学生にやらせてみせたらできた!?低コスト化追求のなかで生まれたCO₂排出量抑制にも貢献する注目の金属接合技術〜低温摩擦接合(中編)

INTERVIEW

大阪大学接合科学研究所
副所長/教授
藤井 英俊
特任准教授
森貞 好昭

金属を接合する圧接方法のひとつである「摩擦圧接」。「摩擦接合」の最前線に注目するなかで、中編では低温度で接合部の強度低下を抑え、極力素材を変形させずに接合できる「低温摩擦接合」を取り上げます。前編に引き続き大阪大学接合科学研究所の副所長藤井英俊教授グループに、低温摩擦接合技術が生まれたきっかけや、その技術がもたらすCO₂排出量抑制などの効果について詳しくお話をお伺いします。

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────そもそも、なぜこうした技術を開発しようと考えたのでしょうか。

「摩擦攪拌接合では、摩擦するための円筒状のツールが必要ですが、接合する素材よりも硬いツールでなければなりません。アルミの場合は鉄で可能ですが、鋼に対しては鉄のツールではできません。

鋼の場合は接合温度でより高い硬度を有するツールが必要で、窒化ホウ素を超高温高圧で焼結したPCBN製ツールやタングステンにレニウムを添加したツールなどを使います。しかし、こうしたツールは高価であり、特にPCBN製ツールは1本100万円もするので、いくら摩擦攪拌接合にメリットがあってもコスト的にとても見合わないのです。

ですから私たちはその1/100の価格、1本1万円程度の安いツールを使いたいと考えました。しかし、安いツールで耐えられる温度はマックス1,000℃までしかもちません。だから誰もやっていなかったのです」 (藤井教授)


大阪大学接合科学研究所 副所長 藤井英俊教授
大阪大学接合科学研究所 副所長 藤井英俊教授



────安いツールというのはどんな素材でしょうか。

「企業と共同開発した窒化ケイ素セラミック(Si3N4)や超硬合金などの通常の切削工具に使われているような材料です。摩擦攪拌接合の実用化を目指すなら、コストの安いツール開発が重要な技術革新の1つになります。実は、私たちの低温度における摩擦攪拌接合の技術は、前述したような理論的な背景や確固たる自信があって行ったわけではなく、安いツールで学生にやらせてみたらできてしまったのです。

学生に高価なツールで実験させると、1本100万円もするようなPCBN製のツールを失敗して折ってしまったりします。それでは研究費がいくらあっても足りないので、超硬合金製のツールを用いて低い温度で摩擦攪拌接合をやらせてみました。すると900℃でもできたと言ってきます。それならということで、どんどん温度を下げていったら700℃でもできてしまったというわけです」(藤井教授)

 

────低温による摩擦攪拌接合はコストも安くなるということでしょうか。

「私たちの摩擦攪拌接合は、低い温度で接合するので接合部が硬くなり過ぎず、粘りけのある継手になります。ツールも安いのでいいところだらけの技術です。しかし、まだあまり広く使われていません。なぜなら、アーク溶接と比べると、まだまだコストが高いからです。アーク溶接は消耗品がないので、ほとんど材料費はかかりませんが、1本1万円程度という安いツールとはいえ、私たちの摩擦攪拌接合はコストの点でまだアーク溶接に劣っているのです」(森貞准教授)

 

 

摩擦攪拌接合の事例とツール(手に持った円筒状のもの)。値段の安いツールを使いたいというのが最初の研究開発動機だったそうです。
摩擦攪拌接合の事例とツール(手に持った円筒状のもの)。値段の安いツールを使いたいというのが最初の研究開発動機だったそうです。



摩擦攪拌接合の裏面。ほとんど痕跡がないきれいな接合面になっています。
摩擦攪拌接合の裏面。ほとんど痕跡がないきれいな接合面になっています。



「ただ、鉄鋼メーカーは、すでに炭素をあまり入れない製品を作ってしまっています。これまで鋼の接合では溶接しかなかったので、構造体の設計が溶接で部材をつなぐ前提でなされていたり、そもそも溶接するための鋼を作っているという状況があるのです。

しかし、炭素を0.15%以上入れると割れやすくなるという欠点がある鋼は、摩擦攪拌接合を用いて低い温度での接合が可能になれば、もっと炭素量を増やすことができ、より強度を上げることができるようになるでしょう。現状で鋼の強度を上げるためにいろいろな合金素材を入れていますが、そんなことをせずに炭素を入れるだけで強度を上げることが可能になるのです。

溶接から摩擦攪拌接合へ接合法を移行すればすべてが変わります。自動車メーカーが採用して旗振り役になれば、広がっていくでしょう。強度を高めるために現状、炭素の代わりに入れている合金素材が不要になるのでコストが安くなります。自動車メーカーが炭素量を増やして強度を高めた鋼板を使用し、接合は摩擦攪拌接合でやるように変われば、全国の鉄鋼メーカーは自動車の材料をすぐに作ると思います。さらにいえば、鋼に炭素が多く含まれているままの素材を使うことで、莫大な量のCO₂の排出を抑えることができるのです」 (藤井教授)


────摩擦攪拌接合によってCO₂の排出量を抑えることができるというのはどういう意味なのでしょうか。

「鋼というのは鉄鉱石からコークスを混ぜて還元して作ります。その後、高炉で銑鉄を作ります。銑鉄にはすでに約4%の炭素が入っています。もちろん他の元素も入っていますが、鉄に4%の炭素を混ざったものが鋼の材料になる銑鉄というわけです。

約4%という炭素量が、最も鉄の融点が低くなる量です。しかし、4%の炭素量のままでは硬くもろ過ぎ、接合もできませんから、転炉に入れるという工程で4%の炭素を0.15%まで下げ、脱炭しなければなりません。

どうやって脱炭するかといえば、不純物を除去することもあって酸素を吹き込むのです。すると、炭素が燃え、ケイ素やリンなど不純物と酸素が反応し、莫大な量のCO₂が出てしまいます。日本の全製造業の5割近いCO₂は鉄鋼業から出ているといわれているのです」 (藤井教授) 
※参考:2019年02月環境省「産業部門におけるエネルギー起源CO₂」


────つまり、製鉄や製鋼の過程で4%も下げずにすめば、CO₂の排出量をかなり抑えることができるというわけですね。

「素材を作る過程におけるCO₂の排出量は、アルミや炭素繊維強化プラスチック(Carbon Fiber Reinforced Plastic、CFRP)などのように鉄よりも多い素材がありますが、鉄の生産量はこれらの素材に比べてあまりにも多いのです。4%から0.15%まで下げなくても炭素量が多いままで加工可能な鋼材を作ることができれば、CO₂をかなり削減することができます。

また、鉄が高強度になれば、鉄の生産量そのものを減らすことができるでしょう。高強度にすれば軽い自動車ができ、省エネ走行が可能になります。生産過程でCO₂の排出量が減りますし、鉄の生産量が減り、省エネによるCO₂排出量が減るということになるでしょう。鉄の量は減りますが、価格が上がれば鉄鋼業界にとっても良いことになります」 (藤井教授)


────安いツールを使った低温の摩擦攪拌接合の今後の技術的な改良点はどのあたりにありますか。

「ツールの寿命、耐久性の向上でしょう。現状では数10メートルから100メートルの寿命です。私たちとの共同研究企業を含め、多くの企業が低コストで耐久性の高いツール開発に血道を上げているところです。もしも安くて寿命の長いツールを開発すれば、摩擦攪拌接合の市場を排他的独占的に支配できるでしょう」 (藤井教授)


────先生方が開発した低温2面接合という技術ではツールは使いませんね。

「摩擦攪拌接合は、現状でツールの寿命以外ですべての点に優れています。そして、ツールのコスト的欠点を解決する技術が、ツールを使わずに鋼材を押して回転させて摩擦させる摩擦圧接です。

私たちはこの摩擦圧接でも723℃以下まで温度を下げようと考えました。当初、押しつけると温度が上がるのではないかと予想しましたが、実際には低回転で摩擦しつつ強く押せば押すほど温度が下がりました。強く押しつけると、確かに発熱量自体は増えますが、不思議なことに接合温度が下がることを発見したのです」 (森貞准教授)


大阪大学接合科学研究所 森貞好昭特任准教授
大阪大学接合科学研究所 森貞好昭特任准教授


────温度が低くなることで相変態しなくなるということでしょうか。

「摩擦圧接の場合、従来の条件でやると温度が高くなって接合面に変態相が生じて硬くなってしまい、破断しやすくなります。しかし、強く押しつけると接合したのにもかかわらず、接合面は硬くも柔らかくもならず、硬さはまったく変わりません。つまり、低い圧力では温度が上がり、高い圧力では低温状態になるというわけで、こうした現象はこれまで誰も知らなかったのです」 (森貞准教授)


従来の技術(上)と低温摩擦接合による接合部の組織の違い。接合部にほとんど組織変化がみえないのがわかります。
図提供:大阪大学接合科学研究所
従来の技術(上)と低温摩擦接合による接合部の組織の違い。接合部にほとんど組織変化がみえないのがわかります。
図提供:大阪大学接合科学研究所



────なぜ、低回転の高圧力でこのような現象が起きるのでしょうか。

「従来の摩擦圧接では、押しつける力に素材の接合面が負けた瞬間にバリが大量に排出されます。その後、さらに押し続けば発熱量は増えますが、強く押していますから低い温度でも変形し始め、エネルギーがどんどん逃げていくのです。

押しつけ力に負けたときに、元の材料が接合し、ちょうど真空で滑らかな新生面同士をこすり合わせると一瞬で接合するように、いらない層がバリとして外へ出て、中が真空のまま、相変態せずに原子が近づいて接合するという現象が起きています。つまり、2つの同じ素材をこの低温摩擦接合で接合した場合、接合部を含めてまさに一体化し、接合部にも組織の変化がほとんどない接合体になるのです」 (藤井教授)

「金属構造体を接合したり溶接したりする場合、接合部の特性が母材と異なってしまうため、強度や力の方向などを勘案して設計しなければなりませんでした。しかし、この接合法を使えば母材が一体化して接合されるため、そうした構造上、設計上の必要はなくなります。飛び出たバリを削って研磨すれば、どこが接合部かわからないくらい同じ素材として接合されるのです。

これも圧力を上げると温度が下がることをあらかじめわかってやってみたというより、学生にやってもらったら実際に温度が低くなり、最初は学生の実験が間違っているのかと思ってもう一度やってもらったら、やはり同じ現象が起きたことで発見した現象です」 (森貞准教授)。


大阪大学接合科学研究所の線形摩擦接合装置。線形摩擦接合は、低温摩擦接合と同じ固相接合です。
大阪大学接合科学研究所の線形摩擦接合装置。線形摩擦接合は、低温摩擦接合と同じ固相接合です。



────ほかの固相接合でも、同じような現象が起きているのでしょうか。

「固相接合の一種である線形摩擦接合も同じ現象が起きています。低温摩擦圧接は回転させて摩擦させますが、線形摩擦接合は線形、つまり接合界面に振動を加えて摩擦させます。どちらも摺動(しゅうどう)させる摩擦接合方法ですが、線形摩擦接合でも、接合圧力の増加に伴って低温になり、接合温度が変態点より低くなると相変態しません」 (森貞准教授)


────これらの技術でやってみた鋼材も炭素量は多いのでしょうか。また、線形摩擦接合の場合の圧力とこすり合わせる周波数はどの程度でしょうか。

「鋼は炭素量1%でやっていますし、これはアルミでも可能です。私たちが使っている装置では15トンのプレスで、線形摩擦接合の周波数としては15〜75Hzです。超音波接合と似ていますが、圧力と温度の関係が異なります。

超音波接合は温度を上げずに低い温度でやりますが、低温摩擦接合や線形摩擦接合の場合は接合面の温度を上げてバリとして外へ排出して元の酸化皮膜のない母材と母材同士を近づけて接合します。

もちろん、あまりごつごつしたもの同士では難しいですが、接合面はあまり研磨しておかなくても切りっぱなしの母材で大丈夫ですし、複雑な面同士でも可能でH鋼でも接合可能です」 (藤井教授)


────この技術、特許や知財のほうはどうでしょうか。

「1991年に開発された摩擦攪拌接合に関しては2つの特許があり、これらの特許がTWIをすごく繁栄させましたが、今ではどちらも切れています。これに関する周辺特許は、日本のメーカーもいくつかもっていたように混在していましたが、1社が開発した特許が独占的に長く多種多様な技術領域に使われてきたというのは、摩擦攪拌接合に技術的なインパクトがあったということでしょう。

もちろん、私たちの技術も特許として、摩擦攪拌接合では低い温度での接合とツール、低温2面接合では高い圧力をかけると温度が下がるという現象の発見で特許を取っています」 (森貞准教授)




藤井教授らの技術は学術雑誌などに論文として発表され、引用数がトップテンに入っているといいます。すでにアカデミアでは高く評価を受けていますが、ご自身が語るように実用化の面ではこれからの技術です。学生にやらせてみたらできたという現象の発見。ものづくりの技術にはまだまだ未知の領域がたくさんありそうです。

後編では、その低温摩擦接合の技術を実際に装置化し、低温2面摩擦接合機として実現させた、株式会社北川鉄工所の例を見ていきます。




文/石田雅彦



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