耐熱合金用工具
航空機や車向けで需要増、応用の舞台広がる

メーカー各社が新製品

　軽量(比重４．５１、密度は鋼の約60％)で、丈夫（高強度、～１８００ＭＰａ）、耐食性にも優れる材料として耐熱合金が近年、用途を拡大している。

　主な需要先は、航空機エンジン(写真①)はじめ産業用ガスタービン、自動車のエンジンバルブ（写真②）やピストン、さらには自転車のフレームやギア(写真③)、オートバイマフラーといった産業用分野の他にゴルフクラブヘッド、眼鏡フレーム、人工股関節部材、インプラントといったスポーツ・レジャー用品、医療・福祉分野にも跨り、機械加工は欠かせない材料の一つになっている。

　ところが、難点いくつかある。希少価値材料であること、価格が鉄やアルミ比べ格段に高く、機械加工ミスは許されないこと、切削加工が容易でないことなど。切削工具メーカーは、製品・技術開発に凌ぎを削っている。最近の耐熱合金の動向と用途と加工例をまとめた。

ニッケル基、コバルト基、チタン・・・

　代表的な耐熱合金は、チタン合金はじめインコネル合金、ニッケル基合金、コバルト基合金…といった難削材中の難削材が上げられる。
市場規模は、機械統計にないため不明だが、主な超硬工具、特殊鋼工具メーカーに聞くと、「年間売上高の数％を占める」とするところもあれば、「現在５、６％を占め、航空機向けに加え自動車、家庭用燃料機器向けなど利用範囲が拡大中」とするところもある。

　また、ある工具メーカーも「航空機ジェットエンジンの生産増が好調。タービンブレード（写真④）やディスク(写真⑤)、ストラッドなど、エンジンの主要部品は生産増にある」と、耐熱合金市場の拡大を見込んでいる。

　需要先は、多忙になっている。例えば、航空機エンジンの生産。米国や英国など５カ国のメーカー７社（日本はＩＨＩ、川崎重工業、三菱重工業の３社）で共同開発した中型旅客機のターボファンエンジンＶ２５００の生産は、エアバス３２０やボーイングＭＤ９０に搭載され、これまでに６０００機にのぼる。

　最近は、オーバーホール需要も大きく、Ｖ２５００のファンフレーム（チタン合金、直径１．６ｍ、厚さ０．４ｍ）やファンケース(チタン合金、直径１．８ｍ、厚さ１．３ｍ)を生産するＩＨＩは「新たに生産するものとオーバーホール需要で生産現場は超多忙」としている。

　このベストセラー機、Ｖ２５００は今、米プラット・アンド・ホイットニー（Ｐ＆Ｗ）の新型エンジンＰＷ１１００Ｇに引き継がれ、ＩＨＩ、川崎重工業、三菱重工業の３社では日本航空機エンジン協会（ＪＡＥＣ）を通じて共同開発が進められている。

航空機は年率５％増
　ＩＨＩはじめ川崎重工業、三菱重工業、富士重工業の４大航空機部品メーカーに）需要動向を聞くと、異口同音に「ボーイング、エアバスは、年率５～７％増の需要増を見込んでおり、日本市場は潤う」と見ている。

　裏付けもある。日本航空機開発協会（ＪＡＤＣ）のジェット旅客機の需要予測（２０１５年３月時点）によると、「20席以上のジェットエンジン旅客機の生産は１万９２０８機、20年後の２０３３年にはロードファクターの増加、機材の生産性向上もあり、現在の１．９倍、３万６７６９機」を予測する。つまり、今後、20年間に３万２２１７機分が生産される計算になり、年間にすると１６１１機の旅客機が生産される。

　この中には、三菱航空機（愛知県豊山町）が今年９月から10月に初飛行を計画する国産初の小型ジェット旅客機「ＭＲＪ」（三菱リージョナルジェット）の生産も加わる。ＭＲＪの受注機数は４月末時点で４０７機（確定２２３機、オプション１６０機、購入権24機）となっている。

耐熱合金を削る
　ＩＨＩは、「金属を金属で削っているから、表面の組織をむしり取ることになり、残留応力でかなり変形する。しかし、我々は長い経験で、まん丸のものをまん丸に削るノウハウを持ち、今や難削材は快削材になっている」というところもある。

　また、同社は、スリーセブンで知られるボーイング７７７に搭載のＧ９０のディスク(直径１ｍ２００を７段)を月産20枚、枚数にして計１４０枚を生産する。この難削材の生産について「仮に他の会社が、同じ機械、同じ工具を使って削っても、うちと同等のディスクは作れない」と自負する。具体的に聞けば、「薄いディスクをまん丸に変形させないで削るのは、簡単のように見えてなかなかできない。何処からどう削り、次は何処を削って行くか、工程がノウハウ。我々が負けていないのはそこ。工作機械と工具はその特性を生かす快削の道具」と位置づける。

　また、航空機エンジンや産業用ガスタービン部品を専門に加工するメーカーでは「80％以上が難削材で、うちニッケル基合金が25％、コバルト基合金とチタン合金がほぼ同じ12％を占める」としている。

　また、同社は、耐熱鋼を５軸マシニングセンタで加工し、「特性部品ごとにセル化を構築し、現在８セルはフル稼働中。難易度の高い部品の一つ、ニッケル基合金は、高温強度が大きいため工具寿命が短く、切削抵抗が大きく、加工時間も掛かる」ことから同社の高度な技術で克服しているという。

チタン市場が大きい
　耐熱合金の中でも、チタンは市場の多くを占めている。
　チタン生産量の多い神戸製鋼所によると、耐食性に優れ（海水には完全耐食）、軽くて高強度（ステンレスの60％の軽さ、純チタンで２７５-７３５ＭＰａ、チタン合金で６２０-１８００ＭＰａの引っ張り強さ）、弾性に富む（ステンレスの約50％の縦弾性係数）、低温靱性に優れる、低い熱伝導率（アルミの約８％の熱伝導率で、ステンレスと同等）、昇温しやすい、生体適合性に優れる（体内でのイオンの溶出が少ない）、肌にやさしい（メタルアレルギーに対し優れた抑制効果）などの特長があり、熱交換器、航空機エンジン、ゴルフクラブヘッド、液体酸素タンク、金属溶湯用治工具、鍋・フライパン、人工骨・歯根・心臓弁、腕時計・ネックレス・メガネフレーム、カメラ・パソコンの筐体など広範囲な業種に活用されている、という。

　国内の需要は、リーマンショックの２００８年の翌年を除けば、ほぼ23～25万ｔ前後となっている。

難点は加工
　一方、チタンの難点は、価格が鉄やアルミ材に比べ格段に高いこと。また、一般的に容易に切削加工ができないことが上げられる。日本市場は、電気、自動車などの量産加工は現地生産に移行し、極端に言えば、多品種変量生産（国内生産）と難削材加工が残った。

　このため、難削材加工は日本の差別化に繋がり、今後「難削」を「快削」にすることで競争力を高めることが重要になる。切削工具メーカー各社が耐熱鋼向け工具を開発している背景はここにある。
　
　 耐熱合金とは 　

抜群の耐蝕性と高温強度

　６５０℃以上の高温度で、耐食性及び高温強度の優れた合金のこと。ジェットエンジンは、タービン入口ガス温度が高いほど効率や比推力が良くなるため、燃焼室やタービン、排気系統には主に耐熱合金が使われ、ジェットエンジンの進歩は、これら耐熱合金の開発に掛かっているといわれている。

　現在、主として使われているのは、ニッケル基とコバルト基の耐熱合金であり、１２００℃程度まで耐えることができる。ボーイング７４７のＪＴ-９Ｄエンジンは、燃焼室関係にニッケル基（ハステロイ系）、タービン関係にニッケル基（インコネル系）、コバルト基（ステライト系）などの耐熱合金が使われている。チタンは、軽く、丈夫で、耐食性に優れている材料として、あらゆる産業の用途として使われている。

日本産機新聞 平成27年(2015年)5月15日号