NACHITECHNICALREPORT
Materials

19A2

Vol.

Sep/2009■ 寄稿・論文・報文・解説

マテリアル事業「高速度工具鋼の疲労挙動への窒素の効果」
Effect of Nitrogen on Fatigue Behaviorof a High-Speed Tool Steel〈キーワード〉高速度工具鋼・窒素・破壊起点・炭化物・不均一変形・応力集中

機械工具事業部／工具技術部

三谷 状士

Takashi MITANI

人事部

沙 魚 川 智 之 Tomoyuki HASEGAWA

「高速度工具鋼の疲労挙動への窒素の効果」

要旨

1. 高速度工具鋼の近年、切削加工において、切削条件が厳しくなる特性向上と疲労強度ことから、使用される工具材料の高性能化が求めら

高速度工具鋼は、主に切削工具用材料として用れている。また、切削材料としての高速度工具鋼にいられている。近年、生産効率向上のため切削加おいても特性を向上させるために高合金化、製造プ

それに対応して、高速度工具
工条件は過酷になり、ロセスによる組織制御による改良が続けられている。

鋼には耐摩耗性、高温強度といった機械的特性のさらに、組織制御の一つとして窒素含有量を制御向上が求められている。機械的特性向上の手段とする方法が行なわれている。

して、合金元素であるW、Mo、Vなどの添加量を増

本稿では、高速度工具鋼の窒素含有量が異なるやす高合金化がすすめられてきた。
しかし、高合金ことによる組織および疲労強度へ 与える影響を説化により切削性能が向上する一方、添加量が増え明するとともに、疲労破壊メカニズムへの影響を微すぎると炭化物の粗大化が起こり、靭性・被研削性

視組織学的観点から検討し、最後に疲労強度向上が著しく低下する。そこで窒素量を減少させることにの指針を提案する。

より炭化物の粗大化を抑制させる方法がとられるよ※1

1）

Abstract
In recent years, higher performance of a tool
material has been expected as the cutting conditions in machining are becoming stricter. In addition, steel for high-speed machining tools hasbeen highly alloyed in order to improve the characteristics, and structural control in the manufacturing processes has been continually improved.
Furthermore, a method to control nitrogen content is employed as a part of structural control.
The impact on the material structure and fatigue strength from the different nitrogen content
in steel for high-speed tools is explained in thisarticle. The impact on fatigue/destruction mechanism is examined from the viewpoint of microscopic metallography and lastly a guideline forimproving fatigue strength is proposed.

1

うになった 。
高速度工具鋼の機械的特性の中でも疲労特性に関する研究がこれまで盛んに行なわれており、最近では超長寿命域における疲労強度特性が注目さ2-4）れている 。これらの研究では破壊の起点となる介在物や炭化物のサイズに着目し、疲労強度の予測が行なわれているが、微視的な疲労破壊メカニズムにまでは言及されていない。
本稿では、窒素含有量を変化させた3種類の高それぞれの組織および疲労速度工具鋼を用いて、
5）強度を調査し、疲労破壊に至るメカニズム を微視組織学的に説明し、得られた知見より疲労強度向上の指針を提案するものである。

2. 高速度工具鋼の組織への窒素量の影響
大気溶解を想定した160ppm（M材）の窒素を含む高速度工具鋼、さらに40ppm（L材）と400ppm（H材）の窒素を含む高速度工具鋼の小鋼塊を製造した。
ラスマルテンサイトよりな
高速度工具鋼の組織は、る母相と硬質な炭化物で構成されている。図1に焼※2

きもどし後のH材のSEM像（組成像）を示す。3種類の炭化物が認められる。灰色の炭化物AはVを主要構 成 金 属 元 素とするM C 炭 化 物で、その硬 度は
6）2,400−3,200Hvである 。白色の炭化物BはMo、そのWを主要構成金属元素とするM 6 C炭化物で、

図1

H材（窒素含有量400ppm）における各種炭化物のSEM像

6）

硬度は1,600−2,300Hvである 。炭化物CはMCとM6C炭化物からなる複合炭化物である。
高速度工具鋼は凝固時にMC炭化物とM 2 C炭化物が晶出する。この中でM 2C炭化物は安定相ではないため、高温下で鍛造する際にMC炭化物とM6C炭化物に分解し、母相中に分散するが、分解した各炭化物は母相中に分散するだけでなく複合炭としても存在化物（以下、M 6C・MC炭化物と呼ぶ）
5）

している 。

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「高速度工具鋼の疲労挙動への窒素の効果」

図2に、焼きもどし後のL材とH材においてMC炭平均サイズに差は見られず、それぞれ約0.8μm、1.2化物のみ腐食したときの光学顕微鏡写真を示す。

μm、2.5μmであった。また、L材とM材ではMC、M6C、窒素量を減らすことによってMC炭化物の粗大化がM 6C・MC炭化物の最大サイズは同じであり、それぞ抑制されていることが分かる。図3には同じ試料中

れ約7μm、4μm、8μmであった。H材には同じ最大のM 6 C炭化物のみを腐食したものを示す。窒素量サイズのM 6 C、M 6 C・MC炭化物が観察されたが、の違いによってM 6 C炭化物のサイズや分布状態にしたがっMC炭化物は最大約13μmと粗大化していた。

違いは見られない。て、窒素量の組織への影響は凝固時に晶出する

L、M、H材中のMC、M6C、M6C・MC炭化物のサMC炭化物の大きさのみに現れるといえる。

イズを測定した。窒素量の違いによって各炭化物の

図2 （a）L材（窒素含有量40ppm）と（b）H材（窒素含有量400ppm）中のMC炭化物の光学顕微鏡写真

3

図3 （a）L材（窒素含有量40ppm）と（b）H材（窒素含有量400ppm）中のM6C炭化物の光学顕微鏡写真

3. 高速度工具鋼のS−N曲線と破壊起点
図4は超音波疲労試験による高速度工具鋼の疲※3

労寿命曲線（S−N曲線）である。L材とM材では疲労強度に明確な差は認められず、H材はL材、M材に比べ低い疲労強度となっている。

※4

破断面には高強度鋼の特徴であるフィッシュアイが観察され、その中央部に破壊の起点が存在する。
H材はL材、M材に比べ疲労強度の違いだけでなく、図5に示すように破壊起点となる炭化物の種類の違いも認められた。H材では13μm程度の粗大なMC炭化物であり、L材とM材では2〜3個のM 6 C・MC炭化物より構成される12μm程度の大きな集合体（以下、炭化物集合体と呼ぶ）であった。一方、H材中のMC炭化物の最大サイズは約13μm、L材とM材中の炭化物集合体の最大サイズは約13μmであり、いずれの炭化物も、最大サイズに近いものが破壊の起点となっていることが分かる。

Stress amplitude, σ／MPa

1,400
1,300と
図5 （a）L材（窒素含有量40ppm）（b）H材（窒素含有量400ppm）における破壊起点のSEM像

LM
H

1,200
1,100
1,000
900
800
700
600
104105106

1071081091010

Number of cycles to failure,
図4 （a）L、M、H材のS−N曲線

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「高速度工具鋼の疲労挙動への窒素の効果」

4. ボイドとクラックの発生
疲労破壊後の試料をSEMを使って組織観察を行なった。L、M、H材、いずれにおいても、5μm以上のM 6 C･MC炭化物内のM 6 CとMC界面の剥離に（空洞）が形成されていた（図6（ a））。加えよりボイドてH材では8μm以上の大きなMC炭化物が割れる（図6（b））。サイズがあことでボイドが形成されていたる大きさ以上の炭化物のみにボイドが観察されるため、サイズの大きい炭化物にはより大きい応力集中が生じているものと判断できる。
さらにL材、M材において、図6（ a）に示すように、約12μm以上のM 6 C･MC炭化物集合体中の2個のM 6C･MC炭化物に発生したボイドを連結するよう（亀裂）が伝播していた。また、H材においにクラックては図6（ b）に示すように、約12μm以上の粗大なMC炭化物に形成したボイドからクラックが発生してしかし、L材、M材に比べ破断までの繰返し数いた。の 少ない H 材 では、1 2μm 程 度 の 大きさを持 つ
M 6 C･MC炭化物集合体中ではクラックは発生していなかった。したがって、M C 炭 化 物 の 大きさとM 6 C･MC炭化物集合体の大きさが同程度である
場合、MC炭化物からのクラックの発生は、炭化物集合体中のクラック伝播よりも早く起こる。このことがH材においてL材、M材と比べ、疲労強度が劣る原因である。

5

図6 （a）L材（窒素含有量40ppm）中のM6C・MC炭化物と（b）H材（窒素含有量400ppm）中のMC炭化物におけるボイド形成およびクラック伝播

5. 疲労試験後の焼鈍
前述のように、MC炭化物とM 6 C･MC炭化物中以上の結果から、炭化物サイズが大きいほど炭化のボイド形成にはサイズ依存性が存在し、大きいもの物周辺の変形の不均一性が高く、応力集中が大きほどボイド形成は容易であることが見出された。すな

いこと、また同サイズで比較するとM 6C･MC炭化物

わち、いずれの炭化物においてもそのサイズが大きよりもMC炭化物周辺の方が変形の不均一性が高いほど応力集中が大きいことが明らかとなった。

いと結論される。

数μm程度の粒子を含むAlやCu合金の圧延後の焼鈍による再結晶挙動が数多く調べられており、大きな粒子周りで再結晶核が優先的に形成される
7）ことが知られている 。これは、粒子が大きいほど粒あるいは変形の不均一性
子周りの変形の局在化、8）が高くなるためであると解釈されている 。本研究のその周辺の不均一性
場合も炭化物が大きいほど、が高く、その結果ボイドが形成されたと推定される。
そこで疲労試験後のM材を650℃で焼鈍を行なった。
※5

図7に3hr焼鈍後のTEM像を示す。図7（a）と（b）
中の矢印で示すように、MC炭化物ではその周りに、M6C･MC炭化物においてはMC炭化物の周りに優先的に再結晶核が形成された。M材の650℃で1hrの焼鈍後では、約5μm以上のMC炭化物近傍に再結 晶 が 生じた の に 対し 、同 程 度 の サイズ のM6C･MC炭化物において再結晶は観察されなかった。3hr焼鈍を行なったとき、MC炭化物では約0.5μm以上で、またすべての約1μm以上のM 6C・MC炭化物で再結晶が起きた。疲労試験を実施しない場合、このような焼鈍による再結晶の炭化物サイズ依存性は現れなかった。

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図7

疲労破壊後のM材に650℃で3hr焼鈍後（a）MC炭化物と（b）M6C・MC炭化物周辺に生じた再結晶粒のTEM像

66. 疲労特性の向上について高速度工具鋼の窒素含有量の違いによる組織鋳造時の窒素含有量を低下させることが有効である。と疲労強度への影響ならびに破壊メカニズムへのM 6C･MC炭化物では、その生成要因よりM 2C炭化影響について説明した。得られた知見より高速度物の分解・離散反応を促進させる拡散均熱処理を工具鋼の疲労強度改善の指針として以下のことをこれまでとくに言適用することが有効であろう。また、提案する。

及していないが、加工熱処理を適用することにより、※6

疲労破壊は、粗大な炭化物の周辺に不均一変

その後の疲労試験中の炭化物周辺の不均一変形形が起こることにより応力集中が大きくなり、粗大なボイド発生を遅らせることが可能である 。
を抑制し、炭化物からボイドおよびクラックが発生することが原

本稿では、常温での高速度工具鋼の疲労挙動にしたがって、炭化物周りの不均一変形を因である。

ついて述べたが、工具は切削時に高温になるため、小さくする事が重要である。このためには、粗大な炭今後は高温下における疲労挙動の検討を行ないたい。

9）

化物を微細化することであり、MC炭化物の場合、用語解説※1 炭化物※4 フィッシュアイ

Mo、V、Cr、Feなどの金属と炭素との化合物であり、代表的なものに炭素鋼中に形成されるFe3C（セメンタイト）がある。高速度工具鋼のように多種類の合金元素が同時に添加された場合には、炭化物には各種合金元素が固溶する。このような場合M3C、MCなどと記すことがある。

※2 SEM像
SEMは走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope）の省略表示である。SEM像は、試料表面を細い電子線束で走査した時に発生する電また低倍率か子線の強弱を画面で表わしたものである。焦点深度が深く、ら高倍率まで容易に変えられる。

※3 S−N曲線
疲労現象を表わす曲線で、縦軸に繰り返し負荷応力（S）、横軸に破断まとの関係を示す曲線。なお、横軸は対数での繰り返し回数（N、疲労寿命）表示する。

高強度鋼の疲労破面には、
き裂発生部の特徴として、破壊の起点を中心に他の領域と異なる円形の領域が発生する。この領域が魚の目玉に似ていることよりフィッシュアイと呼ばれている。

※5 TEM像
TEMは透過電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope）の省略表示である。TEM像は、電子線を試料に透過させ、磁場を用いた電子レンズで像を結ばせたものである。100〜200kVの加速電圧のもので1,000倍〜50万倍まで連続可変で、解像度は3nm以上に達する。

※6 加工熱処理
熱処理と塑性加工を組み合わせて材料の強度と靭性をあわせ持たせる処理法。代表的な例として、制御圧延とオースフォームがある。
※用語解説は、「金属用語辞典」（アグネ技術センター刊）を一部引用した。

参考文献
1）水野博司・須藤興一・柳澤民樹：電気製鋼、55（1984）225-236

6）佐藤智雄・西沢泰二：日本金属学会報、2（1963）564-571

2）村上敬宜・鳥山寿之・子安善郎・西田新一：鉄と鋼、79（1993）60-66

7）F.J.Humphreys and M.Hatherly：Recrystallization and related（2002）pp.247-256
annealing phenomena, Pergamon press、

3）K.Shiozawa, Y.Morii, S.Nishino and L. Lu：
International Journal of Fatigue、28（2006）1521-1532．

8）F.J.Humphreys：Acta Metallurgica、27（1979）1801-1814

4）小熊規泰・原田久・酒井辰雄：材料、11（2003）1292-12979）三谷状士・寺沢正志・沙魚川智之・渡邊千尋・門前亮一：
日本金属学会誌、72（2008）847-851

5）三谷状士・沙魚川智之・渡邊千尋・門前亮一：
日本金属学会誌、72（2008）105-110

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September / 2009〈発行〉 2009年9月1日
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