技術論文

Alを活用したSCM440の焼入性ならびに焼入焼戻し材の靭性の改善
Improvement of Hardenability and Toughness of SCM440 with Addition of Al
石原悠太郎＊1

松本康弘＊2

藤松威史＊3

常陰典正＊4

Yutaro Ishihara, Yasuhiro Matsumoto, Takeshi Fujimatsu and Norimasa Tsunekage

Synopsis: Impact properties of quenched and tempered steels degrade by formation of non-martensitic microstructures,
which are likely to be included in large parts. Increasing hardenability of steels by using solute Al is one of themethods to decrease the formation of non-martensitic phases during quenching process. In this study, influencesof the solute Al quantity and the heat treatments on hardenability of steels were investigated using the highstrength Cr-Mo steel, JIS SCM440. It was found that hardenability increased obviously when more than
0.022mass% of the solute Al added to the steel. The hardenability enhancement by the solute Al decreased byheat treatment that consisted of high temperature heating process and following slow cooling process. Small
amount of Ti addition to steel was effective for prevention of hardenability decrement. The SCM440 steel that
contained a small amount of Ti and the sufficient amount of solute Al showed superior impact properties thanconventional steel.

Key words: High strength steel, Solute Al, AlN, Ti, Heat treatment, Hardenability, Impact property, Grain size

備が必要となる。これらはいずれもコストアップにつなが1. 緒言るため、衝撃特性改善のためには新たな対策を見出す必要
従来から衝撃特性が重要視される部品、一例を挙げると、がある。

風力発電のボルト等に使用される素材には、JIS SCM440

本研究では、焼入性の向上によって靭性改善が期待でき

焼入焼戻し材のようないわゆる強靭鋼が使用されてきた。

る元素としてAlに着目した。Alは脱酸元素1）として添加さこれらの部品には低温においても高い衝撃特性が要求されれる場合と、AlNによる粒界ピン止め効果で、結晶粒の粗る場合があるが、特に製品寸法の大きなものでは焼入れ時大化防止の目的で添加される場合2）が主であるが、オースの質量効果によってマルテンサイト組織以外に、不完全焼

テナイト中に固溶したAlは、オーステナイト／フェライト

入れ組織であるベイナイト組織の割合が増加し、要求され変態を遅らせることで焼入性を向上させることが報告される衝撃特性を満足しにくくなる。この対策としてNi,Mo等ており3）また、この遅滞の原因として、フェライト／オーの焼入性向上元素の増量添加や、P,Sn等の粒界を脆化さ

ステナイト界面近傍におけるAlの分配が関与すると考えらせる不純物元素の低減、さらには繰返し焼入れ等を活用しれている4）。しかしながら、Alの焼入性向上に関する報告

た結晶粒径の微細化などが考えられる。ただし、Ni,Mo等は少なく、その定量的な効果や熱処理による影響について

は資源の枯渇や原料価格高騰のリスクから積極的な活用を十分に明らかになっているとは言えない。

回避することが望ましい。また、P,Sn等不純物の極端なそこで本報では、焼入性に及ぼす固溶Al量の影響ならび低減は、特殊鋼の原料として使用する鉄スクラップの厳選に高Al材（本検討では0.053mass%以下）の焼入性に及が必要となる。さらに、結晶粒径の微細化も有効な手段でぼす熱処理の影響について検討した。また、Alを利用したあるが、一定以上の効果を得るために付加的な熱処理や設焼入性向上材の靭性改善効果について確認した。

＊1
＊2
＊3
＊4

研究・開発センター 軸受・構造用鋼グループ
技術企画管理部 軸受・構造用鋼グループ
研究・開発センター 軸受・構造用鋼グループ、博士（工学）
研究・開発センター 軸受・構造用鋼グループ長、博士（工学）24Sanyo Technical Report Vol.20 (2013) No.1

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Table 1. Chemical compositions of specimens. (mass%)

2. 実験方法
熱処理①は2.1項と同じく、JIS G 0561に準じた熱処
2.1 焼入性に及ぼす固溶Alの影響理である。熱処理②および熱処理③の1250℃‐2時間加供試材としてJIS SCM440をベースにAl量あるいはN量

熱後の徐冷処理は、φ36鍛伸材に存在すると考えられるを増減させた5種類の供試材を用いた。Table 1に各供試

AlNを固溶させる目的で行った。これらの熱処理後、すな

材の化学成分を示す。いずれの供試材にもBを添加しておわちジョミニー試験前のミクロ組織を5%ナイタールで腐らず、分析結果からも検出されなかった。

食し、光学顕微鏡で観察した。一方、ジョミニー試験後の各供試材の位置付けは次の通り。Steel Aは本研究のベー

水冷端から1.5mm位置の旧オーステナイト結晶粒径を、ス鋼であり、一般的なAl量を含有させたSCM440相当鋼

飽和ピクリン酸で腐食し光学顕微鏡で観察した。このである。Steel BおよびSteel Cは同等の成分であり、ベー

1.5mm位置は、水冷端に近くほぼ完全にマルテンサイト

ス鋼に対してAlを増量添加したもの、Steel DはさらにAl化するため、結晶粒径の観察に当たって拡散変態による組を増量した上でNを減量したもの、Steel EはAl量がSteel織の影響を受け難い部位である。この熱処理前後の観察にDと同等であるがNをさらに増量添加したものである。なより、熱処理パターンの違いによるミクロ組織の差異を確

お、Table 1のFree‐Al（以下本文中では固溶Al）は、鋼認した。さらに、各熱処理履歴の違いによってAlNの分布

中N全てがAlNを生成しAlを消費する場合を仮定し、（1）が変化し、固溶Alの存在状態に影響する可能性が考えられ式から求めた。

ることから、各熱処理後のジョミニー試験片の、後述のジョミニー試験結果において焼入性の違いが顕著に現れ始める

固溶Al（mass%）=総Al量（mass%）−1.93×N量（mass%）

水冷端から20mm位置の析出物について、抽出レプリカ法…（1）を用いて試料を作製し、透過型電子顕微鏡（以下TEM）による観察を行った。

ただし、ここで総Al量とは酸化物を形成するAlを含まな
い酸可溶のAl量のことである。これら5種類の供試材を100kg真空誘導溶解炉にて溶製し、1150℃にてφ36mmに鍛伸した後、JIS G 0561に従った試験片を作製してジョ
ミニー試験を実施した。この際、焼ならしの加熱温度は870℃、焼入れの加熱温度は845℃とした。
2.2 高Al材の焼入性に及ぼす熱処理の影響
Steel Aお よ びSteel Bの φ36mmの 鍛 伸 材 を 用 い、
Fig.1および以下に示す熱処理①〜③を施した後、ジョミニー試験片を作製し、焼入れ温度845℃にてジョミニー試
験に供した。
〈熱処理パターン〉

Fig.1 Heat Treatment Condition for Jominy test.

熱処理① : 870℃‐1時間加熱後空冷
熱処理② : 1250℃‐2時間加熱後徐冷
熱処理③ : 1250℃‐2時間加熱後徐冷 → 870℃‐1時間
加熱後空冷

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3.2 高Al材の焼入性に及ぼす熱処理の影響

3. 実験結果

Fig.4に、Steel AおよびSteel Bの熱処理①〜③後のジョ
3.1 焼入性に及ぼす固溶Alの影響

ミニー試験結果を示す。Fig.4,a）に示すように、Steel A

Fig.2に焼入性に及ぼすAl量の影響例としてSteel Aとにおいては熱処理条件の違いによる焼入性の変化はほとん

Steel Bのジョミニー試験結果を示す。Steel BのAl量はど認められない。一方Steel Bに熱処理②の高温加熱‐徐0.038mass%であり、Steel AよりもAl量が高い。両供試

冷処理を施した場合、Fig.4,b）に示すように焼入性は熱材はC量が同等であるため水冷端の硬さに差はないが、水処理①と比べて大きく低下し、固溶Alの効果が見られない

冷端からの距離が10mmを越えると両供試材間に明白な硬Steel Aの焼入性と同等となった。また、熱処理③のよう度差が生じ、J20（以下、ジョミニー試験における水冷端かに高温加熱‐徐冷後に焼ならし処理を施した場合、J20におらの距離nにおけるロックウェル硬さをJ nとする）では

いて熱処理②よりも10HRC程度上回るまで、焼入性が回Steel BがSteel Aに比べ15HRC程度高い結果を示した。

復した。

Fig.3にTable1の5種類の供試材のジョミニー試験結果から得た固溶Al量とジョミニー値との関係を示す。縦軸はC量のばらつきから生じる水冷端硬さの差の影響を除くた
め、各点のジョミニー値をJ1.5で割って規格化した値（以下Jn /J1.5とする）を用いた。このFig.3から明らかなようにJn /J1.5は単に固溶Al量に比例して上昇するのではなく、固溶Al
量0.025mass%付近をしきい値として大きく上昇し、その後飽和する傾向が認められた。このような急激な焼入性の向上現象はB添加鋼における挙動と類似点が見られる5）。

Fig.2 Jominy curves of Steel A and Steel B.

Fig.4 Jominy curves of Steel A and Steel B.
Steel Bの、熱処理①〜③後における焼入れ前のミクロ
組織と、焼入れ後のジョミニー試験片の水冷端から1.5mm
位置での結晶粒写真をFig.5に示す。なお、熱処理②の焼入れ前の結晶粒径は粗大であったため、この写真のみ他よりも低倍率である。焼入れ前の組織は熱処理①および熱処理③ではベイナイトが主体であり、熱処理②では粗大パー
ライトおよび粒界フェライトが主体であった。焼入れ後の
旧オーステナイト結晶粒径はFig.5に示すように、熱処理
Fig.3 Relationship between amount of free‐Al and Jn /J1.5.

②の結晶粒径が熱処理①および熱処理③の結晶粒径よりも26

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明らかに大きいことが分かる。一般的に、結晶粒径が大きAと同等になったことから、増量添加したAlの焼入性向上

くなるほど、粒界の総面積が減少することによってフェラ効果が事実上消失したと見られる。

イト核生成サイトが減少するため、焼入性は向上すること添加したAlの中で焼入性向上に寄与するのは固溶Alのみが知られている。しかしながら、熱処理②を経た結晶粒と考えると、熱処理によって変化するAlNの存在状態が、径の大きなSteel Bの焼入性が、熱処理①を経たSteel Bよ

焼入性に影響を及ぼす可能性がある。そこで、AlNの存在りも低下しており、本実験では結晶粒径の大小は焼入性に状態を確認するため、熱処理①〜③を施したSteel Bの焼大きく影響していないと見られる。さらには、熱処理②を入れ前後における析出物のTEM観察を行った。析出物の同経たSteel Bの焼入性が、固溶Alの効果が見られないSteel

定にはEDSを用いた。

6）

Fig.5 Optical micrographs of Steel B before and after quenching.

Fig.6 TEM images of Steel B before and after quenching.(White arrows show AlN precipitates)

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Fig.6にSteel BのTEM写真を示す。焼入れ前組織につい説明ができないため、焼入れ時のオーステナイト結晶粒界、て、熱処理①および熱処理③後の組織には20〜30nmオーおよびその近傍に存在する固溶Al4）の挙動が関与している

ダーのAlNが確認された。この大きさはジョミニー試験のものと推定される。

焼入れ前に行った870℃‐1hrの加熱を考慮すれば概ね妥

そこで、追加実験を行うため、新たにTable 2に示す

当である。一方、熱処理②後の組織にはパーライト中の炭Steel FおよびSteel Gを溶製した。試験片の製造工程は、化物と思われる析出物が多く確認されたが、AlNは観察さ

Steel A〜Eと同様である。両供試材ともに0.025mass%

れなかった。すなわち、1250℃の高温加熱によってAlN

程度のTiを添加しており、鋼中のNはTiNの晶出に優先的には溶解し、その後の徐冷でもAlNは析出しなかったものと消費されるため、熱処理条件に関係なくほぼAlNは存在せ解釈される。

ず、添加したAlを全て固溶Alとして存在させることが可能と考えられる。なお、Steel Fの計算上の固溶Al量は0.040

一方、焼入れ後のTEM写真（水冷端から20mm位置に

mass%、Steel Gは0.022mass%である。

て撮影）では、いずれの熱処理後の試料においてもAlNがこれらのジョミニー試験結果をFig.7に示す。Steel Fお確認され、その大きさには熱処理による影響は見られなよびSteel G共に熱処理②後の焼入性は、熱処理①後の焼かった。

入性と比較して低下したが、その低下幅はFig.4,b）に示したSteel Bの場合と比較して小さかった。また、Steel F

4. 考察の熱処理③後の焼入性は、熱処理①後の焼入性と同等の値
4.1 高Al材の焼入性低下要因の考察まで回復した。また、Steel FおよびSteel Gの固溶Al量はFig.3で示したように、焼入性は固溶Al量の増加ととも異なるがジョミニー値はほぼ等しい値を示すことから、Tiに一定の割合で上昇するわけではなく、約0.025mass%を添加した事例では固溶Al量が0.022mass%程度存在す

以上の固溶Alを存在させることで大きく向上し、これ以上れば、事前の熱処理条件によらず十分に高くかつ飽和した固溶Alを増量しても焼入性向上効果は小さいことが明らか

焼入性を確保できることが明らかとなった。

になった。また、Steel Bの固溶Al量は、鋼中のNが全て次に、Steel Fの焼入れ前のミクロ組織、および焼入れ

AlNになったとしても計算上0.027mass%存在しており、後のジョミニー試験片の水冷端から1.5mm位置の旧オー

熱処理履歴に関係なく焼入性向上効果が得られると想定さステナイト結晶粒写真をFig.8に示す。焼入れ前のミクロれるにも関わらず、実際にはFig.4,b） 熱処理②のように、組織はFig.5で示したSteel Bのミクロ組織と同様、熱処理

高温加熱‐徐冷を施すことによって、焼入性は明らかに低①と熱処理③ではベイナイトが主体である。一方、熱処理下した。これらの現象は、計算上の固溶Alの総量のみでは②についてもSteel Bと同様に粗大パーライトおよび粒界Table 2. Chemical compositions of specimens. (mass%)

Fig.7

Jominy tests of Steel F and G heat treated by Treatment (1) and Treatment (2).

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フェライトから成るが、そのパーライト粒径はSteel Bのイト結晶粒界もしくは粒界近傍に濃化する。そして、焼入

パーライト粒径よりも小さく、同様に1250℃に加熱してれ時の再加熱過程でAlNの析出と残存した固溶Alの拡散がもオーステナイト結晶粒径はSteel Fの方が小さく維持さ起こるが、元の粗大なオーステナイト結晶粒界近傍に偏析れることがわかった。この理由として、Steel FはTiを添加しているAlがマトリクス中を移動して新たに生成したオー

しているために、高温加熱時に固溶せずに存在するTiNがステナイト結晶粒界近傍に改めて偏在することが困難なこオーステナイト結晶粒径の成長を抑制したことが考えられとにより、固溶Al量は相対的に減少する。その結果、粒界る。また、Steel Fの焼入れ後の旧オーステナイト結晶粒

近傍の固溶Al量が焼入性向上に必要な量に到達しない。

径は、熱処理①〜③において大きな差が認められないこと、

現時点では、オーステナイト結晶粒界近傍の固溶Alの濃

また、Fig.5で示したSteel Bの結晶粒径と比較しても同等化やAlNの生成の挙動について十分な観察ができておらず、か、むしろ熱処理②ではSteel Fの方が小さいことを考慮

上記仮説の検証は今後の課題としたい。ただし、この仮説

すると、焼入れ時の結晶粒径の観点からは、Ti添加によるに照らすと、Ti添加材の焼入性が高温加熱‐徐冷処理で低焼入性低下抑制作用を説明することができない。

下しないのは、AlN生成の抑制による固溶Al量増加の他に、以上の実験結果から推定した、高Al材の高温加熱‐徐冷

高温加熱時のオーステナイト結晶粒の粗大化が抑えられた過程における焼入性低下機構の概念図をFig.9に示す。ま

結果、固溶Alの偏在が抑えられ、焼入れ時のオーステナイ

ず、1250℃の高温加熱時にはAlやNはオーステナイト中ト結晶粒界に一定量の固溶Alが存在できたことがその可能に固溶しているが、その後の徐冷段階で粗大なオーステナ

性として考えられる。また、Fig.4,b）やFig.7,a）の熱処

Fig.8 Optical micrographs of Steel F before and after quenching.

Fig.9 Model of free‐Al distribution in high Al steels processed with Treatment (2).

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理③に示したように、高温加熱‐徐冷後に焼ならしを追加食し、光学顕微鏡にて観察した。シャルピー衝撃試験結果することで焼入性が回復したのは、焼ならしの加熱過程ををFig.10に示す。固溶Alの増量によって、Steel Fの衝撃

通じて高温加熱‐徐冷処理による固溶Alの偏析が緩和され値はSteel Jと比較して大きく改善され、‐20℃においてはたためと推定される。

Steel Fを70J/cm2程度上回っており、比較的質量効果の4.2 Alを活用したSCM440の靭性評価

大きいφ70mmの焼入焼戻し材においても優れた靭性を有Al添加による焼入性向上材の適用により、比較的質量効

する材料が得られた。Steel FおよびSteel Jにおけるミク

果の大きい部品でも焼入れ後の不完全焼入れ組織の低減に

ロ組織写真をFig.11に示す。Steel Jはマルテンサイト組

よって靭性が改善されるものと期待される。そこで高Al‐

織中に不完全焼入れ組織であるベイナイト組織が散見されTi材であるSteel Fの靭性を評価するため、-60℃から常温たのに対し、Steel Fは不完全焼入れ組織がほとんど認めにかけてのシャルピー衝撃試験を行った。比較材として、られない。すなわち、Steel Fは焼入性向上によって不完

Table 2にSteel Jと し て 化 学 成 分 を 示 し た 一 般 的 な

全焼入れ組織が抑制されたことで、大きく靭性が改善され

SCM440を用いた。両供試材共に100kg真空誘導溶解炉

たと考えられる。

を 用 い て 溶 製、1150 ℃ に て φ70mmに 鍛 伸 し た 後、
Fig.1に示した高温加熱‐除冷後焼ならし（熱処理③）と

5. 結言

同様の熱処理を行い、焼入れ温度850℃、焼戻し温度530〜550℃（硬さ35HRC狙い）にて焼入焼戻しをし、JIS Z

SCM440をベース鋼に用い、焼入性に及ぼす固溶Al量2242に従い試験を行った。シャルピー試験片はVノッチの影響、高Al材の焼入性に及ぼす熱処理の影響、およびAl試験片で、鍛伸長手方向と平行に中周部から採取した。まを利用した焼入性改善材の靭性改善効果について調査した

た、試験片の長手方向と平行な面を5%ナイタールにて腐結果、以下の知見を得た。
⑴高Al化によって焼入性は上昇した。これは添加した総Al
量の内、AlNとして消費される量を除く

固溶Al量

の

増加が主に寄与していると考えられる。ただし、Mn,Cr,
Mo等の一般的な合金元素のように焼入性が合金元素添
加量に応じて向上するのではなく、固溶Al量が0.025
mass%付近で大幅に焼入性が向上した後、焼入性は飽和する傾向が見られた。この理由として、焼入れ時のオー
ステナイト結晶粒界、もしくはその近傍に存在する固溶
Al量が所定の量存在することで初めて焼入性向上作用を発揮するためと推定される。
⑵高Al材に高温加熱（1250℃）‐徐冷処理を施すと、固溶
Alの焼入性向上効果が低下することがわかった。この理由として、高温加熱‐徐冷によって固溶Alが粗大な結晶
粒界近傍へと偏在することで、それに続く焼入れ加熱時

Fig.10 Results of Charpy impact test by Ti bearing
high‐Al steels at Treatment (3).

に生成する新たな結晶粒界において、有効に働く固溶Al

Fig.11 Optical micrographs of Steel F and Steel J before Charpy impact test. (Arrows show bainitic microstructure)

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Alを活用したSCM440の焼入性ならびに焼入焼戻し材の靭性の改善が必要量に達しなかったためと推定した。ただし、高Al材においてもTiを添加することで、固溶Alを減少させる
AlN生成の抑制および高温加熱時のオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制するため、高温加熱‐徐冷後も高い焼入性を維持できることを確認した。
⑶比較的質量効果の大きいφ70mm棒鋼の焼入焼戻し材において、高Al材は一般材と比較して不完全焼入れ組織の生成が抑えられ、大幅に靭性が改善されることを確認した。
以上の結果から、固溶Alを有効に活用する方法によって、
Ni, Moのような合金元素の増加や、P,Snの大幅な低減、および結晶粒微細化といったコスト増加に繋がる手段に頼ることなく高靭性化することが可能であり、実用上極めて有効な手段であることを見出せた。

参考文献
1） 吉村 誠恒, 小林 弘昌, 福住 達夫:鉄と鋼, 69（1983）, 452.
2） 吉村 誠恒, 小林 弘昌, 山本 哲,

神谷 定雄,

浅野

正一:The Iron and Steel Institute of Japan, 80（1994）, 582.
3） 吉村 誠恒, 小林 弘昌:特殊鋼 29（1980）, 11, 36.
4） 間渕 秀里:山陽特殊製鋼技報 7（2000）, 1, 10.
5） 上野 正勝:鉄鋼材料の組織と特性に及ぼすボロンの影
響, （社）日本鉄鋼協会編（1999）, 65.
6） 大和久 重雄:焼入性 求め方と活用, 日刊工業新聞社（1979）.

■著者

石原 悠太郎

松本 康弘

藤松 威史

常陰 典正

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