チタン素材のニッセイ スタッフブログ イメージ

チタン合金『GUMMETAL(ゴムメタル)』 ③

今回は、ゴムメタルの合金設計はどのようになされたのかをお話ししたいと思います。

ゴムメタルの合金設計とは?

チタン(Ti)-ニオブ(Nb)系合金では、ある組成になると低弾性になるという過去の知見に着目して、弾性率が低くなる組成を、第一原理計算という手法を使って電子論的に予測した上で、高強度化を両立できる成分系を絞り込み、さらに冷間加工プロセスと合わせて開発されたのです。

このようなゴムメタルの合金設計と特異な特性及び特性が発現する変形機構については、2003年の‘Science誌’に論文が掲載されています。論文の中では、ゴムメタルは、それまでの金属材料では常識とされていた‘転位による変形’とは異なるメカニズムで変形し、内部にナノサイズの弾性ひずみ場が形成されることが、特性の発現に関係していると報告されています。この論文は、金属変形の研究者に注目され、その後は世界的に様々な教育機関との共同研究が行われて、多数の論文が発表されています。

 

ゴムメタルの製品化

このようにして、(株)豊田中央研究所で開発されたゴムメタルの応用に、最初に目を付けたのは、(株)豊田中央研究所の株主会社の1社である豊田通商(株)でした。

 

眼鏡フレームへの応用について、豊田通商(株)事業開発部を中心としてゴムメタルの用途開発がスタートしました。

最大の特長である低ヤング率を活かすことが出来る民生品として、最初に眼鏡フレームに着目しました。

開発者も長年めがねを掛けており、眼鏡フレームのどの部分に使われるのが良いか直感的に感じたそうです。

早速、チタン粉末を製造している友人を通じて弊社にゴムメタル線材の提供があり、1999年眼鏡フレーム用として試作がスタートしました。

ゴムメタルの性質が最高に生きる使用部位はフレームの腕(専門用語:テンプル)です。長時間掛けていても痛くならない、掛けていて心地よいテンプルを目標にしました。

粉末焼結材の加工経験が無いため、先ずは溶性材の延長で加工工程を組み、冷間鍛造・圧延の試験を繰り返し行いました。その結果、徐々に加工方法が確立され、2000年4月に量産ができるまでになりました。

ゴムメタルはヤング率が45GPaと低く、弾性範囲が広いので顔幅に関係なくフィットしてめがねが快適に掛けられる眼鏡用フレームの最高級品として扱われるようになりました。

 

次に商品化されたのは、スポーツ用品でした。ゴルフクラブへの当初の応用は、ウッドのフェイスでしたが、開発途中でフェイスの反発係数に上限規制がかかってしまい、ゴムメタル製が規制を超えたため、止む無く中断されました。しかし、その後はシャフトの一部に応用されるようになり、ヨネックス(YONEX)から販売されたナノVは石川遼選手も使用されていました。その他、テニスやバトミントンのラケットなどにも使用されています。

最近の応用商品の中で画期的なのは、歯科矯正ワイヤーです。約4年前から国内で販売が開始され、今では全国の矯正歯科クリニックで使用が拡大しています。その理由は、ゴムメタルの‘しなやかさ’が、歯の移動に最適な力を生み出すため、患者さんの痛みが少なく、治療期間が短くなると言うことです。金属アレルギー元素を含まないというメリットもあります。歯科矯正の患者さんは、日本では20人に1人くらいですが、欧米では5人に1人が、幼い頃から歯科矯正治療を受けており、今年からは、欧米でも販売される予定です。

 

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チタン合金『GUMMETAL(ゴムメタル)』 ②

今回は、チタン合金「GUMMETAL」について、弾性変形挙動を示すこの素材がどのような目的で開発されたのかをお話ししたいと思います。

ゴムメタルの特性とは

まず、ゴムメタルの特許には、‘弾性率が低く、かつ強度が高いこと’が、最大の特長として掲げられています。弾性率が低いと、小さな力で変形させることができ、かつ強度が高いと、大きく変形しても元に戻ることになります。すなわち、‘しなやかな’性質を発揮します。このような低弾性率と高強度を併せ持つ材料は、世の中にありませんでした。例えば、鉄は強度が高いけれど、簡単に曲げることが難しいですね。アルミニウムは柔らかくて、鉄に比べると簡単に曲げることができるけれど、強度が低いので、曲がったままで元に戻りません。これらに対して、ゴムメタルは、柔らかくて強いという相反する性質を、同時に実現した新しいチタン合金です。ゴムメタルの弾性率は、日常で使われているステンレス鋼の約1/5で、強度は約2倍もあります。

ゴムメタルの応用

更に、どのような応用を考えて、このような性質の材料が開発されたのでしょうか。典型的な応用は、自動車などの機械部品であるバネです。例えば、バネ定数が等しいコイルスプリングを作る場合、弾性率が低いと、その分だけ巻き数が少なくて済みます。ゴムメタルは弾性率が鋼の約1/5ですので、1/5の巻き数で鋼と同じバネ定数の軽量あるいはコンパクトなスプリングが出来ることになります。もう一つの典型的な応用は、医療における人工骨です。人工骨には従来、チタンが使われていますが、その弾性率は人間の骨の弾性率の5倍近くあります。しかし、人工骨には、人間の骨と同等の弾性率を有する材料が好適なのです。その点で、ゴムメタルは人間の骨に近い低弾性率で、しかも強度が高く、しなやか、そのうえ生体アレルギーを起こすような成分を全く含んでいない合金設計がなされているのです。

 

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チタン合金『GUMMETAL(ゴムメタル)』  ①

今回は、弊社が一番売りにしているチタン合金‘GUMMETAL’の紹介の第一弾として、皆さんにより分かり易く説明したいと思います。

ゴムメタル(GUMMETAL)は、豊通マテリアル(株)が保有する登録商標であり、トヨタ自動車(株)をはじめとするトヨタグループのシンクタンク的な役割を担う(株)豊田中央研究所において開発された材料です。

近年では、金属ガラス、メタルポリマー、スチールセラミックなど、全く異なる材料を繋げた名前の材料や製品が多く見受けられます。では、ゴムメタルはゴムなのか、メタル(金属)なのかというと、ゴムのような非線形弾性変形を示す金属(チタン合金)です。

一般的な金属材料は、力を加えると、その大きさに比例して伸びます。しかし、ゴムメタルは、ゴムみたいに力と伸びの関係が直線的な比例関係にないことから、ゴムのような金属ということで、命名されたのです。

開発された目的などについては、次回以降で説明させていただきます。

 

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2017中国(上海)国際眼鏡展示会視察

先週15~17日にかけて、中国・上海にて国際眼鏡展示会が開催され、視察に行って来ました。

来場者数の多いことにはいつも驚くのですが、出展社に言わせると、例年よりも少ないとのことで、中国眼鏡市場の鈍化を感じさせられました。

全体的には、安価なアセテート枠、TR枠が目立ち、中国市場がそういったものを求めていることも感じました。ナショナルブランド等も中国市場を意識してか、高価なものは目立たないような見せ方もしていました。

眼鏡製造メーカーは、中国内需向けに安価なものを扱っているところが特に賑わっていました。

また、ウェアラブル系(AR、VR)の類いのものも昨年よりも目立って展示されていました。

何れにしましても、中国市場が良い方向に向かうことを様々な要素から願いたいと思います。

 

※ 次回からは、GUMMETALの素材誕生からの秘話等を含め、チタンに特化した内容をアップしていきます。

 

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ブログ開始!

さて、今年からブログを立ち上げることとなりました。

ここでは、弊社の目玉であるチタン合金‘GUMMETAL’を中心に様々な情報をアップしていきたいと思っています。

頻繁にアップ出来る訳ではありませんが、いろんな業種の方々と接触出来ることも楽しみにしています。

何卒よろしくお願いします。