JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）p. 50-55

Ti-B 添加溶接金属のアシキュラーフェライト組織の生成挙動解析
Mechanism of Acicular Ferrite Formationof Ti-B Weld Metals in Low Carbon Steel
上月渉平

KOZUKI Shohei

JFE スチール

スチール研究所

接合・強度研究部

大井健次

OI Kenji

JFE スチールスチール研究所

接合・強度研究部長・博士（工学）小溝裕一

KOMIZO Yu-ichi

大阪大学

接合科学研究所

教授・博士（工学）要旨
強度・靭性に優れたアシキュラーフェライト組織に関して，Ti-B 複合添加によるミクロ組織制御技術について概説する。また，高温レーザ顕微鏡を用いたオーステナイト（g）→フェライト（a）変態のその場観察や，粒内から核生成したアシキュラーフェライトの結晶方位解析などにより，アシキュラーフェライトの形成メカニズムの解明を目指した。介在物から生成したアシキュラーフェライトは，介在物のごく表層に存在する TiO の相と BakerNutting の結晶方位関係を有すること，またアシキュラーフェライトと母相 g との間には Krudjumov-Sachs の結晶方位関係を有することが明らかになった。

Abstract:
This paper briefs on microstructure control of Ti-B added acicular ferrite weld metal with excellent toughness andstrength. The authors have utilized high-temperature laser scanning confocal microscopy for in-situ observation offerrite nucleation in order to clarify the formation mechanism of acicular ferrite microstructure in weld. In addition, It
was confirmed by selected area dif fraction patterns and analysis that acicular ferrite had Kurudjumov-Sachs
orientation relationship with austenite matrix and Baker-Nutting orientation relationship with TiO layer on theinclusion surface.

1． アシキュラーフェライトの生成機構（3）介在物とオーステナイト（g）との熱収縮差による引張ひずみあるいは転移導入による a 生成促進

鋼構造物の大型化や北極圏・深海など寒冷地での使用，（4）炭化物形成による介在物周囲の脱炭による a 生成促

巨大地震の影響を勘案した耐震性などへの配慮から，より高強度で高靭性能を有する鋼材料の開発が進められており，

進10）（5）酸素過剰酸化物による介在物周辺の脱炭による a 生成促進

その適用範囲は年々拡大している。特に，溶接構造物に用8）いられる低合金溶接金属では，強度と靭性の確保のためア（6）Inert な a 異質核

11-13）

シキュラーフェライト（以下 AF，写真 1）組織が広く活用などの AF 生成理論が提案されており，中でも特に（1）や（2）されている。これは AF が粒内の微細な介在物から核生成しが活発に議論されている。AF との格子整合性という観点でた針状のフェライト（a）で，小粒径かつ大傾角粒界を有すは，格子整合性が比較的良好な介在物として TiO や TiN，るという特徴のためである

1, 2）

Ti2O3 などの Ti 系酸化物。

5, 6, 14）

や MnAl2O4 などの An-Mn 系

AF は 1970 年代からそれまで主流であった Si-Mn 系溶接スピネルが報告されており，これらの介在物は実験的にも金属に Ti を添加することで生成することが見出されてかAF の生成核となり得ることが確認されているが，その一方

3）ら ，高強度溶接金属の靭性向上に対する有効性を背景に，で，格子整合性が良好であるはずの g-Al2O3 が AF 生成の有幅広い分野で活発に適用が進められてきた。AF の生成機構

効な核生成サイトとして働いていないなどについてはこれまで数多くの研究が発表されておりカニズムは十分解明されているとは言えない。また他方で，（1）a との良好な格子整合性を有する異質核4-6）介在物中の MnS 形成（2）介在物による Mn 吸収，または介在物上の MnS 析出による周囲の Mn 欠乏層形成による a 生成促進

7-9）化物による Mn 吸収

7, 16, 17）15），その生成メや，Cation vacancy 型の Ti 酸18）

によって介在物周囲に g 安定化元素である Mn の欠乏層が形成することで，局所的に a 変態駆動力を増加させることが AF 生成を促進するという報告もな2014 年 4 月 18 日受付されているが，低 S の Ti 酸化物の場合でも AF が得られる－ 50 －

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Ti-B 添加溶接金属のアシキュラーフェライト組織の生成挙動解析

GBFInclusion

FSP

20 μ m25 μ m

写真 1 粒内の介在物から核生成したアシキュラーフェライト
Photo 1(a) Si―Mn weld metal (Without Ti and B)

Nucleation of acicular ferrite from inclusion

ことを鑑みると，必ずしも Mn 欠乏層が AF 生成に必要かどFSP

うか今のところ明らかではない。
IGF

2． AF 生成に及ぼす Ti，B の影響
一般に，Ti は固溶 Ti として a 中に存在する場合，靭性を悪化させる元素として知られているが19），溶接金属中では主に酸化物などの介在物の中に存在し，AF 組織の形成に重要な役割を果たしている。Ti は酸素との親和性が非常に高25 μ m

い元素であるが，Ti 酸化物として存在するためには Ti より(b) Addition of Ti in Si―Mn weld metal (0.028 Ti―0.0001B)

も酸素ポテンシャルが高い Al での一次脱酸反応

24Al + O2 → Al2 O3 …………………………… （1）33の後に残存する O 量が重要となる。堀井ら

20）

は Al による一次脱酸反応後の酸素ポテンシャルを示す指標として Al/OIGF比を提案しており，Ti-B 系溶接金属では Al/O 比が約 0.3～1.0の範囲で AF が活発に生成すると報告している。これは Alが過剰となる場合は Ti 酸化物形成に必要な O が確保されずAF 形成が困難となり，Al が不足すると Ti 酸化物の他にSi-Mn 酸化物が多く形成されるため AF 形成に有効な核生成サイトとして働かないためであると考えられている

15）。ま25 μ m(c) Addition of Ti and B in Si―Mn weld metal (0.031%Ti―0.0020%B)
IGF: Intergranular ferrite
GBF: Grain boundary ferrite
FSP: Ferrite side plate

た他方で，Al よりも酸素ポテンシャルが低い Ca などの添加が AF を減少させるという報告もあり

15），AF の形成には Ti

添加量の制御に加えて，Al や Si，Mn をはじめとした酸素

写真 2 低炭素鋼溶接金属組織に及ぼす Ti，B 添加の影響親和力が強い元素を，適正な範囲内に制御することが非常

Photo 2に重要である。AF 組織を安定的に得るには，Ti 添加によるEffect of Ti and B addition on microstructure of low
alloy weld metal

生成核の形成に加え，B 添加による g 粒界からのフェライトやベイナイトの発達抑制が重要である。B は固溶 B の状態との親和性が非常に高く，BN や B2O3 を形成しやすいため，で g 粒界に偏析しやすく，g 粒界の界面エネルギーを下げてこれらの化合物を形成しても固溶 B が残存するように B 添21, 22），加量を適正化するか，親和性の高い N や O は同時に添加すg → a 変態中に生じる粗大な粒界フェライトやフェライトサ

る Al や Ti などで固定するなどして適正な B-Al-Ti-N-O を保イドプレートなどの靭性劣化要因となる粗大な組織の生成

ち，十分な固溶 B を確保することが非常に重要である溶接金属の焼入れ性を著しく向上させることからを抑制する効果を有している。しかしながら，B は N や O－ 51 －23）。

写真 2 にサブマージアーク溶接（Submerged arc welding：
JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）

Ti-B 添加溶接金属のアシキュラーフェライト組織の生成挙動解析

SAW）金属組織に及ぼす Ti と B 添加の影響を示す。Ti 添

ラーフェライトの変態挙動を詳細に調べることができるとい

加により粒内フェライト（Intergranular ferrite：IGF）生成う利点がある。

が促進され，B 添加により旧 g 粒界の粗大な粒界フェライト

図 1 に高温レーザ顕微鏡の光学系を示す。高温での観察（Grain boundary ferrite：GBF）やフェライトサイドプレー

時に問題となる試料からの輻射光を遮蔽するために，検出ト（Ferrite side plate：FSP）の生成が抑制される。

器前面にピンホール構造を有する共焦点光学系を用いている。レーザ光源は He-Ne を使い，試料表面位置が焦点とな

3． アシキュラーフェライト形成のその場観察技術

るように集光・走査され，反射光は CCD 前のピンホールにより集光位置以外からの輻射光が排除されて返され，2 次元イメージが結像される。

近年，アシキュラーフェライトの生成メカニズムを解明す

写真 3 は Ti-B 系の SAW の溶接金属を 1 400℃まで加熱後，るためにさまざまな取組みがなされているが，装置の高性能

その冷却過程で生成するアシキュラーフェライトを高温レー化と解析技術の向上から，高温レーザ顕微鏡を用いた in-situ（その場）観察による粒内から不特定多数に核生成するアシキュラーフェライトを動的に観察する取組みが行なわれている。高温レーザ顕微鏡は，変態点以上の g 域から変態終了までの相変態挙動を連続的に観察できるその特徴から，粒内の介在物より核生成するアシキュラーフェライトの変態挙動はもちろん，変態が終了した組織から特定の介在物を個別に特定して相解析に供することができるため，アシキュ
20 μ mImage data(a) 576℃ (Primary acicular ferrite)

Objective lens
Silica glass

Crucible for sample

Alumina tube

Ar

Thermal cycle
Thermocouple

Hot air

Halogen lamp
Silica tube

Vacuum pump

Coolant air

20 μ m(a) Schematic illustration of the system(b) 564℃ (Growth of acicular ferrite)He―Ne Laser

CCD

Half mirror

Pin-hole
Scanning byacoustooptical devise

Alumina crucible

20 μ mThermocouple(R)Sample holder(Pt)Sample(b) Optical system of laser high temperature microscope

図 1 高温レーザ顕微鏡の概念図
Fig. 1

Laser in-situ observation system

JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）(c) 530℃ (End of transformation)

写真 3 ‌高温レーザ顕微鏡によるアシキュラーフェライトの形成過程の観察
Photo 3－ 52 －In-situ observation result of submerged arc welding(SAW) weld metal

Ti-B 添加溶接金属のアシキュラーフェライト組織の生成挙動解析

ザ顕微鏡で観察した写真である。580℃付近で中央の比較的(a)粗大な介在物から針状のアシキュラーフェライトが生成する(b)様子が確認される。初期のアシキュラーフェライト生成後は，異なる方位から成長してきたアシキュラーフェライトが競合しながら成長と停止を繰り返し，530℃でほぼ変態が終了して微細なアシキュラーフェライト組織が形成される様子が観200 nm

察される。核生成の起点は主に介在物であり，中でも寸法の大きいものから優先的にせん断型の変態が開始する様子が観察されている。その一方，介在物を起点とせずに現出

Beam direction: ferrite [100]するアシキュラーフェライトもしばしば観察されるが，これTiO [110](c)

111TiO
110α -Fe

はサンプル内部の介在物を起点として核生成・成長したア(100)α -Fe // (100)TiO[110] α -Fe // [100]TiO

シキュラーフェライトが表面に現出したか，あるいはすでに核生成しているアシキュラーフェライトを起点として別方位に核生成・成長するシンパシティック核生成

111TiO

200TiO
200α -Fe

110α -Fe
5 1/nm24）などが要因

写真 5 介在物表面の TiO とフェライトとの方位関係と考えられる。

Photo 5 Baker-Nutting relationship of TiO and acicular ferrite ;(a) BF image, (b) Dark field image, and (c) Selectedarea diffraction (SAD) pattern

4． 介在物とアシキュラーフェライトとの結晶方位関係
アシキュラーフェライトの形成には Ti を含む酸化物系介在物が有効であると考えられているが

27）

25, 26），その詳細な形

囲には Ti の濃化層が確認される。介在物周囲の Ti 濃化層は，SAD（Selected area diffraction）パターン解析により B1 型
27）の TiO であると同定されている（写真 5） 。この TiO は隣成メカニズムについては解明されていない点も多い。
写真 4 にアシキュラーフェライト組織を呈する Ti-B 系サ（100）
接するアシキュラーフェライトと（100）a -Fe//
TiO かつブ マ ー ジ ア ー ク 溶 接 金 属 に 形 成 さ れ た 介 在 物 の STEM

［100］
［110］
a -Fe//
TiO の Baker-Nutting の関 係を有しており，（Scanning transmission electron microscope）と，その視野

これは核生成するアシキュラーフェライトが介在物と一定のでの EDS（Energy dispersive X-ray spectrometer）の解析結結晶方位を持って核生成し得る事を示している。

果を示す

27）

。介在物内部に Al，Mn の濃化が確認され，周5． オーステナイトとアシキュラーフェライトとの結晶方位関係(a) BF(b) Al

一般的に，せん断型で相変態したフェライトと母相のオーステナイトは Krudjumov-Sachs の方位関係（K-S 関係）をInclusion満たすことが知られているが28），アシキュラーフェライトの場合はやや異なる様相を呈している。
ESW（Electro-slag welding）と SAW を用いて入熱を変化させた溶接金属におけるアシキュラーフェライト組織の結晶(c) Mn

方位関係を EBSD（Electron backscatter diffraction pattern）(d) Tiにて解析した。図 2 に ESW の溶接金属のフェライト IPF（Inverse pole figure）マップを示す

27）。中心の黒い部分が介在物である。多くのフェライト粒が K-S の関係を満たして成長するのに対し，介在物に隣接したいくつかのフェライト粒は生成段階初期で母相オーステナイトと K-S 関係から若干ずれた方位で生成し，その後，徐々に K-S の関係を満た
写真 4 Ti-B 系溶接金属の介在物周囲に存在する Ti 濃化相す方向へ方位回転しながら成長している。一方，図 3 に示

27）

す SAW の溶接金属では，入熱の大きい ESW 溶接金属と様Photo 4 Energy dispersive X-ray spectrometer (EDS) analysisof an inclusion in Ti-B weld metal ; (a) Bright field(BF) image, (b) EDS analysis image of Al, (c) Mn, and(d) Ti

相を異にし，介在物に隣接した変態初期のフェライト粒のい
くつかは K-S の関係から若干ずれた方位のまま生成し成長が停止し，その周囲に K-S の関係を満たす新たなアシキュ－ 53 －JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）

Ti-B 添加溶接金属のアシキュラーフェライト組織の生成挙動解析

5Misorientation [degrees](a)1436． おわりに21001115 μm001

Misorientation [degrees]

72101や成長過程において大きな差があることが示唆される。

(b)

1(c)

23Distance [microns]

本報では高強度低炭素鋼の溶接金属組織として広く利用5されているアシキュラーフェライトの組織制御と新しい知見6を紹介した。その中で，介在物のごく表層に存在する TiO54の薄膜の存在がアシキュラーフェライト形成に影響を与えて32いる可能性を示した。アシキュラーフェライトの形成メカニ

100123Distance [microns]

図 2 ESW 溶接金属組織の EBSD 解析結果
Fig. 244ズムはまだまだ不明な点が多く，今後の更なるメカニズムの5解明が期待される。

27）

Electron backscatter dif fraction patter n (EBSD)
analysis in electro-slag welding (ESW) weld metal ; (a)Inverse pole figure (IPF) map, (b) misorientation fromorigin to point at arrow 1, and (c) misorientation fromorigin to point at arrow 2(b)(a)

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769-774.
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27）

Fig. 3 Electron backscatter diffraction pattern (EBSD) analysis
in Submerged arc welding (SAW) weld metal ; (a)Inverse pole figure (IPF) map, (b) pole figure of ideal
Krudjumov-Sachs (K-S) orientation relation, and (c)actual pole figure

ラーフェライトが生成している様子が観察される

27）。

この結果は，アシキュラーフェライトの生成段階において介在物界面に形成されている TiO から Baker-Nutting の関係を持って生成したフェライトが，入熱が比較的高く冷却速度が低い場合には旧オーステナイトとの K-S 関係を満たすように方位回転しながら成長するが，入熱が低く冷却速度が速い場合には方位回転をせずに成長が停止し，その周囲から K-S の関係を満たすフェライトが新たに形成されることを示唆しており，最終的には同じアシキュラーフェライト組織であっても入熱や冷却速度が異なる場合，その形成過程
JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）

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