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寺島研究室では次世代機械材料として期待されているバルクアモルファス合金(金属ガラス)の新材料開発およびその接合・加工技術を研究しています。

奈川大学
工学部機械工学科

研究概要Research


【研究背景と目的】
金属ガラスの接合と加工
 (pdf版はこちら)

 身の回りの金属は殆どが規則性を持った結晶の塊で構成されています。これらは結晶金属と呼ばれています。一方で、一部の合金においては原子配列に長周期的な規則性を持たないものがあります。その中でも比較的大きなものを金属ガラス(バルクアモルファス合金)と呼びます。金属ガラスは結晶粒界、特定の滑り面、欠陥が存在しないので類似する結晶金属よりも化学的耐性や機械強度などに優れます。それゆえ金属ガラスは次世代機械材料として産業応用が期待されています。
 金属ガラスはある種の合金を加熱して溶解した後に急冷すると得られます。ただし冷却速度が材料固有の臨界値(臨界冷却速度Rc:Zr基金属ガラス1-10K/s、Pd基金属ガラス0.1K/s)よりも小さいと直ちに結晶化して脆弱な金属間化合物を生成します。そのため抵抗溶接などの汎用機を用いた溶接法では継手が結晶化して本来の性能を発揮できないなどの問題がありました。またそれが金属ガラスの産業応用を制限してきました。
 そこで我々の研究室では金属ガラスの溶接を中心に、過冷却液体を利用した超組成加工、薄膜化、微粒子化など様々な形や大きさに変える研究しています。これにより金属ガラスの産業応用促進と新分野開拓を目指しています。
主な成果を以下に挙げます。

 金属ガラスのファイバーレーザ溶接

 継手の冷却速度を向上させるためにはなるべく少ない入熱量で溶接する必要があります。そこで超高エネルギー密度熱源であるファイバーレーザ(パワー密度: 数MW/cm2)を使用してZr基金属ガラス(Zr55Al10Ni5Cu30)のレーザ溶接を行いました。その結果アモルファスを維持したままビードオンプレート溶接することに成功しました。
 一方でMg基金属ガラス(Mg65Cu25Gd10)はガラス形成能が極端に低いためファイバーレーザ溶接法を用いても接合が不可能でした。そこで更なる冷却速度の向上のために「突合せレーザ溶接法」を開発して、世界で始めてMg基金属ガラスの溶接に成功しました(図2)(特許申請中)。本溶接法は突合せた試験片に荷重を加えながら高速回転させてレーザ溶接を行います。溶融部の大半は遠心力で吹き飛ぶため実質的に熱量が奪われて継手の冷却速度が向上することを実測及び計算で明らかにしました。また仮に溶融部内で結晶化が起こったとしても残った溶融部はバリとして継手外に押し出されるためアモルファスの正常な継手を得られることに特徴があります。本接合法の開発によりガラス形成能が極端に低い金属ガラスの溶接や、異種材料との接合へ展開が期待できます。



 金属ガラス複合材料

 Zr基金属ガラスは強度に優れるが脆性的であるため構造材料として用いるには必ずしも適当ではありません。そこで機械的性質を改質するためにW微粉末をZ基金属ガラスに均一分散した複合材料の開発を行いました。独自改良した鋳造法によりW/Zr55Al10Ni5Cu30金属ガラス複合材料を作製することに成功しました(図3)。圧縮試験の結果Wを8.7vol%添加すると塑性歪みが1.3%発現し、破断強度は1480MPaから1870MPaに向上しました。またWの分散比率を変えることで線膨張係数を自在に制御することに成功しました。金属ガラスの異種材料接合で問題となる膨張係数ミスマッチの低減効果が期待できます。



 高速フレーム溶射による複合金属ガラス皮膜の作製

 高速フレーム溶射法(HVOF)を用いてFe基金属ガラス(Fe43Cr16Mo16C15B10)粉末から金属ガラス溶射皮膜を作製することに成功しました。さらにWC/12Coサーメット粉末を混合することでFe基金属ガラス中に扁平化したWC/12Coが分散した複合溶射皮膜を得ました(図4)。金属ガラス特有の耐食性とWC12Co特有の硬さ、耐摩耗性を併せ持つコーティングの創成に成功しました。



 金属ガラスと異種材料の接合

 金属ガラスの異種材料接合では界面近傍で組成変動が起こります。そのため界面近傍のガラス形成能低下、反応層、残留応力など複数のパラメータが継手強度に影響します。これらを明らかにするためにPd基金属ガラス(Pd40Cu30Ni10P20)をろう材としてCuの接合を行いました(図5)。
 接合後に急冷することによりPd基金属ガラスとCuの接合体を得られた一方でPd40Cu30Ni10P20/Cu接合界面ではCu3Pdの柱状組織が観察されました。界面近傍の組成変動やCuを核とした結晶化について議論を行い、金属ガラスの異材接合における問題点を明らかにしました。



 金属ガラス表面のメタライズ

 はんだ接合はプロセス温度が低いため金属ガラスを結晶化させることなく接合できる方法として期待されています。しかしCu36Zr48Al8Ag8金属ガラスの表面は強固な酸化被膜で覆われているためはんだのぬれが乏しいことが知られています。そこでCu36Zr48Al8Ag8金属ガラス表面にCuメタライズを施し、酸化被膜の形成の抑止を検討しました。Cuメタライズは独自開発した鋳造法を用いてCu薄膜を溶着して行いました。
 その結果、図6に示すようにCu薄膜とアモルファスのCu36Zr48Al8Ag8金属ガラスを金相学的に連続に溶着させることに成功しました。
 溶湯周りの熱履歴のシミュレーションの結果から、Cu薄膜は溶湯の余熱で瞬時に半溶融して溶着し、その直後に溶湯は1000K/s以上の冷却速度で急冷されてアモルファスを形成することが分かりました。またオージェ電子分光分析によりCuメタライズ層が酸化被膜の形成を抑止する役割を果たしていることが明らかになりました。結果としてCuメタライス金属ガラスは鉛フリーはんだに対して良好な濡れを示すことが明らかになりました。



 膨張係数がゼロの金属ガラス複合材料

 負の膨張係数を有する逆ペロブスカイト型窒化物Mn3(Cu0.53Ge0.47)Nと金属ガラスFe43Cr16Mo16C15B10を複合化して正味の膨張係数がゼロのアモルファス複合材料を開発しました。複合化はそれぞれの混合粉末をプラズマ放電焼結して行いました。
 ガラス転位温度(Tg=863K)付近で焼結を行うとFe43Cr16Mo16C15B10金属ガラスは過冷却液体状態に転移するため高密度のMn3(Cu0.53Ge0.47)N / Fe43Cr16Mo16C15B10金属ガラス複合体を得る事ができました。温度-歪み特性を測定した結果、室温±20K以内において膨張係数をゼロに制御することに成功しました(図7)。
 温度変化による熱膨張揺らぎを嫌う精密光学部品などでは、これまでセラミックス系のゼロ膨張係数材料が使われてきましたが、それに代わる金属系材料として期待できます。精密加工性、強度、生産性が大幅に向上します。
 
 図7 Mn3(Cu0.53Ge0.47)N / Fe43Cr16Mo16C15B10金属ガラス複合体の温度-歪み特性


大気圧非平衡プラズマ

 非平衡プラズマは低温で多量のフリーラジカルを生成することができるためCVD、エッチング、洗浄などの半導体製造工程に欠かせません。しかしプラズマは通常数torrの減圧下で生成するため真空装置の導入と維持に多額のコストがかかることが問題でした。そこで大気圧でも安定なVacuum-Freeのグロー放電発生装置の開発に取り組みました。
 電極や電圧波形に工夫を加えることで大気圧下でプラズマを生成することに成功しました。プラズマ診断の結果、ガス温度は低い(450℃)が電子温度は異常に高い( 1.5keV)非平衡プラズマであることが分かりました。これによりプラスチックなどの熱可塑性材料に対するプラズマプロセスを大気圧で施行することが可能になりました。このプラズマ活性反応場を用いてエステルの直接合成、ナノ炭素材料(グラファイト、C60など)の合成、プラズマCVD、滅菌などの応用研究を行い減圧プラズマと同等以上の有用性を持つことを証明しました(図1)。




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准教授 寺島岳史
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