価数は十1と十2の閲を変動しており，また，電子比熱係数（フェルミ雌位　　　　（…り　　　　　　　　　　　｛b）図1　DCNQI－Cu系の物質（D腕一DCNQI）2Cuの榊迭　　（a）（DMe－DCNQI）分乎のc榊加臼jの械み1覗なり　　　（1ツ1（1〕）のメー｛線都分を・欠印の方1舌iヨから兇た1ツ1）　　（b）締舳梅造（C到：lIlに荊1…llな滋i，1二の投彩剛での電子の状態密度に対応する）は20～40mJ／mol・K2もあリ，通常の金属の十倍から数十借の値である。このような価数揺動はある種の希土類金属間化含物でのみ襯測されており，伝導電子と希土類原子の回1）に局在し易いf電子の棚互作潮によって生じることが知られている。　では，有機導体においても金属閲化合物の場合と同様な電子状態が実現し，側数揺動等の現象が生じるのであろうか。この点を下記のように確かめた。　強磁場ステーションでは開発されたマグネットシステムを利開し，国内外の大学，研究所と共同で種々の有機導体や有機趨電導体の伝導電子の振舞いや磁気転移に伴うそれらの変化を明らかにしてきた。今固，DCNQトCu系についても初めて伝導電子の振舞いを解明することに成功した。図2はこの系の物質として，メチル基（Me一）をもつ（DMe－DCNQ互）2Cuから測定したド・ハースーファン・アルフェン効果と1乎ばれる撤予振動（金材披研ニュース・玉992年N・．11）の一一例を表わしている。磁場，概度，系補1方位をいろいろ変えて搬子振動を測定し，その闇波数や振重力強度を詳納に解析すると伝導電子の振舞いが分かる。それらを解析した結果，特筆に倣することとして，この系では他の有機導体と異なり，縞縞内を3次元的に帥二1に運動できる多数の伝導電子が存花することが分かった。さらに，この3次元的な運動をする電子の荷効質撤は他の有機導体の伝導電予よりも璽く，これは概測された電子比熱係数の増大が伝導篭子に起閑することを示唆している。また，先述の希土類金属㈹化合物における伝導電子とf電子の閉の非同互作用と同様に，この系の伝導電一子と鍋のd電子とのr舳こも棚亙作用が働いていることが推測される。これらの結榮により，単にDCNQトCu系物質の伝導縄予の振舞いが閉らかになったぱかりでなく，これまでは金属でのみ実現されていた特災な性質と電子状態が，有機物においても笑瑛できることが実笥11された。　　　　　5　　　6　　　7　　　8　　　　　　磁場の愉さ（テスラ）図2篶㍗判ソツ糊㌶㍍ド．ハ■　　　（｛滋拶ゴ‘よc　ll＝■I“こ二’1え看’f、　言呈，〕変‘ま50mK）省合金化の材料設計指針を提唱高温用金属材料のエコマテリアル化　火力発電プラントや化学プラント等で長時間使用される高温構造部材は，一般に1唖時閲クリープ破断強度に基づいて設計される。クリープ強度は高温用金属材料の最も基礎的かつ重要な強度特性であり，合金元素の添加による化学組成の調整や熱処理による微視組織形態の制御等により向上させることができる。しかし，高温での使用に伴い材料の微視組織は変化するため，長時間側ではクリープ強度特性が劣化する。そのため，実機プラントの操菜条件に近い長時間のクリープ強度特健を的確に把撞することが重要である。　当研究所では，実用耐熱金属材料について，10万時間を超える長時問クリープデータの収集を目的としたプロジェクトを昭和4I年度から継続実施しており，得られた賛重な長時間データは「金材技研クリープデータシート」として刊行し，国の内外で広く活用されている。そこで，微視組織変化による強度低下という襯点に着目して長時間クリープデータを統計的に解析した緕果，・大変興味深い新知兇を得，それに基づいて基底クリープ強度という新概念を提嶋した1金材披研ニュース，1992年N。．4）。　基底クリープ強度とは，材料が本質的に有し，微視組織が変化しても消滅することのない強度である。図1に示すように，種々の強化因子により高められたクリープ強度は高温での使用時問の延長に伴い基底クリープ強度にまで低下する。そのため，長時間のクリープ強度特佳は，基底クリープ強度に支酉己される。また，工0鋼種のフェライト系耐熱鋼について比較検討した結果，短時間クリープ強度は鋼種によ…）大きく異なるが，いずれの鋼種もほぽ同程度の基底クり一プ強度を有するという大変興味深二蛸’トヘ葡干出±；董イヒ1商1茗容弓壷イヒ2I冬底クリーフ□弓童度　　　　　　l1寺　1妾1図1　クリープ強度の時！習1変化二封トヘ・Cr，Mo，W，い結果も得られている。そこで今固，フェライト系耐熱鋼の基底クリープ強度を支配する因子について検討を行った結果，炭素やモりブデン等の含金元素による固溶強化の効果が重要であることを突き止めた。図2に示すように，高純度の鋼に炭素やモリブデン等を添加することによ1）フェライト母相が固溶強化され，基底クリープ強度は向上する。しかしその効果は極微量の添加で飽和するため，基底クリープ強度の大きさには限界がある。したがって，実用耐熱鋼の基底クリープ強度が鋼種によらずほぽ同程度であるのは，いずれの鋼も母相が限度近くまで強化されているためと解釈される。また，極微量の含金添加元素を含有する希薄固溶体の強度が基底クリープ強度を決定していることから，高温用金属材料の作製には希薄固溶体強化の効果を効率的に利用すべきである。　以上の結果から，高温用金属材料の設計に関して下記の二つの指針を提案できる。1）高いクリープ強度を必要とする部材に対しては，高強　度をもたらす微視組織の安定性を高めて，クリープ強　度が基底クリープ強度にまで低下する時期を長時間側　にシフトさせる。2）基底クリープ強度レベルの強度で十分な部材に対して　は，フェライト系の鋼の最高隈度の基底クリープ強度　を得るための必要・最少隈の合金元素を添加して，希薄　固溶体強化の効果を有効に利用する。前者に基つ’いて高温構．造部材を長寿命化することは，限1）ある資漁を有効に利用し，プラント等の製造に関わるエネルギー投資を削減できるので，環境負披の低減に有効な，材料のエコマテリアル化のための一指針となる。　　　　　　　　また後者は，多最に合金元素を添加し．カ1l．■1r，熱処理雌狡クリープ蜘変の鉛火■螂隻（CキO．03Mo）　添加■寓純度鍋の娘底クり一プ強度　　　　　　1時・　1洲図2　クリープ強度の1瞭閉変化と　　　その支酉己因子て強度を高めても，高温での長時間の使用哨］にクリープ強度は基底クリープ強度にまで低下するので，基底クリープ強度レベルで使用する部材の強度を基底クリープ強度以上に高める必要はない，との視点に立っている。この指針に基つ’けば，無意味な合金元素の多最添加を省くことにより，材料の省合金化が実現でき，材料・の製造に関わるエネルギーと希少資漁である含金添加元素が節糸勺できる。したがって，材料の環境に対する負担の低減，すなわち材料・のエコマテリアル化のための，もう」つの指針となる。柴崎地区の建屋が完成超強磁場などの極限場研究の中心　当研究所が銑波研究学園都市に全面移転するに当り，千現地区の新研究所建屋の完成に続き，咋年12月末柴崎地区（つくばテクノパーク桜地区内）の建屋が完成しました。柴崎地区は，今後研究を強力に推進していこうとしている極限場研究の中心となる場所であり，超強磁場，精密励起場，極高真空場等極限場の発生とそれを利用した国際的な共同研究を推進するための研究設備が設置されます。なお，設備の搬入等は，新年早々から開始される予定です。　柴111奇地区は，つくば市の北東部に位置し，千現地区の新研究所からは北へ約4㎞程の距離にあります。当地区の敷地の総面積は約4haで，写真にホす磁界実験棟，ビーム実験棟等から構成されています。当地区で実験・研究に従事する人の規模は，国の内外からの客員研究官等を含め最終的には100名程度になることが想定されています。以’ド，実験棟，主要研究施設，研究内容について紹介します。　磁界実験棟は，多角形のユニークな外勧を有し，地’ド11階，地上2階建て，延べ床面積約7，200m2で，その中には80テスラ（80万ガウス）級ロングパルスマグネット，40テスラ級ハイブリッドマグネット，超精密マグネット等，各種の磁場研究設備が収容され，強磁場研究の根拠地となります。強磁場研究では，上記マグネットにより発生する強磁場，あるいは精密磁場における新現象・新物質の発掘等の先端的な研究を行います。　ビーム実験棟は，精密励一起場研究および極高真空±易研究の根拠地となり，地上2階建て延べ床而積約3，200m2です。ここには，イオンビームラインを備えた超高圧電子顕微鏡，大容量極高真空空間システム等，物質・材料の創製，計測・評価を行う装置として特徴を持つ機器群が収容されます。　精密励起場研究では，物質を「精密励起」することにより，原子・分子レベルの構造解析，エネルギー準位等の電・子状態の計測・評価を行います。超高圧電子顕微鏡サブナノトロンは加速電圧が1，O00kVで，分解能O．1nmを目指しています。　梅高真牢場研究では，真牢度10■工oPa（約10L12Torr）の超清浄空間内で物質の作製，移動，加ユ，評価等の・一連の操作が可能となる大容批枢荊真牢牢Hl」の複介システムを閉発，構築して，先駆的な材料研究を行います。　以」二のような板1狼場の売ノ1｛とその利1111による先端向勺・基’礎的研究は，材料科学技術に新たな展1捌をもたらすものと期待されます。写真1　磁界実験棟 写真2　ビーム実験棟◆特許速報◆●出　願明　　の　　名　　称接含方法減衰力可変型緩衡器およぴその磁性流体流動楕11御機構出願臼5，9．295．玉O．13出願番号05－26垂00305－255952発　　明　　者　　名大橋　修咋■谷　功，高橋　務，他2名（臼産師力車株式金社との共同出願）●登　録発旧月の名称 登録日 登録番号 発　　明　　者　　名金属ほう化物繊維の製造方法 5．1O．14 I79I860 小澤　清，中谷　功大型C畠Si2単締晶の製造方法 5．lO，1垂 I79工861 平野敏幸γ’析出強化型Ni基趨含金設討支援装置 5．1O，I垂 ヱ79I862 1』」崎遭夫，原1王1広史，山縣敏」樽，楠　克之，大野・勝美、機川一一帥誇低上ヒ璽Ni基単結1界1耐熱合金 5、正0．14 179玉864 原閏広史，山縣敏’樽，中沢瀞夫，大野勝葵，1．止鵬遭夫◆短　信◆●叙　勲　勲三等瑞宝章　　元溶接研究部長　禰垣道夫氏は多年にわたる科学技　術研究の功労により，平成5年11月3日，上記の勲章　を授与された。●受　賞　臼本鉄鍋協会三島賞　反応制御研究部　古林薬一　　「鋼の変態バリアントの逮択に関する研究」により，平成5年10月16日，、卜記の賞を受けた。目本鉄鍋協会俵論文賛損傷機構研究部㈱ll1立製作所機能特性研究部元機能特性研究部反応箭11御研究部高エネルギー物理学研究所田中義久，増田千利宇佐葵勝久，平野辰巳今弗義雄塩田一路（現1工学院大学教授）古林英一岩1崎　博　「シンクトロン放射光を湘いたX線CTによる金属基複含材料の内部繊維襯察」により，平成5年10月玉6日，上記の質を受けた。目本金属学会技術開発費東京タングステン㈱　岡本謙一，島谷幸治，制］］晃　反応祐11御研究部　藤井忠行　「大型タングステン単結鼎の開発」によ｝），平成5年10月16日，」二記の賞を受けた。目本金属学会論文賛　材料化学部門　第嬉研究グループ　藤田大介，吉原一紘　東大生産技術研究所　本間頼一　「オーステナイト系ステンレス鋼における高配向性六方紙B　Nの表面析ξヒ1機構」により，平成5年10月161ヨ，」二記の賞を受けた。目本金属学会奨励賛　組織部門　計測解析研究部石川信博　材料化学部門　第4研究グループ藤国大介　金属材料ならびに闘連分野における新進の研究者として業績を挙げていることにより，平成5年10則舶，．1二記の賞を受けた。冒本分析化学会宥功賛　討測解析研究部　山田　圭　多年にわたり分析化学に闘する実務に従薯し、我が国の科学披術の興隆に寄与したことにより，平成5年10月I6日，上蓄己の賀を受けた。従　行　戸斤（本　　所〕｛筑波支所〕科学技術庁金属材料技術研究所1＝153メ（盲（積I王匿I芸黒1〉ζ［111三1，禁生2－3－12T1≡：L（03〕3719－2271，FAX（03）3792－3337〒305茨城蝶つくぱ市予現1－2－1TEL（0298）53－10｛〕Olダイヤルイン〕，FAX｛｛〕298）53－1G05j堕巻　　芽；421号繍簸発行人洲い含せ先1三11　堀1」　所・／勺」吏64ド1月琴董干f　　lヲ牛　不1j　和株武金制＝　三　興　日1　珊11東ム（糊壬来后青詩≡5く型饒」苛し季祠！112－1－18