技術・製品の紹介傾斜機能材料を使った商品化への取り組み１. はじめに３. 科学技術庁（現文部科学省）が，科学技術振興調整費による総合研究として「熱応力緩和のための傾斜機能材料開発の基盤技術に関する研究」（第Ⅰ期）を発足させたのが 1987 年である．そして，これに並行してこの新しい材料の進歩と応用への発展を図り，産・学・官の幅広い研究者および研究機関の協力のもとに，研究成果の普及を積極的に行う場として，1988 年に㈳未踏科学技術協会内に「傾斜機能材料研究会」が発足した．以来，気相析出法，粉末成形法（粒子配列法，薄膜積層法，遠心成形法），プラズマ溶射法，自己反応発熱法，電解析出法，繊維整列法など様々な傾斜機能材料 (FGM：Functionally Graded Materials)の製造方法が検討され，FGM を使った商品化も着実に進展してきている．そ当社のＦＧＭを使った商品化への取り組み当社における FGM を使った商品化への取り組みとして，製造方法を含め，以下に 5 件の開発事例を示す． (1) 開発事例 1：FGM の製造方法(特願平 5-234133) 本開発は，図１に示すように 3 つの工程を有する繊維を用いた FGM の製造方法である．本方法では，繊維を所要の傾斜組成比率になるように積層し，単位体積中に含まれる繊維の体積あるいは粉末粒子の含浸される空隙を積層方向に傾斜組成化し，傾斜繊維体と粉末を結合させているので，連続した FGM を製造できる．また，積層された繊維層は，所要の形状に加工できるので，比較的複雑な形状のものや，比較的大型の FGM の製造が可能になる．こで，本稿では，著者らによる開発事例をまじえながら， FGM を使った商品化への取り組みについて述べる． (2) 開発事例２：粉末冶金法による FGM の製造方法 (特願平 6-124428) ２. 国内におけるＦＧＭを使った商品化への取り組み本開発は，図２に示すように，粉末冶金法による FGM FGM は，応力緩和型あるいは熱電変換型にしても，基の製造方法で，６つの工程を有している．本方法では，礎的な物性データ(実験データ)があれば，必要とされる特 FGM を構成する積層単位体を多数の段に分けてそれぞれ性を盛り込んだ材料設計ができる．そのため均一型特性で独立に製造し，それらを接合している．従って，個々の積はなく傾斜型特性が要求される場合には，従来の複合材料層単位体の成分が均一となり，寸法精度が高く，所要の設に比べ高性能・高付加価値化された商品を開発しやすいと計条件に合致した性能を有し，物理的性質や製品品質の安いう強みがある．一方，FGM の応用分野として，航空・定した FGM を比較的容易に製造できる．宇宙分野，原子力分野，機械分野，エレクトロニクス分野，生体・医療分野といった様々な分野においてニーズ調査が行われてきており，FGM を使った商品化事例も増加し，「傾斜機能材料研究会」のホームページには，表１に示すように，既に 18 にのぼる商品化事例が掲載されている．表１傾斜機能材料を使った商品化事例（2008.2.1 現在）図１繊維を用いたＦＧＭの製造フロー（「傾斜機能材料研究会」http://www.fgms.net/ より）Ｎｏ． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 会社名・商品化事例住友電気工業切削工具三菱マテリアル切削工具松下電工シェーバー用刃シチズン腕時計美津濃スパイク用金具旭硝子光伝送用プラスチックファイバ− ウチダデンキ木質系素材への傾斜化技術の応用株式会社テルモ工業アルミ合金の傾斜機能表面処理加工自動車鋳物(JIK) 耐摩耗材・耐腐食部品アドバンストスペーステクノロジー㈱セラミック繊維含有の傾斜機能材料と特殊製法による噴射器製造技術㈱栗本鉄工所傾斜機能を備えた球状黒鉛鋳鉄組織テクノクオーツ（本社・山形県山形市）石英とシリコンの傾斜機能材料住友石炭鉱業㈱傾斜機能材料製造装置愛媛県工業技術センター紙の厚さ、長さ方向への傾斜化技術の応用三井造船傾斜機能材料による高性能熱電子発電機ヤンマーディーゼル㈱ TiAl/Al系傾斜機能材料とセラミックス/金属複合材料日本真空技術㈱ＦＧＭスパッター装置北海道庁掘削用ビット及びその製造方法 22・傾斜機能材料を使った商品化への取り組み図２粉末冶金法によるＦＧＭの製造フロー TAKADA TECHNICAL REPORT Vol.18 2008 (3) 開発事例３：傾斜機能性超硬チップ，チップホルダーおよび切削工具(特願平 8-331668) ホルダー本開発は，耐摩耗性の向上と工具の長寿命を企図した傾斜機能性超硬チップに関するものである．図３に傾斜機能チップ断面模式図性超硬チップおよびチップホルダーの概要を示す．傾斜機能性超硬チップは，超硬（WC：タングステンカーバイド）と高熱伝導性を有する銅または銅合金を傾斜組成化した図３傾斜機能性超硬チップおよびチップホルダーの概要もので，切削の際に発生する熱を速やかにチップホルダー側に逃がすことができるように設計されている．チップホルダーは，銅または銅合金が挟み込まれた構造で，その一ステンレス鋼(SUS304)側部は傾斜機能性超硬チップと接するように設計され，冷却水流路も設置されている． 40mm (4) 開発事例４：傾斜機能性パイプおよび傾斜機能性管継手(特願平 8-331669) 本開発は，パイプや管継手の異種材料の接合界面における残留応力，および温度差の大きな使用環境で発生する熱銅 (Cu) 側応力を緩和して，破断（またはき裂の発生）等を防止することができるよう企図された傾斜機能性パイプおよび傾図４斜機能性管継手に関するもので，長さ方向および厚み方向傾斜機能性管継手の事例（Cu-SUS304 系）に傾斜化した 2 つのタイプがある．図４に銅とオーステナイト系ステンレス鋼（SUS304）を長さ方向に傾斜化した傾斜機能化傾斜機能性管継手の事例（Cu-SUS304 系）を示す． (5) 開発事例５：ゴルフクラブのヘッドおよびこれを用いたゴルフクラブ(特願 2002-55922) ゴルフクラブの歴史を振り返ると，当初のゴルフクラブヘッドは柿の木から製造されており，クラブヘッドは中実図５で全体の弾性解析によりボールの打撃の解析が行われてＦＧＭを用いたゴルフクラブの一例いた．その後，ゴルフクラブのヘッドに金属材料が適用され，中空の構造が可能となり，ステンレス鋼や，より軽量化を図るためにチタン等が採用されてくると，ゴルフクラブ（ウッド，アイアン，パター）の打撃面（フェイス部）の弾性解析によってボールの打撃の解析が行われるようになった．ところが，これらのゴルフクラブのフェイス部は，均一で一様な金属材料で製造されているので，フェイス部における諸物性（弾性係数，密度，弾性波の伝搬速度等）を変えることは不可能であった．ゴルフクラブのヘッドは，一般に競技時には打ったボールの飛距離を向上させ，意図しないフックやスライスを発生させないのが好ましいが，練習時においては，飛距離が出ないゴルフクラブ，フックやスライスが生じやすいゴルフクラブ等の要求もある．フェイス部に単一の金属材料を使用した従来のゴル４. おわりに FGM を使った商品化には，基礎的な物性データの収集およびデータベースの構築，法規・規格化（JIS 等の整備），機能性評価試験方法の確立，信頼性評価試験方法の確立，破壊および非破壊試験方法の確立，経済性（特に多品種少量生産に向けての生産コスト低減対策），安全性，および環境問題への対応(リサイクル性)等の数多くの問題がある．しかし，通常の商品化においてでさえ，発明から商品化にこぎつけるまでに長年を要するケースは少なくない．関係する皆様のご協力により種々の問題が克服され，数々の小さな発明の芽が大きく育ち，数多くの FGM 商品が社会に貢献できることを願う次第である．中野光一（九州工業大学大学院生命体工学研究科*）フクラブでは，その実現が困難であった．本開発は，この参考文献ような事情を考慮してなされたもので，用途に応じてその 1)Kouichi Nakano ; et al : PVP-Vol.302,Composites for the Pressure Vessel Industry, Book No. H00 965, ASME, pp.283-289, (1995) 2）中野光一他：傾斜機能材料論文集 vol. 20, pp.167-171, (2006) 特性の異なる新しいタイプのゴルフクラブヘッドおよびこれを用いたゴルフクラブを提供するものである．図５に FGM を用いたゴルフクラブの一例を示す． TAKADA TECHNICAL REPORT Vol.18 2008 ＊客員准教授：㈱高田工業所休職中傾斜機能材料を使った商品化への取り組み・23