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[NRIMNews1986-03.pdf](https://mdr.nims.go.jp/filesets/daad3a15-0937-47f1-9db1-6007e18c4158/download)

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加藤 公輝

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[金材技研ニュース 1986 No.3](https://mdr.nims.go.jp/datasets/94538bf2-8291-4708-b30a-58695980a18f)

## Fulltext

金属技研ニュース　1986　No.3i〇一．ゼE①o一一〇＝ωE0o○コーooo－o〕匝あ○蜆oo．］o－Eo一垣oo］10’0E0f000眈o〇一10－〇一眈○眈餉Eo．但≧里三…ω…Z－o○餉］○工←●　　●　　．　　●構造制御特集 金属材料の構造を制御する構造制御による新しい材料の開発を目指して　当研究所は昨年，研究組織の一部を改正し，これまであった共通基礎研究部の「金属物理研究部」，「金属化学研究部」を廃止し，新たに「材料物佳研究部」と「構造制御研究部」を設置した。これは，現在の高度な科学技術においては，材料を原子レベルで考えざるをえず，これまでの物理，化学という区分は無意味となっていること，材料科学の分野において，近年要請されている基礎的・先導的研究を推進していくためには，ミクロな立場からのアプローチが是非必要と考えたことなどによるものである。すなわち，従未の思考の延長線上にない高性能新材料を創製するためには，原子レベルでの微視的構造を高精度に制御することが必要であるし，またそのための技術として，．近年，各種ビーム利用技術や極限環境利用技術が急速に進歩し，それらの利用により，構造の制御もある程度可能になってきたと考えられるからである。以上のような認識のもとに作られた構造制御研究部では，以下のような研究を計画している。　表面，界面の構造制御　表面と界面の組成および構造を制御することにより，新しい材料を開発することを目指しているが，当面，制御の方法として表面（界面）析出現象を利用することを試みている。超高真空中で合金を加熱すると、内部に析出していた窒化物や炭化物が表面に析出し，表面を被覆する。現在，これを利用して，極高真空容器用材料，金属／セラミック表面複合化材料などの開発を行っている。　光通信素手　積層薄膜，擬一次元単結晶ファイバーなどの構造の低次元性を利用した新しい素子用材料の開発を目指している竈当面は，次世代光通信システムとして太平洋無中継横断通信が可能になると期待されている，室温動作型中赤外領域用半導体レーザ素子材料の開発を行っている。最近，当研究所で開発されたPbSヘテロ接合レーザを用いて，200Kでのパルス発振に成功している。　イオン注入による構造制御　イオン注入にともなう微視的構造変化を利用して，バルク材料の表面あるいは薄膜材料の材料特性（耐食性，耐摩耗性など），あるいは機能特性（磁性，超電導特性など）を改善し，新しい高性能材料を開発することを目指している。現在，窒素イオン注入による金．属問化合物の脆性改善，超電導材料の臨界温度の上昇などを狙った研究を行っている。　低次元材料　0次元（超微粒子），1次元（極細繊維）などの特殊な形態をもった材料，およびそれらと有機分子などを複合化させて特異な機能をもたせた材料の開発を目指している。現在，油の中に金属超微粒子を分散させ，液体状でありながら磁性をもっている磁性流体や，優れた電気伝導度や高い機械的強度をもつことが予想される極細繊維材料の研究などを行っている。1セラミックコーテイング膜の密着性向上表面析出現象の巧みな利用法　　　　（A）　304壼岡　　　　　　　　　（B）　321金岡写真　スパッタ法でA1203をコーティングしたステ　　　ンレス鋼の加熱試験後の表面。　セラミックスを金属にコーティングした表面複合化材料は，セラミックスのもつ優れた耐熱耐食耐摩耗性と金属のもつ高い靱性をかねそなえた材料といえる。そして，これらは極めて厳しい高温腐食環境下で便用されるガスタービンや核融合炉壁用材料として有望視されている。しかしながら，表面複合化材料は熱膨張率など基本的物1生の異なる材料同士の複合体であるために，セラミックスと金属の密着性が悪く，両者の界面で破断したり，セラミックコーティング膜が割れたりしやすいという欠点がある。　当研究所では，高温真空中における金属表面の組成変化を調べており，その研究過程で，条件によっては金属中の窒素や炭素が表面まで拡散し窒化物や炭化物として析出するという現象を見い出した。そしてこのように表面の析出物を糊として使用すれ空中，1100Kで1時間焼鈍した時の表面形状の変化を写真に示す。304鋼上のA1203皮膜は一部粂1」離しているが，321鋼上の皮膜は健全であることから，321鋼の方が304鋼より，A1203皮膜との密着が良いことがわかった。また，両鋼にプラズマ溶射法でA1203を約50μmコーティングした後，酸素雰囲気中で1200Kに加熱した場合，321鋼にコーティングしたA1203皮膜は健全であったが，304鋼のものは時問とともに剥離していった。このことは321壼剛こA1203をコーティングしたものは十分な耐酸化性を有することを示している。　この原因を調べるため，A1203をコーティングした321鋼を真空中，1100Kで焼鈍した後，オージェ電子分光法で深さ方向の組成分析を行った。　その結果，図に示すように加熱前には存在していなかったTiCが，加熱とともに321鋼内部から界面近傍に析出し，さらに杭を打ち込むようにA1203皮膜中にもぐり込んでいることがわかった。この構造が321鋼上のA1203皮膜の密着性を向上させているものと考えている。　現在，ステンレス鋼以外の合金についても，このような表面析出現象を利用してコーティング膜の密着性を強化する研究を進めている。ば，セラミックコーティング膜の密着性を向上させることができると考えた。そこでチタンを含むためにTiCが表面析出する321ステンレス鋼と，そのような表面析出の生じない304ステンレス鋼の2種類の鋼をとつ上げ，それらの表面にA1203をコーティングし，その密着性を調べた。　上記2種のステンレス鋼表面にスパッタ法でA1203を約O．7μmコーティングした後，真　　lO0　　　　　200スパッタ時間（sec）　（加熱前）40孔3011匝へ℃20Hへ　lO←＾1，Oヨ　　　　　　　　　　　SuS321＾1TiTlCFe　　・O　　　　　　lO0　　　　　200　　　　　害O0　　　　　400　　　　　スパッタ時間（S㏄）　　　　　　（加熱後）スパッタ法でA1203をコーティングした321鋼の加熱前後における深さ方向の組成分布（スパッタ時間は深さ，ピーク高さは濃度と対応する）PbSレーザ200Kで発振に成功太平洋無中継横断光通信用レーザとして有望　現在，実用化が進んでいる光通信システムは，石英グラスファイバを伝送路媒体として信号を送るもので，GaInAsP，GaAlAsなどの化合物半導体レーザを光源としている。光通信システムは，電気通信システムに比ベエネルギーロスが少なく，無中継で200kmの伝送も可能である。無中継問隔をさらに2桁伸ばすことができれば，太平洋無中継横断光通信が可能となるが，現在用いられている光源および伝送路媒体はともに材料的には改良の余地は少なく，現在のシステムを使う限り，このような超長距離光通信を実現することは不可能である。　光通信の場合のエネルギーロスは光の透過損失が少ないほど低いので，石英グラスファイバによるシステムでは透過損失の少ない1．3～1．6μmの波長を用いている。しかし最近，ある種の金属フッ化物グラスファイバでは2～4μmの波長で石英グラスファイバより2桁以上透過損失の少ないことが見出され，この新しいファイバが超長距離光通信システムの伝送路媒体の有力な候補と考えられている。　この超長距離光通信システムを実現するためには，光源として2～4μmの発振波長をもち，室温で動作する半導体レーザが不可欠であるが，これはまだ開発されていない。有力なレーザ用材料として，多くの技術的蓄積のあるGaAs系半導体が考えられるが，これらの材料では物質固有の性質により室温動作は困難である。室温動作の可能性をもつ材料としては，鉛カルコゲナイド半導体の一種であるPbSが挙げられる。しかし，この材料を用いた半導体レーザはこれまで，構造の単純なp－n接合によるものが作製されているにすぎず，これは60K（一213℃）以下の温度でのみ連続発振し，微細加工を施したものでも，最高120Kまでしかパルス発振せず，室温動作にはほど遠い。　PbSレーザの動作温度を室温付近まで上昇させるには，適切な格子定数，エネルギーギャップおよび屈折率をもつ材料とPbSとの間で，ヘテロ接合と言われる構造を作る必要がある。これまで，このような材料は見出されていなかったが，当研究所では，これまでの研究からこのような条件を満す新材料PbCdSSeを見出し，この問題を解決した。図はこれらの材料を用い，分子線エピタキシー法によつ作製したPbSヘテロ接合レーザの構造を，写真はその断面を示す。これにより従来のPbSレーザの最高動作温度を大幅に越え，電子冷凍が適用できる200Kでのパルス発振に成功した。さらに活性層をより複雑な構造の超格子にした量子井戸型レーザの作製にも成功しており，動作温度は室温に向ってさらに上昇するものと期待される。一」一ド纈批傲キャ・ソ7’’胴閉込め胴閉込め屈抹止磐リード線ト　　　　亘oo川1π　　1ooμ二キャップ層閉込め層活性層写真　PbSヘテロ接合レーザの断面図　PbSヘテロ接合レーザの構造イオン注入による金属表面の構造制御窒素イオン注入でTiAlの表面を改質　イオン注入法とは，注入したい元素をイオン化し一定のエネルギーに加速し，物質表面に打ち込む方法で，熱力学的な制約なしに元素を添加，混合することができる。そのため，表面に非平衡相や強制固溶相など特殊な構造の層を合成することが可能となり，新しい表面処理法として注目されている。　当研究所では，イオン注入法にともなう微視的構造変化に関する基礎的研究を行っている。その成果の1つとして，金属問化合物TiAlの表面改質に関する有用な知見を得ることができたので以下に紹介する。　金属間化合物TiAlは，軽量でしかも高温強度と耐酸化性にすぐれているので，将来の軽量耐熱材料として有望視されている。しかし加工性や常温における延性に乏しいことなどの欠点もあり，まだ実用化に至っていない。そこでイオン注入法によリTiA1表面に，その構成元素チタン，アルミニウムのおのおのと反応性の高い窒素をイオン注入し表面の改質を行うことを試みた。その結果，TiA1金属間化含物の表面層の硬さは，Nイオン注入によって著しく増加した。　図は，Nイオン注入層の微小硬さの増加率と組成比との関係を示したもので，5×1017N／㎝2の注入で表面層の硬さは，注入前の2～3倍に達し　　　　　　＾1｛，l1｛原・f％〕　ヨoo　　　蝸　　　　50　　　　52ていることがわかる。このような表面硬化は，Nイオン注入により材料表面に内部圧縮歪が生じたことによるものと考えられる。そしてこのことは，材料の耐摩耗性や耐疲労特性に有効に働くものと予想される。　TiA1材料表面の耐食性，応力腐食割れ性を硝酸とフッ酸の水溶液で腐食することによリ調べてみた。写真に示すように未注入試料表面には応力腐食による多数のマイクロクラックが観察されるのに対し，Nイオン注入試料の腐食表面にはそれらは全く見られない。このマイクロクラックは，延性、加工性の乏しいTiA1材料にとって決定的な欠陥となる場合があり，イオン注入によるマイクロクラックの消去は，材料の信頼性を高める上で極めて重要な結果である。　これらの原因をさぐるため，Nイオン注入した表面層の構造をX線光電子分光法とX線回折法を使って調べた。その結果TiA1中に注入されたNイオンは，金属中に固溶しているもののほか，Ti．NとA1Nの2種類の窒化物を形成していることが明らかになった。N注入による金属聞化合物TiA1材の表面硬さの増加，耐食性，耐応力腐食割れ性の改善は，化含物表面に熱平衡以上のNを強制固溶させるこξにより圧縮内部応力を導入すると同時に，表面層をセラミックス化するという2つの複合的効果によってもたらされるものと考えることができる。イオン注入量15X1O”N／o而亜ま帽員200覇　　　　　　　　　　　　　　　　　　2X1OlfNん…空握looヨ4　　　　　冊　　　　　3畠　　A1量｛m舶；％〕図　Nイオン注入による表面硬さの　　増力口率と組成比との関係。写真い口1ぎ、、．ポヅ冬哨…　、：．慧　・1・　　　ポ　　暮㌻二∵、∴㍗ト、’∴1；ギニヅベ≡∴㍗6、峰∴　　。パペギ．“㌻ぺ、ポ㌣ト㍗∴刈；・。イオン注入前後のTiA1材料表面の腐食組織（SEM像）の変化。　（a〕未注入　　　（b）注入4○次元物質一磁性流体新しい機能が期待できる金属磁性流体　磁性流体は，直径数10Aから100A搬度の独磁性体の微粒子を水や汕の申に商濃度に分敬させたものである。そして液体状の磁石という特性を利用して，高速回転軸の真空シールや比重差遊別に実用されているほか，ディスプレイ，磁気光学素子，熱磁気機闘などへの榊≡冒が検言寸されている。　磁性流休の性能の重婆なボイントの玉つにその磁化の大きさがあり，磁化が大きいほど磁石に引き寄せられる力が大きく利用価値が高い。石鮒三流体の材料として，硯在，駿化鉄などの金属駿化物が広く用いられ，400ガウス程度の磁化のものが得られているが闘発がほぽ隈界に達しており，これ以上の飛躍を望むことは難しい。鉄，コバルトといった強磁性金属を酸化物の形でなく，磁化の大きい金属そのままの形で材料として使用できれば，工500ガウス程度の磁化が可能である竈また，室温付近で磁化が大きく変化する金属や含金を用いれば，溢度に徽感に反応する感榊鮒1流体が得られ，熱磁気機関や温度センサなどへの応用も可能となる血金属磁性流体は将来大きな可能性を持っているが，酸化鉄磁性流体に比べ，研究があまりなされていない。　当研究所では，界面活性剤を添加した炭化水素（’〆、／　　　，　’」　」　　　I　　　1艇繭i　　’るつぱ’　　　　’’’ド土也享夜f本図　金属磁惟流体の作製裟綴油の液繭上に糞、空申で金属を蒸蒲することによつ，汕の申に分敵した微粒子を作り，金属磁性流体を作製する方法を開発した。図に作製装置の概略を示す竈円筒型の真空容播の中に液体を入れ，これを圓転させると液体は容播の内壁に付いて上方に展開する。そこで中央部のるつぼで金属を溶解し蒸発させると，金属蒸気は液面で冷却され固体となつ微粒子が発生する。このようにしてできた微粒子は直径20～30Aでよくそろっており，表面が界面活性剤の分子で覆われているため，1個1個が良く分敵し酸化もされない。これを約270℃で熱処理することにより，微粒子を直径50A程度の大きさに成長させ磁化を高めている竈現在，コバルト，鉄，ニッケルの磁性流体を作製しておi），その特性を嚢にまとめた。今後，微粒子の大きさなどを制御することにより，さらに高い磁化をもつものが得られる兇通しである。　当研究所では，この蒸蒲法のほかにプラズマ気棚反応法による金属磁性流体の作製法についても研究を行っている籟これは金属化含物の蒸気を反応容器内に導入し，この中で’放電を起こすことによって金属化含物を分解し，金属微粒子を発生させるという方法である。現菊1，原料として5力一ボニル鉄［Fe（CO）5］を周い鉄磁性流体の作製の研究を行っている。この方法は，金属ばかりでなくいろいろな金属化含物からなる磁性流体の作製にも応用できると考えられる。当研究所で開発した2つの金属磁性流体作製法により，今後さらに磁性流体の性能が高まり，磁性流体の応用分野もさらに広がることが期待されている。表　金属磁催流休の特性軽イオン照射下クリープ試験施設が完成一サイクロトロンによる核融合炉壁照射損傷の　　　　　　　シミュレーション試験を開始一　当研究所筑波支所に，このたび小型サイクロトロンを用いた軽イオン照射下クリープ試験施設を建設した。加速器を用いた材料照射専用の照射下クリープ試験装置としては世界で初めてであり，今後核融含炉用新材料の研究開発に大きく貢献することが期待される。　この施設は去る2月4日関係者に公開，本格的なシミュレーション試験を開始した。〔特許紹介〕Nb3Sn拡散線材の製造法発　明　者　太刀川恭治　関根　久公　告昭和60年2月26日昭60－7704特　　　許　昭和60年9月27日　第1281941号　近年，核融合炉用，高エネルギー用，エネルギー貯蔵用等の大型強磁界マグネットの製作のため，強い磁界の領域で大電流を流すことのできる超電導線材（一270℃近傍で電気抵抗が零になる線材）の開発の重要性が増大している。その代表的な材料としてNb3Sn化合物線が挙げられ，従来この線材を製造する方法としてNb線を加熱溶融したSn浴中に通過させ，その後熱処理して表面にNb3Snの化合物層を生成させる方法が知られている。しかしこの線材は15丁以上の強い磁界で特性が急激に劣化するのでこれ以上の強いマグネットを作製することができない。　本発明はNbに冊を加えた合金線を用い，また，SnにはIn，Ag，A1，Cuを加え，Sn基合金浴の温度を600～120ぴCにコントロールしてこの中にNb基合金線を通過させ，その後600～1200℃で熱処理することによって，15丁以上の強磁界を発生し得る線材の開発を実現したもので，上述した用途に禾一」用して，その技術確立に寄与するものと期待される。●金属材料技術研究所　　科学技術週間行事のお知らせ（1）研究所一般公開（本所及び筑波支所）　　主な研究施設設備の公開と研究成果のパネル・　実物展示により，先端的研究活動の一端を紹介　します。　　なお，当日技術相談コーナーを設け，来訪者　からの技術相談に応じます。　　本所（中目黒）4月16日（水）13時～17時筑波支所　　　　4月16日（水）10時～16時（2）「中学生のための金属教室」の開設（本所）　　実験を行いながら，いろいろな金属の基本的　な性質とその応用について勉強します。　　今年は、「鉄鉱石から鉄を作る」，「鋼の強さと　粘さ」，「金属とさび」の3テーマについて，教　室を開きます。　　4月19日（土）14時～16時30分◆短　信◆●人事異動　昭和61年2月28日　退職　越川隆光（企画課長）　昭和61年3月1日　昇任　企画課長　加藤公輝（長官官房秘書課）●海外出張　　太刀川恭治筑波支所長　「高磁界超電導材料に関する技術指導等」のため昭和61年2月22日から昭和61年3月2日までアメリカヘ出張した。　　　　　　　　　通巻　第327号編集兼発行人　　加藤公輝印　刷株式会社三興印刷　　　　　　東京都新宿区信濃町12　　　　　　電話東京（03）359－3841（代表）発行所科学技術庁金属材料技術研究所　　　　　　東京都目黒区中目黒2丁目3番12号　　　　　　電話　東京（03）719－2271（代表）　　　　　　郵便番号　153