January/2016

NACHITECHNICAL

REPORTMaterials

■ 新商品・適用事例紹介

自動車部品向け耐熱合金

「EXEO-E900」Heat resistant alloy "EXEO-E900"for motor parts

〈キーワード〉 耐熱材料・ニッケル系合金・析出強化型耐酸化性・疲労強度・クリープ強度

マテリアル事業部／技術部

小 澤 茂 太 Shigeta Kozawaマテリアル事業部／マテリアル企画部

島田 宜 治 Yoshiharu Shimada

マテリアル事業

Vol.30B5

自動車部品向け耐熱合金 「EXEO-E900」

Temperature Anomaly（°C）

－0.4

－0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000

Annual Mean5-year Running Mean

年（西暦）

要　旨　NACHIは、高速度工具鋼をはじめ、低熱膨張・

耐熱・耐食・強度などの特性を高めた機能部品材料

として 「EXEOシリーズ」を商品化している。

　今回、耐熱材料として析出強化型ニッケル基合金

「EXEO-E900」を開発したので紹介する。「EXEO-E900」

は、耐熱材料に必要とされる高温強度、耐酸化性、

疲労強度やクリープ強度などの高温特性に優れた

材料である。「EXEO-E900」は、900℃に達する高

温環境となる、自動車の排気バルブやターボ部品な

ど、高温環境下で使用される部位への適用を想定

している。

　図１に、地球の平均気温の推移を示す。地球の

平均気温は年々上昇しており、地球温暖化が問題

となっている。地球温暖化は、温室効果ガスである

CO2が一因といわれ、CO2排出量の削減が非常に

重要となっている。図2に、CO2排出量の業種別割

合を示す。世界のCO2排出量の18%を自動車が占め

ており、自動車が排出するCO2削減が急がれている。

そのため、各国はCO2排出量規制を将来にわたり、

段階的に厳しく設定している。一例として、日本の

自動車CO2排出量規制の推移を図3に示す。　

　この規制をクリアするため、自動車メーカー各社

は、次世代自動車である電気自動車や燃料電池自

動車の開発と販売、クリーンディーゼル自動車の採

用、ならびに既存ガソリン自動車の燃費を改善する

などの対策を行なっている。電気自動車や燃料電池

自動車は、航続距離やインフラ、コストの問題があ

り、この先数年は図4のようにパワートレーンとしてガ

ソリンエンジンが主流と見られている。

1. 自動車を取り巻く環境

Abstract Starting with steel for high-speed cutting tool, NACHI has developed and marketed“EXEO Series”materials for functional parts. The materials have high characteristics of low heat expansion, heat-resistance, corrosion resistance and high strength. Introducing here is a newly-developed, heat-resistant material, “EXEO-E900”that is made of precipitation strengthened type nickel base alloy.

“EXEO-E900”has superb characteristics of high-temperature strength, oxidation-resistance, fatigue strength and creep strength that are required for heat-resistant material. Its application is expected for the parts exposed to the high-temperature environment such as an exhaust valve of an automobile and turbo parts that are used under the high-temperature environment of 900℃.

図1　地球の平均気温の推移 1）

1

NACHI TECHNICAL REPORT Vol.30B5

その他10.6%

輸送23.8%

（自動車18%）

製造および建設21.4%

エネルギー生産44.2%

トルク（N・m）

100

120

140

160

180

200

1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 4,500 5,000 5,500 6,000

＋27.3％＋40％

ダウンサイジング型エンジン従来型エンジン

回転数（rpm）

JC08モード燃値（km/L）

678910111213141516171819202122232425262728

6007008009001,0001,1001,2001,3001,4001,5001,6001,7001,8001,9002,0002,1002,2002,3002,4002,5002,600

車両質量（kg）

2009年度の平均等価慣性相当の車両質量

2020年度基準案相当平均値

17.0

20.3

16.3

＋24.1%＋19.6%2015年度基準相当平均値

2009年度実績値

2015年度基準2020年度基準案

6,311

8,8358,8358,835

11,90711,90711,907

（万台）

保守 ：最も変化が小さいシナリオ中庸 ：最も蓋然性の高いシナリオ急進 ：最も変化の大きいシナリオ

ガソリン車 ディーゼル車 HEV PHEV EV FCV その他

13カ国（日本、アメリカ、ドイツ、フランス、イギリス、中国、ロシア、ブラジル、インド、インドネシア、タイ、マレーシア、オーストラリア）合計のパワートレーン構成予測

2013（年）

2025

2035

保守

中庸急進

保守

中庸

急進

70%

61%

60%

54%

69%

65%

57% 11% 5%7% 11% 2% 7%

13% 6%5% 5%6%

6%4%2%14% 4%

16% 7% 6% 7% 1% 9%

18% 8%

18% 8% 4%2%

4%2%

7%

17% 4% 9%

8%

図3　日本における燃費規制（2020年基準案） 3）

図4　将来の自動車パワートレーン構成予測 4）

　CO2削減のため、ガソリンエンジンには、燃費を

向上させる技術が数多く投入されている。その一つ

として、小排気量エンジンにターボチャージャーを

搭載したダウンサイジングターボエンジンが挙げら

れ、実際に採用が増加している。図5に、ダウン

サイジングターボエンジンと従来型エンジンにおける

発生トルクと回転数の関係を示す。ダウンサイジング

ターボエンジンでは、従来型エンジンよりもエンジン

回転数がより低回転の状態から、発生トルクが立ち

上がるとともに、発生トルクの一定化を実現している。

これは、ウ※1

ェイストゲート機構を従来の機械式から

電子制御式にすることで、バルブの開閉を緻密に

コントロールすることにより実現している。発生トル

クが立ち上がった後は、一定に保つため、ウェイスト

ゲートバルブは、これまで以上、高精度に開度を

コントロールする必要がある。そのため、高温の排気

ガスにさらされるバルブやバルブを開閉させるレバー

などの構成部品で高温強度を高めた材料が要求

される。

図2　CO2排出量の業種別割合 2）全CO2排出量：317億トン

図5　ダウンサイジングターボエンジンと　　 従来型エンジンにおけるトルクと回転数の関係 5）

2

自動車部品向け耐熱合金 「EXEO-E900」

応力（kgf/mm2 ）

1

2

46810

20304050

0.01 0.1 1 10 100

定常クリープ速度（％/1,000h）

18%Cr-8%Ni ステンレス鋼の応力と定常クリープ速度の関係

700℃650℃600℃

応力（kgf/mm2 ）

2

3

4

6

810

15

202530

102 103 104 10510

破断時間（h）

18%Cr-8%Ni ステンレス鋼の応力とクリープ破断時間との関係

600℃

650℃

700℃

800℃

引張強度（MPa）

0

200

400

600

800

1,000

1,200

1,400

1,600

1000 200 300 400 500 600 700 800 900 1,000

温度（℃）

SUS310SSUH35Inconel 750Inconel 718Nimonic 80A

　ウェイストゲート機構部品であるバルブやレバーな

ど向けの耐熱材料に求められる特性として、高温

強度をはじめ、耐酸化性、疲労強度、クリープ強度

などが挙げられる。

1）高温強度　一般的に、金属は温度が上がると強度が低下す

る。鉄基合金とニッケル基合金では、高温強度に大

きな差異があり、高温側では、ニッケル基合金が優

位である。図6に鉄基合金とニッケル基合金の引張

強度と温度の関係を示す。

図6　鉄基合金とニッケル基合金の引張強度と温度の関係

図7　定常クリープ速度データ例 6）

図8　クリープ破断時間データ例 6）

2. 耐熱材料に必要な特性

2）耐酸化性　金属は、高温であるほど酸素との反応速度が上

がるため、耐酸化性も要求される。一般的に、耐酸

化性は、鉄基合金よりもニッケル基合金が優れる

が、熱処理条件によって大きく変化することが知ら

れている。

3）疲労強度　自動車には、レバー、ピストンなど、繰返しの力を

受ける部品が多数存在する。繰返しの力が作用す

る部品では、疲労による破損が懸念される。そのた

め、疲労強度特性は非常に重要視される。また、使

用環境が高温の場合、高温環境における疲労強度

特性も重要となる。

4）クリープ特性　金属は、ある温度以上で一定の応力をかけ続け

ると、時々刻 と々変形がすすみ破断する現象が生じ

る。この現象をクリープと呼ぶ。使用する部材によ

り、定常クリープ速度やクリープ破断時間など必要

なデータが異なる。図7に定常クリープ速度、図8にク

リープ破断時間の例を示す。

3

NACHI TECHNICAL REPORT Vol.30B5

コスト →高コスト

高温強度

高い↑

超合金（鋳造）Inconel 713C,GMR235など

超合金（鍛造）Inconel 751,718など

耐熱銅SUS310S,SUH31など

EXEO-E900EXEO-E900

図9　各材料の高温強度とコストの位置づけ

3. 自動車用耐熱材料における　 「EXEO-E900」位置づけ　自動車用耐熱材料として、SUS310S、SUH31などの鉄基合金やI

※2nconel 718、Inconel 751などの

熱間塑性加工が可能なニッケル基合金、Inconel　

713CやGMR235などの鋳造用ニッケル基合金があ

る。各材料の高温強度とコストの位置づけを図9に

示す。今回開発した「EXEO-E900」は、コストが

Inconel 718やInconel 751などと同等でありながら、

優れた高温強度を有する材料である。

4

自動車部品向け耐熱合金 「EXEO-E900」

硬さ（HV）

0

50

100

150

200

250

300

350

400

100100 1,000

暴露時間（h）

引張強度（MPa）

0

100

200

300

400

500

600

700

800

750 800 850 900 950 1,000700 1,050

温度（℃）

EXEO-E900Inconel 718Inconel X-750SUH660SUS301S

酸化増量（mg/cm

2 ）0

1

2

3

4

5

500 600 700 800 900 1,000 1,100

温度（℃）

EXEO-E900SUS310SSUH660Inconel 600Inconel 718Inconel X-750

疲労強度（MPa）

0

100

200

300

400

500

600

700

550 600 650 700 750 800 850 900

温度（℃）

EXEO-E900Inconel 718Inconel 751SUS310S

4. 「EXEO-E900」の特長　「EXEO-E900」は、析出強化型ニッケル基合金

である。析出強化は、時効処理により、結晶粒内に

強化相を析出させて強化するものである。時効処理

温度よりも、高温の環境でも、強化相の再固溶や

粗大化には一定の時間を要するため、排気バルブの

ようにバルブシートとの金属接触による冷却機構が

あれば、使用可能である。同様の析出強化型ニッケル

基合金であるInconel 751は、800℃以上の高温環境で

使用される排気バルブに採用されている。図10に

「EXEO-E900」の900℃における暴露試験結果を示す。

1）高温強度　「EXEO-E900」は、900℃近傍での引張強度は、

300MPaを超えており、Inconel 718やInconel X750

よりも優れている。図11に「EXEO-E900」と各種

耐熱材料の引張強度と温度の関係を示す。

2）耐酸化性　「EXEO-E900」は、Inconel 718やInconel X750

と比べても遜色のない耐酸化性を有する。図12は、

「EXEO-E900」と各種耐熱材料における酸化増量

と温度の関係を示す。

3）疲労強度　ニッケル基合金は、明確に疲労限度が観察さ

れない材種が多い。そのため、実用上、107cycle

の 疲 労 限 度を用いている。107cycleにおける

「EXEO-E900」と各種耐熱材料における疲労強度

と温度の関係を図13に示す。

図11　「EXEO-E900」と各種耐熱材における　　　　 引張強度と温度の関係

図10　「EXEO-E900」の900℃における　　　　　 高温暴露試験結果

図12　「EXEO-E900」と各種耐熱材料における　　　　 酸化増量と温度の関係

図13　「EXEO-E900」と各種耐熱材料における　　　　 疲労強度と温度の関係

5

NACHI TECHNICAL REPORT Vol.30B5

材種 破断時間（h） 伸び（％） 絞り（％）

Inconel X-750 13.8 93.2 97.2

Inconel 751 69.6 13.1 10.5

EXEO-E900 163.8 32.1 59.4

750℃

ガス冷

4h

クリープひずみ（％）

0102030405060708090100

20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

時間（h）

EXEO-E900 Inconel X750 Inconel 751

5. 「EXEO-E900」　 熱処理条件　「EXEO-E900」は、析出強化型ニッケル基合金であり、熱処理品質を管理することが重要となる。

しかし、複雑かつ長時間を要する熱処理は、生産

性の悪化を招く。そのため、「EXEO-E900」では、

750℃×4時間という時効処理条件を推奨している。

図15に「EXEO-E900」の熱処理パターンを示す。た

だし、ワークの大きさに応じて、ワーク内部まで均熱

される時間を考慮して、熱処理時間の設定を行なわ

なければならない。

図14　「EXEO-E900」、Inconel X-750および　　　　 Inconel 751のクリープ線図

表1　「EXEO-E900」、Inconel X-750および　　　　 Inconel 751のクリープ破断時間

4）クリープ特性　「EXEO-E900」、Inconel X-750およびInconel 751

のクリープ線図を図14に示す。それぞれのクリープ

破断時間を表1に示す。「EXEO-E900」のクリープ

破断時間は、Inconel X-750の10倍以上、Inconel

751の2倍以上に改善されている。（図14、表1）

図15　「EXEO-E900」の熱処理パターン

6

排気

ウェイストゲートバルブ

ウェイストゲート

排気バルブ

タービンユニット 吸気

エアクリーナー

インタークーラー

エンジン

January / 2016Vol.30B5NACHI TECHNICAL REPORT 〈発　行〉2016 年 1 月 20 日

株式会社 不二越　技術開発部 富山市不二越本町 1-1-1 〒 930-8511 Tel.076-423-5118 Fax.076-493-5213

6. まとめ　「EXEO-E900」は、900℃近傍でも優れた高温

強度を有することから、エンジン排気系のような高

温環境下で使用される自動車部材に適した材料と

なっている。排気バルブやウェイストゲートバルブ他

構成部品などの部位に推奨提案を行なっている。

図16に 「EXEO-E900」の提案部材例を示す。

　今後も、さらなる技術開発をすすめ、産業発展

に貢献する材料開発にとり組んでいく。

※1 ウェイストゲート機構　　 タ ー ボ チ ャ ー ジ ャ ー に よ る 過 給 エ ン ジ ン で は、 過 給 圧 が

設計値を超えるとエンジンブローやタービンブローに陥る。 ウェイストゲート機構は、ターボチャージャーによる過給圧を制御するため、エンジン排気側とタービンの間に設置されたバルブを開閉することで、排気ガスの流入量を調整する機構。

※2 Inconel InconelはSpecial Metals Corporationの登録商標です。

用語解説

図16　「EXEO-E900」の提案部材例

1） Hansen,J.,R.Ruedy,M.Sato,and K.Lo,2010:Globalsurface temperature change.Rev.Geophys.,48,RG4004,doi:10.1029/2010RG000345.

2） IEA CO2 EMISSION FROM COMBUSTION（2012）3） 日経Automotive Technology 2013年1月 p.634） 日経Automotive Technology 2015年4月 p.665） 自研センターニュース（2012年12月 第447号）6） 耐熱合金のおはなし 田中良平著 p.31,33より

引用文献

ウェイストゲートバルブ

排気バルブ