寄 稿（レビュー）

Test and Analysis Methods and Their Applications to the Research, Development and Quality Controlof Special Steels
古野

智也*1

伊巻

亮太*2

劉

莉*3

佐々木

雅之*4

澤井

隆*5

FURUNO Tomoya, IMAKI Ryota, LIU Li, SASAKI Masayuki and SAWAI Takashi

Synopsis: Four types of test analysis techniques that are useful for the research and development of special steel are
introduced. ① Tribology test: In addition to general rotation and reciprocating sliding, block-on-ring tests used for
lubrication evaluation can also be performed. Evaluation of soil and sand wear by ablation or slurry is possible.
Various wear forms and sliding environments can be tested using 16 types of testing machines. ② Auger electron
spectroscopy: Analysis examples of precipitates in steel, surface oxide films, and grain boundary segregation
elements in fracture surfaces are shown. ③ Crystal orientation analysis using transmission electron microscopy:
The features, advantages, and application examples of this technique are shown. ④ X-ray CT: Examples of nondestructive measurement of defects on the order of tens of microns are shown.
Keywords: Tribology; block-on-ring test; Auger Electron Spectroscopy; precipitates; Transmission Electron Microscope;orientation / phase mapping ; X-ray computer tomography;

1.

はじめに

重要な役割を担う環境規制評価の分析手法についても触れた。本稿では、それに引き続き、特殊鋼の研究開発を支え

近年、材料に求められる機能や品質は多様化、厳格化の方る最新の試験分析技術を紹介する。特性評価技術の一例と向にあり、製品の安定供給や品質、特性の向上には製造工程

して、摩擦、摩耗、潤滑などの接触現象を扱うトライボロや商品開発において材料特性を正確に把握することが重要

ジー評価技術、また、オージェ電子分析法によって表面やである。特に商品開発においては従来にない多種多様な機

粒界の偏析元素の化学状態情報を得る方法、透過電子顕微能が求められ、それらを具現化するためのプロセスメタラ

鏡を微小領域の結晶方位解析に応用した事例を紹介する。

ジーを確立する必要があり、開発材料の諸特性を評価し、新また、非破壊で材料や製品の内部構造を 3 次元で観察計測

たな機能発現の基となる現象を解明することが極めて重要する X 線 CT 技術についても紹介する。

である。従って、材料試験や解析分析技術はこれまで機能発

2.

現メカニズム解明に幅広く活用されると共に、空間軸や時

トライボロジー評価技術

間軸などのスケール分解能を始めとする機能の多様化、高トライボロジーとは、摩擦、摩耗、潤滑などの接触現象

度化が進められてきた。即ち、試験分析技術の発展と進化はを研究する学問分野であり、材料の開発や設計、製造工程

商品開発に必要不可欠であると言っても過言ではない。

の改善、トラブル解析において重要な役割を果たしている。
トライボロジーの研究開発には、摩擦・摩耗試験や表面性

そこで、既報 1）では，特殊鋼開発と試験分析技術の密接状評価を主とした表面計測・分析が広く用いられている。

な関係構築が益々重要となっていることを述べ、近年進2.1化を遂げてきた材料表面の評価技術、組織解析技術、添加

摩擦・摩耗試験元素の析出や偏析、微小域 3 次元解析技術について紹介しトライボロジーを最適に制御するには、実機の摺動部でた。また、企業が環境負荷低減の社会的責任を果たす上で発生する摩擦・摩耗現象を十分に理解する必要がある 2）。

*1
*2
*3
*4
*5

日鉄テクノロジー株式会社
日鉄テクノロジー株式会社
日鉄テクノロジー株式会社
日鉄テクノロジー株式会社
日鉄テクノロジー株式会社

研究試験事業所 材料特性評価部 接合・疲労室
研究試験事業所 物理解析部 物理分析室 主査
研究試験事業所 物理解析部 構造解析室 主幹
研究試験事業所 物理解析部 構造解析室 主幹
取締役常務執行役員 試験研究事業所長

21

主幹

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工程省略につ な が る 材 料 技 術 特 集

特殊鋼開発のための評価・分析技術

特殊鋼開発のための評価・分析技術

工程省略につ な が る 材 料 技 術 特 集

しかし、現在の発展した科学技術を使っても、実機の摺動でいる。

部におけるトライボロジー諸元の数値を予測することは非

最近は、モジュールと環境チャンバーの組み合わせによ

常に難しいため、摩擦・摩耗試験が必要である 2）。

り、1 台で様々な摺動形態の測定ができる多機能型の試験

摩擦・摩耗試験は、その目的から、（1）摩擦・摩耗メカ機を導入した。Fig.2 に多機能摩擦摩耗試験機の導入例をニズムの科学的追究、（2）摺動材料や潤滑剤の品質管理や示す。現在所有しているモジュールと環境チャンバーは、

スクリーニング、（3）実機での摩擦・摩耗を再現、に大別

回転（0.1 ～ 5000rpm）と高温（最大 1000℃）、往復（0.1（1）、（2）に関する試験を主に受託しされる 3）。当社では、～ 80Hz）と高温（最大 500℃）、ブロックオンリング（0.1ている。

～ 3000rpm）と高温（最大 150℃）の 3 種類である。Fig.3

摩擦・摩耗試験においては、実際の摩耗形態（凝着摩耗、にブロックオンリング試験状況を示す。本体はコンパクト

アブレシブ摩耗、疲労摩耗、エロージョン摩耗、腐食摩耗であり、拡張性も高い 4）。制御ソフトも充実しており、ルーなど）や摺動環境（材料の組み合わせ、接触形態、雰囲気、プ、分岐、ステップアップ、ストップ＆ゴー、終了条件など、

面圧、すべり速度、温度、粗さ、表面処理、潤滑など）に合多彩な試験条件が設定可能であり、小規模の実機シミュわせた試験方法を選択することが重要である。当社では、

レーション試験も実施できる 4）。このような多機能型試験

Fig.1 に示すように、一般的な回転・往復摺動に加え、潤機の導入は世界各国の研究機関でも進んでおり、今後の摩滑評価にも使われるブロックオンリング、土砂摩耗評価の

擦・摩耗試験の方向性を示していると考えられる 4）。

アブレーションやスラリーなど、16 種類の試験機を使い分け、さまざまな摩耗形態や摺動環境の試験に対応できる＜モジュール例＞＜環境チャンバー例＞

体制を整えている。また、試験片形状の工夫や治具製作により、お客様特有の条件にも対応している。時には、お客様と知恵を出し合い、トライアンドエラーを繰り返しながら、新たな試験方法やデータ取得方法の構築にも取り組ん

Fig.2 多機能摩擦摩耗試験機例5）「モジュール」 と「環境チャンバー」の組合せにより、1台でさまざまな摺動形態や環境下での試験が可能である。
現在は、回転＆1000℃高温、高速往復＆500℃高温、ブロックオ
ンリング試験に対応している。

ヒーター

潤滑カップ

Fig.3 ブロックオンリング試験状況
ブロックオンリング試験は、主に潤滑油の評価に用いられる。
また、ベアリングのラジアル荷重試験治具も保有している。

2.2

表面性状評価

表面性状とは、粗さ・うねり・表面凹凸・筋目・キズ・外観など、表面の幾何学的性質の総称 6）であり、トライボ
ロジー特性を支配する重要な因子の一つである 7）。表面性

Fig.1 弊社所有の主な摩擦・摩耗試験機
スタンダード機と弊社独自開発機を合わせ、16種類の試験機を保有している。
これらにより、幅広いお客様のニーズに対応できる体制を整えている。

状の評価方法は、「輪郭曲線方式（線粗さ）」と「三次元方式（面粗さ）」の 2 種類に分けられる。Table1 に評価方法と規格、当社保有の測定装置を示す。三次元方式は面での計測

22

Sanyo Technical Report Vol.30 (2023) No.1

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摺動部全体の摩耗量を評価することも可能である。さらや方向性の強さなど、輪郭曲線方式では評価できない表面に、摩擦・摩耗試験前後の三次元表面形状データから、耐の特徴をパラメータとして数値化することができる。当社

摩耗性の高い材料や、なじみ過程などにおける微小な摩耗は様々な測定装置を保有しており、全ての規格に対応した量を評価することもできる。

表面性状評価が可能である。

近年のトライボロジー特性に優れた表面や機能性の高い

当社所有の白色干渉顕微鏡は、共焦点顕微鏡（レーザ顕表面は、特殊な表面凹凸になっていることが多い 6）。また、微鏡）では不可能な、高い垂直方向の分解能（0.1nm ～耐摩耗に優れた硬質薄膜などが普及しているため、極僅か1nm）を維持したまま、試験片のうねりなどの高低差（～

な摩耗量を正確に把握する必要がある 7）。そのため、白色7mm）や広範囲（～ 150mm 角）での計測が可能な特徴が干渉顕微鏡など高分解能かつ広範囲計測が可能な三次元形ある。この技術は、シリコンウエハのような超平滑面から、状計測装置の利用が広がっている 7）。

ブラスト処理面のような極めて粗い表面まで、金属・樹脂・
ガラス・電子材料・電気部品など、ありとあらゆるサンプ

3.

オージェ電子分光法

3.1

原理と特徴

ルの形状・うねり・粗さ・質感等を可視化・定量化することに活用できる。評価例として、Fig.4 にバイブレーショ
ン研磨面のコンター図、3D 図、ISO25178 パラメータを

オージェ電子分光法（Auger Electron Spectroscopy：示す。また、Fig.5 のように摩耗痕全体の表面形状を測定

AES）とは、試料に電子を照射することで発生するオーすることで、測定箇所によるばらつきの影響を受けずに、

ジェ電子を検出し、試料表面から数 nm 深さまでの定性分

Table1 表面性状の評価方式、規格、測定機（弊社保有）
評価方式

規格番号（表面性状パラメータ）
,62

測定装置
（弊社保有）-,6

輪郭曲線方式 線,62$PG -,6%

新しい輪郭曲線方式 線 6）,62

三次元 面,62

触針式表面粗さ測定機

触針式表面粗さ測定機
走査型プローブ顕微鏡
白色干渉顕微鏡-,6% 共焦点顕微鏡-,6規格化予定

表面性状の評価方法は、輪郭曲線方式と三次元方式の2種類に分けられる。
弊社は様々な装置を保有しており、全ての規格に対応した表面性状評価が可能である。

摩耗試験（ボールオンディスク）

表面形状測定うねり除去

φPP
枚連結測定 分

摩耗量解析

摺動痕全周測定

Fig.4 バイブレーション研磨面（ステンレス）の三次元表面性状（左上）コンター図、（左下）3D図、（右）ISO25178 パラメータ
三次元方式は、輪郭曲線方式では評価困難な凹凸を有する表面でも評価できる。
右のように解析条件を開示することで、再現性のある評価が可能である。

Fig.5 白色干渉顕微鏡による摩耗評価例
白色干渉顕微鏡は、共焦点顕微鏡では困難な広範囲を高速かつ高精度に測定することができる。摺動部全体の摩耗解析に加えて、右のように個別解析として特徴的な箇所を抜き出すこともできる。

23

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であることから、凹凸の目の細かさや表面積、筋目の方向

特殊鋼開発のための評価・分析技術

工程省略につ な が る 材 料 技 術 特 集

3.2

析や半定量分析、さらに、元素マッピング分析を行う表面分析法であるを Fig.78, 9）。その原理を Fig.6に10）、装置構成図化学状態別元素マッピング

AES の分析事例として、光輝焼鈍処理を施したステンレにそれぞれ示す。AES は一次励起源が電子であス鋼表面の元素マッピング分析結果を Fig.8に示す。表るため走査電子顕微鏡（SEM）としての機能も有する。同面のサブ µm ～ µm オーダーの微細 CrN 析出物について、様に電子を一次励起源とする電子プローブマイクロ分析

周囲の Fe とは明瞭に分離された N 及び Cr の分布像が認め（EPMA）と SEM/EDS があるが、これらと比較して AESられており、元素が分布する範囲を正確に評価することがは空間分解能が高いことが特徴である。これは EPMA や可能である。この結果は AES の空間分解能の高さを示して

SEM/EDS で検出する特性 X 線の発生領域が平面方向と深おり、サブ µm 以下の極微細析出物の評価解析にも有効でさ方向へ約 1 ～ 2 µm 広がっているのに対して、AES ではある。Fig.8

検出するオージェ電子の広がり範囲が平面方向に数十 nm

トルを示している。AES では二次電子のバックグラウンド

φ、深さ方向に数 nm の範囲であることに起因する。

に対するピーク強度が低いため、他の分析手法で一般的に右上にはこの CrN 析出物の AES 定性スペク

用いられる積分型のスペクトルではなく、ピークを強調できる微分スペクトルを用いることが多い。AES マッピング
一次電子分析の応用例として、純銅の高温酸化膜の斜め断面におけ

Ũ$
φ
Ũ/

価電子帯

Ũ/

Ũ.

ůŕŏŖ
ůŔ

る化学状態マッピング分析結果を Fig.9

真空準位に示す。金属Cu, Cu2O, CuO といった異なる化学状態ごとの分布が認

フェルミ準位

められており、局所での化学状態分析に有効である。

分光器

50μm□視野&U窒化物

6(,

Ů

（析出物）

1

2000 X

10.0 keV

2 &U&U

Fig.6 AESの原理
一次電子により内殻準位（エネルギー準位：EK）に空準位が生じ、外殻電子（エネルギー準位：EL1）がこの空準位に遷移する際に余剰エネルギーが解放される。このエネルギーが他の外殻電子（エネル
ギー準位：EL2,3）に与えられるとオージェ電子として放出される。
このオージェ電子の運動エネルギー（EA）は元素固有の値を示し、次式で表すことができる。

10 µm
10.0 µm



&U

1

)H

10 µm

10 µm

10 µm

10.0 µm

10.0 µm

EA = EK－EL1－EL2,3－φ

)H
)H
&U

&
6

試料

10.0 µm$(6による光輝焼鈍したステンレス鋼表面の元素分布分析
Fig.8 )LJ
AESによる光輝焼鈍したステンレス鋼表面の元素分布分析
左上に分析箇所の二次電子像を示す。下部に左記と同一箇所の1&U)Hの分布

左上に分析箇所の二次電子像を示す。下部に左記と同一箇所のN,を示しており、色調が明るいほど強度が強く色調が暗いほど強度が弱い。右上に&U濃度の高い部分の$(6スペクトルを示す。この図からサブµmオーダーの&U1
Cr, Feの分布を示しており、色調が明るいほど強度が強く色調が暗析出物の分布が確認できる。
古野、伊巻、劉、佐々木、澤井
いほど強度が弱い。右上にCr濃度の高い部分のAESスペクトルを示す。この図からサブµmオーダーのCrN析出物の分布が確認できる。

)(電子銃

&0$
（検出器）
金 属 &X

&X2

&X2

&X 状 態 分 離 有

6(0

スパッタ
（$U）

6(0像
取得

試料

5HG ：&X2%OXH ：&X2*UHHQ：金属&X

Fig.7 AESの装置構成
AES装置のうち円筒鏡型検出器（CMA）を採用した装置構成を示す。FE電子銃から電子を照射し、試料表面から放出されたオージェ
電子は試料直上のCMAに取り込まれる。CMAは電子の取り込み角が大きいため、試料表面の凹凸による影響を受けづらい特徴がある。

)LJ AESによる純銅の高温酸化皮膜斜め断面の化学状態マッピング$(6による純銅の高温酸化皮膜斜め断面の化学状態マッピング
Fig.9
左に分析箇所の二次電子像を示す。右に同一箇所の金属&X&X2&X2の分布とCu2O,
左に分析箇所の二次電子像を示す。右に同一箇所の金属Cu,
合成図を示す。この図から価数の異なる酸化物の分布が確認できる。
CuOの分布と合成図を示す。この図から価数の異なる酸化物の分布
古野、伊巻、劉、佐々木、澤井が確認できる。

24

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深さ方向分析

Ar イオンスパッタリングを活用した分析事例として、二相ステンレス鋼の深さ方向分析結果を Fig.10

に示す。
液化
窒素

深さ方向分析後の Cr の分布像から Cr 濃度の高いフェライ
ト相と Cr 濃度の低いオーステナイト相を明瞭に判別し、試料近接した各相に対して深さ方向分析を実施することが可能

チャンバー内である。深さ方向分析とは、数 keV に加速した Ar イオン
ビームの照射によるスパッタリング現象と情報深さ数 nmの AES 分析を繰り返すことにより、1 ～ 3 µm 程度までのハンマーでたたく

深さ方向の組成分布を分析する手法である 11）。Fig.10 下部にはフェライト相およびオーステナイト相の深さ方向分

Fig.11 AES真空中冷却破断機構の模式図
試料は銅製の専用ホルダーにネジで固定し、図中央の固定具に設置される。液体窒素により試料を十分冷却し、ハンマーで衝撃印加部
を叩くことで、試料を衝撃破断することが可能である。

析結果を示している。各相の酸化膜厚は約 4 nm であり、各相で不働態皮膜中の組成が異なることが認められてい工程省略につ な が る 材 料 技 術 特 集

3.3

る。この結果は AES を用いることで皮膜構造を深さ方向に対して分解能良く分析できることを示している。

6(,
$UHD

0DS3
$UHD

$UHD

$UHD

※）

同一視野
$UHD（粒内）$WRPLF&RQFHQWUDWLRQ

)H

0R×
1L


.LQHWLF(QHUJ\H9$(6による低合金鋼の真空中冷却破断分析

Fig.12 AESによる低合金鋼の真空中冷却破断分析&U

左上に分析箇所の二次電子像を示す。右上に同一箇所の3分布を示す。平坦な粒界破面と凹凸のある特徴的な形状を示すディンプル破面（結晶粒内）が観察され、左上に分析箇所の二次電子像を示す。右上に同一箇所のP分布を示
粒界破面にのみ3が分布することが確認できる。下部には図中に青枠で示した結す。平坦な粒界破面と凹凸のある特徴的な形状を示すディンプル破晶粒界と結晶粒内の$(6スペクトルを示す。結晶粒界では&31Lが相対的に強古野、伊巻、劉、佐々木、澤井く検出されており、 &31Lの粒界偏析が示唆される。
面（結晶粒内）が観察され、粒界破面にのみPが分布することが確

0R×
1L

（6L2換算値）

G1 G(
.LQHWLF(QHUJ\H9)LJ

&U

&U

1L

γ相 :

&3)H1L

)H
)H
)H

:×

2

)H

1L

α相

&
3
)H
1L

)H
)H
)H

※）二次電子像および&U分布は、6L2換算値でQPスパッタ後に測定

2&
3

G1 G($UHD（粒界）$WRPLF&RQFHQWUDWLRQ（6L2換算値）

認できる。下部には図中に青枠で示した結晶粒界と結晶粒内のAES

Fig.10 AESによる二相ステンレス鋼の深さ方向分析

スペクトルを示す。結晶粒界ではC, P, Niが相対的に強く検出され)LJ $(6による二相ステンレス鋼の深さ方向分析
左上に分析箇所の二次電子像を示す。右上に同一箇所のCr分布を示
左上に分析箇所の二次電子像を示す。右上に同一箇所の&U分布を示す。フェラており、 C, P, Niの粒界偏析が示唆される。
イト（α）相とオーステナイト（γ）相で&U濃度が異なることが確認できる。
す。フェライト（α）相とオーステナイト（γ）相でCr濃度が異な下部には&U分布中に黄色枠で示した箇所の深さ方向分析結果を示す。酸化膜厚ることが確認できる。下部にはCr分布中に黄色枠で示した箇所の深古野、伊巻、劉、佐々木、澤井
や皮膜中の組成を確認できる。
さ方向分析結果を示す。酸化膜厚や皮膜中の組成を確認できる。

3.4

$UHD

$UHD

粒界偏析元素の分析

AES 真空中冷却破断分析の破断機構模式図を Fig.11に、分 析 事 例 と し て 低 合 金 鋼 及 び 浸 炭 材 の 分 析 結 果 を
Fig.12, Fig.13にそれぞれ示す。一般的に鉄鋼材料ではとは難しい。AES は情報深さが浅い、表面凹凸の影響を受けづらい、局所の元素分析が可能、超高真空（～ 10-8 Pa）

)H
)H
)H

を用いて断面方向から分析しても粒界偏析元素を捉えるこ&U

は数原子層と言われており、SEM や EPMA 等の分析手法&性が低下することが知られている 12）。この粒界偏析の厚み

)H
)H
&U )H

&
3

P, S, Sn, Sb 等の元素が結晶粒界に偏析することにより靭

)LJ
Fig.13 $(6による低合金鋼浸炭材の真空中冷却破断分析
AESによる低合金鋼浸炭材の真空中冷却破断分析

上部に分析箇所の二次電子像を示す。下部には図中に青枠で示した
上部に分析箇所の二次電子像を示す。下部には図中に青枠で示した結晶粒界と結晶粒内の$(6スペクトルを示す。結晶粒界では&はセメンタイトとして析出し、結晶粒界と結晶粒内のAESスペクトルを示す。結晶粒界ではCはセメ
3は粒界に偏析していることが示唆される。
ンタイトとして析出し、Pは粒界に偏析していることが示唆される。
古野、伊巻、劉、佐々木、澤井

中で破断可能といった特徴を活かすことで粒界偏析元素のに示す通り、すディンプル破面が観察され、粒界破面（Area1）では粒試料を液化窒素により冷却し、超高真空に保持したチャン

界偏析元素である P の分布が明瞭に観察された。Fig.12

バー内で衝撃破断することが可能である。Fig.12に示

下部には粒界破面（Area1）とディンプル破面（結晶粒内、す通り、平坦な粒界破面と凹凸のある特徴的な形状を示

Area2）から取得した定性スペクトルおよび半定量値を示分析に用いられてきた。破断機構は Fig.11

25

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特殊鋼開発のための評価・分析技術

工程省略につ な が る 材 料 技 術 特 集しており、C, P, Ni が粒界で偏析していることが示唆さ

けを組み合わせて結晶方位マップ / 相マップを得る TEM/れる。浸炭材についても Fig.13

ASTAR 法を完成させた 13）。この手法により 5nm 程度の結に示す通り粒界破面と晶粒径の結晶方位マップが得られるようになった。

ディンプル破面が観察され、C はセメンタイトとして析
出、P は粒界偏析していることが示唆される。P と Fe の

4.2

ピーク強度比（P/Fe）を試料間で比較することにより、粒電子後方散乱回折による結晶方位解析法の特徴

SEM 試料室内における EBSD 測定の模式図を Fig.14

界脆化の程度を比較することも可能である。

（a）に示す。電子線の入射方向に対して試料を約 70°傾け
3.5

絶縁物の分析

て設置し、その傾斜面に電子線を照射すると、試料中で結SEM, EPMA, AES 等の分析手法は試料に電子を照射す

晶格子の原子により散乱された電子線が新たな光源となる関係上、絶縁物ではチャージアップの影響で正しいデー

る。この光源と試料表面間の特定の結晶格子面で回折されタが得られなくなる課題がある。その対策として、SEM やた電子線の一部が試料表面から飛び出し蛍光スクリーンに

EPMA では、一般的に帯電防止対策として、C, Au, Pd 等

ほぼ均一な幅をもった帯状のバンドとして投影される。回の導電性物質を表面に蒸着する。しかし、AES は表面敏感

折は様々な結晶格子面で生じるため蛍光スクリーン上にはな分析法であるため、蒸着物質が妨害となって分析が困難

複数のバンドが現われ、EBSD パターンを形成する。また、になる。この対策として、蒸着膜の厚みを nm オーダーで得られた EBSD パターンから Hough 変換を用いたバンド

制御可能な Os プラズマコーターによって極薄の導電性幕の検出および結晶面の角度関係を用いた指数付けを行い、を試料表面に形成させることで、絶縁物の AES による評価

結晶方位を算出している。この過程を一定間隔でスキャンが可能となる。

しながら繰り返し行うことで各測定点の結晶方位データを得る。逆極点図を利用したカラーキーに従い、この結晶方

4. 透過電子顕微鏡を用いた結晶方位解析

位を色付けし、二次元の結晶方位マップを得ることができる（Fig.15）。また、試料表面から 50 ～ 70nm 程度の浅い

4.1

電子後方散乱回折による結晶方位解析法の進歩と応深さで回折を受けた電子線は EBSD パターンが形成され用の拡大る（Fig.14（b））。ある程度に広がり散乱された電子線が光金属やセラミックスの結晶方位は材料強度などの性質に影響を及ぼす重要なパラメーターである。走査電子顕

E

D
FE-SEM
電子銃

微 鏡（Scanning Electron Microscope：SEM）に 搭 載 さ

試料表面

ᶃᵋ

入射電子線

電子線

試料

れた電子後方散乱回折（Electron BackScatter Diﬀraction

試料表面から外に飛び出す電子線

EBSD検出器(%6'パターン

Pattern：EBSD）シ ス テ ム に よ る 結 晶 方 位 解 析 法 が、Lattice plane1990 年代に TSL 社により日本に導入された。この EBSD

カラーキー

法によって、ミクロ的な組織の結晶方位などの情報を可視的にわかりやすく表現できるようになった。EBSD 法

Fig.14 電子線後方散乱回折法（ EBSD）原理のイメージ図（a) EBSD測定の模式図 (b) EBSDパターンの発生領域
Hough変換法を用いたEBSDパターンの指数付けは、パターンの取込み、 Hough変換によるバンドの検出、バンドの検出確認、バンドの指数付け、結晶方位の計算という流れである。

導入当初の SEM と比較すると、現在の電界放出形（Field
Emission：FE）SEM ではよりビームが絞れるようになり
空間分解能が大きく向上している。また、三次元観察や InSitu 観察、透過観察などの進化によって応用が多岐に広がり、材料の組織観察には無くてはならない重要な解析技術になっている。近年ナノ構造化した機能性材料を解析するニーズが高まってきたが、EBSD 法では試料中で散乱された電子線が光源となるため、その空間分解能は数十 nm程度と限界がある。一方、透過電子顕微鏡 (Transmission
Electron Microscope : TEM) の ナ ノ ビ ー ム 電 子 回 折（Nano Beam Diﬀraction：NBD）法では数 nm の粒子から回折パターンを得ることが可能であるが、EBSD 法のように結晶方位マップとしてデータを得ることはできない。こFig.15
Pt-Rh線断面の結晶方位マップ
EBSDパターンを得やすい重金属を用い、FESEMによる10万倍の高倍率で測定を行い、20nm程度の結晶粒を識別することができた。

の課題を解決すべく、2006 年に NanoMEGAS 社は電子
線を歳差運動させて回折パターンを得るプリセッション
電子回折（Precession Electron Diﬀraction：PED）法を確立し、PED 法とテンプレートマッチング法による指数付

26

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特殊鋼開発のための評価・分析技術

輝度は低い。この問題を回避するため、TEM/ASTAR 法での空間分解能は得られない。Fig.15 に示した Pt-Rh の結は、電子線を歳差運動（プリセッション）させて電子回折

晶方位マップでは、20nm 程度の結晶粒を識別することがパターンを得る PED 法を用いている。PED 法では Fig.17

できているが、これは試料が重金属で EBSD パターンを得（a）に示すように、TEM の偏向コイル（Deflector）によりやすいという事情によるものである。また、EBSD パター

プローブを試料面上に収束点ができるように傾斜させながンは結晶格子をそのまま投影したような実格子のパターン

ら回し、試料より下側の偏向コイル（Image Shift coil）にであることから結晶方位を角度分解能 0.3°程度と高い精て同期させながら電子線を振り戻すことでスポット状の電度で得ることができる。一方、Fig.16 に示すように、ロー子回折パターンに戻している。これによって高次回折ス

ラピッチング疲労試験後に表層 300µm 深さまでに発生しポットの輝度が高くなり、1 ～ 3nm 程度のプローブ径をたき裂周辺組織のイメージクオリティ（IQ）マップと結晶維持した状態で良好な回折パターンを得ることが可能と

方位マップ（CI>0.05）において、応力集中による大きななった。また、TEM における回折パターンは通常逆格子で歪みが生じたため、一部のマルテンサイト組織は非常に微考えるため、エワルド球が逆格子点と交わる点が回折ス

細な組織に変化し、空間分解能が十分でないため結晶方位

ポットとなって現れる。プローブを傾斜させることは、を確定できない組織が多く存在している。これは高歪みおFig.17（b）に示すようにエワルド球を傾けることに相当

よび微細な結晶粒組織では、Hough 変換法による EBSDし、傾けた方向の逆格子点を横切る範囲が広がることにな

バンドの検出ができるほどのパターンが得られなかったたる。これを一周分積算することで中心の透過スポットからめである。EBSD 分析法において、高歪みまたはナノレベ

より遠い回折スポットも得やすくなる。一般的に、0.5 ～ルの超微細粒組織を識別することは難しい課題である。

1°程度のプリセッション角を使用すれば良好な結晶方位

工程省略につ な が る 材 料 技 術 特 集

源となるため、FE-SEM による数 nm のプローブ径のまま

マップのための指数付けが可能となる。
D

摺動面

E

F

電子ビーム
歳差運動
偏向コイル
'HIOHFWRU

1μm

試料

Fig.16 ローラピッチング試験後表面から約300μｍ深さ、内部き
裂周辺FE-SEM-EBSD測定結果(a) ローラーピッチング試験後試料の断面二次電子像（赤枠：EBSD測定領域）(b) イメージクオリティ(IQ)マップ
Hough変換後のピーク強度をパラメータとしたマップで、結晶性の善悪しに対応している。暗い箇所はパターンの質が悪い。
(c) 結晶方位マップ(CI>0.05)
CI値は検出したバンドを元に指数付けした結果から算出した0～1までの値である。
CI<0.05の箇所はき裂周辺に多く点在している様相。

照射電子

イメージシフトコイル,PDJH6KLIWFRLO

エワルド球

D

E

逆格子点

Fig.17 TEM/ASTAR測定原理の模式図(a) 電子ビーム歳差運動をしながら試料上スキャンする模式図(b) プローブを傾けたときエワルド球が投影した回折スポットの模式図
18

TOPSPIN Data Collection ソ フ ト ウ ェ ア で は、プ リ
セッションの制御および指定されたステップサイズで電4.3

透過電子顕微鏡を用いた結晶方位解析の特徴

子回折パターンをマップ情報として収集している。TEM

TEM を用いた結晶方位解析（TEM/ASTAR）法は、TEM

側の焦点合わせなどの調整後、専用のカメラで、上記測定をベースにした数 nm の高空間分解能を持つ結晶方位解析

領域をスキャンしながら電子回折パターンを収集し、後/ 相マッピング技術である。電子線を透過させるため、観処理の指数付けに利用する。Fig.18 は二相ステンレス鋼

察用試料は 100nm 以下に薄くする必要がある。照射電子

SUS329J4L の測定視野の明視野 STEM 像、測定箇所の回線が試料の結晶格子で回折され電子回折パターンを形成す

折パターンの例および予め作成したテンプレートの例を示

るため、電子線の広がりは限定的で、プローブ径がほぼ光す。収集した電子回折パターンをテンプレートと比較し、源の大きさとなる。特に FE-TEM ではプローブ径を 2nm

最も良くマッチングするテンプレートの結晶方位をそのパ以下に絞ることができることから、TEM/ASTAR システム

ターンの結晶方位としている。また相同定の場合は、可能は高空間分解能の FE-TEM に搭載されることが一般的で性のある複数の相のテンプレートを用意し、それぞれのテある。TEM の NBD モードで得られた電子回折パターンは、

ンプレートで指数付けを行い、最も良く一致した相のテン

低次（low order）のスポット輝度は高いが高次のスポット

プレートをそのパターンの相（および結晶方位）としてい

27

Sanyo Technical Report Vol.30 (2023) No.1

特殊鋼開発のための評価・分析技術

工程省略につ な が る 材 料 技 術 特 集

D

D

ｂ

＋
＋
ｃ

ｃ

ｂ

(Alpha)Fig.19 二相ステンレス鋼SUS329J4L結晶方位マップと相マップ(a)インデックスマップ
取得した電子回折パターンとシミュレーションとの一致度
をグレースケールで表示する。インデックスマップにおいて暗い領域は、複数の結晶粒が薄片試料奥行き方向で重なり、シミュレーションとの一致度が低くなっている可能性がある。
(b) 結晶方位マップ(c) 相マップ

H

ｄ

D

摺動面

ｂ

50μm

Fig.18 テンプレートマッチング法のイメージ図(a) 制御用PCに搭載したTOPSPIN Data Collectionシステム(b) 測定箇所のγ-Fe回折パターンおよび方位マッチング(c) 測定箇所のα-Fe回折パターンおよび方位マッチング(d) 予め作成したγ-Feテンプレート(e) 予め作成したα-Feテンプレート
テンプレートは、試料の結晶構造に基づいた逆極点図上で、可能性がある全ての結晶方位における回折パターンのシミュレーション像（テンプレート）であり、約1°の方位間隔で作成されたものである。(b)と(c)のように、緑と赤２箇所の回折パターンはγ-Fe（緑）とα-Fe（赤）のテンプレートとを比較することで、相と結晶方位が求められる。

保護膜

き裂

摺動方向

観察方向

白色型組織
断面作製方向

Fig.20 試料作製および分析箇所(a) ピッチング疲労試験後摺動部200μm直下のミクロ組織(b) 赤色破線に沿って作製した薄膜のTEM明視野像
Photo1-2：白色型組織
Photo1-4：母材部組織る。このような指数付け方法をテンプレートマッチング法と称する。以上のような解析で得られた結晶方位マップと相マップを Fig.19 に示す。
4.4
4.4.1

TEM による結晶方位解析（TEM/ASTAR 法）の応用
転がり疲れによるき裂周辺の白色型組織解析

Fig.20（a）に真空浸炭処理した SCM 系鋼における転動微細組織に対して EBSD の空間分解能では十分な解析が疲労試験（ローラピッチング試験）後のき裂周辺組織を示できないと考え、TEM/ASTAR 法による分析を行った。白す。摺動部直下約 200µm 深さに生成したき裂付近に白色色型組織上の赤色破線に沿って、FIB で 10µm × 10µm サ型組織を形成した様相を呈した。これは歯車が疲労破壊を

イズ、100nm 厚さ以下に製膜した。Fig.20（b）の TEM 明

14）。白色型組織の発生機構に関し

視野像に示したき裂の両側に超微細粒が点在していることては、従来から多くの研究がなされてきた。平岡らが行っが認められた。右側 Photo1-2 枠内（400nm × 400nm）

た TEM による組織観察の結果では、白色型組織の結晶粒を、プリセッション角 0.5°2nm 間隔における測定結果を起こす原因となっている

径は約 10nm であると指摘している14), 15)。このような超Fig.21 に示す。Fig.21（a）のインデックスマップは、取得

28

Sanyo Technical Report Vol.30 (2023) No.1

特殊鋼開発のための評価・分析技術

D

レースケールで表したマップであり、本マップから個々の[001]α'F

微細等軸結晶粒が明確に判別できた。ND、RD および TD
三方向の結晶方位マップからは、顕著な配向性はみられな
いことが確認できた。また、Fig.22 の結晶粒マップと結晶
粒分布のグラフからは、5nm ～ 15nm サイズの結晶粒も識別ができ、平均粒径は 14nm 程度であることが確認できた。Fig.23 で示した母材部組織では、歪みの多いマルテン[111]α'サイト組織においても結晶方位を同定することができた。

G

E
D

E

eND
TD

0DUWHQVLWH
7HWUDJRQDO

RD

100nm

100nm

100nm

G

F

Fig.23 母材部（Photo1-4）でのインデックスマップと結晶方位マップ(a) インデックスマップ(b) マルテンサイト組織の結晶方位マップ(c) 緑色粒内[001]方位電子回折図形およびマッチング(d) 紫色粒内[111]方位電子回折図形およびマッチング
100nm

100nm

Fig.21 (a)白色型組織(Photo1-2)のインデックスマップ,(b) ,(c), (d) ND, TD, RD方向の結晶方位マップ

4.4.2

ショットブラスト試験後表層組織観察

ショットブラスト試験後の SS400 鋼材の断面表層部を
[nm]

E

D

50nm 間隔で測定した EBSD 結晶方位マップと SEM 反射

260
240

電子像を重ね合わせたマップを Fig.24 に示す。この測定

220
200

では最表層数 µm 範囲内は結晶粒の微細化が認められた

Numbeｒ180

平均粒径 ・・・ ᵏᵒᵌᵏᶌᶋᴾ

160
140

が、最表層から 1µm までの深さでは結晶方位の同定がで

120

100
80

きなかった。強加工による大きな歪みが導入されたことに60
40

よる組織の微細化で結晶方位の同定ができなかったことが

20
100nm

0

10

20

示唆される。最表層 400nm × 400nm 範囲を TEM 用の試

Fig.22 結晶粒マップと結晶粒径分布グラフ(a) 5°以上の方位差を結晶粒界として作成した結晶粒マップ（ただし、結晶粒はEdge Grainを含む）(b) 結晶粒径分布グラフ
粒内、 粒界にみられる10nm前後の粒は、 薄片奥行き方向で重なりのある粒が薄片加工過程において削れて粒の一部が残っているものである可能性がある。

料 に 加 工 し、プ リ セ ッ シ ョ ン 角 0.5 °2nm 間 隔 で TEM/

30

40

50

70

60

Grain Size(Diameter)[nm]3040Fig.24 ショットブラスト試験後表層断面におけるEBSD測定結果
結晶方位マップとSEM反射電子像と同じ位置で重ね合わせた。

29

Sanyo Technical Report Vol.30 (2023) No.1

工程省略につ な が る 材 料 技 術 特 集

した電子回折パターンとシミュレーヨンとの一致度をグ

特殊鋼開発のための評価・分析技術

工程省略につ な が る 材 料 技 術 特 集

ASTAR 法による測定を実施したところ、Fig.25 に示すよｄｃ

うに、結晶方位を明確に測定することができた。表層は扁

,URQ
$OSKD

平粒を呈し、十数 nm の結晶粒を識別することができた。
同一粒内の方位差を表す KAM マップからは、最表層ではひずみが大きく、内部へ行くほど緩和されることが認められた。
,URQFDUELGH
D

2μm
F

E

Fig.26 SCM440相当鋼のTEM/ASTAR測定結果(c)結晶方位マップ(d)フェライトとセメンタイトの逆極点図G

トが（010）から（100）面方位にかけて集積している様子

Fig.25 ショットブラスト試験後表層断面におけるTEM/ASTAR測
定結果（測定領域：赤枠）(a) FIB作製した試料 (b) TEM明視野像 (c) 結晶方位マップ(d) KAMマップ（同一粒内の方位差を表す。赤い箇所は方位差が５°を超えた。）を呈した。
以上のような TEM/ASTAR 法による各測定事例では、サブミクロン程度の局所領域であるが、EBSD 分析法と同様に結晶方位マップと相マップなどの解析を行うことができ

4.4.3

超微細析出物の調査た。10nm 以下の空間分解能を有することで、ナノスケー

クロムモリブデン鋼（SCM440）の組織の特徴として、

ル組織や高転位密度加工材組織において、TEM を用いた

熱処理によってフェライト生地の中に多量の微細セメンタ

結晶粒方位マップの取得など従来の TEM 観察では不可能

イ ト Fe3C が 析 出 し て い る こ と が よ く 知 ら れ て い る。

であったナノ組織の情報が得られるようになった。近年、Fig.26（a）に市販の SCM440 材における［001］晶帯軸

バニシング加工法のように表面に大きな歪みを導入するこに 合 わ せ て 撮 影 し た TEM 明 視 野 像 を 示 す。500nm ×とで、表層に 100nm を切る微細な結晶粒を形成させるこ

500nm 領域（赤い枠）内を、プリセッション角 0.5°2nmとで材料の機能性を高める材料の開発が進んでおり、今後間隔で TEM/ASTAR 法による測定を行った。Fig.26（b）

ナノスケールレベルの組織の結晶方位解析のニーズは高の相マップからは、ナノサイズのセメンタイト析出物が認まっていくと考えられる。TEM/ASTAR 法は、金属、電子められた。Fig.26（c）の結晶方位マップと（d）の逆極点図

部品および半導体デバイスなど主に無機材料組織をナノレ

では、（001）面方位のフェライト Fe に対し、セメンタイ

ベルで観察する手法として、これまでにない情報を提供できると考えている。

D[110]θ

E

5. マイクロフォーカス X 線 CT
5.1[001]α原理と特徴

X 線 CT と は、X 線 コ ン ピ ュ ー タ 断 層 撮 影（X-ray
Computed Tomography）の略称で、医療分野や工業分野(Alpha)αで用いられる断層撮影技術である。特徴として、内部構造[001]αᵐᵎᵎᶌᶋ

を非破壊的に観察できる検査法であり、内部の材質や構造、密度分布、形状などを 3 次元的に可視化できる。
医療用 X 線 CT は数百 µm から 1mm 程度の欠陥を対象とFig.26 SCM440相当鋼のTEM/ASTAR測定結果(a)TEM明視野像 (b) 相マップ
緑色の析出物は[110]θの電子回折パターンを示し、セメンタイトであることが認められる。赤色析出物のようなスポットで得られた電子回折パターンは母材組織と同様の[001]α-Feであり、フェライト構
造を持つ析出物であることと考えられる。

しており、工業分野での X 線 CT に分類されるマイクロ
フォーカス X 線 CT は、数十 µmm 程度の欠陥を対象としている。マイクロフォーカス X 線 CT は、製品内部に存在する欠陥や部品の不良箇所、複雑な形状の試験片、微細構造の30

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特殊鋼開発のための評価・分析技術

焦点サイズ 4 μm の X 線源から円錐状に放出された白色 X
線を試料に照射し、検出器で 2 次元の透過像を取得する。
さらに、測定試料を 360°回転しながら各回転角にて透過像を撮影し、数学的に再構成して X 線 CT 像は得られる。当社装置（最大加速電圧 300kV）の X 線透過厚みは、鉄で約E30mm、Al で約 150mm である。検出できる欠陥の最小サ

F

イズは、試験体のサイズにも依存するが最小約 40µm とな
る。

D

G

H

Fig.28 鉄筋コンクリート中に存在する空隙の抽出例(a)試料外観写真、(b)X線CTの撮影像、(c)３D像、(d)小さい空隙（250㎣未満）を示した３D像、(e)大きい空隙(2960㎣)を示した3D像において発生したガスや気泡によって形成される空隙である。溶接部にブローホールが存在していると、溶接部の強度を低下させるだけでなく、腐食の激しい高温・高圧の環

Fig.27 X-CTの装置構成図
焦点サイズΦ４μmのX線源から円錐状に放出された白色X線を試料に照射し、検出器で2次元の透過像を取得する。取得後の透過像を数学的に再構成してX線CT像は得られる。

境下に曝された場合に、破断やガス漏れの原因となる。ブ
ローホールの調査は X 線透過検査でも行われているが、X
線 CT を用いることで、欠陥の 3 次元的な位置、個数、体積をより詳細に求められる。また、画像解析で抽出した欠陥はリストとして表示させることもできる。Fig.29（a）は Al

5.2

応用事例

板を重ね合わせた溶接材のブローホールの解析例である。

鉄筋コンクリート構造物の空隙やひび割れは、外観から

加速電圧は 200kV である。Fig.29（b）の白い矢印で示しはその内部構造を確認できない。長期間にわたって放置さた箇所がブローホールであり、Fig.29（c）では抽出された

れると、空隙から水分や酸素が浸入して鉄筋が腐食した

ブローホールの体積に応じて色分けした 3D 像である。3D

り、ひび割れから浸透した水分よって拡大したりすること像内の赤い箇所は、直線形状を有していることから、ブがある。従って、鉄筋コンクリート中のひび割れを調査す

ローホールではなく接合不良の空隙と推定できる。抽出さることは、構造物の品質を保持するため重要である。
Fig.28 は鉄筋コンクリートを模擬した試験体の空隙を抽出した一例である。加速電圧は 260kV である。Fig.28（a）に試料外観写真を示す。Fig.28（b）に示す X 線 CT の撮影像はグレースケールでの画像となる。白色であるほど、密度が高いことを示している。白色のコントラストは鉄、灰色のコントラストはコンクリート、黒色のコントラD

ストは空隙を示している。空隙の位置や大きさは 3 次元構E

造解析を用いて定量的な解析が可能である。Fig.28（c）の3D 像では抽出された空隙を示している。空隙の内、青色で示されている領域が小さい空隙（250㎣未満）であり、赤色で示されている領域が大きい空隙（2960㎣）となっている。それぞれの領域を Fig.28（c）と Fig.28（d）に示Fす。画像解析では空隙やひび割れの進展具合など、2 次元

G

Fig.29 Al溶接材に存在するブローホールの抽出例(a)試料外観写真、(b)X線CT像、(c)抽出結果を示した３D像、(d)抽出されたブローホールや接合不良のリスト（個数、体積、球相当直径などの情報）画像では区別がつきにくい形状の欠陥を可視化することが可能である。
溶接材に発生するブローホールは、金属同士の溶接工程

31

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工程省略につ な が る 材 料 技 術 特 集

観察などに利用されている。装置構成図を Fig.27 に示す。

特殊鋼開発のための評価・分析技術

工程省略につ な が る 材 料 技 術 特 集

6. おわりにれたブローホールや接合不良の情報は、図 C（d）に示した
様に位置、個数、体積、球相当直径などで取得可能である。
これらの情報は、X 線透過検査で得られる情報よりも精度

本稿では、トライボロジー評価、表面界面分析、微小領が高いことから、ブローホールガス分析での詳細な解析が域の結晶構造解析、X 線 CT による非破壊での内部構造計可能になる。

測の応用事例を紹介し、評価・分析技術が材料の選択、改溶接時に発生する欠陥には、ブローホールの他にも異物

良とそれを実現する特殊鋼開発の両方に必要な役割を担っが存在する。異物は溶接プロセス中に溶融金属や不純物がていることを述べた。ここで取り上げた事例は、それぞれ内部に混入することで形成される。この様な欠陥が存在すの装置を使いこなす技術があってこそ可能になったものでると、ひび割れや空隙を形成させ、製品の強度や耐食性をある。近年、特に重要視されている工程省略など材料開発低下させる。Fig.30 は Fig.29 と同じ試験体である Al 板をからの多用なニーズにこたえるには、装置の標準的な利用

重ね合わせた溶接材の異物の解析例である。加速電圧はだけではなく、評価分析法の応用技術の開発も進めていく

Fig.29 と同様 200kV である。Fig.30（b）中の矢印で示さ必要がある。分析技術者と材料・プロセスの研究開発者，

れた欠陥は、母材である Al よりも明るいコントラストとし製造現場の技術者がしっかり連携し課題に取り組むことて観察されていることから、Al よりも密度が高い物質であが、材料開発の推進力となるであろう。

ると推定される。X 線 CT では材料中に含まれる組成の密度差を可視化することができ、相対的な値として異物を検参考文献出することができる。Fig.30（c）に示した 3D 像内では異

1） 久保田直義、田中肇、古元智裕、小池和徳、林俊一：山陽特殊鋼技報 28（2021）13

物の抽出結果を示している。緑色と青色の箇所は、溶接部

2） 長谷亜蘭：第 2 回トライボロジー応用講座（実験・計の端部にそれぞれ密集していることから、溶接の開始時と測編）講義資料，（2020），62．

終了時に異物が多く混入したことが推定できる。また異物の元素分析など、より詳細な解析を行うには溶接部内の欠3） 佐々木信也：ふぇらむ，22（2017）1，17.

陥を切断加工や研磨などで表面に露出させる必要がある。

4） 安藤克己：機械設計，66（2022）6，79.

異物の大きさが数 100µmm 以上の大きさであれば、画像

5） 狩野陽平：多機能型摩擦摩耗試験機 MFT-5000 と評
価事例のご紹介配布資料，（2020），13.

解析で得られた異物の位置、個数、体積の情報を基準に追6） 吉田一郎、榊原僚、永井奨：トライボロジスト，67

い込むことができる。

（2022）11，737-744．
7） 佐々木信也：数値解析と表面分析によるトライボ
ロジーの解明と制御，（テクノシステム），（2018），
963.
8） L. A. Harris：J. Vac. Sci. Technol., 11（1974）1,23.
E9） L. E. Device, N. C. MacDonald, P. W. Palmberg,
G. E. Riach and R. Weber：Handbook of Auger
Electron Spectroscopy（1976）Perkin Elmer Co.

D10）日本表面科学会編：表面分析技術選書

オージェ電子分光法 ,（2001）2.
11）D. Briggs and M. P. Seah：”Practical Surface
Analysis by Auger and X-ray Photoelectron

F

Spectroscopy”（John Wiley & Sons, 1983）.

Fig.30 Al溶接材に存在する異物の抽出例(a)Fig.29と同じ試験体の外観写真、(b)X線CTの撮影像、矢印で示された欠陥が異物と推定される、(c)異物の抽出結果を示した3D像
緑色と青色の箇所（点線枠内）は、溶接部の端部にそれぞれ密集していることから、溶接の開始時と終了時に異物が多く混入したと推定される。

12）三村宏：鉄と鋼 , 57（1971）14,105.
13）鈴木清一：まてりあ，61（2022），27．
14）平岡和彦：Sanyo Technical Report Vol.15（2008）
No.1, 43.
15）平岡和彦，長尾実佐樹，椿野晴繁，山本厚之：トライ
ボロジスト，51（2006）
，744.

32

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